分析 | 森林大火是如何蔓延的？
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撰文 | 麻庭光（上海應用技術大學安全工程系講師）
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最近發(fā)生的四川木里山火，因消防隊員傷亡眾多而得到廣泛的報道。在通讀所有關于火場的描述之后，“爆燃”一詞凸顯了出來。這里，我來介紹一下“爆燃”發(fā)生的幾種火災動力學原因。
爆燃是什么意思？
嚴格說來，爆燃就是快速燃燒（deflagration），但又達不到爆炸（detonation）的水平，是一種低速發(fā)生的煙氣爆炸（smoke explosion）現(xiàn)象。不過，相對于固體燃料的點火過程，又是非?？焖倭恕?/p>
關于爆燃的成因，消防理論上有很多的解釋，比如室內火災的轟然現(xiàn)象、（地下室）室內火災的爆燃現(xiàn)象、（高層建筑）室內火災的吹炬效應等，大多與室內火災中天花板附近熱羽流的非線性反饋有關。
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，強度是溫度的4次方，因此上層溫度變化一點，下面的熱通量急劇增加。而熱通量對固體燃料的作用是產生可燃氣體（被稱為熱解過程，Pyrolysis），熱通量增加意味著火場可燃氣體的生成量快速增加了。
《唐詩三百首》中有一首《題壁詩》：“一團茅草亂蓬蓬，驀地燒天驀地空。爭似滿爐煨榾柮，漫騰騰地暖烘烘?！鼻皟删湔f的是“爆燃”，后兩句說的是普通固體燃料常見點火過程。從二者對比，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)生在開放空間，能夠讓消防隊員無知無覺，顯然不能用室內火災的模型來套用，這里我找到四種室外火災的蔓延模式，或許幫助大家理解火場的艱巨性和火災動力學的重要性。
需要說明的是，木里山火發(fā)生爆燃，在正式的調查報告公布之前，作為專業(yè)工作者我只能提供一些非正式的參考解釋，請以調查報告為準。
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制，導致了未燃林區(qū)的加熱和熱解過程，釋放出的可燃物質，在條件合適時，被突然點燃（或稱氣相爆炸現(xiàn)象）。這種由于熱解過程導致大量可燃氣體，發(fā)生的快速燃燒現(xiàn)象，如果發(fā)生在室內，被稱作轟燃現(xiàn)象（Flashover），如果發(fā)生在室外，被稱作爆燃（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、加州山火的焚風模式
其次，是加州山火的焚風模式。某些專家動不動列舉美國加州“天堂鎮(zhèn)”的山火為例，說明國內山火和動員的相似性，這樣做是不妥的，他們不了解美國加州山火蔓延的特殊模式。
焚風，是一種大氣現(xiàn)象，通?？諝馐桥瘽窕蛘呃涓傻模绻捎谀撤N地形或氣象條件導致了大氣流動是又暖又干燥，對下面燃料的干燥作用和蔓延效果不可忽視了。在學術上，這又被稱作是Foehn（來自德語）Winds，產生條件是大團高壓空氣以160公里/小時的速度溢出山脈，伴隨著溫暖干燥的山風向低壓區(qū)下降的過程帶來的由壓力梯度引起氣流，經常會導致火災的發(fā)生。
焚風在古代被稱作融風或溫風。前524年5月7日，魯國都城地區(qū)開始刮風。梓慎說：“這是融風，是火災要來的征兆。七天之后，火災就會發(fā)生了吧！”5月13日，魯國都城風力強勁，不過并未起火，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)四國都城都發(fā)生了火災。梓慎爬上大庭氏府庫房頂上瞭望了一陣，然后非常篤定地說：“就是宋、衛(wèi)、陳、鄭！”幾天后，四國報告火災的通告就到達了魯國?？梢?，氣象條件對火災發(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，時有溫風：遙縣客吏，多有疾病。地勢剛險，皆重屋累居。數(shù)有火害，又不相容”。也就是說，當時重慶的地形也是經常會有溫風帶來的火災。
圖2. 美國加州山火的焚風蔓延模式。
三、道孚大火模式
才過去幾年，忙忙碌碌的人們已經忘掉了道孚大火的悲劇，消防工作者沒有。
道孚大火是一場典型的因為地形條件的特殊性導致的重大災情，在火災動力學有重要的地位。我們把它稱作是壕溝效應（trench effect），其地形特征是一條傾斜的溝槽，有利于引導熱煙氣的流動，在流動過程對環(huán)境燃料進行預熱和熱解，然后形成爆發(fā)性的燃燒。這也是一種燃爆現(xiàn)象，是流體領域的 Coand? 效應（空氣動力學中流體遇到坡面發(fā)生的吸附現(xiàn)象，主要用于飛機的機翼設計）與火災領域的轟燃概念（充分預熱熱解后發(fā)生的爆發(fā)性燃燒現(xiàn)象）的耦合。
壕溝效應通常發(fā)生在有坡度的上升壕溝（如地鐵的上下入口電梯）中，以英國倫敦發(fā)生的國王十字地鐵站火災而聞名于世。當時的英國牛津大學的學者 Susanne Simcox 使用最先進的計算流體力學工具，模擬了火焰倒伏、預熱燃料、燃燒爆發(fā)的發(fā)展過程，是重大的火災動力學發(fā)現(xiàn)。
其實，壕溝效應就是所謂的風助固體火災蔓延模式的一種變化，風是浮力形成的抽風，而本應水平蔓延的火勢現(xiàn)在發(fā)生在傾斜的平面上，讓火焰倒伏的預熱效果更強烈，產生的可燃氣體更多，因此火勢的發(fā)展更猛烈。最近（2019年3月14日）發(fā)生的開封高層建筑火災，也是壕溝效應的一個特殊場合下的應用。
圖3. 地形特殊性導致的道孚悲歌體現(xiàn)了掌握火災原理的重要性
現(xiàn)在，大家對道孚大火的原因基本認可了，燃料是比較高的茅草，屬于輕薄的材料，容易點火。那么，涼山木里大火的燃料是什么，為什么也會發(fā)生輕易點火的局面？
四、陰燃轉明焰模式
上述的蔓延模式，分別有高溫云氣（大興安嶺大火）、氣象溫風（加州山火）和斜坡地形（道孚大火）的貢獻，因此比較容易被察覺。
然而，此次關于山火的很多報道或分析卻沒有提到這些標志性特征（Signature），相反，人們提到更多的是“地面植被和林下可燃物因長期堆積后發(fā)生氧化分解（也就是我們常說的陰燃現(xiàn)象），產生大量的揮發(fā)性可燃氣體，同時與腐爛的固體可燃物混合后”，在突發(fā)大風的作用下發(fā)生的爆發(fā)性燃燒現(xiàn)象。也就是說，這是常見的陰燃轉明焰的典型燃燒過程，因為氣流的失穩(wěn)而出現(xiàn)了爆發(fā)性的增長燃燒。這些地表雜質被稱作達菲（Duffy，在土壤表面堆積的部分腐爛的有機質），其消耗分解的過程主要是通過陰燃進行，陰燃產生加熱持續(xù)時間長許多倍，加熱強度大，可以達到致死的表面溫度。陰燃的較長持續(xù)時間和對森林地表傳遞的較高熱流通量，是導致火場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合。因為可燃材料沒有密集堆積，就會有氧氣滲入，氧氣與木材發(fā)生的氧化反應，雖然生成的熱量不多，可是空氣是熱量的不良導體，所以氧化反應的熱量也無法消耗掉，隨著時間的推移，逐步發(fā)展成沒有火焰的燃燒狀態(tài)。很多人燒過大灶，爐膛火焰熄滅之后，仍然有火紅的灰燼，這就是爐膛內發(fā)生的陰燃，比自然界發(fā)生的陰燃要快速很多。
控制陰燃過程的兩個重要條件是氧氣供應和熱量損失。達菲本身就是容易供應氧氣的結構，那么關鍵就是熱量損失了。最近隨著清明來臨，環(huán)境溫度逐步增加，因此自然界陰燃過程的熱損失越來越困難了（因為環(huán)境溫度增加了），所以這是大面積發(fā)生陰燃現(xiàn)象的關鍵性氣象條件。
如果陰燃過程發(fā)展到燃料堆的表面，氧氣的供應突然增加，就會發(fā)生陰燃轉明焰現(xiàn)象，其中一個重要前提是供風條件的改善，比如此次木里大火前有人提到山風突然加大（有可能是被動響應明火的結果，因為大火卷吸起來，也會造成大風，這種火致山風，以1991年的加州灣區(qū)大火而廣為人知），對陰燃轉明焰過程起了很大的推動作用。
下圖是一張PU聚氨酯泡沫在外在熱輻射進行加熱的條件下，從陰燃蔓延向有焰燃燒進行轉換的過程。只有當燃燒波發(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，推動氧氣的供應增加，則點火的效果更好。也就是說，供氧條件改善，會觸發(fā)氣相的燃燒反應（有焰）。
圖4. 聚氨酯泡沫的陰燃過程（上圖是裸眼觀察結果，下圖是紅外線觀察的結果）
在香港電影《笑傲江湖》中，令狐沖經常手持一種火媒，該火媒把熱量以陰燃的形式保存在類似雪茄的裝置中，需要火源之時，打開蓋子（增加與空氣的接觸面積），迎風一晃，陰燃立即轉為明焰，就可以點火了。所以陰燃轉明焰的過程是我們老百姓的生活常識，一點也不神秘。
最后，這些達菲從何而來？一種解釋是，由于當?shù)厥窃忌?無人區(qū)，因此從未開發(fā)利用過，累積的達菲超過30厘米。另一種解釋是，由于我國推行的封山育林政策，已經幾十年沒有開采林木了，讓各地蓄積了大量的達菲。由于對森林養(yǎng)護的不同看法和觀念差異，我國基本放棄了對森林的開發(fā)和利用，人為導致了固體燃料的大量集聚。這需要讓我們反思森林保護政策的有效性和可持續(xù)性問題，在此不便深入展開。
