分析 | 森林大火是如何蔓延的？
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撰文 | 麻庭光（上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)安全工程系講師）
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最近發(fā)生的四川木里山火，因消防隊(duì)員傷亡眾多而得到廣泛的報(bào)道。在通讀所有關(guān)于火場(chǎng)的描述之后，“爆燃”一詞凸顯了出來(lái)。這里，我來(lái)介紹一下“爆燃”發(fā)生的幾種火災(zāi)動(dòng)力學(xué)原因。
爆燃是什么意思？
嚴(yán)格說(shuō)來(lái)，爆燃就是快速燃燒（deflagration），但又達(dá)不到爆炸（detonation）的水平，是一種低速發(fā)生的煙氣爆炸（smoke explosion）現(xiàn)象。不過(guò)，相對(duì)于固體燃料的點(diǎn)火過(guò)程，又是非?？焖倭恕?/p>
關(guān)于爆燃的成因，消防理論上有很多的解釋?zhuān)热缡覂?nèi)火災(zāi)的轟然現(xiàn)象、（地下室）室內(nèi)火災(zāi)的爆燃現(xiàn)象、（高層建筑）室內(nèi)火災(zāi)的吹炬效應(yīng)等，大多與室內(nèi)火災(zāi)中天花板附近熱羽流的非線性反饋有關(guān)。
什么是非線性？ 所謂非線性，指熱羽流向下的熱通量主要靠輻射換熱方式，強(qiáng)度是溫度的4次方，因此上層溫度變化一點(diǎn)，下面的熱通量急劇增加。而熱通量對(duì)固體燃料的作用是產(chǎn)生可燃?xì)怏w（被稱(chēng)為熱解過(guò)程，Pyrolysis），熱通量增加意味著火場(chǎng)可燃?xì)怏w的生成量快速增加了。
《唐詩(shī)三百首》中有一首《題壁詩(shī)》：“一團(tuán)茅草亂蓬蓬，驀地?zé)祢嚨乜?。?zhēng)似滿爐煨榾柮，漫騰騰地暖烘烘?！鼻皟删湔f(shuō)的是“爆燃”，后兩句說(shuō)的是普通固體燃料常見(jiàn)點(diǎn)火過(guò)程。從二者對(duì)比，我們可以理解爆燃的突發(fā)性和全面性特征，與涼山木里大火的火行為存在很大的相似性。
然而，此次爆燃發(fā)生在開(kāi)放空間，能夠讓消防隊(duì)員無(wú)知無(wú)覺(jué)，顯然不能用室內(nèi)火災(zāi)的模型來(lái)套用，這里我找到四種室外火災(zāi)的蔓延模式，或許幫助大家理解火場(chǎng)的艱巨性和火災(zāi)動(dòng)力學(xué)的重要性。
需要說(shuō)明的是，木里山火發(fā)生爆燃，在正式的調(diào)查報(bào)告公布之前，作為專(zhuān)業(yè)工作者我只能提供一些非正式的參考解釋?zhuān)?qǐng)以調(diào)查報(bào)告為準(zhǔn)。
一、大興安嶺大火模式
大興安嶺大火，人們記住的是這樣一幅畫(huà)面：由于“火攜燃現(xiàn)象”（Brand Lofting），大量的未燃盡燃料在空中飛舞，高溫云層漂浮在未燃林區(qū)的上方。
如此形成的能量反饋機(jī)制，導(dǎo)致了未燃林區(qū)的加熱和熱解過(guò)程，釋放出的可燃物質(zhì)，在條件合適時(shí)，被突然點(diǎn)燃（或稱(chēng)氣相爆炸現(xiàn)象）。這種由于熱解過(guò)程導(dǎo)致大量可燃?xì)怏w，發(fā)生的快速燃燒現(xiàn)象，如果發(fā)生在室內(nèi)，被稱(chēng)作轟燃現(xiàn)象（Flashover），如果發(fā)生在室外，被稱(chēng)作爆燃（deflagration），是高溫云層造成的，是大興安嶺大火中發(fā)生跳躍式火場(chǎng)蔓延的重要因素。
圖1. 大興安嶺大火中的典型蔓延模式
二、加州山火的焚風(fēng)模式
其次，是加州山火的焚風(fēng)模式。某些專(zhuān)家動(dòng)不動(dòng)列舉美國(guó)加州“天堂鎮(zhèn)”的山火為例，說(shuō)明國(guó)內(nèi)山火和動(dòng)員的相似性，這樣做是不妥的，他們不了解美國(guó)加州山火蔓延的特殊模式。
焚風(fēng)，是一種大氣現(xiàn)象，通?？諝馐桥瘽窕蛘呃涓傻模绻捎谀撤N地形或氣象條件導(dǎo)致了大氣流動(dòng)是又暖又干燥，對(duì)下面燃料的干燥作用和蔓延效果不可忽視了。在學(xué)術(shù)上，這又被稱(chēng)作是Foehn（來(lái)自德語(yǔ)）Winds，產(chǎn)生條件是大團(tuán)高壓空氣以160公里/小時(shí)的速度溢出山脈，伴隨著溫暖干燥的山風(fēng)向低壓區(qū)下降的過(guò)程帶來(lái)的由壓力梯度引起氣流，經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致火災(zāi)的發(fā)生。
焚風(fēng)在古代被稱(chēng)作融風(fēng)或溫風(fēng)。前524年5月7日，魯國(guó)都城地區(qū)開(kāi)始刮風(fēng)。梓慎說(shuō)：“這是融風(fēng)，是火災(zāi)要來(lái)的征兆。七天之后，火災(zāi)就會(huì)發(fā)生了吧！”5月13日，魯國(guó)都城風(fēng)力強(qiáng)勁，不過(guò)并未起火，而宋 (距魯直線距離約180公里)、衛(wèi) (約180公里)、陳 (約280公里)、鄭 (約330公里)四國(guó)都城都發(fā)生了火災(zāi)。梓慎爬上大庭氏府庫(kù)房頂上瞭望了一陣，然后非常篤定地說(shuō)：“就是宋、衛(wèi)、陳、鄭！”幾天后，四國(guó)報(bào)告火災(zāi)的通告就到達(dá)了魯國(guó)。可見(jiàn)，氣象條件對(duì)火災(zāi)發(fā)生的影響。另外，在公元154年，重慶地方官（但望）提出，“郡治江州，時(shí)有溫風(fēng)：遙縣客吏，多有疾病。地勢(shì)剛險(xiǎn)，皆重屋累居。數(shù)有火害，又不相容”。也就是說(shuō)，當(dāng)時(shí)重慶的地形也是經(jīng)常會(huì)有溫風(fēng)帶來(lái)的火災(zāi)。
圖2. 美國(guó)加州山火的焚風(fēng)蔓延模式。
三、道孚大火模式
才過(guò)去幾年，忙忙碌碌的人們已經(jīng)忘掉了道孚大火的悲劇，消防工作者沒(méi)有。
道孚大火是一場(chǎng)典型的因?yàn)榈匦螚l件的特殊性導(dǎo)致的重大災(zāi)情，在火災(zāi)動(dòng)力學(xué)有重要的地位。我們把它稱(chēng)作是壕溝效應(yīng)（trench effect），其地形特征是一條傾斜的溝槽，有利于引導(dǎo)熱煙氣的流動(dòng)，在流動(dòng)過(guò)程對(duì)環(huán)境燃料進(jìn)行預(yù)熱和熱解，然后形成爆發(fā)性的燃燒。這也是一種燃爆現(xiàn)象，是流體領(lǐng)域的 Coand? 效應(yīng)（空氣動(dòng)力學(xué)中流體遇到坡面發(fā)生的吸附現(xiàn)象，主要用于飛機(jī)的機(jī)翼設(shè)計(jì)）與火災(zāi)領(lǐng)域的轟燃概念（充分預(yù)熱熱解后發(fā)生的爆發(fā)性燃燒現(xiàn)象）的耦合。
壕溝效應(yīng)通常發(fā)生在有坡度的上升壕溝（如地鐵的上下入口電梯）中，以英國(guó)倫敦發(fā)生的國(guó)王十字地鐵站火災(zāi)而聞名于世。當(dāng)時(shí)的英國(guó)牛津大學(xué)的學(xué)者 Susanne Simcox 使用最先進(jìn)的計(jì)算流體力學(xué)工具，模擬了火焰倒伏、預(yù)熱燃料、燃燒爆發(fā)的發(fā)展過(guò)程，是重大的火災(zāi)動(dòng)力學(xué)發(fā)現(xiàn)。
其實(shí)，壕溝效應(yīng)就是所謂的風(fēng)助固體火災(zāi)蔓延模式的一種變化，風(fēng)是浮力形成的抽風(fēng)，而本應(yīng)水平蔓延的火勢(shì)現(xiàn)在發(fā)生在傾斜的平面上，讓火焰倒伏的預(yù)熱效果更強(qiáng)烈，產(chǎn)生的可燃?xì)怏w更多，因此火勢(shì)的發(fā)展更猛烈。最近（2019年3月14日）發(fā)生的開(kāi)封高層建筑火災(zāi)，也是壕溝效應(yīng)的一個(gè)特殊場(chǎng)合下的應(yīng)用。
圖3. 地形特殊性導(dǎo)致的道孚悲歌體現(xiàn)了掌握火災(zāi)原理的重要性
現(xiàn)在，大家對(duì)道孚大火的原因基本認(rèn)可了，燃料是比較高的茅草，屬于輕薄的材料，容易點(diǎn)火。那么，涼山木里大火的燃料是什么，為什么也會(huì)發(fā)生輕易點(diǎn)火的局面？
四、陰燃轉(zhuǎn)明焰模式
上述的蔓延模式，分別有高溫云氣（大興安嶺大火）、氣象溫風(fēng)（加州山火）和斜坡地形（道孚大火）的貢獻(xiàn)，因此比較容易被察覺(jué)。
然而，此次關(guān)于山火的很多報(bào)道或分析卻沒(méi)有提到這些標(biāo)志性特征（Signature），相反，人們提到更多的是“地面植被和林下可燃物因長(zhǎng)期堆積后發(fā)生氧化分解（也就是我們常說(shuō)的陰燃現(xiàn)象），產(chǎn)生大量的揮發(fā)性可燃?xì)怏w，同時(shí)與腐爛的固體可燃物混合后”，在突發(fā)大風(fēng)的作用下發(fā)生的爆發(fā)性燃燒現(xiàn)象。也就是說(shuō)，這是常見(jiàn)的陰燃轉(zhuǎn)明焰的典型燃燒過(guò)程，因?yàn)闅饬鞯氖Х€(wěn)而出現(xiàn)了爆發(fā)性的增長(zhǎng)燃燒。這些地表雜質(zhì)被稱(chēng)作達(dá)菲（Duffy，在土壤表面堆積的部分腐爛的有機(jī)質(zhì)），其消耗分解的過(guò)程主要是通過(guò)陰燃進(jìn)行，陰燃產(chǎn)生加熱持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)許多倍，加熱強(qiáng)度大，可以達(dá)到致死的表面溫度。陰燃的較長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間和對(duì)森林地表傳遞的較高熱流通量，是導(dǎo)致火場(chǎng)植物死亡的重要因素。
陰燃通常發(fā)生在多孔材料堆積的場(chǎng)合。因?yàn)榭扇疾牧蠜](méi)有密集堆積，就會(huì)有氧氣滲入，氧氣與木材發(fā)生的氧化反應(yīng)，雖然生成的熱量不多，可是空氣是熱量的不良導(dǎo)體，所以氧化反應(yīng)的熱量也無(wú)法消耗掉，隨著時(shí)間的推移，逐步發(fā)展成沒(méi)有火焰的燃燒狀態(tài)。很多人燒過(guò)大灶，爐膛火焰熄滅之后，仍然有火紅的灰燼，這就是爐膛內(nèi)發(fā)生的陰燃，比自然界發(fā)生的陰燃要快速很多。
控制陰燃過(guò)程的兩個(gè)重要條件是氧氣供應(yīng)和熱量損失。達(dá)菲本身就是容易供應(yīng)氧氣的結(jié)構(gòu)，那么關(guān)鍵就是熱量損失了。最近隨著清明來(lái)臨，環(huán)境溫度逐步增加，因此自然界陰燃過(guò)程的熱損失越來(lái)越困難了（因?yàn)榄h(huán)境溫度增加了），所以這是大面積發(fā)生陰燃現(xiàn)象的關(guān)鍵性氣象條件。
如果陰燃過(guò)程發(fā)展到燃料堆的表面，氧氣的供應(yīng)突然增加，就會(huì)發(fā)生陰燃轉(zhuǎn)明焰現(xiàn)象，其中一個(gè)重要前提是供風(fēng)條件的改善，比如此次木里大火前有人提到山風(fēng)突然加大（有可能是被動(dòng)響應(yīng)明火的結(jié)果，因?yàn)榇蠡鹁砦饋?lái)，也會(huì)造成大風(fēng)，這種火致山風(fēng)，以1991年的加州灣區(qū)大火而廣為人知），對(duì)陰燃轉(zhuǎn)明焰過(guò)程起了很大的推動(dòng)作用。
下圖是一張PU聚氨酯泡沫在外在熱輻射進(jìn)行加熱的條件下，從陰燃蔓延向有焰燃燒進(jìn)行轉(zhuǎn)換的過(guò)程。只有當(dāng)燃燒波發(fā)展到固體表面，供氧條件突然改善，有可能發(fā)生明焰燃燒。如果外部再加上擾流，推動(dòng)氧氣的供應(yīng)增加，則點(diǎn)火的效果更好。也就是說(shuō)，供氧條件改善，會(huì)觸發(fā)氣相的燃燒反應(yīng)（有焰）。
圖4. 聚氨酯泡沫的陰燃過(guò)程（上圖是裸眼觀察結(jié)果，下圖是紅外線觀察的結(jié)果）
在香港電影《笑傲江湖》中，令狐沖經(jīng)常手持一種火媒，該火媒把熱量以陰燃的形式保存在類(lèi)似雪茄的裝置中，需要火源之時(shí)，打開(kāi)蓋子（增加與空氣的接觸面積），迎風(fēng)一晃，陰燃立即轉(zhuǎn)為明焰，就可以點(diǎn)火了。所以陰燃轉(zhuǎn)明焰的過(guò)程是我們老百姓的生活常識(shí)，一點(diǎn)也不神秘。
最后，這些達(dá)菲從何而來(lái)？一種解釋是，由于當(dāng)?shù)厥窃忌?無(wú)人區(qū)，因此從未開(kāi)發(fā)利用過(guò)，累積的達(dá)菲超過(guò)30厘米。另一種解釋是，由于我國(guó)推行的封山育林政策，已經(jīng)幾十年沒(méi)有開(kāi)采林木了，讓各地蓄積了大量的達(dá)菲。由于對(duì)森林養(yǎng)護(hù)的不同看法和觀念差異，我國(guó)基本放棄了對(duì)森林的開(kāi)發(fā)和利用，人為導(dǎo)致了固體燃料的大量集聚。這需要讓我們反思森林保護(hù)政策的有效性和可持續(xù)性問(wèn)題，在此不便深入展開(kāi)。
