22第二章林火基础理论.

第二章林火基础理论BasicTheoryofForestFire第一节森林燃烧的基本规律第二节森林可燃物第三节森林火源第四节林火环境第五节林火行为1第二节森林可燃物ForestFuel一、森林可燃物的燃烧性质二、可燃物种类三、树种易燃性和森林燃烧性四、可燃物类型22020/1/13森林可燃物森林可燃物（forestfuel）是指森林和林地上一切可以燃烧的物质，如树木的干、枝、叶、树皮；灌木、草本、苔藓、地表枯落物、土壤中的腐殖质、泥炭等。森林可燃物是森林火灾发生的物质基础。32020/1/13一、森林可燃物的燃烧性质可燃物的燃烧性质是由可燃物的物理性质和化学性质来决定的。物理性质有：可燃物的结构、含水率、发热量等；化学性质有：油脂含量、可燃气体含量、灰分含量等。（一）可燃物床层的结构可燃物床层（fuelbed）是指从土壤下层的矿质层起，上至植被顶端（树冠）之间的各种可燃物的综合体。可燃物床层中即有活可燃物、枯死可燃物，也包括土壤中的有机物质（腐殖质、泥炭、树根及各种小动物和微生物）。通常是指土壤表面以上的可燃物总体。可燃物结构主要是指可燃物床层中可燃物的负荷量、大小、紧密度、连续性等。42020/1/131.可燃物负荷量可燃物负荷量（fuelloading）是指单位面积上可燃物的绝干重量，单位是kg/m2、t/ha。又称可燃物载量1971年、福特·罗勃逊（FordRobertson）对可燃物进行定义：“可以点着和燃烧的任何物质或复杂的混合物”。从理论上讲，所有物质都可以燃烧，但在实际中有的物质在特定的林火中从来没有燃烧过，如大树的树干。所以，可燃物负荷量又可分①总可燃物负荷量②潜在可燃物负荷量②有效可燃物负荷量52020/1/132.可燃物的大小（粗细）可燃物的大小（Fuelsize）影响可燃物对外来热量的吸收。对于单位质量的可燃物来说，可燃物越小，表面积越大，受热面积大，接收热量多，水分蒸发快，可燃物越容易燃烧。常用表面积与体积比（surface-area-to-volumeratio）来衡量可燃物的粗细度。可燃物的表面积与体积比值越大，越容易燃烧。我们可以根据可燃物颗粒的形状，采用一定的计算方法，对各种可燃物的表面积与体积比值进行估测。可燃物的形状：圆柱形；半圆柱形；长方形；扇形柱等62020/1/133.可燃物的紧密度可燃物紧密度（Fuelcompactness）可燃物床层中可燃物颗粒自然状态下堆放的紧密程度。紧密度影响着可燃物床层中空气的供应，同时也影响火焰在可燃物颗粒间的热量传递。紧密度的计算公式如下：最适紧密度是火燃烧最充分时的紧密度。小于最适紧密度，氧气供应不足大于最适紧密度，可燃物连续性低7）紧密度（无量纲，）基本密度（）容积密度（1-0kg/m,g/cmkg/m,g/cm3333pb2020/1/134.可燃物的连续性可燃物连续性（Fuelcontinuity）是指能够使火持续燃烧的可燃物连续分布状态。可燃物床层在垂直方向和水平方向上的分布的连续性对火行为有着极为重要的影响。①垂直连续性各层次之间的连接：地下可燃物（腐殖质、泥炭、根系等）、地表可燃物（枯枝落叶）、草本可燃物（草类、蕨类等）、中间可燃物（灌木、幼树等）、上层树冠可燃物（枝叶）②水平连续性各层次自身的水平各方向上的连接：如树间有100m的空隙，树冠火可下落成为地表火。82020/1/13%100DDH（二）可燃物的含水量可燃物含水量（Fuelmoisturecontent，FMC）的度量方法可分为相对含水率和绝对含水率：相对含水率绝对含水率%100HDH2020/1/131.可燃物含水量与易燃性FMC与可燃物的易燃性（inflammability）之间的关系十分密切，是影响可燃物燃烧的重要指标。枯死可燃物（deadfuel）和活可燃物（livefuel）的FMC差异很大，对燃烧的影响也不一样。枯死可燃物的含水量变化幅度较大，它们可吸收超过本身重量1倍以上的水，其变化范围为2-250%。一般情况下，当FMC超过35%时，不燃；25-35%时，难燃；17-25%时，可燃；10-16时，易燃；小于10%时，极易燃。活可燃物的含水量变化幅度不大，在75-250%之间。在干旱季节，为75-150%。活可燃物与树冠火的发生有关。当针叶FMC低于100%，常绿灌木叶丛FMC低于75%时，可发生猛烈的树冠火。102020/1/132.平衡含水率平衡含水率（EquilibriumMoistureContent，EMC）是可燃物吸收大气中水分的速度与蒸发到大气中水分的速度相等时的可燃物含水率。在美国的国家火险等级系统（NationalFire-DangerRatingSystem，NFDRS）中，EMC通过相对湿度（RH）和温度（TEMP）由下式进行估测：RH10%时：EMC=0.03229+0.281073RH-0.000578TEMP×RHRH=10%，RH50%时：EMC=2.22749+0.160107RH-0.014784TEMPRH=50%：EMC=21.0606+0.005565RH2-0.00035RH×TEMP-0.483199RH112020/1/133.可燃物时滞等级可燃物失去最初含水量和平衡含水量之差数的63％（即1-1/e）的水分所需的时间称为时滞（timelag）。美国国家火险等级系统（NFDRS）中根据可燃物的时滞范围将枯死可燃物划分为四个时滞等级（见表2-4）。122020/1/134.熄灭含水率（临界含水量）熄灭含水率（moistureofextinction，MOE）是指在一定热源作用下可燃物能够维持有焰燃烧的最大含水率。又称临界含水率可燃物的MOEMOE取决于可燃物的化学组成。不同的可燃物种类，MOE有所不同。熄灭含水量越高的可燃物越容易燃烧，反之越不容易燃烧。大多数枯死可燃物的MOE为25-40%；大多数活可燃物的MOE为120-160%。FMC与MOE的关系FMCMOE，可燃物不能燃烧FMCMOE，可燃物能够被引燃着火，且二者差值越大，火险越大132020/1/13（三）热值（发热量）可燃物热值（CalorificValue，HeatYield，）是指在绝干状态下单位重量的可燃物完全燃烧时所放出的热量，单位有cal/g、kcal/kg、kJ/kg、J/g。确切定义：热值为1克物质，在1个大气压、25℃下，完全燃烧释放出的能量。非绝干状态下的单位质量的可燃物完全燃烧释放的热量，称为发热量（HeatContent）。（有水分的影响）142020/1/131.热值等级一般情况下，物质的热值越高，释放的能量越多，反之，则越少。森林可燃物的热值范围在12.6-23.4kJ/g之间。可划分三个等级：14.7kJ/g以下为低热值，大多数为地衣、苔藓、蕨类和草本植物；14.7-18.8kJ/g为中热值，一般为阔叶树的枝、叶、木材等；18.8kJ/g以上为高热值，如针叶树的叶、枝、树皮、木材等。一般情况下，高热值的可燃物燃烧时释放的能量大，火强度大；低热值可燃物燃烧时释放的能量少，火强度小。152020/1/132.不同种类可燃物的热值表2-5某些可燃物的热值（kJ/kg）162020/1/133.FMC的变化直接影响可燃物的发热量发热量是指单位重量的可燃物完全燃烧时释放的热量。是含水率的函数。发热量与可燃物含水量的多少成反比。可燃物发热量与含水量之间有如下关系：式中：Mf为可燃物含水量，%；Q为为在Mf下的可燃物发热量，kJ/kg；Q0为不含水时可燃物的热值，kJ/kg；Vb为可燃物中水分的蒸发潜热，kJ/kg。木材的含水量越高，发热量越低，见表2-6。表2-6木材热值与含水量的关系17bfVMQQ01.002020/1/13（四）抽提物（油脂）含量抽提物是粗脂肪，它包括脂肪、游离脂肪酸、蜡、磷酸脂、芳香油、色素等脂溶性物质的总称。油脂是俗称。油脂含量越高的树种越易燃，特别是含挥发油的植物更易燃。1.抽提物含量等级抽提物含量的多少是可燃物易燃性的重要指标。抽提物含量低于2%时，为低含量；3-5%为中含量；6%以上为高含量。一般来说，针叶树含脂量较高，阔叶树含脂量较少；树叶含脂量较高，枝条的含脂量较少；木本植物含脂量较高，草本植物含脂量较少。2.抽提物含量的计算油脂含量（%）＝（油脂重量／样品绝干重量）×100挥发油含量（毫升／100克）＝挥发油毫升数／样品鲜重182020/1/13（五）灰分物质含量灰分物质含量是指可燃物中的矿物质的含量。各种矿物质通过催化纤维素的某些早期反应，对燃烧有明显的影响。它们增加木炭的生成和减少焦油的形成，可大大降低火焰的活动。1.灰分含量及等级一般情况下，可燃物灰分低于5%时为低灰分含量；5-10%时为中灰分含量；高于10%时为高灰分含量。2.灰分中SiO2含量在灰分物质中二氧化硅的含量对燃烧的逆相关更加明显。即二氧化硅含量越多，可燃物越不易燃。19100--%坩埚净重量样品灰化前坩埚绝干重坩埚净重样品灰化后坩埚重量）灰分含量（2020/1/13（六）可燃气体含量森林可燃物可燃气体是有焰燃烧的源泉。可燃气体充足，火焰高，火强度大。不同植物，热分解时产生的气体中，可燃性气体的比例不一样。一般乔木树种的可燃性气体总量为最高，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%；地衣和苔藓在7-20%。202020/1/13二、可燃物种类可燃物种类（fuelkinds）的不同，着火的难易程度不一样。细小可燃物（finefuel，如枯落叶、枯草等）容易干燥易于引燃，成为森林火灾的引火物，森林火灾大多是森林火源引燃细小枯死可燃物从而引发森林火灾。体积较大的可燃物（如树木、灌木、采伐剩余物等）含有较多的水分，不易引燃，但被引燃后能释放出大量的能量，是森林火灾的主要能量来源。212020/1/13可燃物的种类、配置、结构不同，发生火灾后的林火种类也不一样。草地、灌丛、落叶阔叶林一般发生地表火；常绿针叶林、个别常绿阔叶林（桉树林）由于叶富含油脂易燃常常发生树冠火；土壤中的腐殖质和泥炭，只有在天气极端干旱的条件下，才能燃烧而形成地下火。林内垂直连续分布，可使地表火转变成树冠火222020/1/13（一）根据地被物的种类划分1.地表枯枝落叶层（litter）：①上层：当年的落叶②下层：一年以前的落叶2.地衣（lichen）易燃3.苔藓（mosses）难燃4.草本植物（herb）①易燃草本：禾本科、莎草科、及部分菊科等阳性杂草。②难燃草本：毛茛科、百合科、酱草科、虎耳草科等。5.灌木（bush，shrubs）①易燃灌木：胡枝子、绣线菊、偃松、兴安、西伯利亚等。②难燃灌木：鸭脚木、越桔、接骨木、榛子、白丁香等。6.乔木（trees）①易燃乔木：针叶树和带油脂的阔叶树（如桉树）②难燃乔木：阔叶树（落叶、常绿）和落叶松7.林地杂乱物（slash）枯死可燃物，易燃232020/1/13（二）根据可燃物燃烧的难易程度划分⒈危险可燃物在一般情况下，容易着火，燃烧快，如地表的干枯杂草、枯枝、落叶、树皮、地衣、苔藓等。⒉缓慢燃烧可燃物一般是粗大的重型可燃物，如枯立木、腐殖质、泥炭、树根、大枝桠、倒木等。⒊难燃可燃物指正在生长的草本植物、灌木和乔木。242020/1/13（三）根据可燃物在林内的位置划分⒈地下可燃物（groundfuel）⒉地表可燃物（surfacefuel，1.5m以内）⒊空中可燃物（aerialfuel，abovegroundfuel，1.5m以上）252020/1/13（四）按可燃