中蒙边境林草交错区沟塘草甸...物无风条件下燃烧火行为模拟_班擎宇.pdf

Vol.43 No.2Feb.2023第 43 卷 第 2 期2023 年 2 月中 南 林 业 科 技 大 学 学 报 Journal of Central South University of Forestry&Technologyhttp:/收稿日期：2022-04-06基金项目：国家自然科学基金项目（31860211）；内蒙古农业大学双一流项目（DC2100001175）。第一作者：班擎宇（），硕士，讲师。通信作者：张恒（zhangheng_），博士，副教授。引文格式：班擎宇,杨辉,张恒.中蒙边境林草交错区沟塘草甸可燃物无风条件下燃烧火行为模拟 J.中南林业科技大学学报,2023,43(2):27-34.BAN Q Y,YANG H,ZHANG H.Simulation on fire behavior of combustibles in swamp meadow in forest-steppe ecotone on the China-Mongolia border under windless conditionsJ.Journal of Central South University of Forestry&Technology,2023,43(2):27-34.中蒙边境林草交错区沟塘草甸可燃物 无风条件下燃烧火行为模拟班擎宇，杨 辉，张 恒（内蒙古农业大学 林学院，内蒙古 呼和浩特 010019）摘 要：【目的】中蒙边境阿尔山地区易发生草原火灾，导致林草资源损失巨大。通过研究中蒙边境阿尔山地区沟塘草甸草本植物羊草的火行为参数，可为保护大兴安岭地区生态系统以及为阿尔山地区防火管理提供理论依据。【方法】以中蒙边境阿尔山地区沟塘草甸草本植物羊草为研究对象，通过外业调查，采集样品，利用燃烧床和热电偶等仪器在实验室中模拟无风条件下的燃烧试验，对羊草的蔓延速率、火焰高度、火焰温度、热辐射和阴燃热辐射等火行为参数进行分析。【结果】在实验室无风条件下，阿尔山地区沟塘草甸可燃物羊草的蔓延速率均值为 0.83 m/min，蔓延速率介于 0.70 0.97 m/min；火焰高度均值为 28 cm，火焰高度的范围为12 45 cm；平均火焰温度为 472.90，火焰温度在 360 590；热辐射均值为 0.94 kW/m2，热辐射在 0.15 2.66 kW/m2；阴燃热辐射均值为 0.16 kW/m2，阴燃热辐射在 0.04 0.28 kW/m2；热电偶所测温度随高度的上升而呈现下降趋势，在距离火焰 0.8 m 处所测温度从点燃开始到结束，温度在 59.75 98.50，低于 100；火焰高度和阴燃热辐射与含水率呈极显著相关（P 0.001），其他指标与含水率无显著性相关。【结论】在无风条件下，距离火焰 0.8 m 以外的可燃物被引燃的可能性较小；羊草的灰分含量较低，可燃物干燥易燃且热辐射较大，可以进行计划火烧来降低其火灾危险性。关键词：中蒙边境；沟塘草甸；无风条件；火行为模拟中图分类号：S762.1 文献标志码：A 文章编号：1673-923X(2023)02-0027-08Simulation on fire behavior of combustibles in swamp meadow in forest-steppe ecotone on the China-Mongolia border under windless conditionsBAN Qingyu,YANG Hui,ZHANG Heng(College of Forestry,Inner Mongolia Agricultural University,Hohhot 010019,Inner Mongolia,China)Abstract:【Objective】Grassland fires are prone to occur in the Aershan area on the China-Mongolia border,resulting in the huge loss of forest and grass resources.This paper studied the fire behavior parameters of the herb Leymus chinensis in swamp meadow in the Aershan area on the China-Mongolia border,which can provide a theoretical basis for the protection of ecosystems in the Daxingan Mountains and fire prevention management in the Aershan area.【Method】Taking Leymus chinensis as the research object,based on field investigation and sample collection,the combustion test under windless conditions was simulated in the laboratory using a combustion bed and thermocouple.The fire behavior parameters such as spread rate,flame height,flame temperature,heat radiation and smoldering heat radiation of Leymus chinensis were analyzed.【Result】Under windless conditions in the laboratory,the average spread rate of Leymus chinensis in swamp meadow in the Aershan area was 0.83 m/min,ranging between 0.70-0.97 m/min,the average flame height was 28 cm,ranging between 12-45 cm,the average flame temperature was 472.90,ranging between 360-590,the average heat radiation was 0.94 kW/m2,ranging between 0.15-2.66 kW/m2,the average smoldering heat radiation was 0.16 kW/m2,ranging between 0.04-0.28 kW/m2,and the temperature measured by the thermocouple showed a downward trend with the increase of height.At 0.8 m away from the flame,the temperature measured from the start to the end of the ignition was between 59.75-98.50,lower than 100.Flame height and smoldering heat radiation were significantly correlated with moisture content(P 0.001),while other indexes showed no significant correlation with moisture content.【Conclusion】Under windless conditions,the ignition possibility of the combustibles from 0.8 m away is small.The ash content of Leymus chinensis is low,which combustibles are dry and flammable,and the heat radiation is large.Thus,prescribed burning can be carried out to reduce its fire risk.Keywords:China-Mongolia border;swamp meadow;windless condition;fire behavior simulationDoi:10.14067/ki.1673-923x.2023.02.004班擎宇，等：中蒙边境林草交错区沟塘草甸可燃物无风条件下燃烧火行为模拟28第 2 期森林火灾是一种突发性强、破坏性大、处置救助较为困难的自然灾害。随着全球气温的不断升高，森林火灾发生次数、过火面积以及破坏程度都呈现出上升的趋势1，其中森林边缘与草原接壤地区由于含有大量枯死草本植物，火灾危险性最大2。这些地表可燃物具有体积小、着火点较低、数量较多、质量轻、含水率较低等特点，易于点燃，是传播火的重要途径3-4。沟塘草甸火行为是指森林草原交错区可燃物在点燃后所产生的火焰、火蔓延及其发展过程，是全球陆地生态系统中最重要的自然干扰过程之一5。草本植物等可燃物作为沟塘草甸火的载体，其含水率和载量等对火灾蔓延速率、火强度以及辐射热等火行为指标具有重要影响6。国内外学者使用不同的试验设计和分析方法对森林和草原火行为进行了相关研究。Yospin 等7 通过分类法和回归树法得出高原草原和橡树稀树草原的树冠覆盖率降到 57%以下，单位面积的地表火灾热量降低了一个数量级。郭平等8采用室内与野外点烧试验相结合的方式研究草地可燃物床特性与草地火行为的关系，表明可燃物量、可燃物床体积密度、可燃物床孔隙度、可燃物空间配置和坡度对火行为都有一定影响。曹萌等9对妙峰山林场油松和栓皮栎枯叶地表火行为进行研究，得出风速和坡度是影响蔓延速率等 3 个火行为指标的主要因素，但风速的影响更加显著。辛喆等10利用 FDS 建立了草原火灾模型，对不同温度、地形及可燃物含水率条件下的草原火行为进行模拟研究，得出不同影响因子下草原火蔓延速度的变化规律。Rodrigues 等11通过对比不同火灾频率下的火灾变量（火灾强度、温度、火焰高度、传播速率、燃料负荷、裸露土壤百分比、死燃料覆盖率和环境变量），得出燃料负荷分布与露天稀树草原中的燃料数量共同影响火灾行为，每个群落结构组成部分覆盖的土壤百分比会影响火灾温度和停留时间，进而影响火灾的严重程度。Frandsen12建立了森林草原地下火阴燃蔓延概率与可燃物中无机物含量、可燃物含水率和可燃物密度的三因素模型。Bradstock 等13对野外草丛进行点烧试验发现，火焰高度与草丛高度和草本直径呈正相关。目前大量研究聚焦于可燃物对火灾燃烧程度的影响因素上，而对可燃物的热辐射、阴燃热辐射等导致交错区复燃的因素研究较少，而这一点对森林防火期至关重要。以中蒙边境阿尔山地区沟塘草甸草本植物羊草为研究对象，为了控制变量，不考虑风速和坡度的影响，仅模拟测定平地无风条件下羊草可燃物燃烧火行为，探究羊草的理化性质、蔓延速率、火焰高度和辐射热等重要参数的波动变化及其相关性，为沟塘草甸火灾的预防和扑救提供理论 指导。1 研究地区和研究方法1.1 研究区域概况本研究选择内蒙古大兴安岭阿尔山地区进行取样模拟，该地区位于内蒙古自治区兴安盟的西北部。大兴安岭是我国主要木材生产基地，内蒙古大兴安岭林区总经营面积为 980.99104 hm2；活立木总蓄积为 897.151 1106 m3；森林覆盖率为 78.97%；总 盖 度 达 70%90%；平 均 海 拔 1 200 m14。地理坐标为