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林火爆燃机理研究

时间:2020-02-05 15:05:04    

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林火爆燃作为一种极端的林火行为,对一线森林消防员的生命安全构成了极大的威胁,也造成了重大人员伤亡。但目前国内对林火爆燃的研究较少,人们对林火爆燃的认识还十分模糊,常与建筑火灾的轰燃、回燃等概念混淆。本文旨在对林火爆燃的概念、成因进行深入分析,为林火爆燃的预防及避险提供可a借鉴的应对策略。

  林火爆燃机理研究
 
  张志强  中国消防救援学院
 
  摘要:林火爆燃作为一种极端的林火行为,对一线森林消防员的生命安全构成了极大的威胁,也造成了重大人员伤亡。但目前国内对林火爆燃的研究较少,人们对林火爆燃的认识还十分模糊,常与建筑火灾的轰燃、回燃等概念混淆。本文旨在对林火爆燃的概念、成因进行深入分析,为林火爆燃的预防及避险提供可a借鉴的应对策略。
 
  关键词:森林火灾;林火爆燃;混合可燃气体;峡谷地形

  作者简介:张志强(1978—),男,汉族,山西临汾人,硕士学历,研究方向:森林消防安全、现场救助。
 
  2019年3月31日,四川省凉山州木里县雅砻江镇立尔村发生森林火灾,在灭火行动中,由于风力风向突变,突发林火爆燃,最终造成27名森林消防队员和3名地方干部群众英勇牺牲。英雄离世,让我们无比心痛。在追思英雄的同时,心中的种种疑惑也随之产生:什么是林火爆燃?为什么会发生林火爆燃?如果发生林火爆燃,我们应如何应对,如何最大限度地保护自身安全?本文笔者结合多年森林灭火实战经验,对林火爆燃机理及对策进行研究,希望能为一线森林消防员安全灭火提供科学支撑。(注:以下所提及的“爆燃”“轰燃”等火行为都是针对森林火灾而言的。)
 
  一、何为林火爆燃
 
  其实“爆燃”并不是一个新生词汇,林火爆燃现象也不是在这次四川木里森林火灾中首次被发现。世界范围内的森林火灾(尤其是重特大森林火灾)曾多次发生林火爆燃,造成了重大人员伤亡和财产损失。
 
  2005年7月26日,西班牙瓜达拉哈拉省阿尔托塔霍公园(Alto Tajo Park)保护区发生森林火灾,最终造成11名消防员死亡,1人重伤。西班牙ADAI消防实验室对此次森林火灾行为进行了详细分析并形成了综合技术报告,认定此次火灾发生和致死的首要原因是火灾速度和强度出人意料地快速发展,这种现象通常被称为爆炸性或喷发性火灾,即爆燃。报告认为爆燃行为是峡谷地区林地火灾的典型特征。林火爆燃的概念首次被正式提出。
 
  我国对于林火爆燃现象很早就有观察和记载,但由于名称、叫法不同,所以没能正式提出“爆燃”这个概念;通常以火龙卷、火爆、爆发火来解释这一特殊火行为。如1987年5月6日,黑龙江省大兴安岭林区特大森林火灾,大火燃烧了28天,最终造成211人死亡, 266人烧伤;火灾期间多地曾报告发生火爆、火龙卷等现象造成火势迅速扩大。2010年12月5日,四川省甘孜州道孚县发生山地灌丛草原火灾,消防队员在清理沟内余火时,突起大风,引发爆发火,最终造成22人死亡,4人受伤。
 
  那么到底什么是“爆燃”呢?要想准确定义“爆燃”,首先要准确把握其与“轰燃”之间的联系与区别。
 
  (一)轰燃(flashover)
 
  轰燃是指由于热辐射作用,山谷内未燃区域突然卷入燃烧的现象;燃烧区域的热辐射使未燃区域可燃物表面温度快速升至燃点,瞬间同时燃烧。其过程是从一点燃烧迅速扩大到全面燃烧,这表明轰燃是一种温度驱动(燃料控制燃烧)的现象。它要求火焰的辐射热使未燃可燃物温度快速升高,并瞬间同时燃烧;因此,轰燃不受时间限制,其可以发生在火灾的初期阶段(如图1所示),也可以发生在火灾的熄灭阶段(如图2所示);只要温度足够高,达到可燃物的着火点,就有可能发生轰燃。当森林发生轰燃,则标志着火灾进入了全面发展(猛烈燃烧)阶段。
 
  图1 火灾初始阶段的林火轰燃
 
  图2 火灾熄灭阶段的林火轰燃
 
  (二)爆燃(deflagrate)
 
  爆燃是一种烟气爆炸现象;当流动的空气(风)进入山谷内阴燃火区域(所谓阴燃火是指,当空气中氧气含量低于14%时,可见火焰减少,但可燃物仍在燃烧,温度在燃点以上。),与可燃气体充分混合,当达到爆炸极限时,以爆炸的形式被点燃,迅速释放压力和能量,对消防员危害极大。爆燃是一种空气驱动(通风控制燃烧)的现象。事实上,大多数森林火灾都是空气驱动的。因此,爆燃发生在火灾熄灭阶段(阴燃阶段),这时一旦补入流动的空气,几乎任何一个相对封闭的空间(峡谷地形)都可能发生爆燃(如图3所示)。
 
  图3  火灾熄灭阶段的林火爆燃
 
  综上所述,“爆燃”和“轰燃”作为两个极为相似的林火行为,两者既有共同点又有不同点,我们需认真理解并加以区分(见表1所示)。
 
  1.共同点
 
  “轰燃”和“爆燃”都发生在相对封闭、通风条件不良的峡谷地形。因为对于“轰燃”来说,相对封闭的峡谷地形有利于热辐射传导、减少热量散失、有助于可燃物表面温度升高;而对于“爆燃”来说,相对封闭的山谷地形有利于CO等可燃气体的聚集,保持温度,当新鲜空气补入后发生预混燃烧。
 
  2.不同点
 
  (1)燃烧特征不同。“轰燃”发生时,其外在表现为浓黑烟夹杂着火焰迅速向四周扩散(如图4所示);“爆燃”发生时,其外在表现为向上猛烈升腾的对流柱(蘑菇云)及向四周扩散的火焰(如图5所示)。
 
  图4林火轰燃产生的浓黑烟                  图5林火爆燃产生的蘑菇云
 
  (2)燃烧方式及类型不同。“轰燃”是以温度驱动的固体(木材)燃烧,而“爆燃”则是以空气驱动的气体燃烧(混合可燃气体)。
 
  (3)发生阶段不同。“轰燃”可发生在火灾的初始及熄灭阶段,而“爆燃”只发生在火灾的熄灭阶段。
 
  (4)能量传递不同。“轰燃”以热辐射方式传递热量,“爆燃”则以爆炸方式传递冲击波和热量。
 
  表1  轰燃和爆燃的共同点与不同点
 
  轰燃爆燃
 
  共同点地形山谷(狭窄山谷、单口山谷)、山洼、相对封闭的草塘沟
 
  不同点燃烧特征四周扩散的浓黑烟、 四周扩散的火焰向上升腾的强对流柱(蘑菇云)、四周扩散的火焰
 
  燃烧方式固体燃烧(林木)气体燃烧(CO等混合气体)
 
  燃烧类型温度驱动(燃料控制燃烧)空气驱动(通风控制燃烧)
 
  发生阶段初始阶段、熄灭阶段熄灭阶段
 
  能量传递热辐射爆炸
 
  二、林火爆燃的成因
 
  林火爆燃是一种极端的林火行为,其发生、发展通常受可燃物、地形和气象因子三者的相互作用和影响。
 
  (一)可燃物因子(以CO为主的混合可燃气体)
 
  木材的主要成分为纤维素、半纤维素和木质素,主要组成元素是碳、氧、氢和氮。当木材加热至110℃时就会干燥并蒸发出极少量的树脂;加热到130℃时开始分解,产物主要为水蒸气和二氧化碳;加热到220-250℃时开始变色并炭化,分解产物主要是一氧化碳、氢气和碳氢化合物;当加热到300℃以上,有形结构开始断裂,在木材表面垂直于纹理方向上木炭层出现小裂纹,这就使挥发物容易通过炭化层表面逸出。
 
  森林不充分燃烧,尤其是阴燃(只见黑烟,不见明火)时,其温度在木材燃点(250-300℃)以下,此时木材分解的主要产物是一氧化碳(约为40.17%);其次是氢气和碳氢化合物(约为3.76%)。一氧化碳的密度(1.250g/L)和空气密度(1.293g/L)相当,在相对较低的温度下几乎可以和任何混合物混合燃烧,爆炸浓度极限很宽(见表2所示)。
 
  表2 常见可燃气体的爆炸极限
 
  气体名称氢气 H2一氧化碳 CO甲烷 CH4乙烷 C2H6乙烯 C2H4氨气 NH3
 
  爆炸下限(%)412.55.333.115.5
 
  爆炸上限(%)7574.21412.53227
 
  (二)地形因子(峡谷地形)
 
  当森林不充分燃烧所产生的可燃气体浓度达到爆炸下限或低于爆炸上限时,爆燃才有可能发生。但在野外开放环境中,尤其是地势相对平坦、通风良好的地形,可燃气体几乎很难达到爆炸极限。而相对封闭的峡谷地形(如单口山谷、狭窄山谷、山洼、草塘沟),则有利于可燃气体的聚集,为爆燃的发生提供了有利的前提。2010年“12·5”四川道孚山地草原火灾就是发生在一条常年流水冲刷而成的狭窄山谷(呷乌沟)内,消防队员在清理沟内余火时,火场突起大风,引发林火爆燃,最终造成重大人员伤亡(如图6所示)。2019年“3·30”四川木里森林火灾则发生在三面环山、坡陡沟深的单口山谷中,消防员清理谷内烟点时,风力风向突变,突发爆燃,最终造成人员遇难(如图7所示)。
 
  (三)气象因子(风)
 
  风作为助燃物,为爆燃的发生提供了充足的氧气。在峡谷地形中,当林木不充分燃烧产生的一氧化碳,经过一段时间的聚集,其浓度已达到爆炸极限;此时一旦有风吹入谷内,一氧化碳就会与空气充分混合,遇有火源产生带有冲击力的预混燃烧。其特点是燃烧反应快(≤10秒),温度高,火焰传播速度快;人若在其中则很难逃生。
 
  综上所述,林火爆燃发生的前提是火场植被干燥、易燃、温度高,部分植被处于阴燃状态;而导致林火爆燃的直接原因一是地形相对封闭(狭谷地形);二是可燃气体聚集,浓度达到爆炸极限;三是风向、风力突然变化,发生预混燃烧。
 
  三、林火爆燃的应对策略
 
  一是掌握林火爆燃先兆,做到预有准备。林火爆燃发生往往只有短暂的10秒左右时间,而消防员从反应到逃生也只能向外移动大约1.5米。所以一旦发生爆燃,身处爆燃发生区域的人想要逃生几乎是不可能的。因此,消防员在开展灭火行动时,要警惕不利地形和风向,了解爆燃先兆,及时预警及撤离。
 
  二是在峡谷、沟壑地形进行灭火作业时,要在制高点预先设置观察员进行警戒,并随时报告火场态势。同时,要提前预设安全避险区域,当风力风向突变发生险情时,可迅速撤至安全区域避险。
 
  三是用水冷却、破坏可燃气体烟气层。若火场水源充足,可利用水泵对峡谷内的高温混合气体进行降温、稀释,以降低可燃气体的温度及浓度。同时,水泵还可扑灭谷内阴燃可燃物,降低谷内热辐射,破坏爆燃发生条件。
 
  四是对于浓烟弥漫、情况不明、危险性大的深谷地形,尽量采取间接灭火手段。以间接灭火为主(开设防火隔离带、火攻灭火等),直接灭火为辅,减少扑火人员与火直接接触,避免人员伤亡。
 
  五是穿戴好个人防护装具。人的皮肤在51.1℃会烧伤,148.9℃的空气会烧伤人的呼吸道,使人窒息死亡。因此,穿戴好个人防护装具将大大提升爆燃发生时存活率。
 
  参考文献:
 
  Viegas D X,Simeoni A. Eruptive Behaviour of Forest Fires[J]. Fire Technology,2011,47(2):303-320.
 
  Viegas D.X.,Caballero D.,Cruz M.,Palheiro P. (2005) Análisis del incêndio acaecido el 17 de Julio de 2005 en Riba de Saelices (Guadalajara) y del accidente en él ocurrido,con el resultado de 11 víctimas mortales del Retén de Cogolludo. Relatório técnico elaborado pelo Centro de Estudos sobre Incêndios Florestais,ADAI,Coimbra 5 de Dezembro de 2005. 47pp.
 
  公安部消防局.消防安全技术实务[M].机械工业出版社,2014.

 此文刊登于《消防界》2019年6月刊(上)

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