達(dá)科·斯蒂帕尼切夫 多明戈斯·維加斯 丁海艷 李夢(mèng)雅 高偉博 胡萬吉 龍啟成
欄目主持:許傳升。本文為“讓消防員安全回家”公益計(jì)劃成果,文章翻譯自多明戈斯·澤維爾·維加斯主編的《近年來歐洲森林火災(zāi)有關(guān)事故》。
前言
克羅地亞屬于森林火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)較高的歐洲國(guó)家,其有組織地進(jìn)行滅火的歷史已有144年之久,在這漫長(zhǎng)的歷史中,直到2007年為止,都沒有出現(xiàn)過大量傷亡的消防事故記錄。2007年8月30日發(fā)生的科納提事故是克羅地亞有史以來最大的消防事故。共12名職業(yè)或志愿消防員在此次事故中喪生,另有一人在位于科爾納特島的科納提國(guó)家公園西普特灣附近的一個(gè)小峽谷中受了重傷。
為了解釋西普特峽谷中所發(fā)生的事情,以及為什么一名經(jīng)驗(yàn)豐富的消防員會(huì)在一次看上去非常簡(jiǎn)單的行動(dòng)中喪生,克羅地亞議會(huì)國(guó)家安全辦公室和位于希貝尼克的法院已經(jīng)聘請(qǐng)了50多名來自各個(gè)領(lǐng)域的研究人員和專家。我們研究這起事故的目的并不是要追究哪個(gè)人的責(zé)任,而是要找出事故發(fā)生的原因,并從中吸取教訓(xùn),以避免將來發(fā)生再次事故。
事故發(fā)生前和發(fā)生期間的火勢(shì)蔓延模擬
起火時(shí)間為11:00-11:30,地點(diǎn)為Vrulje海灣,距離Sipnate峽谷6.6公里,而事故發(fā)生在15:20-15:30,因此平均火勢(shì)蔓延速度(ROS)約為0.46米/秒(1.66公里/小時(shí),46厘米/秒)。
在斯普利特大學(xué),我們以Rothermel方程和細(xì)胞自動(dòng)控制器為基礎(chǔ),專門為克羅地亞海岸和島嶼研發(fā)了一種火災(zāi)蔓延模擬器——iForestFire?(Stipani?ev et al.2008; iForestFire,2008),因此我們用它來模擬Kornat島的火災(zāi)蔓延。在模擬數(shù)據(jù)準(zhǔn)備期間,最大的難題是如何推導(dǎo)出適當(dāng)?shù)闹脖粓D,因?yàn)槲覀儚奈锤鶕?jù)火勢(shì)蔓延特征對(duì)克羅地亞植被進(jìn)行過分析。于是,我們使用標(biāo)準(zhǔn)的Kornat島植被圖和KornatCORINE2000土地覆蓋與使用分類,并用Albini-Anderson(Anderson,1982)和Scott-Burgan(2005)的燃料模型代替當(dāng)?shù)氐闹脖活悇e。研究過程中,我們進(jìn)行多次模擬,以找到最適合的輸入?yún)?shù)用于觀測(cè)數(shù)據(jù),特別是在火勢(shì)到達(dá)事故地點(diǎn)且平均火勢(shì)蔓延速度(ROS)達(dá)到0.46米/秒的時(shí)候。對(duì)于Albini-Anderson定義的主燃料類別——燃料模型1(短草1英尺)和枯死可燃物濕度12%,最適合中火焰風(fēng)速2.29米/秒(圖4.8)。
從所有的模擬中得出的最重要的結(jié)論是,火頭在Kornat島的北側(cè)蔓延得更快,目擊者也提到了這一點(diǎn)。這一事實(shí)被用于重建消防員的路徑,如圖6所示。根據(jù)模擬,在火頭到達(dá)Veli vrh山頂之后,南部的火蔓延進(jìn)入Sipnate峽谷南部,但速度減緩。
火焰蔓延分析第二部分是關(guān)于Sipnate峽谷內(nèi)的火勢(shì)蔓延的。在Sipnate峽谷中,主要的植被類型是非常干燥的草?;谥脖粯颖镜贸龅娜剂县?fù)荷大約為0.561 kg/m2 - 0.837kg/m2 (IWG,2008; Spanjol et al.,2008)。與這一標(biāo)準(zhǔn)最相近植被類別Albini-Anderson燃料模型3(A-A M3),其燃料負(fù)荷0.744 kg/m2(Anderson,1982),以及Scott-Burgan燃料模型GR4(S-B GR4) ),其燃料負(fù)荷為0.531 kg/m2(Scott-Burgan,2005)。我們通過氣象模擬模型測(cè)得10米風(fēng)速,利用Anderson算法,得出:在Sipnate峽谷中,中部火焰風(fēng)向平行于主峽谷軸線,速度為1.8 m/s-4 m/s(6.4 km/h-14.4 km/h)??扇嘉锖浚‵FMC)為12%-14%,新鮮的草燃料含水量為30%,枯死可燃物濕度(ME)估計(jì)為40%,因?yàn)锳-A M3(25%)和S-B GR4(15%)燃料模型的原始ME值不準(zhǔn)確。Yebra et al(2007)也用了與我們類似方法,得出地中海植被ME估值也為40%。 Sipnate峽谷主軸的平均坡度為14%。
圖4.8克羅地亞斯普利特大學(xué)基于Rothermel方程得出從Vrulje海灣著火點(diǎn)到Sipnate峽谷事故位置的火災(zāi)蔓延模擬圖。Albini-Anderson 1(矮草)模擬當(dāng)?shù)刂饕脖唬\綠色部分),死亡燃料濕度為12%,平均中部火焰風(fēng)速為2.29米/秒。
使用BehavePlus3模擬程序計(jì)算出火災(zāi)蔓延參數(shù),表4.1給出了A-A M3和S-B GR4燃料模型以及FFMC12%的結(jié)果。峽谷底部的過火面積約為10公頃,因此植被燃燒釋放的總熱量估算為550 GJ-750 GJ。 我們用Rothermel方程式和BehavePlus3程序假定火勢(shì)恒定蔓延速率,從而得出,能看到火焰的地方到達(dá)事故發(fā)生點(diǎn)距離350米,火災(zāi)走這段距離的時(shí)間在5.21分鐘到15.91分鐘之間,這是不現(xiàn)實(shí)的。
消防隊(duì)員經(jīng)驗(yàn)豐富,所以如果火頭到達(dá)Sipnate峽谷內(nèi)的時(shí)間在5到15分鐘之間,消防員就有足夠的時(shí)間撤離。因此,我們得出結(jié)論,Rothermel模型的恒定火災(zāi)蔓延速率的不適合模擬Sipnate峽谷的火災(zāi)行為。還有一種方法——Viegas(2005)中提到的噴發(fā)火力模型??朴⒉祭只馂?zāi)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了Sipnate火災(zāi)模擬,結(jié)果應(yīng)用于噴發(fā)火災(zāi)數(shù)學(xué)模型。
A-A M.3
S-B GR4
我們注意到,峽谷底部的火焰只有在到達(dá)b點(diǎn)時(shí)才能被察覺到,盡管我們可以假設(shè)煙霧的存在可以早一點(diǎn)被察覺到,并可能在一兩分鐘前觸發(fā)警報(bào)。即便如此,這群人要想在目前位置附近找到安全區(qū),可能為時(shí)已晚。
在這個(gè)模擬中,我們也沒有考慮風(fēng)對(duì)火災(zāi)爆發(fā)的影響。根據(jù)我們之前的觀察,我們假設(shè)風(fēng)的存在可能預(yù)示著火山爆發(fā)的時(shí)刻,但不會(huì)改變事件的順序。如果有風(fēng)的支持,火山爆發(fā)的時(shí)間會(huì)更短,這群人從大火中逃生的時(shí)間也會(huì)更短。
事故的氣動(dòng)和熱力學(xué)方面分析
對(duì)西帕納特峽谷火災(zāi)演化過程進(jìn)行了基本的氣動(dòng)和熱力學(xué)分析(IWG, 2008;Klarin, 2008;Ninic and Nizetic, 2008)基于一些假設(shè)(Klarin et al, 2008)。我們?cè)诖藢?duì)本研究的結(jié)果作一簡(jiǎn)要的總結(jié),以補(bǔ)充我們的研究結(jié)果。空氣動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)分析的最重要的結(jié)論是,如果我們只使用標(biāo)準(zhǔn)的火災(zāi)發(fā)展的假設(shè),排除噴出的火焰?zhèn)鞑バЧ?,沒有足夠的能量流,氣體膨脹的景觀火災(zāi)發(fā)展可能導(dǎo)致這樣一個(gè)慘重事故和嚴(yán)重傷害?;谑鹿尸F(xiàn)場(chǎng)分析的其他假設(shè)如下:
地面上的石頭很大,中間有高高的草。在這樣的地形上行走或奔跑都不容易,尤其是對(duì)于身負(fù)重荷、裝備精良的消防員來說。只有短距離的跳躍才有可能作為移動(dòng)的手段。高達(dá)5米的天然石墻作為障礙物;因此,消防人員必須遵循這些石墻的方向。
Veli Vrh山是峽谷上方空氣流動(dòng)的主要地形障礙。它的側(cè)線幾乎垂直于科納提島的主軸??梢灶A(yù)料,主要?dú)饬鲿?huì)繞過峰頂。由于峽谷的相對(duì)深度,在峽谷上方會(huì)產(chǎn)生較大的渦流。這意味著存在局部反向流。
西貝特灣上的峽谷以南北方向?yàn)橹鬏S。峽谷從海平面開始,主要部分就在Veli Vrh山的下方。峽谷的盡頭在北側(cè),剛好低于最大急流層。在這一側(cè),在Veli Vrh和Meja之間有一個(gè)小高原。峽谷的東側(cè)是一片平坦的傾斜平原,這就是事故發(fā)生的地方。主要熱邊界層發(fā)育于此。
復(fù)雜地形上的地表急流層引起了熱流的隧穿,使得分析十分復(fù)雜。因此,為了得到令人滿意的結(jié)果,必須做出一些合理的假設(shè)。
有兩個(gè)因素有助于分析。首先是在熱風(fēng)流動(dòng)的路徑上,幾棵樹上出現(xiàn)了脫水的葉子。熱風(fēng)的速度不允許燃燒,而只允許傳熱,這會(huì)使葉子變干。周圍幾乎沒有其他地方可以看到不同路徑上的枯葉。
另一個(gè)幫助事實(shí)可見層在幾個(gè)小喬木,由燃燒和脫水樹皮、樹枝和樹葉,在熱邊界層的發(fā)展從峽谷的底部(0.5米)的中間部分(1.7米)和高原的結(jié)束(3.0米)。這些高度提供了迭代的逆向分析熱邊界層。
格拉維卡山有一半未被燒毀,這是由于一個(gè)大渦引起的逆向流動(dòng),而Veli Vrh的山頂部分未被燒毀,可能是由于地面急流中的強(qiáng)風(fēng)所致。
從事故發(fā)生的地點(diǎn)看不出第一段峽谷。
2007年9月底,我們第一次前往事故現(xiàn)場(chǎng),當(dāng)時(shí)的風(fēng)況與事故期間相似。我們注意到兩個(gè)風(fēng)流:第一個(gè)是占主導(dǎo)地位的SE方向,吹拉vrh山的邊緣,而第二個(gè)是大峽谷的水線S N .第一個(gè)主導(dǎo)風(fēng)流強(qiáng)得多的N端峽谷頂部側(cè))。在峽谷底部,靠近它的南部入口,沒有來自東南方向的氣流。只有沿著峽谷水平線的第二股風(fēng)流可以被注意到。
上述研究給出了事故可能的兩種熱力學(xué)解釋:
克羅地亞議會(huì)國(guó)家安全辦公室和內(nèi)政部成立的志愿科研小組在事故調(diào)查過程中推導(dǎo)出的快速熱休克理論(IWG, 2008;Ninic and Nizetic, 2008;Klarin等,2008)。
法院專家組推導(dǎo)出的“非均質(zhì)混合氣體燃燒”理論。由于法院專家報(bào)告是法院調(diào)查的一個(gè)重要組成部分,尚未完成,但其摘要已給出(HINA, 2008),因此他們的理論尚未發(fā)表的所有細(xì)節(jié)。
快速熱震理論
這種熱力學(xué)分析是基于順風(fēng)地形剖面迅速燃燒的假設(shè)。然而,快速的燃燒并不足以解釋事故,尤其是消防員的重傷事故。因此,在分析了所有證據(jù)后,Ninic和Nizetic得出了一種可能的解釋,稱為快速熱休克(FHS),在(IWG, 2008;Ninic and Nizetic, 2008;Klarin等,2008)。
根據(jù)他們的理論,消防員可能被火焰包圍,或者被迅速移動(dòng)的火場(chǎng)包圍。在任何情況下,在Sipnate峽谷底部截面發(fā)生燃燒時(shí),該事故模型包括沿整個(gè)峽谷截面的快速熱輸入。這種熱輸入引起了溫度-湍流邊界層的形成。它在事故現(xiàn)場(chǎng)的厚度為2.5米,也就是該地區(qū)小樹上脫水的葉子的高度。作為主要研究目標(biāo)是估計(jì)只有事故的可能性由于自然原因,相對(duì)不利的情況下假定,例如較低的空氣過剩系數(shù)λ= 1.5,當(dāng)?shù)氐目諝馑俣仍陔x地面2.5米是大約10 m / s,而干燥的載油量約為0.6 kg / m2。在假定有效火焰溫度和點(diǎn)燃段長(zhǎng)度的情況下,該輸入數(shù)據(jù)提供了事故位置邊界層平均溫度的迭代估計(jì)。
計(jì)算了在長(zhǎng)300 - 350米、高2.5米的矩形截面空間內(nèi)流動(dòng)的能量平衡。典型事故輸入數(shù)據(jù)計(jì)算平均熱風(fēng)溫度至少為420 K(150℃),持續(xù)時(shí)間為2-3分鐘。結(jié)果表明,這一被稱為“FHS -快速熱休克”的機(jī)制可以解釋由明顯無害的環(huán)境造成的異常劇烈的后果。這種解釋與快速燃燒機(jī)制無關(guān)。
非均質(zhì)氣體混合物的燃燒
由于我們不知道所有的細(xì)節(jié),我們無法深入討論這一理論,所以我們將于2008年8月22日(HINA, 2008)向媒體發(fā)布法官調(diào)查員Branko Ivic的官方報(bào)告摘要(翻譯成英文是我們的):
“科納提事故是由一種被稱為‘燃燒非均質(zhì)混合氣體’的自然現(xiàn)象引起的。這種混合氣體是由科納提草木植物從起火點(diǎn)(Vrulje bay)到事故地點(diǎn)(Sipnate canyon)燃燒數(shù)小時(shí)后產(chǎn)生的。他們之間的距離超過6.5公里。由于植被的燃燒,產(chǎn)生了由氫、甲烷、乙烷、一氧化碳、甲醇等組成的氣體和蒸汽。它們被風(fēng)吹過Veli vrh山頂,開始集中在Sipnate峽谷中。一個(gè)火場(chǎng)從南面進(jìn)入斯帕納特峽谷?;鹧嬖趰{谷內(nèi)的傳播可能具有爆發(fā)性的火災(zāi)行為,因此,火焰鋒面相當(dāng)快地到達(dá)斯帕納特峽谷內(nèi)的積存氣體混合物并將其燃燒。
“非均質(zhì)混合氣體燃燒”這種自然現(xiàn)象的特點(diǎn)是高溫燃燒,有時(shí)溫度超過1200℃。它的另一個(gè)后果是熱氣體的快速膨脹。在這個(gè)膨脹過程中,它們的體積可以比初始體積增加5到8倍。消防隊(duì)員首先暴露在熾熱的氣體中,然后是燃燒的植被、設(shè)備和衣服的火焰中。“非均質(zhì)氣體燃燒”是消防員受傷的主要原因。這是一個(gè)非常罕見的自然過程,但并非未知。類似的事情在2008年1月18日發(fā)生在澳大利亞堪培拉附近,2000年9月17日發(fā)生在科西嘉島帕拉斯卡附近。
專家們還發(fā)現(xiàn),直升機(jī)與事故沒有任何關(guān)系,也沒有任何其他類型的爆炸裝置——地雷、炸彈或熒光粉?!?/p>
法院專家組成員為M.Drakulic, M.Carevic ,B.Grisogono, S.Kocian, V.Mastruko,D.Zecevic等等。在將來,當(dāng)他們的綜合報(bào)告公開時(shí),我們可以更詳細(xì)地討論這個(gè)理論。在這里,我們只提到我們已經(jīng)考慮了Peuch(2007)在我們的原始報(bào)告(IWG, 2008)中描述的累積氣體理論。經(jīng)過分析,我們認(rèn)為這并不能很好地解釋這次事故,特別是因?yàn)樵谖覀兊谝淮稳ナ鹿尸F(xiàn)場(chǎng)時(shí),我們注意到兩股氣流——主要來自東南方向的氣流和沿著峽谷水帶的本地氣流。我們的結(jié)論是,在這些風(fēng)的條件下,天然氣在峽谷中是不可能積累的,但我們?cè)谥匦驴紤]這一理論時(shí),法院的專業(yè)知識(shí)的細(xì)節(jié)將是可用的。
經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)及結(jié)論
我們從這次事故中學(xué)到了什么?最重要的結(jié)論是,任何消防救援行動(dòng)都有潛在的危險(xiǎn),因此有必要采取一切預(yù)防措施。科納提大火第一眼看上去相當(dāng)簡(jiǎn)單,因?yàn)槿剂现饕嵌滩荨O狸?duì)員說,從弗魯耶到斯帕納特的火線并不嚴(yán)重,所以他們已經(jīng)越過了火線好幾次。但植被火災(zāi)是一種復(fù)雜的現(xiàn)象,通常很難預(yù)測(cè)其進(jìn)一步發(fā)展。消防人員需要進(jìn)行良好的訓(xùn)練和準(zhǔn)備,這對(duì)干預(yù)火災(zāi)行動(dòng)的成功和安全而言是至關(guān)重要。
在這一章中,我們的興趣主要集中在對(duì)事故的技術(shù)解釋上,但在調(diào)查過程中記錄了防火和消防程序中一些可以改進(jìn)的組織和程序方面。例如:
·科納提國(guó)家公園的消防工作沒有按照現(xiàn)有計(jì)劃進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕M織。
·消防隊(duì)員的無線電通訊沒有完全發(fā)揮作用。
·消防員沒有穿著完整的防火工作服。
·報(bào)告了一些組織問題,例如兩名消防員是年輕人,但根據(jù)克羅地亞法律,年輕人不能參與滅火干預(yù)。
·2007年夏天,克羅地亞只有4架加拿大航空公司(Canadair)的飛機(jī)用于撲滅森林大火。2007年夏天非常干燥,而且8月底的火災(zāi)危險(xiǎn)指數(shù)非常高,但在8月底,其中兩架飛機(jī)出了故障,需要修理,還有一架飛機(jī)被派往希臘提供幫助。只有一架飛機(jī)在克羅地亞執(zhí)行任務(wù)。2007年8月30日,該地區(qū)發(fā)生了另外兩起大火,因此在14時(shí)40分,飛機(jī)從科納提被派往另一個(gè)地點(diǎn)。
·對(duì)受害者的救援行動(dòng)沒有進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕M織,因?yàn)橄到y(tǒng)沒有為這樣的災(zāi)難做好準(zhǔn)備。
關(guān)于在哪里展開戰(zhàn)斗對(duì)抗科納提大火的決定也引起了許多問題。對(duì)很多人來說,尤其是遇難者家屬,還有一些專業(yè)人士來說,他們?nèi)匀徊磺宄槭裁礇Q定在前線撲滅火災(zāi),而不是保護(hù)稀有的房屋和稀有的橄欖樹。幾個(gè)世紀(jì)以來,科納特島被用作牧羊場(chǎng),所以牧羊人過去常常燒島來恢復(fù)草地是眾所周知的。房屋坐落在離海很近的孤立的海灣里,保護(hù)它們不受火災(zāi)的傷害是很容易的。大火發(fā)生幾個(gè)月后,科納特島上的草木幾乎完全恢復(fù)了生機(jī)。
有關(guān)科納提事故各個(gè)方面的詳細(xì)分析,我們總結(jié)出有關(guān)消防教育,消防干預(yù)組織和森林火災(zāi)的經(jīng)驗(yàn),還有一些關(guān)于消防設(shè)備、通信和全球組織的建議。直到2007年,在克羅地亞近一個(gè)半世紀(jì)的消防歷史中,從未發(fā)生過這樣的傷亡事故。我們希望當(dāng)局接受我們的建議,以便進(jìn)一步改善克羅地亞的消防工作??萍{提的事故是克羅地亞發(fā)生的第一起此類事故,但我們希望它也將是最后一起。我們還必須提到,基于這次事故,為更好的教育克羅地亞消防員,在2008年克羅地亞當(dāng)局領(lǐng)導(dǎo)人組織有關(guān)人員研究該事故,以避免未來再次發(fā)生。
感謝
我們對(duì)科納提事故的研究不僅獻(xiàn)給科納提受害者安特·克韋林、伊維卡·克韋林、托米斯拉夫·克韋林、安特·朱里切夫-米庫(kù)林、迪諾·卡拉里奇、馬林科·克尼澤維奇、喬西普·盧西奇、伊萬·馬里諾維奇、卡洛·塞維迪亞、加布里埃爾·斯科西奇、馬克·斯坦西奇、赫沃耶·斯特里克曼和幸存的消防隊(duì)員弗蘭·盧西克,也向所有其他消防事故的受害者致敬。勇敢的消防隊(duì)員已經(jīng)永遠(yuǎn)失去了生命,但如果我們能夠了解斯皮納特峽谷發(fā)生了什么,也許我們就能在未來阻止類似的事故發(fā)生。
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