森林火灾水泵灭火供水干扰因子及策略研究

颜世良 石 宽 李星汉 杨海鹰 程 松

（1.吉林省森林消防总队，吉林 延吉 136200,；2.中国消防救援学院，北京 102202）

目前我国森林火灾扑救中最常用的是以水灭火技术，随着我国水泵装备发展及林区道路网建设的持续推进，水泵灭火技术在未来森林火灾扑救应用中前景广阔[1]。水泵供水的干扰因子是指阻碍水流沿水带流动到达出水口的因素，根据森林火灾的特点，主要分两类：水头损失与重力势能。2011年王玉等[2]对水带蜿蜒铺设时水头损失估算及火场供水进行研究，计算出了水带蜿蜒铺设时的水头损失；2006年阙兴贵等[3]对消防水带压力损失的影响因素及计算方法进行研究，简化了水带压力损失公式；2011年李进兴[4]对消防水带阻抗系数进行了试验测定并验证，计算得出了D56、D80 的水带阻力系数；2022年王万通等[5]对森林火灾火场供水方法进行了研究，分析了不同供水方法优劣。目前针对森林灭火水泵供水干扰因子的相关研究较少，且现有文献中只有城市消防分析了水头损失，未有系统研究森林消防高山灭火涉及重力势能因素的研究成果。本文以水头损失与重力势能两个主要干扰因子为研究对象，重点设计试验重新测算森林消防队伍中广泛使用的25-40-30 涤纶长丝/涤纶长丝-聚氨酯水带的阻抗系数，结合已知参数推导出四个搭建供水系统的实用公式。

1 水泵供水干扰因子

在水泵灭火实战中，主要采用“三段式”灭火技术[5-6]。水源、供水系统与扑打系统形成一个完整的灭火系统，分工明确，运行有序。供水系统是指由水源到扑打系统的整个供水系统。在森林火灾中，以扑打高山火居多，因此水泵供水主要干扰因子有水头损失和重力势能。

1.1 水头损失

当水泵启动后，水在水带内流动过程中，由于水体黏性力、水带沿程阻力的作用，存在着机械能损失。流体总流的单位重量流体的平均机械能损失称之为水头损失[2]。水头损失由沿程水头损失和局部水头损失构成。公式为：

式中：hsd为水带水头损失，m；hf为沿程水头损失，m；hj为局部水头损失，m。

1.1.1 局部水头损失

由于受地形影响，火场铺设水带不可能保持直线，难免会有弯曲现象，弯曲的水带会导致水流结构改变、流速分布改变并产生旋涡区，旋涡内液体的分裂、碰撞和摩擦造成水带局部水头损失[2]。但是与水带的总损失相比，由于水带弯曲而增加的压力损失较小[3]。因此，在消防水带压力损失hsd的经验公式和计算方法推导中，做了简化处理，即hsd=hf。

1.1.2 水带沿程水头损失

由于水的黏性作用，水在通过水带时产生沿程阻力，沿程阻力做功而引起的水头损失叫做沿程水头损失[2]，以hf表示，其计算公式为[7]：

式中：n为水带数量，根；S为水带阻抗系数；Q为水带内流量，L/s。

1.1.3 水头损失经验公式

根据远距离供水，局部水头损失可忽略，总水头损失即为沿程水头损失，可得到经验公式：

1.2 重力势能

根据伯努利方程：

式中：p为流体中某点的压强，Pa；v为流体流速，m/s；ρ为流体密度，kg/m3；g为重力加速度，9.8 m/s2；h为该点所在高度，m；C为常量。

设∆V为一圆柱形流体构成的系统,当将公式（4）两边乘以一个体积元∆V。即：

一段在圆柱体内的具有压力的流体，称其为圆柱形流体。

图1 截面积为s圆柱形流体系统（移动距离a）Fig.1 The sectional area is the s cylindrical fluid system(moving distance a)

将水带内的水流看作圆柱形流体，其移动距离为a，圆柱形流体作用在S面上的压力做功：

式中：F为作用在S面上的力，N；a为圆柱形流体的长度，m。圆柱形流体的重力势能：

式中：m为圆柱形流体的质量，kg；hl为圆柱形流体抵抗重力做功的距离，m。可以表述此式为：

压力势能+重力势能+动能=常数（与上式一一对应）。这样看，压力势能是由于某质元∆m因处于压力F的场中而具有的能量。需要注意的是，压力势能与重力势能不同，是物体由于位形（不是位置）而具有的能量[8]。

整个供水系统存在能量转换，压力势能与重力势能及流体动能守恒[4]，见公式（9）。

式中：Wp1为进水口压力势能,N；Wp2为出水口压力势能,N；h1为进水口所在高度，m；h2为出水口所在高度,m。

在扑打高山火头时，由于存在高差，重力势能增大，导致压力势能减小。

在理想流体中，当供水系统稳定后，流速恒定，因此动能也恒定，整个系统只存在重力势能与压力势能的转换。则公式（9）转化为：

两边同时除以一个体积元，p1-p2=pg(h1-h2)，又可知出水口端当水与外界大气压接触时，液体表面与大气压强差为0，p2即=0，此时p1=ρg(h1-h2)，可得到公式（11）：

式中：p为系统压力损失,10 kPa；h为高差。

为方便计算扬程，将压强单位用水柱高度表示更为直观，单位为米水柱。

2 供水干扰因子实测

对水带阻抗系数的测定，消防救援队伍已有相关的测定方法研究，为计算现在森林消防队伍中广泛使用的25-40-30 涤纶长丝/涤纶长丝-聚氨酯水带的阻抗系数提供了参考依据。笔者结合高山森林灭火的特点对测定方法进行修改，计算得到了水带阻抗系数。

测定水带阻抗系数的试验方案如图2所示。保证水囊注水充足，由水泵一侧出水口连接流量计，以测定通过水带的瞬时流量。再连接抗震压力表，以测定总压力。压力表另一端口连接测试水带（前5 次试验为一根测试水带，后5 次试验为两根测试水带），水带铺设基本呈直线。每组试验都会使用水平仪测量地面高差。

图2 试验过程示意图Fig.2 Test process diagram

试验所采用的水带均为森林消防队伍配发的25-40-30 涤纶长丝/涤纶长丝-聚氨酯水带（工作压力2 500 kPa、口径DN40、长度30 m），水囊容积为2 m3，试验水温为20 ℃，其运动黏度系数为1.005 0，采用ODIN Vortex Pack型水泵供水，测试场地为平坦的水泥地面。测试用抗震压力表型号为红旗YTN-100，流量计为智能涡街流量计LUGB型。

供水系统内总压力损失由水头损失和重力势能共同组成，即：

式中:ρ为水的密度，1 000 kg/m3；g为重力加速度，9.8 m/s2；hc为压力表与直出水口间的高差，m；n为水带数量，根；Si为除水带外其余实验设备产生的局部损失系数；pg为高差产生的压强，Pa。

当水以稳定流量流经测试水带时，抗震压力表能测出总压力，流量计能显示对应的流量，则可根据公式（12）计算出测试水带的阻抗系数。通过试验，取得10组试验数据作为计算的依据，试验数据见表1、2。

表1 1 根水带试验数据Tab.1 Test data of 1 hose

表2 2 根水带试验数据Tab.2 Test data of 2 hose

3 结果与分析

通过查阅延边森林消防支队10年来灭火作战案卷总结，依据经验值，研究分析得出执行高强度任务时水泵的最佳流量为150 L/min(2.5 L/s)，执行中低强度任务时最佳流量为130 L/min（2.17 L/s）。依据计算得出的水带阻抗系数和伯努利原理，通过区分水泵班长、一线指挥员、基指和前指指挥员3 个层面推演了4 个实用公式，在进行高山长距离供水时，为指挥员指挥灭火行动提供理论依据。通过查阅ODIN Vortex Pack水泵厂家提供的水泵特异曲线图，当供水系统流量为150 L/min时，可知水泵提供总水头为0.99 MPa，为保证水泵长时间稳定运行，扬程系数取0.95，总水头约为0.95 MPa；供水系统流量为130 L/min时，在ODIN Vortex Pack水泵特异曲线图中可知供水系统初始总水头为1.1 MPa，为保证水泵长时间稳定运行，扬程系数取0.95，总水头损失约为1.045 MPa。

3.1 单泵连接水带数量测算

在执行高强度任务时，已知S=11.13，Q=2.5 L/s，ρ=1 000 kg/m3，g=9.8 m/s2的条件下，可以计算得出在流量为2.5 L/s时水流通过单根水带损失的压力等于的水柱高度，记为h单高，h单高=SQ2÷mg，水流通过单根水带损失的压力7 m水柱，h单高=7 m。0.95 MPa近似等于95m水柱，因此可得单泵连接水带计算数量公式：

式中:n高为水带数量,根；HK为水带出水口高程,m；HB为水泵高程，m。

在2.5 L/s这个流量下，水泵初始水头减去水泵与水带出水口之间的高差，再除以水流通过单根水带损失的压力7 m水柱，便可知最多铺设水带数量，实际铺设数量要小于或等于所得到的值。

在执行低强度任务时，已知S=11.13，Q=2.17 L/s，ρ=1 000 kg/m3，g=9.8 m/s2的条件下，可以计算得出在流量为2.17 L/s时水流通过单根水带损失的压力，记h单低，水流通过单根水带损失的压力5.35 m水柱，h单低=5.35 m。1.045 MPa近似等于104.5 m水柱，因此可得单泵连接水带计算数量公式：

式中：n低为水带数量，根；HK为水带出水口高程，m；HB为水泵高程,m。

3.2 架设水泵数量测算

根据水带出水口与水泵之间的高差，加上沿程总压力损失的水柱高度，便可得到系统需求总扬程水柱高度，用得到的值除以单泵提供的扬程水柱高度，即可算出某一流速下供水系统需要的最少水泵数量。沿程总压力损失的水柱高度，可用坡长L除以水带长度30 m得到应铺设的水带数量后，再乘以每根水带损失的压力水柱高度。分两种任务强度表示如下：

执行高强度任务时，在最佳流量150 L/min下，已知水泵高程HB、水带出水口高程HK以及山地坡长L的条件下，即可计算出需要架设水泵的数量，公式：

执行低强度任务时，在流量130 L/min下，已知水泵高程HB、水带出水口高程HK以及山地坡长L的条件下，即可计算出需要架设水泵的数量，公式：

3.3 最少投入装备数测算

最少投入装备数，即达到完成供水任务需要，必须投入的最少装备数。森林火灾特点决定了，在出现重、特大森林火灾时，森林消防队伍需要携带大量装备远程机动才能保证任务的圆满完成。目前消防队伍配发的装备种类越来越多，在运力一定的前提下，任务出动时以携带种类全、应对情况多为目标，但是各类装备携运行的数量有限，不能满足任务队伍全员以水灭火作战意图的实现。如果在前指调动队伍增援任务时，就能够明确任务特点、火场情况、装备需求，则可有效优化装备携运行构成、节省运力。

通过计算可知最少需要投入水泵N（水泵数量）台，水带L/30 条，水囊N个，水泵维修工具包N个，吸水管N个。

在已知需要以水灭火的情况下，任务队伍在“带足基数、略有备份、区分性能、合理组合”的前提下，依据单泵连接水带数量测算、架设水泵数量测算2 个公式，可以携带足够任务需求的装备数量、合理调整装备比例。

3.4 一次性投入最大有效兵力数测算

一次性投入最大有效兵力数是指人力与物力的利用效率最大化，是执行灭火作战任务时的最佳人员数量，能够分工明确、高效快速完成供水系统的搭建。当投入的兵力数接近此数值前系统搭建效率呈“J”型增长，在超过此数值后呈“S”型增长。在实际任务中指挥员安排部署作战计划时计划投入的兵力数如果超出该值，虽然能提高效率，但提高幅度不大，反而浪费人力，不够经济划算；如未达到该值，损耗指战员体力，大大延长供水系统的搭建时间，最终影响灭火效率。

把一次性投入最大有效兵力数值记为T,即可得到公式（18）：

式中：N同时代表水泵手、水泵副手和水囊手的数量；L/90（每个水带筐装3 根水带）代表投入水带手的数量。该公式在保证数量充足的前提下，还能够优化投入任务的人员构成。

4 策略研究

为方便指战员更好地利用本文推导的公式，特汇总成表3、表4。表中常数7、95、5.35、104.5 为特定流量下计算出的数值，根据不同需要，指挥员可灵活修改，而后代入公式计算。指挥员可根据任务需要调整供水流速，灵活修改公式的常数。

表3 不同强度任务下单泵连接水带计算与架设水泵数量公式Tab.3 Calculation of single pump connection hose under different intensity tasks and formula for erecting the number of pumps

表4 不同强度任务下最少投入装备数与一次性投入最大有效兵力数Tab.4 The minimum number of equipment invested in different intensity missions and the maximum number of effective troops invested at one time

5 结语

本文通过对森林火灾水泵灭火供水干扰因子及策略进行研究，可解决以下实际问题：

1）水泵班长按照同一公式搭建完成供水系统，保证各水泵提供扬程、流量基本一致，避免因单个泵流量不一致，导致整个系统流量过慢或输水距离缩短；2）一线指挥员能够一次性确定投入人员和装备数量，可迅速判断是否需要申请增援，或者制定合理重复用兵方案；3）前指和基指指挥员在兵力部署阶段，指挥员只需要知道铺设水带沿线的坡长和架设的水泵数量，就可以利用一次性投入最大有效兵力数计算出本次战斗要出动的人员数量，最大程度减少人力浪费，为科学救援提供理论支撑；4）研究最少投入装备数公式算法的目的是让指战员精准携带装备，减轻负担，提高灭火扑救效率。四个公式配合使用，待普及到森林消防队伍中，可为森林消防一线指战员、基指和前指指挥员带来极大便利，为快速完成灭火任务提供帮助；同时为水泵供水提供科学依据，帮助实现森林消防“打早、打小、打了”的目的[9-15]。