了解和预防野火

Encyclopédie environnement - feux de végétation - wildfires

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  在自然环境和城市郊区,完善预防和减少火灾风险的政策需要充分了解驱动野火发生发展的关键因素。野火的形成及其对环境的影响取决于多种因素,如可燃物类型(草、灌木、树木),植被状况(含水量、相对湿度和空气温度、风、地面坡度),土地利用类型(草原、灌木林地、森林、城市周边地区)。一些野火的火势远远超过现有控制手段(直升机、水轰炸机)的扑灭能力。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防火于未燃的消防策略。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,从而成为了加剧野火风险的一个重要因素。

1. 森林火灾简介

  根据2010年发表的一项研究[1],其通过卫星遥感与实地观测相结合的方式,监测了全球烧毁地区的范围,并对野火的影响进行了评估。1997-2008年期间,大约每年平均有3.71亿公顷的自然区域(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(主要在亚马逊地区),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稀树草原地区,这些地区经过长期演替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。

  相比于被野火烧毁的范围,我们更需要关注火灾对生态系统的影响。例如,稀树草原每年都会有部分区域被烧毁,而热带雨林中发生野火会对动植物产生极其负面的影响。早在20世纪30年代,生态学家就认为,野火的破坏性并不只是我们所看到的直接影响[2]。这一学派的思想促成了一门新的学科—火灾生态学[3],其主要目的是研究生态系统在受到火灾干扰后的恢复能力。正是由于我们忽略了野火可以像其它自然灾害(如洪水和滑坡)那样,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,野火才成为了一个值得研究的科学问题。

  长期以来,野火一直是人类所使用的一种强大的空间开发工具,在近一万年的时间里,人们使用火来维持狩猎的空地,清理地表用于放牧或耕作。随后,欧洲在非洲、北美、南美和澳大利亚的各种殖民浪潮,导致了这些传统习俗的衰落[4]。这些干扰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。在美国的五大湖区和西部(1871年威斯康星州的Peshtigo火灾:486,000公顷和2500人死亡,1910年在爱达荷州和蒙大拿州边界的BigBlowup:100万公顷和87人死亡),这些变化导致了19世纪末和20世纪初的一系列灾难性火灾[5]。为了应对这些野火,美国政府实施了一项系统性降低森林火灾风险的政策,并采用对任何野火都尽早扑灭的策略。这项政策在全世界普及开来,开始时产生了积极的效果,例如,美国因火灾烧毁面积从1930年的1600-2000万公顷减少到1970年的200万公顷。

  然后,随着农村人口加速外流,城市的不断扩大和气候变化影响凸显等,这些变化加剧了生态系统的脆弱性(反复性的干旱、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,还要包括被火灾摧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。仅用了一半的时间,被毁的房屋数量增加到了前30年的两倍。

  生态学方法对野地火灾的主要贡献之一是引入了林火模态的概念,可以让人们界定一个生态系统可以承受(不会产生长期的不可逆转的影响)的野火发生频率。这个参数基于树龄学数据(对木材年轮和火灾遗迹的分析),以年为单位,取值范围在0到500年及以上。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. 适应于野火情况的火灾三角图。见参考文献[6]

  用一种非常简单的方式,植被火灾可以被比作火线在植被冠层中蔓延的过程。 火焰前端的移动速度(通常称为传播速度)根据三个参数而变化:植被的结构(凋落物、草地、灌木丛、森林等)和植被状态(含水量),地表地形(平坦、倾斜、相对于火焰路径上升或下降),气象条件(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,用于解释在可燃物上引发火灾所需的要素。

  火线的影响力取决于其单位长度产生的功率(燃烧强度,单位为kW/m);当传播速率恒定时,[燃烧强度(kW/m)]=[燃烧热(kJ/kg)]*[燃料负荷(kg/m2)]*[传播速率(m/s)]。燃烧强度根据火灾的性质而有明显的变化,从几百kW/m的凋落物焚烧到接近104 kW/m的森林大火(15米这样的火线燃烧释放的功率为1500MW,相当于一个核电站!)。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),观测强度约为80000kW/m;传播速度为1至3米/秒,烟羽高达到15公里(平流层底部)。

  从物理学的角度来看,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源作用下分解而产生的燃烧现象。在这种强烈的热流作用下,植物首先会变干,然后分解为气体(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:相同形态一氧化碳,甲烷和空气中的氧气发生反应;不相同形态的木炭和氧气发生反应。

  野火和火线前端的植被之间的火焰传播由两种传热机制控制:高温气体的热辐射[7],即由火焰中高温烟灰颗粒向外进行能量辐射;热传导,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羽流轨迹的两种力的比值[8]:由于风的作用,惯性力会推动火焰和热气沿平行于地面的方向移动;浮力是由于火焰区、烟羽和周围空气之间的密度差异,这会推动热气垂直向上移动。浮力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,主要受重力(烟羽)和惯性(风)力的比值控制,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。

  文献中记载的植被火灾的传播模式可以分为两种典型的情况:(I)“风驱动火”字面上是指由风推动火移动传播;(II)“烟羽主导火”是指主要由烟羽影响火的传播。在不同模式下,火线和现实环境之间相互作用的结果是不同的。第一种模式中,当气体从火线流向前方,有助于植被被热对流点燃;而第二种模式中,当火力足够强大,可以在锋面前方吸入新鲜空气,火焰与植被间的能量传输基本上是通过热辐射来实现的。火线行为的可预测性与控制火焰进程的物理机制存在着密切的关系。如果以对流为主(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),火焰发出的热通量呈显著的非线性(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),因此该模式中野火传播速度和风速之间的的关系将不会显著相关,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(这是在美国和其他一些国家公园实施的“燃烧”政策,字面意思就是任其燃烧),因为这是生态系统正常功能的一部分(一些景观需要火来维持自身平衡并更新物种)。如果火灾发生在森林/居住地的交界处的情况下,例如在城市郊区,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),不难理解,只要出现有利于火势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。

  森林防火和控制的专业人员(消防员、护林员)从两个方面开展工作:早期火灾扑灭(选项1)和生物量消减(选项2。选项1包括在天气条件超过某个临界阈值时预先布置地面和空中消防能力,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,在罗讷河口地区进行早期野火扑灭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)。而且,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。

  生物量消减(选项2)可以通过手动(剪枝)或定期的燃烧来实现。这两种情况的预防方法都需要对业主和地方当局进行普及教育工作,使他们了解这些措施的有效性,它也有一些缺点: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步骤,大部分是基于经验模型计算“火灾天气指数”(FWI)来表示风险指数,该模型最初由加拿大林业服务[10]开发。该风险指数是根据正午空气温度和相对湿度、最近24小时降水量和平均风速4个数据,对不同深度的土壤含水量指标进行评估后构建的。在法国,这一系统根据该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)。这个指数的变化范围与所遇到的火灾的强度有关。例如,在加拿大,它的等级分为0到30级(2016年5月在阿尔伯塔州焚烧了超过60万公顷的麦克默里堡大火被划分为大于30级)(见图2和3)。而在法国,相同范围的风险等级被分为0到20级。

  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]。所以仅仅只加强控制的手段是无法应对野火风险水平的增加。

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,需要将火灾状态控制在生态系统可承受范围内,我们需要重新利用火,以定期的焚烧来调节地面上积累的生物量。与建筑物的防火安全一样,减少生物量是火灾三角形(图1)中唯一可以采取行动并可持续降低火灾风险的要素。对于财产和人身安全,与其他自然风险(洪涝)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)。因为城市的任意扩张会使得消防员和护林员的工作条件变得非常复杂。在危险程度特别高的地区,还应设计创新的建筑,尤其是在房顶和门窗的处理方面,以降低住宅的脆弱程度。

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个拥有80000人口的城市)。
[来源:https://en.wikipedia.org/wiki/2016_Fort_McMurray_wildfire]

  比起火线的热流,房屋遭受到的更大的威胁是正在燃烧的颗粒(被热流刮掉的树皮、树叶),这些颗粒会积聚在屋顶、排水沟和门窗底部。例如,一些建筑师会在建筑上进行特别的设计,以防止燃烧的颗粒在门窗底部聚集。适当选择可保护门窗的建筑材料(例如,选择质量好的木质百叶窗而不是PVC百叶窗)也是增加安全性的重要手段。经过安全加强的住宅在发生火灾时提供避难所的功能,减少发生火灾时的居民疏散。因为在有些情况下,居民疏散的过程可能会是另一个危险来源。

 


参考资料及说明

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.


译者:付石林          编审:杜际曾          责任编辑:胡玉娇


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: MORVAN Dominique (2022), 了解和预防野火, 环境百科全书,[在线ISSN 2555-0950]网址: https://www.encyclopedie-environnement.org/zh/air-zh/understanding-and-preventing-wildfires/.

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