我國(guó)森林-城鎮(zhèn)交界域防火方法及啟示

蘇金元 許子辰

摘要：近年來(lái)，森林-城鎮(zhèn)交界域內(nèi)人類活動(dòng)增多，火災(zāi)危險(xiǎn)性也逐年上升。立足于我國(guó)國(guó)情，結(jié)合近年發(fā)生的交界域火災(zāi)案例，參考國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、地方標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)規(guī)范，并基于輻射引燃模型計(jì)算公式使用美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）開(kāi)發(fā)出的火災(zāi)動(dòng)力學(xué)模擬軟件（FDS）對(duì)森林-城鎮(zhèn)交界域火災(zāi)進(jìn)行模擬，據(jù)此劃定交界域內(nèi)主要房屋的防火區(qū)域，并以此為依據(jù)對(duì)我國(guó)森林-城鎮(zhèn)交界域防火現(xiàn)狀進(jìn)行分析，總結(jié)了防火隔離帶建設(shè)的重要意義。

關(guān)鍵詞：森林防火；森林-城鎮(zhèn)交界域；防火隔離帶

隨著城郊地區(qū)的人口增長(zhǎng)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、旅游開(kāi)發(fā)和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)水平逐年提高，該區(qū)域的人類活動(dòng)頻率日益增加。這類區(qū)域往往具有建筑與植被混合分布的特點(diǎn)，被稱為森林-城鎮(zhèn)交界域（Wildland–Urban interface， WUI），該區(qū)域群眾的生產(chǎn)生活、上墳祭祀和游玩野營(yíng)等活動(dòng)帶來(lái)了火災(zāi)安全隱患。由于近年來(lái)森林-城鎮(zhèn)交界域火災(zāi)時(shí)有發(fā)生，給人民群眾生命財(cái)產(chǎn)和國(guó)家資源財(cái)產(chǎn)安全及生態(tài)環(huán)境造成了較大威脅，因此，該區(qū)域的火災(zāi)安全管理備受地方政府的關(guān)注，同時(shí)也應(yīng)當(dāng)在管理決策等層面吸納國(guó)家綜合性消防救援隊(duì)伍的骨干專家作為顧問(wèn)，以便在規(guī)劃之初即充分考慮交界域防火事宜。

1 森林-城鎮(zhèn)交界域的定義

森林-城鎮(zhèn)交界域是指人類及其發(fā)展用地與荒地燃料相遇或混合的區(qū)域[1]，美國(guó)林業(yè)局（USDA）及內(nèi)政部（USDI）將森林-城鎮(zhèn)交界域主要分為兩類：混合（Intermix WUI）和交匯（Interface WUI）區(qū)域（見(jiàn)圖1）。基于住宅密度，森林-城鎮(zhèn)交界域必須滿足每平方千米至少有6.17個(gè)住房單元。其中混合型交界域是指超過(guò)閾值每平方千米6.17個(gè)住房單元，且以荒地植被為主（植被覆蓋率＞50%）的區(qū)域。交匯型交界域是指直接毗鄰荒地，發(fā)展地區(qū)與相鄰荒地之間有明確界限，植被覆蓋率＜40%的區(qū)域；同時(shí)也包括該區(qū)域2.4km內(nèi)的社區(qū)。

對(duì)于我國(guó)而言，這種將森林-城鎮(zhèn)交界域區(qū)分為交匯型交界域和混合型交界域的方法同樣適用。一般來(lái)說(shuō)，常見(jiàn)的村莊、位于郊區(qū)的工業(yè)基地、倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)施、高校及研究機(jī)構(gòu)都屬于交匯型交界域的范疇。它們大多同荒地或林地有明顯的分界線?；旌闲徒唤缬蛟谖覈?guó)比較少見(jiàn)?；痉植加陂_(kāi)發(fā)后的旅游風(fēng)景區(qū)、城市森林公園等。

2 森林-城鎮(zhèn)交界域火災(zāi)模型分析

森林-城鎮(zhèn)交界域的火災(zāi)發(fā)展通常可分為以下階段：首先是火源的出現(xiàn)階段，稱為一次引燃，一般形成于草地或林地之中。之后是火災(zāi)的初發(fā)期，這是火災(zāi)發(fā)展的關(guān)鍵階段，也是進(jìn)行撲救的最佳時(shí)期，此時(shí)火災(zāi)的形態(tài)一般為中低強(qiáng)度地表火，出現(xiàn)于院落、草坪、農(nóng)田等區(qū)域。若是未在火災(zāi)初發(fā)期撲滅，則會(huì)通過(guò)二次引燃的形式發(fā)展為森林火災(zāi)、城市建筑火災(zāi)、工業(yè)火災(zāi)等大型火災(zāi)。最后通過(guò)人為干預(yù)、自然降雨等過(guò)程，火災(zāi)將進(jìn)入熄滅期，火災(zāi)將轉(zhuǎn)為陰燃、地下火等形式，此時(shí)需要消防人員對(duì)火災(zāi)區(qū)域進(jìn)行細(xì)致檢查，確保不會(huì)出現(xiàn)復(fù)燃的情況。

建立火災(zāi)蔓延過(guò)程的模型可以幫助我們更好地認(rèn)識(shí)森林-城鎮(zhèn)交界域火災(zāi)的發(fā)展趨勢(shì)?；馂?zāi)蔓延模型可以對(duì)不同類型的可燃物、多種天氣情況、復(fù)雜地形下的火行為進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)警，為森林-城鎮(zhèn)交界域火災(zāi)的預(yù)防和災(zāi)后修復(fù)提供參考。

出于對(duì)森林-城鎮(zhèn)交界域火災(zāi)進(jìn)行研究預(yù)防的目的，各國(guó)研究人員建立了很多林火（Wild Fire）燃燒模型，包括FARSITE和BehavePlus模型，以上模型的支撐依據(jù)大多為現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和研究人員確立的經(jīng)驗(yàn)性公式。SunR等[2]開(kāi)發(fā)的模型側(cè)重點(diǎn)則在大尺度大氣物理上，對(duì)燃燒過(guò)程關(guān)注較少，事實(shí)上這類基于大尺度研究的模型相比僅對(duì)火行為進(jìn)行研究的模型更加貼近災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況。

輻射引燃模型是對(duì)火災(zāi)引燃距離進(jìn)行預(yù)測(cè)的關(guān)鍵模型。以森林-城鎮(zhèn)交界域的常見(jiàn)綠化樹(shù)木黑松（松科松屬，常綠喬木，在山東、江蘇及浙江沿海地區(qū)用作造林樹(shù)種[3]）的燃燒為例，將火焰近似看作一個(gè)溫度為1200K且發(fā)射率為1的矩形黑體，將火焰和墻體都簡(jiǎn)化視作豎直平面。此時(shí)就可以計(jì)算輻射熱流量最大位置即墻體中心的輻射熱通量。墻體單位面積所受熱輻射可以表示為：

（1）

式中：——輻射熱通量，kW/m2；

Ft，w——火焰到墻體的視角系數(shù)；

ε——火焰灰度；

σ——玻爾茲曼常數(shù)，kW/（m2·K4）；

Tf——火焰溫度，K。

在得出輻射熱通量后，比較其與建筑物引燃所需的最小熱通量即可得出是否引燃的結(jié)論，如下式所示：

（2）

式中：——引燃所需最小熱通量，13.1kW/m2；

；

t0——輻射開(kāi)始的時(shí)間；

tf——輻射結(jié)束的時(shí)間；

FTPig——引燃最低FTP，此處取值為11501。

使用火災(zāi)動(dòng)力學(xué)模擬軟件FDS6.7.9基于上述公式模擬較高可燃物載量黑松林（棵/hm2）的三種可燃物處理方式對(duì)森林城鎮(zhèn)交界域火災(zāi)蔓延的影響，見(jiàn)圖2。其中a圖為未對(duì)可燃物進(jìn)行處理的情況；b圖為去除房屋周圍10m內(nèi)可燃物的情況；c圖為將房屋周圍30m內(nèi)的胸徑低于22.3cm的樹(shù)木去除，只保留枝下高大于3m的樹(shù)木以株間距大于10m的密度排布，并在地表鋪滿草坪。

通過(guò)對(duì)模擬結(jié)果的分析可知，在圖2a情況下輻射熱通量大于引燃所需最小熱通量，房屋將會(huì)被引燃；圖2b情況下瞬時(shí)輻射熱通量達(dá)到最小引燃熱通量，但未引燃房屋；圖2c情況下輻射熱通量小于最小引燃熱通量，房屋無(wú)恙。由此可以得出結(jié)論，對(duì)房屋周圍可燃物進(jìn)行預(yù)處理可有效降低火災(zāi)烈度，以達(dá)到降低損失的目的。

通過(guò)上述例子可以看出，在建立森林-城鎮(zhèn)交界域火災(zāi)防控體系時(shí)，建立模型進(jìn)行模擬可以為決策提供輔助。根據(jù)這個(gè)模擬模型得出，在主要建筑物的周圍，可以劃定一個(gè)安全范圍，即0～1.5m為鄰近區(qū)域，此區(qū)域內(nèi)應(yīng)完全移除可燃物；1.5～10m為中間區(qū)域，此區(qū)域內(nèi)只保留枝下高大于3m的樹(shù)木；10～30m為外延區(qū)域，此區(qū)域內(nèi)將胸徑低于22.3cm的樹(shù)木去除，并保留枝下高大于3m的樹(shù)木。具體情況見(jiàn)圖3。

3 我國(guó)森林-城鎮(zhèn)交界域火災(zāi)啟示

受社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的影響，人類活動(dòng)的增加同森林-城鎮(zhèn)交界域火災(zāi)的發(fā)生頻率具有較強(qiáng)相關(guān)性。從當(dāng)?shù)谿DP和火災(zāi)發(fā)生數(shù)量的變化趨勢(shì)來(lái)看，兩者呈正相關(guān)。隨著人口密度的逐步上升，單位區(qū)域內(nèi)發(fā)生火災(zāi)的概率也會(huì)上升，因此對(duì)于森林-城鎮(zhèn)交界域的火災(zāi)防控力度也應(yīng)適時(shí)調(diào)整，緊跟社會(huì)發(fā)展的步伐[4]。

森林-城鎮(zhèn)交界域火災(zāi)絕大部分都是由人為原因引起的。由于森林-城鎮(zhèn)交界域較為復(fù)雜的地形地貌和較高的可燃物載量，該地域的森林火災(zāi)撲救難度較高。森林-城鎮(zhèn)交界域鄰近居民區(qū)，包含有大量的建筑物，因此森林-城鎮(zhèn)交界域火災(zāi)很容易造成較大的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失，還會(huì)出現(xiàn)森林火災(zāi)與建筑火災(zāi)之間互相演化的趨勢(shì)[5]。

通過(guò)對(duì)上述分析不難發(fā)現(xiàn)，降低區(qū)域內(nèi)可燃物載量、切斷可燃物在水平面上的連續(xù)分布可以有效降低該區(qū)域的火災(zāi)發(fā)生烈度，進(jìn)而降低撲救難度和經(jīng)濟(jì)損失。特別是結(jié)合森林-城鎮(zhèn)交界域火災(zāi)案例的撲救過(guò)程，不難看出預(yù)設(shè)非生物防火隔離帶可以極大減輕火災(zāi)撲救的壓力和傷亡風(fēng)險(xiǎn)，減少撲火隊(duì)員臨時(shí)開(kāi)挖防火隔離帶所造成的不必要的體力損失。但是非生物防火隔離帶的建設(shè)也需要結(jié)合當(dāng)?shù)丨h(huán)境、地形、設(shè)施分布等情況進(jìn)行因地制宜的選擇。

4 結(jié)束語(yǔ)

在森林-城鎮(zhèn)交界域人口數(shù)量不斷提升的背景下，森林-建筑復(fù)合型火災(zāi)的出現(xiàn)也加大了預(yù)防和撲救火災(zāi)的難度。我國(guó)在森林-城鎮(zhèn)交界域的火災(zāi)防控規(guī)范領(lǐng)域還存在諸多空白，缺乏統(tǒng)一的名詞定義和具體的技術(shù)解讀。防火阻隔系統(tǒng)建設(shè)的政府規(guī)劃多傾向于使用生物防火隔離帶，對(duì)非生物防火隔離帶的建設(shè)缺乏國(guó)家統(tǒng)一的行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。開(kāi)展研究的政策和資金支持力度也相對(duì)不足。政府相關(guān)部門應(yīng)借鑒林業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的做法，盡快完善相關(guān)政策規(guī)范，并將其轉(zhuǎn)化為適應(yīng)我國(guó)國(guó)情的體系。同時(shí)在政策制定、建設(shè)規(guī)劃等環(huán)節(jié)吸納國(guó)家綜合性消防救援隊(duì)伍的專家作為顧問(wèn)，視情采納其專業(yè)意見(jiàn)。

參考文獻(xiàn)

[1]USDA and USDI.Urban wildland interface communities within the vicinity of federal lands that are at high risk from wildfire，in Federal Register，2001：751-777.

[2]Sun R，Krueger S K，Jenkins，et al．The importance of fire–atmosphere coupling and boundary-layer turbulence to wildfire spread[J].International Journal of Wildland Fire，2009，18：50-60．

[3]LYJ 127—2012 森林防火工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[S].

[4]覃先林.林火衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)[M].北京：中國(guó)林業(yè)出版社，2016：127-129.

[5]郭亞嬌，廖志穎，殷繼艷.四川涼山州森林火災(zāi)發(fā)生原因及防火體系建設(shè)[J].今日消防，2019（11）：54-56.