森林火災(zāi)中“爆燃”研究綜述

張文文，王秋華，徐偉恒，閆想想，龍騰騰，魏建珩，高仲亮

(1.西南林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院/云南省森林災(zāi)害預(yù)警與控制重點實驗室，云南 昆明 650224;2.西南林業(yè)大學(xué)大數(shù)據(jù)與智能工程學(xué)院/林業(yè)生態(tài)大數(shù)據(jù)國家林業(yè)與草原局重點實驗室,云南 昆明 650224)

盡管氣候變化，尤其全球變暖明顯，但退耕還林、天然林保護(hù)工程等已見成效，森林可燃物載量持續(xù)增加，加之西南林區(qū)特殊地形地貌、氣象和火源特征等因素，極易發(fā)生極端火行為[1]。其中，爆燃現(xiàn)象危害嚴(yán)重。涼山州木里縣2019年“3·30”森林火災(zāi)，撲火人員在轉(zhuǎn)場途中突遇林火爆燃，遇難30人[2]。1987年大興安嶺林區(qū)“5·6”特大森林火災(zāi)也曾有爆炸式燃燒現(xiàn)象發(fā)生[3]。2010年，四川省道孚縣山地灌叢草原大火也是典型的爆燃火，造成正在處理余火的22名撲救隊員遇難。西班牙ADAI消防實驗室研究人員認(rèn)為爆燃行為是峽谷地區(qū)林地火災(zāi)的典型特征[4]。林火爆燃通常指爆炸性或噴發(fā)性火災(zāi)[5]。舒立福[6]認(rèn)為山火在蔓延過程中遇到復(fù)雜地形、豐富可燃物或大風(fēng)充分供氧條件下，可能會產(chǎn)生爆燃火。楊光[7]認(rèn)為爆燃是火燃燒過程中的特殊形式，即其林火行為由常態(tài)向極端發(fā)展變化需要一定的時間。張志強[5]認(rèn)為爆燃發(fā)生在火災(zāi)熄滅階段(陰燃階段)，此時如遇流動空氣，峽谷地形可能會發(fā)生爆燃火。Viegas[8]等在實驗尺度上證實了火勢在開放峽谷中的蔓延十分迅速，認(rèn)為是爆發(fā)性的。在森林大火中，爆燃火雖然比例非常小，但其火行為表現(xiàn)極其狂烈，破壞性極大、損失嚴(yán)重、救助極為困難。此外，林火爆燃涉及植被、燃燒學(xué)、氣象學(xué)等諸多理論，不確定性多，不易展開模擬實驗?，F(xiàn)階段，在世界范圍內(nèi)，對于爆燃這樣大尺度極端火現(xiàn)象的研究投入還不夠，其形成機理、蔓延過程等研究鮮見，預(yù)防與撲滅問題尚在攻關(guān)。

1 “爆燃”火行為規(guī)律特征

1.1 以動力燃燒為主兼容擴散燃燒，煙霧濃度高

爆燃指火災(zāi)在蔓延過程中，爆炸式的、以動力燃燒為主兼容擴散燃燒的燃燒現(xiàn)象。固體可燃物的擴散燃燒反應(yīng)機制與常規(guī)林火相同，整個反應(yīng)速度受燃料分子與氧化劑分子間的擴散速度所限，缺氧情況下的燃燒會產(chǎn)生大量可燃?xì)怏w。在爆燃火觸發(fā)的瞬間，動力燃燒占據(jù)主導(dǎo)地位，整個反應(yīng)速度受爆燃過程中所產(chǎn)生的高溫和氣流驅(qū)動固體可燃物的擴散速度限制。在爆燃火形成后，火區(qū)處于高溫缺氧狀態(tài)，產(chǎn)生大量CO氣體，這些氣體在運動過程中與空氣相遇，變?yōu)榉蔷|(zhì)混合氣體，可使處于動力燃燒的非均質(zhì)混合氣體得到補充，因而會出現(xiàn)動力燃燒與擴散燃燒的互促現(xiàn)象。但由于動力燃燒反應(yīng)速度極快，當(dāng)主要的可燃混合氣供應(yīng)不足時，爆燃現(xiàn)象就會消失，所以動力燃燒與擴散燃燒不會長期出現(xiàn)共促現(xiàn)象。

林火發(fā)生爆燃時會出現(xiàn)多股煙霧(煙粒和霧滴)，其主要是由燃燒產(chǎn)生的固體微粒炭、微小液滴和氣體(蒸氣)的混合物，此外還夾有森林可燃物的小碎片。爆燃瞬間，熱氣團(tuán)克服表面吸引力，進(jìn)而破裂，其產(chǎn)生的巨大能量將大顆粒碳塊被粉碎并卷入上空。從傳質(zhì)角度來看，爆燃過程中發(fā)生對流傳質(zhì)與擴散傳質(zhì)，氣體質(zhì)點在熱對流條件下不斷運動、混合，將煙霧由地面帶到高空，并隨著氣流擴散，這使得煙霧濃度高且范圍大。傳質(zhì)時的復(fù)雜流動形成了一個強烈擾動帶和混合區(qū)，使得對其動力學(xué)的行為無法進(jìn)行定量描述[9]。

1.2 熱交換能量高，具有突發(fā)性和偶然性

森林火災(zāi)的一個重要特征就是產(chǎn)生大量的熱，森林火災(zāi)爆燃瞬間溫度可達(dá) 1 000℃以上發(fā)生?；馂?zāi)發(fā)生時，火區(qū)煙流主要以對流柱、飛火、火星雨、火旋風(fēng)等形式在可燃物附近和燃燒區(qū)域以外進(jìn)行著熱量的傳遞與交換。爆燃火的發(fā)生主要以不同尺度的可燃非均質(zhì)混合氣體燃燒為主，熱交換形式具有隨機性，與混合氣團(tuán)的容積尺度等特征有關(guān)。爆燃火進(jìn)行熱交換時能量巨大。

爆燃火的動力燃燒現(xiàn)象決定了其突發(fā)性。動力燃燒狀態(tài)下，爆燃火發(fā)展迅速并釋放大量能量，所以在宏觀上爆燃火是突發(fā)的。從爆燃火的形成過程來看，在爆燃火發(fā)生前出現(xiàn)了缺氧燃燒并產(chǎn)生了大量可燃混合氣體，只有這些混合氣體的數(shù)量和濃度達(dá)到可燃下限，火場的高溫或火源引燃可燃?xì)鈭F(tuán)時才會發(fā)生爆燃火。從火災(zāi)發(fā)生條件來看，爆燃火的形成因素不是單一的，需要特殊的可燃物、極端天氣、復(fù)雜地形條件等因素的綜合作用。所以爆燃火的發(fā)生具有偶然性。

1.3 燃燒強度大且蔓延速度快

林火爆燃行為是一個自激過程，爆燃火本身引起的對流會對燃燒區(qū)產(chǎn)生反饋，從而改變其特性，火災(zāi)蔓延急劇增加，導(dǎo)致火災(zāi)失控[8]。爆燃火可能發(fā)生在陡坡和峽谷中，風(fēng)因子對爆燃火也有影響。受地形加速、環(huán)境風(fēng)加速效應(yīng)，爆燃火燃燒強度大、蔓延速度高。Coen[10]等將數(shù)值天氣預(yù)報模型與火災(zāi)行為模塊雙向耦合，模型(CAWFE)驗證了大氣條件、燃料特性和地形坡度決定了火災(zāi)蔓延速度和方向，火釋放的熱量反過來影響附近的風(fēng)，特別是產(chǎn)生火風(fēng)。大氣的不穩(wěn)定性也會對風(fēng)場分布產(chǎn)生重大影響，從而影響到燃燒速度，此外，大氣的不穩(wěn)定程度有助于對流柱的發(fā)展，增進(jìn)了火燒強度[11]。

Clark[12]等在研究火災(zāi)與大氣的相互作用過程中，耦合分析了Clark-Hall大氣預(yù)測模型與火災(zāi)燃燒模型，表明火災(zāi)釋放的熱量與氣體進(jìn)入大氣，引起火場區(qū)域空氣強烈流動，空氣的流動反過來進(jìn)一步影響火災(zāi)的蔓延速率和方向。高坡度地形下火焰兩側(cè)氣流不均勻，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上坡面對流傳熱，提升林火蔓延速度，火頭沖擊式快速向前蔓延，其蔓延速度大大超過了常規(guī)林火蔓延[13]。

2 “爆燃”形成機制

可燃物、火源、氣象構(gòu)成森林燃燒三要素。爆燃火的形成非常復(fù)雜，關(guān)聯(lián)于森林有效可燃物、干旱條件、風(fēng)速和大氣的不穩(wěn)定性等[14]。爆燃主要取決4個條件的“串聯(lián)”作用。有效可燃物對于火行為是一個關(guān)鍵因子，發(fā)生森林爆燃火必須積累足夠的有效可燃物，且可燃物含水率低、易燃燒。有效可燃物增加對火強度的影響常常增長很快，其原因之一就是對流交換的能量所致[25]。地形地勢是間接的生態(tài)因子，在陡坡、窄谷、窄山脊線、葫蘆峪、鞍部或破碎地形處的林火會受到地形影響，產(chǎn)生氣流變化，熱分解產(chǎn)生大量高濃度可燃?xì)怏w，突遇大風(fēng)補充大量氧氣便產(chǎn)生爆燃(圖1)。

圖1 林火爆燃的驅(qū)動因素

2.1 氣體燃燒

爆燃火的實質(zhì)就是非均質(zhì)混合氣體燃燒，屬于一種化學(xué)爆炸行為[16]。在炎熱的天氣下，在夏天或火災(zāi)來臨時，植物會釋放出揮發(fā)性有機化合物，溫度越高，揮發(fā)性有機化合物的排放量就越大。在特定的條件下(主要是地形、氣象和大氣)，可燃?xì)怏w在適當(dāng)區(qū)域聚集，因此，非均質(zhì)混合氣體的濃度可能會達(dá)到爆炸下限，在與火接觸時觸發(fā)爆燃?；诨馂?zāi)本身產(chǎn)生的對流，當(dāng)火勢在斜坡上蔓延時會產(chǎn)生吸入現(xiàn)象，為火勢提供氧氣?；鹧嬖絻A斜，速度越快，需要更多的氧氣，從而誘導(dǎo)流動[17]。此外，林火通過輻射或?qū)α飨蚋硨舆M(jìn)行熱傳遞，加熱過程中腐殖質(zhì)層會產(chǎn)生氫、一氧化碳、甲醇以及甲烷等低級烴及其含氧衍生物等氣體和蒸汽，風(fēng)帶來熱浪，可燃物達(dá)到一定燃點時也會發(fā)生爆炸。

2.2 爆發(fā)性

火焰在峽谷內(nèi)的傳播可能具有爆發(fā)性的火災(zāi)行為。當(dāng)火焰鋒面相當(dāng)快地到達(dá)峽谷內(nèi)，火點在厚的可燃物內(nèi)部逐漸侵燃，消耗大量的氧氣，使得火點附近氧含量降低，不完全燃燒產(chǎn)生大量的CO和揮發(fā)性物質(zhì)。Viegas[18]等構(gòu)建了一個描述火鋒與周圍空氣對流相互作用的理論模型，用以解釋林火爆燃現(xiàn)象。Chetehouna[19]等基于熱化學(xué)假說，通過峽谷中積累的迷迭香屬植物生物揮發(fā)性有機化合物加熱，用經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式計算了這些組分的理論可燃極限，結(jié)果表明，排放的生物揮發(fā)性有機物可導(dǎo)致森林火災(zāi)加速。在復(fù)雜地形影響下，可燃?xì)怏w被不斷積累。當(dāng)火區(qū)氧氣含量突然升高，燃燒狀態(tài)由擴散燃燒轉(zhuǎn)變?yōu)閯恿θ紵?，可燃物燃燒更加劇烈，燃燒產(chǎn)生大量的熱和氣態(tài)物質(zhì)，達(dá)到爆炸濃度下限，瞬間形成破壞性極大的爆燃[20]。

2.3 要素耦合

爆燃火耦合包括：(1)氣體對流作用，兩火線相互吸引，形成對流傳熱，火羽流引起的火災(zāi)(Plume-driven fires)是最危險和最不可預(yù)測的火災(zāi)類型，由火災(zāi)產(chǎn)生的對流驅(qū)動，對流上升，在地表產(chǎn)生氣流，可能導(dǎo)致大規(guī)模的定點和迅速且不穩(wěn)定的火災(zāi)蔓延[21]。(2)在山谷中的原始森林，枯枝落葉常年積累，地表可燃物復(fù)雜，同時受持續(xù)高溫、干旱影響，山地中可燃物的結(jié)構(gòu)、組成、分布均發(fā)生了變化。(3)高山峽谷地帶地形復(fù)雜，火的傳播與地形風(fēng)以及在白天和晚上發(fā)生在斜坡內(nèi)的不同的熱降溫作用相結(jié)合，火災(zāi)跟隨盛行風(fēng)的方向，并于山區(qū)山脊方向相互作用，風(fēng)力驅(qū)動的火災(zāi)會在高強度下燃燒，因為增加了通氣(強制對流)，火災(zāi)會迅速傳播。(4)大氣的不穩(wěn)定性常常伴隨著熱湍流，可引起極端火行為。冷鋒過境是造成大氣不穩(wěn)定的一個重要因素。

3 森林火災(zāi)中“爆燃”應(yīng)對策略

3.1 加強預(yù)警監(jiān)測

充分利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等現(xiàn)代化技術(shù)手段，科學(xué)預(yù)測森林火險等級，實現(xiàn)森林火災(zāi)立體化監(jiān)測。利用PID影響事件演算技術(shù)設(shè)計基于數(shù)學(xué)公式的相應(yīng)溫度等級的序列報警生成系統(tǒng)，對森林火災(zāi)發(fā)生溫度的判別進(jìn)行分析，幫助管理人員監(jiān)測火災(zāi)發(fā)生情況，特別是在敏感的森林地區(qū)，如灌木叢、草地等[22]。對于模塊化結(jié)構(gòu)的森林火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)，可根據(jù)火災(zāi)嚴(yán)重程度設(shè)置由低到高的報警模式，其中感知模塊對煙氣、溫度、光等快速傳感器進(jìn)行綜合監(jiān)控，有效提高報警成功率[23]。基于開放式WebGIS標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)化系統(tǒng)，通過FireGIS系統(tǒng)集成，對火災(zāi)前、火災(zāi)和火災(zāi)后活動非常重要的詳細(xì)區(qū)域地圖繪制，適用于各種森林火災(zāi)活動并且可以在微位置尺度(特定地點)上動態(tài)預(yù)測森林火災(zāi)風(fēng)險指數(shù)[24]。

建設(shè)綜合森林防火信息網(wǎng)，大幅提升森林防火信息感知、信息傳輸、信息處理和信息應(yīng)用4種能力，實現(xiàn)森林防火應(yīng)用數(shù)據(jù)互聯(lián)互通、共享共用，實現(xiàn)國家、省、市、縣各級指揮中心信息聯(lián)通[21]。及時發(fā)布預(yù)警信息，采取超常規(guī)思路，提前防范部署，確?；鹎樵绨l(fā)現(xiàn)、早處置[25]?；谌S技術(shù)構(gòu)建真實的三維場景，實現(xiàn)信息一體化[26]。

3.2 建設(shè)防火工程

從防范體系到應(yīng)急機制，建立森林防火立體防護(hù)網(wǎng)[27]。運用自然資源和人工設(shè)施建設(shè)立體防護(hù)網(wǎng)，合理利用森林周圍的景觀廊道，將林區(qū)優(yōu)勢充分體現(xiàn)出來，提高森林防火能力[28]。結(jié)合林區(qū)優(yōu)勢，構(gòu)建封閉式林火阻隔網(wǎng)，加強防火阻隔帶的維護(hù)和建設(shè)，可以更好地減弱火勢，切斷火源，降低爆燃火產(chǎn)生概率[29]。

綠色防火帶是控制火災(zāi)的基礎(chǔ)設(shè)施且在阻斷火焰輻射和外部火源、保護(hù)當(dāng)?shù)厮?、維護(hù)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)等方面具有明顯的優(yōu)勢。生物防火林帶具有降低氣溫、提高空氣相對濕度的作用[30]，通過降低火災(zāi)強度、降低火災(zāi)蔓延過程中的傳熱效率，最終導(dǎo)致火災(zāi)蔓延終止，進(jìn)而切斷爆燃火形成的有利條件[31]。

3.3 提高管理效率

未來的森林火災(zāi)態(tài)勢更為嚴(yán)峻，必須充分發(fā)揮中國特色應(yīng)急管理體制優(yōu)勢，堅持預(yù)防為主、防滅結(jié)合、高效撲救的方針，明確應(yīng)急管理和林草部門職責(zé)分工，形成強大合力，把制度優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為森林與草原火災(zāi)治理效能[32-33]。西南地區(qū)是少數(shù)民族聚居區(qū)，有彝族、藏族、納西族等多個世居少數(shù)民族[34]，他們有自己的火文化和用火習(xí)慣，需要重視森林火源管理，不得攜帶火種進(jìn)入森林，還需要對村民進(jìn)行火災(zāi)防范教育，宣傳森林防火工作要點。

可燃物管理的主要目標(biāo)是減少可燃物的火行為和火效應(yīng)[35]。在制定可燃物管理策略時，要充分考慮可燃物類型之間相互作用及其在不同類型火情中的火行為差異，建立全國可燃物分類標(biāo)準(zhǔn)和體系，制作全國火險區(qū)劃[36-37]。Costa[38]等率先提出了根據(jù)火災(zāi)類型管理野火的概念。綜合考慮地區(qū)所有因素(火歷史、入侵植物、受威脅和瀕危物種、人類發(fā)展、文化遺址等)，允許以火防火，充分發(fā)揮火的生態(tài)價值，讓火重新進(jìn)入生態(tài)系統(tǒng)[39-40]。面對爆燃火這種超出可控火范圍的極端火，需對撲救策略進(jìn)行修訂，改變撲救戰(zhàn)術(shù)，制定全面的林火行政管理科學(xué)構(gòu)架[41]。

3.4 保證人員安全

近年來，爆燃火事件的發(fā)生率不斷上升，人員安全威脅越來越大，必須為消防人員制定具體的消防安全程序并開發(fā)新防護(hù)裝備以免遭爆燃火傷害[42]。Ustinov[43]等提出“水玻璃-石墨微?！睆?fù)合材料的組成及生產(chǎn)工藝，研究了防火復(fù)合材料在被保護(hù)表面上的應(yīng)用方法。Viegas[44]等認(rèn)為利用防火玻璃纖維織物和外部鋁層反射入射輻射熱并結(jié)合灑水系統(tǒng)，在一定程度上可緊急保護(hù)消防員的安全。張廣駿[46]等認(rèn)為應(yīng)用Repast S進(jìn)行復(fù)雜系統(tǒng)知識融合的建模，可使得樹木、林火、消防員三者在二緯林地網(wǎng)格(grid)空間中交互，保障人員安全。

撲滅森林大火是一個立體化的協(xié)作過程(圖2)。撲火人員應(yīng)做好應(yīng)急防護(hù)工作，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，減少撲火人員與火直接接觸，避免人員傷亡。撲火前勘察火場，全面掌握火場周圍地形、撲火時天氣、當(dāng)?shù)刂脖坏葪l件。預(yù)先設(shè)定安全區(qū)，嚴(yán)密關(guān)注火場情況[46]。建立基于火行為模型的區(qū)域聯(lián)防撲救指揮系統(tǒng)，形成專業(yè)化的林火撲救指揮體系。

圖2 4個層面的爆燃應(yīng)對策略

4 研究展望

近年來，爆燃火研究已從外觀現(xiàn)象的描述逐步向引起爆燃火發(fā)生的可燃物、地形和天氣條件等因素發(fā)展，并且取得了一定進(jìn)展。但爆燃火研究仍是國內(nèi)外研究難點和重點之一，如何對爆燃火發(fā)生發(fā)展進(jìn)行實驗?zāi)M，揭示林火爆燃機理，如何結(jié)合火環(huán)境的實際狀況對爆燃火進(jìn)行預(yù)報，以及在撲救過程中如何對爆燃火進(jìn)行安全防范，尚需進(jìn)一步研究。由于涉及的物理化學(xué)因素多，變量之間的顯著的非線性關(guān)系，使得野火的蔓延和行為成為一個復(fù)雜現(xiàn)象，精確的火災(zāi)行為模擬至關(guān)重要[47]。

對現(xiàn)有記錄的林火爆燃行為進(jìn)行詳細(xì)分析并形成綜合技術(shù)報告。從國際經(jīng)驗來看，每次大火發(fā)生，研究人員可獲許第一時間進(jìn)入火場做調(diào)查分析，由研究人員和消防人員共同完成最終調(diào)查報告。這能獲得詳盡的火災(zāi)報告和統(tǒng)計分析資料，對于研究極端火發(fā)展與環(huán)境影響有特殊價值。國內(nèi)研究常通過火燒跡地調(diào)查、室內(nèi)分析、燃燒實驗，基于火燒跡地實測數(shù)據(jù)，結(jié)合火場環(huán)境特征，通過對典型林分可燃物理化性質(zhì)、熱解特征、煙氣特征和揮發(fā)性代謝產(chǎn)物特征等的測定，總結(jié)易發(fā)生爆燃火的火環(huán)境，分析森林爆燃火發(fā)生機制。

防滅火單位應(yīng)進(jìn)一步加大對爆燃火方面的科研投入，從基礎(chǔ)性和應(yīng)用性兩方面提升對爆燃火的認(rèn)知水平；研發(fā)森林爆燃火滅火設(shè)備，提高消防員輔助設(shè)備進(jìn)行火災(zāi)系統(tǒng)的能量分析，從能量分析中獲取轉(zhuǎn)變條件；從氣象、植被、熱力學(xué)和空氣動力學(xué)等方面對爆燃火進(jìn)行分析，采用幾種火災(zāi)傳播模擬模型，更好地了解爆燃機制[48]；利用高空間分辨率多光譜數(shù)據(jù)與激光雷達(dá)(LIDAR)數(shù)據(jù)，不斷提升森林可燃物類型分類和制圖的精確度，提高林火蔓延速率及火行為預(yù)測準(zhǔn)確度[49-50]。