林火基礎(chǔ)理論解析課件

1、第二章 林火基礎(chǔ)理論Basic Theory of Forest Fire第一節(jié) 森林燃燒的基本規(guī)律第二節(jié) 森林可燃物第三節(jié) 森林火源第四節(jié) 林火環(huán)境第五節(jié) 林火行為7/29/2022第1頁，共45頁。第二節(jié) 森林可燃物Forest Fuel一、森林可燃物的燃燒性質(zhì)二、可燃物種類三、樹種易燃性和森林燃燒性四、可燃物類型7/29/2022第2頁，共45頁。森林可燃物森林可燃物（forest fuel）是指森林和林地上一切可以燃燒的物質(zhì)，如樹木的干、枝、葉、樹皮；灌木、草本、苔蘚、地表枯落物、土壤中的腐殖質(zhì)、泥炭等。森林可燃物是森林火災(zāi)發(fā)生的物質(zhì)基礎(chǔ)。7/29/2022第3頁，共45頁。一、森林可

2、燃物的燃燒性質(zhì)可燃物的燃燒性質(zhì)是由可燃物的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)來決定的。物理性質(zhì)有：可燃物的結(jié)構(gòu)、含水率、發(fā)熱量等；化學(xué)性質(zhì)有：油脂含量、可燃氣體含量、灰分含量等。（一）可燃物床層的結(jié)構(gòu)可燃物床層（fuel bed）是指從土壤下層的礦質(zhì)層起，上至植被頂端（樹冠）之間的各種可燃物的綜合體?？扇嘉锎矊又屑从谢羁扇嘉?、枯死可燃物，也包括土壤中的有機物質(zhì)（腐殖質(zhì)、泥炭、樹根及各種小動物和微生物）。通常是指土壤表面以上的可燃物總體?？扇嘉锝Y(jié)構(gòu)主要是指可燃物床層中可燃物的負荷量、大小、緊密度、連續(xù)性等。7/29/2022第4頁，共45頁。1.可燃物負荷量可燃物負荷量（fuel loading）是指單位面積上

3、可燃物的絕干重量，單位是kg/m2、t/ha。又稱可燃物載量1971年、福特羅勃遜（Ford Robertson）對可燃物進行定義：“可以點著和燃燒的任何物質(zhì)或復(fù)雜的混合物”。從理論上講，所有物質(zhì)都可以燃燒，但在實際中有的物質(zhì)在特定的林火中從來沒有燃燒過，如大樹的樹干。所以，可燃物負荷量又可分總可燃物負荷量潛在可燃物負荷量有效可燃物負荷量7/29/2022第5頁，共45頁。2.可燃物的大小（粗細）可燃物的大?。‵uel size）影響可燃物對外來熱量的吸收。對于單位質(zhì)量的可燃物來說，可燃物越小，表面積越大，受熱面積大，接收熱量多，水分蒸發(fā)快，可燃物越容易燃燒。常用表面積與體積比（surface

4、-area-to-volume ratio）來衡量可燃物的粗細度?？扇嘉锏谋砻娣e與體積比值越大，越容易燃燒。我們可以根據(jù)可燃物顆粒的形狀，采用一定的計算方法，對各種可燃物的表面積與體積比值進行估測?？扇嘉锏男螤睿簣A柱形；半圓柱形；長方形；扇形柱等7/29/2022第6頁，共45頁。3.可燃物的緊密度可燃物緊密度（Fuel compactness）可燃物床層中可燃物顆粒自然狀態(tài)下堆放的緊密程度。緊密度影響著可燃物床層中空氣的供應(yīng)，同時也影響火焰在可燃物顆粒間的熱量傳遞。緊密度的計算公式如下：最適緊密度是火燃燒最充分時的緊密度。小于最適緊密度，氧氣供應(yīng)不足大于最適緊密度，可燃物連續(xù)性低7/29/2

5、022第7頁，共45頁。4.可燃物的連續(xù)性可燃物連續(xù)性（Fuel continuity）是指能夠使火持續(xù)燃燒的可燃物連續(xù)分布狀態(tài)?？扇嘉锎矊釉诖怪狈较蚝退椒较蛏系姆植嫉倪B續(xù)性對火行為有著極為重要的影響。垂直連續(xù)性各層次之間的連接：地下可燃物（腐殖質(zhì)、泥炭、根系等）、地表可燃物（枯枝落葉）、草本可燃物（草類、蕨類等）、中間可燃物（灌木、幼樹等）、上層樹冠可燃物（枝葉）水平連續(xù)性各層次自身的水平各方向上的連接：如樹間有100m的空隙，樹冠火可下落成為地表火。7/29/2022第8頁，共45頁。（二）可燃物的含水量可燃物含水量（Fuel moisture content，F(xiàn)MC）的度量方法可分為相

6、對含水率和絕對含水率：相對含水率絕對含水率7/29/2022第9頁，共45頁。1.可燃物含水量與易燃性FMC與可燃物的易燃性（inflammability）之間的關(guān)系十分密切，是影響可燃物燃燒的重要指標?？菟揽扇嘉铮╠ead fuel）和活可燃物（live fuel）的FMC差異很大，對燃燒的影響也不一樣?？菟揽扇嘉锏暮孔兓容^大，它們可吸收超過本身重量1倍以上的水，其變化范圍為2-250%。一般情況下，當(dāng)FMC超過35%時，不燃；25-35%時，難燃；17-25%時，可燃；10-16時，易燃；小于10%時，極易燃?；羁扇嘉锏暮孔兓炔淮?，在75-250%之間。在干旱季節(jié)，為75-

7、150%?；羁扇嘉锱c樹冠火的發(fā)生有關(guān)。當(dāng)針葉FMC低于100%，常綠灌木葉叢FMC低于75%時，可發(fā)生猛烈的樹冠火。7/29/2022第10頁，共45頁。2.平衡含水率平衡含水率（Equilibrium Moisture Content，EMC）是可燃物吸收大氣中水分的速度與蒸發(fā)到大氣中水分的速度相等時的可燃物含水率。在美國的國家火險等級系統(tǒng)（National Fire-Danger Rating System，NFDRS）中，EMC通過相對濕度（RH）和溫度（TEMP）由下式進行估測：RH=10%，RH=50%：EMC=21.0606+0.005565RH2-0.00035RHTEMP-0.

8、483199RH7/29/2022第11頁，共45頁。3.可燃物時滯等級可燃物失去最初含水量和平衡含水量之差數(shù)的63（即1-1/e）的水分所需的時間稱為時滯（timelag）。美國國家火險等級系統(tǒng)（NFDRS）中根據(jù)可燃物的時滯范圍將枯死可燃物劃分為四個時滯等級（見表2-4）。7/29/2022第12頁，共45頁。4.熄滅含水率（臨界含水量）熄滅含水率（moisture of extinction，MOE）是指在一定熱源作用下可燃物能夠維持有焰燃燒的最大含水率。又稱臨界含水率可燃物的MOEMOE取決于可燃物的化學(xué)組成。不同的可燃物種類，MOE有所不同。熄滅含水量越高的可燃物越容易燃燒，反之越不

9、容易燃燒。大多數(shù)枯死可燃物的MOE為25-40%；大多數(shù)活可燃物的MOE為120-160%。FMC與MOE的關(guān)系FMCMOE，可燃物不能燃燒FMCMOE，可燃物能夠被引燃著火，且二者差值越大，火險越大7/29/2022第13頁，共45頁。（三）熱值（發(fā)熱量）可燃物熱值（Calorific Value，Heat Yield，）是指在絕干狀態(tài)下單位重量的可燃物完全燃燒時所放出的熱量，單位有cal/g、kcal/kg、kJ/kg、J/g。確切定義：熱值為1克物質(zhì)，在1個大氣壓、25下，完全燃燒釋放出的能量。非絕干狀態(tài)下的單位質(zhì)量的可燃物完全燃燒釋放的熱量，稱為發(fā)熱量（Heat Content）。（有

10、水分的影響）7/29/2022第14頁，共45頁。1.熱值等級一般情況下，物質(zhì)的熱值越高，釋放的能量越多，反之，則越少。森林可燃物的熱值范圍在12.6-23.4kJ/g之間?？蓜澐秩齻€等級：14.7kJ/g以下為低熱值，大多數(shù)為地衣、苔蘚、蕨類和草本植物；14.7-18.8kJ/g為中熱值，一般為闊葉樹的枝、葉、木材等；18.8kJ/g以上為高熱值，如針葉樹的葉、枝、樹皮、木材等。一般情況下，高熱值的可燃物燃燒時釋放的能量大，火強度大；低熱值可燃物燃燒時釋放的能量少，火強度小。7/29/2022第15頁，共45頁。2.不同種類可燃物的熱值表2-5 某些可燃物的熱值（kJ/kg）7/29/202

11、2第16頁，共45頁。3.FMC的變化直接影響可燃物的發(fā)熱量發(fā)熱量是指單位重量的可燃物完全燃燒時釋放的熱量。是含水率的函數(shù)。發(fā)熱量與可燃物含水量的多少成反比?？扇嘉锇l(fā)熱量與含水量之間有如下關(guān)系：式中：Mf為可燃物含水量，%；Q為為在Mf下的可燃物發(fā)熱量，kJ/kg；Q0為不含水時可燃物的熱值，kJ/kg；Vb為可燃物中水分的蒸發(fā)潛熱，kJ/kg。木材的含水量越高，發(fā)熱量越低，見表2-6。表2-6 木材熱值與含水量的關(guān)系7/29/2022第17頁，共45頁。（四）抽提物（油脂）含量抽提物是粗脂肪，它包括脂肪、游離脂肪酸、蠟、磷酸脂、芳香油、色素等脂溶性物質(zhì)的總稱。油脂是俗稱。油脂含量越高的樹種越

12、易燃，特別是含揮發(fā)油的植物更易燃。1.抽提物含量等級抽提物含量的多少是可燃物易燃性的重要指標。抽提物含量低于2%時，為低含量；3-5%為中含量；6%以上為高含量。一般來說，針葉樹含脂量較高，闊葉樹含脂量較少；樹葉含脂量較高，枝條的含脂量較少；木本植物含脂量較高，草本植物含脂量較少。2.抽提物含量的計算油脂含量（%）（油脂重量樣品絕干重量）100揮發(fā)油含量（毫升100克）揮發(fā)油毫升數(shù)樣品鮮重7/29/2022第18頁，共45頁。（五）灰分物質(zhì)含量灰分物質(zhì)含量是指可燃物中的礦物質(zhì)的含量。各種礦物質(zhì)通過催化纖維素的某些早期反應(yīng)，對燃燒有明顯的影響。它們增加木炭的生成和減少焦油的形成，可大大降低火焰的

13、活動。1.灰分含量及等級一般情況下，可燃物灰分低于5%時為低灰分含量；5-10%時為中灰分含量；高于10%時為高灰分含量。2.灰分中SiO2含量在灰分物質(zhì)中二氧化硅的含量對燃燒的逆相關(guān)更加明顯。即二氧化硅含量越多，可燃物越不易燃。7/29/2022第19頁，共45頁。（六）可燃氣體含量森林可燃物可燃氣體是有焰燃燒的源泉。可燃氣體充足，火焰高，火強度大。不同植物，熱分解時產(chǎn)生的氣體中，可燃性氣體的比例不一樣。一般喬木樹種的可燃性氣體總量為最高，在20-50%；其次是草本可燃物，含量在10-30%；最小是灌木可燃物，在10-20%；地衣和苔蘚在7-20%。7/29/2022第20頁，共45頁。二、

14、可燃物種類可燃物種類（fuel kinds）的不同，著火的難易程度不一樣。細小可燃物（fine fuel，如枯落葉、枯草等）容易干燥易于引燃，成為森林火災(zāi)的引火物，森林火災(zāi)大多是森林火源引燃細小枯死可燃物從而引發(fā)森林火災(zāi)。體積較大的可燃物（如樹木、灌木、采伐剩余物等）含有較多的水分，不易引燃，但被引燃后能釋放出大量的能量，是森林火災(zāi)的主要能量來源。7/29/2022第21頁，共45頁?？扇嘉锏姆N類、配置、結(jié)構(gòu)不同，發(fā)生火災(zāi)后的林火種類也不一樣。草地、灌叢、落葉闊葉林一般發(fā)生地表火；常綠針葉林、個別常綠闊葉林（桉樹林）由于葉富含油脂易燃常常發(fā)生樹冠火；土壤中的腐殖質(zhì)和泥炭，只有在天氣極端干旱的條

15、件下，才能燃燒而形成地下火。林內(nèi)垂直連續(xù)分布，可使地表火轉(zhuǎn)變成樹冠火7/29/2022第22頁，共45頁。（一）根據(jù)地被物的種類劃分1.地表枯枝落葉層（litter）：上層：當(dāng)年的落葉下層：一年以前的落葉2.地衣（lichen）易燃3.苔蘚（mosses）難燃4.草本植物（herb）易燃草本：禾本科、莎草科、及部分菊科等陽性雜草。難燃草本：毛茛科、百合科、醬草科、虎耳草科等。5.灌木（bush，shrubs）易燃灌木：胡枝子、繡線菊、偃松、興安、西伯利亞等。難燃灌木：鴨腳木、越桔、接骨木、榛子、白丁香等。6.喬木（trees）易燃喬木：針葉樹和帶油脂的闊葉樹（如桉樹）難燃喬木：闊葉樹（落葉、常

16、綠）和落葉松7.林地雜亂物（slash）枯死可燃物，易燃7/29/2022第23頁，共45頁。（二）根據(jù)可燃物燃燒的難易程度劃分危險可燃物在一般情況下，容易著火，燃燒快，如地表的干枯雜草、枯枝、落葉、樹皮、地衣、苔蘚等。緩慢燃燒可燃物一般是粗大的重型可燃物，如枯立木、腐殖質(zhì)、泥炭、樹根、大枝椏、倒木等。難燃可燃物指正在生長的草本植物、灌木和喬木。7/29/2022第24頁，共45頁。（三）根據(jù)可燃物在林內(nèi)的位置劃分地下可燃物（ground fuel）地表可燃物（surface fuel，1.5m以內(nèi)）空中可燃物（aerial fuel，aboveground fuel，1.5m以上）7/29/

17、2022第25頁，共45頁。（四）按可燃物含水率的變化性質(zhì)劃分活可燃物（Live Fuel）葉、小枝(D1cm)、大枝（1cmD10cm）死可燃物（Dead Fuel）美國：時滯等級：1時滯可燃物；10時滯可燃物；100時滯可燃物；1000時滯可燃物加拿大：FFMC；DMC；DC7/29/2022第26頁，共45頁。三、樹種易燃性和森林燃燒性（一）樹種易燃性和森林燃燒性的概念1.樹種易燃性（或稱種類易燃性）樹種易燃性（species flammability）是指森林中的各樹種或可燃物種類在森林火災(zāi)中所表現(xiàn)出燃燒的難易程度，是對森林中某一樹種燃燒特性的相對的定性描述，一般可劃分三個等級：易然、

18、可燃、難燃。易燃性的定量研究灌木、苔蘚和草本植物的易燃性樹種易燃性對森林燃燒性的影響取決于組成樹種所占的比例。7/29/2022第27頁，共45頁。2.森林燃燒性森林燃燒性（Forest Combustibility）是指在有利于森林燃燒的條件下，森林被引燃著火的難易程度以及著火后所表現(xiàn)出的燃燒狀態(tài)（火種類）和燃燒速度（火強度）的綜合。森林燃燒性可作為森林發(fā)生火災(zāi)難易的指標。一般說來，可定性劃分為三個燃燒性等級，即易燃、可燃、難燃。這是對森林燃燒性的定性的、簡單的、相對的描述。燃燒性的定量研究森林燃燒性還可作為森林燃燒釋放能量大小的指標?？梢愿鶕?jù)火強度和火焰高度定量確定四個能量釋放等級，即輕度

19、燃燒、中度燃燒、高度燃燒和強度燃燒。從著火蔓延的難易和能量釋放的兩個方面劃分森林燃燒性的等級，有利于區(qū)分不同的森林群落的燃燒性質(zhì)，為防火、滅火和用火提供依據(jù)。森林燃燒性也是劃分可燃物類型的依據(jù)。7/29/2022第28頁，共45頁。（二）森林特性與森林燃燒性森林不是可燃物的簡單堆積，而是一個具有不同的時間和空間的可燃物集合。每一個森林群落是由多種植物所構(gòu)成的，因而形成不同的森林特性。這些特性與森林燃燒性有著密切的關(guān)系。林木組成由于樹種的易燃性各不相同，同時影響著林下死、活地被物的數(shù)量、組成及其性質(zhì)。這樣，由不同樹種構(gòu)成的森林，燃燒性也不一樣。7/29/2022第29頁，共45頁。林分郁閉度林分

20、郁閉度的大小直接影響到林內(nèi)的光照條件，進而影響林內(nèi)小氣候（溫度、相對濕度、風(fēng)速等）。也就影響到林下可燃物的種類、數(shù)量及其含水率。林分年齡同齡林，不同的齡級階段，森林燃燒性不同；異齡林，林中各齡級林木所占的比例，決定森林的燃燒性。林木的層次結(jié)構(gòu)單層林，森林燃燒性的高低，取決于林木的組成復(fù)層林，森林燃燒性的高低，取決于各層次林木的組成以及各層次間的差異林木的水平分布格局主要指可燃物如地表、林冠的水平連續(xù)性。地表可燃物的水平連續(xù)性影響地表火的蔓延；樹冠的水平連續(xù)性影響樹冠火的蔓延。7/29/2022第30頁，共45頁。（三）我國主要樹種的易燃性1.針葉樹種針葉樹的枝葉、樹皮及木材或多或少含有松脂和揮

21、發(fā)性油類，較闊葉樹易燃。不同樹種的理化性質(zhì)和生物學(xué)特性的有差異，易燃性也有明顯的不同。針葉樹種的易燃性可劃分三個等級：級：易燃這類樹種含有大量松脂和揮發(fā)性油類，枝葉中灰分含量低，熱值高易燃物數(shù)量比例較大，可燃物結(jié)構(gòu)疏松地被物緊密度小，含水率低。常綠，多為陽性樹種，分布在比較干燥的立地上。常見的易燃樹種有：馬尾松、海南松、思茅松、云南松、油松、黑松、華山松、高山松、白皮松、赤松、紅松、西伯利亞紅松、樟子松、側(cè)柏、圓柏等。7/29/2022第31頁，共45頁。級：可燃松脂和揮發(fā)油含量中等，灰分含量居中，熱值中等，易燃可燃物比例居中，可燃物結(jié)構(gòu)較緊密，含水率較多，樹冠較密集，多為中性樹種，所處立地條

22、件較濕潤，土壤較肥沃。主要樹種有：杉木、柳杉、三尖杉、紅豆杉、紫杉、黃杉、粗榧等。III級：難燃含有較少油脂及揮發(fā)性油類，灰分含量高，熱值低，易燃可燃物比例小，可燃物結(jié)構(gòu)緊密，多為耐蔭性樹種，也有少數(shù)處于水濕條件下的陽性樹種。如云杉、冷杉、落葉松、水杉、落羽杉、池杉等7/29/2022第32頁，共45頁。2.闊葉樹種闊葉樹含揮發(fā)性油類少，大多數(shù)枝葉、樹干內(nèi)含水分較多。相對針葉樹來說不易燃燒。但由于各樹種的理化性質(zhì)不同，生物學(xué)特性不一樣，易燃性也有明顯的差異。闊葉樹也可劃分為三個易燃性等級：級：易燃枝葉、干、樹皮含有揮發(fā)性油類，體內(nèi)水分較少，易燃可燃物數(shù)量多結(jié)構(gòu)疏松，多為陽性樹種，處于干燥條件下

23、。如櫟類、桉樹類、樟科、黑樺、安息香科等。7/29/2022第33頁，共45頁。級：可燃枝葉不含揮發(fā)性油類，多生長在潮潤的土壤上，體內(nèi)含水分較多，多為中性樹種易燃可燃物數(shù)量中等，多生長在山中部較肥沃、水分適中的立地條件上。如：各種樺樹、楊樹、椴樹、槭樹、榆樹、化香樹、楝樹、泡桐等。級：難燃不含揮發(fā)性油類，多為常綠闊葉樹，水分含量大易燃可燃物數(shù)量少，多為耐陰、耐水濕樹種，多處于潮濕水濕立地條件。如水曲柳、黃菠蘿、柳樹、竹類、木荷、火力楠、紅花油茶、茶樹等。7/29/2022第34頁，共45頁。（四）我國主要森林類型的燃燒性1.落葉松林（興安落葉松林）（1）易燃，草類落葉松林、柞木落葉松林、杜鵑落

24、葉松林；（2）可燃，杜香落葉松林、偃松落葉松林；（3）難燃，溪旁落葉松林、杜香云杉落葉松林、泥炭蘚杜香落葉松林2.云、冷杉林（1）可燃，草類云杉林、草類冷杉林；（2）難燃，蘚類云杉林、蘚類冷杉林7/29/2022第35頁，共45頁。3.針闊混交林（闊葉紅松林）（1）易燃，山脊陡坡苔草紅松林；（2）可燃，山麓緩坡蕨類紅松林；（3）難燃，山坡下部濕潤云冷杉紅松林4.山地楊樺林（1）可燃，草類山楊林、草類白樺林；（2）難燃，沿溪朝鮮柳林、珍珠梅赤松林、洼地柳林5.易燃林分類型樟子松林；蒙古櫟林；油松林；馬尾松林；杉木林；云南松林；桉樹林等6.難燃林分類型常綠闊葉林；竹林7/29/2022第36頁，共

25、45頁。四、可燃物類型樹木和林下植物種類的不同，形成不同的林分結(jié)構(gòu)，也影響著林火的種類和強度及森林火災(zāi)的損失程度，所以，依據(jù)這種差異可以劃分若干個可燃物類型。劃分可燃物類型主要依據(jù)：植被（森林）類型；樹種組成；立地條件；森林破壞程度等7/29/2022第37頁，共45頁。（一）可燃物類型的概念可燃物類型（fuel type）是指具有明顯的代表植物種、可燃物種類、形狀、大小、組成以及其它一些對林火蔓延和控制難易有影響的特征相似或相同的同質(zhì)復(fù)合體。簡言之，可燃物類型是占據(jù)一定時間和空間的具有相同或相似燃燒性的可燃物復(fù)合體。不同的可燃物類型具有不同的森林燃燒性，預(yù)示著發(fā)生森林火災(zāi)的難易程度、林火種類和能量的釋放強度。調(diào)節(jié)可燃物類型的燃燒性是森林防火的基礎(chǔ)，也是日常工作的內(nèi)容，它貫穿于整個森林生長發(fā)育的全過程?？扇嘉镱愋褪菢?gòu)成森林燃燒環(huán)的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，也是林火預(yù)報的關(guān)鍵因子。7/29/2022第38頁，共45頁。（二）可燃物類型的劃分1.依據(jù) 主要依據(jù)下列因素：主要可燃物種類的易燃性林分的立地條件（水分、地形）2.加拿大的可燃物類型加拿大林火行為預(yù)報系統(tǒng)（1992）中劃分16個可燃物類型；表2-93.美國的可燃物類型美國國家火險等級系統(tǒng)（1978）中劃分20個可燃物模型。表2-104.我國