森林火灾烟气蔓延及成分研究进展

王青清, 高仲亮, 王何晨阳, 曹宇飞, 于闻天

(西南林业大学土木工程学院,云南 昆明 650244)

近十年,我国年均森林火灾次数都在2 000次以上,森林火灾火场总面积超过48.5万hm2。森林火灾具有突发性强,破坏性大,处置救助较为困难等特点,严重制约着现代林业的可持续发展,及时扑灭森林火灾可有效地减少人员伤亡和财产损失。森林火灾中可燃物燃烧能够释放大量有害气体、浓烈烟气、大颗粒物质,严重威胁被困人员和救火人员的生命安全,同时严重影响火灾周边地区的空气质量,间接影响周边人群的身体健康。如何快速扑救火灾以及有效地避免人员的伤亡是近年来人们一直关心的问题。

目前,国内外火灾烟气蔓延及释烟特性的研究主要集中在工程应用方面,例如隧道、地铁、电梯井、矿井等领域都积累了一定的研究成果,但关于森林火灾烟气蔓延的研究较少。近些年,随着计算机技术的快速发展,火灾烟气蔓延的模拟技术不断提高,应用Fluent、FDS、HYSPLIT等计算机模拟软件,已经有效地解决了过去在仿真模拟技术上的诸多难点。卢苇[1]等基于洛伦兹方程Prandtl值变化,研究火灾中因热所产生的混沌行为,得到混沌行为的发生介于Prandtl值的某一范围之内。Xin Z[2]等运用FDS仿真模拟软件构建了一个实际牧场的草地火灾简化模型,模拟不同因素下的草原火灾三维数值蔓延,得到了不同因素下火灾放热率、燃烧率的变化规律。Damoah R[3]等运用拉格朗日粒子扩散模型FLEXPART来确定羽流的起源和传输,比较基于ECMWF和GFS气象数据的模拟,但最终结论并未能得出更符合观测结果的模型。Luderer G[4]等运用简单统一假设的模拟方法研究烟雾喷射场景的大气影响,指出火灾通常具有足够能力将产生的对流排放物夹带到自由对流层。Smith A K[5]等开发基于四维智能体的建模框架,并实现森林火灾烟雾传播的四维案例研究方法,模拟结果产生了真实的空间模式的烟雾传播动力学。Khaykin S[6]等观察2020年前后澳大利亚野火,发现其产生了持续的烟雾涡流,上升高度为35 km,以及火灾产生的单一平流层燃烧产物对许多气候驱动平流层变量影响十分显著。Gosteva A A[7]等研究西伯利亚地区的森林火灾及森林火灾的烟气蔓延,使用遥感卫星结合城市环境监测网络数据,有效评估森林火灾造成的整体污染水平。

1 影响森林火灾烟气蔓延的因子

1.1 风速

森林火灾的烟气蔓延速度受风力影响十分明显。可燃物燃烧产生的热空气上升形成烟柱,遇上冷空气后易形成冷热空气对流烟柱,改变风向造成火势的变化,若山区环境加之地形条件复杂,极容易引起意外情况发生。四川凉山州“3·30”森林火灾的主要原因是该地以云南松和高山松这类油脂含量较高、燃点较低的易燃植被为主,火灾发生后受到各种湍流以及越山气流的影响发生了爆燃现象[8]。Perminov V[9]提出了一种新的数学设置和数值求解方法,以解决森林火灾期间辐射在森林区域上方烟雾扩散的问题,研究表明在无风情况下,放射性烟雾颗粒在一段时间以后会再次沉积在地面上;随着风速增加,颗粒在地面层中的转移距离与风速成正比。LavrovA[10]等利用雷诺平均Navier-Stokes流体动力学模型研究风和浮力作用等因素影响下森林火灾烟气的扩散,指出该模型可用于烟羽演化的半定性评估。王喜世[11]等利用燃烧风洞结合测量系统等方式模拟风速,在不同风速条件下对两种样品木材表面的火蔓延特性研究,表明风速条件对燃烧具有显著影响,且在顺风情况下木材表面火蔓延速率在一定风速范围内随风速的加快不断增大。

1.2 地形

地形能够影响太阳辐射,将太阳辐射到地面的能量反射回大气,大气又反射回地面形成逆辐射。大地形能够对某一较大环境范围内的气温分布和变化产生宏观性的显著影响,即使针对局部小范围地形,也能够在短距离内对气温变化造成巨大作用。杨景标[12]等从热流密度和总换热量两个角度出发,分别计算林木表面与烟气之间的换热关系,并基于此数学关系分析山坡斜度和风速与烟气运动的影响,得出山坡坡度减小,烟气覆盖的范围增大等一系列结论。魏建珩[13]等采用FDS软件建立微观山体柞木林模型研究燃烧蔓延和释烟特性,分析不同坡度条件对柞木燃烧蔓延规律的影响,表明烟气流速与坡度呈负相关。朱家进[14]等在实验室开展不同坡度的燃烧情况,得出坡度与热辐射之间呈正相关关系。

1.3 湍流

根据有无径向脉动,流动可以分为层流和湍流。湍流具有随机性、瞬时流动性等特点,是森林火灾中烟气蔓延的重要影响因素之一。冉海潮[15]指出烟气中悬浮的烟气颗粒目、团聚效应和烟气的湍流效应是火灾探测的重要影响因素。通常情况下,烟气湍流是一个随机过程,具有小尺度、快速变化的特点,而火灾中烟气湍流效应本质上是烟气的热湍流效应[16]。杜曙明[17]等指出环境湍流对烟气的抬升具有重要影响,此外这种影响不仅限于烟气和环境之间的质量交换,同时也能促进烟气与环境之间的动量、热量交换过程。森林火灾中,烟气内部温度和周围环境的温度相差巨大,使得热湍流效应对烟气的蔓延影响更加显著。孟岚[18]等指出在有较高温度差带来较大密度差的环境中,浮力是控制火焰运动的决定性因素,但目前为止,浮力对湍流状态影响的研究依然较少。

1.4 温度

风和湍流的共同作用是森林火灾中烟气扩散的主要影响因素,除此以外,温度也是重要影响因素之一。由于烟气内部的温度相较于烟气外围温度要高,这种温度差产生了一种浮升力,使得烟气的高度发生变化,热力因素的影响作用也可以作为蔓延指标。曹毅[19]基于Fluent软件对大气中雾霾流场进行模拟,指出烟气与大气的温度差所产生的浮力差是影响烟气浮升阶段的主要因素,温度升高会使不同位置点的大气雾霾流场抬升高度呈加速下降趋势。

森林火灾的烟气温度可高达数百摄氏度,对被困人员及救火人员身体造成伤害。人是恒温动物,而人体维持热平衡与环境温度之间具有显著的相关性。当环境温度超过人体耐受温度时,人体产热量增加,辐射换热量与对流换热量减少[20]。此外,研究表明蛋白质的生物活性通常维持在60℃左右,超过60℃则会开始变性,所以高温环境会导致蛋白质的生物活性降低或者变性。森林火灾烟气的辐射温度可高达数百摄氏度,在这种高温环境下,人体细胞会直接脱水碳化。

2 森林火灾烟气成分

2.1 一氧化碳

森林火灾的初期阶段往往是没有明显火焰的缓慢燃烧,即阴燃。由于阴燃阶段大量含碳森林可燃物与氧气接触不充分,从而导致一氧化碳的释放增加。一氧化碳作为火灾烟气中的主要毒性气体,能够对人体的心血管造成损害以及使人产生缺氧性中毒等,高浓度的一氧化碳甚至会引起人体器质性病变。一氧化碳对人的危害程度取决于浓度及时间,见表1。研究表明一氧化碳生成的碳氢化物中包含多种化合物,能使人体产生慢性中毒,其中部分化合物能够对人的感官系统(眼鼻)产生直接的刺激作用,从而影响其正常功能[21]。Paris J D[22]等使用FLEXPART-Lagrangian模型研究了气团的起源以及生物质燃烧对一氧化碳增强的贡献,研究得出每千克燃烧干物质的平均一氧化碳排放系数为65.5±10.8 g等结论。

表1 不同体积分数CO对人体影响

2.2 二氧化碳

森林火灾会产生大量的烟气,其主要成分为二氧化碳和水蒸汽,一般情况下浓度350～1 000 ppm的二氧化碳,人体可以保持正常呼吸,并无身体不适等,见表2。王广宇[23]在实验室内模拟室外环境,对采集的样本进行燃烧实验,测定森林地表主要植被的未分解层和半分解层,计算其在燃烧过程中的排放因子及释放量,实验结果表明:燃烧过程中气体排放以二氧化碳为主。Rio C[24]等计算了给定活在特征和环境条件、二氧化碳和热通量释放的温度等羽流排放的气体的垂直分布,表明二氧化碳可以被注入到远高于边界层高度的地方,导致对流层中的二氧化碳每日过剩。

表2 不同浓度CO2对人体影响

2.3 二氧化硫

二氧化硫属于溶解度较大的有毒气体,在进入人体后,能够迅速溶解于人体内湿润的粘膜,产生较强的刺激性作用,二氧化硫对人体产生危害的部位包括皮肤、眼睛、呼吸道等[25]。研究表明,当二氧化硫浓度为10～15 ppm时,呼吸道纤毛运动和粘膜的分泌功能均受到抑制作用[26]。彭徐剑[27]等利用排放因子法对大兴安岭二氧化硫排放进行估算,发现生物质燃烧所释放的二氧化硫占比最大,并且所有乔木中樟子松的二氧化硫排放因子最高,白桦最低。由此可以发现,森林火灾所释放的二氧化硫对空气污染的影响显著,且不同树种所释放的二氧化硫含量具有差异性,可以选择树种控制森林火灾烟气中的毒性气体释放量。

2.4 可吸入颗粒物

火灾烟气中通常含有大量直径为几微米到几十微米的悬浮性含碳颗粒。森林火灾会产生大量的可吸入颗粒物,包括PM2.5、PM10等,在全球范围内是重要的颗粒物污染源。YuP[28]等采用一个分段气溶胶气候量化模型,结合火灾现场和远程测量,量化烟雾质量分布、烟雾中BC比例等。模拟发现观测到的平流层烟雾寿命约为150天,说明烟雾颗粒有机物的光化学寿命相当长。Li L[29]等利用气象模式MM5分析了某次火灾期间的天气格局,表明该地区存在一个长期静止高压系统,使其在缓慢的长距离输送过程中保持较高浓度,造成较为严重的空气污染。Ning J[30]等检查了PM2.5的浓度与环境和燃料特性实验之间的关系,得出尽管 PM2.5浓度随着风速的增加、燃料水分含量的降低和燃料负荷的增加而升高,但存在一个燃料负荷阈值,超过阈值后浓度迅速减速。

一定浓度的可吸入颗粒物对人体健康也会造成影响。高浓度PM2.5不仅会影响短期内的人体呼吸健康,还会对人体心肺功能构成长期威胁,急性暴露于火灾烟气中会引发全身炎症反应,长期暴露于城市细颗粒物会增加心血管疾病发病率和死亡率。Henderson S B[31]等研究发现PM10增加10 μg/m3与呼吸系统住院几率增加5%相关;PM10增加10 μg/m3与哮喘特异性内科就诊的几率增加6%相关。Hanigan I C[32]等研究PM10与1996年至2005年每个火灾季节因心肺疾病每日急诊入院之间的关系,表明当日估计的环境PM10增加10μg/m3与因呼吸疾病入院总人数增加4.81%相关。

3 森林火灾烟气蔓延的应对策略

3.1 烟气监测

随着科技发展,许多高新技术的应用使得森林火灾烟气监测的精度不断提高。目前对森林火灾烟气监测常用的装备有卫星、无人机、载人飞机、摄像头以及多传感器融合技术等[33]。

Grivei A C[34]等采用数据表示方法等6种不同算法来处理被烟气覆盖的Sentinel-2数据的土地覆盖图,以避免火烧迹地绘制过程中森林火灾烟气的影响,与实地情况比较后发现准确率可达91.61%。Heyns[35]等建立专门的塔式摄像机系统,提出一种智能视频烟雾检测算法和最佳野外摄像机放置策略,能够有效实现野外烟气监测。刘树东[36]等提出了一种基于机器视觉的森林火灾监测方法,能够去除云雾和烟气在监测时的干扰,利用扩散性分析对火灾进行有效判断。Khetkeeree S[37]等提出了基于归一化植被指数分类的Sentinel-2图像去烟气技术,该技术能够在分布均匀的厚重烟气条件下得到较为准确的监测结果。目前火灾监测方式多样,能够在森林火灾中实现多角度、多方位的精确监测,有效的火灾烟气监测是人员逃生、火灾扑救的重要前提和保障。

3.2 人员逃生

森林火灾烟气的蔓延会导致被困人员心理恐惧的增加;厚重的烟气会导致人员在火场中失去判断,迷失方向;烟气温度的不断升高会灼伤人体皮肤甚至致人死亡;烟气中所携带的大量有害气体以及可吸入颗粒物会导致人员窒息或中毒。

一般情况下,森林火灾烟气逃生的最低能见度约为5 m,当烟气能见度小于3 m时,人员逃生的可能性便会急剧下降。在热湍流效应和地形的作用下,烟气通常会从地面扩散至高空,从地势低处向高处蔓延。因此,人员被困于火场中时,首先应当保持冷静分析,判断烟气蔓延的大致方向,切勿盲目行动,同时避免朝山顶逃生;充分利用地形条件,选择地势较为平坦开阔、森林植被覆盖稀疏的空旷地带;烟气密度大于周围空气密度,在地势低洼处易形成沉积作用,因此应避免踏入低洼地带造成被困。文世熙[38]等根据动物迁移阻力因子的判断方法,选取不同的阻力因子,并结合森林火灾中的火场分布等因素构建森林火灾逃生路径网络决策模型,利用数学建模的方式为人员逃生提供一定的科学指导。

3.3 灭火救援

基于上述烟气监测分析,当火场外人员实施救援时,可以利用无人机、摄像头等技术装备,为人员提供一条较为安全科学的逃生之路。Zhang H G[39]等利用消防粒子群算法模拟森林火灾蔓延和森林火灾救援之间的动态救援过程,测试了粒子群灭火算法在搜索动态最优解等方面的性能。Zhang H G[40]等还引入了一个基准数据集,由救援模拟器和救援算法组成的救援集成支持森林火灾救援的动态模拟。目前基于森林火灾救援领域中新型无人监控系统和大型消防飞机进行模拟研究十分少见,具有较强的参考价值。彭徐剑[41]等在深入分析目前我国森林火灾救援体系中的不足之处后,提出基于火场要素采集、火场通信技术、指挥扑救技术三方面构建“空天地一体化”森林火灾应急处置体系的设想。利用目前成熟的火灾监测体系,通过卫星遥感、航空遥感、地面遥感等手段实现综合化救援。

4 结论

森林火灾具有突发性强,破坏性大,处置救助较为困难等特点,而复杂多变的烟气蔓延则会加剧林火发展的不确定性,造成人员伤亡、降低逃生机率、加大林火扑救工作的困难程度。选取风速、湍流、地形、温度等典型影响因子分析森林火灾烟气蔓延。温度升高能够使烟气蔓延更加剧烈;风速增大可以加快烟气蔓延速率;地形的不同可以造成热辐射的变化等,均表明森林火灾烟气蔓延是诸多影响因素综合作用下的结果。此外,森林火灾的烟气成分也是研究的重点方向之一,烟气成分的复杂性和有害性对火灾扑救、人员逃生以及人体健康安全等方面都具有一定影响,例如可吸入颗粒物浓度的升高能够明显对周边环境造成破坏。

基于以上对森林火灾烟气蔓延影响因素分析,从烟气监测、人员逃生、灭火救援三个方面分别提出了应对策略。目前利用卫星、无人机、摄像头等检测设备形成全方位、多角度、多层次的综合一体化森林火灾烟气监测,可为人员逃生和灭火救援等提供重要支持和保障。人员逃生方面,被困人员的心理素质和应急知识储备是非常重要的指标,充分利用火场环境条件实施自救能够大幅提高人员生存几率。灭火救援则更多需要依靠灭火人员的专业能力以及先进的技术装备使用,应当在保证自身安全为首要前提条件下对被困人员实施救援,同时扑灭森林火灾。未来对于监测设备的优化和烟气蔓延机理的分析仍是森林火灾烟气蔓延研究的重点方向。另外,森林火灾安全知识普及等工作方面也存在较大的提升空间。