2019年3月31日,四川省涼山州木里縣雅礱江鎮(zhèn)立爾村發(fā)生森林火災(zāi),在滅火行動(dòng)中,由于風(fēng)力風(fēng)向突變,突發(fā)林火爆燃,最終造成27名森林消防隊(duì)員和3名地方干部群眾英勇?tīng)奚?。英雄離世,讓我們無(wú)比心痛。在追思英雄的同時(shí),心中的種種疑惑也隨之產(chǎn)生:什么是林火爆燃?為什么會(huì)發(fā)生林火爆燃?如果發(fā)生林火爆燃,我們應(yīng)如何應(yīng)對(duì),如何最大限度地保護(hù)自身安全?本文筆者結(jié)合多年森林滅火實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn),對(duì)林火爆燃機(jī)理及對(duì)策進(jìn)行研究,希望能為一線(xiàn)森林消防員安全滅火提供科學(xué)支撐。(注:以下所提及的“爆燃”“轟燃”等火行為都是針對(duì)森林火災(zāi)而言的。)其實(shí)“爆燃”并不是一個(gè)新生詞匯,林火爆燃現(xiàn)象也不是在這次四川木里森林火災(zāi)中首次被發(fā)現(xiàn)。世界范圍內(nèi)的森林火災(zāi)(尤其是重特大森林火災(zāi))曾多次發(fā)生林火爆燃,造成了重大人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。
2005年7月26日,西班牙瓜達(dá)拉哈拉省阿爾托塔霍公園(Alto Tajo Park)保護(hù)區(qū)發(fā)生森林火災(zāi),最終造成11名消防員死亡,1人重傷。西班牙ADAI消防實(shí)驗(yàn)室對(duì)此次森林火災(zāi)行為進(jìn)行了詳細(xì)分析并形成了綜合技術(shù)報(bào)告,認(rèn)定此次火災(zāi)發(fā)生和致死的首要原因是火災(zāi)速度和強(qiáng)度出人意料地快速發(fā)展,這種現(xiàn)象通常被稱(chēng)為爆炸性或噴發(fā)性火災(zāi),即爆燃。報(bào)告認(rèn)為爆燃行為是峽谷地區(qū)林地火災(zāi)的典型特征。林火爆燃的概念首次被正式提出。我國(guó)對(duì)于林火爆燃現(xiàn)象很早就有觀察和記載,但由于名稱(chēng)、叫法不同,所以沒(méi)能正式提出“爆燃”這個(gè)概念;通常以火龍卷、火爆、爆發(fā)火來(lái)解釋這一特殊火行為。如1987年5月6日,黑龍江省大興安嶺林區(qū)特大森林火災(zāi),大火燃燒了28天,最終造成211人死亡, 266人燒傷;火災(zāi)期間多地曾報(bào)告發(fā)生火爆、火龍卷等現(xiàn)象造成火勢(shì)迅速擴(kuò)大。2010年12月5日,四川省甘孜州道孚縣發(fā)生山地灌叢草原火災(zāi),消防隊(duì)員在清理溝內(nèi)余火時(shí),突起大風(fēng),引發(fā)爆發(fā)火,最終造成22人死亡,4人受傷。那么到底什么是“爆燃”呢?要想準(zhǔn)確定義“爆燃”,首先要準(zhǔn)確把握其與“轟燃”之間的聯(lián)系與區(qū)別。
(一)轟燃(flashover)
轟燃是指由于熱輻射作用,山谷內(nèi)未燃區(qū)域突然卷入燃燒的現(xiàn)象;燃燒區(qū)域的熱輻射使未燃區(qū)域可燃物表面溫度快速升至燃點(diǎn),瞬間同時(shí)燃燒。其過(guò)程是從一點(diǎn)燃燒迅速擴(kuò)大到全面燃燒,這表明轟燃是一種溫度驅(qū)動(dòng)(燃料控制燃燒)的現(xiàn)象。它要求火焰的輻射熱使未燃可燃物溫度快速升高,并瞬間同時(shí)燃燒;因此,轟燃不受時(shí)間限制,其可以發(fā)生在火災(zāi)的初期階段(如圖1所示),也可以發(fā)生在火災(zāi)的熄滅階段(如圖2所示);只要溫度足夠高,達(dá)到可燃物的著火點(diǎn),就有可能發(fā)生轟燃。當(dāng)森林發(fā)生轟燃,則標(biāo)志著火災(zāi)進(jìn)入了全面發(fā)展(猛烈燃燒)階段。
(二)爆燃(deflagrate)
爆燃是一種煙氣爆炸現(xiàn)象;當(dāng)流動(dòng)的空氣(風(fēng))進(jìn)入山谷內(nèi)陰燃火區(qū)域(所謂陰燃火是指,當(dāng)空氣中氧氣含量低于14%時(shí),可見(jiàn)火焰減少,但可燃物仍在燃燒,溫度在燃點(diǎn)以上。),與可燃?xì)怏w充分混合,當(dāng)達(dá)到爆炸極限時(shí),以爆炸的形式被點(diǎn)燃,迅速釋放壓力和能量,對(duì)消防員危害極大。爆燃是一種空氣驅(qū)動(dòng)(通風(fēng)控制燃燒)的現(xiàn)象。事實(shí)上,大多數(shù)森林火災(zāi)都是空氣驅(qū)動(dòng)的。因此,爆燃發(fā)生在火災(zāi)熄滅階段(陰燃階段),這時(shí)一旦補(bǔ)入流動(dòng)的空氣,幾乎任何一個(gè)相對(duì)封閉的空間(峽谷地形)都可能發(fā)生爆燃(如圖3所示)。綜上所述,“爆燃”和“轟燃”作為兩個(gè)極為相似的林火行為,兩者既有共同點(diǎn)又有不同點(diǎn),我們需認(rèn)真理解并加以區(qū)分(見(jiàn)表1所示)。“轟燃”和“爆燃”都發(fā)生在相對(duì)封閉、通風(fēng)條件不良的峽谷地形。因?yàn)閷?duì)于“轟燃”來(lái)說(shuō),相對(duì)封閉的峽谷地形有利于熱輻射傳導(dǎo)、減少熱量散失、有助于可燃物表面溫度升高;而對(duì)于“爆燃”來(lái)說(shuō),相對(duì)封閉的山谷地形有利于CO等可燃?xì)怏w的聚集,保持溫度,當(dāng)新鮮空氣補(bǔ)入后發(fā)生預(yù)混燃燒。
(1)燃燒特征不同。“轟燃”發(fā)生時(shí),其外在表現(xiàn)為濃黑煙夾雜著火焰迅速向四周擴(kuò)散(如圖4所示);“爆燃”發(fā)生時(shí),其外在表現(xiàn)為向上猛烈升騰的對(duì)流柱(蘑菇云)及向四周擴(kuò)散的火焰(如圖5所示)。
(2)燃燒方式及類(lèi)型不同。“轟燃”是以溫度驅(qū)動(dòng)的固體(木材)燃燒,而“爆燃”則是以空氣驅(qū)動(dòng)的氣體燃燒(混合可燃?xì)怏w)。
(3)發(fā)生階段不同?!稗Z燃”可發(fā)生在火災(zāi)的初始及熄滅階段,而“爆燃”只發(fā)生在火災(zāi)的熄滅階段。(4)能量傳遞不同?!稗Z燃”以熱輻射方式傳遞熱量,“爆燃”則以爆炸方式傳遞沖擊波和熱量。表1 轟燃和爆燃的共同點(diǎn)與不同點(diǎn)
林火爆燃是一種極端的林火行為,其發(fā)生、發(fā)展通常受可燃物、地形和氣象因子三者的相互作用和影響。
(一)可燃物因子(以CO為主的混合可燃?xì)怏w)
木材的主要成分為纖維素、半纖維素和木質(zhì)素,主要組成元素是碳、氧、氫和氮。當(dāng)木材加熱至110℃時(shí)就會(huì)干燥并蒸發(fā)出極少量的樹(shù)脂;加熱到130℃時(shí)開(kāi)始分解,產(chǎn)物主要為水蒸氣和二氧化碳;加熱到220-250℃時(shí)開(kāi)始變色并炭化,分解產(chǎn)物主要是一氧化碳、氫氣和碳?xì)浠衔?;?dāng)加熱到300℃以上,有形結(jié)構(gòu)開(kāi)始斷裂,在木材表面垂直于紋理方向上木炭層出現(xiàn)小裂紋,這就使揮發(fā)物容易通過(guò)炭化層表面逸出。森林不充分燃燒,尤其是陰燃(只見(jiàn)黑煙,不見(jiàn)明火)時(shí),其溫度在木材燃點(diǎn)(250-300℃)以下,此時(shí)木材分解的主要產(chǎn)物是一氧化碳(約為40.17%);其次是氫氣和碳?xì)浠衔铮s為3.76%)。一氧化碳的密度(1.250g/L)和空氣密度(1.293g/L)相當(dāng),在相對(duì)較低的溫度下幾乎可以和任何混合物混合燃燒,爆炸濃度極限很寬(見(jiàn)表2所示)。
(二)地形因子(峽谷地形)
當(dāng)森林不充分燃燒所產(chǎn)生的可燃?xì)怏w濃度達(dá)到爆炸下限或低于爆炸上限時(shí),爆燃才有可能發(fā)生。但在野外開(kāi)放環(huán)境中,尤其是地勢(shì)相對(duì)平坦、通風(fēng)良好的地形,可燃?xì)怏w幾乎很難達(dá)到爆炸極限。而相對(duì)封閉的峽谷地形(如單口山谷、狹窄山谷、山洼、草塘溝),則有利于可燃?xì)怏w的聚集,為爆燃的發(fā)生提供了有利的前提。2010年“12·5”四川道孚山地草原火災(zāi)就是發(fā)生在一條常年流水沖刷而成的狹窄山谷(呷烏溝)內(nèi),消防隊(duì)員在清理溝內(nèi)余火時(shí),火場(chǎng)突起大風(fēng),引發(fā)林火爆燃,最終造成重大人員傷亡(如圖6所示)。2019年“3·30”四川木里森林火災(zāi)則發(fā)生在三面環(huán)山、坡陡溝深的單口山谷中,消防員清理谷內(nèi)煙點(diǎn)時(shí),風(fēng)力風(fēng)向突變,突發(fā)爆燃,最終造成人員遇難(如圖7所示)。
(三)氣象因子(風(fēng))
風(fēng)作為助燃物,為爆燃的發(fā)生提供了充足的氧氣。在峽谷地形中,當(dāng)林木不充分燃燒產(chǎn)生的一氧化碳,經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的聚集,其濃度已達(dá)到爆炸極限;此時(shí)一旦有風(fēng)吹入谷內(nèi),一氧化碳就會(huì)與空氣充分混合,遇有火源產(chǎn)生帶有沖擊力的預(yù)混燃燒。其特點(diǎn)是燃燒反應(yīng)快(≤10秒),溫度高,火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤?;人若在其中則很難逃生。綜上所述,林火爆燃發(fā)生的前提是火場(chǎng)植被干燥、易燃、溫度高,部分植被處于陰燃狀態(tài);而導(dǎo)致林火爆燃的直接原因一是地形相對(duì)封閉(狹谷地形);二是可燃?xì)怏w聚集,濃度達(dá)到爆炸極限;三是風(fēng)向、風(fēng)力突然變化,發(fā)生預(yù)混燃燒。一是掌握林火爆燃先兆,做到預(yù)有準(zhǔn)備。林火爆燃發(fā)生往往只有短暫的10秒左右時(shí)間,而消防員從反應(yīng)到逃生也只能向外移動(dòng)大約1.5米。所以一旦發(fā)生爆燃,身處爆燃發(fā)生區(qū)域的人想要逃生幾乎是不可能的。因此,消防員在開(kāi)展滅火行動(dòng)時(shí),要警惕不利地形和風(fēng)向,了解爆燃先兆,及時(shí)預(yù)警及撤離。二是在峽谷、溝壑地形進(jìn)行滅火作業(yè)時(shí),要在制高點(diǎn)預(yù)先設(shè)置觀察員進(jìn)行警戒,并隨時(shí)報(bào)告火場(chǎng)態(tài)勢(shì)。同時(shí),要提前預(yù)設(shè)安全避險(xiǎn)區(qū)域,當(dāng)風(fēng)力風(fēng)向突變發(fā)生險(xiǎn)情時(shí),可迅速撤至安全區(qū)域避險(xiǎn)。三是用水冷卻、破壞可燃?xì)怏w煙氣層。若火場(chǎng)水源充足,可利用水泵對(duì)峽谷內(nèi)的高溫混合氣體進(jìn)行降溫、稀釋?zhuān)越档涂扇細(xì)怏w的溫度及濃度。同時(shí),水泵還可撲滅谷內(nèi)陰燃可燃物,降低谷內(nèi)熱輻射,破壞爆燃發(fā)生條件。四是對(duì)于濃煙彌漫、情況不明、危險(xiǎn)性大的深谷地形,盡量采取間接滅火手段。以間接滅火為主(開(kāi)設(shè)防火隔離帶、火攻滅火等),直接滅火為輔,減少撲火人員與火直接接觸,避免人員傷亡。五是穿戴好個(gè)人防護(hù)裝具。人的皮膚在51.1℃會(huì)燒傷,148.9℃的空氣會(huì)燒傷人的呼吸道,使人窒息死亡。因此,穿戴好個(gè)人防護(hù)裝具將大大提升爆燃發(fā)生時(shí)存活率。
作者:張志強(qiáng);單位:中國(guó)消防救援學(xué)院;此文同期刊登在《消防界》雜志上;歡迎分享,轉(zhuǎn)載請(qǐng)標(biāo)明出處。