集雨井在森林消防中的應用研究綜述

魏建珩，張文文，閆想想，王秋華，高仲亮

(西南林業大學 土木工程學院，云南 昆明 650224)

森林火災是森林資源的大敵，火災發生后會導致大量林木資源損失，燒傷林木或輕傷林木生長衰退，改變林分結構，導致森林土壤理化性質改變，破壞森林生態系統，國家財產、人員易造成巨大損失，如何進行有效且安全的林火撲救一直是困擾各國的難題。世界各國均首選用水撲救森林火災，其優點在于水比熱容和汽化潛熱大，升溫和汽化過程中將吸收大量熱能,常壓下汽化時體積膨脹約1 603倍，有效地稀釋燃燒區域內可燃氣體和氧氣的濃度，水膜可阻止氧氣參與可燃物的燃燒反應，這些性質使水成為理想的天然滅火劑[1]。林中水資源皆來自于降水，我國有效降雨量(≥250 mm)分布地區廣，天然降水資源豐富，但我國對天然降水的利用率不高，相較于國外的高利用率，我國天然降水資源利用前景廣闊，潛力巨大[2]。以水滅火具有撲滅初期火災迅速、撲打低強度地表火效果明顯、清理火場徹底等特點，實現“打早，打小，打了”目標，是撲救森林火災的首選方式[3]，實施以水滅火中水源補給建設格外重要。發生森林火災的高峰時段常常伴有高溫、干旱、大風等天氣，水資源在此時急劇減少，因此在林區建設水資源補給設施就非常重要。通常來說，林區內建設集雨井能有效解決滅火水源缺乏的問題，使人們在火災發生初期就能迅速利用就近水源控制火情，提高滅火效率，降低森林資源的損失。

21世紀以來，我國以水滅火撲救森林火災主要聚焦于研發水陸兩用裝甲消防車、J-50 森林消防車、滅火水泵、吊桶灑水滅火作業的M-26重型直升機等各種新型裝備[4]，提高了我國森林火災撲救效率，實現快速控制森林火災，降低火災損失，但野外火場尋找水源和供水困難，遠距離輸水會降低撲火裝備的使用效率，增加撲救人員體力消耗。集雨井作為一種雨水收集裝置，根據林區內降水量、降雨時段、滅火需水量、地形等數據進行合理布設，改變林間水資源時空分布，充分發揮以水滅火裝備的戰力水平[5～6]。林區合理布設集雨井能減少防火隔離帶建設需求，增強森林防火阻隔系統，有效控制森林火災蔓延，提高森林火災撲救效率，保護現有森林資源免遭森林火災危害，有效控制森林覆蓋率下降，維護森林景觀完整性和美觀性，促進林業可持續發展，利于涵養水源、保持水土、防止風沙等，還可減少森林防火投入的人力、物力、財力，是貫徹“預防為主、積極消滅”森林防火方針的有利工程技術手段。集雨型森林消防井設施還可以有效改善山地水的利用問題，做到低投入、高回報，解決旱地澆灌問題，提高農林、林果、林藥生產效率，繁榮山區經濟，活躍山區生活。

1 集雨系統利用和布設研究現狀

1.1 集雨系統利用現狀

為提高我國森林防火技術，增強森林火災火場控制能力，首要解決水源問題，在林區內修筑集雨井是解決水源問題最有效手段，此項技術措施將貫穿森林防、滅火全過程，建設和布設集雨型森林消防井是增強森林防火的基礎性技術措施最直接、最可靠的手段，將大幅提高森林防滅火技術水平。但根據查閱相關文獻和實地調查發現，集雨系統較少用于森林撲火，多用于我國降水較少地區的農林灌溉，主要分為雨水徑流導引和雨水存儲設施兩部分[7]。

1.1.1 雨水徑流導引 徑流導引是雨水徑流收集的主要措施，是指利用集雨區現有地形或對集雨地表進行物理、化學處理，以提高雨水收集效率，主要有以下幾種方法：利用光滑且透水性小的巖石如花崗巖、砂巖構成的自然坡面導引雨水徑流[8]；利用混凝土、塑料薄膜、橡膠等材料修筑排水渠導引林內徑流[9]；清除25 cm寬植被帶，再壓實土壤，縮小土壤間空隙，以減少雨水滲透[10]；利用土壤封孔劑、斥水劑、土壤結構分散劑使得土壤具有斥水性[11]以達到徑流導引作用；利用微生物反應過程，如微生物礦化、微生物膜、微生物產生氣泡等降低孔隙材料滲透性[12]。

1.1.2 雨水儲蓄設施 目前國內雨水儲蓄設施多用于北方干旱少水地區，利用各種有效措施把有限的降水匯集存儲起來，供農村人畜用水與農作物灌溉，主要儲蓄設施有水窖、蓄水池和塘壩。水窖需選擇經過防滲處理的區域，或利用具有產流能力的不透水坡面，使得降水引入地勢較低的水窖儲存，單個水窖儲水量一般在30～50 m3；蓄水池一般選擇在溝渠旁、村莊附近有可能匯集徑流的地方，或是能調蓄山泉、溪水的天然洼地、人工蓄水池，蓄引結合，長蓄短用；塘壩是一種利用有較大匯水量的低洼、溪谷等筑壩進行蓄水的設施，有蓄水量大的優點。塘壩的攔水壩、取水口和泄洪建筑物應根據小型水庫的技術要求進行設計和施工[13]。

1.2 集雨型系統布設研究現狀

集雨型系統的良好運行很大程度上取決于布設地點的選擇[14]。目前，國外學者為確定合適的集雨設施布置地點展開了大量研究，首先是確定布設位置的影響因素，20世紀90年代，擇址影響因素主要側重于生物物理因素，如降雨量、坡度、土壤類型、排水網絡和土地利用[15-17]。21世紀后許多學者都試圖將社會經濟因素與生物物理因素結合起來，作為選擇適宜的集雨地點的主要因素[18-20]。21世紀初，聯合國糧食及農業組織(AFO)列出了氣候、水文、地形、農業、土壤和社會經濟六個集雨設施選址主要指標，在確定指標的基礎上利用一定的技術將指標整合，目前比較成熟的技術是利用GIS(Geographic Information System)/RS (Remote Sensing)確定適合的集雨設施位置，獲取并處理高程數據、土壤性質數據，再利用水文模型(Hydrological models，HM),如Thornthwaite and Mather (TM)模型、The Soil Conservation Service (SCS) 模型、Curve Number (CN) 模型等計算地表徑流，在確保最大效率收集降水的情況下確定集雨系統布設位置，結合層次分析法(The analytic hierarchy process，AHP)確定布設地區的影響因子對地表徑流影響的重要性排序，使選址結果更加合理。國外以GIS、RS為技術支撐，選擇適當標準為基礎，結合不同模型，與當地流域適應的集水水庫成為集雨設施布置的主要研究方式，該方法能夠減少布設成本和對環境的影響。

國內關于集雨型布設系統研究起步較晚，且研究較為籠統，張慶梅等[21]在森林防火網阻隔系統的基礎上利用最短距離算法確定消防井布設位置，李海偉等[12]認為山地集雨系統布設應位于林區邊緣、林中道路兩旁、村莊附近等林火高發地區，田書超[22]在建立森林消防水源選址評估模型的基礎上采用模糊綜合評判方法評判了水源選址的合理性，王艷霞等[23]利用GIS空間分析方法確定蓄水池選址影響因子，提出了森林防火蓄水池選址方法。通過以上國內外學者研究成果得出：基于GIS技術識別潛在的森林消防井預設地點更具有合理性，可以成為未來集雨井研究的重要方向。

2 森林消防集雨井的設計研究

2.1 集雨型森林消防容積的確定

雨水集蓄設施容積設置不宜過大或過小，要能保證充分攔蓄降水和建設投資合理，使用率高，供水充足。根據水量平衡原理，需要在一個水文年內進行計算和求解，其結果要充分滿足蓄水要求，保證用水所需的最小容積，即經濟容積。其具體計算公式[24]如下：

式中，Q為年總雨水集蓄量(m3)，W為年總滅火需水量(m3)，V為水窖經濟容積(m3)；P為時段t內的降水量(mm)，A為雨水集流面積(m2)，w為時段t內的需水量(m3)，v為第t時段的存貯水量(m3)，t為降雨時段。

在經濟容積計算過程中，各參數應用在森林防、撲火中應充分考慮林分性質、降雨條件、火場撲救條件、植被截雨量進行調整。

(1)需水量W：根據火場燃燒所釋放的能量確定需水量。能量的大小是由森林易燃可燃物數量、種類以及分布位置等條件所確定的，不同林分、不同層次的易燃可燃物特征也不相同，要做好所布設地區的需水量估算，就需要充分調查布設區內林分特征、森林燃燒性、易燃可燃物負荷量等數據，最后依據1 kg水化為蒸汽時所吸收225.7 kJ的汽化熱量推算得出所需水量。

(2)時段t內的降水量P：計算時段t內的降水量P時應考慮林內植被的截留雨量，林內的不同層次對雨水的截留量也不相同。其中林冠層截水率占大氣降水量的15%～35%；灌木草本層截留率占1.8%～16%；枯枝落葉層截留率占5.6%～13%[25]。P總量計算應排除無法產流或產流較少(日降水量≤5 mm)的數據[24]。

(3)雨水集流面積的設計主要以集水面的集水性能、集水區有效降雨量、需水量等因素確定，計算公式[6]如下：

A=1 000W/RP*EP(4)

式中，A為雨水集流面積(m2)，W為年總滅火需水量(m3)，RP為p時林內降水量保證率(%)，EP為p時集流面集流效率保證率(%)。

2.2 集雨型森林消防井的外形設計

集雨型森林消防井形狀采用圓柱形，可節省材料消耗，防止水壓在邊角處產生集中應力；底部采用鍋底形，抵抗地下水產生的揚壓力；水窖頂部采用圓臺形，抵抗上部的土壓力；入口直徑在0.8～1.0 m之間，便于人工清淤，需要加蓋密封。

2.3 集雨型森林消防井的防滲設計

集雨型森林消防井在地面以下開挖成形后，進行防滲處理是至關重要的環節。根據不同巖性、不同土質采用不同的防滲結構。在集雨技術中取得的實踐經驗為：片麻巖地區修建鋼筋混凝土結構的水窖；石灰巖地區，可利用開挖出的石料修建漿砌石砂漿抹面結構的水窖；角礫巖地區采用土工織布防滲。

2.4 集雨型森林消防井的維護和保養

集雨型森林消防井設施是一項永久性的防火措施，維護和保養是發揮其防火、滅火效果不可缺少的手段和措施。集雨型森林消防井布設好后，應及時觀察消防井蓄水狀況，及時清理其蓄水的屏障，確保消防井內的集水充足、符合消防水槍的噴射，以保證森林火災時發揮以水滅火、解決水源問題的作用。

3 展望

我國集雨設施多用于農林灌溉，用于森林火災撲救的集雨井設施研究較少，多集中于消防井容積計算、布設選址方面，且尚處于理論研究階段，沒有進行實際的推廣應用，也沒有一個從研究區概況調查到選址到布設以及最后利用效果評價的整體、系統化研究。我國降水資源豐富，特別是西南地區，受季風影響，西南大部分地區為多雨區[26]，而以水滅火又是目前森林火災撲救中主要的作戰方式，因此集雨井的應用推廣十分有必要，借鑒集雨設施在農林灌溉中的應用方式，參考國外學者關于布設選址技術的研究，建立具有我國特色的森林火災撲救集雨設施，為將來森林防火基礎性設施建設提供科學依據。針對我國目前集雨設施應用現狀、林分特征信息，未來的集雨井研究可以從以下幾個方面展開：

(1)集雨設施布設的影響因素。集雨型消防設施布設的影響因素是研究前提，也是最終運行效果的評價準則，該設施運用于森林火災撲救中，應密切考慮林分特征因素，包括森林易燃物分布情況、植被截雨量等；地形因素包括坡度、坡位等；氣象因素包括降雨量、風速等。

(2)合適的選址技術。利用GIS技術進行選址是目前國內外所認可的方式，能夠節約人力、物力成本，達到雨水利用最大化，但在用于森林火災撲救時要結合森林火災發生機制、撲滅方式等多方面考慮，利用影響因素生成不同類別的專題圖，進行疊加分析可以直觀的確定布設區域，再按照一定的服務半徑進行合理地布設。

(3)儲水設備的防火措施。利用雨水修筑的森林消防井是森林火災撲救中必不可少的一環，為保證在火災發生時能迅速使用，該工程應考慮加入防火阻燃技術，如使用導熱系數低的材料、采用無腔結構、增加防火層厚度等[27]。