加州野火灾害系统性消除方案（一）

符长青

近年来，美国加州一再发生大范围、大规模野火灾害，成为加州的心头之痛。本文基于加州野火频发情况的实地考察，对加州野火频发的原因、后果、解决方法和途径进行一系列分析研究，提出消除加州野火灾害的系统方案。

21世纪以来，美国发生野火火灾的规模和影响越来越大，每年被森林或草地大火烧毁的土地面积呈现快速增加趋势。在里根总统第一个任期，联邦政府每年用于救火的资金只有几十万美元。现在，联邦政府每年仅用于扑灭野火的计划资金就为22.5亿美元，而管理火情的预算资金甚至超过50亿美元。尽管如此，野火造成的损失还是逐年递增。

尤其是加州，几乎每年都会发生大规模野火灾害。野火所到之处，昔日光鲜的商务楼、忙碌的超市、宁静的民宅变成废墟，汽车、大巴被烧得只剩下骨架。特别是近年来，加州野火在不断危害人们的财产和生命。

加州地理位置与气候特点

加州地理位置

加利福尼亚州（State of California）简称加州，中华人民共和国驻洛杉矶总领事馆发布的数据显示，加州面积42.397万km2，仅次于阿拉斯加州和得克萨斯州，2018年人口约3956万，居全美第一。

加州在地理、地貌、物产、人口构成方面具有多样化特点，地理条件相差悬殊，南部沙漠地区干旱；北部沿海，冬季常因雨雪过多而发生水灾，北部沿海地区多山；加州东部的东南端与东北端是一片沙漠，内华达山脉在这片沙漠以西，高度超过落基山脉，山上的塔霍湖跨加利福尼亚及内华达两州边界。

加州地理位置有严重的缺陷，即当美国中西部强冷高压气流南下到落基山脉一带，因为强烈的气压梯度，加州北部沿岸将出现强劲的东北风，这一风向从落基山区直落到太平洋沿岸附近，风越过高山沿山坡下沉，形成干热下沉过程，使得过山后的气团温度显著升高且湿度很低，形成“焚风”，极易引发火灾。

加州气候特点

加州受地理条件影响，气候相差悬殊。大部分地区只有两个气候，即干季和湿季。加州南部为热带沙漠气候，气温变化较大，年降雨为25cm。北部沿海地区受加利福尼亚洋流影响，则为地中海型气候，夏季干旱，多阳光，冬季多雨，即冬湿夏燥。夏天，东南部科罗拉多沙漠温度高达54℃，接近地球上最高温度；冬季内华达山巅如地球北极般寒冷。但是，太平洋沿岸的温度一般不超过32℃，也不低于0℃。西北部降水量为4420mm，东南部科罗拉多沙漠降水量为50～75mm，中央谷地年降水量介于200～500mm间。

总之，加州气候特点是，一年中大部分时间均相对干燥少雨，特别是夏季。而该州的森林或草地覆盖率高达45%，为全美第二，漫长的夏季“烘烤”着成片的森林或草地，因此极易引发火灾。

野火肆虐加州

野火（Wild Fire）又称山火或森林火灾，是从森林或草地开始燃烧引发的火，野火灾害是指失去控制的森林或草地大火燃烧。由于日常生活中一提到野火，人们常会联想到可怕的野火灾害，将野火与野火灾害等同看待，不加细分。

加州野火由来已久，根据以前的记载，自1930年开始，每年发生大小野火上千起，且规模和破坏力逐年扩大，野火季时长也从20世纪70年代的5个月变为如今的7个月。现以近几年加州暴发的野火为例，说明加州野火的危害程度。

2017年

2017年爆发的加州野火十分猖獗，共发生8747场野火。其中，北加州野火已造成44人丧生，8900座房屋建筑被烧毁；南加州6场主要野火的过火面积达14万1000英亩，23万居民紧急撤离，超过500栋建筑被烧毁，数万人流离失所。在野火灾情严重的北湾索诺马县圣他罗莎(Santa Rosa)，大片住宅区和商业区被烧至灰烬，现场方圆几千米内均已面目全非，留下一片废墟，损失惨重。

2018年

2018年11月，美国加州南北部几场野火几乎同时出现，最严重的两起是北加州坎普野火和南加州伍尔西野火。其中，坎普野火连烧多日，过火面积超过607km2，至少造成85人死亡，30余万人被迫迁移，超过12000座房屋被烧毁。其中包括拥有2.7万人口的整个天堂镇（Paradise）化为灰烬，成为美国历史上最致命的野火；伍尔西野火迫使25万人疏散，3人死亡，1643座建筑被烧毁。据统计，加州此次共投入1.4万名消防人员、数十架超大型固定翼消防飞机参与灭火。

2019年

2019年10月24日，加州野火再次蔓延，南北加州燃起熊熊大火，树木灰烬四处纷飞，南北加州两地过火面积近8万亩，约有9万座建筑受到火势威胁。由于野火威胁急剧升高，美国加州州长27日宣布全州进入紧急状态，有数十万人被下令撤离家园。

2020年

2020年是多灾多难的一年，加州野火更是趁火打劫，比其他年份更早地爆发，肆虐加州大地。2019年加州遭遇了5300起野火，而2020年8月15日至10月4日期间，这个数字已超过8000起，野火过火面积超过16000km2，打破加州历史纪录，导致31人死亡，8200栋建筑物被烧毁，超过53000名居民流离失所。统计资料表明，加州历史上过火面积最大的20场野火中，有6场发生在2020年，排名前5的野火有3场发生在2020年。虽然2020年加州野火过火面积已创历史新高，但很不幸的是，如果现在仍然没有找到有效破解的方法，这一纪录恐怕以后还会被持续刷新。

加州野火频发原因

究竟是什么原因造成加州野火频发？仔细分析无外乎是可燃物、气候条件和火源等因素。

可燃物

可燃物包括树木、草灌等植物，是发生野火的物资基础。可燃物的类型不同，其燃烧性也各异，一旦发生火灾，其蔓延速度、火焰高度和火强度等均不同。加州可燃物种类主要包括以下几种。

（1）干枯杂草和枯枝落叶

细小干枯杂草和枯枝落叶等是最易燃烧的危险引火物，干燥和死的可燃物较潮湿或活的可燃物易燃，含大量树脂的针叶树、樟树、桉树等阔叶树较一般阔叶树易燃。

（2）易燃灌木疯长

由于加州能够抗住野火侵扰的大树急速减少，造成本地特有的一种易燃油脂性灌木疯长。加州大学洛杉矶分校大气海洋科学系薛永康教授分析，加州当地有一种植物叫查帕拉尔，是一种比较矮、常绿阔叶灌木，这个灌木叶子含有蜡、油脂、脂肪等易燃物质。其叶子掉落后，在土壤表面会自然分解出油脂，油脂积累到一定程度就会燃烧。

（3）可燃气体

野火经常有隐蔽性表现，当野火的明火被扑灭后，地面看似无火无烟，使人们丧失警觉，但实际上野火蔓延常有反复，特别在山地林区表现更为突出。其原因是野火被扑灭后，还存在隐蔽的余火自燃问题，地表下面的腐殖质在高温作用下，散发出可燃气体，一旦与外部空气中的氧气结合，即发生自燃。这等于野火死灰复燃，森林或草地突然再次起火时，尽管有人在现场监护防守，也会令人措手不及，特别是在火场边沿更为严重。

地形与气候条件

在所有自然环境和气侯条件中，风对野火的扩展和蔓延起决定性作用。风可促进空气流通，加速燃烧反应；风力可以将火焰带到前方，增加火的传播速度；风能增加可燃物的水分蒸发，降低可燃物的含水率，促进燃烧，风速大则野火蔓延速度加快。

加州的自然地形分割非常明显，翻越东部的内华达山脉便进入内华达州，它是美国西部著名的大盆地，两者之间平均海拔落差在1000m以上。由于盆地在白天吸收阳光，气温上升快，聚集在盆地内的空气会因加热而上升到山脉附近，造成盆地上空的空气密度较高。这些空气在气压差的作用下，向西面沿海的低气压带移动，其风速最高能达到60km/h。加州夏天高温干燥，秋天有从内华达高原吹来的大风，从两个山口吹入加州，分别称为圣安娜风（Santa Ana Winds）和大恶魔风（Diablo Winds），如图1所示。这两股风风力大、风速快，是引发每年加州野火连绵不绝的重要因素。

图1 大恶魔风和圣安娜风走向示意图。

从内华达吹来的圣安娜风向南流动的过程中，会经过莫哈韦沙漠。沙漠上空的空气会让风温度上升，相对湿度下降，很快就变成极为干燥的风或空气。等到达洛杉矶附近时，这股气流已经变成干燥且剧烈的大风。北加州的大恶魔风成因和圣安娜风几乎相同，只是方向和成分不太一样。

大恶魔风在向北加州湾区进发途中，虽然不会经过沙漠地形，但会翻越两次山脉，第一次是从大盆地翻越山脉抵达中央谷地，第二次是从谷地翻越山脉抵达湾区。这两次翻越高山的过程会对空气产生一些热力学作用，使之温度升高、湿度下降，和经过沙漠的效果类似。

火源

火源是发生野火的主导因素。有报道称，有相当大比例的加州野火都是人为点燃，包括进山人员丢弃的烟头，宿营地未能熄灭的篝火，以及电力事故等。加州的人口增长带来了城市扩张，而城市科学规划的速度，远跟不上过快的城市扩张速度，沿着城市边缘，大量住宅区被建在林区。根据联邦紧急事务管理署本世纪初的一份统计，加州38%的新建住宅是建造在这类地区。很多原本不适合居住的山地也都盖了房子，由于新建住宅区相对密集，且临近野火发源地，增加了人为引发野火的可能性，人为造成的火灾越来越多，包括电线短路，烟花篝火等，给火源管理造成很大困难。

综上所述，由于一些人为因素与自然条件的叠加，才使南加州野火变得如此可怕，星星之火很容易变成一片火海，造成的经济损失难以估量。

大树急速减少

由于对自然无限度的索取和侵略，加州的自然生态平衡已被严重破坏，其中能够抗住野火侵扰的大树在急速减少。2015年1月20日，《美国国家科学院》院刊曾报道，从上世纪30年代至今，加州的大树已经丧失了一半之多：加州的森林或草地中直径超过60cm的大树已经减少50%，即12万km2左右。从北部沿海内华达山脉，到洛杉矶附近的圣盖博谷（San Gabrielsvally），没有哪个地区能幸免于难。在内华达山脉的高地地区，大树数量减少超过55%，加州南部的一些地方，数量减少甚至接近75%。以往加州广泛推广种植未来会长到直径30～60cm之间的树苗。但是，这一措施同时也让加州森林或草地长满了与大树竞争资源的小树苗，而这些小树苗在频繁的火灾中极易死亡，造成野火毫无阻挡地蔓延。

森林航空消防的作用与发展历程

森林航空消防是由有人驾驶飞机和无人机携带水或化学灭火剂（含阻燃剂），飞往森林起火区，执行喷洒投放灭火、空中监视和指挥调度等任务。

森林航空消防是利用航空器对森林进行火灾巡查、探测、监视和扑救，其研究对象是航空器森林消防应用技术，包括如何利用航空器执行有效的林火探测、林火扑救和其他相关任务。广义概念中，森林航空消防是应急救援的一部分，后者涵盖了自然灾害救援、人为事故灾难救援、公共卫生灾害救援和公共安全灾害救援四大类，而森林火灾则属于自然灾害范畴。应急救援作业范围广，救援速度快，执行能力强，在各类救援中体现出良好的效果。

森林航空消防任务

森林航空消防任务主要包括巡逻监视、火情侦察、空中指挥与调度、洒水或抛撒化学灭火剂（含阻燃剂）灭火、开设隔离带、机降索降灭火、伞降灭火、人工降雨、点烧防火线、火场急救、运送救火物资以及火场服务、火场信息采集，包括火场位置、火场图、天气条件、森林植被情况、火场面积等信息。

森林航空消防灭火方法

森林消防灭火主要采用两种灭火剂，一种是普通水，另外一种是专用、含阻燃剂的化学灭火剂。前者是从火场附近的江河湖泊中取水，装入航空器内置消防水箱或外挂吊桶，从空中向火场直接喷撒实施救火，如图2所示，该方法价格低廉，取用随意，使用方便；后者则是利用事先调配好的专用化学药剂，具体喷洒方法和洒水类似如图3所示，不过因为是专用化学药剂，灭火效果更佳，飞机后续清理方便，但成本较高。

图2 直升机外挂吊桶洒水灭火。

图3 有人驾驶固定翼飞机抛撒灭火剂。

通常森林航空消防使用的灭火剂是一种红色液体，成分为85%的水、10%的化学阻燃成分和5%的其他成分，包括红色染色剂、防腐剂、增稠剂、稳定剂、杀菌剂和流动性调节剂。因此，即便在高温情况下，灭火剂的水分全部蒸发，剩下的阻燃成分依然能起到控制火势的作用。一般情况下，阻燃剂的作用可以持续几天甚至一周以上。此外，灭火剂的化学成分符合无毒无害的环保标准，不会对森林环境产生污染。

森林航空消防的特点

（1）机动性强、不受地形限制

飞机飞行速度快，能快速飞抵崇山峻岭、人迹罕至的森林火灾（野火）现场，采用空中洒水或喷撒灭火剂的方法进行灭火。

（2）载重大、能力强

采用大型有人机执行森林航空消防任务，其运载能力大，一次飞行携带的灭火剂或水可以扑灭较大区域的火灾，或者划出防火隔离带。

（3）快速空运人员和设备

在森林火灾早期，用最快的速度把一小队消防员及其几天的生活物资和灭火用品，空投到人迹罕至的火灾点，尽量把火灾消灭在萌芽状态。

森林航空消防的发展历程

森林航空消防是预防和扑救森林火灾的重要手段，在保护森林资源、维护生态平衡中发挥着重要作用。森林航空消防技术发展历程，大致可分为两个阶段。

（1）第一阶段是有人机时代

森林航空消防发展的第一阶段是有人机时代，即没有使用无人机。这一阶段始于1915年，至今已经历100多年，其主要特征是，由于消防无人机尚未问世，因此采用的航空器是清一色的有人机，包括固定翼飞机和直升机两大类。

1915年8月美国华盛顿州林务局第一次使用固定翼飞机巡查森林火灾（野火）；

1924年加拿大开始使用固定翼飞机监视林火；

1931年前苏联组建了森林航空队进行护林防火，并于1932～1935年间开展航空护林防火的试点工作。这个阶段是航空护林的初期，森林航空消防工作主要是使用固定翼飞机进行森林巡护、监视火情和及时报警。

20世纪50年代，第二次世界大战结束后，为了给大批闲置的军用飞机寻找出路，一些森林资源较丰富的国家开始将这些退役的军用飞机改装成森林消防飞机。只要对军用飞机的设备稍作改动，以及训练相关人员便可成为消防灭火飞机，直接应用于森林资源保护，进行航空护林和灭火。很快，这项技术被世界许多国家推广，成为一股潮流。其中，伞降灭火是最先采取的航空灭火方法，随后又发展出空中巡护、化学灭火、吊桶灭火、机降灭火、索降灭火、绳索滑降灭火、人工增雨等航空护林和灭火技术。

由于美国在森林灭火有人机技术研究和实践方面起步最早，对有人机改装、化学灭火剂，以及灭火弹等森林消防有人机技术进行了较多研究和实践。因此，美国森林消防有人机技术较为成熟。现在美国森林航空消防的地位越来越高，作用越来越大，森林航空消防队伍在森林防火事业中的作用发挥得越来越好，森林航空消防的地位和作用已得到社会广泛认可。

（2）第二阶段为无人机+有人机时代

森林航空消防发展的第二阶段是无人机+有人机时代，即使用无人机与有人机协同灭火。

采用有人机如固定翼飞机、直升机进行森林火灾灭火效率不高。因为，林火成灾后，森林着火空间范围极大，一般高度达到10～20m，火线沿前进方向长度可达50m，温度达900℃以上。为保证飞机驾驶员安全，灭火时飞机只能在距火场上空较高的高度作业，这就导致洒水或液体灭火剂的喷撒高度较高，水或液体灭火剂在降落过程中受火场上空强热上升气流的影响，一部分水或液体灭火剂在降落至火场的过程中受热蒸发或被吹散到火场以外的区域，致使真正作用于林火燃烧现场的水或液体灭火剂的量较少，浪费很大，所以灭火效率不高。

由于水或液体灭火剂利用率太低，导致有人机单架次飞行灭火成本相对较高。除此以外，与无人机相比，利用有人机扑灭野火最大的缺点是机动灵活性差，难以在野火刚开始冒烟的萌芽阶段实施灭火。因此，在当前智能化时代，仅采用有人机作为森林航空灭火方法，很难成为一种常规灭火手段。

近年来，随着专业消防无人机技术的高速发展，其在森林航空消防中的作用和地位日益显现，下面阐述本方案的基本出发点。

首先，利用无人机优异的机动性、灵活性和安全性，采用消防无人机集群灭火方式，将野火消灭在萌芽状态；

其次，一旦未能把野火消灭在萌芽状态，野火开始蔓延，形成燎原大火时，应采用消防无人机与消防有人机协同灭火方式，即消防无人机集群与消防有人机分工合作，协同作业扑灭野火。消防有人机利用运载能力大的特点，从空中洒水或喷撒含有阻燃剂的化学灭火剂灭火，以及开展机降索降灭火、伞降灭火、火场急救、运送救火物资等森林消防灭火工作。

方案核心内容

本方案宗旨是，利用无人机开启森林航空消防发展的第二阶段，促使森林航空消防从有人机时代进入无人机+有人机时代，即进入森林航空消防智能化时代，从而改变有人机与森林火灾单打独斗的被动局面。利用无人机+有人机协同灭火，如蜂群一样实施集群作战，能极大提高森林消防灭火效率，最重要的是利用智能化技术，最大限度改善和提高消防人员安全。

图4 喷洒灭火剂型多旋翼消防无人机。

图5 发射灭火弹型多旋翼消防无人机。

本方案主要有以下两项核心内容，即使用无人机+有人机协同灭火和用山羊清除可燃物。

无人机+有人机协同灭火

针对加州野火灾害频发现状，开启无人机与有人机协同灭火的新时代。

采用消防无人机与消防有人机协同作业，执行护林和直接扑灭森林火灾（野火），能有效弥补有人机方法的不足。特别是无人机能胜任条件恶劣、高危环境下的各种危险作业，如扑灭森林大火，能出色完成单调枯燥、时间长、强度大、重复性的艰苦任务，加上其结构简单、尺寸小、价格便宜，经济性好，以及执行任务灵活，操控方便，消防人员只需经过短期简单培训，就能掌握操控方法和技术。除此以外，无人机具有自主或半自主飞行能力，消防人员使用无人机时，无需亲临火灾的高危着火点，具有优异的安全性。

消防无人机定义

用于消防业务的无人机称为消防无人机，其机型大多采用工业级旋翼无人机，按最大起飞重量可分为大、中、小三种类型。

消防无人机基本结构

一套完整的消防无人机系统由无人机和地面控制站两部分组成。其中，无人机包括自主飞行控制、机载灭火和动力等系统；地面控制站包括操控和数据接收等系统。它采用集成化设计、智能化识别、精确制导等一系列高科技关键技术。

图6 小型多旋翼消防无人机结构示意图。

无人机最主要的特点是机上无人。正因为此特点，无人机执行任务时，勿需考虑飞行员生命安全，更不必考虑任务的危险性，极大放宽了无人机使用要求。

旋翼无人机最大优点是可以垂直起降，不需要专用跑道，机动性强、不受地形限制、部署灵活方便，具有优良的低空或超低空飞行性能，在执行消防灭火任务时，可以全程低空或超低空飞行，不会对高空飞行的民航客机航线造成任何干扰。

消防无人机的优势

消防无人机可有效解决地面消防工作人员无法到达偏远地区，执行早期林火发现和扑灭难题；能准确把握和及时了解重大森林火灾现场各种动态信息，直接用于扑灭森林火灾；也可以解决有人机森林消防巡护无法夜航、或因烟雾造成的能见度降低无法飞行等问题。

消防无人机与有人机有许多不同之处，包括使用和功能上的差别，例如扑灭森林火灾工作。消防无人机可以搭载不同任务载荷在林区无线视频监控系统各前端检测点驻防，执行空中巡查、火场侦察，以及从空中发射灭火弹、洒水或化学灭火剂扑灭林火见图7等森林消防任务。消防无人机结构简单，容易操控，消防员只要经过短期培训就能掌握其操控方法，这与有人机驾驶员需经过长期严格培养截然不同。

图7 消防无人机执行森林灭火任务。

一般森林火灾往往由不明显的小火苗引起，且森林气候复杂，雨雾或火焰产生的烟雾常会掩盖初始火情。消防无人机搭载红外热成像仪能实现全天候监视，不受光线影响，并具备穿透烟雾、雨雾的能力，有助于提前发现森林火灾初期烟雾、火苗或隐患，迅速定位真正着火点和确定火灾蔓延趋势，减小森林火灾造成的危害。

众所周知，在扑灭森林火灾及消防救援中，消防员经常冒着极大风险扑灭野火并保护当地居民的生命财产安全。消防无人机的最大优势是提高消防人员作业安全性，消防人员远程操控无人机作业，远离森林火灾（野火）高危区域实施救火，从而有效避免或极大减少林火对消防人员的伤害见图8。

图8 消防无人机作业实行人机分离，安全性好。

消防无人机不仅可以率先进入火场获取着火点、风向、水源等现场信息，也给消防员提供了更全面的现场决策情报。避免消防灭火过程中可能出现的不必要风险，能更快速解救被困人员，提高扑灭野火、救援效率。

根据目前一些实际应用效果，消防无人机作为现有森林消防手段的有力补充，已显示出无法比拟的优越性，可广泛应用于森林火灾巡查、监视、扑灭、灾后评估等作业。

（未完待续）■