森林火災“爆燃”成因及應對策略

白夜 齊方忠 王博 方超

摘要：綜述國內(nèi)外森林火災“爆燃”研究現(xiàn)狀，結合森林消防隊伍70余年滅火實戰(zhàn)經(jīng)驗積累，對森林火災“爆燃”規(guī)律特征、成因、火環(huán)境進行深入分析，為森林火災“爆燃”預防及逃生提出應對策略，對森林火災“爆燃”未來研究方向進行展望，為特殊火行為研究和森林火災科學撲救提供科學支撐。

關鍵詞：爆燃;火環(huán)境;可燃混合氣體;火行為突變

由于受全球氣候變化等諸多因素的影響，森林火災總體形勢日趨嚴峻，正進入新一輪的高發(fā)期，研究解決森林火災瓶頸問題勢在必行。2019年3月30日18時，四川省涼山州木里縣雅礱江鎮(zhèn)立爾村發(fā)生森林火災，火災撲救中突遇林火“爆燃”，導致30名撲火隊員犧牲，引發(fā)社會高度關注。經(jīng)過對近70余年國內(nèi)外大量森林火災案例分析，造成森林火災群死群傷原因主要是林火行為突變。具體表現(xiàn)為：一是燃燒方向突然改變;二是林火蔓延速度突然增加;三是林火強度突然增大，特別是高能量特殊火行為產(chǎn)生，如飛火、火旋風、爆燃等[1]。目前關于森林火災“爆燃”特殊行為的研究較少且主要集中在定性分析，但森林火災“爆燃”產(chǎn)生的危害巨大，形成巨大火球、蘑菇云現(xiàn)象，燒死大量植被，產(chǎn)生大量高溫有害氣體，對森林消防員人身安全造成嚴重威脅。本文結合多年滅火實戰(zhàn)經(jīng)驗，深入分析森林火災“爆燃”規(guī)律特征、成因、火環(huán)境，提出森林火災“爆燃”預防及逃生應對策略，對森林火災“爆燃”未來研究方向進行展望，為一線森林消防隊員安全高效滅火提供科學依據(jù)。

1.森林火災“爆燃”研究現(xiàn)狀

克羅地亞2007年8月30日森林火災“爆燃”導致12人死亡1人重傷，D. X. Viegas等人從氣象、植被、熱力學、空氣動力學多個角度對該火災案例進行了深入分析，建立了該地區(qū)森林火災“爆燃”火災蔓延模型，從定義、起因、火焰突然加速機制等方面對爆燃火進行描述[2]。美國林火專家唐納德波瑞描述了爆燃火發(fā)展過程，認為極端林火行為的火災初期就存在著下山火、冷鋒、高壓下沉氣流和干燥的老齡可燃物等因素。不同學者對爆燃火蔓延速度突然加劇的原因解釋不同[3-5]。爆燃火與風速風向、特殊地形（陡坡、峽谷）有關，火焰?zhèn)鞑ダ碚撜J為爆燃火可以自加速，也有研究認為峽谷中未燃燒產(chǎn)物和揮發(fā)性有機物的氣體積累能夠引發(fā)爆燃火，J. W. Dold等人提出氣流是引發(fā)爆燃火的潛在原因。

杜樂天提出了“地下排氣說”，認為當?shù)厍蚴芰r，地殼變形或者破裂，地球內(nèi)部蘊藏的大量熱氣（H2、CH4、CO等）由內(nèi)向外溢出，地球內(nèi)部排出的可燃性氣體在林區(qū)腐植層中聚積碰到靜電火花燃燒引發(fā)森林火災[6]。舒立福認為爆燃火是一種火災在蔓延的過程中，遇到復雜地形、豐富可燃物、大風充分供氧的條件下，出現(xiàn)的類似爆炸式的燃燒現(xiàn)象，溫度可以達到1000℃以上，火焰高度達到30m以上。劉乃安認為峽谷和高坡度地形是最容易引發(fā)爆燃火的兩種地形。峽谷內(nèi)形成的封閉地形空間導致植被燃燒不充分，地表可燃物通過熱解反應產(chǎn)生大量可燃性氣體，不完全燃燒產(chǎn)生的氣體和空氣形成混合氣體沉積在峽谷底部，如遇明火就發(fā)生爆燃。高坡度地形下火焰兩側(cè)氣體流動不均勻，火焰兩側(cè)的壓差使火焰偏離豎直方向，向上坡面附著，大大加強火前方向上坡面對流傳熱，提升火蔓延速度，在短時間內(nèi)火勢迅速蔓延。楊光認為爆燃火是由常規(guī)林火發(fā)展而來，其火行為由常態(tài)向極端發(fā)展變化是一定時間、特殊可燃物、極端天氣、復雜地形等條件綜合作用的結果?；ò呤饺紵拇蠡饒?，加上峽谷位置及逆溫或低壓穴的氣象條件，可以轉(zhuǎn)化為快速的動力燃燒或爆炸，形成猛烈燃燒的爆燃火。

2.森林火災“爆燃”規(guī)律特征

森林火災“爆燃”指爆炸性燃燒，和“轟燃”意思相近，是一種典型的極端火行為，發(fā)生時間突然，產(chǎn)生溫度極高。森林火災“爆燃”不僅燒死大量地被植物，危害生態(tài)環(huán)境和人民群眾生命財產(chǎn)安全，還會產(chǎn)生高溫有害氣體導致中毒，嚴重時還會產(chǎn)生高溫熱浪直接將受困者燒亡。

一是森林火災“爆燃”以動力燃燒為主，伴有沖擊波。森林火災“爆燃”屬于極端火行為，具有突發(fā)性和偶然性，蔓延方式與常規(guī)森林火災蔓延方式不同，燃燒機制由擴散燃燒變?yōu)閯恿θ紵l(fā)生了根本變化。燃燒強度不斷增加，沖擊式快速向前蔓延，產(chǎn)生巨大熱交換能量，具體形式通常為對流柱、飛火、羽流火、高溫熱浪、火旋風等?！氨肌睙峤粨Q表現(xiàn)特征、持續(xù)時間、危害程度具有隨機性，與可燃混合氣體有關?！氨肌钡哪芰砍苓厖^(qū)域可燃物能量外，還包括該區(qū)域之前范圍可燃物的部分能量?！氨肌卑l(fā)生之前發(fā)生的不完全燃燒會產(chǎn)生大量可燃性氣體，在風力作用下，一定范圍內(nèi)形成大量可燃混合氣體。

二是森林火災“爆燃”強度大，釋放能量高。“爆燃”燃燒過程中，以可燃混合氣體燃燒為主，火強度急劇增加，且具有突然發(fā)生突然停止的特點。當可燃混合氣體耗盡，能量釋放終止，爆燃火立即終止轉(zhuǎn)變?yōu)橐钥扇嘉飻U散燃燒為主的常規(guī)林火。據(jù)國外文獻報道，爆燃火溫度可以達到1000℃以上，火焰高度可以達到30m以上，蔓延速度一般在15-50km/h，火線強度達20000kW/m以上，能量釋放過程中通常伴有轟鳴聲和火焰。過火林木大多數(shù)死亡，過火后森林往往需要幾十年甚至上百年時間才能恢復到火災前狀態(tài)。

三是森林火災“爆燃”釋放大量有毒氣體，濃度高危害大。爆燃火燃燒反應強烈，可以將炭粒卷入空中，可燃混合氣體動力燃燒過程中，大顆粒炭塊粉碎形成有毒煙氣。釋放有毒氣體主要為含碳氣體、含氮氣體、顆粒物、氣溶膠等。2016年5月加拿大艾伯塔省麥克默里堡市森林大火和2019年3月1日澳大利亞維多利亞州森林大火均產(chǎn)生了大量有毒煙霧籠罩城市上空，甚至出現(xiàn)了火積云特殊天氣現(xiàn)象，嚴重威脅當?shù)鼐用裆】?。當火災強度特別大時，有毒氣體甚至會影響區(qū)域空氣質(zhì)量，造成大范圍空氣污染。

3.森林火災“爆燃”成因

我們在分析國內(nèi)外大量森林、城市火災案例的基礎上，結合多年滅火實戰(zhàn)經(jīng)驗綜合分析，發(fā)現(xiàn)造成森林火災“爆燃”的主要原因有以下5種可能：第一種是地面植被和林下可燃物因長期堆積后發(fā)生腐爛，進而產(chǎn)生大量可燃氣體，同時與腐爛的可燃物混合后，突遇明火產(chǎn)生爆燃。特別是我國天然林商業(yè)采伐全面停止后，林區(qū)林下可燃物積累加快，一些重點林區(qū)可燃物載量已經(jīng)超過發(fā)生重特大森林火災臨界值，為森林火災“爆燃”的發(fā)生提供了可燃物條件;第二種是山谷內(nèi)缺氧不完全燃燒，產(chǎn)生大量CO有毒氣體沉積在谷內(nèi)，突遇谷風強力供氧，發(fā)生“爆燃”;第三種是林火蔓延到狹窄的山脊、單口山谷、陡坡、鞍部、草塘溝、山巖凸起等特殊地形，容易形成飄忽不定的氣流，與可燃物同時預熱共同燃燒，瞬間形成巨大火球和蘑菇云;第四種是氣體對流作用導致，受反向氣流作用，產(chǎn)生渦流，將可燃混合氣體及細小可燃物卷入燃燒上空，受熱爆炸式?jīng)_擊燃燒導致“爆燃”。1996年4月14日，黑龍江省綏陽林業(yè)局發(fā)生森林火災，由于冬春季節(jié)變換，導致西伯利亞寒流影響的西北風與太平洋暖流影響下的東南風產(chǎn)生對流，帶動可燃混合氣體及細小枯枝落葉滾動至火線上空，產(chǎn)生“爆燃”，造成7人遇難;第五種是地下礦產(chǎn)資源產(chǎn)生可燃氣體，在森林火災作用下，受熱燃燒發(fā)生爆燃。2016年5月加拿大艾伯塔省麥克默里堡市森林大火和2019年3月29日山西沁源森林大火火場區(qū)域周圍地下都有豐富的礦產(chǎn)資源。

綜上所述，對2019年3月30日發(fā)生在四川省涼山州木里縣立爾村的森林火災研究分析應屬于第二種情況，當時木里火場撲火人員處理懸崖下煙點時，發(fā)現(xiàn)谷內(nèi)有火，并伴有竹子燃燒爆炸的聲音，結合現(xiàn)場地形條件、可燃物條件和氣象條件綜合分析，我們認為此次爆燃是可燃物在谷內(nèi)燃燒時（相當于一個封閉空間）產(chǎn)生大量一氧化碳和含碳的濃煙，混合氣體沉積在谷內(nèi)緩慢燃燒，突遇大風供氧，產(chǎn)生“爆燃”。

4.影響森林火災“爆燃”的因素

森林燃燒理論認為任何森林燃燒現(xiàn)象的發(fā)生必須具備三個基本條件， 即森林可燃物、火源、氣象條件， 它們構成森林燃燒三要素。森林火災“爆燃”形成火環(huán)境非常復雜，通常受到可燃物、天氣和地形條件綜合作用影響。

森林可燃物是森林火災的物質(zhì)基礎和火災傳播的主要因素，是影響林火發(fā)生、發(fā)展及火燒強度的重要因素之一，對森林火災的發(fā)生、蔓延以及整個火行為影響比其他任何因素更重要。森林內(nèi)一切可以燃燒的物質(zhì)均為可燃物， 林地內(nèi)的喬木 （干、枝、葉、皮） 、灌木、草本、苔蘚、地表凋落物、土壤中的腐殖質(zhì)和泥炭等均可視為森林可燃物。森林可燃物的類型和分布明顯影響著林火發(fā)生的行為特征。發(fā)生森林火災“爆燃”必須積累足夠的有效可燃物，且可燃物濕度較低容易燃燒。近年來重點林區(qū)林下可燃物大量積聚，長白山、川西等地區(qū)原始林區(qū)可燃物載量已經(jīng)超過發(fā)生重特大森林火災臨界值。林內(nèi)易燃植被多，松樹球果、桉樹樹皮等自身易燃，容易誘發(fā)森林火災“爆燃”。林下枯枝落葉長期堆積腐爛，產(chǎn)生大量可燃氣體，同時與腐爛的可燃物混合后，突遇明火容易引發(fā)“爆燃”。

森林火災和氣象的關系十分密切。長期的天氣干燥會導致地面溫度持續(xù)升高，可燃物含水率降低。影響森林火災的氣象因素主要有降水量、氣溫、風速、相對濕度等?；饒鰠^(qū)域一般都是高溫、大風天氣，氧氣充足，火災燃燒猛烈，為爆燃火發(fā)生創(chuàng)造了有利氣象條件。一些特殊的氣象現(xiàn)象也會加劇森林火災的強度，2016年5月加拿大艾伯特省麥克默里堡市森林火災中出現(xiàn)火積云，云柱下端高溫導致空氣流動速度加快在地表形成強風，云柱中間形成下沉氣流遇到冷空氣瓦解過程中帶著火苗擴散，云柱頂端高空湍流形成的閃電雷擊落下后火星四濺，導致火勢迅速蔓延，在一天時間內(nèi)過火面積由15萬hm2蔓延至30萬hm2。地形地勢是間接的生態(tài)因子，通過改變氣候進而影響可燃物含水率的變化。地形因子有海拔、坡向、坡度和坡位等。森林作為一種特殊的下墊面， 與地形變化共同形成不同的局部氣候。海拔是主要影響因素，氣溫隨海拔高度增加而下降 （海拔每升高100 m， 氣溫降低約0.6℃） ， 林內(nèi)溫度降低使相對濕度增大，可燃物含水率增高。坡向、坡度和坡位吸收不同太陽輻射， 進而影響可燃物含水率的變化。陡坡、窄谷、窄山脊線、葫蘆峪、鞍部和破碎地形處，火會受到地形影響，產(chǎn)生氣流變化（如渦流、亂流），熱分解產(chǎn)生大量高濃度可燃氣體，突遇大風補充大量氧氣產(chǎn)生爆燃。

木里火場處于四川省西南部，位于橫斷山脈中端，是典型的干熱河谷氣候。受地理環(huán)境和氣候影響，冬季山頂寒冷干燥，春季河谷高溫少雨、干熱風盛行，形成了較為特殊的高山峽谷、干熱河谷特征。山林連續(xù)，溝谷深切、斷崖陡谷等特殊復雜地形多，具備發(fā)生爆燃火的條件。

5.森林火災“爆燃”應對對策

森林火災“爆燃”一旦發(fā)生危害極大，國內(nèi)外曾發(fā)生多起因森林火災“爆燃”導致的群死群傷事故。如何應對這種高能量極端火行為對于實現(xiàn)高效安全撲火具有重要意義。

一是人為控制森林可燃物。森林可燃物管理能夠從根本上解決林火安全問題、改善森林結構、提高森林健康水平。采取機械處理、計劃燒除、營林撫育、疏伐、林分改造等措施，以營林技術為主要手段， 加大景觀水平的可燃物管理， 綜合考慮可燃物調(diào)控技術方法對生態(tài)環(huán)境的影響， 實現(xiàn)森林可燃物生態(tài)調(diào)控，有效降低森林可燃物載量，減少森林火災發(fā)生，增加森林生態(tài)系統(tǒng)抗性，避免發(fā)生高強度火行為。

二是利用生物防火林帶增強林分阻火能力。利用植物之間阻火性的差異， 以難燃樹種組成防火林帶， 可以在不同層次上防止火災的蔓延和擴展， 阻止易燃植物的燃燒。營造生物防火林帶應突出防火性能原則，兼具適地適樹、景觀性、四季有景、利于交通原則。作為一種可以阻止林火蔓延、控制森林大火發(fā)生的有效手段，可以變被動防火為主動防火，是一項花錢少、持效久的綠色防火工程。同時結合道路、河流等天然阻隔，形成完善的阻火網(wǎng)絡，一旦發(fā)生火災，將火勢控制在極小范圍內(nèi)。

三是將火勢控制在初期階段。強化應急準備，森林消防專業(yè)隊要靠前駐防，保障防火重點地區(qū)物資儲備充足，全面提高對森林火災的預防、控制和撲救能力，最大限度地減少森林火災。一旦發(fā)生森林火災采取有效撲救手段，抓住有利時機，及時把火撲滅，不使小火變大成災，避免發(fā)生林火“爆燃”。

四是采取間接滅火手段。以間接撲救為主，直接撲救為輔，空中力量為主，地面力量為輔，減少撲火人員與火勢直接接觸，避免人員傷亡。

五是預設安全區(qū)。在接近火場之前，應提前勘察火場，全面掌握火場周圍地形、撲火時天氣、當?shù)刂脖坏葪l件。在植被稀少、地勢平坦、距離火線較近的上風向位置預先設定安全區(qū)域，當瞬間劇烈燃燒威脅到撲火隊員生命安全時，進入預先設定安全區(qū)域緊急避險。

6.展望

目前關于森林火災“爆燃”的科學研究較少，且主要集中在定性研究。今后建議利用野外實地調(diào)查和遙感技術等多種手段，對森林火災“爆燃”發(fā)生火環(huán)境、氣象條件、地形、可燃物類型及載量等展開定量研究分析，深入研究森林火災“爆燃”發(fā)生機理、預防應對措施，為安全高效撲火提供科學依據(jù)。

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作者簡介：

白夜，中國消防救援學院森林防滅火教研室主任，森林消防學科帶頭人，教授，博士學位，研究生導師。國家森林、草原撲火指揮員培訓專家，中國森林消防委員會專家委員，北京林業(yè)大學特聘教授，北京市、山東省、河北省應急救援專家。先后參與撲救重特大森林、草原火災百余起。