第二章林火基础理论解读课件.ppt

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1、林火生态与管理Forest Fire Ecology and Management林学院林学院 牛树奎牛树奎1960119061919601190619n2023/1/6n1第二章林火基础理论BasicTheoryofForestFire第一节第一节第一节第一节 森林燃烧的基本规律森林燃烧的基本规律森林燃烧的基本规律森林燃烧的基本规律第二节第二节第二节第二节 森林可燃物森林可燃物森林可燃物森林可燃物第三节第三节第三节第三节 森林火源森林火源森林火源森林火源第四节第四节第四节第四节 林火环境林火环境林火环境林火环境第五节第五节第五节第五节 林火林火林火林火行为行为行为行为n2023/1/6n2第

2、五节林火行为ForestFireBehaviorn一、火行为特征n二、火行为指标n三、火场特性n四、林火种类n五、影响火行为的主要因素n2023/1/6n3n火行为（fire behavior）是森林燃烧的重要指标。n火行为是指森林可燃物被点燃后，火在蔓延和发展过程中所表现出的现象和特征。它受可燃物类型、火环境和火源条件的制约和控制。火行为也是火的瞬时特征和火灾发展过程中的整体特征的描述指标。n火在其发生和发展过程中，由于受可燃物、地形、天气条件的影响，表现出各种各样的火行为特性。林火的外在表现是极其复杂的，但也有内在的规律性。n掌握林火行为的规律性，预测林火发生和蔓延的特征和发展动向，可为森

3、林防火、灭火、用火的决策提供科学依据。一、火行为特征n火行为特征是理解和研究火行为的基础。火行为特征是理解和研究火行为的基础。n特点：特点：n可见性可见性n瞬间变化瞬间变化n除内在因素，主要受风速和坡度的影响除内在因素，主要受风速和坡度的影响n主要包括火焰特征和火蔓延特征主要包括火焰特征和火蔓延特征n n（一）火焰特征（平地、坡地；有风、无风）（一）火焰特征（平地、坡地；有风、无风）（一）火焰特征（平地、坡地；有风、无风）（一）火焰特征（平地、坡地；有风、无风）n1.平地无风n2023/1/6n6n2.平地有风n火焰高度（h）；火焰长度（L）；火焰深度（D）n2023/1/6n7n3.坡地（有

4、风和无风）n2023/1/6n8n n（二）火蔓延模型（二）火蔓延模型n一场森林火灾在发展过程中，各火行为指标随着火后的时间推移而发生变化。n一般来讲，一个点着火后，起初蔓延速度和火强度都较小，逐渐加大到最大值。n轻型可燃物（如草类等）达到最大速度只需1020分钟；n重型可燃物（如采伐剩余物等）则需要几个小时。n由于可燃物的状况、热能释放速度、地形、天气状况的影响，表现出各种各样的火蔓延特征。n假定在均匀一致的可燃物条件下，对林火蔓延形成的火场形状起主要作用的是风和地形的影响。n2023/1/6n9n1.1.典型的火蔓延模型典型的火蔓延模型n火头（head）；火翼（flank）；火尾（rear

5、）n2023/1/6n10n2.2.火场形状的变化火场形状的变化n（1）平地无风（剖面和平面）n2023/1/6n11n2023/1/6n12n（2）平地有风n椭圆形；扇形n2023/1/6n13n3.山地条件下n山谷；山脊；支脉；坡度变化n2023/1/6n14二、火行为指标n蔓延速度n火强度n火焰高度n火烧持续时间n火场面积与周边长n火烈度n n（一）蔓延速度（一）蔓延速度（Rate of SpreadRate of Spread）n蔓延速度是在单位时间内，火向前移动的距离，单位是m/min、ft/min、km/hr等。n在实际火场中，根据所在的火场位置可以划分：n火头速度，或顺风火速度n

6、火尾速度，或逆风火速度n火侧（翼）速度，火侧风火速度n实际上，在任何方向上，都有的蔓延速度n2023/1/6n16n1.王正非林火蔓延王正非林火蔓延速度速度n R-林火蔓延速度（m/min）nR0-水平无风时火的初始蔓延速度（m/min）nKW-风速更正系数nKS-可燃物配置格局更正系数n-地面平均坡度（）nI0为无风是的火强度（）nl 为着火点到火头的距离（m）nH为可燃物热值（）nW0为可燃物负荷量nWr为潜在可燃物负荷量n2023/1/6n17风速风速m/s123456789101112KW1.21.41.72.02.42.93.34.15.06.07.18.5可燃物类型枯枝落叶厚度0-

7、4cm枯枝落叶厚度4-9cm枯草地KS10.7-0.91.5-1.8n2.澳大利亚草地火蔓延模型n麦克阿瑟（McArthur）等人1960年以来n当M20时，n2023/1/6n19n4.罗森迈尔（Rothermel）林火蔓延速度模型n1972年，1981年n基本假设：n直径8cm以下，均匀的混合物n应用了“似稳态”的概念，各方面的条件保持不变n式中R为火蔓延速度（ft/min），IR为火反应强度（Btu/ft2min-1），为传播通量比率，w和s分别为风系数和坡度系数，b为可燃物容积密度（lb/ft3），为有效加热系数，Qig为点燃单位重量可燃物需要的热量（预引燃热量）（Btu/lb）。n2

8、023/1/6n20n n（二）火（二）火强强度（度（FirelineIndensityFirelineIndensity）n1.Byram公式n火强度一般是指火线强度（firelineindensity），是指单位火线长度，单位时间内释放的热量，单位是Btu/ft.s-1、kw/m等。1959年，美国物理学家勃兰姆（Byram）提出了火线强度的计算公式：nI=HWRn式中：I-fireindensityinBtupersecondperfootoffirefront(Btu/(ft.s)nH-heatyieldinBtuperpoundoffuel(Btu/lb)nW-weightofava

9、ilablefuelinpoundspersquarefoot(lb/ft2)nR-rateofspreadinfeetpersecond(ft/s)n火强度的公制公式：nI=0.007HWR nI=HWR/600=0.001667HWR n式中：I-kw/mH-J/gW-t/haR-m/minn2023/1/6n21n2.用火焰长（高）度计算火线强度n1954年，勃兰姆nLf=0.45I0.46I=5.67Lf2.17n式中，Lf为火焰长度，ft；I=Btu/ft.s-1n1980年，罗森迈尔等人，改写为法定单位nLf=0.237I0.46I=258Lf2.17nL=0.077476I0.4

10、6n式中，火焰长度，m；火强度，kW/mn1983年，昌特莱尔等人提出用火焰高度计算火强度nI=273hf2.17n式中，I，kW/m；hf为火焰高度，mn2023/1/6n22n3.用火的反应强度计算火强度n单位面积上的热量释放速度为反应强度。n1976年，阿尔巴尼提出反应强度和火线强度之间的关系式：nI=IRD IR=I/Dn式中，IR，kW/m2；D为火焰深度，m；I，kW/mn4.用烧焦高度计算火强度n1973年，纷韦格尔提出树冠烧焦高度与火线强度之间的关系式：nhs=0.1483I2/3I=0.173hs1.5n式中，hs，m；I，kw/mn2023/1/6n23n5.火面强度n单位

11、面积上释放出来的热量，称为火面强度n英制：nHA=60I/Rn式中，HA，btu/ft2；I，Btu/ft/sn公制：nHA=681I/Rn式中，kJ/m2；kW/mn2023/1/6n24n n（三）火烧持续时间（三）火烧持续时间（三）火烧持续时间（三）火烧持续时间n火烧持续时间的长短与火的温度高低对于活的可燃物的影响是不同的。n火烧持续时间由下式计算：nn式中：S=火持续时间（min）n D=火纵深度（m）n R=火蔓延速度（m/min）n2023/1/6n25n n（四）火场面积模型和周长模型（四）火场面积模型和周长模型n1.安德烈的林火蔓延双椭圆模型（1983）n火场面积n周边长n式中

12、：n详见教材76页图2-20n2023/1/6n26n2.前苏联阿莫索夫的林火蔓延面积公式前苏联阿莫索夫的林火蔓延面积公式n式中：V1、V2、V3分别是顺风、侧风、逆风火的蔓延速度（m/min）；t是火发生后的时间（min）。n2023/1/6n27n3.加拿大的火行为计算公式加拿大的火行为计算公式n火蔓延面积nn火场周边长n上两式中：V、U、W分别是顺风、侧风、逆风火的蔓延速度（m/min）；t是火发生后的时间（min）；K是基于（V+W）/2U的常数。n2023/1/6n28n n（六）火烈度（六）火烈度n1.火烈度的概念n火烈度是指火破坏森林生态系统的程度，是王正非先生在80年代提出来的

13、。n王正非先生认为火烈度与火强度成正比，与火的蔓延速度的平方根成反比。n式中：P为树木损伤率，%；b为树种抗火能力系数；I是火强度；R为火蔓延速度。n2023/1/6n29n郑焕能先生认为：火对生态系统的影响表现在三个方面：n能量释放多少；n能量释放速度；n火烧持续时间。n由于火的种类不同，火强度和火烈度表现出四种相关性：n火强度大，火烈度也大，如强度树冠火n火强度大，火烈度小，如急进地表火n火强度小，火烈度大，如地下火n火强度小，火烈度小，如一般地表火n2.表达方法n（1）火烧前后的蓄积量变化n式中：PM为火烈度（%）；M0、M1分别为火烧前的蓄积量（m3）n（2）火烧前后林木株数的变化n式

14、中：PN为火烈度（%）；N0、N1分别为火烧前后的林木株数n3.火烈度等级n王正非以烧死林木的%划分火烈度级别：等级等级林木死亡率林木死亡率（%）火灾影响程度火灾影响程度一级0-5无损失，轻微地表火二级6-201-2年影响生长，一般地表火三级21-41部分树种更替，地表火、树干火四级41-80树种全部更替，树干火、部分树冠火五级81-100毁灭性，狂燃大火三、火场特性n n（一）对流柱（一）对流柱n低能量火，火线强度在低能量火，火线强度在3500kW/m3500kW/m以下，火以下，火焰高度在焰高度在3.53.5以下一般属于中、低度火以下一般属于中、低度火n高能量火，火线强度大于高能量火，火线

15、强度大于3500kW/m3500kW/m，火焰，火焰高度在高度在3.5m3.5m以上，一般属于高强度地表火和树以上，一般属于高强度地表火和树冠火，形成对流柱冠火，形成对流柱n2023/1/6n33n n（二）高能量火特征（二）高能量火特征n1.1.对流柱：对流柱：2-7km2-7km；塔状；蘑菇帽；塔状；蘑菇帽n2.2.跳跃式火团：燃烧着的可燃物的抬升跳跃式火团：燃烧着的可燃物的抬升n3.3.爆发火：有低能量火转变为高能量火时的火行为爆发火：有低能量火转变为高能量火时的火行为n4.4.飞火（飞火（spottingspotting，spot firespot fire）：高空飞落在前方的火）：高

16、空飞落在前方的火点点n5.5.火旋风（火旋风（flame whileflame while）：高速旋转的火焰涡旋）：高速旋转的火焰涡旋n6.6.火爆（火爆（blowupblowup）：多个飞火形成的爆炸式燃烧）：多个飞火形成的爆炸式燃烧n7.7.高温热流：看不见的高温高速热流高温热流：看不见的高温高速热流n n（三）高能量火的火行为模型（三）高能量火的火行为模型n详见教材详见教材85-8685-86页页四、林火种类n林火种类（KindsofForestFires）是对森林燃烧状况划分的燃烧类型。林火种类是林火行为的一个重要指标，对正确估计森林火灾的危害和后果以及实施林火扑救工作具有重要意义。n

17、19世纪初，俄国人就将林火划分为地下火、地表火、树冠火三类。n20世纪初，苏联特卡钦科（.）划分为四类：地下火、地表火、树冠火和树干火。n2023/1/6n35n50年代，苏联聂斯切洛夫（）又细分为六类：急进树冠火、稳进树冠火、急进地表火、稳进地表火、腐殖质火和泥炭火。建国以来，我国一直也采用这种划分方法。n1976年，加拿大范瓦格纳（C.E.Van Wagner）按火强度划分为九类：轻度地表火、中度地表火、强度地表火、冲冠火、依赖树冠火、活动树冠火、独立树冠火、大火和火爆。n1992年，郑焕能等按林火的蔓延特点、火燃烧部位、火蔓延速度和火强度（火焰高度）将林火划分为六大类20种。n2023/

18、1/6n36n n（一）树冠火（一）树冠火（一）树冠火（一）树冠火n1.急进树冠火n2.稳进树冠火n3.冲冠火n n（二）地表火（二）地表火（二）地表火（二）地表火n1.急进地表火n2.稳进地表火n n（三）地下火（三）地下火（三）地下火（三）地下火n1.腐殖质火n2.泥炭火n2023/1/6n37五、影响火行为的主导因素n n（一）大风（一）大风n n（二）地形（二）地形n n（三）连续干旱和高温（三）连续干旱和高温n n（四）可燃物类型（四）可燃物类型n n（五）可燃物连续性（五）可燃物连续性n2023/1/6n38问题与讨论n2023/1/6n39实验课安排（14学时）n实验实验课的目的

19、课的目的n通过实验课程，使学生在理解林火生态与管理的理论知识的基础上，了解林火生态试验的意义、重要性，理解课堂上的教学内容，掌握林火试验的方法，为进一步学习本课程奠定基础。n实验室实验室与时间安排与时间安排n实验室：森林生态实验室（林业楼414）n时间安排：在10月份（树木落叶季节），每周一个班级，星期六和星期日两天时间。n实验实验分组分组n实验以实验小组为试验单位。一个班级划分三个实验小组，选出组长1人。n2023/1/6n40n样品采集n样品采集时间：n10月份树木开始落叶之后。n样品采集的种类和数量：n每人采集2个树种的叶（常绿树是绿叶，其他树种为枯叶）和枝（细枝），班级内不重复。n具体树种选择，每个人在组内申报后，报班级学习委员进行进行全班级的查重、确定。n形成一个班级的各组每个人样品种类清单，在实验课中交给实验老师。n样品采集量：n应满足所有实验项目，并可重复一次。大约每种150克左右，不可低于100克。n2023/1/6n41