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森林地下火特征及防控措施

发布时间:2019-07-25 来源:中国林业网

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  摘要:在森林地下火燃烧时观测不到火焰,传播速度较慢,燃烧时间长,难以察觉,但在燃烧过程中会产生大量颗粒物和大气污染物,严重危害生态环境和人体健康,造成严重的经济损失。结合国内外研究成果,文中阐述了森林地下火产生的原因、地下火特征及其对环境的危害,并将森林地下火防控先进技术设备与实际工作相结合,提出了构建“空中—地面—地下”多重监测系统和保障消防水源与重视火后管理的森林地下火综合防控措施。旨在为森林防火部门的地下火预防、监测、扑救等工作提供技术支持。?

  关键词:森林地下火,特征,防控措施

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  森林地下火主要指腐殖质或泥炭层的燃烧,相对于其他森林火灾,地下火发生频率较低,约占森林火灾的1%左右,但其造成的危害十分巨大。森林腐殖质是指经过生物化学作用后森林凋落物质形成的可燃物,凋落物发酵腐化后逐渐形成腐殖质层。泥炭层则是植物在缺氧、湿润的条件下,通过厌氧代谢形成的。

  1? 森林地下火概述?

  森林地下火在地表以下燃烧,缓慢蔓延,地表观测不到火焰,并释放出大量气体。森林地下火初期难以察觉,发现时火情已蔓延扩大,难以控制。1997—1998年印度尼西亚地下火灾,导致东南亚大范围地区笼罩在阴霾中,数百万人患呼吸道疾病,百万公顷土体被毁,经济损失达数十亿美元。2009年西班牙国家公园发生的森林地下火,对土壤结构、地下水含量、生态系统造成了严重影响。2010年俄罗斯森林火灾向地下蔓延,引发约50处地下火灾,空气污染弥漫数周。2015年印度尼西亚南苏门答腊岛森林地下火更是造成了160亿美元的经济损失,占国内生产总值的1.9%,国内和周边各国空气污染严重,印度尼西亚婆罗洲的PM2.5指数高达1500,对生物多样性和生态系统破坏严重。2002年我国大兴安岭林区发生地下火,舒立福等通过对2002年我国大兴安岭林区地下火的研究发现,气候条件影响了地下火的发生,且有地表火发生的原始森林,易引发地下火灾。

??? 目前,森林地下火的监测和扑救技术研发尚处于初级阶段,地下火灾发生后,森林防火部门无法及时发现火情,难以在初期有效抑制火灾;当发现火情时,火势通常已大面积蔓延,造成大规模损失,火势难以控制。因此,重视森林地下火的有效预防,从源头降低地下火的燃烧几率,并完善地下火的监测扑救技术,在火灾初期及时抑制火势蔓延,是目前林火防控工作者面临的重要任务。

  2? 引发森林地下火的主要原因?

  森林地下火的燃烧过程与阴燃类似,多发生在干旱、高温地区。森林地下火的引发原因较为复杂,目前国内外对其引发原因的研究主要集中于气候和森林生态2个方面。

  2.1? 气候影响

  高温少雨的干旱季节,是森林地下火的高发时段。Harrison等对印度尼西亚加里曼丹地区的泥炭地下火调查发现,大规模的森林地下火多发生在年均降雨量少的年份;据统计,1982—1983年、1987年、1991年、1994年、1997—1998年、2002年和2006年这些降雨量低的年份,当地森林地下火的发生率和规模均显着增加。

  随着降雨量的增加,森林地下火发生风险会逐渐降低,但可燃物中的水分会在天气晴朗时蒸发,泥炭地变得干燥易燃,因此仍有发生地下火的风险。可见,在干旱少雨的地区,地面和森林长时间处于干燥状态,森林地下火发生的风险尤为显着。

  2.2? 生态破坏

  森林退化和水土流失也是加剧森林地下火火灾发生风险的重要因素。例如,非法砍伐残留的废弃物(枯木、枝干、木屑等)随意堆积,成为高危火源;将森林土地转变为农田,采用传统的“火烧开荒”方法清理土地;违规修建运河或者沟渠,导致泥炭地含水量下降、土壤干燥易燃等。Tacconi等对1997年发生在印尼的森林火灾调查发现,当地农民运用火进行土地清理的做法是导致森林火灾和大规模空气污染的主要因素。

  3? 森林地下火的特征?

  森林地下火与其他森林火灾不同,其燃烧发生于地下,在燃烧过程中地表无火焰,火势同时沿纵向和横向蔓延,但蔓延速度缓慢。以下将从地下火的分类与蔓延速度2个方面,阐述地下火的特征。

  3.1? 森林地下火类型及其特征

  根据地下火的燃烧深度,将地下火分为表层地下火与深层地下火2类。表层地下火燃烧深度为0—20cm,主要燃烧物为植物根系、腐殖质、散落枝干等。深层地下火指由表层地下火向下蔓延引起的,燃烧深度为20—50cm。

  表层地下火向深层地下会蔓延的有利条件主要有地下水位低、土壤含水率下降、土壤有机质含量高、土壤孔隙度大等。表层地下火向深层蔓延与燃烧时间、燃烧温度紧密相关。有研究指出,当表层土壤被加热(200~400℃)40min,深度5cm处的土壤将会燃烧,但更深层的土壤则不会燃烧。

??? Rein等实验结果显示,当土壤含水率低于125%±10%时,易发生地下火;Guitart等研究认为,当土壤含水率为110%~125%时,地下火的起火和蔓延概率约为50%。

  Huang等对地下火的燃烧过程进行了研究,认为在阴燃过程中,土壤颗粒首先发生热解反应形成焦炭;然后进行氧化反应,形成灰分。地下火燃烧时间可长达数月,且阴燃过程中的碳排放量高于一般的地表燃烧,燃烧过程损害植物根系,造成植被大面积死亡,影响生态环境,改变生物多样性。Davies等关于地下火燃烧过程中树根部位土壤燃烧程度更为严重的研究结果也验证了这一结论。

  3.2? 地下火蔓延特征

  不同气候、土壤类型下的地下火,蔓延速度不同。Chistjakov等对俄罗斯西北部森林地下火研究指出,地下火的传播速度为0.5~10 cm/h;Wein等调查显示,澳大利亚维多利亚州南部地下火传播速度约为4.2cm/h,加拿大地下火的传播速度为3~12 cm/h;Fernandes研究表明,地下火的传播速度与风速成线性相关关系。

  Terrier等通过研究发现,泥炭地表层含水率的分布与火源的蔓延密切相关,泥炭火灾后的景观通常以不规则的泥炭消耗为特征。Guitart等通过实验室模拟研究发现,当土壤含水率低于150%时,地下火的水平传播速度为1~9 cm/h,当泥炭土的体积密度小于75 kg/m3且含水率低于150%时,地下火会在12cm内的水平蔓延过程中逐渐减弱直至熄灭;Reardon等研究指出,当土壤含水率为150%~200%时,地下火会在10cm内的水平蔓延过程中逐渐减弱直至熄灭。然而,目前有关含水率与地下火蔓延的关系还处于初级研究阶段,需要科研人员进行更深入的研究。

  4? 森林地下火对环境的危害?

  森林地下火在燃烧过程中会产生大量颗粒物和大气污染物,严重危害生态环境和人体健康。

  4.1? 土壤理化性质变差

  由于土壤有机质、植物根系、原生动物及微生物等被烧死,无机土壤层直接暴露在外,在雨水冲刷侵蚀下,土壤团粒结构解体,堵塞土壤孔隙,使土壤发生板结,土壤通透性下降。对美国伊利诺斯州栋林沙壤土林地研究显示,火烧后土壤渗透率为火烧前的1/3左右。

  当森林火灾过后,土壤pH值增加,其增加幅度和持续时间一般与森林可燃物、森林火灾大小、土壤pH背景值和降水量等因素有关。另外,土壤中N、P、K、Ca等元素含量也会在火灾过后有不同幅度变化。

  4.2? 环境污染

  森林地下火在燃烧过程中会产生大量的CO2等温室气体,加剧全球气候变暖。火灾还会释放大量的微粒,形成浓重的雾霾,造成严重的大气污染。

  森林地下火在阴燃过程中产生的NOX、NH3、CH4、CO等气体的含量,为有焰燃烧的2倍,并产生大量悬浮颗粒物,还会造成水土流失、生态和环境破坏。据报道,1997年印尼地下火产生大量有毒、有害气体及烟尘,导致新加坡、马来西亚等地重度污染。

  4.3? 生态破坏

  根据亚洲开发银行(ADB)的研究,1997年全球森林地下火火灾产生了1530万t的碳排放(占总碳排放量的75%)和500万t的粉尘颗粒,粉尘颗粒可以加速光化学反应、影响光的传播路线并降低大气能见度,直接和间接地影响全球气候变化。另据Page等研究显示,1997年印度尼西亚的森林火灾造成的温室气体排放量相当于当年全球碳排放量的13%~40%,影响全球气候变化。

  森林地下火在燃烧过程中产生的大量颗粒物,覆盖在植物叶片表面,导致植被生物代谢功能破坏及气孔堵塞。Uzu等研究显示,叶片上的颗粒物沉积过多会导致叶绿素 Ca/ Cb值上升、叶绿素总含量下降。

  5? 森林地下火防控措施?

  由于气候和生态因素对森林地下火的产生有重要影响,因此对森林地下火的防控,应注重对初期火势的火情预防措施、有效监测并精准定位、高效扑救和火后管理等几个方面。

  5.1? 火情预防

  5.1.1? 人员培训

  森林火灾扑救需要大量的消防人员,单纯依靠消防部门的消防人员,不仅存在人力不足的问题,还面临接收火情滞后,无法及时到达火场等困难。通过组织森林火场周围居民,成立民间消防志愿队,可以有效缓解以上的问题。澳大利亚、美国、日本等国家消防志愿者活动开展较早,已经形成了较为完整的体系。在森林火灾高发地区,发动群众,组织消防志愿队,并为其提供专业的消防培训和消防装备。火灾发生时,志愿者一方面及时将火情信息通报给当地消防部门,另一方面组织人力对前期火灾展开积极补救,减缓火灾扩散。

  5.1.2? 水源标记

  针对地下火高发地区,应对区域内的地表水源和地下水源进行详细测绘,并在地图和实地做显着标记,确保火灾发生时,救援人员能迅速从水源取水进行消防活动。将林区划分为不同消防区块,每个消防区块应具备至少有1个水量充足的消防水源。在地下水丰富的地区,可以通过打井、水泵等措施,利用地下水供给森林消防;在地表水水系发育丰富的地区,可以通过修建水渠、小型水坝、水塔、池塘等措施供给消防用水。各区块的消防水源应尽量联通,以确保在旱季、火灾期间,消防水源水量充足。

  5.1.3? 林地维护

  舒立福等通过对中国大兴安岭林区的地下火研究发现,当气候炎热干燥、蒸发量大时,土壤含水率下降到40%以下,此时的森林地下火发生并蔓延的几率显着提升。可见,保持土壤含水率是预防地下火发生的重要途径之一。

  在高温少雨的气候条件下,林区可以通过飞机洒水、地表喷洒、人工冲淋等方式,补充土壤水分,使土壤含水率维持在较高水平,保持地面湿润,从而降低地下火的发生几率。另外,由于森林地下火大多是由于地表火燃烧,温度传导至地下,从而引起地下火蔓延,因此组织专业清林人员,定时清理容易引起地表火的枯木枯枝、矮小灌木、堆积落叶、腐殖质等,也是预防地下火的有效途径。

  5.2? 火情监测

  对地下火情的及时监控是防控地下火工作的难点。地下火在燃烧过程中会释放热量和产生气体,可以通过对土壤温度和大气中气体成分含量的监测,实现对森林地下火的监测,及时准确地将火情信息传递给相关部门。监测方法主要为:全面调查森林的地质、水文、气象等因素,收集历年来的森林地下火记录,统计地下火的高发时段和区域。利用气象因素早期预警,初步判断地下火的发生概率,组织人员进行重点盯防,构建“空中—地面—地下”多重监测系统。

  5.2.1? 空中监测

  利用高敏感度卫星传感监测:目前,我国国家林业局森林防火预警监测信息中心主要通过接收美国国家海洋和大气管理局的NOAA系列气象卫星(NOAA-12、NOAA-14、NOAA-15、NOAA-16),以及中国的FY1C-FY1D气象卫星(FY1CU、FY1D)的资料,然后对森林火灾热点进行图像处理和定位,并在网络上进行热点信息的发布,从而实现森林火灾信息的及时传送。我国“大兴安岭5·6”大火,就是由气象卫星发现,并将火场位置、火势蔓延等信息传回防火指挥部门。2010年,Kushida等利用卫星MODIS遥感图像,建立了森林火灾识别模型,其实验仿真结果识别率为80%。杨光等利用卫星预报黑龙江大兴安岭火灾准确性(2005—2015年)结果显示,卫星热点初判火灾发生数据的准确度为79.7%。

  利用红外热成像在线监测:现有普通视频监测系统难以发现隐蔽火源,而红外热成像仪相比于普通视频监测系统,具有不受光线限制的优点,可以迅速对浓烟、地下火、隐性火等难以发觉的火情进行监测。在地理信息系统中,可以对森林进行宏观控制,并可以指挥灭火作业。同时,可以在地图上绘制消防行动,用以跟踪火灾情况并为消防提供帮助。此外,地理信息系统还可以用于分析地形、火灾蔓延分析、可视化分析以及火灾的最佳路径分析等。贾道详等基于GIS红外视频监控,研究了将视频与地图相匹配的林火定位方法,并将其推广应用于智能手机,以便随时实现着火点的定位。

  利用无人机巡航监测:无人机低空监测系统具有机动性好、成本低、维护操作简单等特点。无人机拥有快速巡逻和实时监控地面的能力,在森林火灾监测和救援指挥方面有其独特的优势。可以利用无人机搭载GPS、热红外成像光谱仪和气体检测设备,实现对地下火的监测。无人飞行器(UAV)配备红外探测任务负荷,在距地面800~2000m的高度实时观测地面火场,并实时将采集到的图像数据返回地面。为地面消防部门提供地理坐标、着火区域和边界、火情蔓延情况等信息,有利于消防部队快速部署消防人员,及时通知消防队员撤离危险区域,并根据火灾图像信息为消防员提供疏散路径。2004年美国“水手”无人机,搭载雷达系统和红外摄像机,参与了林火监测与扑救工作;2006年美国国家航空航天局(NASA)使用无人机搭载热像仪与雷达,进行林火监测,也取得了良好效果。

  利用地下火高发区了望台监测:根据前期研究,划分地下火高发区域,设置火灾了望台,安排工作人员全天候进行地下火监测预警。了望台可配置各种仪器设备,如红外探测仪、望远镜、方位盘、测绘仪、电话机(或对讲机)、电源、计算器、地形图,以及其他必需的物品。

  5.2.2? 地面监测

  利用便携式红外测温设备监测:由于地下火的隐蔽性特点,单独依靠卫星、无人机、红外在线监测等方法很难及时发现初期地下火火情,对地下火火场边界的描绘也不准确。便携式红外测温设备一般用于探寻火烧迹地边缘的隐火或地下火的火场边界。该仪器配有显示器,体积小,重量轻,携带方便,电池耐久性强。扫描通常由2人进行,1人扫描,1人清理余火。

  利用气体检测设备监测:在一些茂密林地,由于树木枝叶的遮挡,单独依靠温度探测并判断地下火火情的方法面临着火情探测不准确、火情传递滞后等问题。由于地下火的燃烧会释放大量气体,因此可以通过对气体成分的检测,确定是否有森林地下火发生。通过在线或手持式气体检测设备,检测地下火指示气体如氮氧化物、氨气、CO和有机颗粒等的含量,当指示气体含量达到火险临界值时,则需要警惕地下火的发生,并做好地下火扑救准备。对于已经发生地下火的区域,可以利用气体检测设备初步判断地下火蔓延情况和火场边界,为后续地下火扑救与火后监管工作提供可靠火情信息。

  5.2.3? 地下监测

  地下火通常在地下缓慢蔓延,在地面不易察觉,地下火燃烧深度可以达到30cm以上,因此有必要实时监控地下温度,以此精确监控并预警地下火。在地下火高发地区,预埋温度传感器,实时传送地下温度,并在高温时报警,从而实现地下火火情的及时传递。通过监测不同点位的地下火温度的变化,可以判断地下火蔓延趋势。

  5.3? 火势扑救

  通过实践发现,扑救森林地下火采用隔断法比较有效。隔断法是通过机械、人力等手段破坏地下可燃物的连续性,从而切断地下火的蔓延,有效地控制地下火的发展。隔断法主要采用镐、锹、斧子、耙、开沟机等,进行直接扑打与间接扑打。

  5.3.1? 直接扑打

  将地下火场的地表用人工或掘土机挖开、切断火线,向地下火浇水或用新土掩埋,将火直接扑灭。对火焰高度较低、火强度较小的火场,扑火人员先消灭明火,再清理火线边缘的余火,将正在燃烧的可燃物搂进火线内侧,最后沿火线向火场内侧5米处挖出30~50cm宽的防火沟,阻隔林火的蔓延。对火焰高度较高、火强度较大火场,扑打时要选植被相对稀少的地带,在未形成树冠火尚在地表燃烧阶段,或利用夜间风小、温度低及下山火蔓延速度慢等有利条件,消灭明火并沿火线边缘向里侧清理余火,沿火线挖出防火沟,阻隔地表火及地下火的蔓延。

  5.3.2? 间接扑打

  对已发现的地下火区,利用割灌机、油锯、手锯、铁锹等在距火线前方一定距离的位置开设防火隔离带,并在隔离带内挖出防火沟,将地下火封闭在一个小区范围内燃烧,使火线不再扩大蔓延。通常间接扑打法不单独使用,而是与直接扑打法配合使用。

  5.4? 火后管理

  Tinner等通过时间序列和数学建模法,对瑞典南部植被组成研究发现,数千年前的森林火灾减少了植物花粉的多样性,导致植物演替偏离原本方向。Grogan等对美国加利福尼亚地区森林火灾研究认为,森林火灾会影响植被对N的吸收,从而使生态系统形成不同斑块。可见,火灾过后应及时对发生火灾地区的生态环境进行人为干预,加速其生态恢复进程。

  1)栽种耐火树种。通过栽种可燃性差、耐火性强的树种,形成生物防火林带,从而降低森林火灾的发生概率与蔓延速度。国外对耐火树种的研究较早,早在1976年就开始栽种北美山杨(Populus tremuloides)作为防火林带;Bambang等通过研究,筛选出红木荷(Schima wallichii)、紫檀(Pterocarpus indicus)等15种耐火性强的树种。我国学者也通过研究确定了多种耐火性强的树种,如适合在我国南方栽种的木荷(S. superba)、女贞(Ligustrum lucidum)、青冈栎(Quercus glauca)等,以及适合在北方栽种的水曲柳(Fraxinus mandshurica)、杨树(Populus sp.)、落叶松(Larix spp.)等。

  2)促进生态修复。如前所述,当发生森林火灾后,会影响土壤的理化性质,其中土壤水分与有机质含量的减少,是影响火后生态修复的重要因素。在重度火烧且环境恶劣的土壤上,应进行人工修整,通过改良土壤理化性质,保证植被的生长恢复,一般可采取人工辅助引入幼苗并维护幼苗生长环境的方法促进生态修复。

  6? 结语与展望?

  目前,国内外对森林地下火的研究较少,且主要集中于地下火燃烧过程中的碳排放量,以及地下火燃烧后对生态环境的影响,对地下火的燃烧机理和预防扑救还处于初级阶段。对未来森林地下火的研究建议从以下几个方面加强研究。

  1)燃烧机理。深入探究森林地下火的燃烧原因、蔓延机制、行为特征等,为森林地下火的预防与监测扑救打下坚实基础。

  2)火情监测。地下火情难以察觉,危害巨大,应着力建设及时高效的森林地下火监测体系,以便及时定位地下火情与蔓延趋势,为后续的地下火扑救提供详实信息。

  3)扑救技术。针对地下火燃烧特点,开发新型扑救设备,改善原有扑救方法,实现地下火的高效扑救,并避免地下火转化为地表火和树冠火。(唐抒圆 李华 单延龙 肖云 尹赛男)

 

  第一作者:唐抒圆,女,硕士,讲师,研究方向环境科学

  通信作者:单延龙,男,博士,教授,研究方向林火生态和林火管理

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