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    森林防火
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    森林火灾可怕而恐怖的现象

    发布日期:2019-04-19?14:58?信息来源:中国绿色时报??作者:威海市林业局??浏览次数:??字号:[ ]

    森林火灾在全世界范围内的频繁发生,会对自然生态系统造成严重破坏,并对人民生命安全构成严重威胁。森林火灾被公认为世界八大自然灾害之一,特别是当今社会,把生命安全保障作为国家突发公共事件的首要任务,把生态安全体系建设作为国家安全体系建设的重要组成部分,在此背景下,加大森林火灾防控力度,减少森林火灾发生,特别是减少人员伤亡的发生,是目前我国维护生态安全、?;と嗣袢褐谏踩?、促进生态文明建设所面临的主题和难题之一。

    虽然近年来科学技术的迅猛发展,使防灭火手段有所改善,但世界各国仍然没有行之有效的办法来控制森林火灾、减少人员伤亡。2019年四川凉山发生木里“3·30”森林火灾,在扑救过程中突发林火爆燃现象,27名森林消防指战员和3名地方扑火队员牺牲,已经引起了各方的高度关注。

    何为爆燃火?

    爆燃火(Fire Storm),指高强度林火在特定的可燃物、气象、地形条件下,在蔓延过程中触发的以动力燃烧为主兼容扩散燃烧的一种类似于爆炸式的燃烧现象。正像它定义本身所指出的那样,爆燃火是随极端林火行为出现的一种极端现象,林火行为表征极其狂烈,故又称火爆。

    爆燃火虽在当今世界上发生面不广,但破坏性极大、损失极重、救助极为困难。如1987年我国大兴安岭“5·6”特大森林火灾,起先森林大火在山地跳跃式蔓延,即从一个山脊直接点燃另一山脊,或直接跨越山谷,随后火灾发展强烈,从而引起爆炸式燃烧。这场森林火灾受害群众56092人,死亡213人,受伤226人。

    爆燃火发生的条件

    由于爆燃火是出现在极特殊的可燃物、地形和气象条件下,具有突发性、偶然性,人们难以预测它在何时、何地发生,又因涉及燃烧学、气象学、空气动力学等诸多理论,而且真实燃烧环境会更加复杂,例如火点数量、火强度、可燃物、气象条件、触发概率等都存在不确定性,不易开展模拟开放条件下试验,所以对它的研究尚不十分深入。

    然而,近几十年来人们对爆燃火的研究已从外观现象的描述逐步向引起爆燃火发生的可燃物、地形和天气条件等因素发展,并且取得了一定进展。如20世纪80年代美国林火专家唐纳德·波瑞在《野外火的扑救、扑救战术和指挥方法》一书中,曾给出爆燃火发展过程图示,指出在出现极端林火行为的火灾中,一开始就存在着下山风、冷锋、高压下沉气流和干燥的老龄可燃物等因素。

    在我国,王正非等人曾对1987年大兴安岭地区发生的“5·6”特大森林火灾中爆燃火的气象因素进行了专题研究。

    目前,有关爆燃火研究还有一些亟待解决的问题。诸如:爆燃火的燃烧机理是什么?爆燃火期间释放出的巨大能量从何而来?爆燃火的成因是什么?爆燃火的规律性特征有哪些?怎样从科学角度解释爆燃火所表现出的现象?怎样预防和扑救爆燃火的发生?等等。针对以上问题,本文进行探讨与分析。

    爆燃火成因

    爆燃火的形成因素不是单一的。由常规林火的发生到特殊的爆燃火,其林火行为由常态向极端发展变化除需要一定的时间外,还需要受到特殊的可燃物、极端天气和复杂地形条件等综合作用时才会出现。   

    1.火条件:在爆燃火发生之前,一般存在高强度火的大面积蔓延,宽幅花斑式火线的燃烧需氧量大。  

    2.可燃物条件:火区积累的有效可燃物载量较高,且可燃物含水率较低,极易燃烧。

    3.气象条件:火区相对处于逆温、低压区,高强度燃烧致使不燃烧产物散失不良,发生不完全燃烧而产生大量高浓度的可燃气体。

    4.地形条件:火区地形条件独特,能在一定程度上抑制剩余的高浓度一氧化碳可燃物气体的散失,使其部分构成可燃混气。 

    这些气体在特定的条件下被部分地保持着尺度不等的可燃混气团状态,一旦引燃,较小的可燃混气团会出现闪烁火焰,并形成冲击式蔓延,较大的可燃混气团会出现长长的火焰或小规模的轰燃,燃烧时会出现各种不同的火行为,但若形成爆燃火则相当困难。

    只有当已出现花斑式燃烧的大火场,同时处于如峡谷位置及逆温或低压穴的气象条件下,才会转化为快速的动力燃烧或爆炸,形成猛烈燃烧的爆燃火。

    爆燃火燃烧机制

    1.一氧化碳可燃混气的燃烧。

    可燃气体在其燃烧之前同空气混合成一种可燃混气。也就是说,燃料分子与氧化剂相接触混合的物理时间小于化学时间,燃烧反应是在动力区进行,这种动力燃烧反应至少比常规林火的扩散反应速度快10倍。

    在爆燃火触发过程中,动力燃烧占主导地位,整个反应速度不再受燃料分子与氧化剂分子间的扩散速度所限,而是动力燃烧反应用其燃烧过程中所产生的高温和气流来驱动固体可燃物的扩散反应速度。

    2.固体可燃物的扩散燃烧。

    这种燃烧反应的机制与常规林火相同。但在形成爆燃火后,火区处于高温缺氧的条件下,会产生一定数量的高浓度一氧化碳气体,这些一氧化碳气体在运动过程中与空气相遇,变为可燃混气团,可使处于动力燃烧的可燃混气团得到补充。也就是说,可出现动力燃烧与扩散燃烧互为依托的现象,从而使整个火场的燃烧强度有增加的趋势。

    但由于动力燃烧反应速度过快,预混可燃混气团容积尺度和数量会迅速减小或消失,所以不存在动力燃烧与扩散燃烧长期互为促进的现象。爆燃火过程不会长期维持下去,主要的可燃气团消耗殆尽之后爆燃火即将停止。

    爆燃火行为规律

    1.冲击式快速蔓延。

    爆燃火的跳跃式突进蔓延方式与常规林火连续式蔓延方式截然不同,其林火蔓延速度大大超过了常规林火的蔓延速度,火头以极高速度前进,火场迅速扩展。据国外文献报道,爆燃火火锋在某些地段上可达1km(蔓延速度大大增加,一般在15km/h-50km/h)。

    2.高强度燃烧。

    同尺度的可燃混气团能在短时间内燃烧完毕,加之固体可燃物的扩散燃烧,所以火强度会急剧增加。据国内外文献报道,火发展到极为猛烈的时候,爆燃火温度能达到1000℃以上,火焰达到30m以上,高温熏烤高度20m以上,林火强度达20000 kW/m以上。过火林木绝大多数死亡,可燃物不论是细小的枯枝落叶,还是粗大的树根或倒木,全部烧光,使森林遇到毁灭性的打击。

    3.动力燃烧为主。

    爆燃火具有触发的瞬时阶段,且燃烧机制发生了质的变化,即由扩散燃烧为主转变为以动力燃烧为主。爆燃火过程中,动力燃烧与扩散燃烧同时并存,并随时间的推移,扩散燃烧逐渐变为主体,此时爆燃火过程结束。因而,描述常规林火的一些理论、公式等已不再适用于爆燃火。对于某些高强度火出现了局部性对流柱、飞火或花斑式燃烧,则不能称其为发生了爆燃火,只有林火由扩散燃烧为主转化为以动力燃烧为主,才能称之为发生了爆燃火。

    4.巨大热交换能量。

    爆燃火发生过程中以不同容积尺度的可燃混气团燃烧为主,燃烧反应速度快,能量释放数量大并伴有冲击波等。燃烧过程中释放出的巨大能量必然在野外条件下进行热交换,热交换形式主要表现为对流柱、气旋、飞火、火星雨、热浪等。然而在爆燃火发生过程中,热交换形式主要表现、位置、时间和数量具有随机性,具体与可燃混气团容积尺度有关。

    5.高能量释放。

    爆燃火过程中能量释放主要表现为声响与闪光,其中声响由两部分组成,一是微小尺度可燃气体团正常动力燃烧时发出的轰鸣声,二是大尺度可燃混气团爆炸发出的巨响。同时可燃混气团的爆炸必然出现瞬间火焰,即闪光。

    6.重烟雾特征。

    重烟雾表现为高浓度与大范围,其中爆燃火中高浓度烟雾的出现,主要是因为燃烧反应强烈而将大量的碳微粒卷入空中,可燃混气团的动力燃烧过程中,把大颗粒的炭块粉碎成小颗粒,从而形成高浓度烟雾。

    从传质角度而言,是把地面可燃物的质量传递到火场上空而随气流扩散,故爆燃火过程中的烟雾要比任何高强度常规林火所出现的烟雾浓度大,烟雾的范围自然也就广。

    有关爆燃火几个科学问题

    1.爆燃火过程中所出现的巨大能量从哪儿来?

    从火爆的形成过程中,在爆燃火发生前出现了缺氧燃烧并产生了大量的可燃气体。这些可燃气体在风能的作用下被输送到火线的前方,并在那里被特定的气象和地形条件积累且保存下来,形成一种混合气体。

    待这种复合气体达到较大数量并在浓度上处于可燃范畴时,火场的高温或火种引燃气团,便发生以动力燃烧为主的爆燃火。从能量传递的角度,缺氧燃烧区域的可燃物能量已被部分地传递到爆燃火发生区域。

    换言之,爆燃火的能量除自身区域可燃物的能量外,还包括该区域之前的相当区域内可燃物的部分能量,因而其能量巨大。另外,爆燃火是以动力燃烧为主,燃烧反应速度快,所以它的能量速度、火强度特别大。

    2.爆燃火为何“突然暴发,突然终止”?

    爆燃火既然是以可燃混气燃烧为主的林火现象,这就决定了它具有突然暴发和突然终止的特性。因为可燃混气在被火种引燃后,会迅速燃烧并释放能量.所以在外观上表现出爆燃火是突发的。

    当可燃混气被燃烧完之后,能量释放也就即刻终止,爆燃火的外观现象亦不复存在。爆燃火终止之后便转为以可燃物扩散燃烧为主的常规林火。

    爆燃火的预防与扑救

    1.减少森林可燃物载量。

    具体实施办法有清林、地面或航空点火计划烧除。这样做,可避免林火发生后出现高强度燃烧,防止引起缺氧燃烧产生可燃气体,从而杜绝爆燃火的出现。   

    2.设置阻隔带。

    在林区开设阻隔带(如生土带、化学除草带、火烧的防火线等)与湖泊、河流、沟溪、道路等构成一定面积的阻火网络。这样可防止林火大面积蔓延,从而避免爆燃火的发生。

    3.林火发生后及时扑灭。

    林火一旦发生应及时扑救,力争先期扑火一次成功,不让林火大面积蔓延,形成高强度的大火场。这样避免了产生大量可燃气体的可能性,从而达到防止发生森林爆燃火的目的。

    爆燃火一旦发生,目前尚无有效的扑救或控制办法。一旦大火燃烧到这种程度,如果地面有扑火人员身处其中,就会受到高温灼热、烟雾熏呛,加上冲击波,扑火人员难以脱身,来不及反应,往往可能造成大的伤亡。

    扑火人员必须做好应急防护工作,尽量避免直接扑火,采取隔离战术进行间接扑火,同时密切关注火区天气状况、火场地形、可燃物类型、林火行为,判断当前火势在一定条件下发生变化的可能性,在林火蔓延速度骤然加剧、蔓延方向突然改变等特殊火行为表现征兆发生前,选择尽快撤离火场,迅速转移至安全地带进行避险。

    (作者杨光系东北林业大学林学院副院长、副教授)

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