森林自動(dòng)噴淋防火林帶技術(shù)研究和應(yīng)用

何瑩泉，余瑞娟，陳富強(qiáng)，陳鈺皓

(1.廣東省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院，廣東 廣州 510520；2.廣東省龍眼洞林場(chǎng)，廣東 廣州 510520)

近年來(lái)我國(guó)重大森林火災(zāi)時(shí)有發(fā)生，對(duì)森林生態(tài)和消防戰(zhàn)士生命安全造成嚴(yán)峻的威脅，森林防火滅火技術(shù)的發(fā)展任重道遠(yuǎn)。發(fā)展森林自動(dòng)防火滅火技術(shù)成為一項(xiàng)非常急迫并富有挑戰(zhàn)性的科研課題?，F(xiàn)階段適合森林防火滅火的自動(dòng)滅火技術(shù)在不同的方向上已取得一定的技術(shù)成果，比如全自動(dòng)森林滅火噴水隔離帶工程系統(tǒng)設(shè)備與安裝[1]、森林火災(zāi)自動(dòng)監(jiān)測(cè)和自動(dòng)瞄準(zhǔn)滅火炮系統(tǒng)[2]、具有自動(dòng)噴水裝置的森林消防車(chē)[3]、一種森林防火自動(dòng)滅火器[4]等。與上述技術(shù)成果相比，自動(dòng)噴淋防火林帶技術(shù)能夠規(guī)模應(yīng)用于森林中。通過(guò)建設(shè)幾十公里甚至更長(zhǎng)的噴淋防火林帶，可以將森林保護(hù)地分隔成數(shù)個(gè)保護(hù)區(qū)域，將森林火災(zāi)限制、消滅在一定保護(hù)范圍內(nèi)，發(fā)揮出與生物防火林帶相同甚至更佳的防火效果。廣東省林業(yè)局科技與交流合作處項(xiàng)目“廣東省森林生態(tài)旅游區(qū)森林防火系統(tǒng)集成研究”，由廣東省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院、廣東省林業(yè)科學(xué)研究院、廣東省嶺南綜合勘察設(shè)計(jì)院、廣東省東莞市大屏嶂森林公園四個(gè)單位共同研發(fā)。本技術(shù)的研究起始于兩個(gè)森林公園設(shè)計(jì)案例。一個(gè)是某森林公園在營(yíng)造完一批生物防火林帶后，由于立地條件較差，缺水少肥，樹(shù)木生長(zhǎng)緩慢，因此本研究團(tuán)隊(duì)建議加設(shè)一條噴淋灌溉系統(tǒng)來(lái)改善防火林帶成林環(huán)境。第二個(gè)是某城市森林公園兩條人員密集通行的通道，在清明、重陽(yáng)等節(jié)假日，火災(zāi)危險(xiǎn)高發(fā)。管理人員在前一晚通宵用各種方式淋濕通道兩旁，降低第二天通道周邊發(fā)生火災(zāi)的幾率。通過(guò)采用本噴淋系統(tǒng)，在前一天晚上進(jìn)行噴淋即可取得很好的效果，噴淋管道還能兼顧道路兩邊綠化的噴灌，可謂一舉兩得。這兩個(gè)案例促成研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合自動(dòng)噴淋技術(shù)，研發(fā)了適合森林環(huán)境的噴淋防火林帶技術(shù)。噴淋防火林帶和生物防火林帶都是森林防火非常有效的技術(shù)手段。營(yíng)造生物防火林帶并讓其發(fā)揮防火功能不僅需要一定的時(shí)間，而且開(kāi)展撫育、管護(hù)、割灌、除草、清理等均需要投入大量的人力物力。噴淋防火林帶技術(shù)可克服上述不足。噴淋防火林帶對(duì)立地環(huán)境和樹(shù)種無(wú)特殊要求，不需造林和撫育，且定期的管護(hù)、割灌、除草等環(huán)節(jié)均可從簡(jiǎn)。當(dāng)噴淋系統(tǒng)建成后，噴淋防火林帶即可投入使用。每次持續(xù)一個(gè)小時(shí)以上的水噴淋可確保噴淋范圍內(nèi)一切可燃物均變成不燃和難燃物質(zhì)。因此，它具有非常安全可靠的防火和滅火效果。同時(shí)，在整個(gè)防滅火過(guò)程避免了人員直接參與撲火，從而保護(hù)了參與森林滅火的消防人員的生命安全。

1 原理與構(gòu)成

1.1 系統(tǒng)原理

水是最廉價(jià)、有效、易得的滅火劑，能夠撲滅各類(lèi)森林火災(zāi)。特別是可燃物較多的林地，用水防火、滅火效果最佳。在以水滅火為主的防火形式逐漸成為森林防火的一種趨勢(shì)[5]的情況下，通過(guò)水的噴灑可以提高森林中可燃物含水率，從而破壞燃燒。可燃物含水率(FMC)是影響燃燒的重要指標(biāo)?？扇嘉锖逝c可燃物的易燃性之間關(guān)系十分密切。一般情況下，當(dāng)FMC超過(guò)35%時(shí)，不燃；當(dāng)FMC為25%～30%時(shí)，難燃；當(dāng)FMC為17%～25%時(shí)，可燃；當(dāng)FMC為10%～16%時(shí)，易燃；當(dāng)FMC小于10%時(shí)，極易燃[6]。建設(shè)形成寬度大于40 m，有一定高度的高性能?chē)娏芊阑鹆謳?，可以通過(guò)水噴淋使林內(nèi)可燃物含水率增加到35%以上，同時(shí)大幅提高環(huán)境濕度，在一定時(shí)間內(nèi)使林內(nèi)可燃物保持不燃或難燃狀態(tài)。

1.2 系統(tǒng)構(gòu)成

結(jié)合廣東省雨量豐沛、水源多的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)研發(fā)了噴淋防火林帶技術(shù)。噴淋防火林帶以若干組的形式組合而成。例如10組可以形成長(zhǎng)度10～15 km的防火林帶，可將森林保護(hù)地分隔為若干個(gè)防火分區(qū)。每組噴淋長(zhǎng)度因地形條件而異，一般以1 000～1 500 m為宜，最大長(zhǎng)度為1 500 m/組。每組寬度40 m，噴淋高度因地形的變化而不同。每組噴淋防火林帶由下列部分組成：①噴淋?chē)婎^；②管道；③高位消防水池；④取水和水質(zhì)優(yōu)化處理系統(tǒng)；⑤雨淋閥；⑥自動(dòng)閥門(mén)；⑦手動(dòng)閥門(mén)；⑧感溫93 ℃閉式動(dòng)作噴頭；⑨土壤濕度檢測(cè)模塊；⑩空氣濕度檢測(cè)模塊；森防控制；防火通道；林帶。(圖1～圖4)。

圖1 噴淋防火林帶系統(tǒng)框圖

圖2 噴淋防火林帶控制框圖 圖3 噴淋防火林帶豎向布置圖

圖4 噴淋防火林帶平面布置圖

2 工作與參數(shù)

2.1 系統(tǒng)工作狀況

2.1.1 自動(dòng)噴淋滅火

發(fā)生森林火災(zāi)后，火場(chǎng)發(fā)展蔓延至噴淋防火林帶時(shí)，林火高溫觸發(fā)設(shè)置在噴淋防火林帶兩側(cè)的93 ℃閉式動(dòng)作噴頭，啟動(dòng)雨淋閥，引起噴淋，形成寬40 m的雨淋帶，雨淋將防火林帶內(nèi)的可燃物及植被噴濕，阻斷燃燒，同時(shí)將蔓延至噴淋防火林帶內(nèi)的林火撲滅，從而實(shí)現(xiàn)森林火災(zāi)在無(wú)人狀態(tài)下的自動(dòng)撲滅。

2.1.2 自動(dòng)噴淋防火

土壤及空氣濕度檢測(cè)模塊自動(dòng)采集環(huán)境濕度、溫度數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)林內(nèi)環(huán)境和可燃物溫濕度的適時(shí)監(jiān)控，并將數(shù)據(jù)傳入消防控制中心PLC。當(dāng)林火環(huán)境達(dá)到一定閾值時(shí)，將自動(dòng)開(kāi)啟電動(dòng)閥門(mén)，啟動(dòng)雨淋閥，對(duì)防火林帶進(jìn)行噴淋加濕，改善因高溫干燥天氣而導(dǎo)致防火林帶防火效果不佳的狀況。

2.1.3 人工手動(dòng)噴淋防火

在清明、重陽(yáng)等森林火災(zāi)高發(fā)時(shí)節(jié)，通過(guò)手動(dòng)方式打開(kāi)相關(guān)閥門(mén)啟動(dòng)雨淋閥。在預(yù)判的森林火災(zāi)高發(fā)時(shí)段，對(duì)防火林帶進(jìn)行防御性噴淋，減少火災(zāi)危險(xiǎn)，起到主動(dòng)防火作用。比如，在人員密集區(qū)、游客疏散道路、消防人員防火通道、消防人員集結(jié)地、轉(zhuǎn)場(chǎng)地等處布設(shè)噴淋系統(tǒng)，均可起到良好效果。

2.2 參數(shù)

取水和水質(zhì)優(yōu)化處理系統(tǒng)：為多層過(guò)濾水質(zhì)優(yōu)化處理取水構(gòu)筑物，將雨水或溪流水質(zhì)處理到滿足噴淋消防水質(zhì)要求。溪流或下雨形成的地面徑流，通過(guò)該系統(tǒng)不斷向消防水池提供符合標(biāo)準(zhǔn)的噴淋用水。當(dāng)系統(tǒng)原水水位和凈水池水位差為10～15 cm時(shí)，過(guò)濾區(qū)單位面積出水量為0.39～0.74 m3/(h·m2)，渾濁度去除率為99.48%[7]。

高位消防水池：容積200 m3；溪流水源補(bǔ)水時(shí)間<24 h；雨水水源補(bǔ)水時(shí)間<4 h。

噴淋防火林帶設(shè)置：噴淋寬度40 m；最大長(zhǎng)度1 500 m/組；噴頭數(shù)量最多75個(gè)/組；水量192 m3/h；噴淋歷時(shí)60 min；平均噴淋強(qiáng)度3.2 L/m2；單位用水量0.1 m3/(h·m)；閉式動(dòng)作噴頭溫度93 ℃；布置間距40 m；管道管徑DN40～DN150。

噴淋?chē)婎^設(shè)置：每個(gè)噴頭水量2.5 m3/h；噴頭尺寸7.14 mm或3.18 mm；噴頭與噴頭布置間距20 m；噴頭前水壓0.4 MPa；噴頭射程21 m；噴頭安裝高度1.5 m。

3 功效與條件

3.1 系統(tǒng)功效

噴淋過(guò)程可形成一條持續(xù)時(shí)間1 h以上、寬度超過(guò)40 m，并具有一定高度的立體滅火防火墻。實(shí)驗(yàn)證明，噴淋使森林中土壤、枯枝落葉、枯倒木、木質(zhì)試塊的含水率大幅提高(圖5中12至13測(cè)點(diǎn)間)。林內(nèi)土壤濕度升高最大值為11.3%，增幅148.7%，加濕效果維持3 d[8]?？莸鼓竞蕪?4.0%升至22.0%，含水率維持在17%水平以上的時(shí)間為47.86 h[9]?？葜Α⒖萑~含水率分別從噴淋前的17.6%、13.1%升至45.9%、59.2%。之后，含水率隨時(shí)間延長(zhǎng)逐漸下降。噴淋后，林帶內(nèi)枯葉、枯枝由易燃和可燃狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椴蝗己碗y燃狀態(tài)，并分別維持26.4 h、23.9 h。一次有效的水噴淋能顯著提高林帶防火能力[10]。此外，空氣相對(duì)濕度、空氣溫度等都有較為明顯的改善[11]。

圖5 土壤、枯落葉、枯枝和枯倒木含水率變化曲線

噴淋中和噴淋后的林帶可以作為游客安全疏散和森林消防人員滅火救援的生命通道。根據(jù)溫度濕度模塊探測(cè)的高溫干燥時(shí)段和節(jié)假日游客密度較大的時(shí)段，噴淋能有效增加林內(nèi)可燃物含水率，提高林內(nèi)環(huán)境含水率，改善林帶火環(huán)境，大大降低森林火災(zāi)發(fā)生的可能性和危害性，同時(shí)還有利于森林植被生長(zhǎng)，使普通林帶發(fā)揮出防火效能，大大降低營(yíng)造大面積生物防火林帶的成本。噴淋防火林帶還能解決生物防火林帶寬度不足、林下可燃物載量高等問(wèn)題。成片布置噴淋防火林帶可以形成噴淋安全島，這有助于應(yīng)對(duì)森林兇險(xiǎn)惡劣火災(zāi)情況，有效保護(hù)森林中的建筑物、人員、物資安全，并為珍貴物種提供繁衍地。

3.2 適用條件

由于噴淋防火林帶一次性投入較大，在經(jīng)濟(jì)條件較好的森林生態(tài)旅游區(qū)及其重要保護(hù)部位，如人流較多的重要防火通道、公共建筑、森林消防隊(duì)伍集結(jié)場(chǎng)所、物資存放地及珍貴物種繁衍地等重點(diǎn)場(chǎng)所，可以設(shè)置噴淋防火林帶。噴淋防火林帶適用于任何有水源保障的森林環(huán)境。它對(duì)立地條件無(wú)特殊要求，無(wú)需伐除不耐火樹(shù)種，只要附近有不斷流的溪流，或者林地內(nèi)有一定的雨水匯水面積，借助于地勢(shì)高差設(shè)置取水和水質(zhì)優(yōu)化處理系統(tǒng)和高位消防水池后，即可構(gòu)建無(wú)動(dòng)力噴淋供水系統(tǒng)。廣東省絕大部分地區(qū)都適合推廣該技術(shù)，但在易發(fā)生低溫冰凍的區(qū)域，設(shè)置噴淋防火林帶時(shí)，需要采取必要的防凍措施。

3.3 效益分析

為了比較常規(guī)防火林帶與噴淋防火林帶的效益，以廣東省某森林公園的噴淋防火林帶為例，測(cè)算10年間的費(fèi)用，并進(jìn)行效益分析(表1)。建設(shè)寬40 m，長(zhǎng)1 500 m，總面積60 000 m2的防火林帶，建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)參照相關(guān)規(guī)定執(zhí)行。噴淋防火帶每組寬度為40 m，長(zhǎng)度及面積與防火林帶相同，噴淋強(qiáng)度為3.2 L·m-2，噴淋歷時(shí)60 min。

表1 噴淋與生物防火林帶建設(shè)費(fèi)用對(duì)比 萬(wàn)元

由費(fèi)用對(duì)比可知，噴淋防火林帶的初期建設(shè)費(fèi)用很高，約為營(yíng)造同規(guī)模生物防火林帶的三倍。但建成后即可投入使用，見(jiàn)效快，無(wú)需開(kāi)展撫育，因此其管護(hù)成本遠(yuǎn)比生物防火林帶少。在建設(shè)后第1～3 a，生物防火林帶管護(hù)費(fèi)用約為噴淋防火林帶的9.6倍。第4～10 a，該比例縮小至3倍。從10年總費(fèi)用看，噴淋防火林帶所需費(fèi)用62.4萬(wàn)元，是生物防火林帶的總費(fèi)用42.0萬(wàn)元的1.5倍。若單純從建設(shè)及管護(hù)費(fèi)用看，噴淋防火林帶略高于生物防火林帶。然而，從生態(tài)及社會(huì)效益看，由于噴淋防火林帶能自動(dòng)為建設(shè)區(qū)域內(nèi)的林分噴水，因此它不僅能提高植被含水率，提升森林整體防火性能，而且有利于促進(jìn)樹(shù)木生長(zhǎng)，提高生物多樣性，增強(qiáng)森林的防護(hù)功能。此外，生物防火林帶建設(shè)周期長(zhǎng)，在林帶建設(shè)初期，由于林帶高度小，無(wú)法馬上發(fā)揮防火作用，必須等到林分平均高達(dá)到一定高度后，才能發(fā)揮出相應(yīng)的防火效應(yīng)，因此存在一定的火災(zāi)隱患?？傮w而言，噴淋防火林帶早期建設(shè)總費(fèi)用遠(yuǎn)高于生物防火林帶，但隨著建設(shè)期限的延長(zhǎng)，兩者費(fèi)用差距逐漸縮小。如果考慮生態(tài)社會(huì)效益，噴淋防火林帶具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

4 討論

噴淋防火林帶是以水滅火技術(shù)的充分體現(xiàn)，其前提是必須有充足的水源才能發(fā)揮作用。200 m3高位消防水池只能滿足一組噴淋防火林帶一次工作的水量，即一個(gè)小時(shí)的噴淋水量，第二次噴淋動(dòng)作需要200 m3水池的二次補(bǔ)水，而給水池二次充滿水需一定的時(shí)間周期。一般而言，以溪流灌滿水池需24 h左右。若靠雨水補(bǔ)水，則必須等到自然降水，且雨量足夠大。為了應(yīng)對(duì)這種不利情況，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了高位消防水池備用補(bǔ)水方案，即通過(guò)消防車(chē)和高壓水泵向消防水池補(bǔ)水的技術(shù)方案。其先決條件是必須有道路可通往噴淋系統(tǒng)管道的水泵接合器處。因此，若條件允許，應(yīng)盡可能把噴淋管道和高位消防水池的水泵接合器設(shè)在消防車(chē)可達(dá)處。

鑒于噴淋防火林帶建設(shè)費(fèi)用較大，現(xiàn)階段大規(guī)模應(yīng)用于普通森林防火條件尚不成熟。建議可在森林生態(tài)旅游區(qū)和森林公園等人員密集地、游客疏散道路、消防人員防火通道、消防人員集結(jié)地、轉(zhuǎn)場(chǎng)地等重要區(qū)域局部采用。一組噴淋防火林帶費(fèi)用50～60萬(wàn)，一個(gè)森林公園設(shè)置4～5組噴淋防火林帶，總費(fèi)用約200～300萬(wàn)，這還是可以接受的。

針對(duì)噴淋防火林帶和生物防火林帶所進(jìn)行的比較，并非把兩種森林防火技術(shù)對(duì)立起來(lái)，而是了解其優(yōu)劣勢(shì)?？傮w而言，噴淋防火林帶綜合防火效果好，能改善林帶生長(zhǎng)環(huán)境，促進(jìn)林木生長(zhǎng)，不必投入大量的防火人員，在改善生態(tài)及社會(huì)效益方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，但也存在技術(shù)要求高，費(fèi)用較高等缺點(diǎn)。因此，只有采用將兩種防火技術(shù)結(jié)合起來(lái)使用，才能取得最佳防火效果。

噴淋防火林帶技術(shù)是“廣東省森林生態(tài)旅游區(qū)森林防火系統(tǒng)集成研究”關(guān)鍵技術(shù)之一。該技術(shù)包含下列兩項(xiàng)實(shí)用新型專(zhuān)利：《一種應(yīng)用于森林的帶噴淋系統(tǒng)的復(fù)合防火林帶》(專(zhuān)利號(hào)：ZL2015 2 0845494.3)和《一種用于森林地面徑流水源水質(zhì)優(yōu)化的處理系統(tǒng)》(專(zhuān)利號(hào)：ZL2015 2 0752014.9)?！吧稚鷳B(tài)旅游區(qū)噴淋防火林帶系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)”獲得了“廣東省科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)勵(lì)三等獎(jiǎng)”。噴淋防火林帶技術(shù)提供了一套可靠、安全、科學(xué)解決森林及游客安全問(wèn)題的森林防火滅火技術(shù)。這一技術(shù)的攻克，可調(diào)整森林滅火的戰(zhàn)略，避免森林滅火的人海戰(zhàn)術(shù)。采用這種技術(shù)，不僅可節(jié)省大量人力，而且可避免發(fā)生人員安全事故，實(shí)現(xiàn)在無(wú)人操作狀態(tài)下林火的自動(dòng)監(jiān)測(cè)與撲滅功能。因此，它是森林防火技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)，在廣東省及其他南方多雨省份都具有良好的推廣價(jià)值。