基于地形影響的廣西森林火災(zāi)水泵撲救方法研究?

王馨悅 衣佳佳

（國家林業(yè)和草原局產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃院，北京 100010）

廣西壯族自治區(qū)土地總面積2 372.56 hm2，其中林地面積1 481.67 hm2，森林覆蓋率62.5%，位于云貴高原西南緣、兩廣丘陵西、北部灣海域，位于中國第二梯級地形中。西北高，東南低，從西北到東南。山嶺連綿起伏，山巒起伏，分山地、平原、石山、丘陵、臺地、水面等6 個(gè)不同的區(qū)域。山區(qū)主要分布在800 m以上的中山，其次是400～800 m的低矮山區(qū)，面積約39.7%；在200～400 m的山地中，有10.3%的面積[1]。

通過對廣西森林防火工作的深入探討，可進(jìn)一步提升森林防火的應(yīng)急處理水平，為森林防火的快速救援提供有力的技術(shù)支持，同時(shí)也可提高全區(qū)的以水滅火水平，降低森林火災(zāi)對林區(qū)的危害，從而有效地保障林區(qū)的森林資源，保障區(qū)域的生態(tài)安全。

1 研究區(qū)域概況

1.1 森林火災(zāi)概況

據(jù)中國林業(yè)統(tǒng)計(jì)年鑒[2-6]統(tǒng)計(jì)顯示：2016—2020年，廣西全區(qū)共發(fā)生森林火災(zāi)2 214 起，其中一般火災(zāi)1 459 起、較大火災(zāi)755 起，年均森林火災(zāi)發(fā)生率12.46 次/10 萬hm2，無重特大火災(zāi)。累計(jì)火場面積18 026.5 hm2，受災(zāi)森林面積5 377.45 hm2，87 個(gè)森林面積超5 萬hm2的縣為森林火災(zāi)多發(fā)、頻發(fā)縣，火災(zāi)次數(shù)占年森林火災(zāi)總數(shù)的96%以上。森林火災(zāi)起數(shù)連續(xù)5 年排全國第一位。依據(jù)《全國森林防火規(guī)劃（2016—2025 年）》[7]，全區(qū) 111 個(gè)行政縣中有94 個(gè)列入全國森林火災(zāi)高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)行政縣，但各區(qū)、縣間的森林火災(zāi)防控能力不平衡。

1.2 人員隊(duì)伍概況

全區(qū)111 個(gè)行政縣、1 500 多個(gè)行政村、140 多個(gè)林場、20 多個(gè)國家級自然保護(hù)區(qū)，共有森林消防專業(yè)隊(duì)伍116 支，森林消防半專業(yè)隊(duì)伍1 500 多支，依托駐地部隊(duì)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)街道基層單位組建應(yīng)急森林消防隊(duì)伍100 多支，“八桂應(yīng)急救援志愿者隊(duì)伍”隊(duì)伍10 000 多支。森林消防隊(duì)伍有一定規(guī)模且日益壯大，但人員流動性大，整體水平不高，對科技含量較高的裝備接受能力有限。

1.3 滅火設(shè)備概況

全區(qū)應(yīng)急部門共有97 支專業(yè)森林消防隊(duì)伍、5 000 多名專業(yè)撲火隊(duì)員?；馂?zāi)撲救裝備有指揮車23臺、運(yùn)兵車86 臺、森林消防水車18 輛、撲火物資運(yùn)輸車4 輛、撲火摩托車68 臺、滅火水槍115 支、高壓細(xì)水霧滅火機(jī)108 臺、高壓接力水泵53 臺、水源泵13 臺、接力泵42 臺、移動水泵1 臺、分水器8 個(gè)。森林消防專業(yè)隊(duì)伍防護(hù)裝備不足。

1.4 全水資源概況

全區(qū)水資源總量為2 114.8億m2，其中地表水2 113.7億m3，地下水444.3億m3，地表水和地下水重復(fù)量1.09億m3；集體林區(qū)造林公路多，滿足小型消防車輛通行，為林區(qū)逐步實(shí)現(xiàn)以風(fēng)力為主向以水滅火提供有力支撐。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)及預(yù)處理

數(shù)據(jù)包括DEM，行政分區(qū)，氣候和統(tǒng)計(jì)資料。DEM資料由GIS云圖下載，廣西地區(qū)經(jīng)規(guī)劃矢量后獲得，由國家統(tǒng)計(jì)局的官方網(wǎng)站截獲氣象和統(tǒng)計(jì)資料，以中國森林資訊網(wǎng)為依據(jù)，以中國森林資訊網(wǎng)為基礎(chǔ)，對森林火災(zāi)的發(fā)生次數(shù)、面積、受害面積、人員傷亡和火災(zāi)種類進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，并對其進(jìn)行了相關(guān)分析，并對其特征及規(guī)律進(jìn)行了研究。

利用ArcGIS技術(shù)建立了洼地深度提取模型[8]，并利用該方法獲得了洼地的深度，并通過計(jì)算洼地的深度來確定相應(yīng)的閾值，以獲得無洼地的DEM數(shù)據(jù)資料。

通過對洼地填充、提取水流方向，可得到區(qū)域出水口最低高程數(shù)據(jù)，最終進(jìn)行柵格計(jì)算，得出取水口高程、洼地深度數(shù)據(jù)。

2.2 地形因子分析

坡度分析。坡度對森林的分布有一定的影響，進(jìn)而對森林火災(zāi)的強(qiáng)度有一定的影響。基于胡林的研究結(jié)果，采用ArcGIS進(jìn)行了坡度計(jì)算，從而確定了森林火災(zāi)危險(xiǎn)程度的級別[9]。

海拔分析。在某一高度的范圍內(nèi)，氣溫是隨海拔上升反而下降的，所以用海拔等級來反映森林火災(zāi)的危險(xiǎn)程度。利用胡林在北京市房山區(qū)森林火災(zāi)強(qiáng)度與海拔之間的關(guān)系，得出了森林火災(zāi)的強(qiáng)度[9]。

坡向分析。唐納德對坡向和森林火災(zāi)強(qiáng)度的關(guān)系進(jìn)行了分析[10]，結(jié)果表明：北，東，南，西，平地森林火災(zāi)的強(qiáng)度百分比分別是9%，18%，30%，18%，21%。

地形因子綜合分析。根據(jù)林火強(qiáng)度的影響，將坡度、坡向、高程的林火強(qiáng)度資料分別對應(yīng)于相應(yīng)等級、對應(yīng)區(qū)域后，再將這三個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行累加求和[11]，以此來確定不同烈度區(qū)域的隊(duì)伍數(shù)量，以及與林火強(qiáng)度對應(yīng)的裝備要求。

3 結(jié)果與分析

3.1 水泵設(shè)備參數(shù)

主要泵機(jī)參數(shù)見表1。泵機(jī)選型的四個(gè)重要因素：水泵自重，水源，流量，揚(yáng)程[12]。泵機(jī)作為提升液體，輸送液體或使液體增加壓力為用途[13]。按其工作原理，可將其分成3 類：容積泵、葉片泵以及其他類型泵。其中，容積泵又分為活塞泵、柱塞泵、隔膜泵、齒輪泵、滑板泵、螺桿泵等。葉片泵分為離心泵、混流泵、軸流泵、漩渦泵等。森林防火用水泵，主要是離心泵，柱塞泵、隔膜泵。離心泵靠葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的離心力來輸送液體，具備結(jié)構(gòu)簡單，流量大，脈動小等特點(diǎn)。柱塞泵跟隔膜泵都屬于容積泵，這兩種泵相較于離心泵，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，流量小，但揚(yáng)程高。在總體重量接近的情況下，離心泵流量最大，揚(yáng)程較小；柱塞泵跟隔膜泵揚(yáng)程較大，流量較小。

表1 主要泵機(jī)參數(shù)表Tab.1 Parameters of main pumps

3.2 地形劃分方案

利用地理信息系統(tǒng)的空間分析技術(shù)得到不同的高程區(qū)間，最終依據(jù)廣西地形地貌特征，將全自治區(qū)劃分為A、B、C三個(gè)火災(zāi)治理單元，A單元為高山地區(qū)，海拔800 m以上的中山，共48 個(gè)縣（市、區(qū)）。B單元為丘陵地區(qū)，海拔400～800 m的低山區(qū)，共34 個(gè)縣（市、區(qū)）。C單元為淺丘地區(qū)，海拔200～400 m的丘陵，包括除A、B單元之外的地區(qū)，共12 個(gè)縣（市、區(qū)）。

3.3 設(shè)備選型方案

本研究擬選取3種水泵，作為廣西地區(qū)的主戰(zhàn)、輔助水泵。

3.3.1 背負(fù)式森林消防高壓水泵

背負(fù)式森林消防高壓水泵是一種便于攜帶、使用和操作方便的滅火器。其用途廣泛，經(jīng)常被廣泛采用。可在森林火災(zāi)中進(jìn)行遠(yuǎn)程給水撲救。它是一種科學(xué)、機(jī)械化、智能化的森林火災(zāi)撲救設(shè)備。這個(gè)泵是用一個(gè)發(fā)動機(jī)一個(gè)高壓泵的，可多臺串聯(lián)使用，具有壓力高、流量大、耐腐蝕、冷啟動迅速、能長時(shí)間連續(xù)運(yùn)行等特點(diǎn)。為減少森林火災(zāi)的危害，保護(hù)人民生命財(cái)產(chǎn)的安全發(fā)揮了重要的作用。

可攜帶性參數(shù)：背負(fù)式森林消防高壓水泵整機(jī)質(zhì)量在15 kg左右，常規(guī)尺寸為600 mm×300 mm×300 mm左右。

啟動性能：主要的發(fā)動機(jī)類型有兩種：1）二沖程的混合燃料風(fēng)冷發(fā)動機(jī)；2）四沖程的強(qiáng)制風(fēng)冷發(fā)動機(jī)。

輸水性能：該設(shè)備專為森林消防設(shè)計(jì)，需要可允許通過顆粒大小基本為2 mm細(xì)小泥砂通過；設(shè)備利用全自動引水方式，吸水深度不小于7 m，引水時(shí)間小于20 s。適用于森林消防的產(chǎn)品最大揚(yáng)程一般不小于165 m，最大射程一般不小于20 m。

背負(fù)式森林消防高壓水泵應(yīng)具備主機(jī)重量輕、揚(yáng)程高、發(fā)動機(jī)功率大等特點(diǎn)，可隨身攜帶；水泵本體裝配在引擎上，其質(zhì)量不超過15 kg；最大流量不低于300 L/min；在不低于120 m揚(yáng)程下，泵的流量不低于90 L/min，地面輸送長度不低于1 km。

3.3.2 大型遠(yuǎn)程高壓森林消防泵

大型遠(yuǎn)程高壓森林消防泵屬于容積式水泵，噪音低、維護(hù)簡單，以大馬力四沖程汽油機(jī)為動力，通過天然水源或水罐車供水，單機(jī)揚(yáng)程大，可單機(jī)作業(yè)直接進(jìn)行火點(diǎn)消防撲救或與其他森防裝備互為補(bǔ)充，解決了遠(yuǎn)距離火場中，缺水、無水等問題，便于現(xiàn)場安全管理，有效地減少森林大火對森林大火的危害，減少森林大火的人員傷亡。

發(fā)動機(jī)性能：該類型產(chǎn)品發(fā)動機(jī)一般多采用四沖程強(qiáng)制風(fēng)冷發(fā)動機(jī)，發(fā)動機(jī)動力不少于13馬力。一鍵電啟動和手拉啟動為主要啟動方式。

水泵性能：水泵一般采用三缸柱塞液壓隔膜泵或柱塞泵，水泵最大流量一般不小于50 L/min。

輸水性能：該類產(chǎn)品最大揚(yáng)程一般不小于500 m，輸送距離超過3 000 m，吸水揚(yáng)程一般不小于6 m。

大型遠(yuǎn)程高壓森林消防泵應(yīng)具備穩(wěn)定性強(qiáng)，揚(yáng)程高的特性。該類產(chǎn)品重量一般在70 kg左右，可連續(xù)工作4 h以上。在森林消防領(lǐng)域既可以作為遠(yuǎn)程供水使用，也可以直接進(jìn)行高山滅火。泵體應(yīng)自吸水，無需輔助，操作簡單、便于移動，可快速到達(dá)現(xiàn)場。功率應(yīng)不低于0.73 kW，最大揚(yáng)程不小于500 m，水平輸送距離應(yīng)不小于5 000 m，重量不高于85 kg；吸程不低于6 m；流量不低于50 L/min。

3.3.3 小型遠(yuǎn)程高壓森林消防泵

小型遠(yuǎn)程高原森林消防泵功能與大型遠(yuǎn)程高壓森林消防泵類似，噪音低、維護(hù)簡單，一般以四沖程單杠汽油機(jī)為動力，通過天然水源或水罐車供水，單機(jī)揚(yáng)程低于大型遠(yuǎn)程高原森林消防泵，可單機(jī)作業(yè)直接進(jìn)行火點(diǎn)消防撲救，與其它的森防裝備互為補(bǔ)充，重量低于大型遠(yuǎn)程高原森林消防泵。

發(fā)動機(jī)性能：該類產(chǎn)品一般以四沖程汽油機(jī)為動力，一般不低于3馬力。過流部件采用氟橡膠、不銹鋼等防腐材料。由于隔膜泵工作時(shí)僅隔膜與介質(zhì)接觸，可應(yīng)用于含有細(xì)小砂礫的水源。

輸水性能：單機(jī)最大揚(yáng)程可達(dá)500 m，輸送距離達(dá)3 000 m，僅用一臺機(jī)器就能完成在約400～500 m的山嶺上進(jìn)行覆蓋。吸力可以達(dá)到7 m，有效距離可以達(dá)到20 m。

可應(yīng)用于含有細(xì)小砂礫的水源，并且工作平穩(wěn)，可以通過天然水源或水罐車供水，向山坡鋪設(shè)消防水帶至著火點(diǎn)直接進(jìn)行消防撲救，在發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速不變的情況下需保證水槍射程。最大流量不低于30 L/min；重量不高于40 kg；最大射程不低于15 m。

3.4 隊(duì)伍分類方案

按照《國家處置重、特大森林火災(zāi)應(yīng)急預(yù)案》《森林防火條例》《全國森林防火中長期發(fā)展規(guī)劃》[14]《全國森林火險(xiǎn)區(qū)劃等級》《中華人民共和國森林法》等法律法規(guī)和政策的規(guī)定，以裝備從簡、操作便利為前提，以基本單元為基數(shù)，滿足一線撲火、適當(dāng)儲備原則[15]。設(shè)備分配主要考慮兩個(gè)因素，一是地形環(huán)境因素[16]，二是目前消防隊(duì)伍人數(shù)?；趶V西的人員情況，按照最小滅火單元即小于35人三類隊(duì)伍為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)立基本單元分配方案。隨著隊(duì)伍級別和隊(duì)伍人數(shù)增加，按最小單元倍數(shù)發(fā)放設(shè)備。

一個(gè)基本單元設(shè)備包含：2套大型遠(yuǎn)程高壓森林消防泵（用1備1）+2套背負(fù)式便攜森林消防泵（作為備用接力泵）+1個(gè)移動水池+100盤高壓消防水帶+2個(gè)森林消防泵附件包套裝+51個(gè)背包（移動水池配1個(gè)，2條水帶配1個(gè)）。

根據(jù)目前各縣區(qū)消防隊(duì)伍人數(shù)分布情況統(tǒng)計(jì)，將項(xiàng)目實(shí)施區(qū)的消防隊(duì)分為三個(gè)類別。一類隊(duì)伍專業(yè)消防人員規(guī)模不少于70人/隊(duì)，共有5個(gè)縣（市、區(qū)），依人數(shù)分配2～3個(gè)基本單元滅火設(shè)備；二類隊(duì)伍專業(yè)消防人員規(guī)模為35～70人/隊(duì)，共有37個(gè)縣（市、區(qū)），依人數(shù)分配1-2個(gè)基本單元滅火設(shè)備；三類隊(duì)伍為專業(yè)消防人員規(guī)模小于35人/隊(duì)，共有48個(gè)縣（市、區(qū)），依人數(shù)分配1個(gè)基本單元滅火設(shè)備。

4 結(jié)語

在森林防火中，泵串聯(lián)以水滅火已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。高揚(yáng)程泵自身具備很強(qiáng)的滅火優(yōu)勢，在森林資源豐富、交通便攜、水源穩(wěn)定區(qū)域，可較大限度保證消防員安全，有效壓制火線，與背負(fù)式便攜泵搭配可達(dá)到較好以水滅火效果。高揚(yáng)程泵機(jī)在實(shí)戰(zhàn)時(shí)即可作為主站泵及水源泵，每個(gè)滅火單元至少配備2 臺（其中1 臺為備用），如泵機(jī)在管道鋪設(shè)完成后出現(xiàn)問題可及時(shí)替換。背負(fù)式便攜消防泵重量輕，便攜性更強(qiáng)，可作為水源泵、接力泵使用，是水泵滅火時(shí)的關(guān)鍵設(shè)備。在水管鋪設(shè)過程中會產(chǎn)生水損，這與作戰(zhàn)線路鋪設(shè)水帶的水平、豎向、平順等情況有關(guān)，長距離輸水可按沿程的5%～10%計(jì)算。在我國西南地區(qū)滅火機(jī)具的搭配應(yīng)結(jié)合地形數(shù)據(jù)、隊(duì)伍人員情況、主流設(shè)備參數(shù)作為設(shè)計(jì)依據(jù)，同時(shí)考慮到技術(shù)培訓(xùn)、售后保障，在設(shè)備參數(shù)較接近情況下應(yīng)盡量選取國產(chǎn)水泵。做好森林防火工作事關(guān)生態(tài)文明建設(shè)和人民群眾的生命安全，不斷探索研究切實(shí)可行的高山峽谷區(qū)滅火技戰(zhàn)法，提升整體以水滅火水平。