森林雷击火发生规律研究*

冯俊伟，沈浩，梁栋

中山大学智能工程学院/广东省消防科学技术重点实验室，广东广州510006

雷击是引起森林火灾的重要起因，它作为天然火源，是一种难以控制的自然现象，并且形成机理复杂。另外，雷击火通常发生在一些偏远的深山密林，与人为火相比，雷击火的预防与扑救难度要大，容易形成大面积的森林火灾，危及生态环境和人类安全。我国的雷击火在大兴安岭和新疆阿尔泰山最为严重，约占地区森林火灾总数的38%和18%［1］。随着全球气候变暖，森林雷击火也有增加的趋势［2］。2019 年3 月30 日的木里森林雷击火造成31 名消防员牺牲［3］。雷击火在世界范围内也有分布，美国、加拿大、俄罗斯和芬兰等国有严重的雷击火［4-5］。1976-2001 年，雷击火占加拿大安大略省森林火灾总数的43%［6］；1980-2004年，雷击火占美国阿拉斯加州森林火灾总数的52%［7］。

雷击火与地理因素有关，雷击的位置对环境有选择性。经验表明，沼泽地、草塘等是雷击的高发区［1，8］，电阻率低的泥土容易被雷电击中［9-10］。一些文献研究了泥土中的水含量和无机盐含量对电阻率的影响，其中研究较多的盐是硫酸钠和氯化钠，普遍的规律是含水量和无机盐含量的增加会使电阻率下降［11-13］。而植物灰烬的成分是炭和无机盐，很少研究会考虑植物灰对泥土电阻率的影响，然而植物灰在人工烧除后的迹地中很常见，这些迹地对雷击的选择性将会有影响。另外，位于地表的可燃物也会影响雷击位置。所以，我们有必要研究人工烧除迹地的雷击选择性。

雷击火形成机理复杂，以往很多研究采用火灾发生后的统计结果来发掘雷击火的规律。彭欢采用Logistic 模型研究大兴安岭的雷击火，并对模型参数进行了修正［14］。孙瑜采用Maxent 模型预测雷击火火险，发现日降雨量、云地闪电数量及云地闪回击电流强度是影响森林雷击火发生的3个最重要因素［15］。郭福涛使用K-涵数对大兴岭地区雷击火分布格局的研究中发现，该地区雷击火呈聚集分布并存在“热点区域”［16］。高永刚等建立了大兴安岭地区雷击火综合指标模型，并将雷击火险划分为4 个预报等级［17］。国外学者也使用了大量历史数据统计分析雷击火规律，其中使用较多的是Logistic 模型。Hartford 使用Logistic 模型对雷击火阴燃阶段的概率进行了预测［18］。Nieto 等建立了西班牙地区的雷击火Logistic 预测模型，发现雷暴次数是最显著因子［19］。也有部分学者使用K-函数研究雷击火规律，如Podur等使用K-函数分析加拿大安大略地区的雷击火，发现：部分尺度的雷击火呈聚集分布，这种分布与雷暴和干旱的关系明显［20］。除此之外，也有学者通过人工模拟闪电来研究雷击火。Latham 和朱易等均开展了人工模拟雷击火的研究，他们通过改变燃料床种类和含水率，得到不同可燃物在不同含水率下的雷击着火概率模型［21-22］。Darveniza 使用冲击电流发生器模拟雷击火，发现冲击电流不仅有加热作用，还有很大的机械破坏效应［23］。综上所述，通过雷击火灾发生后的结果总结得到的模型能较好地预测某一特定区域的规律，但它并不能观察雷击火发生的实时过程，从而很难解释雷击火的形成机理。而人工模拟闪电可以为研究雷击火提供很大帮助，有助于观察雷击火形成过程和定量分析各影响因素，并且人工模拟闪电的实验时间比长年累月的数据统计要短。但人工模拟雷击火的规律具有一定局限性，它不能综合考虑实际自然环境的各种因素，在应用时还需与实际情况相结合。

Fuquay 对蒙大拿地区发生的雷击火进行了观测研究。在对引起雷击火的云地闪特征数据进行分析后，发现：这些云地闪放电过程中均伴随长时间连续电流，这些长时间连续电流放电时间超过40 ms。此后，Fuquay 等将LCC 作为能够引发雷击火云地闪的重要判定依据。这一理论得到大部分学者的认同，并应用于美国国家火险等级系统的雷击火险预测模块。此后，长时间持续电流成为雷击火研究领域的重要研究对象［24］。Latham 和朱易等均开展的是长时间持续电流对可燃物的点火概率实验。但是，根据SAE ARP 5412 2005 的标准，雷电实际电流波形是由冲击电流波和长时间连续电流等组成的［25］，冲击电流的峰值可以达到200 kA，但持续时间只有500 μs，而长时间连续电流的幅值在200 ～800 A，持续时间可达1 s。冲击电流在整个电流中占的比例很大，需要充分考虑冲击电流和长时间连续电流的共同作用。

本文将研究植物含灰率对泥土电阻率的影响，通过冲击电压发生器测量不同地表可燃物的击穿电压，进而探讨人工烧除迹地后的雷击选择性。另外，通过冲击电流发生器来模拟闪电点燃植物的过程，发现冲击电流的点火规律。

1 实验方法

1.1 材料制备

新疆额尔齐斯河和内蒙古呼伦贝尔草原是中国雷击火高发区。实验所用的泥土采自新疆额尔齐斯河畔的一块天然泥土地。经考察，该泥土并没有烧过的灰烬痕迹，实验前去除泥土中的根须等杂质。所用针叶分别是新疆云杉针，西伯利亚松针和马尾松针，采样时从地表干枯针叶中选取。草样和木料采自呼伦贝尔草原，分别是糙隐子草和樟子松木，采样时从草原上采割新鲜的活糙隐子草，从活树干上截取一部分樟子松树枝。材料经过105°C烘箱烘干后使用。

含植物灰的泥土制备方法：烘干的泥土通过研磨后，用50 目的滤筛过滤；把烘干的马尾松针放入燃烧池燃烧后，获得的灰烬研磨并通过50 目的滤筛过滤。最后把泥土，水和灰烬混合，通过改变加入的灰烬重量来制备不同含灰率的土样。

1.2 实验设备

采用冲击电压发生器测量地表可燃物的击穿电压，冲击电压发生器依据Marx 回路原理设计。Marx 回路原理简单说就是利用电容器并联充电，然后串联放电而产生高压，通过调节电阻、电容以及放电间隙等参数来调整输出电压的波形。冲击电压发生器广泛地应用于雷电过电压耐受性能试验［26-27］。参照文献测试绝缘油击穿电压所用的波形［28］，本实验所用的冲击电压波形为1.2/50 μs。

泥土电阻率采用试样盒测量，试样盒用亚克力板制成，尺寸为10 cm×5 cm×1 cm，盒两端接铜电极，最后电极处接上电阻表来测量泥土的电阻。泥土电阻率通过电阻率公式ρ=RS/L 计算。其中，ρ为电阻率，Ω·m；R 为电阻，Ω；S 为横截面积，m2；L为长度，m。

雷击着火模拟实验在冲击电流发生器上进行，如图1 所示。它可以产生8/20 μs 冲击电流波形，即波前时间8 μs，半波时间20 μs。最大电流峰值（Ip）达到100 kA。冲击电流发生器是模拟产生冲击大电流的实验装置，冲击电流发生器同样基于大容量电容器长时间充电，然后促发球隙击穿，并联的对待测试样短时间放电，使得待测设备有冲击大电流通过，产生电热效应［29］。充电回路主要由高压变压器，整流硅堆，保护电阻，电容组成；放电回路由电容，球间隙，电阻和燃料床组成。当加载样品后，由于样品的电阻电感，实际的输出波形会有一定变化。本实验采用针-板放电结构，罗斯线圈测量流过可燃物的电流，分压器测量可燃物两端电压，可燃物放置于板电极上，其结构如图2所示。加载样品后，测量得到的典型电压电流曲线如图3所示。部分文献也采用冲击电流发生器来模拟闪电对碳纤维复合板的破坏作用［30-31］。人工模拟闪电和自然雷击必然有一定差别，人工闪电的结果并不能完全代表自然界闪电，但是通过人工闪电得到的结论具有一定的启发意义。

图1 冲击电流发生器外观图Fig.1 Impulse current generator

图2 雷击点火装置示意图Fig.2 Schematic diagram of lightning ignition device

图3 典型的电压电流曲线Fig.3 The typical voltage and current curves

1.3 实验步骤

测量不同地表可燃物的击穿电压步骤是：逐步升高冲击电压的峰值，直到电压能击穿地表可燃物为止，如果该电压值能重复击穿植被4次，则记录该值作为击穿电压值。重复上述步骤4次，得到4 个击穿电压值，并对4 个值求平均和标准偏差。

测量土样电阻率的步骤：把泥土样本装入试样盒后，接上电阻表测量、重复测量，求取平均值和标准偏差。

测量可燃物的雷击着火临界电流的步骤是：保持冲击电流波形为8/20 μs 不变，逐步升高冲击电流的峰值，直到可燃物刚好能着火为止，记录输出的电流、电压波形，此时的电流即为着火临界电流。重复测量，求取平均值。

2 结果与分析

2.1 不同地表可燃物的击穿电压

地表可燃物是由可燃物和空气组成的燃料床，是典型的两相体。两相体空间的电场分布情况非常复杂，非气相物质颗粒的存在使得两相体中的局部电场发生畸变，畸变程度与非气相物质颗粒自身参数和分布情况相关［32］。可燃物和空气在常压下都是良好的绝缘体，当施加高压电后，燃料床被击穿，电流通过燃料床并加热点燃可燃物。

实验测量了森林地表三种常见松针燃料床的击穿电压值，结果如图4 所示。在燃料床堆积密度、含水率和厚度相同情况下（燃料床的堆积密度为0.156 25 g/cm3，含水率0%，厚度1 mm），从平均击穿电压值的角度看，新疆云杉针燃料床比西伯利亚松针燃料床更容易击穿，绝缘性稍差，但两者差别不大，而马尾松针燃料床在三者之中击穿电压最低，绝缘性最差。在自然界雷电高电压下，由于地表可燃物燃料床的厚度占空中到地面的整个雷电通道的长度有限，因此燃料床类型的不同对雷击选择性影响可能有限。另外，空气的击穿电压约为3 kV/mm，三种燃料床的击穿电压都要比空气大，绝缘性能较空气好。

2.2 含灰率对泥土电阻率的影响

图4 三种松针燃料床的击穿电压值Fig.4 Breakdown voltage of three kinds of pine needle bed

泥土的含灰率与电阻率关系如图5所示（土样的堆积密度和含水率分别为1.2 g/cm3和33.3%）。对泥土含灰率与电阻率的关系进行拟合，得

其中ρ 为电阻率，Ω·m；φ 为含灰率，%。并求得R-Square=0.97。

影响土壤电阻率的因素很多，主要有三类：第一类是与土壤结构有关的因素，包含孔隙率、含水量和土壤结构；第二类是表征土壤颗粒特征的因素，包含土壤颗粒形状与方位、土壤颗粒粒度分布、离子交换能力与润湿性等；第三类是与土壤溶液有关的因素，它随着土壤外界环境条件的变化而改变，主要有孔隙水电阻率、孔隙水中离子组成与外界温度等。这三类因素对土壤电阻率的影响并不是独立的，而是相互影响、相互作用的［33］。随着泥土中含灰率的增加，电阻率减少。这是由于植物灰中含有大量碳，具有良好的导电性；另外植物灰中含有无机盐，无机盐溶解在土壤溶液中使离子浓度增加，进而减少泥土的电阻率。

可燃物是火灾燃烧的物质基础，枯死的杂草松针极易引起火灾。计划烧除方式可人为干预减少可燃物载量，改变可燃物立体结构，切断可燃物的连续分布，达到预防、减少高强度火灾的目的［34］。但由于雷击通常会选择电阻率低的泥土，所以经过人工烧除后的迹地，会由于泥土中含有大量植物灰而更容易遭受雷击。

图5 含灰率与电阻率的关系Fig.5 Relationship between ash content and resistivity

2.3 模拟闪电下的雷击着火

采用冲击电流发生器可以模拟得到雷击的可燃物着火过程。放电后可燃物的着火现象如图6所示。冲击电流放电时，产生强烈的白光和轰鸣。可燃物在焦耳热的加热作用下被点燃，产生火星、火苗。冲击电流同时产生强烈的冲击破坏效应，使着火的火星飞溅散开，部分火星在飞溅过程中与空气换热而熄灭，部分火星能够维持一段时间的持续燃烧。放电结束后，用CO 浓度仪能够检测到CO，表明过程中存在不完全燃烧。熄灭的火星有部分未燃烧完全，形成黑炭，部分形成白色灰烬。Anderson认为长时间持续电流加热可燃物至着火的判断依据是：可燃物出现持续3 min 以上的阴燃［35］。该判断依据是针对长时间持续电流的，对于冲击电流引燃，由于冲击波会破坏燃料床，使燃烧的火星飞溅脱离燃料床，很难达到持续3 min以上的燃烧。

图6 冲击电流作用下的可燃物着火现象Fig.6 Ignition phenomenon of combustible matter under the impulse current

自然界雷电放电时，由于树木突出地表，更容易成为雷击的目标。雷电在树干上形成放电通道，同时产生热效应和机械破坏效应。机械破坏效应是由于焦耳热使树木内部水分受热急剧气化，封闭于树体内的气体剧烈膨胀，致使内外压差逐步变大，进而在被击物体内部出现了强大的机械力，使树木遭受破坏［36］。Taylor提出了雷击引燃森林假设：雷电击中并损坏针叶树之后，就产生一种挥发性分离物和碎树皮、木材、针叶碎屑的混合物，并使这种混合物点燃，产生一种炽烈的持续时间短的火球或火柱，而这种火球或火柱反过来又引燃树顶上或者森林地面上那些细碎闪光的燃料。本实验观察到的现象与Taylor 的假设吻合。由于树木含水率较高，且相比树下的杂草、松针难燃，雷电击中树木后很难在树上蔓延。雷击产生的火星在喷溅过程中一部分在空气中散热熄灭，一部分能够到达地表后持续燃烧，进而引燃地上杂草，在少雨干燥情况下，初始火苗容易存活下来，在条件合适后会转化成火灾。多数雷击火引燃后会自然熄灭，少部分会引起阴燃，只有极少部 分（1/1 000～1/10 000 ） 会 最 终 形 成 森 林火灾［37］。

呼伦贝尔草原雷击火重点区域的主要植被类型是樟子松+糙隐子草。我们通过冲击电流发生器，对比了樟子松木片和糙隐子草燃料床的雷击临界着火特性，如表1所示。

表1 樟子松木片和糙隐子草的雷击临界着火特性对比1）Table 1 Comparison of lightning critical ignition characteristics between Pinus sylvestris var. mongolica wood slices andCleistogenes squarrosa

3 结 论

本文首先研究了雷击的位置选择性，通过测量三种典型的地表可燃物的击穿电压，得到它们的击穿电压差异，其中马尾松针燃料床的击穿电压最小，绝缘性能最差；通过测量不同含灰率的泥土电阻率，发现随着含灰率增加，电阻率减少，人工烧除后的迹地更容易遭受雷击。

其次，本文通过冲击电流发生器产生了模拟闪电，冲击电流不仅可以加热可燃物至着火，同时也能产生巨大的机械破坏效应，使着火的可燃物飞溅甚至熄灭，这影响了初始火苗转为森林火灾的可能性。观察得到的雷击着火现象与文献和自然界较吻合，进一步验证了Taylor 的假设。另外，我们比较了典型植被结构中的树木和草的临界着火特性，发现该结构中草比木片更容易被雷电引燃。

通过冲击电流发生器可以进一步探究雷击火的着火机理，并可以进行定量比较不同含水量和堆积密度对可燃物着火的影响。本文将为以后开展雷击火实验提供一种方法借鉴。在将来的工作中，需要把可燃物雷击临界着火能量与自然界的雷击着火实地数据进行对比，以更好地验证人工模拟雷击设备的正确性。