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编辑:百老汇游戏   发布时间:2020-11-21 01:55

  摘要:森林火灾中高能量火的爆发伴随着突发性、随机性和不可抗拒性,会给森林火灾的扑救工作带来极大困难,并对扑火人员的生命安全造成严重威胁。飞火是一种较为常见的高能量林火行为,飞火的产生往往是林火行为愈演愈烈的唯一警告。文中结合国内外森林飞火行为相关研究进展,阐述了飞火的产生原因,并从飞火不同燃烧阶段以及不同火源引燃机理等方面总结飞火行为研究进展,分析飞火的形成机制,以期为提高森林火灾扑救效率、减少森林火灾扑救伤亡和进一步开展飞火研究提供参考。

  森林火灾被公认为是世界8大自然灾害之一,具有发生面广、破坏性大、扑救困难等特点。虽然近些年来,随着科学技术的迅猛发展,防火、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年我国四川凉山木里发生的“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4名地方扑火队员壮烈牺牲,引起了各方的关注。2017年内蒙古大兴安岭毕拉河林业局发生的“52”特大森林火灾,在6级阵风作用下,燃着的可燃物飞迁180 m到达诺敏河对岸形成飞火,往来诺敏河两岸的交通极为不便,飞火的产生给森林火灾扑救带来了相当大的难度。在森林火灾蔓延中,当达到一定火强度时,在可燃物、气象、地形等多种条件的综合作用下,便会产生高强度火。高强度火能向环境中释放出巨大的能量,亦称高能量火,上述爆燃火和飞火便是森林火灾中2种高能量火。此外还有对流柱、火旋风等高能量火,由于其产生的热气流辐射和气流湍动使人和机械难以接近,给森林火灾的扑救工作带来巨大难度。

  出现高能量火不是燃烧速度逐渐增加形成的,而是火强度由低到高突然变化产生的,随着燃烧的持续,热空气垂直向上运动,四周空气补充产生热对流,燃烧速度的突增,便会在燃烧区的上方迅速地建立起活跃的对流柱;在同一平面气流内,森林燃烧造成热的不平衡、气流流速不一致,会产生火旋风;在强烈的上升气流作用下,燃着的可燃物被带到空中飞迁到其他地区从而产生飞火;当大量飞火同时出现时,火线呈花斑式蔓延,飞火聚集到一定程度时,会在蔓延过程中触发一种类似于爆炸式的、以动力燃烧为主兼容扩散燃烧的燃烧现象,称为爆燃火。由于高能量火的爆发具有较大的复杂性和不确定性,所以有关高能量火的研究还有一些急待解决的问题,本文拟从飞火这一高能量火类别入手,对其成因、影响因素、规律性特征等多个角度进行粗浅的探讨和分析,以期为高能量火预警,为提高森林火灾扑救效率、降低火灾扑救过程伤亡事故提供参考。

  飞火是高能量火的重要特征之一,也是森林火灾的重要蔓延方式之一,被认为是除热传导、热辐射和热对流外的第4种热量传递方式。飞火主要是指燃着的可燃物受火焰羽流或对流烟柱影响被抛至空中,在环境风的驱动下飞越到未燃的可燃物区,引燃细小可燃物,产生新燃烧区的现象。在一场森林火灾中,出现飞火是林火变化的征兆,即使是短距离的飞火也应引起足够重视并迅速做出判断,因为这可能是形成重特大森林火灾的唯一警告。

  飞火产生的主要原因有:地面较强的平流层风速;火场的火焰羽流或对流柱把飞火颗粒抛至空中,由高空水平风速将其传播至远方;火旋风刮走飞火颗粒,产生飞火。从飞火颗粒的产生、飞迁到引燃地表可燃物,是一个相当复杂的过程,其影响因素有很多,包括飞火颗粒生成时的尺寸、状态(阴燃、明燃)和密集度,飞火颗粒在空气中传播的轨迹、热量损失,飞火颗粒着陆的可燃物床层特征(可燃物类型、含水率、压缩比、温度等),以及环境因素(温度、湿度、风速等)。由于飞火涉及流动和燃烧等物理化学耦合作用机制,其复杂性限制了研究的进展,迄今为止,国内外研究人员进行了大量有关飞火现象的研究,除去个别受到一致认可的经验模型和半经验模型之外,其余研究尚未能取得突破性进展。

  飞火现象的形成一般包括飞火颗粒的形成、飞迁及引燃地表可燃物3个连续阶段。

  在森林火灾中,树皮、小枝、针叶和球果等碟形、圆柱形和球形物体都是常见的飞火颗粒,即便是这些飞火颗粒来自于单一的火行为过程,也很难将其特征化。然而,飞火颗粒往往伴随着树冠火、对流柱和火旋风等高强度火行为而产生,这些复杂的过程对研究飞火颗粒如何产生会带来巨大难度。

  Manzello等通过对高度为2.6 m和5.2 m的花旗松(Pseudotsugamenziesii),以及高度为4m的红松(Pinuskoraiensis)进行点烧实验,以探究树木燃烧时产生飞火颗粒的尺寸和质量分布,实验产生的飞火颗粒均为近似圆柱形的小枝,红松燃烧产生飞火颗粒的单位质量较花旗松的更大。随后,Manzello建立了一个可重复实验产生飞火颗粒的装置,并以该装置的仿线年加利福尼亚州安哥拉火灾过程中的飞火颗粒尺寸分布进行对比,实验证明该装置可为飞火模型建立提供有效实验数据。Manzello等进行的点烧实验对于理解飞火颗粒产生过程研究有着重大进展。Ganteaume等通过对欧洲南部8种飞火常见颗粒可燃物特征和基于室内点烧实验对森林燃烧性的测定,将8种飞火常见颗粒分为3类:拥有一定质量、能够维持自身燃烧并进行远距离传播的重型飞火颗粒(球果);高表面积体积比且传播距离较短的轻质飞火颗粒(针叶或薄树皮);低表面积体积比且传播距离较短,偶尔传播距离较远的轻质飞火颗粒。相对于国外进行大量实验性研究对森林火灾中飞火颗粒产生过程及分类进行分析,我国有关飞火颗粒产生过程的研究则较为少见,王秋华等以“329”昆明安宁市森林火灾为研究对象,通过对火灾迹地调查、取样和可燃物特征的分析,发现云南松(Pinusyunnanensis)林气候干燥、山高坡陡、林内可燃物多,易发生飞火,且产生的飞火颗粒主要为云南松球果。

  球果、小枝和树皮等飞火颗粒在产生之后,可能会融入火焰中被燃烧消耗尽,也可能在火焰羽流或环境风的作用下传播。相比于飞火形成的其他2个阶段,国内外研究人员对此阶段进行了大量研究,结果表明,飞火颗粒的传播轨迹取决于其在垂直方向上形成的终端速度和水平方向上受到的环境风速。Tarifa等研究提出了关于飞火颗粒的许多基本观点,从飞火颗粒燃烧过程中受到的风阻力测定实验到基于燃烧极限计算飞火蔓延距离的模型,并建立了飞火颗粒运动终端速度这一重要模型,这些早期实验引领了后续有关飞火颗粒传播不同方面的理论和实验研究。Albini在飞火传播距离预测上进行了大量实验,发现飞火颗粒的最大上升高度是热流强度平方根的0.173倍,飞火颗粒的飞迁距离是其高度的函数,后期还建立了树冠飞火、堆积可燃物飞火和地表可燃物飞火传播最大距离预测模型,并在Behaveplus和FARSITE火行为模拟系统得到了应用。Woycheese等基于500次风洞点烧实验,建立了球形和碟形飞火颗粒传播模型,并且发现在相同条件下碟形颗粒的传播距离更远。随着技术的发展,建立飞火颗粒传播模型不再局限于传统的风洞点烧实验,更趋向于用计算机模拟飞火颗粒蔓延,更多复杂问题和早期实验研究将得到验证。Nicoals等基于3D物理模型预测树冠火的气体流动和热量释放,研究发现,树冠火产生的飞火颗粒的飞迁距离与风速呈线性相关,但与火强度相关性不显著。Koo等利用HIGRAD/FIRETEC野火模型模拟圆盘和圆柱状飞火颗粒飞迁距离,其结果与Woycheese的研究结果相同,研究还发现树冠火产生的飞火颗粒要比地表火多,并且更容易引燃可燃物。Luis等基于风洞实验和CAD软件分析了不同长度圆柱形轻质木材颗粒(取代橡木等飞火中常见颗粒)在无风与有风条件下自由坠落3D轨迹,以及不同长度燃着颗粒在风驱动下运动3D轨迹,结果表明,在3个初始方向(x,y, z轴)上的运动距离和下降时间都随着颗粒长度增加而增加。

  我国有关飞火颗粒传播运动规律的研究起步较晚,早期的相关研究从理论上进行了飞火颗粒传播距离及其影响因素的分析。Zhou等使用Manzello研发的飞火颗粒产生装置,观察不同形状、尺寸的杨树木质颗粒被引燃后,在不同风速作用下颗粒的飞迁特征,实验表明,木材颗粒的初始形状、质量和风速对于颗粒的质量损失有显著影响,颗粒产生数量和质量的百分比与颗粒飞迁距离的关系受风速影响很大。Song等利用风洞实验室对木质颗粒在不同风速下的飞迁距离和质量损失进行了研究,实验表明,在相同情况下被加热颗粒比未加热颗粒的飞迁距离和质量损失要大,且随着风速增加,飞迁距离和质量损失都逐渐增大。

  燃着的可燃物经过一系列运动,最终落地后是否具有引燃地表可燃物的能力,是飞火能够最终形成的关键因素。大量的野外调查和室内实验表明,颗粒引燃可燃物床层的成功与否,受到颗粒本身状态、可燃物床层结构和环境因素等诸多因素的影响,国内外学者进行了大量的重复试验来探究这一飞火形成关键步骤的引燃机理。

  Manzello等利用点燃花旗松和红松实验收集到的颗粒,放入不同材质的可燃物床层(松针、碎纸屑和刨花)中观察点燃特性,结果表明,颗粒的尺寸、数量及风速均是决定可燃物床层能否被引燃的重要因素。Matvienko等基于森林火灾中产生的飞火颗粒,建立了引燃地表可燃物的3D物理模型,该模型充分考虑了颗粒与松针的热量传递,以及受热分解区的水分蒸发,并通过实验对其模型进行了验证。实验以樟子松(Pinussylvestris var. mongolica)为研究对象,使用不同尺寸燃着的树皮和树枝作为飞火颗粒,将其投入到不同压缩比的樟子松松针表面,观察松针在不同风速下被引燃的时间,结果表明,由于树皮潜在热量不足,无论在何种工况下都无法引燃松针;当以燃着的松枝为火源时,随着松枝直径和长度的增加,火源与松针床层接触面积和携带的潜在热量增加,直径和长度较大的松枝在维系自身燃烧的同时,有更多的热量进入松针床层,使松针床层更容易被引燃,且引燃时间随松枝体积的增加而减少,但是引燃时间同样会随着压缩比的增加而增加。Viegas等从飞火最后的引燃阶段入手,以卷曲和平整的蓝桉(Eucalyptusglobulus)树皮、海岸松(Pinuspinaster)和阿勒颇松(Pinushalepensis)球果为颗粒,引燃不同类型枯落叶床层,结果发现当可燃物含水率低于5%时,枯落叶床层被引燃的概率高达90%,桉树皮的引燃概率要高于松树球果,从引燃时间上来看,主要取决于枯落叶床层类型,桉树枯落叶床层的引燃概率也要高于2种松树。Ellis利用辐射松(Pinus radiata)树皮和松针做引燃实验,以不同尺寸树皮为飞火颗粒进行试验发现,尺寸相对较小的树皮可以引燃松针床层,前提是要在有风条件下;无风条件下的实验表明,松针床层被引燃概率取决于火焰与松针接触的可能性,而不是颗粒的数量;有风作用实验的引燃概率,主要与颗粒的大小和床层的含水率有关,颗粒体积越大、床层含水率越小越容易产生引燃现象。Ganteaume等选取南欧常见树种的树枝、树皮为飞火颗粒进行引燃地表可燃物实验,发现即使是含水率很高的草本植被也比林下地表可燃物更容易被引燃;松针床层要比桉树、橡树等阔叶可燃物床层容易被引燃,桉树的易燃性居中;引燃时间随着可燃物床层的含水率和压缩比的增加而增加。此后,Ganteaume等通过引燃实验,利用聚类分析将飞火颗粒分为3种:一是为能够长时间燃烧且具有较长飞迁能力的重型颗粒,如球果等;二是为具有高表面积体积比、飞迁能力较差的轻型颗粒,如树叶、薄树皮等;三是为具有低表面积体积比、飞迁能力适中的中型颗粒。

  除了自然界本身存在的火源以外,其他种类火源也可能经过一定距离的飞迁或运动,进而引燃森林可燃物。雷击、烟头、金属颗粒等都是引发森林火灾的重要火源,了解不同火源引燃机理对于林火行为研究至关重要。

  雷击火是一种主要的自然火源之一,给我国大兴安岭林区造成了巨大损失,木里“3•30”森林火灾也是由雷击引起的。朱易等利用自制的模拟雷击装置模拟对森林可燃物的雷击引燃实验,经过主成分分析和Logistic回归分析发现,可燃物含水率和设备低压是影响引燃的主要因素。Miller等以雷管模拟雷击火源,模拟雷击对树木的灼伤实验。

  在现阶段的研究中,金属颗粒也是实验中主要使用的火源之一。金属颗粒由于其质地均匀,更容易从机理上研究引燃的一般性规律,同时金属颗粒也是重要火源之一。2019年山西沁源发生“3•29”森林火灾,火源为电线产生的高温金属融化物。Urban等在进行引燃实验时发现,不同的金属颗粒都需要相似的温度才能引燃可燃物,并且引起阴燃的颗粒温度要明显小于引起明火的颗粒温度。王苏盼以马尾松(Pinus massoniana)松针为实验材料,以金属热颗粒为火源,进行松针点烧实验,发现金属热颗粒临界引燃温度对含水率的依赖性随着颗粒尺寸的增加而变小,小尺寸热颗粒的临界点燃条件与颗粒能量关系密切,而大尺寸热颗粒的临界点燃条件主要依赖于颗粒温度。

  烟头是一种常见的人为火源,在合适的环境因素和可燃物特征下,极有可能引起森林火灾。张运林等分别以蒙古栎(Quercus mongolica)凋落叶片和红松凋落针叶为实验材料,利用烟头分别对蒙古栎落叶床层和红松落叶床层进行了4 000 余次点燃燃烧试验,记录点燃概率,并进行统计分析,发现烟头引燃概率与风速和可燃物含水率显著相关,与压缩比无关。Kim等以风速、可燃物含水率、烟头长度、床层坡度为影响因素,对红松可燃物进行引燃研究,发现风速、可燃物含水率和烟头长度是影响引燃的主要因素。

  综上所述,无论是在实验室内进行模拟点烧实验,还是对火烧迹地进行调查,对于森林火灾中飞火行为的研究仍然存在一些问题,主要包括:1)因飞火颗粒的产生易受到火线强度、火焰状态(阴燃或明燃)、环境因素(温度和湿度)等多种室内不可控因素影响,很难将飞火颗粒的产生过程基于室内模拟的方法进行特征化、模型化;2)在对飞火颗粒飞迁规律进行研究时,仍停留在测量颗粒飞迁前和落地后距离与质量的变化等传统测量方法上,很难对颗粒飞迁过程中沿水平和垂直方向上的速度以及质量损失速率进行准确测量,无法进一步研究其飞迁过程中的变化规律;3)在进行引燃实验时,主要考察的影响因素为风速和可燃物床层含水率,对火源条件、环境因素和可燃物特征的交互作用影响引燃实验结果的关注较少,然而真实飞火引燃发生过程是受到以上多种因素影响的,在进行室内模拟或野外试验时收集的影响因素较少,不利于后期进一步分析影响飞火引燃的重要因素。

  总体而言,有关飞火行为的研究仍然存在不足,从机理上对飞火行为进行研究具有重要意义,随着观测技术的发展,未来应重点开展以下几个方面的研究:1)飞火颗粒主要是燃着的树皮、球果和小枝等,随着森林火灾的蔓延,林木逐渐失去结构完整性,这些颗粒从母体分离,基于真实火场的复杂性,为探究其临界分离温度,可利用红外热成像仪在真实火场中记录数据并分析,利用点烧数据建立随机模型来分析颗粒生成过程。2)除利用计算机对颗粒飞迁轨迹进行模拟外,可将粒子图像测速技术(PIV)引入该研究,以将飞火颗粒在飞迁过程中速度变化描述得更加直观。3)在进行引燃实验时,除质地均匀的木质和金属颗粒外,研究对象还可选择林内自然存在的球果、小枝和树皮等飞火颗粒,以更有利于还原林内线)在今后的研究中,应建立基于大量点烧数据的包含火源条件、环境因素和可燃物特征等多种因素的飞火行为模型,在森林火灾发生之后利用这些有效的飞火行为模型,可以提高飞火等高能量火的预警精度和响应时间,对于提高森林火灾扑救效率、降低火灾扑救过程中的伤亡具有重要意义。(作者:杨光 袁思博 舒立福 宁吉彬 孙思琦 邸雪颖)

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