國內(nèi)森林地下火研究進展

李存宇，趙 南

(黑龍江省森林保護研究所，哈爾濱 150081)

2022年，國土綠化狀況公報顯示，全國森林覆蓋率達24.02%，森林蓄積量達194.93億m3，連續(xù)30多年保持森林面積、蓄積“雙增長”。森林火災是對森林資源危害最大的自然災害之一，大力開展森林火災預防撲救研究是我國從少林國家邁向森林高覆蓋率國家的重要舉措。多數(shù)森林火災為地表火，樹冠火和地下火屬于由地表火升級發(fā)展而來的特殊火行為，相較于地表火的研究，極端火行為的研究尚存不足。地下火具有燃燒隱蔽性強、燃燒持續(xù)時間長、破壞力大和預防撲救困難等特點，雖然發(fā)生次數(shù)僅占森林火災的1%左右，但隨著全球氣溫升高，在降雨少且長期干旱的北方林區(qū)，森林地下火發(fā)生頻率有逐步增長的趨勢[1]。

1 森林地下火簡介

1.1 概述

1)森林地下火多發(fā)于高溫干旱地區(qū)，是指在森林底層的枯枝落葉堆積物與泥土混合后發(fā)生的陰燃現(xiàn)象，多發(fā)于我國北方針葉林帶，南方林區(qū)較少發(fā)生。由于干旱層以下的可燃物堆積層環(huán)境相對潮濕、缺氧，故這些枯枝落葉的陰燃顯示出了蔓延持久緩慢、燃燒隱蔽、溫差跨度大和釋放大量煙氣等特點。

2)森林地下火在差異性環(huán)境中的燃燒深度區(qū)別較大。燃燒深度<20 cm的為淺層地下火，多發(fā)于草甸或人工林下；燃燒深度>20 cm的為深層地下火，多發(fā)于次生林或原始林下[2]。

3)現(xiàn)有研究通過對燃燒強度、平均燃燒深度的統(tǒng)計得出：有林地發(fā)生的森林地下火多數(shù)較弱，平均燃燒深度15～30 cm；草塘發(fā)生的中度森林地下火燃燒深度則可達30～60 cm[3]。

4)地下火發(fā)生初期難以及時發(fā)現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)后火情往往已蔓延擴大，控制、撲救難度大幅提高。隨著地下火發(fā)生頻次與規(guī)模逐年增加，其帶來的生態(tài)、經(jīng)濟損失也大幅提高，故對地下火的成因、特點、危害和防控措施等研究正逐步深入。

1.2 成因與危害

1)自然界的氣候變化與人為改變森林生態(tài)環(huán)境是森林地下火發(fā)生的2個主要原因。持續(xù)的高溫干旱使森林地表堆積的大量可燃物與底層泥潭變得干燥易燃，少量的降水也會在晴朗高溫時快速蒸發(fā)殆盡，森林地表與可燃物底層長時間處于高溫干燥狀態(tài)，極大地提高了森林地下火的發(fā)生概率。森林與土壤局部的生態(tài)環(huán)境變化是加劇森林地下火火險等級提升的另一項重要因素，人類的各種開發(fā)活動導致可燃物載量巨變、土壤含水率降低、不可控火源數(shù)量增加，為地下火的發(fā)生發(fā)展提供了必要條件。

2)森林地下火是地球上時空跨度最大的火現(xiàn)象，地表可燃物與地下腐殖質(zhì)層較厚的林區(qū)，地下火燃燒時間可達數(shù)天甚至數(shù)月之久，隨著燃燒深度不斷加深，其蔓延速度與燃燒溫度會逐步增強，破壞力也更大。地下火破壞植被根系、改變土壤原始環(huán)境、破壞林地原有地形地勢，緩慢陰燃時產(chǎn)生大量CO、CO2、CH4等有害氣體，是霧霾與全球碳排放的重要元兇災害。近些年對地下火逐步深入地研究，了解這一自然現(xiàn)象帶來的重要危害，目前正朝著對其理解、防控甚至利用的研究方向堅實邁進。

1.3 研究方向

國內(nèi)對森林地下火的研究主要分為理論研究與應用研究，理論研究主要包括對森林地下火的發(fā)生機理、影響因子、火焰蔓延規(guī)律、燃燒特性、生態(tài)系統(tǒng)影響等方面的研究，應用研究包括森林地下火的預防控制、撲救方法和裝備設(shè)備等研究領(lǐng)域。

目前，我國在森林地下火方面的研究與研發(fā)尚處于初級階段，當前優(yōu)先度較高的研究主要集中在森林地下火的預測、從源頭降低地下火燃燒概率、提高完善地下火監(jiān)測撲救技術(shù)等領(lǐng)域。隨著以上研究的完善與未來科技的進步，在生態(tài)重要性逐步提高的大背景下，對森林地下火的后期管理與利用將成為林火防控工作者面臨的新挑戰(zhàn)。

2 森林地下火理論研究

地下火基礎(chǔ)理論研究的試驗分為野外點燒與室內(nèi)點燒。野外點燒受政策法規(guī)、安全限制等因素影響研究較少。試驗室模擬點燒試驗多使用圖1所示系統(tǒng)[4-5]。通過對研究樣地的實際踏查，模擬樣地可燃種類、載量、含水率和粒徑等真實屬性，將試驗樣本置于陰燃反應爐中。提升遠紅外加熱板溫度，點燃可燃物樣本，熱電偶與數(shù)據(jù)采集模塊通過補償導線與電腦連接，統(tǒng)計分析收集燃燒數(shù)據(jù)后得出燃燒試驗的規(guī)律與結(jié)論。

圖1 地下火模擬點燒系統(tǒng)

2.1 燃燒特征

森林地下火相較于地表火的研究較少，但思路方法一致。通過對森林地下火從被點燃開始到發(fā)生發(fā)展直至熄滅的整個過程中所表現(xiàn)出的各種現(xiàn)象的研究，可為其他方向的深入研究提供理論基礎(chǔ)。

地下火發(fā)生發(fā)展之前，森林地下可燃物會先產(chǎn)生熱解反應，該過程產(chǎn)生的可燃性氣體有利于陰燃。李禹潔[6]對熱解反應機理進行了深入研究，對地下火陰燃之前熱解的反應速率及難易程度進行了數(shù)理統(tǒng)計。地下火發(fā)生時，過火區(qū)域可燃物一般分為草本層、半分解層和腐殖層，半分解物和腐殖質(zhì)的點燃溫度分別為 405 ℃和525 ℃，腐殖質(zhì)層燃點更高，燃燒性更強，其陰燃的劇烈程度遠高于其他可燃物層[7]。一般情況下，地下火垂直燃燒的最高溫度隨著深度的增加而升高，蔓延速率亦隨著深度的增加而變快，這是由于地下火向下蔓延一段時間后，上層逐漸坍塌導致下層氧含量上升，隨即加劇下層陰燃，而上層的高溫陰燃灰燼起到了阻止熱量散失的作用，故導致下層的燃燒溫度升高。由于地下火的燃燒過程是靠自身釋放的熱量來維持的[8]，所以燃燒溫度更高的深層可燃物蔓延速率也更快[5]。在相同深度條件下不同類型可燃物腐殖質(zhì)層燃燒最高溫度之間的差異顯著，故很多研究給出的最高溫度相差可達100 ℃以上。蔓延速率通常在1～8 cm/h，但個別研究最高可達25.45 cm/h。地下火從發(fā)生到熄滅的整個過程中，出現(xiàn)火焰和火星的概率很低，完全燃燒后的可燃物層表面呈炭黑色，深層呈磚紅色[9]。

2.2 粒徑

粒徑是影響可燃物堆積密實度的關(guān)鍵因素，可燃物內(nèi)部不同的孔隙結(jié)構(gòu)對陰燃反應速率、燃燒持續(xù)時間和峰值溫度等指標均有顯著影響。試驗室內(nèi)先將可燃物烘至趨于絕干，使用粉碎機粉碎絕干可燃物，使用不同直徑篩子進行篩選，最終選用不同粒徑可燃物進行陰燃實驗。

當腐殖質(zhì)粒徑<20目或<40目時，森林地下火燃燒溫度較高、蔓延速度較快、持續(xù)時間較短且燃燒充分；當腐殖質(zhì)粒徑<60目或<80目時，森林地下火的燃燒溫度和蔓延速率降低，燃燒時間變長且燃燒不充分；當腐殖質(zhì)粒徑<100目時陰燃很難持續(xù)[10]。者香等[11]對粒徑與地下火蔓延速率之間的關(guān)系進行了細化研究，粒徑1～2 mm的泥炭陰燃蔓延速率隨著粒徑的增大而增大；當粒徑>3 mm時，泥炭陰燃蔓延速率反而隨著泥炭粒徑的增大而減小，2～3 mm是粒徑的一個界限值。地下火在深度3 cm處的燃燒最高溫度只與地表火強度有關(guān)，深度6 cm處的燃燒最高溫度與地表火強度、腐殖質(zhì)粒徑均相關(guān)，當深度大于6 cm后燃燒的最高溫度則只受腐殖質(zhì)粒徑影響[12]。粒徑與不同地類的交互作用對燃燒溫度也有影響，不同地類均在粒徑<80目且深度12 cm的條件下達到最高燃燒溫度，但塔頭甸子的陰燃溫度高于其他地類[13]，研究最后給出了5種地類在12 cm深度內(nèi)的燃燒溫度預測模型。

2.3 其他影響因素

1)除可燃物自身屬性外，含水率、地形地勢和氣象條件等因子也會對地下火產(chǎn)生重要影響。通常地表可燃物含水率達25%時即很難被點燃，含水率35%時將無法點燃，而地下火在可燃物含水率30%時仍能維持自身燃燒，泥炭層甚至可以在50%～60%的條件下發(fā)生陰燃。一般認為峰值燃燒溫度會隨著含水率升高而下降，蔓延速率隨著含水率升高而減慢，當含水率達到30%時燃燒不符合以上規(guī)律[14]。單延龍等[5]研究了呼中國家級自然保護區(qū)主要可燃物類型，研究發(fā)現(xiàn)含水率對不同可燃物類型地下火行為的影響差異顯著，不同可燃物會在不同含水率條件下達到最快蔓延速率。另外，在可燃物類型不變的前提下，只有興安落葉松與偃松混合林在不同含水率條件下的燃燒峰值差異顯著，其他類型可燃物的峰值溫度差異皆不顯著，且一旦地下火進入穩(wěn)定燃燒狀態(tài)，含水率對燃燒溫度的影響不明顯。者香[15]在試驗中發(fā)現(xiàn)，泥炭含水率數(shù)值低于23.02%時，含水率變化對陰燃蔓延速率影響較大，泥炭含水率數(shù)值高于45.47%時，含水率變化對陰燃蔓延速率影響不大。含水率對地下火的復燃及由陰燃轉(zhuǎn)為明火的過程也有明顯影響[6，16]。

2)塔頭甸子、有坡山地、無坡山地、水濕地與農(nóng)用地是5種典型地類，地類、地形地勢對地下火行為的影響同樣顯著。多數(shù)地類腐殖質(zhì)水平燃燒，深層的蔓延速率快于近表層的蔓延速率，但塔頭甸子的腐殖質(zhì)近表層的蔓延速率大于深層蔓延速率。任意一種腐殖質(zhì)粒徑下塔頭甸子的陰燃燃燒溫度都是最高的，其次是水濕地，有坡山地、無坡山地與農(nóng)用地的腐殖質(zhì)陰燃燃燒溫度較低[4]，該研究還分析了塔頭甸子溫度高的原因，同時給出了燃燒時間與腐殖質(zhì)地表溫度之間的函數(shù)關(guān)系。

3)韓喜越使用3種數(shù)學方法(方差分析、熵權(quán)法、聚類分析)分析得出了常見地類淺層地下火的發(fā)生概率，研究認為發(fā)生淺層地下火概率最大的地類為水濕地，有坡山地和農(nóng)用地發(fā)生概率偏低，塔頭甸子和無坡山地發(fā)生概率最低[17]。坡度的大小對地下火發(fā)生概率影響不大，但陰坡發(fā)生概率高于陽坡[18]。

4)載量與無機物含量亦是可燃物屬性的兩項重要指標，風則是影響火行為的重要氣象因子?？扇嘉镙d量的增加使地下火燃燒釋放更多熱量，從而在更短時間內(nèi)達到峰值溫度[7]；無機物含量對泥炭陰燃峰值溫度影響較大，陰燃峰值溫度在430～710 ℃，當無機物含量達到57%時，泥炭陰燃將無法維持[15]；由于地下火是在腐殖質(zhì)層中陰燃，故風對地下火的影響要弱于對地表火、樹冠火的影響[19]。風速與地下火陰燃速度基本呈線性關(guān)系，風速越大陰燃速度越大，當風速閾值達到4 m/s時，陰燃會轉(zhuǎn)為明火燃燒[6]。

3 森林地下火應用研究

3.1 預防撲救

當前，國內(nèi)外對森林地下火的研究主要集中于地下火的燃燒機理及不同因子對地下火行為產(chǎn)生的影響，地下火預防撲救領(lǐng)域的研究十分欠缺。相較于地表火，地下火在火情預防與空中監(jiān)測領(lǐng)域差異不大，區(qū)別主要體現(xiàn)在地表監(jiān)測與撲救方面。同地表火一樣，預防地下火需在火災高發(fā)區(qū)建立水源地、對林地進行可燃物清理和保濕維護；利用紅外熱成像技術(shù)，通過衛(wèi)星與無人機在空中監(jiān)測地下火發(fā)生情況[2]。由于地下火隱蔽性較強，故地面監(jiān)測與撲救工作相較于地表火存在更多困難和危險。人工地面監(jiān)測地下火主要使用插釬探測技術(shù)，通過觀察插釬點是否有煙氣冒出判斷地下火是否發(fā)生。經(jīng)驗表明，雨雪天氣有利于地下火的監(jiān)測，通過對地表水氣蒸發(fā)或積雪融化判斷地下火的發(fā)生及火場邊界。利用手持式紅外地下火探測儀監(jiān)測地表溫度，利用手持式煙氣檢測儀檢測地下火指示氣體，亦是提高地下火地面探測準確度的重要手段[20]。撲救與地表火有交織的淺層地下火時，可清理表面灰燼后直接用水噴灑底層可燃物。較復雜地下火需使用工具(油鋸、開溝機、鋤頭和鐵锨等)清理地下植被根系，挖掘0.5～2 m深的倒梯形防火溝，將地下火封閉在可控區(qū)域內(nèi)，起到間接滅火的效果[21]。

3.2 裝備研究

針對地下火撲救裝備的研發(fā)基本處于空白狀態(tài)，高效實用的地下火滅火設(shè)備和滅火材料主要包括手工工具與手持類電子設(shè)備，但見諸報的不多[22-24]。目前正在推廣的較為前沿的研究是直升機機載紅外探測地下火系統(tǒng)，研究側(cè)重于豐富實用功能和提升使用體驗[25]。系統(tǒng)包括穩(wěn)定拍攝平臺、激光測距定位火點坐標、廣域掃描拍攝與畫面拼接、中繼實時傳輸火場視頻等技術(shù)。

4 小結(jié)

1)總結(jié)現(xiàn)有地下火機理研究成果，不難發(fā)現(xiàn)地下火燃燒特性復雜，火行為特點多樣。故很多研究由于試驗設(shè)計、外部環(huán)境的不同，研究差異較大，甚至出現(xiàn)相互矛盾的研究結(jié)論。燃燒溫度、燃燒深度與蔓延速率的變化規(guī)律，粒徑、含水率對燃燒過程的影響，均有不符合主流研究結(jié)論的特殊案例。綜合現(xiàn)有研究結(jié)論來看，研究地下火影響的各類研究應細化可燃物類型、閾值范圍、地形地勢地類和天氣因素等前提，并對產(chǎn)生小眾結(jié)論的試驗條件開展進一步探索。

2)現(xiàn)有應用研究多為探測與挖掘類設(shè)備，鑒于地下火火場邊界難界定、地面易坍塌且深層高溫的特點，應對撲火隊員腿部防護裝備開展適度研究。較為領(lǐng)先的機載紅外探測地下火技術(shù)需要解決或升級的技術(shù)難點主要集中在圖像拼接、視頻數(shù)據(jù)快速傳輸、紅外鏡頭面對遮擋時精確性的提升等研究領(lǐng)域。

3)針對地下火發(fā)生后的災后管理也應與地表火區(qū)別研究，研究地下森林火災對土壤理化性質(zhì)的特殊影響，通過改良土壤恢復其水分與有機質(zhì)，保證原生植被的生長恢復。還可嘗試將不可分解的有機物質(zhì)分解成有機肥料，甚至利用森林地下火的反應特性、燃燒過程和氣體生成等特點為開發(fā)生態(tài)環(huán)境的能源利用提供新途徑，未來有望成為生態(tài)保護和地下能源開發(fā)的重要手段，為人類帶來新的技術(shù)創(chuàng)新和能源應用模式。