集雨井在森林消防中的應(yīng)用研究綜述

魏建珩，張文文，閆想想，王秋華，高仲亮

(西南林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，云南 昆明 650224)

森林火災(zāi)是森林資源的大敵，火災(zāi)發(fā)生后會(huì)導(dǎo)致大量林木資源損失，燒傷林木或輕傷林木生長(zhǎng)衰退，改變林分結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致森林土壤理化性質(zhì)改變，破壞森林生態(tài)系統(tǒng)，國(guó)家財(cái)產(chǎn)、人員易造成巨大損失，如何進(jìn)行有效且安全的林火撲救一直是困擾各國(guó)的難題。世界各國(guó)均首選用水撲救森林火災(zāi)，其優(yōu)點(diǎn)在于水比熱容和汽化潛熱大，升溫和汽化過(guò)程中將吸收大量熱能,常壓下汽化時(shí)體積膨脹約1 603倍，有效地稀釋燃燒區(qū)域內(nèi)可燃?xì)怏w和氧氣的濃度，水膜可阻止氧氣參與可燃物的燃燒反應(yīng)，這些性質(zhì)使水成為理想的天然滅火劑[1]。林中水資源皆來(lái)自于降水，我國(guó)有效降雨量(≥250 mm)分布地區(qū)廣，天然降水資源豐富，但我國(guó)對(duì)天然降水的利用率不高，相較于國(guó)外的高利用率，我國(guó)天然降水資源利用前景廣闊，潛力巨大[2]。以水滅火具有撲滅初期火災(zāi)迅速、撲打低強(qiáng)度地表火效果明顯、清理火場(chǎng)徹底等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)“打早，打小，打了”目標(biāo)，是撲救森林火災(zāi)的首選方式[3]，實(shí)施以水滅火中水源補(bǔ)給建設(shè)格外重要。發(fā)生森林火災(zāi)的高峰時(shí)段常常伴有高溫、干旱、大風(fēng)等天氣，水資源在此時(shí)急劇減少，因此在林區(qū)建設(shè)水資源補(bǔ)給設(shè)施就非常重要。通常來(lái)說(shuō)，林區(qū)內(nèi)建設(shè)集雨井能有效解決滅火水源缺乏的問(wèn)題，使人們?cè)诨馂?zāi)發(fā)生初期就能迅速利用就近水源控制火情，提高滅火效率，降低森林資源的損失。

21世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)以水滅火撲救森林火災(zāi)主要聚焦于研發(fā)水陸兩用裝甲消防車、J-50 森林消防車、滅火水泵、吊桶灑水滅火作業(yè)的M-26重型直升機(jī)等各種新型裝備[4]，提高了我國(guó)森林火災(zāi)撲救效率，實(shí)現(xiàn)快速控制森林火災(zāi)，降低火災(zāi)損失，但野外火場(chǎng)尋找水源和供水困難，遠(yuǎn)距離輸水會(huì)降低撲火裝備的使用效率，增加撲救人員體力消耗。集雨井作為一種雨水收集裝置，根據(jù)林區(qū)內(nèi)降水量、降雨時(shí)段、滅火需水量、地形等數(shù)據(jù)進(jìn)行合理布設(shè)，改變林間水資源時(shí)空分布，充分發(fā)揮以水滅火裝備的戰(zhàn)力水平[5～6]。林區(qū)合理布設(shè)集雨井能減少防火隔離帶建設(shè)需求，增強(qiáng)森林防火阻隔系統(tǒng)，有效控制森林火災(zāi)蔓延，提高森林火災(zāi)撲救效率，保護(hù)現(xiàn)有森林資源免遭森林火災(zāi)危害，有效控制森林覆蓋率下降，維護(hù)森林景觀完整性和美觀性，促進(jìn)林業(yè)可持續(xù)發(fā)展，利于涵養(yǎng)水源、保持水土、防止風(fēng)沙等，還可減少森林防火投入的人力、物力、財(cái)力，是貫徹“預(yù)防為主、積極消滅”森林防火方針的有利工程技術(shù)手段。集雨型森林消防井設(shè)施還可以有效改善山地水的利用問(wèn)題，做到低投入、高回報(bào)，解決旱地澆灌問(wèn)題，提高農(nóng)林、林果、林藥生產(chǎn)效率，繁榮山區(qū)經(jīng)濟(jì)，活躍山區(qū)生活。

1 集雨系統(tǒng)利用和布設(shè)研究現(xiàn)狀

1.1 集雨系統(tǒng)利用現(xiàn)狀

為提高我國(guó)森林防火技術(shù)，增強(qiáng)森林火災(zāi)火場(chǎng)控制能力，首要解決水源問(wèn)題，在林區(qū)內(nèi)修筑集雨井是解決水源問(wèn)題最有效手段，此項(xiàng)技術(shù)措施將貫穿森林防、滅火全過(guò)程，建設(shè)和布設(shè)集雨型森林消防井是增強(qiáng)森林防火的基礎(chǔ)性技術(shù)措施最直接、最可靠的手段，將大幅提高森林防滅火技術(shù)水平。但根據(jù)查閱相關(guān)文獻(xiàn)和實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，集雨系統(tǒng)較少用于森林撲火，多用于我國(guó)降水較少地區(qū)的農(nóng)林灌溉，主要分為雨水徑流導(dǎo)引和雨水存儲(chǔ)設(shè)施兩部分[7]。

1.1.1 雨水徑流導(dǎo)引 徑流導(dǎo)引是雨水徑流收集的主要措施，是指利用集雨區(qū)現(xiàn)有地形或?qū)甑乇磉M(jìn)行物理、化學(xué)處理，以提高雨水收集效率，主要有以下幾種方法：利用光滑且透水性小的巖石如花崗巖、砂巖構(gòu)成的自然坡面導(dǎo)引雨水徑流[8]；利用混凝土、塑料薄膜、橡膠等材料修筑排水渠導(dǎo)引林內(nèi)徑流[9]；清除25 cm寬植被帶，再壓實(shí)土壤，縮小土壤間空隙，以減少雨水滲透[10]；利用土壤封孔劑、斥水劑、土壤結(jié)構(gòu)分散劑使得土壤具有斥水性[11]以達(dá)到徑流導(dǎo)引作用；利用微生物反應(yīng)過(guò)程，如微生物礦化、微生物膜、微生物產(chǎn)生氣泡等降低孔隙材料滲透性[12]。

1.1.2 雨水儲(chǔ)蓄設(shè)施 目前國(guó)內(nèi)雨水儲(chǔ)蓄設(shè)施多用于北方干旱少水地區(qū)，利用各種有效措施把有限的降水匯集存儲(chǔ)起來(lái)，供農(nóng)村人畜用水與農(nóng)作物灌溉，主要儲(chǔ)蓄設(shè)施有水窖、蓄水池和塘壩。水窖需選擇經(jīng)過(guò)防滲處理的區(qū)域，或利用具有產(chǎn)流能力的不透水坡面，使得降水引入地勢(shì)較低的水窖儲(chǔ)存，單個(gè)水窖儲(chǔ)水量一般在30～50 m3；蓄水池一般選擇在溝渠旁、村莊附近有可能匯集徑流的地方，或是能調(diào)蓄山泉、溪水的天然洼地、人工蓄水池，蓄引結(jié)合，長(zhǎng)蓄短用；塘壩是一種利用有較大匯水量的低洼、溪谷等筑壩進(jìn)行蓄水的設(shè)施，有蓄水量大的優(yōu)點(diǎn)。塘壩的攔水壩、取水口和泄洪建筑物應(yīng)根據(jù)小型水庫(kù)的技術(shù)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工[13]。

1.2 集雨型系統(tǒng)布設(shè)研究現(xiàn)狀

集雨型系統(tǒng)的良好運(yùn)行很大程度上取決于布設(shè)地點(diǎn)的選擇[14]。目前，國(guó)外學(xué)者為確定合適的集雨設(shè)施布置地點(diǎn)展開(kāi)了大量研究，首先是確定布設(shè)位置的影響因素，20世紀(jì)90年代，擇址影響因素主要側(cè)重于生物物理因素，如降雨量、坡度、土壤類型、排水網(wǎng)絡(luò)和土地利用[15-17]。21世紀(jì)后許多學(xué)者都試圖將社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素與生物物理因素結(jié)合起來(lái)，作為選擇適宜的集雨地點(diǎn)的主要因素[18-20]。21世紀(jì)初，聯(lián)合國(guó)糧食及農(nóng)業(yè)組織(AFO)列出了氣候、水文、地形、農(nóng)業(yè)、土壤和社會(huì)經(jīng)濟(jì)六個(gè)集雨設(shè)施選址主要指標(biāo)，在確定指標(biāo)的基礎(chǔ)上利用一定的技術(shù)將指標(biāo)整合，目前比較成熟的技術(shù)是利用GIS(Geographic Information System)/RS (Remote Sensing)確定適合的集雨設(shè)施位置，獲取并處理高程數(shù)據(jù)、土壤性質(zhì)數(shù)據(jù)，再利用水文模型(Hydrological models，HM),如Thornthwaite and Mather (TM)模型、The Soil Conservation Service (SCS) 模型、Curve Number (CN) 模型等計(jì)算地表徑流，在確保最大效率收集降水的情況下確定集雨系統(tǒng)布設(shè)位置，結(jié)合層次分析法(The analytic hierarchy process，AHP)確定布設(shè)地區(qū)的影響因子對(duì)地表徑流影響的重要性排序，使選址結(jié)果更加合理。國(guó)外以GIS、RS為技術(shù)支撐，選擇適當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，結(jié)合不同模型，與當(dāng)?shù)亓饔蜻m應(yīng)的集水水庫(kù)成為集雨設(shè)施布置的主要研究方式，該方法能夠減少布設(shè)成本和對(duì)環(huán)境的影響。

國(guó)內(nèi)關(guān)于集雨型布設(shè)系統(tǒng)研究起步較晚，且研究較為籠統(tǒng)，張慶梅等[21]在森林防火網(wǎng)阻隔系統(tǒng)的基礎(chǔ)上利用最短距離算法確定消防井布設(shè)位置，李海偉等[12]認(rèn)為山地集雨系統(tǒng)布設(shè)應(yīng)位于林區(qū)邊緣、林中道路兩旁、村莊附近等林火高發(fā)地區(qū)，田書超[22]在建立森林消防水源選址評(píng)估模型的基礎(chǔ)上采用模糊綜合評(píng)判方法評(píng)判了水源選址的合理性，王艷霞等[23]利用GIS空間分析方法確定蓄水池選址影響因子，提出了森林防火蓄水池選址方法。通過(guò)以上國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究成果得出：基于GIS技術(shù)識(shí)別潛在的森林消防井預(yù)設(shè)地點(diǎn)更具有合理性，可以成為未來(lái)集雨井研究的重要方向。

2 森林消防集雨井的設(shè)計(jì)研究

2.1 集雨型森林消防容積的確定

雨水集蓄設(shè)施容積設(shè)置不宜過(guò)大或過(guò)小，要能保證充分?jǐn)r蓄降水和建設(shè)投資合理，使用率高，供水充足。根據(jù)水量平衡原理，需要在一個(gè)水文年內(nèi)進(jìn)行計(jì)算和求解，其結(jié)果要充分滿足蓄水要求，保證用水所需的最小容積，即經(jīng)濟(jì)容積。其具體計(jì)算公式[24]如下：

式中，Q為年總雨水集蓄量(m3)，W為年總滅火需水量(m3)，V為水窖經(jīng)濟(jì)容積(m3)；P為時(shí)段t內(nèi)的降水量(mm)，A為雨水集流面積(m2)，w為時(shí)段t內(nèi)的需水量(m3)，v為第t時(shí)段的存貯水量(m3)，t為降雨時(shí)段。

在經(jīng)濟(jì)容積計(jì)算過(guò)程中，各參數(shù)應(yīng)用在森林防、撲火中應(yīng)充分考慮林分性質(zhì)、降雨條件、火場(chǎng)撲救條件、植被截雨量進(jìn)行調(diào)整。

(1)需水量W：根據(jù)火場(chǎng)燃燒所釋放的能量確定需水量。能量的大小是由森林易燃可燃物數(shù)量、種類以及分布位置等條件所確定的，不同林分、不同層次的易燃可燃物特征也不相同，要做好所布設(shè)地區(qū)的需水量估算，就需要充分調(diào)查布設(shè)區(qū)內(nèi)林分特征、森林燃燒性、易燃可燃物負(fù)荷量等數(shù)據(jù)，最后依據(jù)1 kg水化為蒸汽時(shí)所吸收225.7 kJ的汽化熱量推算得出所需水量。

(2)時(shí)段t內(nèi)的降水量P：計(jì)算時(shí)段t內(nèi)的降水量P時(shí)應(yīng)考慮林內(nèi)植被的截留雨量，林內(nèi)的不同層次對(duì)雨水的截留量也不相同。其中林冠層截水率占大氣降水量的15%～35%；灌木草本層截留率占1.8%～16%；枯枝落葉層截留率占5.6%～13%[25]。P總量計(jì)算應(yīng)排除無(wú)法產(chǎn)流或產(chǎn)流較少(日降水量≤5 mm)的數(shù)據(jù)[24]。

(3)雨水集流面積的設(shè)計(jì)主要以集水面的集水性能、集水區(qū)有效降雨量、需水量等因素確定，計(jì)算公式[6]如下：

A=1 000W/RP*EP(4)

式中，A為雨水集流面積(m2)，W為年總滅火需水量(m3)，RP為p時(shí)林內(nèi)降水量保證率(%)，EP為p時(shí)集流面集流效率保證率(%)。

2.2 集雨型森林消防井的外形設(shè)計(jì)

集雨型森林消防井形狀采用圓柱形，可節(jié)省材料消耗，防止水壓在邊角處產(chǎn)生集中應(yīng)力；底部采用鍋底形，抵抗地下水產(chǎn)生的揚(yáng)壓力；水窖頂部采用圓臺(tái)形，抵抗上部的土壓力；入口直徑在0.8～1.0 m之間，便于人工清淤，需要加蓋密封。

2.3 集雨型森林消防井的防滲設(shè)計(jì)

集雨型森林消防井在地面以下開(kāi)挖成形后，進(jìn)行防滲處理是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。根據(jù)不同巖性、不同土質(zhì)采用不同的防滲結(jié)構(gòu)。在集雨技術(shù)中取得的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)為：片麻巖地區(qū)修建鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的水窖；石灰?guī)r地區(qū)，可利用開(kāi)挖出的石料修建漿砌石砂漿抹面結(jié)構(gòu)的水窖；角礫巖地區(qū)采用土工織布防滲。

2.4 集雨型森林消防井的維護(hù)和保養(yǎng)

集雨型森林消防井設(shè)施是一項(xiàng)永久性的防火措施，維護(hù)和保養(yǎng)是發(fā)揮其防火、滅火效果不可缺少的手段和措施。集雨型森林消防井布設(shè)好后，應(yīng)及時(shí)觀察消防井蓄水狀況，及時(shí)清理其蓄水的屏障，確保消防井內(nèi)的集水充足、符合消防水槍的噴射，以保證森林火災(zāi)時(shí)發(fā)揮以水滅火、解決水源問(wèn)題的作用。

3 展望

我國(guó)集雨設(shè)施多用于農(nóng)林灌溉，用于森林火災(zāi)撲救的集雨井設(shè)施研究較少，多集中于消防井容積計(jì)算、布設(shè)選址方面，且尚處于理論研究階段，沒(méi)有進(jìn)行實(shí)際的推廣應(yīng)用，也沒(méi)有一個(gè)從研究區(qū)概況調(diào)查到選址到布設(shè)以及最后利用效果評(píng)價(jià)的整體、系統(tǒng)化研究。我國(guó)降水資源豐富，特別是西南地區(qū)，受季風(fēng)影響，西南大部分地區(qū)為多雨區(qū)[26]，而以水滅火又是目前森林火災(zāi)撲救中主要的作戰(zhàn)方式，因此集雨井的應(yīng)用推廣十分有必要，借鑒集雨設(shè)施在農(nóng)林灌溉中的應(yīng)用方式，參考國(guó)外學(xué)者關(guān)于布設(shè)選址技術(shù)的研究，建立具有我國(guó)特色的森林火災(zāi)撲救集雨設(shè)施，為將來(lái)森林防火基礎(chǔ)性設(shè)施建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。針對(duì)我國(guó)目前集雨設(shè)施應(yīng)用現(xiàn)狀、林分特征信息，未來(lái)的集雨井研究可以從以下幾個(gè)方面展開(kāi)：

(1)集雨設(shè)施布設(shè)的影響因素。集雨型消防設(shè)施布設(shè)的影響因素是研究前提，也是最終運(yùn)行效果的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，該設(shè)施運(yùn)用于森林火災(zāi)撲救中，應(yīng)密切考慮林分特征因素，包括森林易燃物分布情況、植被截雨量等；地形因素包括坡度、坡位等；氣象因素包括降雨量、風(fēng)速等。

(2)合適的選址技術(shù)。利用GIS技術(shù)進(jìn)行選址是目前國(guó)內(nèi)外所認(rèn)可的方式，能夠節(jié)約人力、物力成本，達(dá)到雨水利用最大化，但在用于森林火災(zāi)撲救時(shí)要結(jié)合森林火災(zāi)發(fā)生機(jī)制、撲滅方式等多方面考慮，利用影響因素生成不同類別的專題圖，進(jìn)行疊加分析可以直觀的確定布設(shè)區(qū)域，再按照一定的服務(wù)半徑進(jìn)行合理地布設(shè)。

(3)儲(chǔ)水設(shè)備的防火措施。利用雨水修筑的森林消防井是森林火災(zāi)撲救中必不可少的一環(huán)，為保證在火災(zāi)發(fā)生時(shí)能迅速使用，該工程應(yīng)考慮加入防火阻燃技術(shù)，如使用導(dǎo)熱系數(shù)低的材料、采用無(wú)腔結(jié)構(gòu)、增加防火層厚度等[27]。