森林火灾中“爆燃”研究综述

张文文，王秋华，徐伟恒，闫想想，龙腾腾，魏建珩，高仲亮

(1.西南林业大学土木工程学院/云南省森林灾害预警与控制重点实验室，云南 昆明 650224;2.西南林业大学大数据与智能工程学院/林业生态大数据国家林业与草原局重点实验室,云南 昆明 650224)

尽管气候变化，尤其全球变暖明显，但退耕还林、天然林保护工程等已见成效，森林可燃物载量持续增加，加之西南林区特殊地形地貌、气象和火源特征等因素，极易发生极端火行为[1]。其中，爆燃现象危害严重。凉山州木里县2019年“3·30”森林火灾，扑火人员在转场途中突遇林火爆燃，遇难30人[2]。1987年大兴安岭林区“5·6”特大森林火灾也曾有爆炸式燃烧现象发生[3]。2010年，四川省道孚县山地灌丛草原大火也是典型的爆燃火，造成正在处理余火的22名扑救队员遇难。西班牙ADAI消防实验室研究人员认为爆燃行为是峡谷地区林地火灾的典型特征[4]。林火爆燃通常指爆炸性或喷发性火灾[5]。舒立福[6]认为山火在蔓延过程中遇到复杂地形、丰富可燃物或大风充分供氧条件下，可能会产生爆燃火。杨光[7]认为爆燃是火燃烧过程中的特殊形式，即其林火行为由常态向极端发展变化需要一定的时间。张志强[5]认为爆燃发生在火灾熄灭阶段(阴燃阶段)，此时如遇流动空气，峡谷地形可能会发生爆燃火。Viegas[8]等在实验尺度上证实了火势在开放峡谷中的蔓延十分迅速，认为是爆发性的。在森林大火中，爆燃火虽然比例非常小，但其火行为表现极其狂烈，破坏性极大、损失严重、救助极为困难。此外，林火爆燃涉及植被、燃烧学、气象学等诸多理论，不确定性多，不易展开模拟实验。现阶段，在世界范围内，对于爆燃这样大尺度极端火现象的研究投入还不够，其形成机理、蔓延过程等研究鲜见，预防与扑灭问题尚在攻关。

1 “爆燃”火行为规律特征

1.1 以动力燃烧为主兼容扩散燃烧，烟雾浓度高

爆燃指火灾在蔓延过程中，爆炸式的、以动力燃烧为主兼容扩散燃烧的燃烧现象。固体可燃物的扩散燃烧反应机制与常规林火相同，整个反应速度受燃料分子与氧化剂分子间的扩散速度所限，缺氧情况下的燃烧会产生大量可燃气体。在爆燃火触发的瞬间，动力燃烧占据主导地位，整个反应速度受爆燃过程中所产生的高温和气流驱动固体可燃物的扩散速度限制。在爆燃火形成后，火区处于高温缺氧状态，产生大量CO气体，这些气体在运动过程中与空气相遇，变为非均质混合气体，可使处于动力燃烧的非均质混合气体得到补充，因而会出现动力燃烧与扩散燃烧的互促现象。但由于动力燃烧反应速度极快，当主要的可燃混合气供应不足时，爆燃现象就会消失，所以动力燃烧与扩散燃烧不会长期出现共促现象。

林火发生爆燃时会出现多股烟雾(烟粒和雾滴)，其主要是由燃烧产生的固体微粒炭、微小液滴和气体(蒸气)的混合物，此外还夹有森林可燃物的小碎片。爆燃瞬间，热气团克服表面吸引力，进而破裂，其产生的巨大能量将大颗粒碳块被粉碎并卷入上空。从传质角度来看，爆燃过程中发生对流传质与扩散传质，气体质点在热对流条件下不断运动、混合，将烟雾由地面带到高空，并随着气流扩散，这使得烟雾浓度高且范围大。传质时的复杂流动形成了一个强烈扰动带和混合区，使得对其动力学的行为无法进行定量描述[9]。

1.2 热交换能量高，具有突发性和偶然性

森林火灾的一个重要特征就是产生大量的热，森林火灾爆燃瞬间温度可达 1 000℃以上发生。火灾发生时，火区烟流主要以对流柱、飞火、火星雨、火旋风等形式在可燃物附近和燃烧区域以外进行着热量的传递与交换。爆燃火的发生主要以不同尺度的可燃非均质混合气体燃烧为主，热交换形式具有随机性，与混合气团的容积尺度等特征有关。爆燃火进行热交换时能量巨大。

爆燃火的动力燃烧现象决定了其突发性。动力燃烧状态下，爆燃火发展迅速并释放大量能量，所以在宏观上爆燃火是突发的。从爆燃火的形成过程来看，在爆燃火发生前出现了缺氧燃烧并产生了大量可燃混合气体，只有这些混合气体的数量和浓度达到可燃下限，火场的高温或火源引燃可燃气团时才会发生爆燃火。从火灾发生条件来看，爆燃火的形成因素不是单一的，需要特殊的可燃物、极端天气、复杂地形条件等因素的综合作用。所以爆燃火的发生具有偶然性。

1.3 燃烧强度大且蔓延速度快

林火爆燃行为是一个自激过程，爆燃火本身引起的对流会对燃烧区产生反馈，从而改变其特性，火灾蔓延急剧增加，导致火灾失控[8]。爆燃火可能发生在陡坡和峡谷中，风因子对爆燃火也有影响。受地形加速、环境风加速效应，爆燃火燃烧强度大、蔓延速度高。Coen[10]等将数值天气预报模型与火灾行为模块双向耦合，模型(CAWFE)验证了大气条件、燃料特性和地形坡度决定了火灾蔓延速度和方向，火释放的热量反过来影响附近的风，特别是产生火风。大气的不稳定性也会对风场分布产生重大影响，从而影响到燃烧速度，此外，大气的不稳定程度有助于对流柱的发展，增进了火烧强度[11]。

Clark[12]等在研究火灾与大气的相互作用过程中，耦合分析了Clark-Hall大气预测模型与火灾燃烧模型，表明火灾释放的热量与气体进入大气，引起火场区域空气强烈流动，空气的流动反过来进一步影响火灾的蔓延速率和方向。高坡度地形下火焰两侧气流不均匀，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上坡面对流传热，提升林火蔓延速度，火头冲击式快速向前蔓延，其蔓延速度大大超过了常规林火蔓延[13]。

2 “爆燃”形成机制

可燃物、火源、气象构成森林燃烧三要素。爆燃火的形成非常复杂，关联于森林有效可燃物、干旱条件、风速和大气的不稳定性等[14]。爆燃主要取决4个条件的“串联”作用。有效可燃物对于火行为是一个关键因子，发生森林爆燃火必须积累足够的有效可燃物，且可燃物含水率低、易燃烧。有效可燃物增加对火强度的影响常常增长很快，其原因之一就是对流交换的能量所致[25]。地形地势是间接的生态因子，在陡坡、窄谷、窄山脊线、葫芦峪、鞍部或破碎地形处的林火会受到地形影响，产生气流变化，热分解产生大量高浓度可燃气体，突遇大风补充大量氧气便产生爆燃(图1)。

图1 林火爆燃的驱动因素

2.1 气体燃烧

爆燃火的实质就是非均质混合气体燃烧，属于一种化学爆炸行为[16]。在炎热的天气下，在夏天或火灾来临时，植物会释放出挥发性有机化合物，温度越高，挥发性有机化合物的排放量就越大。在特定的条件下(主要是地形、气象和大气)，可燃气体在适当区域聚集，因此，非均质混合气体的浓度可能会达到爆炸下限，在与火接触时触发爆燃。基于火灾本身产生的对流，当火势在斜坡上蔓延时会产生吸入现象，为火势提供氧气。火焰越倾斜，速度越快，需要更多的氧气，从而诱导流动[17]。此外，林火通过辐射或对流向腐殖层进行热传递，加热过程中腐殖质层会产生氢、一氧化碳、甲醇以及甲烷等低级烃及其含氧衍生物等气体和蒸汽，风带来热浪，可燃物达到一定燃点时也会发生爆炸。

2.2 爆发性

火焰在峡谷内的传播可能具有爆发性的火灾行为。当火焰锋面相当快地到达峡谷内，火点在厚的可燃物内部逐渐侵燃，消耗大量的氧气，使得火点附近氧含量降低，不完全燃烧产生大量的CO和挥发性物质。Viegas[18]等构建了一个描述火锋与周围空气对流相互作用的理论模型，用以解释林火爆燃现象。Chetehouna[19]等基于热化学假说，通过峡谷中积累的迷迭香属植物生物挥发性有机化合物加热，用经验关联式计算了这些组分的理论可燃极限，结果表明，排放的生物挥发性有机物可导致森林火灾加速。在复杂地形影响下，可燃气体被不断积累。当火区氧气含量突然升高，燃烧状态由扩散燃烧转变为动力燃烧，可燃物燃烧更加剧烈，燃烧产生大量的热和气态物质，达到爆炸浓度下限，瞬间形成破坏性极大的爆燃[20]。

2.3 要素耦合

爆燃火耦合包括：(1)气体对流作用，两火线相互吸引，形成对流传热，火羽流引起的火灾(Plume-driven fires)是最危险和最不可预测的火灾类型，由火灾产生的对流驱动，对流上升，在地表产生气流，可能导致大规模的定点和迅速且不稳定的火灾蔓延[21]。(2)在山谷中的原始森林，枯枝落叶常年积累，地表可燃物复杂，同时受持续高温、干旱影响，山地中可燃物的结构、组成、分布均发生了变化。(3)高山峡谷地带地形复杂，火的传播与地形风以及在白天和晚上发生在斜坡内的不同的热降温作用相结合，火灾跟随盛行风的方向，并于山区山脊方向相互作用，风力驱动的火灾会在高强度下燃烧，因为增加了通气(强制对流)，火灾会迅速传播。(4)大气的不稳定性常常伴随着热湍流，可引起极端火行为。冷锋过境是造成大气不稳定的一个重要因素。

3 森林火灾中“爆燃”应对策略

3.1 加强预警监测

充分利用物联网、大数据、云计算等现代化技术手段，科学预测森林火险等级，实现森林火灾立体化监测。利用PID影响事件演算技术设计基于数学公式的相应温度等级的序列报警生成系统，对森林火灾发生温度的判别进行分析，帮助管理人员监测火灾发生情况，特别是在敏感的森林地区，如灌木丛、草地等[22]。对于模块化结构的森林火灾监测系统，可根据火灾严重程度设置由低到高的报警模式，其中感知模块对烟气、温度、光等快速传感器进行综合监控，有效提高报警成功率[23]。基于开放式WebGIS标准的标准化系统，通过FireGIS系统集成，对火灾前、火灾和火灾后活动非常重要的详细区域地图绘制，适用于各种森林火灾活动并且可以在微位置尺度(特定地点)上动态预测森林火灾风险指数[24]。

建设综合森林防火信息网，大幅提升森林防火信息感知、信息传输、信息处理和信息应用4种能力，实现森林防火应用数据互联互通、共享共用，实现国家、省、市、县各级指挥中心信息联通[21]。及时发布预警信息，采取超常规思路，提前防范部署，确保火情早发现、早处置[25]。基于三维技术构建真实的三维场景，实现信息一体化[26]。

3.2 建设防火工程

从防范体系到应急机制，建立森林防火立体防护网[27]。运用自然资源和人工设施建设立体防护网，合理利用森林周围的景观廊道，将林区优势充分体现出来，提高森林防火能力[28]。结合林区优势，构建封闭式林火阻隔网，加强防火阻隔带的维护和建设，可以更好地减弱火势，切断火源，降低爆燃火产生概率[29]。

绿色防火带是控制火灾的基础设施且在阻断火焰辐射和外部火源、保护当地水土、维护当地生态等方面具有明显的优势。生物防火林带具有降低气温、提高空气相对湿度的作用[30]，通过降低火灾强度、降低火灾蔓延过程中的传热效率，最终导致火灾蔓延终止，进而切断爆燃火形成的有利条件[31]。

3.3 提高管理效率

未来的森林火灾态势更为严峻，必须充分发挥中国特色应急管理体制优势，坚持预防为主、防灭结合、高效扑救的方针，明确应急管理和林草部门职责分工，形成强大合力，把制度优势转化为森林与草原火灾治理效能[32-33]。西南地区是少数民族聚居区，有彝族、藏族、纳西族等多个世居少数民族[34]，他们有自己的火文化和用火习惯，需要重视森林火源管理，不得携带火种进入森林，还需要对村民进行火灾防范教育，宣传森林防火工作要点。

可燃物管理的主要目标是减少可燃物的火行为和火效应[35]。在制定可燃物管理策略时，要充分考虑可燃物类型之间相互作用及其在不同类型火情中的火行为差异，建立全国可燃物分类标准和体系，制作全国火险区划[36-37]。Costa[38]等率先提出了根据火灾类型管理野火的概念。综合考虑地区所有因素(火历史、入侵植物、受威胁和濒危物种、人类发展、文化遗址等)，允许以火防火，充分发挥火的生态价值，让火重新进入生态系统[39-40]。面对爆燃火这种超出可控火范围的极端火，需对扑救策略进行修订，改变扑救战术，制定全面的林火行政管理科学构架[41]。

3.4 保证人员安全

近年来，爆燃火事件的发生率不断上升，人员安全威胁越来越大，必须为消防人员制定具体的消防安全程序并开发新防护装备以免遭爆燃火伤害[42]。Ustinov[43]等提出“水玻璃-石墨微粒”复合材料的组成及生产工艺，研究了防火复合材料在被保护表面上的应用方法。Viegas[44]等认为利用防火玻璃纤维织物和外部铝层反射入射辐射热并结合洒水系统，在一定程度上可紧急保护消防员的安全。张广骏[46]等认为应用Repast S进行复杂系统知识融合的建模，可使得树木、林火、消防员三者在二纬林地网格(grid)空间中交互，保障人员安全。

扑灭森林大火是一个立体化的协作过程(图2)。扑火人员应做好应急防护工作，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，减少扑火人员与火直接接触，避免人员伤亡。扑火前勘察火场，全面掌握火场周围地形、扑火时天气、当地植被等条件。预先设定安全区，严密关注火场情况[46]。建立基于火行为模型的区域联防扑救指挥系统，形成专业化的林火扑救指挥体系。

图2 4个层面的爆燃应对策略

4 研究展望

近年来，爆燃火研究已从外观现象的描述逐步向引起爆燃火发生的可燃物、地形和天气条件等因素发展，并且取得了一定进展。但爆燃火研究仍是国内外研究难点和重点之一，如何对爆燃火发生发展进行实验模拟，揭示林火爆燃机理，如何结合火环境的实际状况对爆燃火进行预报，以及在扑救过程中如何对爆燃火进行安全防范，尚需进一步研究。由于涉及的物理化学因素多，变量之间的显著的非线性关系，使得野火的蔓延和行为成为一个复杂现象，精确的火灾行为模拟至关重要[47]。

对现有记录的林火爆燃行为进行详细分析并形成综合技术报告。从国际经验来看，每次大火发生，研究人员可获许第一时间进入火场做调查分析，由研究人员和消防人员共同完成最终调查报告。这能获得详尽的火灾报告和统计分析资料，对于研究极端火发展与环境影响有特殊价值。国内研究常通过火烧迹地调查、室内分析、燃烧实验，基于火烧迹地实测数据，结合火场环境特征，通过对典型林分可燃物理化性质、热解特征、烟气特征和挥发性代谢产物特征等的测定，总结易发生爆燃火的火环境，分析森林爆燃火发生机制。

防灭火单位应进一步加大对爆燃火方面的科研投入，从基础性和应用性两方面提升对爆燃火的认知水平；研发森林爆燃火灭火设备，提高消防员辅助设备进行火灾系统的能量分析，从能量分析中获取转变条件；从气象、植被、热力学和空气动力学等方面对爆燃火进行分析，采用几种火灾传播模拟模型，更好地了解爆燃机制[48]；利用高空间分辨率多光谱数据与激光雷达(LIDAR)数据，不断提升森林可燃物类型分类和制图的精确度，提高林火蔓延速率及火行为预测准确度[49-50]。