森林火灾“爆燃”成因及应对策略

白夜 齐方忠 王博 方超

摘要：综述国内外森林火灾“爆燃”研究现状，结合森林消防队伍70余年灭火实战经验积累，对森林火灾“爆燃”规律特征、成因、火环境进行深入分析，为森林火灾“爆燃”预防及逃生提出应对策略，对森林火灾“爆燃”未来研究方向进行展望，为特殊火行为研究和森林火灾科学扑救提供科学支撑。

关键词：爆燃;火环境;可燃混合气体;火行为突变

由于受全球气候变化等诸多因素的影响，森林火灾总体形势日趋严峻，正进入新一轮的高发期，研究解决森林火灾瓶颈问题势在必行。2019年3月30日18时，四川省凉山州木里县雅砻江镇立尔村发生森林火灾，火灾扑救中突遇林火“爆燃”，导致30名扑火队员牺牲，引发社会高度关注。经过对近70余年国内外大量森林火灾案例分析，造成森林火灾群死群伤原因主要是林火行为突变。具体表现为：一是燃烧方向突然改变;二是林火蔓延速度突然增加;三是林火强度突然增大，特别是高能量特殊火行为产生，如飞火、火旋风、爆燃等[1]。目前关于森林火灾“爆燃”特殊行为的研究较少且主要集中在定性分析，但森林火災“爆燃”产生的危害巨大，形成巨大火球、蘑菇云现象，烧死大量植被，产生大量高温有害气体，对森林消防员人身安全造成严重威胁。本文结合多年灭火实战经验，深入分析森林火灾“爆燃”规律特征、成因、火环境，提出森林火灾“爆燃”预防及逃生应对策略，对森林火灾“爆燃”未来研究方向进行展望，为一线森林消防队员安全高效灭火提供科学依据。

1.森林火灾“爆燃”研究现状

克罗地亚2007年8月30日森林火灾“爆燃”导致12人死亡1人重伤，D. X. Viegas等人从气象、植被、热力学、空气动力学多个角度对该火灾案例进行了深入分析，建立了该地区森林火灾“爆燃”火灾蔓延模型，从定义、起因、火焰突然加速机制等方面对爆燃火进行描述[2]。美国林火专家唐纳德波瑞描述了爆燃火发展过程，认为极端林火行为的火灾初期就存在着下山火、冷锋、高压下沉气流和干燥的老龄可燃物等因素。不同学者对爆燃火蔓延速度突然加剧的原因解释不同[3-5]。爆燃火与风速风向、特殊地形（陡坡、峡谷）有关，火焰传播理论认为爆燃火可以自加速，也有研究认为峡谷中未燃烧产物和挥发性有机物的气体积累能够引发爆燃火，J. W. Dold等人提出气流是引发爆燃火的潜在原因。

杜乐天提出了“地下排气说”，认为当地球受力时，地壳变形或者破裂，地球内部蕴藏的大量热气（H2、CH4、CO等）由内向外溢出，地球内部排出的可燃性气体在林区腐植层中聚积碰到静电火花燃烧引发森林火灾[6]。舒立福认为爆燃火是一种火灾在蔓延的过程中，遇到复杂地形、丰富可燃物、大风充分供氧的条件下，出现的类似爆炸式的燃烧现象，温度可以达到1000℃以上，火焰高度达到30m以上。刘乃安认为峡谷和高坡度地形是最容易引发爆燃火的两种地形。峡谷内形成的封闭地形空间导致植被燃烧不充分，地表可燃物通过热解反应产生大量可燃性气体，不完全燃烧产生的气体和空气形成混合气体沉积在峡谷底部，如遇明火就发生爆燃。高坡度地形下火焰两侧气体流动不均匀，火焰两侧的压差使火焰偏离竖直方向，向上坡面附着，大大加强火前方向上坡面对流传热，提升火蔓延速度，在短时间内火势迅速蔓延。杨光认为爆燃火是由常规林火发展而来，其火行为由常态向极端发展变化是一定时间、特殊可燃物、极端天气、复杂地形等条件综合作用的结果。花斑式燃烧的大火场，加上峡谷位置及逆温或低压穴的气象条件，可以转化为快速的动力燃烧或爆炸，形成猛烈燃烧的爆燃火。

2.森林火灾“爆燃”规律特征

森林火灾“爆燃”指爆炸性燃烧，和“轰燃”意思相近，是一种典型的极端火行为，发生时间突然，产生温度极高。森林火灾“爆燃”不仅烧死大量地被植物，危害生态环境和人民群众生命财产安全，还会产生高温有害气体导致中毒，严重时还会产生高温热浪直接将受困者烧亡。

一是森林火灾“爆燃”以动力燃烧为主，伴有冲击波。森林火灾“爆燃”属于极端火行为，具有突发性和偶然性，蔓延方式与常规森林火灾蔓延方式不同，燃烧机制由扩散燃烧变为动力燃烧，发生了根本变化。燃烧强度不断增加，冲击式快速向前蔓延，产生巨大热交换能量，具体形式通常为对流柱、飞火、羽流火、高温热浪、火旋风等。“爆燃”热交换表现特征、持续时间、危害程度具有随机性，与可燃混合气体有关。“爆燃”的能量除周边区域可燃物能量外，还包括该区域之前范围可燃物的部分能量。“爆燃”发生之前发生的不完全燃烧会产生大量可燃性气体，在风力作用下，一定范围内形成大量可燃混合气体。

二是森林火灾“爆燃”强度大，释放能量高。“爆燃”燃烧过程中，以可燃混合气体燃烧为主，火强度急剧增加，且具有突然发生突然停止的特点。当可燃混合气体耗尽，能量释放终止，爆燃火立即终止转变为以可燃物扩散燃烧为主的常规林火。据国外文献报道，爆燃火温度可以达到1000℃以上，火焰高度可以达到30m以上，蔓延速度一般在15-50km/h，火线强度达20000kW/m以上，能量释放过程中通常伴有轰鸣声和火焰。过火林木大多数死亡，过火后森林往往需要几十年甚至上百年时间才能恢复到火灾前状态。

三是森林火灾“爆燃”释放大量有毒气体，浓度高危害大。爆燃火燃烧反应强烈，可以将炭粒卷入空中，可燃混合气体动力燃烧过程中，大颗粒炭块粉碎形成有毒烟气。释放有毒气体主要为含碳气体、含氮气体、颗粒物、气溶胶等。2016年5月加拿大艾伯塔省麦克默里堡市森林大火和2019年3月1日澳大利亚维多利亚州森林大火均产生了大量有毒烟雾笼罩城市上空，甚至出现了火积云特殊天气现象，严重威胁当地居民生命健康。当火灾强度特别大时，有毒气体甚至会影响区域空气质量，造成大范围空气污染。

3.森林火灾“爆燃”成因

我们在分析国内外大量森林、城市火灾案例的基础上，结合多年灭火实战经验综合分析，发现造成森林火灾“爆燃”的主要原因有以下5种可能：第一种是地面植被和林下可燃物因长期堆积后发生腐烂，进而产生大量可燃气体，同时与腐烂的可燃物混合后，突遇明火产生爆燃。特别是我国天然林商业采伐全面停止后，林区林下可燃物积累加快，一些重点林区可燃物载量已经超过发生重特大森林火灾临界值，为森林火灾“爆燃”的发生提供了可燃物条件;第二种是山谷内缺氧不完全燃烧，产生大量CO有毒气体沉积在谷内，突遇谷风强力供氧，发生“爆燃”;第三种是林火蔓延到狭窄的山脊、单口山谷、陡坡、鞍部、草塘沟、山岩凸起等特殊地形，容易形成飘忽不定的气流，与可燃物同时预热共同燃烧，瞬间形成巨大火球和蘑菇云;第四种是气体对流作用导致，受反向气流作用，产生涡流，将可燃混合气体及细小可燃物卷入燃烧上空，受热爆炸式冲击燃烧导致“爆燃”。1996年4月14日，黑龙江省绥阳林业局发生森林火灾，由于冬春季节变换，导致西伯利亚寒流影响的西北风与太平洋暖流影响下的东南风产生对流，带动可燃混合气体及细小枯枝落叶滚动至火线上空，产生“爆燃”，造成7人遇难;第五种是地下矿产资源产生可燃气体，在森林火灾作用下，受热燃烧发生爆燃。2016年5月加拿大艾伯塔省麦克默里堡市森林大火和2019年3月29日山西沁源森林大火火场区域周围地下都有丰富的矿产资源。

综上所述，对2019年3月30日发生在四川省凉山州木里县立尔村的森林火灾研究分析应属于第二种情况，当时木里火场扑火人员处理悬崖下烟点时，发现谷内有火，并伴有竹子燃烧爆炸的声音，结合现场地形条件、可燃物条件和气象条件综合分析，我们认为此次爆燃是可燃物在谷内燃烧时（相当于一个封闭空间）产生大量一氧化碳和含碳的浓烟，混合气体沉积在谷内缓慢燃烧，突遇大风供氧，产生“爆燃”。

4.影响森林火灾“爆燃”的因素

森林燃烧理论认为任何森林燃烧现象的发生必须具备三个基本条件， 即森林可燃物、火源、气象条件， 它们构成森林燃烧三要素。森林火灾“爆燃”形成火环境非常复杂，通常受到可燃物、天气和地形条件综合作用影响。

森林可燃物是森林火灾的物质基础和火灾传播的主要因素，是影响林火发生、发展及火烧强度的重要因素之一，对森林火灾的发生、蔓延以及整个火行为影响比其他任何因素更重要。森林内一切可以燃烧的物质均为可燃物， 林地内的乔木 （干、枝、叶、皮） 、灌木、草本、苔藓、地表凋落物、土壤中的腐殖质和泥炭等均可视为森林可燃物。森林可燃物的类型和分布明显影响着林火发生的行为特征。发生森林火灾“爆燃”必须积累足够的有效可燃物，且可燃物湿度较低容易燃烧。近年来重点林区林下可燃物大量积聚，长白山、川西等地区原始林区可燃物载量已经超过发生重特大森林火灾临界值。林内易燃植被多，松树球果、桉树树皮等自身易燃，容易诱发森林火灾“爆燃”。林下枯枝落叶长期堆积腐烂，产生大量可燃气体，同时与腐烂的可燃物混合后，突遇明火容易引发“爆燃”。

森林火灾和气象的关系十分密切。长期的天气干燥会导致地面温度持续升高，可燃物含水率降低。影响森林火灾的气象因素主要有降水量、气温、风速、相对湿度等。火场区域一般都是高温、大风天气，氧气充足，火灾燃烧猛烈，为爆燃火发生创造了有利气象条件。一些特殊的气象现象也会加剧森林火灾的强度，2016年5月加拿大艾伯特省麦克默里堡市森林火灾中出现火积云，云柱下端高温导致空气流动速度加快在地表形成强风，云柱中间形成下沉气流遇到冷空气瓦解过程中带着火苗扩散，云柱顶端高空湍流形成的闪电雷击落下后火星四溅，导致火势迅速蔓延，在一天时间内过火面积由15万hm2蔓延至30万hm2。地形地势是间接的生态因子，通过改变气候进而影响可燃物含水率的变化。地形因子有海拔、坡向、坡度和坡位等。森林作为一种特殊的下垫面， 与地形变化共同形成不同的局部气候。海拔是主要影响因素，气温随海拔高度增加而下降 （海拔每升高100 m， 气温降低约0.6℃） ， 林内温度降低使相对湿度增大，可燃物含水率增高。坡向、坡度和坡位吸收不同太阳辐射， 进而影响可燃物含水率的变化。陡坡、窄谷、窄山脊线、葫芦峪、鞍部和破碎地形处，火会受到地形影响，产生气流变化（如涡流、乱流），热分解产生大量高浓度可燃气体，突遇大风补充大量氧气产生爆燃。

木里火场处于四川省西南部，位于横断山脉中端，是典型的干热河谷气候。受地理环境和气候影响，冬季山顶寒冷干燥，春季河谷高温少雨、干热风盛行，形成了较为特殊的高山峡谷、干热河谷特征。山林连续，沟谷深切、断崖陡谷等特殊复杂地形多，具备发生爆燃火的条件。

5.森林火灾“爆燃”应对对策

森林火灾“爆燃”一旦发生危害极大，国内外曾发生多起因森林火灾“爆燃”导致的群死群伤事故。如何应对这种高能量极端火行为对于实现高效安全扑火具有重要意义。

一是人为控制森林可燃物。森林可燃物管理能够从根本上解决林火安全问题、改善森林结构、提高森林健康水平。采取机械处理、计划烧除、营林抚育、疏伐、林分改造等措施，以营林技术为主要手段， 加大景观水平的可燃物管理， 综合考虑可燃物调控技术方法对生态环境的影响， 实现森林可燃物生态调控，有效降低森林可燃物載量，减少森林火灾发生，增加森林生态系统抗性，避免发生高强度火行为。

二是利用生物防火林带增强林分阻火能力。利用植物之间阻火性的差异， 以难燃树种组成防火林带， 可以在不同层次上防止火灾的蔓延和扩展， 阻止易燃植物的燃烧。营造生物防火林带应突出防火性能原则，兼具适地适树、景观性、四季有景、利于交通原则。作为一种可以阻止林火蔓延、控制森林大火发生的有效手段，可以变被动防火为主动防火，是一项花钱少、持效久的绿色防火工程。同时结合道路、河流等天然阻隔，形成完善的阻火网络，一旦发生火灾，将火势控制在极小范围内。

三是将火势控制在初期阶段。强化应急准备，森林消防专业队要靠前驻防，保障防火重点地区物资储备充足，全面提高对森林火灾的预防、控制和扑救能力，最大限度地减少森林火灾。一旦发生森林火灾采取有效扑救手段，抓住有利时机，及时把火扑灭，不使小火变大成灾，避免发生林火“爆燃”。

四是采取间接灭火手段。以间接扑救为主，直接扑救为辅，空中力量为主，地面力量为辅，减少扑火人员与火势直接接触，避免人员伤亡。

五是预设安全区。在接近火场之前，应提前勘察火场，全面掌握火场周围地形、扑火时天气、当地植被等条件。在植被稀少、地势平坦、距离火线较近的上风向位置预先设定安全区域，当瞬间剧烈燃烧威胁到扑火队员生命安全时，进入预先设定安全区域紧急避险。

6.展望

目前关于森林火灾“爆燃”的科学研究较少，且主要集中在定性研究。今后建议利用野外实地调查和遥感技术等多种手段，对森林火灾“爆燃”发生火环境、气象条件、地形、可燃物类型及载量等展开定量研究分析，深入研究森林火灾“爆燃”发生机理、预防应对措施，为安全高效扑火提供科学依据。

参考文献：

[1]白夜，王博，田凤喜.森林大火来临时我们该怎么办？[J].绿化与生活，2017（12）：17-18.

[2] Viegas D X ， Simeoni A . Eruptive Behaviour of Forest Fires[J]. Fire Technology， 2011， 47（2）：303-320.

[3] D.X. Viegas ， A. Simeoni ， Fire Technol. 47 （2011） 303–320.

[4] J.G. Quintiere ， et al. ， SFPE Handbook of Fire Protection Engineering， third ed.， Society of Fire Protection Engineers， Maryland， 2002， pp. 2–246 .

[5] J.W. Dold ， A. Zinoviev ， Combust. Theory Modell. 13 （2009） 763–793.

[6] 杜乐天. 再论地气致灾的重大理论和实践价值——开展重大自然灾害链的斩首工程[A]. 中国地质学会地质学史专业委员会.中国地质学会地质学史专业委员会第23届学术年会论文汇编[C].中国地质学会地质学史专业委员会：中国地质学会地质学史研究会，2011：3.

作者简介：

白夜，中国消防救援学院森林防灭火教研室主任，森林消防学科带头人，教授，博士学位，研究生导师。国家森林、草原扑火指挥员培训专家，中国森林消防委员会专家委员，北京林业大学特聘教授，北京市、山东省、河北省应急救援专家。先后参与扑救重特大森林、草原火灾百余起。