森林火災煙氣蔓延及成分研究進展

王青清, 高仲亮, 王何晨陽, 曹宇飛, 于聞天

(西南林業(yè)大學土木工程學院,云南 昆明 650244)

近十年,我國年均森林火災次數(shù)都在2 000次以上,森林火災火場總面積超過48.5萬hm2。森林火災具有突發(fā)性強,破壞性大,處置救助較為困難等特點,嚴重制約著現(xiàn)代林業(yè)的可持續(xù)發(fā)展,及時撲滅森林火災可有效地減少人員傷亡和財產(chǎn)損失。森林火災中可燃物燃燒能夠釋放大量有害氣體、濃烈煙氣、大顆粒物質(zhì),嚴重威脅被困人員和救火人員的生命安全,同時嚴重影響火災周邊地區(qū)的空氣質(zhì)量,間接影響周邊人群的身體健康。如何快速撲救火災以及有效地避免人員的傷亡是近年來人們一直關心的問題。

目前,國內(nèi)外火災煙氣蔓延及釋煙特性的研究主要集中在工程應用方面,例如隧道、地鐵、電梯井、礦井等領域都積累了一定的研究成果,但關于森林火災煙氣蔓延的研究較少。近些年,隨著計算機技術的快速發(fā)展,火災煙氣蔓延的模擬技術不斷提高,應用Fluent、FDS、HYSPLIT等計算機模擬軟件,已經(jīng)有效地解決了過去在仿真模擬技術上的諸多難點。盧葦[1]等基于洛倫茲方程Prandtl值變化,研究火災中因熱所產(chǎn)生的混沌行為,得到混沌行為的發(fā)生介于Prandtl值的某一范圍之內(nèi)。Xin Z[2]等運用FDS仿真模擬軟件構建了一個實際牧場的草地火災簡化模型,模擬不同因素下的草原火災三維數(shù)值蔓延,得到了不同因素下火災放熱率、燃燒率的變化規(guī)律。Damoah R[3]等運用拉格朗日粒子擴散模型FLEXPART來確定羽流的起源和傳輸,比較基于ECMWF和GFS氣象數(shù)據(jù)的模擬,但最終結(jié)論并未能得出更符合觀測結(jié)果的模型。Luderer G[4]等運用簡單統(tǒng)一假設的模擬方法研究煙霧噴射場景的大氣影響,指出火災通常具有足夠能力將產(chǎn)生的對流排放物夾帶到自由對流層。Smith A K[5]等開發(fā)基于四維智能體的建?？蚣?并實現(xiàn)森林火災煙霧傳播的四維案例研究方法,模擬結(jié)果產(chǎn)生了真實的空間模式的煙霧傳播動力學。Khaykin S[6]等觀察2020年前后澳大利亞野火,發(fā)現(xiàn)其產(chǎn)生了持續(xù)的煙霧渦流,上升高度為35 km,以及火災產(chǎn)生的單一平流層燃燒產(chǎn)物對許多氣候驅(qū)動平流層變量影響十分顯著。Gosteva A A[7]等研究西伯利亞地區(qū)的森林火災及森林火災的煙氣蔓延,使用遙感衛(wèi)星結(jié)合城市環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡數(shù)據(jù),有效評估森林火災造成的整體污染水平。

1 影響森林火災煙氣蔓延的因子

1.1 風速

森林火災的煙氣蔓延速度受風力影響十分明顯?？扇嘉锶紵a(chǎn)生的熱空氣上升形成煙柱,遇上冷空氣后易形成冷熱空氣對流煙柱,改變風向造成火勢的變化,若山區(qū)環(huán)境加之地形條件復雜,極容易引起意外情況發(fā)生。四川涼山州“3·30”森林火災的主要原因是該地以云南松和高山松這類油脂含量較高、燃點較低的易燃植被為主,火災發(fā)生后受到各種湍流以及越山氣流的影響發(fā)生了爆燃現(xiàn)象[8]。Perminov V[9]提出了一種新的數(shù)學設置和數(shù)值求解方法,以解決森林火災期間輻射在森林區(qū)域上方煙霧擴散的問題,研究表明在無風情況下,放射性煙霧顆粒在一段時間以后會再次沉積在地面上;隨著風速增加,顆粒在地面層中的轉(zhuǎn)移距離與風速成正比。LavrovA[10]等利用雷諾平均Navier-Stokes流體動力學模型研究風和浮力作用等因素影響下森林火災煙氣的擴散,指出該模型可用于煙羽演化的半定性評估。王喜世[11]等利用燃燒風洞結(jié)合測量系統(tǒng)等方式模擬風速,在不同風速條件下對兩種樣品木材表面的火蔓延特性研究,表明風速條件對燃燒具有顯著影響,且在順風情況下木材表面火蔓延速率在一定風速范圍內(nèi)隨風速的加快不斷增大。

1.2 地形

地形能夠影響太陽輻射,將太陽輻射到地面的能量反射回大氣,大氣又反射回地面形成逆輻射。大地形能夠?qū)δ骋惠^大環(huán)境范圍內(nèi)的氣溫分布和變化產(chǎn)生宏觀性的顯著影響,即使針對局部小范圍地形,也能夠在短距離內(nèi)對氣溫變化造成巨大作用。楊景標[12]等從熱流密度和總換熱量兩個角度出發(fā),分別計算林木表面與煙氣之間的換熱關系,并基于此數(shù)學關系分析山坡斜度和風速與煙氣運動的影響,得出山坡坡度減小,煙氣覆蓋的范圍增大等一系列結(jié)論。魏建珩[13]等采用FDS軟件建立微觀山體柞木林模型研究燃燒蔓延和釋煙特性,分析不同坡度條件對柞木燃燒蔓延規(guī)律的影響,表明煙氣流速與坡度呈負相關。朱家進[14]等在實驗室開展不同坡度的燃燒情況,得出坡度與熱輻射之間呈正相關關系。

1.3 湍流

根據(jù)有無徑向脈動,流動可以分為層流和湍流。湍流具有隨機性、瞬時流動性等特點,是森林火災中煙氣蔓延的重要影響因素之一。冉海潮[15]指出煙氣中懸浮的煙氣顆粒目、團聚效應和煙氣的湍流效應是火災探測的重要影響因素。通常情況下,煙氣湍流是一個隨機過程,具有小尺度、快速變化的特點,而火災中煙氣湍流效應本質(zhì)上是煙氣的熱湍流效應[16]。杜曙明[17]等指出環(huán)境湍流對煙氣的抬升具有重要影響,此外這種影響不僅限于煙氣和環(huán)境之間的質(zhì)量交換,同時也能促進煙氣與環(huán)境之間的動量、熱量交換過程。森林火災中,煙氣內(nèi)部溫度和周圍環(huán)境的溫度相差巨大,使得熱湍流效應對煙氣的蔓延影響更加顯著。孟嵐[18]等指出在有較高溫度差帶來較大密度差的環(huán)境中,浮力是控制火焰運動的決定性因素,但目前為止,浮力對湍流狀態(tài)影響的研究依然較少。

1.4 溫度

風和湍流的共同作用是森林火災中煙氣擴散的主要影響因素,除此以外,溫度也是重要影響因素之一。由于煙氣內(nèi)部的溫度相較于煙氣外圍溫度要高,這種溫度差產(chǎn)生了一種浮升力,使得煙氣的高度發(fā)生變化,熱力因素的影響作用也可以作為蔓延指標。曹毅[19]基于Fluent軟件對大氣中霧霾流場進行模擬,指出煙氣與大氣的溫度差所產(chǎn)生的浮力差是影響煙氣浮升階段的主要因素,溫度升高會使不同位置點的大氣霧霾流場抬升高度呈加速下降趨勢。

森林火災的煙氣溫度可高達數(shù)百攝氏度,對被困人員及救火人員身體造成傷害。人是恒溫動物,而人體維持熱平衡與環(huán)境溫度之間具有顯著的相關性。當環(huán)境溫度超過人體耐受溫度時,人體產(chǎn)熱量增加,輻射換熱量與對流換熱量減少[20]。此外,研究表明蛋白質(zhì)的生物活性通常維持在60℃左右,超過60℃則會開始變性,所以高溫環(huán)境會導致蛋白質(zhì)的生物活性降低或者變性。森林火災煙氣的輻射溫度可高達數(shù)百攝氏度,在這種高溫環(huán)境下,人體細胞會直接脫水碳化。

2 森林火災煙氣成分

2.1 一氧化碳

森林火災的初期階段往往是沒有明顯火焰的緩慢燃燒,即陰燃。由于陰燃階段大量含碳森林可燃物與氧氣接觸不充分,從而導致一氧化碳的釋放增加。一氧化碳作為火災煙氣中的主要毒性氣體,能夠?qū)θ梭w的心血管造成損害以及使人產(chǎn)生缺氧性中毒等,高濃度的一氧化碳甚至會引起人體器質(zhì)性病變。一氧化碳對人的危害程度取決于濃度及時間,見表1。研究表明一氧化碳生成的碳氫化物中包含多種化合物,能使人體產(chǎn)生慢性中毒,其中部分化合物能夠?qū)θ说母泄傧到y(tǒng)(眼鼻)產(chǎn)生直接的刺激作用,從而影響其正常功能[21]。Paris J D[22]等使用FLEXPART-Lagrangian模型研究了氣團的起源以及生物質(zhì)燃燒對一氧化碳增強的貢獻,研究得出每千克燃燒干物質(zhì)的平均一氧化碳排放系數(shù)為65.5±10.8 g等結(jié)論。

表1 不同體積分數(shù)CO對人體影響

2.2 二氧化碳

森林火災會產(chǎn)生大量的煙氣,其主要成分為二氧化碳和水蒸汽,一般情況下濃度350～1 000 ppm的二氧化碳,人體可以保持正常呼吸,并無身體不適等,見表2。王廣宇[23]在實驗室內(nèi)模擬室外環(huán)境,對采集的樣本進行燃燒實驗,測定森林地表主要植被的未分解層和半分解層,計算其在燃燒過程中的排放因子及釋放量,實驗結(jié)果表明:燃燒過程中氣體排放以二氧化碳為主。Rio C[24]等計算了給定活在特征和環(huán)境條件、二氧化碳和熱通量釋放的溫度等羽流排放的氣體的垂直分布,表明二氧化碳可以被注入到遠高于邊界層高度的地方,導致對流層中的二氧化碳每日過剩。

表2 不同濃度CO2對人體影響

2.3 二氧化硫

二氧化硫?qū)儆谌芙舛容^大的有毒氣體,在進入人體后,能夠迅速溶解于人體內(nèi)濕潤的粘膜,產(chǎn)生較強的刺激性作用,二氧化硫?qū)θ梭w產(chǎn)生危害的部位包括皮膚、眼睛、呼吸道等[25]。研究表明,當二氧化硫濃度為10～15 ppm時,呼吸道纖毛運動和粘膜的分泌功能均受到抑制作用[26]。彭徐劍[27]等利用排放因子法對大興安嶺二氧化硫排放進行估算,發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)燃燒所釋放的二氧化硫占比最大,并且所有喬木中樟子松的二氧化硫排放因子最高,白樺最低。由此可以發(fā)現(xiàn),森林火災所釋放的二氧化硫?qū)諝馕廴镜挠绊戯@著,且不同樹種所釋放的二氧化硫含量具有差異性,可以選擇樹種控制森林火災煙氣中的毒性氣體釋放量。

2.4 可吸入顆粒物

火災煙氣中通常含有大量直徑為幾微米到幾十微米的懸浮性含碳顆粒。森林火災會產(chǎn)生大量的可吸入顆粒物,包括PM2.5、PM10等,在全球范圍內(nèi)是重要的顆粒物污染源。YuP[28]等采用一個分段氣溶膠氣候量化模型,結(jié)合火災現(xiàn)場和遠程測量,量化煙霧質(zhì)量分布、煙霧中BC比例等。模擬發(fā)現(xiàn)觀測到的平流層煙霧壽命約為150天,說明煙霧顆粒有機物的光化學壽命相當長。Li L[29]等利用氣象模式MM5分析了某次火災期間的天氣格局,表明該地區(qū)存在一個長期靜止高壓系統(tǒng),使其在緩慢的長距離輸送過程中保持較高濃度,造成較為嚴重的空氣污染。Ning J[30]等檢查了PM2.5的濃度與環(huán)境和燃料特性實驗之間的關系,得出盡管 PM2.5濃度隨著風速的增加、燃料水分含量的降低和燃料負荷的增加而升高,但存在一個燃料負荷閾值,超過閾值后濃度迅速減速。

一定濃度的可吸入顆粒物對人體健康也會造成影響。高濃度PM2.5不僅會影響短期內(nèi)的人體呼吸健康,還會對人體心肺功能構成長期威脅,急性暴露于火災煙氣中會引發(fā)全身炎癥反應,長期暴露于城市細顆粒物會增加心血管疾病發(fā)病率和死亡率。Henderson S B[31]等研究發(fā)現(xiàn)PM10增加10 μg/m3與呼吸系統(tǒng)住院幾率增加5%相關;PM10增加10 μg/m3與哮喘特異性內(nèi)科就診的幾率增加6%相關。Hanigan I C[32]等研究PM10與1996年至2005年每個火災季節(jié)因心肺疾病每日急診入院之間的關系,表明當日估計的環(huán)境PM10增加10μg/m3與因呼吸疾病入院總?cè)藬?shù)增加4.81%相關。

3 森林火災煙氣蔓延的應對策略

3.1 煙氣監(jiān)測

隨著科技發(fā)展,許多高新技術的應用使得森林火災煙氣監(jiān)測的精度不斷提高。目前對森林火災煙氣監(jiān)測常用的裝備有衛(wèi)星、無人機、載人飛機、攝像頭以及多傳感器融合技術等[33]。

Grivei A C[34]等采用數(shù)據(jù)表示方法等6種不同算法來處理被煙氣覆蓋的Sentinel-2數(shù)據(jù)的土地覆蓋圖,以避免火燒跡地繪制過程中森林火災煙氣的影響,與實地情況比較后發(fā)現(xiàn)準確率可達91.61%。Heyns[35]等建立專門的塔式攝像機系統(tǒng),提出一種智能視頻煙霧檢測算法和最佳野外攝像機放置策略,能夠有效實現(xiàn)野外煙氣監(jiān)測。劉樹東[36]等提出了一種基于機器視覺的森林火災監(jiān)測方法,能夠去除云霧和煙氣在監(jiān)測時的干擾,利用擴散性分析對火災進行有效判斷。Khetkeeree S[37]等提出了基于歸一化植被指數(shù)分類的Sentinel-2圖像去煙氣技術,該技術能夠在分布均勻的厚重煙氣條件下得到較為準確的監(jiān)測結(jié)果。目前火災監(jiān)測方式多樣,能夠在森林火災中實現(xiàn)多角度、多方位的精確監(jiān)測,有效的火災煙氣監(jiān)測是人員逃生、火災撲救的重要前提和保障。

3.2 人員逃生

森林火災煙氣的蔓延會導致被困人員心理恐懼的增加;厚重的煙氣會導致人員在火場中失去判斷,迷失方向;煙氣溫度的不斷升高會灼傷人體皮膚甚至致人死亡;煙氣中所攜帶的大量有害氣體以及可吸入顆粒物會導致人員窒息或中毒。

一般情況下,森林火災煙氣逃生的最低能見度約為5 m,當煙氣能見度小于3 m時,人員逃生的可能性便會急劇下降。在熱湍流效應和地形的作用下,煙氣通常會從地面擴散至高空,從地勢低處向高處蔓延。因此,人員被困于火場中時,首先應當保持冷靜分析,判斷煙氣蔓延的大致方向,切勿盲目行動,同時避免朝山頂逃生;充分利用地形條件,選擇地勢較為平坦開闊、森林植被覆蓋稀疏的空曠地帶;煙氣密度大于周圍空氣密度,在地勢低洼處易形成沉積作用,因此應避免踏入低洼地帶造成被困。文世熙[38]等根據(jù)動物遷移阻力因子的判斷方法,選取不同的阻力因子,并結(jié)合森林火災中的火場分布等因素構建森林火災逃生路徑網(wǎng)絡決策模型,利用數(shù)學建模的方式為人員逃生提供一定的科學指導。

3.3 滅火救援

基于上述煙氣監(jiān)測分析,當火場外人員實施救援時,可以利用無人機、攝像頭等技術裝備,為人員提供一條較為安全科學的逃生之路。Zhang H G[39]等利用消防粒子群算法模擬森林火災蔓延和森林火災救援之間的動態(tài)救援過程,測試了粒子群滅火算法在搜索動態(tài)最優(yōu)解等方面的性能。Zhang H G[40]等還引入了一個基準數(shù)據(jù)集,由救援模擬器和救援算法組成的救援集成支持森林火災救援的動態(tài)模擬。目前基于森林火災救援領域中新型無人監(jiān)控系統(tǒng)和大型消防飛機進行模擬研究十分少見,具有較強的參考價值。彭徐劍[41]等在深入分析目前我國森林火災救援體系中的不足之處后,提出基于火場要素采集、火場通信技術、指揮撲救技術三方面構建“空天地一體化”森林火災應急處置體系的設想。利用目前成熟的火災監(jiān)測體系,通過衛(wèi)星遙感、航空遙感、地面遙感等手段實現(xiàn)綜合化救援。

4 結(jié)論

森林火災具有突發(fā)性強,破壞性大,處置救助較為困難等特點,而復雜多變的煙氣蔓延則會加劇林火發(fā)展的不確定性,造成人員傷亡、降低逃生機率、加大林火撲救工作的困難程度。選取風速、湍流、地形、溫度等典型影響因子分析森林火災煙氣蔓延。溫度升高能夠使煙氣蔓延更加劇烈;風速增大可以加快煙氣蔓延速率;地形的不同可以造成熱輻射的變化等,均表明森林火災煙氣蔓延是諸多影響因素綜合作用下的結(jié)果。此外,森林火災的煙氣成分也是研究的重點方向之一,煙氣成分的復雜性和有害性對火災撲救、人員逃生以及人體健康安全等方面都具有一定影響,例如可吸入顆粒物濃度的升高能夠明顯對周邊環(huán)境造成破壞。

基于以上對森林火災煙氣蔓延影響因素分析,從煙氣監(jiān)測、人員逃生、滅火救援三個方面分別提出了應對策略。目前利用衛(wèi)星、無人機、攝像頭等檢測設備形成全方位、多角度、多層次的綜合一體化森林火災煙氣監(jiān)測,可為人員逃生和滅火救援等提供重要支持和保障。人員逃生方面,被困人員的心理素質(zhì)和應急知識儲備是非常重要的指標,充分利用火場環(huán)境條件實施自救能夠大幅提高人員生存幾率。滅火救援則更多需要依靠滅火人員的專業(yè)能力以及先進的技術裝備使用,應當在保證自身安全為首要前提條件下對被困人員實施救援,同時撲滅森林火災。未來對于監(jiān)測設備的優(yōu)化和煙氣蔓延機理的分析仍是森林火災煙氣蔓延研究的重點方向。另外,森林火災安全知識普及等工作方面也存在較大的提升空間。