森林火災中“爆燃”研究綜述

張文文，王秋華，徐偉恒，閆想想，龍騰騰，魏建珩，高仲亮

(1.西南林業大學土木工程學院/云南省森林災害預警與控制重點實驗室，云南 昆明 650224;2.西南林業大學大數據與智能工程學院/林業生態大數據國家林業與草原局重點實驗室,云南 昆明 650224)

盡管氣候變化，尤其全球變暖明顯，但退耕還林、天然林保護工程等已見成效，森林可燃物載量持續增加，加之西南林區特殊地形地貌、氣象和火源特征等因素，極易發生極端火行為[1]。其中，爆燃現象危害嚴重。涼山州木里縣2019年“3·30”森林火災，撲火人員在轉場途中突遇林火爆燃，遇難30人[2]。1987年大興安嶺林區“5·6”特大森林火災也曾有爆炸式燃燒現象發生[3]。2010年，四川省道孚縣山地灌叢草原大火也是典型的爆燃火，造成正在處理余火的22名撲救隊員遇難。西班牙ADAI消防實驗室研究人員認為爆燃行為是峽谷地區林地火災的典型特征[4]。林火爆燃通常指爆炸性或噴發性火災[5]。舒立福[6]認為山火在蔓延過程中遇到復雜地形、豐富可燃物或大風充分供氧條件下，可能會產生爆燃火。楊光[7]認為爆燃是火燃燒過程中的特殊形式，即其林火行為由常態向極端發展變化需要一定的時間。張志強[5]認為爆燃發生在火災熄滅階段(陰燃階段)，此時如遇流動空氣，峽谷地形可能會發生爆燃火。Viegas[8]等在實驗尺度上證實了火勢在開放峽谷中的蔓延十分迅速，認為是爆發性的。在森林大火中，爆燃火雖然比例非常小，但其火行為表現極其狂烈，破壞性極大、損失嚴重、救助極為困難。此外，林火爆燃涉及植被、燃燒學、氣象學等諸多理論，不確定性多，不易展開模擬實驗。現階段，在世界范圍內，對于爆燃這樣大尺度極端火現象的研究投入還不夠，其形成機理、蔓延過程等研究鮮見，預防與撲滅問題尚在攻關。

1 “爆燃”火行為規律特征

1.1 以動力燃燒為主兼容擴散燃燒，煙霧濃度高

爆燃指火災在蔓延過程中，爆炸式的、以動力燃燒為主兼容擴散燃燒的燃燒現象。固體可燃物的擴散燃燒反應機制與常規林火相同，整個反應速度受燃料分子與氧化劑分子間的擴散速度所限，缺氧情況下的燃燒會產生大量可燃氣體。在爆燃火觸發的瞬間，動力燃燒占據主導地位，整個反應速度受爆燃過程中所產生的高溫和氣流驅動固體可燃物的擴散速度限制。在爆燃火形成后，火區處于高溫缺氧狀態，產生大量CO氣體，這些氣體在運動過程中與空氣相遇，變為非均質混合氣體，可使處于動力燃燒的非均質混合氣體得到補充，因而會出現動力燃燒與擴散燃燒的互促現象。但由于動力燃燒反應速度極快，當主要的可燃混合氣供應不足時，爆燃現象就會消失，所以動力燃燒與擴散燃燒不會長期出現共促現象。

林火發生爆燃時會出現多股煙霧(煙粒和霧滴)，其主要是由燃燒產生的固體微粒炭、微小液滴和氣體(蒸氣)的混合物，此外還夾有森林可燃物的小碎片。爆燃瞬間，熱氣團克服表面吸引力，進而破裂，其產生的巨大能量將大顆粒碳塊被粉碎并卷入上空。從傳質角度來看，爆燃過程中發生對流傳質與擴散傳質，氣體質點在熱對流條件下不斷運動、混合，將煙霧由地面帶到高空，并隨著氣流擴散，這使得煙霧濃度高且范圍大。傳質時的復雜流動形成了一個強烈擾動帶和混合區，使得對其動力學的行為無法進行定量描述[9]。

1.2 熱交換能量高，具有突發性和偶然性

森林火災的一個重要特征就是產生大量的熱，森林火災爆燃瞬間溫度可達 1 000℃以上發生。火災發生時，火區煙流主要以對流柱、飛火、火星雨、火旋風等形式在可燃物附近和燃燒區域以外進行著熱量的傳遞與交換。爆燃火的發生主要以不同尺度的可燃非均質混合氣體燃燒為主，熱交換形式具有隨機性，與混合氣團的容積尺度等特征有關。爆燃火進行熱交換時能量巨大。

爆燃火的動力燃燒現象決定了其突發性。動力燃燒狀態下，爆燃火發展迅速并釋放大量能量，所以在宏觀上爆燃火是突發的。從爆燃火的形成過程來看，在爆燃火發生前出現了缺氧燃燒并產生了大量可燃混合氣體，只有這些混合氣體的數量和濃度達到可燃下限，火場的高溫或火源引燃可燃氣團時才會發生爆燃火。從火災發生條件來看，爆燃火的形成因素不是單一的，需要特殊的可燃物、極端天氣、復雜地形條件等因素的綜合作用。所以爆燃火的發生具有偶然性。

1.3 燃燒強度大且蔓延速度快

林火爆燃行為是一個自激過程，爆燃火本身引起的對流會對燃燒區產生反饋，從而改變其特性，火災蔓延急劇增加，導致火災失控[8]。爆燃火可能發生在陡坡和峽谷中，風因子對爆燃火也有影響。受地形加速、環境風加速效應，爆燃火燃燒強度大、蔓延速度高。Coen[10]等將數值天氣預報模型與火災行為模塊雙向耦合，模型(CAWFE)驗證了大氣條件、燃料特性和地形坡度決定了火災蔓延速度和方向，火釋放的熱量反過來影響附近的風，特別是產生火風。大氣的不穩定性也會對風場分布產生重大影響，從而影響到燃燒速度，此外，大氣的不穩定程度有助于對流柱的發展，增進了火燒強度[11]。

Clark[12]等在研究火災與大氣的相互作用過程中，耦合分析了Clark-Hall大氣預測模型與火災燃燒模型，表明火災釋放的熱量與氣體進入大氣，引起火場區域空氣強烈流動，空氣的流動反過來進一步影響火災的蔓延速率和方向。高坡度地形下火焰兩側氣流不均勻，火焰兩側的壓差使火焰偏離豎直方向，向上坡面附著，大大加強火前方向上上坡面對流傳熱，提升林火蔓延速度，火頭沖擊式快速向前蔓延，其蔓延速度大大超過了常規林火蔓延[13]。

2 “爆燃”形成機制

可燃物、火源、氣象構成森林燃燒三要素。爆燃火的形成非常復雜，關聯于森林有效可燃物、干旱條件、風速和大氣的不穩定性等[14]。爆燃主要取決4個條件的“串聯”作用。有效可燃物對于火行為是一個關鍵因子，發生森林爆燃火必須積累足夠的有效可燃物，且可燃物含水率低、易燃燒。有效可燃物增加對火強度的影響常常增長很快，其原因之一就是對流交換的能量所致[25]。地形地勢是間接的生態因子，在陡坡、窄谷、窄山脊線、葫蘆峪、鞍部或破碎地形處的林火會受到地形影響，產生氣流變化，熱分解產生大量高濃度可燃氣體，突遇大風補充大量氧氣便產生爆燃(圖1)。

圖1 林火爆燃的驅動因素

2.1 氣體燃燒

爆燃火的實質就是非均質混合氣體燃燒，屬于一種化學爆炸行為[16]。在炎熱的天氣下，在夏天或火災來臨時，植物會釋放出揮發性有機化合物，溫度越高，揮發性有機化合物的排放量就越大。在特定的條件下(主要是地形、氣象和大氣)，可燃氣體在適當區域聚集，因此，非均質混合氣體的濃度可能會達到爆炸下限，在與火接觸時觸發爆燃。基于火災本身產生的對流，當火勢在斜坡上蔓延時會產生吸入現象，為火勢提供氧氣。火焰越傾斜，速度越快，需要更多的氧氣，從而誘導流動[17]。此外，林火通過輻射或對流向腐殖層進行熱傳遞，加熱過程中腐殖質層會產生氫、一氧化碳、甲醇以及甲烷等低級烴及其含氧衍生物等氣體和蒸汽，風帶來熱浪，可燃物達到一定燃點時也會發生爆炸。

2.2 爆發性

火焰在峽谷內的傳播可能具有爆發性的火災行為。當火焰鋒面相當快地到達峽谷內，火點在厚的可燃物內部逐漸侵燃，消耗大量的氧氣，使得火點附近氧含量降低，不完全燃燒產生大量的CO和揮發性物質。Viegas[18]等構建了一個描述火鋒與周圍空氣對流相互作用的理論模型，用以解釋林火爆燃現象。Chetehouna[19]等基于熱化學假說，通過峽谷中積累的迷迭香屬植物生物揮發性有機化合物加熱，用經驗關聯式計算了這些組分的理論可燃極限，結果表明，排放的生物揮發性有機物可導致森林火災加速。在復雜地形影響下，可燃氣體被不斷積累。當火區氧氣含量突然升高，燃燒狀態由擴散燃燒轉變為動力燃燒，可燃物燃燒更加劇烈，燃燒產生大量的熱和氣態物質，達到爆炸濃度下限，瞬間形成破壞性極大的爆燃[20]。

2.3 要素耦合

爆燃火耦合包括：(1)氣體對流作用，兩火線相互吸引，形成對流傳熱，火羽流引起的火災(Plume-driven fires)是最危險和最不可預測的火災類型，由火災產生的對流驅動，對流上升，在地表產生氣流，可能導致大規模的定點和迅速且不穩定的火災蔓延[21]。(2)在山谷中的原始森林，枯枝落葉常年積累，地表可燃物復雜，同時受持續高溫、干旱影響，山地中可燃物的結構、組成、分布均發生了變化。(3)高山峽谷地帶地形復雜，火的傳播與地形風以及在白天和晚上發生在斜坡內的不同的熱降溫作用相結合，火災跟隨盛行風的方向，并于山區山脊方向相互作用，風力驅動的火災會在高強度下燃燒，因為增加了通氣(強制對流)，火災會迅速傳播。(4)大氣的不穩定性常常伴隨著熱湍流，可引起極端火行為。冷鋒過境是造成大氣不穩定的一個重要因素。

3 森林火災中“爆燃”應對策略

3.1 加強預警監測

充分利用物聯網、大數據、云計算等現代化技術手段，科學預測森林火險等級，實現森林火災立體化監測。利用PID影響事件演算技術設計基于數學公式的相應溫度等級的序列報警生成系統，對森林火災發生溫度的判別進行分析，幫助管理人員監測火災發生情況，特別是在敏感的森林地區，如灌木叢、草地等[22]。對于模塊化結構的森林火災監測系統，可根據火災嚴重程度設置由低到高的報警模式，其中感知模塊對煙氣、溫度、光等快速傳感器進行綜合監控，有效提高報警成功率[23]。基于開放式WebGIS標準的標準化系統，通過FireGIS系統集成，對火災前、火災和火災后活動非常重要的詳細區域地圖繪制，適用于各種森林火災活動并且可以在微位置尺度(特定地點)上動態預測森林火災風險指數[24]。

建設綜合森林防火信息網，大幅提升森林防火信息感知、信息傳輸、信息處理和信息應用4種能力，實現森林防火應用數據互聯互通、共享共用，實現國家、省、市、縣各級指揮中心信息聯通[21]。及時發布預警信息，采取超常規思路，提前防范部署，確保火情早發現、早處置[25]。基于三維技術構建真實的三維場景，實現信息一體化[26]。

3.2 建設防火工程

從防范體系到應急機制，建立森林防火立體防護網[27]。運用自然資源和人工設施建設立體防護網，合理利用森林周圍的景觀廊道，將林區優勢充分體現出來，提高森林防火能力[28]。結合林區優勢，構建封閉式林火阻隔網，加強防火阻隔帶的維護和建設，可以更好地減弱火勢，切斷火源，降低爆燃火產生概率[29]。

綠色防火帶是控制火災的基礎設施且在阻斷火焰輻射和外部火源、保護當地水土、維護當地生態等方面具有明顯的優勢。生物防火林帶具有降低氣溫、提高空氣相對濕度的作用[30]，通過降低火災強度、降低火災蔓延過程中的傳熱效率，最終導致火災蔓延終止，進而切斷爆燃火形成的有利條件[31]。

3.3 提高管理效率

未來的森林火災態勢更為嚴峻，必須充分發揮中國特色應急管理體制優勢，堅持預防為主、防滅結合、高效撲救的方針，明確應急管理和林草部門職責分工，形成強大合力，把制度優勢轉化為森林與草原火災治理效能[32-33]。西南地區是少數民族聚居區，有彝族、藏族、納西族等多個世居少數民族[34]，他們有自己的火文化和用火習慣，需要重視森林火源管理，不得攜帶火種進入森林，還需要對村民進行火災防范教育，宣傳森林防火工作要點。

可燃物管理的主要目標是減少可燃物的火行為和火效應[35]。在制定可燃物管理策略時，要充分考慮可燃物類型之間相互作用及其在不同類型火情中的火行為差異，建立全國可燃物分類標準和體系，制作全國火險區劃[36-37]。Costa[38]等率先提出了根據火災類型管理野火的概念。綜合考慮地區所有因素(火歷史、入侵植物、受威脅和瀕危物種、人類發展、文化遺址等)，允許以火防火，充分發揮火的生態價值，讓火重新進入生態系統[39-40]。面對爆燃火這種超出可控火范圍的極端火，需對撲救策略進行修訂，改變撲救戰術，制定全面的林火行政管理科學構架[41]。

3.4 保證人員安全

近年來，爆燃火事件的發生率不斷上升，人員安全威脅越來越大，必須為消防人員制定具體的消防安全程序并開發新防護裝備以免遭爆燃火傷害[42]。Ustinov[43]等提出“水玻璃-石墨微粒”復合材料的組成及生產工藝，研究了防火復合材料在被保護表面上的應用方法。Viegas[44]等認為利用防火玻璃纖維織物和外部鋁層反射入射輻射熱并結合灑水系統，在一定程度上可緊急保護消防員的安全。張廣駿[46]等認為應用Repast S進行復雜系統知識融合的建模，可使得樹木、林火、消防員三者在二緯林地網格(grid)空間中交互，保障人員安全。

撲滅森林大火是一個立體化的協作過程(圖2)。撲火人員應做好應急防護工作，以間接撲救為主，直接撲救為輔，空中力量為主，地面力量為輔，減少撲火人員與火直接接觸，避免人員傷亡。撲火前勘察火場，全面掌握火場周圍地形、撲火時天氣、當地植被等條件。預先設定安全區，嚴密關注火場情況[46]。建立基于火行為模型的區域聯防撲救指揮系統，形成專業化的林火撲救指揮體系。

圖2 4個層面的爆燃應對策略

4 研究展望

近年來，爆燃火研究已從外觀現象的描述逐步向引起爆燃火發生的可燃物、地形和天氣條件等因素發展，并且取得了一定進展。但爆燃火研究仍是國內外研究難點和重點之一，如何對爆燃火發生發展進行實驗模擬，揭示林火爆燃機理，如何結合火環境的實際狀況對爆燃火進行預報，以及在撲救過程中如何對爆燃火進行安全防范，尚需進一步研究。由于涉及的物理化學因素多，變量之間的顯著的非線性關系，使得野火的蔓延和行為成為一個復雜現象，精確的火災行為模擬至關重要[47]。

對現有記錄的林火爆燃行為進行詳細分析并形成綜合技術報告。從國際經驗來看，每次大火發生，研究人員可獲許第一時間進入火場做調查分析，由研究人員和消防人員共同完成最終調查報告。這能獲得詳盡的火災報告和統計分析資料，對于研究極端火發展與環境影響有特殊價值。國內研究常通過火燒跡地調查、室內分析、燃燒實驗，基于火燒跡地實測數據，結合火場環境特征，通過對典型林分可燃物理化性質、熱解特征、煙氣特征和揮發性代謝產物特征等的測定，總結易發生爆燃火的火環境，分析森林爆燃火發生機制。

防滅火單位應進一步加大對爆燃火方面的科研投入，從基礎性和應用性兩方面提升對爆燃火的認知水平；研發森林爆燃火滅火設備，提高消防員輔助設備進行火災系統的能量分析，從能量分析中獲取轉變條件；從氣象、植被、熱力學和空氣動力學等方面對爆燃火進行分析，采用幾種火災傳播模擬模型，更好地了解爆燃機制[48]；利用高空間分辨率多光譜數據與激光雷達(LIDAR)數據，不斷提升森林可燃物類型分類和制圖的精確度，提高林火蔓延速率及火行為預測準確度[49-50]。