单多层民用建筑火灾的火场供水方法研究

崔彧宁 张娟钰

0 研究背景及目的

房屋建筑按用途可以分为民用建筑和工业建筑两大类。民用建筑根据建筑高度和使用性质等可以分为高层建筑和单多层民用建筑[1]。其中，单多层民用建筑是指建筑高度不大于27m 的住宅建筑和建筑高度不大于 24m 的其他民用建筑。据统计，2021年，我国共发生火灾74.8 万起[2]；2022年，全国共发生火灾82.5 万起[3]，单多层民用建筑火灾数在火灾总数中占有相当大的比例。因此，单多层民用建筑火灾仍是当前主要的起火场所，其灭火战斗方法也是目前最普遍、最常见的，通过对当前消防救援队伍普遍使用的灭火器材装备进行分析研究，作为火场供水方法研究的基础。此外，我国目前火场利用消防车供水的主要供水方法有直接供水、接力供水、运水供水，中低压泵消防车是目前消防队伍的主战车辆，结合消防装备性能，根据火场实际情况合理选择供水方法，可以有效保障火场供水，提高灭火效率。

1 消防队伍现有消防装备技术性能

1.1 消防队伍现有消防车辆的技术性能

消防车按泵的工作压力分类，可主要分为低压泵消防车、中压泵消防车、中低压泵消防车、高低压泵消防车（高低压可以联用）、超高压泵消防车（主要用于高压喷雾）五类[4]。目前，中低压消防泵已逐渐成为我国消防队主战车的首选泵型。其中，普通消防站和特勤消防站主要消防车辆的主要技术性能见表1。

由表1 可知，现在消防队伍配备消防车辆的低压工况下水泵出水口压力最低要求为1.0MPa，流量为40L/s，中压工况下出水口压力最低为1.8MPa，流量为20L/s[5]。

1.2 消防队伍现配备消防水带情况

现在消防队伍配备的消防水带基本上为有衬里水带，有衬里水带按衬里材料可以分为橡胶衬里、乳胶衬里、聚氨酯（PU）衬里、聚氯乙烯（PVC）衬里水带，消防队伍使用的主要为聚氨酯衬里水带；按水带口径可分为D25—D300mm 消防水带，其中工作水带常用D65mm 水带，干线水带常用D80mm 或D90mm（个别地区）水带。

表1 普通消防站和特勤消防站主要消防车辆的主要技术性能

水带材质、管径不同，其阻抗系数（Sd）也不相同，现在消防队伍广泛配备的聚氨酯（PU）衬里水带和室内消火栓使用的聚氯乙烯（PVC）衬里水带，其涂覆层较薄，内壁较粗糙，橡胶水带的阻抗系数与现行水带阻抗系数对照如见表2[6]。

由表2 可知，现在消防队伍广泛使用的D80mm、D65mm 的聚氨酯衬里水带的阻抗系数（Sd）分别为0.019 和0.046。

1.3 消防水枪射流性能

直流消防水枪是灭火救援行动中常用的喷射工具，目前常用的有QLD6/8 直流喷雾水枪和QZ19 直流水枪，结合消防队伍实际，本文以QZ19 直流水枪为主要研究对象，其主要的工作压力、流量与充实水柱之间的关系见表3。

1.4 消防水带的水头损失

消防水带的水头损失hd主要与水带内壁的粗糙度、水带长度、水带直径、水带铺设以及水在水带内的流速有关，其计算公式如式（1）：

式中：hd为1 条水带的水头损失，mH2O；Sd为水带的阻抗系数；Q 为水带的流量，L/s。

例如：一条65mm 的PU 水带，由表2知水带阻抗系数Sd为0.046，若水带内流量Q 为6.5 L/s，根据hd=SdQ2=0.046*6.52≈1.94 mH2O。为了便于计算，依据水带水头损失的计算方法，遵循取整与适度放大原则，可得到相应的水带水头损失估算值，如表4 所示。

2 消防队伍现有消防车供水距离

目前中低压水罐消防车已成为消防队伍的主战车辆，使用较为广泛的水带为聚氨酯衬里水带。消防车供水距离主要由消防车水泵的扬程、水带系统的组成方式、供水流量等因素决定。在此，分两种情况讨论消防车供水距离：

2.1 消防车采用单干线或双干线并联供水

消防车供水距离可以按式（2）进行计算[7]。

式中：L 为消防车供水距离，m；α为水带铺设弯曲系数，一般取0.9；l 为每条水带长度，取20m；r 为消防水泵扬程使用系数，一般取0.6 到0.8；H 为消防车水泵扬程，m；hq为消防水枪的工作压力，mH2O；H(1-2)为标高差，m；hd为每条水带的水头损失，mH2O；为向下取整；ld为机动水带长度，通常取10m。

2.2 消防车铺设单干线，利用分水器出多支水枪

这种情况相比消防车直接铺设双干线出两支水枪，在实际灭火战斗中应用更多，因为其具有水带铺设数量少，铺设速度快的优点，消防车供水距离可以按式（3）进行计算[8]。

表2 橡胶水带阻抗系数与现行水带阻抗系数对照

表3 QZ19 直流水枪的工作压力、流量与充实水柱之间的关系

表4 PU 水带的水头损失估算值

式中：L 为消防车最大供水距离，m；α 为水带铺设弯曲系数，一般取0.9；l为每条水带长度，取20m；r 为消防水泵扬程使用系数，一般取0.6 到0.8；H 为消防车水泵扬程，m；hq为消防水枪工作压力，mH2O；n工为工作水带的条数；hd工为每条工作水带的水头损失，mH2O；H(1-2)为标高差，m；hd干为每条干线水带的水头损失，mH2O；为向下取整；ld为机动水带长度，通常取10m。

3 火场供水的主要方法

火场供水是指运用有效的取水方式将水源处的水供至消防车，再通过各种途径和手段，利用各类消防装备，将水输运到火场的过程。在目前的灭火作战行动中，直接供水、接力供水、运水供水是利用消防车供水的三种主要供水方法，采用不同的供水方法，其最大供水距离也有所差距。

3.1 直接供水

直接供水是指消防车直接停靠水源取水或利用车载水，敷设水带，连接水枪、水炮开展灭火救援行动。当具备以下两个条件时，可以采取直接供水方式：a.水源在消防车辆器材取水能力范围内，且消防车停靠水源的位置与火场的距离在消防车供水能力范围之内；b.到场消防车总载水量足以扑灭初起火灾。直接供水形式一般有单干线1-3 支水枪、双干线2 支水枪、双干线3 支水枪等，消防车直接供水距离根据实际情况选择式（2）或式（3）计算。

3.2 接力供水

接力供水是指通过车辆器材接力的方式，将水源地的水输送到战斗车辆。接力供水的形式，包括消防车水罐接力、车用泵接力以及消防车与手抬机动泵接力等方法。由于消防救援队伍在实战中普遍运用消防车水罐接力供水，车用泵接力以及消防车与手抬机动泵接力的方法多用于高层建筑，故本文主要讨论消防车水罐接力的情况。

单车水平接力供水距离，可按式（4）计算[8]。

式中：S单为单车接力距离，m；α 为水带铺设弯曲系数，一般取0.9；l 为水带长度，取20m；n 为干线水带铺设条数；Hb为水泵出水口压力，104Pa；Hz为标高差压力损失，mH2O；Hg为干线末端出水口压力，mH2O，为了保证顺利注水，一般取值为10×104Pa；hd为每条水带的水头损失，hd=SdQ2，mH2O；为向下取整。若为多车组合的水平接力供水距离，可按式（5）计算[8]。

式中：N接为水平接力供水消防车的数量。

3.3 运水供水

运水供水是指消防车将水源地的水通过车自身水罐运送到火场并输送给战斗车的过程，消防车运水供水的过程包括三个阶段：在水源地上水、将水源地的水运到火场的途中和将水罐中的水输送给战斗车辆，这三个阶段可以用时间来衡量，见式（6）。

式中：n运为运水消防车的数量；S双为运水往返行驶路程，m；q上为水源地上水流量，L/min；q下为向战斗车输水流量，L/min；ql为战斗车向火场供水流量，L/min；为运水消防车平均行驶速度，m/min；为运水消防车水罐平均容积，L；为向上取整。

为了方便计算，做近似假设，q上=q下=ql，则上式可简化为式（7）

4 火场供水方法的选择

火场供水方法的选择受很多因素的影响，其中主要的影响因素有水源距离、道路环境、现场车辆器材以及消防救援队伍的人员任务分工等，这些因素共同决定了火场供水方法的选择。通过分别计算三种供水方式的供水距离和最少供水车辆数，综合比较三种供水方式的优劣，指导现场指挥员快速地根据火场形势选择合适的供水方式。

为方便计算和比对，同时结合工作实际，下文三种运水方式均选用中低压水罐消防车直接从消火栓取水，在低压工况下，主干线为聚氨酯衬里的D80mm水带，支线为聚氨酯衬里的D65mm 水带，用口径为19mm 的QZ19 直流水枪进出水灭火，其相关参数如表5。

表5 消防队伍灭火战斗常用器材参数表

4.1 直接供水的选择

由于直接供水的中间环节少，供水相对可靠，因此在火场周围水源丰富的情况下，应尽量尝试使用直接供水方式。为进一步验算直接供水的最大供水距离，保证供水系统的可靠性，本文在常用的几种直接供水的方式中取最大供水距离的最小值和最大值的平均。

以中低压水罐消防车单干线出3 支水枪为计算对象，Q总=3Q1=19.5L/s，代入式（3）得：

以中低压水罐消防车出1 支水枪为计算对象，代入式（2）得：

根据前面的计算，最大供水距离的最小值和最大值的平均值为318.8m，即在火场距车辆约300m 时，可采用消防车占据水源直接供水的方法，此时直接供水可以轻松实现供水目的。如果战斗车水泵压力更大并且水带数量足够，直接供水的距离还会更长。因此，对于现场直接供水方法的选择比较简单明确，现场指挥员可以根据水源与火场之间的距离以及车辆装备的性能直接作出选择。

4.2 接力供水和运水供水的选择

如果水源与火场的距离较远，不再适用直接供水时，应该选择接力供水或者运水供水，对于选择接力供水还是运水供水，在供水距离相同时比较两者使用消防车数量。参考现在消防部队车辆的最低标准，消防车选取中低压水罐消防车，在中压工况下消防车出水口压力1.8MPa（180*104Pa），水罐容积为5000L，接力所用水带为聚氨酯（PU）衬里D80mm 水带，干线末端出水口压力Hg为10×104Pa，运水消防车的平均行驶速度为550m/min，即9.16m/s。以火场供水流量13L/s，根据表4 查得其水头损失hd约为4 mH2O，供水距离1000m 为例，接力供水距离计算式（4）和式（5），运水供水距离计算式（7），代入可得：

以下用同样的计算公式，火场供水流量分别取13L/s、19.5L/s、26L/s，供水距离取500m、1000m、2000m、3000m，在供水强度与供水距离相同的条件下，分别计算此时的供水消防车数量，计算结果如表6 所示。

在表6 中，在供水强度为13L/s、供水距离为500m-2000m 以及供水强度为19.5L/s、供水距离为500m 时，接力供水较运水供水占优；在供水强度为13L/s、供水距离为3000m 和供水强度为19.5L/s、供水距离为1000m 这两种情况时，虽然接力供水和运水供水所需消防车数量相同，但考虑到接力供水需要车辆之间相互配合，车辆越多，越容易出现因局部故障而影响整体，而运水供水各个车辆具有相对独立性[6]，故优先考虑运水供水；当供水强度为19.5L/s、供水距离为2000m-3000m 以及供水强度为26L/s 时，运水供水较接力供水占优。

表6 供水强度、供水距离与接力供水、运水供水消防车数量之间的关系

综上所述，在供水强度较小，供水距离也不是很远时，接力供水较运水供水有优势，但随着供水强度和供水距离的增大，运水供水的优势逐渐凸显出来，并且这个优势随着供水强度和供水距离的增大而越来越大，即运水供水较接力供水在大供水强度、长供水距离的情况下，有明显优势。

5 结论

由于火场的特殊性，本文在此给出选择方法，需要现场指挥员根据火场车辆的数量、性能、供水强度、水源情况等因素综合评判。

对于直接供水的选择，指挥员可以根据消防车性能和供水距离直接作出判断；对于选择接力供水还是运水供水，由于同一个火场在火灾不同阶段的用水量是不同的，根据表6 的计算结果，在火场供水强度较小，供水距离较近的时候，接力供水占优势，随着供水强度以及供水距离的增大，运水供水的优势逐渐凸显出来，且越来越明显，同时远距离供水选用运水供水还可以免去铺设供水线路。

指挥员可以根据辖区消防车性能，参照表6 的计算方法，提前计算出辖区供水消防车数量、供水强度、供水距离之间的关系表，在火灾扑救时，参照这个关系表并结合火场实际情况，选择火场最佳供水方式。对于多个消防站甚至支队参与的较大火场，现场指挥部也可以根据供水车的具体情况，结合火场情况作出选择。