-27
摘要：森林火災中高能量火的爆發伴隨著突發性、隨機性和不可抗拒性，會給森林火災的撲救工作帶來極大困難，並對撲火人員的生命安全造成嚴重威脅。飛火是一種較為常見的高能量林火行為，飛火的產生往往是林火行為愈演愈烈的唯一警告。文中結合國內外森林飛火行為相關研究進展，闡述了飛火的產生原因，並從飛火不同燃燒階段以及不同火源引燃機理等方面總結飛火行為研究進展，分析飛火的形成機制，以期為提高森林火災撲救效率、減少森林火災撲救傷亡和進一步開展飛火研究提供參考。
關鍵詞：森林火災，高能量火，飛火，形成機制，火行為規律
作者：楊光 袁思博 舒立福 寧吉彬 孫思琦 邸雪穎
森林火災被公認為是世界8大自然災害之一，具有發生面廣、破壞性大、撲救困難等特點。雖然近些年來，隨著科學技術的迅猛發展，防火、滅火手段有所改善，但世界各國仍然沒有行之有效的辦法來控制森林火災、減少人員傷亡。2019年我國四川涼山木裡發生的“3•30”森林火災，在撲救過程中突發林火爆燃現象，27名森林消防指戰員和4名地方撲火隊員壯烈犧牲，引起了各方的關注。2017年內蒙古大興安嶺畢拉河林業局發生的“5·2”特大森林火災，在6級陣風作用下，燃著的可燃物飛遷180 m到達諾敏河對岸形成飛火，往來諾敏河兩岸的交通極為不便，飛火的產生給森林火災撲救帶來了相當大的難度。在森林火災蔓延中，當達到一定火強度時，在可燃物、氣象、地形等多種條件的綜合作用下，便會產生高強度火。高強度火能向環境中釋放出巨大的能量，亦稱高能量火，上述爆燃火和飛火便是森林火災中2種高能量火。此外還有對流柱、火旋風等高能量火，由於其產生的熱氣流輻射和氣流湍動使人和機械難以接近，給森林火災的撲救工作帶來巨大難度。
出現高能量火不是燃燒速度逐漸增加形成的，而是火強度由低到高突然變化產生的，隨著燃燒的持續，熱空氣垂直向上運動，四周空氣補充產生熱對流，燃燒速度的突增，便會在燃燒區的上方迅速地建立起活躍的對流柱；在同一平面氣流內，森林燃燒造成熱的不平衡、氣流流速不一致，會產生火旋風；在強烈的上升氣流作用下，燃著的可燃物被帶到空中飛遷到其他地區從而產生飛火；當大量飛火同時出現時，火線呈花斑式蔓延，飛火聚集到一定程度時，會在蔓延過程中觸發一種類似於爆炸式的、以動力燃燒為主兼容擴散燃燒的燃燒現象，稱為爆燃火。由於高能量火的爆發具有較大的複雜性和不確定性，所以有關高能量火的研究還有一些急待解決的問題，本文擬從飛火這一高能量火類別入手，對其成因、影響因素、規律性特徵等多個角度進行粗淺的探討和分析，以期為高能量火預警，為提高森林火災撲救效率、降低火災撲救過程傷亡事故提供參考。
1 飛火及其引發機制
飛火是高能量火的重要特徵之一，也是森林火災的重要蔓延方式之一，被認為是除熱傳導、熱輻射和熱對流外的第4種熱量傳遞方式。飛火主要是指燃著的可燃物受火焰羽流或對流煙柱影響被拋至空中，在環境風的驅動下飛越到未燃的可燃物區，引燃細小可燃物，產生新燃燒區的現象。在一場森林火災中，出現飛火是林火變化的徵兆，即使是短距離的飛火也應引起足夠重視並迅速做出判斷，因為這可能是形成重特大森林火災的唯一警告。
飛火產生的主要原因有：地面較強的平流層風速；火場的火焰羽流或對流柱把飛火顆粒拋至空中，由高空水平風速將其傳播至遠方；火旋風颳走飛火顆粒，產生飛火。從飛火顆粒的產生、飛遷到引燃地表可燃物，是一個相當複雜的過程，其影響因素有很多，包括飛火顆粒生成時的尺寸、狀態（陰燃、明燃）和密集度，飛火顆粒在空氣中傳播的軌跡、熱量損失，飛火顆粒著陸的可燃物床層特徵（可燃物類型、含水率、壓縮比、溫度等），以及環境因素（溫度、溼度、風速等）。由於飛火涉及流動和燃燒等物理化學耦合作用機制，其複雜性限制了研究的進展，迄今為止，國內外研究人員進行了大量有關飛火現象的研究，除去個別受到一致認可的經驗模型和半經驗模型之外，其餘研究尚未能取得突破性進展。
2 飛火不同燃燒階段的林火行為規律
飛火現象的形成一般包括飛火顆粒的形成、飛遷及引燃地表可燃物3個連續階段。
2.1 飛火顆粒形成階段
在森林火災中，樹皮、小枝、針葉和球果等碟形、圓柱形和球形物體都是常見的飛火顆粒，即便是這些飛火顆粒來自於單一的火行為過程，也很難將其特徵化。然而，飛火顆粒往往伴隨著樹冠火、對流柱和火旋風等高強度火行為而產生，這些複雜的過程對研究飛火顆粒如何產生會帶來巨大難度。
Manzello等通過對高度為2.6 m和5.2 m的花旗松(Pseudotsugamenziesii)，以及高度為4m的紅松(Pinuskoraiensis)進行點燒實驗，以探究樹木燃燒時產生飛火顆粒的尺寸和質量分佈，實驗產生的飛火顆粒均為近似圓柱形的小枝，紅松燃燒產生飛火顆粒的單位質量較花旗松的更大。隨後，Manzello建立了一個可重複實驗產生飛火顆粒的裝置，並以該裝置的仿真實驗數據與2007年加利福尼亞州安哥拉火災過程中的飛火顆粒尺寸分佈進行對比，實驗證明該裝置可為飛火模型建立提供有效實驗數據。Manzello等進行的點燒實驗對於理解飛火顆粒產生過程研究有著重大進展。Ganteaume等通過對歐洲南部8種飛火常見顆粒可燃物特徵和基於室內點燒實驗對森林燃燒性的測定，將8種飛火常見顆粒分為3類：擁有一定質量、能夠維持自身燃燒並進行遠距離傳播的重型飛火顆粒（球果）；高表面積體積比且傳播距離較短的輕質飛火顆粒（針葉或薄樹皮）；低表面積體積比且傳播距離較短，偶爾傳播距離較遠的輕質飛火顆粒。相對於國外進行大量實驗性研究對森林火災中飛火顆粒產生過程及分類進行分析，我國有關飛火顆粒產生過程的研究則較為少見，王秋華等以“3·29”昆明安寧市森林火災為研究對象，通過對火災跡地調查、取樣和可燃物特徵的分析，發現雲南松(Pinusyunnanensis)林氣候乾燥、山高坡陡、林內可燃物多，易發生飛火，且產生的飛火顆粒主要為雲南松球果。
2.2 飛火顆粒飛遷階段
球果、小枝和樹皮等飛火顆粒在產生之後，可能會融入火焰中被燃燒消耗盡，也可能在火焰羽流或環境風的作用下傳播。相比于飛火形成的其他2個階段，國內外研究人員對此階段進行了大量研究，結果表明，飛火顆粒的傳播軌跡取決於其在垂直方向上形成的終端速度和水平方向上受到的環境風速。Tarifa等研究提出了關於飛火顆粒的許多基本觀點，從飛火顆粒燃燒過程中受到的風阻力測定實驗到基於燃燒極限計算飛火蔓延距離的模型，並建立了飛火顆粒運動終端速度這一重要模型，這些早期實驗引領了後續有關飛火顆粒傳播不同方面的理論和實驗研究。Albini在飛火傳播距離預測上進行了大量實驗，發現飛火顆粒的最大上升高度是熱流強度平方根的0.173倍，飛火顆粒的飛遷距離是其高度的函數，後期還建立了樹冠飛火、堆積可燃物飛火和地表可燃物飛火傳播最大距離預測模型，並在Behaveplus和FARSITE火行為模擬系統得到了應用。Woycheese等基於500次風洞點燒實驗，建立了球形和碟形飛火顆粒傳播模型，並且發現在相同條件下碟形顆粒的傳播距離更遠。隨著技術的發展，建立飛火顆粒傳播模型不再侷限於傳統的風洞點燒實驗，更趨向於用計算機模擬飛火顆粒蔓延，更多複雜問題和早期實驗研究將得到驗證。Nicoals等基於3D物理模型預測樹冠火的氣體流動和熱量釋放，研究發現，樹冠火產生的飛火顆粒的飛遷距離與風速呈線性相關，但與火強度相關性不顯著。Koo等利用HIGRAD/FIRETEC野火模型模擬圓盤和圓柱狀飛火顆粒飛遷距離，其結果與Woycheese的研究結果相同，研究還發現樹冠火產生的飛火顆粒要比地表火多，並且更容易引燃可燃物。Luis等基於風洞實驗和CAD軟件分析了不同長度圓柱形輕質木材顆粒（取代橡木等飛火中常見顆粒）在無風與有風條件下自由墜落3D軌跡，以及不同長度燃著顆粒在風驅動下運動3D軌跡，結果表明，在3個初始方向（x,y, z軸）上的運動距離和下降時間都隨著顆粒長度增加而增加。
我國有關飛火顆粒傳播運動規律的研究起步較晚，早期的相關研究從理論上進行了飛火顆粒傳播距離及其影響因素的分析。Zhou等使用Manzello研發的飛火顆粒產生裝置，觀察不同形狀、尺寸的楊樹木質顆粒被引燃後，在不同風速作用下顆粒的飛遷特徵，實驗表明，木材顆粒的初始形狀、質量和風速對於顆粒的質量損失有顯著影響，顆粒產生數量和質量的百分比與顆粒飛遷距離的關係受風速影響很大。Song等利用風洞實驗室對木質顆粒在不同風速下的飛遷距離和質量損失進行了研究，實驗表明，在相同情況下被加熱顆粒比未加熱顆粒的飛遷距離和質量損失要大，且隨著風速增加，飛遷距離和質量損失都逐漸增大。
2.3 飛火顆粒引燃階段
燃著的可燃物經過一系列運動，最終落地後是否具有引燃地表可燃物的能力，是飛火能夠最終形成的關鍵因素。大量的野外調查和室內實驗表明，顆粒引燃可燃物床層的成功與否，受到顆粒本身狀態、可燃物床層結構和環境因素等諸多因素的影響，國內外學者進行了大量的重複試驗來探究這一飛火形成關鍵步驟的引燃機理。
Manzello等利用點燃花旗松和紅松實驗收集到的顆粒，放入不同材質的可燃物床層（松針、碎紙屑和刨花）中觀察點燃特性，結果表明，顆粒的尺寸、數量及風速均是決定可燃物床層能否被引燃的重要因素。Matvienko等基於森林火災中產生的飛火顆粒，建立了引燃地表可燃物的3D物理模型，該模型充分考慮了顆粒與松針的熱量傳遞，以及受熱分解區的水分蒸發，並通過實驗對其模型進行了驗證。實驗以樟子松(Pinussylvestris var. mongolica)為研究對象，使用不同尺寸燃著的樹皮和樹枝作為飛火顆粒，將其投入到不同壓縮比的樟子鬆鬆針表面，觀察松針在不同風速下被引燃的時間，結果表明，由於樹皮潛在熱量不足，無論在何種工況下都無法引燃松針；當以燃著的松枝為火源時，隨著松枝直徑和長度的增加，火源與松針床層接觸面積和攜帶的潛在熱量增加，直徑和長度較大的松枝在維繫自身燃燒的同時，有更多的熱量進入松針床層，使松針床層更容易被引燃，且引燃時間隨松枝體積的增加而減少，但是引燃時間同樣會隨著壓縮比的增加而增加。Viegas等從飛火最後的引燃階段入手，以捲曲和平整的藍桉(Eucalyptusglobulus)樹皮、海岸松(Pinuspinaster)和阿勒頗松(Pinushalepensis)球果為顆粒，引燃不同類型枯落葉床層，結果發現當可燃物含水率低於5％時，枯落葉床層被引燃的概率高達90％，桉樹皮的引燃概率要高於松樹球果，從引燃時間上來看，主要取決於枯落葉床層類型，桉樹枯落葉床層的引燃概率也要高於2種松樹。Ellis利用輻射松(Pinus radiata)樹皮和松針做引燃實驗，以不同尺寸樹皮為飛火顆粒進行試驗發現，尺寸相對較小的樹皮可以引燃松針床層，前提是要在有風條件下；無風條件下的實驗表明，松針床層被引燃概率取決於火焰與松針接觸的可能性，而不是顆粒的數量；有風作用實驗的引燃概率，主要與顆粒的大小和床層的含水率有關，顆粒體積越大、床層含水率越小越容易產生引燃現象。Ganteaume等選取南歐常見樹種的樹枝、樹皮為飛火顆粒進行引燃地表可燃物實驗，發現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；松針床層要比桉樹、橡樹等闊葉可燃物床層容易被引燃，桉樹的易燃性居中；引燃時間隨著可燃物床層的含水率和壓縮比的增加而增加。此後，Ganteaume等通過引燃實驗，利用聚類分析將飛火顆粒分為3種：一是為能夠長時間燃燒且具有較長飛遷能力的重型顆粒，如球果等；二是為具有高表面積體積比、飛遷能力較差的輕型顆粒，如樹葉、薄樹皮等；三是為具有低表面積體積比、飛遷能力適中的中型顆粒。
3 不同火源引燃飛火的機理
除了自然界本身存在的火源以外，其他種類火源也可能經過一定距離的飛遷或運動，進而引燃森林可燃物。雷擊、菸頭、金屬顆粒等都是引發森林火災的重要火源，瞭解不同火源引燃機理對於林火行為研究至關重要。
雷擊火是一種主要的自然火源之一，給我國大興安嶺林區造成了巨大損失，木裡“3•30”森林火災也是由雷擊引起的。朱易等利用自制的模擬雷擊裝置模擬對森林可燃物的雷擊引燃實驗，經過主成分分析和Logistic迴歸分析發現，可燃物含水率和設備低壓是影響引燃的主要因素。Miller等以雷管模擬雷擊火源，模擬雷擊對樹木的灼傷實驗。
在現階段的研究中，金屬顆粒也是實驗中主要使用的火源之一。金屬顆粒由於其質地均勻，更容易從機理上研究引燃的一般性規律，同時金屬顆粒也是重要火源之一。2019年山西沁源發生“3•29”森林火災，火源為電線產生的高溫金屬融化物。Urban等在進行引燃實驗時發現，不同的金屬顆粒都需要相似的溫度才能引燃可燃物，並且引起陰燃的顆粒溫度要明顯小於引起明火的顆粒溫度。王蘇盼以馬尾松(Pinus massoniana)松針為實驗材料，以金屬熱顆粒為火源，進行松針點燒實驗，發現金屬熱顆粒臨界引燃溫度對含水率的依賴性隨著顆粒尺寸的增加而變小，小尺寸熱顆粒的臨界點燃條件與顆粒能量關係密切，而大尺寸熱顆粒的臨界點燃條件主要依賴於顆粒溫度。
菸頭是一種常見的人為火源，在合適的環境因素和可燃物特徵下，極有可能引起森林火災。張運林等分別以蒙古櫟(Quercus mongolica)凋落葉片和紅松凋落針葉為實驗材料，利用菸頭分別對蒙古櫟落葉床層和紅松落葉床層進行了4 000 餘次點燃燃燒試驗，記錄點燃概率，並進行統計分析，發現菸頭引燃概率與風速和可燃物含水率顯著相關，與壓縮比無關。Kim等以風速、可燃物含水率、菸頭長度、床層坡度為影響因素，對紅松可燃物進行引燃研究，發現風速、可燃物含水率和菸頭長度是影響引燃的主要因素。
4 研究展望
綜上所述，無論是在實驗室內進行模擬點燒實驗，還是對火燒跡地進行調查，對於森林火災中飛火行為的研究仍然存在一些問題，主要包括：1）因飛火顆粒的產生易受到火線強度、火焰狀態（陰燃或明燃）、環境因素（溫度和溼度）等多種室內不可控因素影響，很難將飛火顆粒的產生過程基於室內模擬的方法進行特徵化、模型化；2）在對飛火顆粒飛遷規律進行研究時，仍停留在測量顆粒飛遷前和落地後距離與質量的變化等傳統測量方法上，很難對顆粒飛遷過程中沿水平和垂直方向上的速度以及質量損失速率進行準確測量，無法進一步研究其飛遷過程中的變化規律；3）在進行引燃實驗時，主要考察的影響因素為風速和可燃物床層含水率，對火源條件、環境因素和可燃物特徵的交互作用影響引燃實驗結果的關注較少，然而真實飛火引燃發生過程是受到以上多種因素影響的，在進行室內模擬或野外試驗時收集的影響因素較少，不利於後期進一步分析影響飛火引燃的重要因素。
總體而言，有關飛火行為的研究仍然存在不足，從機理上對飛火行為進行研究具有重要意義，隨著觀測技術的發展，未來應重點開展以下幾個方面的研究：1）飛火顆粒主要是燃著的樹皮、球果和小枝等，隨著森林火災的蔓延，林木逐漸失去結構完整性，這些顆粒從母體分離，基於真實火場的複雜性，為探究其臨界分離溫度，可利用紅外熱成像儀在真實火場中記錄數據並分析，利用點燒數據建立隨機模型來分析顆粒生成過程。2）除利用計算機對顆粒飛遷軌跡進行模擬外，可將粒子圖像測速技術(PIV)引入該研究，以將飛火顆粒在飛遷過程中速度變化描述得更加直觀。3）在進行引燃實驗時，除質地均勻的木質和金屬顆粒外，研究對象還可選擇林內自然存在的球果、小枝和樹皮等飛火顆粒，以更有利於還原林內真實火行為。4）在今後的研究中，應建立基於大量點燒數據的包含火源條件、環境因素和可燃物特徵等多種因素的飛火行為模型，在森林火災發生之後利用這些有效的飛火行為模型，可以提高飛火等高能量火的預警精度和響應時間，對於提高森林火災撲救效率、降低火災撲救過程中的傷亡具有重要意義。
第一作者：楊光，女，博士，副教授，主要從事林火生態研究，E-mail: [email protected]。
通信作者：邸雪穎，男，教授，博士生導師，主要從事林火生態研究，E-mail:[email protected]。
閱讀更多 中國工程科技知識中心 的文章
