了解和预防野火

Encyclopédie environnement - feux de végétation - wildfires

  要改进预防和降低自然环境和城郊地区火灾风险的政策,需要充分了解导致燃火且火势蔓延的因素。火灾的动态及其对特定环境的影响取决于多种因素,如燃料层的结构(草、灌木、树木),植被所受的压力因素(含水量、相对湿度和环境空气温度、风、地面坡度),受影响地区的土地类型(草原、灌木林地、森林、城郊地区)。我们知道,一些野火的火势远远超过现有控制手段(直升机、水轰炸机)的灭火能力。正是由于这个原因,世界各地的消防部门多年来一直在实施一项灭火于萌芽的消防策略。这种做法的有效性现在似乎已达到了极限,甚至开始产生消极的影响。事实上,系统地消除低强度火灾的一个后果就是增加了地表生物量的积累,从而成为加剧野火风险的一个重要因素。

1. 森林火灾简介

  2010年发表的一项研究[1]结合了卫星数据与实地观测,通过估算烧毁面积,对野火在全球范围造成的影响进行了评估。据估算,1997-2008年期间,大约每年平均有3.71亿公顷的自然区域(稀树草原、草地、灌木丛、森林等)被野火烧毁(相当于法国本土面积的5.5倍),其中69%(2.56亿公顷)位于非洲,14.5%(5400万公顷)位于澳大利亚,5.8%(2200万公顷)位于南美洲(主要是亚马逊地区),4%(1500万公顷)位于中亚,其余(2400万公顷)主要分布在北美洲和亚洲的北部森林。相比之下,欧洲(主要是伊比利亚半岛、意大利、希腊、法国南部)每年平均有70万公顷的区域受到野火影响。

  幸运的是,这些火灾中的很大一部分发生在热带稀树草原和草原地区。经过长期演变,这些地区形成的生态系统已经适应了野火的发生。野火能够帮助该地区维持开阔空间,更新本地物种,并保证大型食草动物获得优良的食物来源。

  比烧毁面积更重要的是火灾对生态系统的影响。例如,热带稀树草原和草原每年都会有部分区域发生火灾,而同样的火灾如果发生在热带雨林则会对动植物产生严重危害。早在20世纪30年代,生态学家就认为,野火的破坏性并不像公众所认为的那样大[2]。这一学派的思想促成了一门新学科—火灾生态学的出现[3],其主要目的是研究生态系统受到火灾干扰后的恢复能力。野火之所以成为一个问题,是因为我们忽略了野火可以像其它自然事件(如洪水和滑坡)一样,在更新植物物种,保障生态系统运行和维持生物多样性方面中发挥着重要作用,

  近万年来,火一直是人类用来维持狩猎空地,开垦土地,开发放牧区或耕地的一种强大的空间规划工具。随后,欧洲在非洲、北美、南美和澳大利亚的殖民浪潮导致了这些传统做法的衰落[4]。这些破坏对许多生态系统产生了重大影响,改变了土地利用类型,促进了生物量的积累。这一切导致 19 世纪末 20 世纪初发生了一系列灾难性火灾,如发生在美国的五大湖区和西部地区的火灾(1871年威斯康星州的佩什蒂戈(Peshtigo)火灾:486,000公顷,2500人死亡,1910年爱达荷州和蒙大拿州边界的大火:100万公顷,87人死亡),[5]。为了应对这些火灾,美国政府实施了系统性的森林火灾排除政策,并采取对任何野火都尽早扑灭的策略。这项政策在全世界广泛推行,最初取得了积极的效果,例如,美国的火灾面积从1930年的1600-2000万公顷减少到1970年的200万公顷。

  随着农村人口加速外流,城郊地区不断扩大以及气候变化,生态系统变得愈加脆弱(反复干旱、食木昆虫的入侵),这项政策的有效性已经达到了极限,特别是在森林/居住地交界带。在制定资产负债表时,不仅要考虑被烧毁地区的范围,还要包括被火灾烧毁的房屋或建筑的数量(不包括死亡人数)。仅在加利福尼亚,在这样情况下被毁的房屋数量从1955年至1985年的3533间增加到1985年至2000年的7467间。在一半的时间内被毁的房屋数量翻了一番。

  生态学方法对野外火灾的主要贡献之一是引入了火灾机制的概念,可以让人们界定一个生态系统可以承受的自然火灾频率,而不会造成不可逆转的长期影响。这个参数基于树龄学数据(分析木材年轮和火灾遗迹或木炭),以年为单位,取值范围在0到500年或更长。一些树种,如加利福尼亚的巨型红杉,可以追溯到3000多年前。根据实际监测的参数与参考值进行对比,可以评估出可能发生的野火是否在生态系统可承受的范围内,或者是否会威胁到当地的生态系统。

2. 火的一些物理性质

环境百科全书-野火-火灾三角图
图1. 适应于野火案例的火灾三角形。见参考文献[6]

  简而言之,植被火灾可以被理解为在植被冠层中蔓延的火焰锋面。 火焰前锋的移动速度(通常称为传播速度)随三个参数的变化而变化:植被的结构(垃圾、草地、灌木丛、森林等)和植被状态(含水量),地表地形(平坦、倾斜、相对于火锋路径上升或下降),大气条件(风、温度、周围空气的相对湿度)。将这三个要素(燃料、地形、天气)(图1)与消防安全中的火灾三角形中的三个关键要素(燃料、氧气、热量)进行比较,以解释在可燃物上引发火灾所需的要素。

        火焰前锋的影响取决于其单位长度产生的功率(火势强度,单位为千瓦/米);当传播速率恒定时,火势强度可按以下乘积计算。[燃烧热(千焦/千克)]=[燃烧热(千焦/千克)]*[燃料负荷(千克/平方米)]*[传播速率(米/秒)]。燃烧强度根据火灾的性质而有明显的变化,从几百千瓦/米的垃圾火灾到接近104 千瓦/米的森林大火(距离火焰前锋15米处释放的功率为1500兆瓦,相当于一个核电站机组的功率)。例如,2009年2月发生在澳大利亚墨尔本地区的灾难性野火(黑色星期六),被测得的强度约为80000千瓦/米;传播速度为1至3米/秒,烟羽高达15公里(平流层底部)。

  从物理学角度看,火是固体燃料着火时在外界热源或火线传播过程中的自身热流作用下分解产生的燃烧现象。在这种强烈热流的作用下,植物首先会变干,然后降解为气体(主要是一氧化碳、二氧化碳和甲烷的混合物)和固体(木炭)。该过程可以划分为两个燃烧阶段:一氧化碳,甲烷和空气中的氧气之间的气相同质燃烧;木炭和氧气之间的异质燃烧。

  野火和火焰前锋下方的植被之间有两种热传导机制制约着火势的蔓延:高温气体[7],特别是火焰中的烟尘颗粒的辐射;对流热交换,即通过对流运动将高温气体推向尚未燃烧的植被层。这两种传热机制的相对重要性主要取决于控制野火和烟羽轨迹的两种力的比值[8]:风力作用产生的惯性力会推动火焰和热气沿平行于地面的方向移动;火焰区、烟羽和周围空气之间的密度差产生的阿基米德浮力会垂直排放热气体。浮力的大小主要取决于羽流的势能,而羽流的势能又取决于燃烧燃料(生物量)的数量。仅仅考虑风力本身这一因素并不能解释火灾的动态特征,重要的是重力(烟羽)和惯性力(风力)这两种力之间的比率,这可以通过一个无量纲数来评估: 对流拜拉姆数[9]代表这两种力量之间的功率比:

  其中g(9.81m/s2)表示重力,I(W/m)表示火灾强度,ρ(kg/m3)表示密度,Cp(J/kg/K)表示比热,T0(K)表示环境空气温度,UW表示风速(m/s),ROS(m/s)表示火灾蔓延率。

  文献中指出的植被火灾的两种传播模式源于两种特征情况:(I)“风驱动火”即由风推动火移动传播;(II)“烟羽主导火”即由烟羽影响火的传播。在这两种模式下,火焰前锋和周围环境相互作用的后果各不相同。第一种模式中,当气体从火焰前锋流向下方,会导致植被的热对流;而在第二种模式中,当火力足够强大,可以在锋面前方吸引新鲜空气,火焰与植被间的能量传输基本上是通过热辐射来实现的。火焰前锋行为的可预测性与主导火势发展的物理机制的线性性质密切相关。如果对流占主导地位(模式I),火焰传播速率将与风速呈线性关系;如果热辐射占主导地位(模式II),火焰释放的热通量的高度非线性性质(基于斯蒂芬玻尔兹曼定律,热辐射强度于温度的四次方成正比,参见脚注7)与火焰前锋产生自身流动的事实相关,导致传播速度与风速之间的关系脱钩,使得预测火灾行为变得更加困难。

3. 植被火灾和森林/居住地边界

  针对发生火灾的可能性,对于野火的预防措施取决于火灾发生的地点。自然环境中,以国家公园为例,如果野火在生态系统可承受的林火模态范围内,并且人员和财产的安全不受影响,人们可能不会对火灾进行干预。人们可能会考虑到所面对的是自然干扰,是生态系统正常运作的一部分(一些景观需要火来维持自身平衡和更新物种),因而什么也不做(这是在美国和其他一些国家公园实施的“燃烧”政策,意即任其燃烧)。如果火灾发生在城市郊区森林/居住地的交界处,而不完全是自然环境,在这种情况下,人员和财产的安全成为首要问题,所以必须进行干预。目前,空中直接灭火的极限功率约为7000kW/m,但是也会有火灾强度高达10000kW/m的情况出现,甚至会有罕见的火灾强度接近100000kW/m的情况(如澳大利亚的黑色星期六)。因此不难理解,只要出现有利于火灾爆发和蔓延的天气情况(高温、强风、干旱),火势将难以完全控制。

  负责森林火灾预防和控制的专业人员(消防员、护林员)从两个方面开展工作:尽早扑灭火灾(选项1)和减少生物量(选项2)。选项1包括在天气条件超过某个临界阈值时预先部署地面和空中灭火能力,目的是尽早扑灭还未来得及蔓延并达到其最大功率的野火。这是在法国南部某些地区实施的战略。例如,在罗讷河口地区扑灭早期野火的时间窗口是几分钟。这种方法需要大量资源,并且仅适用于相对较小的地区(在美国西部的大片地区就完全不适合)。此外,通过扑灭所有低强度火灾这项政策将有助于地面生物量的积累(火灾三角中的要素之一,燃料),这最终将导致区域野火发生风险增加。

  减少生物量(选项2)可以通过机械(剪枝)或规定焚烧来实现。这两种情况的预防方法都需要对所有者和地方当局进行普及教育工作,使他们了解这些措施(火灾三角形)的有效性。它也存在一些缺点:成本高、产生烟雾而且以火防火的策略并不是所有人都认可。

        初步风险评估是一个基本要素,大多基于经验模型,即最初由加拿大林业部门开发的 “火灾气象指数”(FWI)[10]。该风险指数是通过评估土壤不同深度的不同含水量指数构建的,基于以下四个数据:午后气温和相对湿度、最近24小时降水量和平均风速。在法国,该系统根据国境内植被的特征进行了调整,在夏季期间每天生成一个森林天气指数(FWI)。该指数的变化范围与所遇到的火灾的威力有关。例如,加拿大的指数从0到30不等(2016年5月在阿尔伯塔州烧毁了超过60万公顷的麦克默里堡大火的指数大于30)(见图2和3)。而在法国,指数则从0到20不等。

  根据现有的数据显示,城市化进程加快导致森林/居住地边界不断演变,加之全球变暖加剧了生态系统的脆弱性(温度、降雨、干旱、虫害等)。在这些因素的共同作用下,森林火灾的风险在不久的将来将显著增加。政府间气候变化专门委员会(IPCC)的各种报告显示,在已经受到森林大火严重影响的地区(北方地区、地中海地区),这种影响将非常显著[11]。而且,即使在气候温和的国家,如法国,据估计到2040年,可能受野火影响的地区将增长30%[12]。因此,仅靠加强控制手段无法应对升级的野火风险。

环境百科全书-野火-火灾天气指数(FWI)图
图2. 为2016年5月3日阿尔伯塔省麦克默里堡火灾期间绘制的火灾天气指数(FWI)图(加拿大自然资源部)。[来源:http://cwfis.cfs.nrcan.gc.ca/accueil]

  为了可持续地应对火灾风险,需要恢复符合特定生态系统特征的火灾机制,重新引入火作为工具,采用规定火灾的形式调节地面灌木的生物量。与建筑消防安全一样,减少生物量是火灾三角形(图1)中唯一可持续降低火灾风险的因素。关于财产和人身安全,与其他自然风险(洪涝、淹没)一样,必须要对一些区域城市化的条件进行审查,避免城市任意扩张的情况(住宅地分布在自然环境中)。这会使得消防员和护林员的工作条件变得愈加复杂。在风险程度特别高的地区,还应设计新型建筑以增强住宅的坚固性,尤其是在房顶和门窗的设计方面。

环境百科全书-野火-疏散麦克默里堡
图3. 2016年5月疏散麦克默里堡(加拿大艾伯塔州的一座拥有80000人口的城市)。
[来源:https://en.wikipedia.org/wiki/2016_Fort_McMurray_wildfire]

  比起火焰前锋热流带来的损害,房屋遭受到的更大的威胁来自正在燃烧的颗粒雨(被热流刮掉的树皮碎片、树叶),这些颗粒会积聚在屋顶、排水沟和门窗底部。一些建筑师设计了桩基建筑,以防止燃烧的颗粒在门窗底部聚集。选择可保护门窗的建筑材料(例如,选择优质的木质百叶窗而不是聚氯乙烯(PVC)百叶窗)也是增加安全性的重要手段。安全性能得到加强的住宅在发生火灾时可以提供避难的功能,避免疏散居民。在有些情况下,居民疏散的过程可能会是另一个危险源。

 


参考文献及注释

封面图片: (来源:DivertiCimes)

[1] GIGLIO, L., RANDERSON J.T., van der WERF, G.R., KASIBHATLA, P.S., COLLATZ, G.J., MORTON, D.C., DEFRIES, R.S. (2010). Assessing variability and long-term trends in burned area by merging multiple satellite fire products, 7, 1171-1186.

[2] CHAPMAN, H.H. (1932). Is the longleaf type a climax ?Ecology, 13, 4, 328-334.

[3] WHELAN, R.J. (1995). The ecology of fire. Cambridge studies in ecology. Cambridge University Press.

[4] STEWART, O.C. (2002). Forgotten fires, natives americans and the transient wilderness. Ed. H.T. LEWIS and M.K. ANDERSON. University of Oklahoma Press.

[5] COHEN, J.D. (2008) The wildland-urban interface fire problem, a consequence of the fire exclusion paradigm. Forest History today, Fall 2008, 20-26.

[6] LARIS P. ,2013 Integrating land change science and savanna fire models in west Africa, Land, Vol.2(4), pp.609-636.

[7] GIOVANNINI A., BECHAT B (2012) Heat transfer, Cépaduès editions.

[8] of CHATELET E. (1756) Mathematical principles of natural philosophy translation from Latin into French of “Philosophiaenaturalisprincipiamathematica” (1687) I. Newton.

[9] BYRAM, G. (1959), in K. DAVIS (Ed.) Forest Fire Control and Use. McGraw-Hill, New York, 90-123.

[10] TURNER, J.A., LAWSON, B.D. (1978). Weather in the Canadian Forest Fire Danger Rating System. A user guide to national standards and practices. Victoria, British Columbia: Environment Canada, Pacific Forest Research Centre.

[11] LIU, Y., STANTURF J., GOODRICK S., (2010), Trends in global wildfire potential in a changing climate, Forest Ecology & Management, Vol.259, pp.685-697.

[12] Commissariat Général au Développement Durable, Le risque de feu de forêts en France, Etudes & documents, August 2011, Vol.45, 41p.

 


环境百科全书由环境和能源百科全书协会出版 (www.a3e.fr),该协会与格勒诺布尔阿尔卑斯大学和格勒诺布尔INP有合同关系,并由法国科学院赞助。

引用这篇文章: Dominique MORVAN (2024年3月13日), 了解和预防野火, 环境百科全书,咨询于 2024年5月25日 [在线ISSN 2555-0950]网址: https://www.encyclopedie-environnement.org/zh/air-zh/understanding-and-preventing-wildfires/.

环境百科全书中的文章是根据知识共享BY-NC-SA许可条款提供的,该许可授权复制的条件是:引用来源,不作商业使用,共享相同的初始条件,并且在每次重复使用或分发时复制知识共享BY-NC-SA许可声明。