06第二章 林火基础理论(3)解析

R---rate of spread in feet per second (ft/s)
火强度的公制公式：
I=0.007HWR
I=HWR/600=0.001667HWR √
式中：I---kw/m H---J/g W---t/ha R----m/min
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2.用火焰长（高）度计算火线强度
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1.王正非林火蔓延速度

R

R0 KW KS

cos

R0

Il 0
H
(W0

W r
)


R---林火蔓延速度（m/min）
R0---水平无风时火的初始蔓延速度（m/min） KW---风速更正系数 KS---可燃物配置格局更正系数 θ---地面平均坡度（）
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。
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，可为森林防火、灭火、用火的决策 提供科学依据。
一、火行为特征
火行为特征是理解和研究火行为的基础。 特点：
王正非以烧死林木的%划分火烈度级别：
等级 一级 二级 三级 四级 五级
林木死亡率 （%）
0-5
火灾影响程度 无损失，轻微地表火
6-20
1-2年影响生长，一般地表火
21-41
部分树种更替，地表火、树干火
41-80
树种全部更替，树干火、部分树冠火
81-100
毁灭性，狂燃大火
三、火场特性
（一）对流柱
1954年，勃兰姆
Lf=0.45I0.46
I=5.67Lf2.17
式中，Lf为火焰长度，ft；I=Btu/ft.s-1
1980年，罗森迈尔等人，改写为法定单位
Lf=0.237I0.46
I=258Lf2.17
L=0.077476I0.46
式中，火焰长度，m；火强度，kW/m
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（二）火强度（Fireline Indensity）
1.Byram公式
火强度一般是指火线强度（fireline indensity），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：
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（二）火蔓延模型
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。
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。
轻型可燃物（如草类等）达到最大速度只需10～20分钟； 重型可燃物（如采伐剩余物等）则需要几个小时。
可见性 瞬间变化 除内在因素，主要受风速和坡度的影响
主要包括火焰特征和火蔓延特征
（一）火焰特征（平地、坡地；有风、无风） 1.平地无风
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2.平地有风
火焰高度（h）；火焰长度（L）；火焰深度（D）
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3.坡地（有风和无风）
R I R (1 w s ) bQig
式中R为火蔓延速度（ft/min），IR为火反应强度 （Btu/ft2min-1），ξ为传播通量比率，Φw和Φs分别为风系数 和坡度系数，ρb为可燃物容积密度（lb/ft3），ε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）。
⒈低能量火，火线强度在3500kW/m以下，火 焰高度在3.5以下一般属于中、低度火
⒉高能量火，火线强度大于3500kW/m，火焰 高度在3.5m以上，一般属于高强度地表火和树 冠火，形成对流柱
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（二）高能量火特征
1.对流柱：2-7km；塔状；蘑菇帽 2.跳跃式火团：燃烧着的可燃物的抬升 3.爆发火：有低能量火转变为高能量火时的火行为 4.飞火（spotting，spot fire）：高空飞落在前方的火
I0为无风是的火强度（） l 为着火点到火头的距离（m）
H为可燃物热值（）
W0为可燃物负荷量 Wr为潜在可燃物负荷量
风速m/s 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
KW
1.2 1.4 1.7 2.0 2.4 2.9 3.3 4.1 5.0 6.0 7.1 8.5
可燃物类型
枯枝落叶厚度0- 枯枝落叶厚度4-
P bI R
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。
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郑焕能先生认为：火对生态系统的影响表现 在三个方面：
能量释放多少； 能量释放速度； 火烧持续时间。
由于火的种类不同，火强度和火烈度表现出 四种相关性：
火强度大，火烈度也大，如强度树冠火 火强度大，火烈度小，如急进地表火 火强度小，火烈度大，如地下火 火强度小，火烈度小，如一般地表火
b b);k2
1
1 4
( a2 a2
b) b
U 火焰半高处的风速（mi / h)
详见教材76页图2-20
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a1 2.502(88U )0.3 a2 d c a1 d a1 a2 c c 0.492e0.1845U
b 0.534e0.1147U
点 5.火旋风（flame while）：高速旋转的火焰涡旋 6.火爆（blowup）：多个飞火形成的爆炸式燃烧 7.高温热流：看不见的高温高速热流
（三）高能量火的火行为模型
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2.前苏联阿莫索夫的林火蔓延面积公式
S [(V1t V2t )2 (V2t V3t )2 ]
222Βιβλιοθήκη 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）。
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3.加拿大的火行为计算公式
火蔓延面积
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第五节 林火行为 Forest Fire Behavior
一、火行为特征 二、火行为指标 三、火场特性 四、林火种类 五、影响火行为的主要因素
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火行为（fire behavior）是森林燃烧的重要指标。
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。
1983年，昌特莱尔等人提出用火焰高度计算火强度
I=273hf2.17
2020/3/2 式中，I，kW/m；hf为火焰高度，m
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3.用火的反应强度计算火强度
单位面积上的热量释放速度为反应强度。
1976年，阿尔巴尼提出反应强度和火线强度之间的关 系式：
I=IRD
IR=I/D
当ISI≤20时，
R 0.0788 ISI1.888
当ISI>20时，
R 85 [1 e0.0378 (ISI 12)]
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4.罗森迈尔（Rothermel）林火蔓延速度模型
1972年，1981年 基本假设：
直径8cm以下，均匀的混合物 应用了“似稳态”的概念，各方面的条件保持不变
2.表达方法
（1）火烧前后的蓄积量变化
PM

M0 M1 M0
100 %
式中：PM为火烈度（%）；M0、M1分别为火烧前的蓄积量 （m3）
（2）火烧前后林木株数的变化
PN

N0 N1 N0
100 %
式中：PN为火烈度（%）；N0、N1分别为火烧前 后的林木株数
3.火烈度等级
I=HWR
式中：I---fire indensity in Btu per second per foot of fire front(Btu/(ft.s))

H---heat yield in Btu per pound of fuel(Btu/lb)

W---weight of available fuel in pounds per square foot(lb/ft2)
HA=60I/R
式中，HA，btu/ft2；I，Btu/ft/s
公制：
HA=681I/R
式中，kJ/m2；kW/m
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（三）火烧持续时间
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。
火烧持续时间由下式计算：
D
S

R
式中：S=火持续时间（min）
4cm
9cm
枯草地
KS
1
0.7-0.9
1.5-1.8
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2.澳大利亚草地火蔓延模型
麦克阿瑟（McArthur）等人1960年以来
R 0.13F
当M<18.8%时
F 3.35We0.0897M 0.0403V
当18.8%≤M≤30%时
F 0.299We(1.6860.0403V )(30M )

D=火纵深度（m）

R=火蔓延速度（m/min）
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（四）火场面积模型和周长模型
1.安德烈的林火蔓延双椭圆模型（1983）
火场面积 周边长
A

bd 2
2
(a1

a2 )
P

k1d
2
(a1

b)

k2d
2
(a2

b)
式中：
k1
1
1 4
( a1 a1
（一）蔓延速度（Rate of Spread）
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。
在实际火场中，根据所在的火场位置可以划分：
火头速度，或顺风火速度 火尾速度，或逆风火速度 火侧（翼）速度，火侧风火速度
实际上，在任何方向上，都有的蔓延速度
F为火蔓延指标；W为可燃物负荷量（t/hm2）；M 为可燃物含水率（%）；V为距地面10m高的平均风
速（m/min）。
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3.加拿大林火蔓延模型
是依据加拿大林火天气指标中的初始蔓延指标（ISI）
得来的，针对加拿大的16个可燃物类型，在同一天气
条件下，每个可燃物类型都有一个特定的ISI。
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。
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。
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1. 典型的火蔓延模型
火头（head）；火翼（flank）；火尾（rear）
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2. 火场形状的变化
（1）平地无风（剖面和平面）
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（2）平地有风
椭圆形；扇形
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3.山地条件下
山谷；山脊；支脉；坡度变化
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二、火行为指标
蔓延速度 火强度 火焰高度 火烧持续时间 火场面积与周边长 火烈度
式中，IR，kW/m2；D为火焰深度，m；I，kW/m
4.用烧焦高度计算火强度
1973年，纷•韦格尔提出树冠烧焦高度与火线强度之 间的关系式：
hs=0.1483I2/3
式中，hs，m；I，kw/m
I=0.173hs1.5
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5.火面强度
单位面积上释放出来的热量，称为火面强度 英制：

火场周边长
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。
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（六）火烈度
1.火烈度的概念
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。
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。
林火生态与管理
Forest Fire Ecology and Management
林学院 牛树奎 niushukui@
19601190619
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第二章 林火基础理论
Basic Theory of Forest Fire
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