森林雷擊火發(fā)生規(guī)律研究*

馮俊偉，沈浩，梁棟

中山大學智能工程學院/廣東省消防科學技術重點實驗室，廣東廣州510006

雷擊是引起森林火災的重要起因，它作為天然火源，是一種難以控制的自然現(xiàn)象，并且形成機理復雜。另外，雷擊火通常發(fā)生在一些偏遠的深山密林，與人為火相比，雷擊火的預防與撲救難度要大，容易形成大面積的森林火災，危及生態(tài)環(huán)境和人類安全。我國的雷擊火在大興安嶺和新疆阿爾泰山最為嚴重，約占地區(qū)森林火災總數(shù)的38%和18%［1］。隨著全球氣候變暖，森林雷擊火也有增加的趨勢［2］。2019 年3 月30 日的木里森林雷擊火造成31 名消防員犧牲［3］。雷擊火在世界范圍內(nèi)也有分布，美國、加拿大、俄羅斯和芬蘭等國有嚴重的雷擊火［4-5］。1976-2001 年，雷擊火占加拿大安大略省森林火災總數(shù)的43%［6］；1980-2004年，雷擊火占美國阿拉斯加州森林火災總數(shù)的52%［7］。

雷擊火與地理因素有關，雷擊的位置對環(huán)境有選擇性。經(jīng)驗表明，沼澤地、草塘等是雷擊的高發(fā)區(qū)［1，8］，電阻率低的泥土容易被雷電擊中［9-10］。一些文獻研究了泥土中的水含量和無機鹽含量對電阻率的影響，其中研究較多的鹽是硫酸鈉和氯化鈉，普遍的規(guī)律是含水量和無機鹽含量的增加會使電阻率下降［11-13］。而植物灰燼的成分是炭和無機鹽，很少研究會考慮植物灰對泥土電阻率的影響，然而植物灰在人工燒除后的跡地中很常見，這些跡地對雷擊的選擇性將會有影響。另外，位于地表的可燃物也會影響雷擊位置。所以，我們有必要研究人工燒除跡地的雷擊選擇性。

雷擊火形成機理復雜，以往很多研究采用火災發(fā)生后的統(tǒng)計結果來發(fā)掘雷擊火的規(guī)律。彭歡采用Logistic 模型研究大興安嶺的雷擊火，并對模型參數(shù)進行了修正［14］。孫瑜采用Maxent 模型預測雷擊火火險，發(fā)現(xiàn)日降雨量、云地閃電數(shù)量及云地閃回擊電流強度是影響森林雷擊火發(fā)生的3個最重要因素［15］。郭福濤使用K-涵數(shù)對大興嶺地區(qū)雷擊火分布格局的研究中發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)雷擊火呈聚集分布并存在“熱點區(qū)域”［16］。高永剛等建立了大興安嶺地區(qū)雷擊火綜合指標模型，并將雷擊火險劃分為4 個預報等級［17］。國外學者也使用了大量歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析雷擊火規(guī)律，其中使用較多的是Logistic 模型。Hartford 使用Logistic 模型對雷擊火陰燃階段的概率進行了預測［18］。Nieto 等建立了西班牙地區(qū)的雷擊火Logistic 預測模型，發(fā)現(xiàn)雷暴次數(shù)是最顯著因子［19］。也有部分學者使用K-函數(shù)研究雷擊火規(guī)律，如Podur等使用K-函數(shù)分析加拿大安大略地區(qū)的雷擊火，發(fā)現(xiàn)：部分尺度的雷擊火呈聚集分布，這種分布與雷暴和干旱的關系明顯［20］。除此之外，也有學者通過人工模擬閃電來研究雷擊火。Latham 和朱易等均開展了人工模擬雷擊火的研究，他們通過改變?nèi)剂洗卜N類和含水率，得到不同可燃物在不同含水率下的雷擊著火概率模型［21-22］。Darveniza 使用沖擊電流發(fā)生器模擬雷擊火，發(fā)現(xiàn)沖擊電流不僅有加熱作用，還有很大的機械破壞效應［23］。綜上所述，通過雷擊火災發(fā)生后的結果總結得到的模型能較好地預測某一特定區(qū)域的規(guī)律，但它并不能觀察雷擊火發(fā)生的實時過程，從而很難解釋雷擊火的形成機理。而人工模擬閃電可以為研究雷擊火提供很大幫助，有助于觀察雷擊火形成過程和定量分析各影響因素，并且人工模擬閃電的實驗時間比長年累月的數(shù)據(jù)統(tǒng)計要短。但人工模擬雷擊火的規(guī)律具有一定局限性，它不能綜合考慮實際自然環(huán)境的各種因素，在應用時還需與實際情況相結合。

Fuquay 對蒙大拿地區(qū)發(fā)生的雷擊火進行了觀測研究。在對引起雷擊火的云地閃特征數(shù)據(jù)進行分析后，發(fā)現(xiàn)：這些云地閃放電過程中均伴隨長時間連續(xù)電流，這些長時間連續(xù)電流放電時間超過40 ms。此后，F(xiàn)uquay 等將LCC 作為能夠引發(fā)雷擊火云地閃的重要判定依據(jù)。這一理論得到大部分學者的認同，并應用于美國國家火險等級系統(tǒng)的雷擊火險預測模塊。此后，長時間持續(xù)電流成為雷擊火研究領域的重要研究對象［24］。Latham 和朱易等均開展的是長時間持續(xù)電流對可燃物的點火概率實驗。但是，根據(jù)SAE ARP 5412 2005 的標準，雷電實際電流波形是由沖擊電流波和長時間連續(xù)電流等組成的［25］，沖擊電流的峰值可以達到200 kA，但持續(xù)時間只有500 μs，而長時間連續(xù)電流的幅值在200 ～800 A，持續(xù)時間可達1 s。沖擊電流在整個電流中占的比例很大，需要充分考慮沖擊電流和長時間連續(xù)電流的共同作用。

本文將研究植物含灰率對泥土電阻率的影響，通過沖擊電壓發(fā)生器測量不同地表可燃物的擊穿電壓，進而探討人工燒除跡地后的雷擊選擇性。另外，通過沖擊電流發(fā)生器來模擬閃電點燃植物的過程，發(fā)現(xiàn)沖擊電流的點火規(guī)律。

1 實驗方法

1.1 材料制備

新疆額爾齊斯河和內(nèi)蒙古呼倫貝爾草原是中國雷擊火高發(fā)區(qū)。實驗所用的泥土采自新疆額爾齊斯河畔的一塊天然泥土地。經(jīng)考察，該泥土并沒有燒過的灰燼痕跡，實驗前去除泥土中的根須等雜質。所用針葉分別是新疆云杉針，西伯利亞松針和馬尾松針，采樣時從地表干枯針葉中選取。草樣和木料采自呼倫貝爾草原，分別是糙隱子草和樟子松木，采樣時從草原上采割新鮮的活糙隱子草，從活樹干上截取一部分樟子松樹枝。材料經(jīng)過105°C烘箱烘干后使用。

含植物灰的泥土制備方法：烘干的泥土通過研磨后，用50 目的濾篩過濾；把烘干的馬尾松針放入燃燒池燃燒后，獲得的灰燼研磨并通過50 目的濾篩過濾。最后把泥土，水和灰燼混合，通過改變加入的灰燼重量來制備不同含灰率的土樣。

1.2 實驗設備

采用沖擊電壓發(fā)生器測量地表可燃物的擊穿電壓，沖擊電壓發(fā)生器依據(jù)Marx 回路原理設計。Marx 回路原理簡單說就是利用電容器并聯(lián)充電，然后串聯(lián)放電而產(chǎn)生高壓，通過調節(jié)電阻、電容以及放電間隙等參數(shù)來調整輸出電壓的波形。沖擊電壓發(fā)生器廣泛地應用于雷電過電壓耐受性能試驗［26-27］。參照文獻測試絕緣油擊穿電壓所用的波形［28］，本實驗所用的沖擊電壓波形為1.2/50 μs。

泥土電阻率采用試樣盒測量，試樣盒用亞克力板制成，尺寸為10 cm×5 cm×1 cm，盒兩端接銅電極，最后電極處接上電阻表來測量泥土的電阻。泥土電阻率通過電阻率公式ρ=RS/L 計算。其中，ρ為電阻率，Ω·m；R 為電阻，Ω；S 為橫截面積，m2；L為長度，m。

雷擊著火模擬實驗在沖擊電流發(fā)生器上進行，如圖1 所示。它可以產(chǎn)生8/20 μs 沖擊電流波形，即波前時間8 μs，半波時間20 μs。最大電流峰值（Ip）達到100 kA。沖擊電流發(fā)生器是模擬產(chǎn)生沖擊大電流的實驗裝置，沖擊電流發(fā)生器同樣基于大容量電容器長時間充電，然后促發(fā)球隙擊穿，并聯(lián)的對待測試樣短時間放電，使得待測設備有沖擊大電流通過，產(chǎn)生電熱效應［29］。充電回路主要由高壓變壓器，整流硅堆，保護電阻，電容組成；放電回路由電容，球間隙，電阻和燃料床組成。當加載樣品后，由于樣品的電阻電感，實際的輸出波形會有一定變化。本實驗采用針-板放電結構，羅斯線圈測量流過可燃物的電流，分壓器測量可燃物兩端電壓，可燃物放置于板電極上，其結構如圖2所示。加載樣品后，測量得到的典型電壓電流曲線如圖3所示。部分文獻也采用沖擊電流發(fā)生器來模擬閃電對碳纖維復合板的破壞作用［30-31］。人工模擬閃電和自然雷擊必然有一定差別，人工閃電的結果并不能完全代表自然界閃電，但是通過人工閃電得到的結論具有一定的啟發(fā)意義。

圖1 沖擊電流發(fā)生器外觀圖Fig.1 Impulse current generator

圖2 雷擊點火裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of lightning ignition device

圖3 典型的電壓電流曲線Fig.3 The typical voltage and current curves

1.3 實驗步驟

測量不同地表可燃物的擊穿電壓步驟是：逐步升高沖擊電壓的峰值，直到電壓能擊穿地表可燃物為止，如果該電壓值能重復擊穿植被4次，則記錄該值作為擊穿電壓值。重復上述步驟4次，得到4 個擊穿電壓值，并對4 個值求平均和標準偏差。

測量土樣電阻率的步驟：把泥土樣本裝入試樣盒后，接上電阻表測量、重復測量，求取平均值和標準偏差。

測量可燃物的雷擊著火臨界電流的步驟是：保持沖擊電流波形為8/20 μs 不變，逐步升高沖擊電流的峰值，直到可燃物剛好能著火為止，記錄輸出的電流、電壓波形，此時的電流即為著火臨界電流。重復測量，求取平均值。

2 結果與分析

2.1 不同地表可燃物的擊穿電壓

地表可燃物是由可燃物和空氣組成的燃料床，是典型的兩相體。兩相體空間的電場分布情況非常復雜，非氣相物質顆粒的存在使得兩相體中的局部電場發(fā)生畸變，畸變程度與非氣相物質顆粒自身參數(shù)和分布情況相關［32］。可燃物和空氣在常壓下都是良好的絕緣體，當施加高壓電后，燃料床被擊穿，電流通過燃料床并加熱點燃可燃物。

實驗測量了森林地表三種常見松針燃料床的擊穿電壓值，結果如圖4 所示。在燃料床堆積密度、含水率和厚度相同情況下（燃料床的堆積密度為0.156 25 g/cm3，含水率0%，厚度1 mm），從平均擊穿電壓值的角度看，新疆云杉針燃料床比西伯利亞松針燃料床更容易擊穿，絕緣性稍差，但兩者差別不大，而馬尾松針燃料床在三者之中擊穿電壓最低，絕緣性最差。在自然界雷電高電壓下，由于地表可燃物燃料床的厚度占空中到地面的整個雷電通道的長度有限，因此燃料床類型的不同對雷擊選擇性影響可能有限。另外，空氣的擊穿電壓約為3 kV/mm，三種燃料床的擊穿電壓都要比空氣大，絕緣性能較空氣好。

2.2 含灰率對泥土電阻率的影響

圖4 三種松針燃料床的擊穿電壓值Fig.4 Breakdown voltage of three kinds of pine needle bed

泥土的含灰率與電阻率關系如圖5所示（土樣的堆積密度和含水率分別為1.2 g/cm3和33.3%）。對泥土含灰率與電阻率的關系進行擬合，得

其中ρ 為電阻率，Ω·m；φ 為含灰率，%。并求得R-Square=0.97。

影響土壤電阻率的因素很多，主要有三類：第一類是與土壤結構有關的因素，包含孔隙率、含水量和土壤結構；第二類是表征土壤顆粒特征的因素，包含土壤顆粒形狀與方位、土壤顆粒粒度分布、離子交換能力與潤濕性等；第三類是與土壤溶液有關的因素，它隨著土壤外界環(huán)境條件的變化而改變，主要有孔隙水電阻率、孔隙水中離子組成與外界溫度等。這三類因素對土壤電阻率的影響并不是獨立的，而是相互影響、相互作用的［33］。隨著泥土中含灰率的增加，電阻率減少。這是由于植物灰中含有大量碳，具有良好的導電性；另外植物灰中含有無機鹽，無機鹽溶解在土壤溶液中使離子濃度增加，進而減少泥土的電阻率。

可燃物是火災燃燒的物質基礎，枯死的雜草松針極易引起火災。計劃燒除方式可人為干預減少可燃物載量，改變可燃物立體結構，切斷可燃物的連續(xù)分布，達到預防、減少高強度火災的目的［34］。但由于雷擊通常會選擇電阻率低的泥土，所以經(jīng)過人工燒除后的跡地，會由于泥土中含有大量植物灰而更容易遭受雷擊。

圖5 含灰率與電阻率的關系Fig.5 Relationship between ash content and resistivity

2.3 模擬閃電下的雷擊著火

采用沖擊電流發(fā)生器可以模擬得到雷擊的可燃物著火過程。放電后可燃物的著火現(xiàn)象如圖6所示。沖擊電流放電時，產(chǎn)生強烈的白光和轟鳴?？扇嘉镌诮苟鸁岬募訜嶙饔孟卤稽c燃，產(chǎn)生火星、火苗。沖擊電流同時產(chǎn)生強烈的沖擊破壞效應，使著火的火星飛濺散開，部分火星在飛濺過程中與空氣換熱而熄滅，部分火星能夠維持一段時間的持續(xù)燃燒。放電結束后，用CO 濃度儀能夠檢測到CO，表明過程中存在不完全燃燒。熄滅的火星有部分未燃燒完全，形成黑炭，部分形成白色灰燼。Anderson認為長時間持續(xù)電流加熱可燃物至著火的判斷依據(jù)是：可燃物出現(xiàn)持續(xù)3 min 以上的陰燃［35］。該判斷依據(jù)是針對長時間持續(xù)電流的，對于沖擊電流引燃，由于沖擊波會破壞燃料床，使燃燒的火星飛濺脫離燃料床，很難達到持續(xù)3 min以上的燃燒。

圖6 沖擊電流作用下的可燃物著火現(xiàn)象Fig.6 Ignition phenomenon of combustible matter under the impulse current

自然界雷電放電時，由于樹木突出地表，更容易成為雷擊的目標。雷電在樹干上形成放電通道，同時產(chǎn)生熱效應和機械破壞效應。機械破壞效應是由于焦耳熱使樹木內(nèi)部水分受熱急劇氣化，封閉于樹體內(nèi)的氣體劇烈膨脹，致使內(nèi)外壓差逐步變大，進而在被擊物體內(nèi)部出現(xiàn)了強大的機械力，使樹木遭受破壞［36］。Taylor提出了雷擊引燃森林假設：雷電擊中并損壞針葉樹之后，就產(chǎn)生一種揮發(fā)性分離物和碎樹皮、木材、針葉碎屑的混合物，并使這種混合物點燃，產(chǎn)生一種熾烈的持續(xù)時間短的火球或火柱，而這種火球或火柱反過來又引燃樹頂上或者森林地面上那些細碎閃光的燃料。本實驗觀察到的現(xiàn)象與Taylor 的假設吻合。由于樹木含水率較高，且相比樹下的雜草、松針難燃，雷電擊中樹木后很難在樹上蔓延。雷擊產(chǎn)生的火星在噴濺過程中一部分在空氣中散熱熄滅，一部分能夠到達地表后持續(xù)燃燒，進而引燃地上雜草，在少雨干燥情況下，初始火苗容易存活下來，在條件合適后會轉化成火災。多數(shù)雷擊火引燃后會自然熄滅，少部分會引起陰燃，只有極少部 分（1/1 000～1/10 000 ） 會 最 終 形 成 森 林火災［37］。

呼倫貝爾草原雷擊火重點區(qū)域的主要植被類型是樟子松+糙隱子草。我們通過沖擊電流發(fā)生器，對比了樟子松木片和糙隱子草燃料床的雷擊臨界著火特性，如表1所示。

表1 樟子松木片和糙隱子草的雷擊臨界著火特性對比1）Table 1 Comparison of lightning critical ignition characteristics between Pinus sylvestris var. mongolica wood slices andCleistogenes squarrosa

3 結 論

本文首先研究了雷擊的位置選擇性，通過測量三種典型的地表可燃物的擊穿電壓，得到它們的擊穿電壓差異，其中馬尾松針燃料床的擊穿電壓最小，絕緣性能最差；通過測量不同含灰率的泥土電阻率，發(fā)現(xiàn)隨著含灰率增加，電阻率減少，人工燒除后的跡地更容易遭受雷擊。

其次，本文通過沖擊電流發(fā)生器產(chǎn)生了模擬閃電，沖擊電流不僅可以加熱可燃物至著火，同時也能產(chǎn)生巨大的機械破壞效應，使著火的可燃物飛濺甚至熄滅，這影響了初始火苗轉為森林火災的可能性。觀察得到的雷擊著火現(xiàn)象與文獻和自然界較吻合，進一步驗證了Taylor 的假設。另外，我們比較了典型植被結構中的樹木和草的臨界著火特性，發(fā)現(xiàn)該結構中草比木片更容易被雷電引燃。

通過沖擊電流發(fā)生器可以進一步探究雷擊火的著火機理，并可以進行定量比較不同含水量和堆積密度對可燃物著火的影響。本文將為以后開展雷擊火實驗提供一種方法借鑒。在將來的工作中，需要把可燃物雷擊臨界著火能量與自然界的雷擊著火實地數(shù)據(jù)進行對比，以更好地驗證人工模擬雷擊設備的正確性。