峡谷不同可燃物条件下的林火行为及其对火灾风险评估的启示

《Journal of Environmental Management》：Implications of canyon fire behavior under different fuel conditions for fire risk assessment

　　

本研究通过改变可燃物条件（类型和载量），开展了一系列峡谷火蔓延的实验研究。研究人员定量测量和分析了火线演变、蔓延速率（Rate of Spread, ROS）、热通量和流速等关键火行为特征，识别了不同条件下首次观察到喷发性火（eruptive fire）发生的临界条件。研究系统阐明了可燃物条件对峡谷火行为和喷发性火发生临界条件的影响。结果表明，可燃物条件并未改变观察到的喷发性火发生的临界条件（中心坡度角α = 27.5°，侧向坡度角δ = 20°）。地形因素对喷发性火的发生起着主导控制作用。然而，可燃物条件确实影响了火蔓延的动态过程，包括火线形态、蔓延速率的大小以及热通量和流速的变化模式。这些发现为未来野火管理和喷发性火的火灾风险评估提供了新的视角和科学依据。

论文解读文章

研究背景与问题

野火是全球最重要的自然干扰之一，对森林生态系统结构和功能产生深远影响，并对森林管理构成严峻挑战。近年来，由人类活动和气候变化驱动的全球变化加剧了野火风险，导致大规模野火的频率、范围和强度增加。极端火行为，尤其是喷发性火（eruptive fire），是引发大规模野火的关键驱动因素之一。喷发性火是一种典型的极端火行为，其特征是在短时间内蔓延速率（Rate of Spread, ROS）和热量释放率急剧攀升，常发生在深窄峡谷中。这种加速现象即使在外部环境条件不变的情况下也可能发生，其不可预测性使得现有模型难以准确预报，并已导致多起人员伤亡事故。因此，深化对峡谷火蔓延机制的理解，阐明可燃物、环境和地形等外部因素及其与火本身相互作用对峡谷火行为和喷发性火临界条件的影响，对于制定森林管理和消防策略、减轻相关损失至关重要。

以往研究普遍认为可燃物、地形和气象条件是决定ROS的三个基本要素，其中可燃物是人类唯一可以有效调控的因素。然而，在极端天气下，可燃物处理的效果可能减弱，而地形因素可能导致整个火险季节内可燃物湿度和野火危险性的显著变化。目前针对峡谷火的研究仍相对匮乏，缺乏对其蔓延过程的完整物理描述。已有研究表明峡谷地形会显著影响火蔓延过程，但多数研究聚焦于地形的影响，很少涉及可燃物条件的作用。峡谷中喷发性火发生的潜在机制及其临界条件的影响因素尚不明确。

为解决上述问题，本研究通过改变可燃物条件（类型和载量），系统探究了可燃物对峡谷火行为和喷发性火临界条件的影响。

研究方法与技术

研究人员在一个对称的峡谷实验台（尺寸4.4 m × 4.0 m）上进行了一系列燃烧实验。该实验台位于东北林业大学野火行为研究实验室的一个大型开阔大厅内，处于静风条件下。关键技术方法包括：

1. 1.
   地形模拟：利用液压系统精确控制峡谷的两个特征坡度角——中心坡度角（α）和侧向坡度角（δ），使其在0°到40°范围内自由调整。
2. 2.
   火行为参数测量：
   • •
     火线位置与蔓延速率：沿峡谷中心线等间距（20 cm）布置22个K型热电偶（K-type thermocouple），通过记录温度达到350 °C的时间点来确定火前锋到达时间，进而计算局部ROS。同时，使用数码摄像机和红外摄像机从上方和侧面记录实验过程，提取火线轮廓。
   • •
     热通量：在燃料床顶部中心线处安装水冷式总热通量计（total heat flux meter）和辐射热通量计（radiant heat flux meter），分别测量总热通量和辐射热通量，并通过两者差值估算对流热通量的相对增强趋势。
   • •
     流速：在右坡面中心和峡谷中心线顶部各安装一个校准过的双向S型皮托管（bidirectional S-type pitot tube），用于测量平行于峡谷中心线的流速。
3. 3.
   可燃物设置：选用中国东北地区常见的两种树种——红松（Pinus koraiensis）的枯针和蒙古栎（Quercus mongolica）的枯叶作为燃料。红松的可燃物载量设置为0.4、0.6、0.8和1.0 kg m^-2，蒙古栎的载量设为0.6 kg m^-2。所有燃料均经过空气干燥处理，并将燃料含水率（Fuel Moisture Content, FMC）控制在约11%。
4. 4.
   数据分析：引入无量纲蔓延速率（non-dimensional rate of spread, R'），定义为R' = R / R₀，其中R₀是无风无坡条件下的基础蔓延速率（basic ROS），以便消除水分和环境因素的影响，更好地比较不同实验结果。

研究结果

3.1. 火线演变

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  可燃物类型的影响：在相同载量（0.6 kg m^-2）下，低坡度（α=20°, δ=10°）时，红松和蒙古栎峡谷火的火线演变模式存在差异。红松的火头完全偏离最大坡度线，在中心线形成单一火头；而蒙古栎的火头则保持在最大坡度线上。这归因于红松含有更多挥发性有机物和更高的热值，导致火焰更高，两侧火线相互作用更强。在高坡度下，两者的火线演变模式趋于一致。
• •
  可燃物载量的影响：对于红松，不同载量下的火线轮廓在相同地形配置下保持一致，表明可燃物载量未明显改变火线演变模式。

3.2. 蔓延速率

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  地形的主导作用：在所有可燃物条件下，ROS随α和δ的增加而增大。当α ≥ 30° 或 α = 27.5° 且 δ ≥ 20° 时，ROS表现出突然加速的行为，符合喷发性火的特征。喷发性火首次被观察到的临界条件均为α = 27.5° 和 δ = 20°，该临界条件不受测试的可燃物条件影响，证实了地形对喷发性火发生的主导控制作用。
• •
  可燃物类型的影响：在非喷发条件下，蒙古栎的实际ROS快于红松；而在喷发条件下，结果相反。这归因于两种可燃物的理化性质、床层结构以及不同火蔓延阶段（辐射主导 vs. 对流主导）的热传递机制差异。
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  可燃物载量的影响：在同一地形配置下，无论是否发生喷发性火，ROS均随可燃物载量的增加而增加。

3.3. 热通量

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  喷发与非喷发的区别：在非喷发条件下（α=27.5°, δ=10°），总热通量与辐射热通量相当，表明辐射加热占主导。在喷发条件下（α=27.5°, δ=20°和30°），总热通量和辐射热通量的峰值均显著增加，且总热通量远高于辐射热通量，表明对流加热发挥了关键作用，与辐射共同主导了火蔓延。
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  可燃物条件的影响：热通量的变化与ROS结果一致。在非喷发条件下，蒙古栎的热通量峰值高于红松；在喷发条件下则相反。对于红松，热通量峰值随载量增加而增加。

3.4. 流速

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  火诱导气流：在火前锋接近前，流速首先下降至最小值，随后迅速上升，并在火前锋到达时达到最大值。这种快速增加的向上气流是由火自身引起的上坡风（upslope wind）。
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  与火行为的一致性：喷发条件下的峰值流速显著高于非喷发条件，这与ROS和热通量的结果一致。值得注意的是，在所有配置中，蒙古栎的流速均低于红松，这可能与其较低的火焰高度和浮力羽流有关。

讨论与结论

讨论部分总结：

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  可燃物条件的影响：研究指出，可燃物类型和载量通过改变燃料床的理化性质和结构直接影响峡谷火行为。可燃物类型的影响依赖于火蔓延模式（辐射或对流主导），而可燃物载量的影响则较为直接，即增加载量会提高ROS、热通量和流速。研究也承认了其局限性，即类型和载量的对比实验设计不完全，无法全面评估两者的交互作用。
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  对喷发性火及其临界条件的影响：研究确认，在所有测试的可燃物条件下，喷发性火首次发生的临界条件均为α=27.5°和δ=20°，这强烈表明地形因素是控制喷发性火发生与否的决定性因素。研究进一步证实，峡谷火中强烈的对流加热是喷发性火发生和ROS急剧增加的根本机制。

研究结论：

本工作通过改变可燃物条件（类型和载量），对峡谷火蔓延进行了一系列实验研究。通过定量测量和分析关键火行为特征，如火线演变、蔓延速率（ROS）、热通量和流速，识别了不同条件下首次观察到喷发性火的条件。系统地阐明了可燃物条件对峡谷火行为和喷发性火临界条件的影响。此外，还为未来的野火管理提出了具体建议，并为喷发性火的风险评估提供了启示。研究结果不仅为未来的野火管理和火险等级评定提供了新的视角，也为消防指挥官的现场决策提供了关键的科学依据。