森林航空滅火研究綜述

單保君，江西軍，王秋華，高娜

( 1.西南林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，云南省森林災(zāi)害預(yù)警與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南昆明650224; 2.廣東省航空護(hù)林站，廣東省林火衛(wèi)星監(jiān)測(cè)中心，廣東廣州510520; 3.西南林業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，云南昆明650224)

森林航空滅火研究綜述

單保君1，江西軍2，王秋華1，高娜3

( 1.西南林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，云南省森林災(zāi)害預(yù)警與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南昆明650224; 2.廣東省航空護(hù)林站，廣東省林火衛(wèi)星監(jiān)測(cè)中心，廣東廣州510520; 3.西南林業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，云南昆明650224)

摘要概述了航空消防及其在森林防火中的重要性。討論了在不同火災(zāi)強(qiáng)度情況下采用不同的滅火方法和手段。航空器的應(yīng)用與森林防火密不可分，主要是因其表現(xiàn)出的強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)和不可替代性。據(jù)目前統(tǒng)計(jì)航空器的應(yīng)用在森林防火范圍雖然數(shù)量及種類相對(duì)較少，但在森林消防滅火中仍然表現(xiàn)著很高的效率。將來(lái)航空器的研究范圍將更加寬廣和專業(yè)化，像衛(wèi)星定位、紅外探測(cè)技術(shù)等的應(yīng)用更加提高了火情偵查的發(fā)現(xiàn)率和準(zhǔn)確率。在不同地理位置采用不同的航空器并采用不同的戰(zhàn)略和戰(zhàn)術(shù)是未來(lái)發(fā)展的方向。

關(guān)鍵詞森林防火;航空滅火;綜述

1952年4月，我國(guó)第一個(gè)森林航空消防機(jī)構(gòu)—東北航空護(hù)林中心正式成立，在大、小興安嶺林區(qū)開始使用飛機(jī)偵察森林火情，并進(jìn)行空中巡邏報(bào)警，基地設(shè)在黑龍江省嫩江飛機(jī)場(chǎng)。1961年11月，又成立了西南航空護(hù)林總站，由此揭開了我國(guó)森林航空消防事業(yè)的新篇章。航空消防這一空中力量的出現(xiàn)大大扭轉(zhuǎn)了我國(guó)在森林航空事業(yè)中的空白，極大地降低和控制了火災(zāi)發(fā)生率，保障了人民財(cái)產(chǎn)和生命的安全。其他發(fā)達(dá)國(guó)家比較重視森林航空的建設(shè)和投入，美國(guó)、俄羅斯、加拿大等國(guó)家在森林航空方面都處于世界前列，我國(guó)現(xiàn)在森林航空各方面得到了很大的發(fā)展和進(jìn)步，但還面臨一些問(wèn)題和不足，在個(gè)別方面還需借鑒和研究，立足于我國(guó)的具體情況、地理位置及林區(qū)分布和氣候條件研制出適合我國(guó)走的特色航空道路。

1　森林航空消防及滅火

森林航空消防(原稱為航空護(hù)林，包含有人工增雨、森林病蟲害防治、飛播造林、森林防火等)是利用航空器對(duì)森林進(jìn)行巡護(hù)、火情偵查、火災(zāi)監(jiān)測(cè)及火災(zāi)撲救、物資及食物補(bǔ)給等一系列的活動(dòng)［1］。是對(duì)森林火災(zāi)進(jìn)行預(yù)防和撲救的先進(jìn)的手段和重要組成部分，是現(xiàn)階段科技含量高的防火、滅火措施，是森林防火的“尖兵”，體現(xiàn)了高投入、高科技、高效益。航空滅火的方式除了傘降滅火方式外，還有投彈、噴灑(水或化學(xué)藥劑)、機(jī)(索、滑)降、吊桶灑水、人工增雨等。目前世界各國(guó)較普遍使用的方式是機(jī)(索、滑)降、噴灑和吊桶灑水，成為森林防火工作中一支不可或缺的機(jī)動(dòng)力量和主力軍。世界上第一架民用直升機(jī)執(zhí)行的首次任務(wù)就是護(hù)林防火巡邏［2］。美國(guó)、加拿大、俄羅斯等國(guó)家，發(fā)展航空工業(yè)較早且比較先進(jìn)，也是世界上利用飛機(jī)為社會(huì)經(jīng)濟(jì)事業(yè)和人民生活服務(wù)、開展森林消防(原稱為“航空護(hù)林”)較早的國(guó)家。美國(guó)用于航空護(hù)林的中小型飛機(jī)達(dá)300多架，大型飛機(jī)266架［3］。1915年，美國(guó)華盛頓州林務(wù)局第一次使用飛機(jī)偵察森林火災(zāi)。1917年，美國(guó)農(nóng)業(yè)部林務(wù)局首次使用飛機(jī)在加利福尼亞地區(qū)開展巡護(hù)飛行。1924年，加拿大安大略省也使用飛機(jī)偵察森林火場(chǎng)。1931年，俄羅斯在下諾夫哥羅德(原高爾基市)試用飛機(jī)巡護(hù)森林［4］。航空消防逐漸得到世界各國(guó)的認(rèn)可和重視。航空器作為航空消防工具最早是被用于滅火作戰(zhàn)的指揮［5］。

森林航空消防是森林防火的重要手段，在處置突發(fā)森林火災(zāi)、重大火場(chǎng)偵查和快速滅火等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，已成為現(xiàn)代森林防火的一項(xiàng)重要的、不可或缺的手段［6］。優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在: ( 1)能及時(shí)發(fā)現(xiàn)和確定林火的位置、范圍、火勢(shì)，并能承擔(dān)滅火指揮任務(wù); ( 2)可迅速實(shí)施滅火或空投森林消防隊(duì)員和物資，并可多次往返于火場(chǎng)與基地(或水源)實(shí)施

連續(xù)滅火與補(bǔ)給裝備和食物; ( 3)飛機(jī)從空中噴灑化學(xué)滅火劑和水，如人工降雨，可有效地?fù)錅绱竺娣e火災(zāi)，尤其是對(duì)撲滅初期林火有顯著的效果，一架載重4 500 L滅火劑的直升機(jī)在低速飛行噴灑時(shí)，噴灑覆蓋面積可達(dá)到2 500 m2以上; ( 4)不受地面交通限制，可以在空中任意往返而不受制于周圍的環(huán)境［7］。( 5)空中巡護(hù)瞭望視野開闊，火情發(fā)現(xiàn)率高。巡護(hù)中能隨時(shí)發(fā)現(xiàn)有效視距30～50 km范圍內(nèi)的任何火情火災(zāi)，并迅速抵近偵查，主動(dòng)發(fā)現(xiàn)率70%以上。( 6)空中偵察火情火災(zāi)有著無(wú)比優(yōu)越性。用飛機(jī)高空俯視偵查火場(chǎng)，火場(chǎng)態(tài)勢(shì)掌握準(zhǔn)確，對(duì)滅火方案的制定及火災(zāi)撲救意義重大。( 7)火災(zāi)綜合信息傳遞高效無(wú)誤，能夠隨時(shí)掌握火場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)詳細(xì)信息［1］。航空消防的一系列的活動(dòng)中表現(xiàn)和突出了航空器的性能“快速、機(jī)動(dòng)、靈活”的特點(diǎn)和“發(fā)現(xiàn)早、行動(dòng)快、滅在小”的優(yōu)勢(shì)［8］。

2　森林航空滅火的研究?jī)?nèi)容

航空滅火從飛機(jī)類型可以分為固定翼飛機(jī)、直升機(jī)和無(wú)人機(jī)等3種，從采用滅火材料的種類分為直接灑水滅火、噴灑化學(xué)劑滅火或兩者的結(jié)合。

2.1固定翼飛機(jī)

固定翼飛機(jī)是指飛機(jī)的機(jī)翼位置、后掠角等參數(shù)固定不變的飛機(jī)，國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上的固定翼飛機(jī)模型多為單翼、雙翼飛機(jī)。固定翼飛機(jī)是指由動(dòng)力裝置產(chǎn)生前進(jìn)的推力或拉力，由機(jī)身的固定機(jī)翼產(chǎn)生升力。當(dāng)今世界的飛機(jī)，主要是固定翼飛機(jī)，具有飛行速度快，續(xù)航能力強(qiáng)飛行高度高，運(yùn)載能力大，飛行姿態(tài)平穩(wěn)，乘坐舒適，使用經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)。飛機(jī)的機(jī)體結(jié)構(gòu)通常包括機(jī)翼、機(jī)身、尾翼和起落架組成。在航空消防中突出特點(diǎn): ( 1)速度快，目前噴射式固定翼飛機(jī)的巡航時(shí)速能達(dá)到900 km·h－1左右，在飛往火場(chǎng)與機(jī)場(chǎng)之間耗費(fèi)時(shí)間短能有效地把握有效滅火的最佳時(shí)間。( 2)機(jī)動(dòng)性高，航行時(shí)間長(zhǎng)。固定翼機(jī)飛行不受高山、河流、沙漠、海洋的阻隔，能任意自由航行。( 3)載重量大。美國(guó)研發(fā)的波音747超大型航空消防飛機(jī)，最大負(fù)荷可達(dá)60～75 t，曾經(jīng)參加了以色列森林大火的撲救［9］。目前森林航空消防固定翼滅火飛機(jī)的噴灑系統(tǒng)有4種類型，分別是變速噴灑系統(tǒng)、恒速噴灑系統(tǒng)、壓力噴灑系統(tǒng)、傳統(tǒng)噴灑系統(tǒng)。固定翼飛機(jī)也有自身的局限性:價(jià)格昂貴、消耗的油料多、受天氣情況影響大，比較嚴(yán)重的風(fēng)、雨、雪、霧等氣象條件仍然會(huì)影響飛機(jī)的起降安全。起降場(chǎng)地要求嚴(yán)格，大部分固定翼飛機(jī)都需要在機(jī)場(chǎng)升降，需要有較長(zhǎng)的跑道供起降，對(duì)起降的條件要求比較苛刻。為撲救森林火災(zāi)加拿大特別研制的水陸兩棲飛機(jī)CL－215、CL－415等，在撲救林火上取得了非常好的效果。這種飛機(jī)不僅裝載量大，而且實(shí)施噴灑－汲水－噴灑循環(huán)作業(yè)的時(shí)間較短。它可在火場(chǎng)附近天然的或是人工的水體表面降落，只需要在水面上滑行一段距離，用大約幾秒至幾十秒的時(shí)間即可將機(jī)上的水箱裝滿。同時(shí)，也可飛回機(jī)場(chǎng)裝水或是化學(xué)藥劑［10］。目前，采用水陸兩棲飛機(jī)來(lái)?yè)錅缌只鸬膰?guó)家已有20個(gè)［11］。固定翼飛機(jī)起飛降落需要大空間和已有建設(shè)跑道，但其性能和特點(diǎn)對(duì)森林火災(zāi)的撲救仍顯示出了強(qiáng)大優(yōu)越性。目前常采用傘降的方式空投兵力和物資，開設(shè)防火隔離帶具有較快和較好的效果。用化學(xué)藥液滅火比用水滅火效果高10倍，能撲滅強(qiáng)烈火焰，且不易復(fù)燃，具有滅火速度快、效率更高的優(yōu)勢(shì)。我國(guó)航空巡護(hù)主要在東北、內(nèi)蒙古和西南林區(qū)重點(diǎn)開展，所用機(jī)型主要為運(yùn)－5、運(yùn)－12和小松鼠［12］。目前我國(guó)自主研發(fā)并投入使用的蛟龍－600是世界上最大的水上飛機(jī)。

2.2直升機(jī)

直升機(jī)主要由機(jī)體和升力(含旋翼和尾槳)、動(dòng)力、傳動(dòng)三大系統(tǒng)以及機(jī)載飛行設(shè)備等組成。直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)旋翼提供升力，把直升機(jī)舉托在空中，旋翼還能驅(qū)動(dòng)直升機(jī)傾斜來(lái)改變方向。直升機(jī)可以垂直起飛降落、不用大面積機(jī)場(chǎng)，機(jī)動(dòng)靈活，反應(yīng)迅速，適于低空、超低空抵近飛行，能在空中懸停。但也存在自身?xiàng)l件限制的問(wèn)題，飛行受空氣密度的影響［13］。特別是高原地形的影響，海拔高會(huì)使直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)缺氧力量不足而減載，局部范圍天氣具有不穩(wěn)定性，發(fā)生森林火災(zāi)后，形成局部小氣候，瞬息萬(wàn)變，亂流較強(qiáng)，給飛行帶來(lái)困難，在火場(chǎng)上空煙區(qū)里飛行，直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)更易缺氧，會(huì)因窒息造成墜落。大型直升機(jī)不但耗油量大，而且航程范圍比固定翼飛機(jī)短［14］。1947年，美國(guó)第一次使用直升機(jī)參加撲救發(fā)生在南加州的森林火災(zāi)，取得了很好效果，直升機(jī)開始正式進(jìn)入森林消防領(lǐng)域。

直升機(jī)的突出優(yōu)點(diǎn)，受到廣泛應(yīng)用。主要方式有:

機(jī)降滅火:用直升機(jī)將“全副武裝”和訓(xùn)練有素的撲火人員，直接運(yùn)送到火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)，有組織、有計(jì)劃的撲滅火災(zāi)［15］。根據(jù)火場(chǎng)四周蔓延勢(shì)態(tài)需要，利用直升機(jī)迅速部署撲火兵力，避免了跋山涉水，減少了體力消耗，人員有旺盛的精力投入撲火戰(zhàn)斗［4］。機(jī)降滅火是森林航空滅火的主要方式之一，快速、機(jī)動(dòng)、靈活。最突出的是快速，能夠根據(jù)火場(chǎng)的情況部

署兵力，收到良好的效果。

索降滅火:主要用在通過(guò)直升機(jī)無(wú)法降落的位置，從懸停的直升機(jī)上，通過(guò)索降繩、速控器、連接器、索降帶以及輔助設(shè)備，將撲火隊(duì)員迅速而順利地送到地面，進(jìn)行滅火。

吊桶滅火:是一種直接撲滅森林火災(zāi)的方法，利用直升機(jī)外掛吊桶載水，從空中將水噴灑到火頭、火線上達(dá)到直接撲滅森林火災(zāi)［9］。取水方便，受水源影響條件差;吊桶載水可以滅火又可作為消防人員補(bǔ)給;吊桶可以由飛行員直接控制能很好地把握火頭及火線位置噴灑位置準(zhǔn)確效率高。

2.3無(wú)人機(jī)

無(wú)人機(jī)( unmanned aerial vehicle)是一種由無(wú)線電遙控設(shè)備或自身程序控制裝置操縱的無(wú)人駕駛飛行器。20世紀(jì)20年代最早出現(xiàn)，當(dāng)時(shí)是作為訓(xùn)練用的靶機(jī)使用的，是一個(gè)許多國(guó)家用于描述最新一代無(wú)人駕駛飛機(jī)的術(shù)語(yǔ)。自無(wú)人機(jī)應(yīng)用于軍事作戰(zhàn)以來(lái)，偵察和大范圍監(jiān)視即成為無(wú)人機(jī)應(yīng)用最為廣泛的領(lǐng)域［16］。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和航空航天事業(yè)的不斷進(jìn)步，無(wú)人機(jī)飛行技術(shù)已經(jīng)在軍事和民用領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用［17］。無(wú)人機(jī)在森林消防領(lǐng)域主要應(yīng)用在火災(zāi)前后的觀察、拍攝、和記錄，目前主要用在火災(zāi)前期。無(wú)人機(jī)的應(yīng)用很大程度上縮減了火情偵測(cè)成本，提高了偵測(cè)效率，減少了火災(zāi)發(fā)生頻率。未來(lái)，隨著多光譜和超光譜成像技術(shù)的成熟，裝備這些傳感器的無(wú)人機(jī)其偵查監(jiān)視能力必將得到進(jìn)一步提升［16］。無(wú)人機(jī)能在燃燒著的火災(zāi)中的應(yīng)用是剛剛起步和未來(lái)發(fā)展的一個(gè)方向。無(wú)人機(jī)可以穿過(guò)高溫進(jìn)入高強(qiáng)度林火進(jìn)行觀察從而能精確知道火情，對(duì)做出正確決策和滅火計(jì)劃將會(huì)起到重要的作用。

3　森林航空滅火的研究方法

目前，全球每年發(fā)生火災(zāi)約22萬(wàn)次以上，燒毀森林面積640多萬(wàn)hm2，約占世界森林覆蓋率的0.1%以上［18］。森林火災(zāi)是自然界存在的重大研究課題，對(duì)于火情和火災(zāi)采用不同的研究方法，區(qū)別對(duì)待又緊密聯(lián)系，火情是火災(zāi)的前奏，火災(zāi)是火情的強(qiáng)烈表現(xiàn)，火災(zāi)中又有潛在的火情并隨時(shí)可發(fā)展為新的火災(zāi)。

世界各國(guó)航空護(hù)林事業(yè)的發(fā)展與該國(guó)的科學(xué)管理水平和經(jīng)濟(jì)實(shí)力密切相關(guān)［19］。近年來(lái)，森林防火科技含量也有了明顯提高，在火情監(jiān)測(cè)方面，除常規(guī)地面巡邏、瞭望臺(tái)觀測(cè)、空中飛機(jī)巡護(hù)外，還利用衛(wèi)星進(jìn)行林火監(jiān)測(cè)，一旦發(fā)生火情，便能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，并確定出火場(chǎng)方位［20］。不管是滅火還是監(jiān)測(cè)，空中力量的出現(xiàn)是最大的改變和成就［5］。國(guó)外在飛機(jī)上安裝了航空多光譜紅外掃描儀、數(shù)字圖像處理儀、遠(yuǎn)距離紅外線攝影機(jī)、電腦繪圖等先進(jìn)的儀器和設(shè)備。美國(guó)、加拿大、法國(guó)在直升機(jī)上安裝了AGA－750型熱像儀，這種儀器能縱橫向掃描，在電腦屏幕上直接顯示紅外圖像，對(duì)探測(cè)小火和隱火同樣具有較高的靈敏度，且不受飛機(jī)航高或航速的限制［10］，大大加強(qiáng)了火情的監(jiān)測(cè)，可以更有效地實(shí)現(xiàn)‘打小’的宗旨。

不同強(qiáng)度的火災(zāi)需采用與之可控的滅火方式?；鹁€強(qiáng)度在3 500 kW/m以上為高能量火，高能量火特征主要表現(xiàn)出，對(duì)流注的形成、跳躍式火團(tuán)、爆發(fā)火、飛火、火旋風(fēng)、火爆等［21］。航空消防適合高、低能量火災(zāi)，但對(duì)低能量火災(zāi)更有效果。高能量火災(zāi)形成的強(qiáng)烈煙霧和高溫?zé)崃渴癸w機(jī)幾乎不能飛躍其上空，很難直接投入戰(zhàn)斗。但間接設(shè)置防火帶、空投滅火彈等具有很好的效果。

4　研究展望

多年實(shí)踐證明，我國(guó)需要發(fā)展可持續(xù)的森林火災(zāi)防控技術(shù)，有效防御空間概念成了公眾關(guān)注的焦點(diǎn)。航空滅火高效，在整個(gè)航空護(hù)林中起到了關(guān)鍵作用。在優(yōu)先考慮森林火災(zāi)嚴(yán)重地區(qū)的基礎(chǔ)上，根據(jù)我國(guó)林區(qū)分布建設(shè)航空站，從戰(zhàn)略和戰(zhàn)術(shù)上把握上風(fēng)，在遇到火災(zāi)時(shí)相互調(diào)動(dòng)。隨著我國(guó)對(duì)生態(tài)保護(hù)、森林防火及通用航空的日益重視，以及國(guó)家低空開放政策的穩(wěn)步推進(jìn)，森林航空消防事業(yè)進(jìn)入了快速發(fā)展時(shí)期［22］。要不斷研發(fā)滅火設(shè)備，確保人民的生命和財(cái)產(chǎn)安全。目前的航空消防也存在不足，固定翼飛機(jī)載量大但水從高空灑下易形成水霧隨風(fēng)飄浮達(dá)不到有效位置，且水在灑落過(guò)程中要經(jīng)過(guò)高溫的環(huán)境，使部分水蒸發(fā)或直接氣化降低了滅火效率，若用小型飛行器直接連接水管，并可控制飛行器直接飛入大火底部直接把水噴灑在可燃物表面，這樣不但可以減少水經(jīng)過(guò)高能量區(qū)減少損失還可以通過(guò)飛行器與水管形成傾斜達(dá)到?jīng)]法直接在高強(qiáng)度火上空滅火的情況。水滅火的優(yōu)越性和水的廉價(jià)、安全環(huán)保等特性，發(fā)展細(xì)水霧是一個(gè)方向［23］。航空消防實(shí)現(xiàn)了撲滅火災(zāi)的快速化和可控性，為森林的有效管理提供了更好條件，在廣東森林航空消防［24］、祿豐縣“4·23”森林火災(zāi)航空撲救［25］，得到了充分體現(xiàn)和驗(yàn)證。

海拔差極大，森林火災(zāi)較多而森林資源匱乏［26］。能有效控制森林火災(zāi)的蔓延是重中之重。繼續(xù)發(fā)展和加強(qiáng)貫徹森林消防是未來(lái)的方向，能在復(fù)雜海拔地形及遼闊的土地上快速實(shí)行空中偵查與滅火仍然是森林航空的目標(biāo)。

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通訊作者:王秋華( 1978－)，男，福建長(zhǎng)汀人，博士，副教授，從事森林防火教學(xué)、科研工作.

作者簡(jiǎn)介:單保君( 1988－)，男，山東日照人，在讀碩士，從事森林防火研究.

基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目( 31300553) ;云南省應(yīng)用基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目( 2011FZ136)

收稿日期:2013－06－23

文章編號(hào):1005－5215( 2015)09－0076－03

中圖分類號(hào):S762.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:Adoi:10.13601/j.issn.1005－5215.2015.09.027