森林防火技術研究進展與建議

李 鵬，孔令華

（福建工程學院機械與汽車工程學院數字福建工業制造物聯網實驗室，福建福州350118）

森林在我國國民經濟中占有重要地位，它不僅能提供木材及林副產品，而且還肩負著釋放氧氣、調節氣候、涵養水源、保持水土、防風固沙、美化環境、凈化空氣、減少噪音及旅游保健等多種使命。森林火災會給森林帶來嚴重危害。世界各國對森林火災撲救技術的研究都非常重視，在森林火災滅火理論、模型、指揮系統、滅火技術、滅火設備等方面均取得一定進展。

根據國家統計局中國統計年鑒數據表明[1]，近年來，我國森林火災，無論次數和火場總面積，總體上呈現下降趨勢。如表1所示，我國2011年-2018年，一般森林火災次數在1200～2600 次之間，2000年-2018年，特別重大森林火災次數在0～8 次之間變化。如圖1所示，重大火災總體呈波動起伏狀，并且基層存在瞞報森林火災的現象，尤其是一般森林火災，除非造成比較大的影響，有明顯的森林防火衛星熱點[2]。因此，表1 中統計的數據可能存在偏小的問題。

表1 近年來我國森林火災統計表Table 1 Statistics of forest fires in my country in recent years

1 國內外森林火災研究現狀

1.1 森林火災探測方法

對于森林火災而言，滅火技術和裝備很重要，同時，對于森林火災的預測也是十分重要的，如果能較精準的預測火災地點以及火線的方向，那么消防部門就能提前做好部署，盡量減少火災造成的損失。

Vikshant Khanna[3]提出了一種對傳感器收集的信息實施模糊邏輯的方法。通過查找最短路徑，按照事件檢測機制將收集到的信息傳遞到群集頭。從多個傳感器收集的信息用于檢測著火的可能性以及著火的方向。每個傳感器節點由多個傳感器組成，這些傳感器將通過測試的溫度、濕度、光和CO密度來計算起火概率，測量方位角來計算起火方向。這種方法將提高檢測系統的準確性和降低誤報率。

吳兆明等[4]首次提出了基于溫度標準差方法進行熱源識別的概念，得出了不同地點、不同時間段森林背景的溫度標準差分布，以及明火溫度在各階段的波動范圍，為林火的預防和監測提供了重要依據。通過對干擾源進入前后的紅外圖像進行預處理和分析，對于目標熱源的像素面積變化率及其圓形度，就可以對部分干擾熱源的排除。這種方法應用于林火監測簡單有效，準確率高，對降低森林火災的發生率有重要作用。

周汝良等[5]開展衛星監測圖像信息增強和提取、可視化超分圖像處理、林火自動化識別等研究，利用計算機模擬傳感過程并再成像，可將1000m 分辨率的遙感圖像重構為90 m 分辨率的圖像，識別結果對比原圖像更加清晰。衛星觀測將為火災監測、火險測報預警、預防和撲救提供動態數據，具有覆蓋面積廣、數據客觀真實、經濟高效的特點。

趙福波等[6]提出基于物聯網技術通過對于森林火災發生時周圍環境的變化進行探測，可使得管理人員及時知道火災發生的范圍和方位，通過各種傳感器采集數據傳入單片機中，然后根據環境數據的范圍進行邏輯分析，從而判斷周圍是否發生火災。試驗結果表明，該系統結構簡單、可靠，具有判斷周圍環境是否發生火災的能力。趙俊國等提出基于無線傳感器網絡的森林火災探測系統，實時收集動態變化的火災信息，為消防等部門采取措施和做出決策提供依據。德國、英國和其他國家的學者對無線傳感器網絡在森林火災監測中的應用做了大量研究工作[7]。

1.2 森林火災滅火指揮系統、理論模型

森林滅火是一項復雜的工程，構建科學、規范的指揮系統是十分必要的。美國研發的森林火災撲救指揮系統(Incident Command System 簡稱ICS)，歷經30 多年的發展已經成為全美事件或災害應變的共同系統，并推廣到加拿大、澳大利亞和墨西哥等國家。中國臺灣于前幾年引進并應用ICS，滅火效果顯著。2005年第三屆世界林火大會將ICS 指定為今后全世界共同的系統[8]。

在森林滅火中貫徹“打早，打小，打了”的基本原則。

鄒積斌[9]研究了應用GNSS 制導的野外火撲滅彈的Galileo 引導系統，在先進的集成“3S”技術的森林防火決策系統平臺的支持下，通過機載空投以高精度實時三維PVT 參數和載體姿態的測量為導向，依據無動力載體方案彈道，并利用“+”字型尾舵實時對該彈的3 個無動力載體的滑翔增程飛行進行有效控制，從而可以使該彈準確地命中林區著火點并形成防火隔離帶。當然，這套系統只能起到輔助滅火的作用。

常熹鈺等[10]對激波滅火進行了實驗探索，激波與林火陣面的作用發生一系列復雜的物理、化學過程：激波的高壓陣面以及相隨的負壓，撕落并消除細枝、枯葉等森林可燃物質；在林火陣面地帶，激波通過高溫熱解作用產生爆燃，從而清除森林可燃物質、燒盡可燃氣體，破化了燃燒的必要條件，從而達到滅火的目的。國際方面，俄羅斯的實驗表明即使在充分燃燒條件下，激波也能使林冠火猝滅。

A.E.Akay 等[11]在利用GIS 技術確定潛在的補給隊的位置中，在發生火災之后，利用GIS 技術規劃最短路徑可以在短時間內找到潛在的消防隊，通過在火災常發區部署更多的消防隊來縮短消防隊員到達火災現場的時間，增大消防隊可以到達的區域，以此可以有效地協助消防部門撲滅森林火災。

Maryna Zharikova 等[12]提出了基于multiUAV 的戰術森林消防響應系統開發的一種混合智能診斷方法。它通過檢查可觀察的診斷標準并對其進行分類，對分類結果適當地做出響應，實時監控火勢的重要參數，要優先保護有價值且處于最危險位置的物體。這種方法可以提供所需的可信度、災難預測和響應的效率。

鄭忠等[13]基于《森林火險氣象等級》國家標準，首次構建了重慶市森林火險氣象風險預報模型，并通過融合可燃物和人為因素，進一步構建了重慶市森林火險綜合預報模型，研究結果表明：2 個森林火險模型預報結果相比，森林火險綜合預報模型在空間分布上具有更高的精細程度；森林火險綜合預報模型能有效提高森林火險等級預報精度。

2 森林火災滅火技術與設備

國內外常用的滅火技術有化學滅火技術、航空滅火技術、爆破滅火技術、手持撲火機具滅火技術、以水滅火技術、林火間接滅火技術等，國內外常用的滅火設備有化學滅火劑、滅火飛機、索狀炸藥、二、三號工具、背負式水槍、風力滅火機、手持滅火器等。

2.1 化學滅火技術

化學滅火技術[14]是通過飛機和地面2 個途徑，將配置好的化學滅火藥劑以滅火彈或直接噴灑的方式作用在火場中，使其滅火或降低火災傳播速度的方法。這種方法已成為一些發達國家森林滅火的常用手段。常用的長效化學滅火劑主要包括磷酸銨、硫酸銨、水氯鎂石、硼酸鹽和鹵化烴等。從作用時間上分為短效滅火劑和長效滅火劑，從發射途徑上分為航空發射和地面發射。

化學滅火技術的機理：燃燒的3 要素是可燃物、空氣、溫度，三者缺一不可。滅火劑的滅火機理是破壞、干擾或中止其中的一個或幾個要素，使火災的燃燒鏈不完整，燃燒無法繼續進行達到滅火目的[15]。它的滅火機理分為物理和化學滅火機理2 類。其中，物理滅火機理包括吸收熱量，降低可燃物的溫度；降低分解反應的速度，隔絕空氣；生成難燃氣體，降低可燃物的燃燒速度?；瘜W滅火機理包括生成穩定的游離基和改變燃燒反應途徑。

東北林業大學研制的“75”型森林滅火劑，其主要成分是硫酸銨，黑龍江省森林保護研究所研制的“704”型化學滅火劑，其主要成分是磷酸銨，“82-3”型滅火劑，其主要成分是水氯鎂石[16]?？傮w看來，我國的化學滅火技術相對國外先進國家而言，滅火劑種類較少，還要進一步研制高效、安全、環保、價格低廉的滅火劑。

李巖泉等[17]總結了國內外化學滅火技術的發展，國外研制的各種類型的滅火劑的優缺點，并且將其與飛機結合形成航空化學滅火方式，這種方式已經成為國外森林滅火的主要手段。

2.2 航空滅火技術

航空滅火技術[17]是利用飛機對森林火災滅火的方法，在平時也起到巡察的作用，因為在森林中，由于地形原因，地面滅火措施難以快速實施，而飛機可以快速運輸消防員、滅火設備和救援物資到達火災現場，對于森林滅火和應急救援是一種重要手段。

表2 是對國內外主要滅火飛機的性能參數的比較，通過調查得出結論：國外航空滅火技術發展較早，發達國家廣泛采用航空滅火技術，效果顯著，而我國航空滅火技術發展較遲，但是隨著我國AG600 的成功試飛，相信會使得我國的航空滅火技術得到快速提升。

上述的是大型滅火飛機，下面介紹的是一種新型無人滅火飛機，它通過搭載滅火彈，滅火彈內放置有水或者滅火劑，通過爆炸產生的沖擊波向火場拋灑滅火劑，它可以做到定點投放、快速高效地撲滅森林小火，在森林滅火中起到輔助作用，主要針對小火源、地勢陡峭或夜間著火等情況[18]，這種方法不僅大幅度提高滅火精度，而且可以快速滅火，降低滅火成本。

2.3 爆破滅火技術

爆破滅火技術[19]是利用炸藥或滅火彈爆炸產生的沖擊波來滅火，同時，由爆炸所炸開的生土對滅火也產生效果，對林火進行有效的阻隔與撲救。

趙進長[20]介紹了根據地形分別采用木材爆破和挖平底坑的方式，達到滅火的目的。索狀炸藥[21]通過爆破所產生的強大沖擊波可形成生土帶同時掀起的沙、土向兩側飛濺覆蓋在地表可燃物上，起到破壞可燃物連續性的作用。索狀炸藥對林火阻隔與撲救所能夠達到目的和效果分別為：(1)足夠寬度的阻隔帶可直接隔離林火的蔓延；(2)較窄的阻隔帶可作為以火滅火的點燒依托控制線；(3)由于索狀炸藥爆破時吸收大量氧氣，致使爆炸附近區域形成真空，同時強大的沖擊波將高壓風壓向林火，可以直接用于滅火。

表2 國內外主要滅火飛機的性能參數Table 2 Performance parameters of major domestic and foreign fire fighting aircraft

2.4 手持撲火機具滅火技術

在森林消防滅火中最常見的就是利用手持撲火機具滅火，常用的手持撲火機具就是二、三號工具、背負式水槍、風力滅火機、手持滅火器等。

2.4.1 二號工具

二號工具就是木柄橡膠條，通常由25 根左右長度在80 cm，寬2 cm，厚1.2 cm 左右的橡膠條綁在長200 cm 左右、粗3 cm 的木棍上制成。三號工具是在二號工具的基礎上改裝的，把拍頭的橡膠條換成了鋼絲，木棍換成了鍍鋅鋼管，它受樹枝撲火的啟發而設計。

其他手持式滅火裝備包括鐵鍬、鋤頭，斧頭、滅火耙、鐮刀、油鋸等。

2.4.2 背負式水槍

黑龍江省森林保護研究所首先研制的背負式水槍[16]，隨著技術的發展和滅火的需求，研制出各種各樣的型號，有往復噴水式、可連續噴水式和點射式等，裝水量有所增長，有效射程也越來越遠。

2.4.3 風力滅火機

風力滅火機是撲滅森林火災的有效工具，它分為背負式和手持式。它適用于幼林、次生林、荒山草坡和草原火災，風力滅火機通過二沖程汽油機驅動風輪產生高速氣流吹散燃燒釋放的熱量[22]，降低火場的溫度，減小熱輻射，破壞燃燒的必要條件從而達到滅火的目的。但是，它也有限制，在視線不清，灌木、雜草超過1m 時不能使用；火焰高度超過2.5m 的火，因為火勢蔓延過快，消防人員撤退不及時，容易造成傷亡。

2.4.4 新型水基型滅火器

水基型滅火器不僅可以快速滅火，而且對環境無污染。當遇到火災時，如果火勢太大已無法控制，那么可以將水基型滅火器的液體涂抹至皮膚表面，可以抵抗火焰的灼燒，成功逃出后，再用清水沖洗干凈，不會對皮膚造成任何影響。

水基型滅火器的滅火原理：水基型滅火器在噴射后呈水霧狀，瞬間蒸發吸收火場大量的熱量，迅速降低火場的溫度，抑制熱輻射，表面活性劑在可燃物表面迅速形成一層水膜，隔離氧氣，起到降溫和隔離的雙重作用，從而達到快速滅火的目的。它的滅火原理是物理性滅火，對環境沒有污染，對于滅火之后的現場清理也十分方便。下表3 是各類型滅火器的性能對比，水基型滅火器的綜合性能最優。

表3 各種滅火器性能對比Table 3 Performance comparison of various fire extinguishers

2.5 以水滅火技術

以水滅火技術[23]是利用水直接滅火或以水作為介質的滅火設備的技術，隨著技術的發展和對設備的功能需求，研制了消防水泵、消防水車，以水滅火飛機等消防設備，隨著這些設備的配備，使得消防員們的滅火能力大幅度提升，我國的無人滅火機器人等消防設備的研發成功，將會使得以水滅火能力大幅提升。

2.5.1 高壓水霧滅火技術

水資源是天然、綠色的滅火劑，隨著人們環保意識的加強，現在對滅火技術的要求是不僅能夠高效的滅火，而且要盡量避免對環境的損害，綠色消防技術是一種環保型滅火技術[24]，它的要求是滅火過程要符合環保要求，不會對環境造成危害，而高壓細水霧滅火技術就是具有代表性的現代化綠色消防技術。高壓細水霧滅火技術由一個或多個水霧噴嘴、供水管網、壓力設備和控制裝置組成。高壓細水霧滅火[25]不同于傳統的噴灑方式，經過高壓噴嘴噴出的細水霧比水有更大的覆蓋面積，吸熱效率很高，用水較少，可以起到汽化冷卻、隔氧窒息、阻隔熱輻射的作用，對消防員滅火起到輔助作用，這種技術無污染、高效率、用水少。

2.5.2 人工降雨滅火技術

人工降雨滅火[26]是通過在有形成降雨條件的云層中撒播降雨劑（鹽粉、干冰或碘化銀等），使其成為凝結核并吸收空氣中的濕氣，當云中的水滴的重量超過空氣浮力時就會下降形成雨水。不過實施人工降雨須具有符合增雨條件的云體，否則無法進行。人工降雨有2 種方式[23]：一種是利用高射炮以炮彈形式將人工冰核送上天空，冰核在炮彈爆炸之后散布在云層中隨后產生冰晶降雨；另一種是利用飛機在云層中噴灑致冷劑，使云體局部迅速冷卻，進而產生冰晶形成降雨。我國還在初級階段，技術比國外先進國家落后，目前美國和俄羅斯常用人工降雨滅火，效果不錯。

2.5.3 智能消防機器人滅火

智能消防機器人作為特種機器人的一種，在滅火和應急救援中發揮舉足輕重的作用，當危險的場所發生火災時，可用它代替消防員滅火，盡量避免產生傷亡。它主要以單片機為控制核心，加裝紅外火焰傳感器，電機驅動，紅外傳感電路，地面灰度傳感電路為輔助，通過聲控裝置或手動遙控啟動小車。大部分智能消防機器人都是通過后接大流量消防水炮，有直射、噴霧等多種模式可選。浙江大華生產的智能消防機器人在頂部還安裝有成像雙目云臺攝像機，可以自動定位熱源，機身上搭載的環境探測傳感器，實時偵測現場有毒、可燃氣體。高壓水炮具備自擺功能，全自動定幅往復噴射，機器人全地形履帶式底盤，越障能力超強，可適應草地、碎石、沙石等復雜路面環境[27]。

2.6 林火阻隔間接滅火技術

2.6.1 開設防火隔離帶

防火隔離帶[28]是森林滅火和森林火災撲救的重要措施，能夠起到間接滅火的作用[29]，在林區修建道路不僅可以提高護林員巡視的工作效率，而且當火災發生時，林區道路不僅可以阻隔地面火的蔓延，還可以快速運送消防隊員和滅火裝備到達火場。

2.6.2 以火攻火技術

以火攻火技術[30]適用于荒山、疏林地、經濟價值不高的有林地及陡坡林地。但是這種方法應該是有經驗的滅火隊員使用，并且得到當地消防部門的許可并監督，不然會適得其反，進而造成嚴重后果。

3 森林防火研究建議

根據統計，森林火災的主要原因是人為火源和天然火源，其中人為火源占大部分，包括煙頭、清明祭拜燒紙、焚燒秸稈等。一方面，我們要加強林區的防火工作，并大力宣傳森林防火的重要性，提升民眾的防火意識；另一方面，建議政府相關部門對于山區防火實行類似保護水資源的河長制的責任制度，出臺相應的法律法規并嚴格執行，追究當事人的責任。

針對山區水資源匱乏的情況，可以考慮修建蓄水池。政府在政策和經費上應大力支持企業、科研院所等對滅火裝備的研發，同時引進國外先進的滅火技術，并加以創新。

在森林火災頻發地區成立森林火災救援中心，以便火災消息及時匯總，指揮人員實時掌握火災動態，對滅火策略及時做出調整，爭取把損失降到最低。

滅火設備對于滅火來說是至關重要的，但是我國滅火設備還存在很多問題亟待解決。

應該開發配套通用的滅火裝備，對現有的滅火設備進行優化整合，使其能夠配套通用，能夠極大地提高滅火效率，降低滅火成本，減少火災帶來的損失。

部分滅火裝備的關鍵零部件依然依賴進口，應加大資金投入和滅火裝備開發，盡快實現國產，改進生產工藝。以水滅火技術中消防泵是必不可少的設備，由于森林火場水資源缺乏，往往需要長距離輸水，因此適應性好的消防泵的要求是具有相對較低的流量和較高的揚程，林用消防泵還必須輕量化、體積小便于攜帶。