加州野火災害系統性消除方案（一）

符長青

近年來，美國加州一再發生大范圍、大規模野火災害，成為加州的心頭之痛。本文基于加州野火頻發情況的實地考察，對加州野火頻發的原因、后果、解決方法和途徑進行一系列分析研究，提出消除加州野火災害的系統方案。

21世紀以來，美國發生野火火災的規模和影響越來越大，每年被森林或草地大火燒毀的土地面積呈現快速增加趨勢。在里根總統第一個任期，聯邦政府每年用于救火的資金只有幾十萬美元。現在，聯邦政府每年僅用于撲滅野火的計劃資金就為22.5億美元，而管理火情的預算資金甚至超過50億美元。盡管如此，野火造成的損失還是逐年遞增。

尤其是加州，幾乎每年都會發生大規模野火災害。野火所到之處，昔日光鮮的商務樓、忙碌的超市、寧靜的民宅變成廢墟，汽車、大巴被燒得只剩下骨架。特別是近年來，加州野火在不斷危害人們的財產和生命。

加州地理位置與氣候特點

加州地理位置

加利福尼亞州（State of California）簡稱加州，中華人民共和國駐洛杉磯總領事館發布的數據顯示，加州面積42.397萬km2，僅次于阿拉斯加州和得克薩斯州，2018年人口約3956萬，居全美第一。

加州在地理、地貌、物產、人口構成方面具有多樣化特點，地理條件相差懸殊，南部沙漠地區干旱；北部沿海，冬季常因雨雪過多而發生水災，北部沿海地區多山；加州東部的東南端與東北端是一片沙漠，內華達山脈在這片沙漠以西，高度超過落基山脈，山上的塔霍湖跨加利福尼亞及內華達兩州邊界。

加州地理位置有嚴重的缺陷，即當美國中西部強冷高壓氣流南下到落基山脈一帶，因為強烈的氣壓梯度，加州北部沿岸將出現強勁的東北風，這一風向從落基山區直落到太平洋沿岸附近，風越過高山沿山坡下沉，形成干熱下沉過程，使得過山后的氣團溫度顯著升高且濕度很低，形成“焚風”，極易引發火災。

加州氣候特點

加州受地理條件影響，氣候相差懸殊。大部分地區只有兩個氣候，即干季和濕季。加州南部為熱帶沙漠氣候，氣溫變化較大，年降雨為25cm。北部沿海地區受加利福尼亞洋流影響，則為地中海型氣候，夏季干旱，多陽光，冬季多雨，即冬濕夏燥。夏天，東南部科羅拉多沙漠溫度高達54℃，接近地球上最高溫度；冬季內華達山巔如地球北極般寒冷。但是，太平洋沿岸的溫度一般不超過32℃，也不低于0℃。西北部降水量為4420mm，東南部科羅拉多沙漠降水量為50～75mm，中央谷地年降水量介于200～500mm間。

總之，加州氣候特點是，一年中大部分時間均相對干燥少雨，特別是夏季。而該州的森林或草地覆蓋率高達45%，為全美第二，漫長的夏季“烘烤”著成片的森林或草地，因此極易引發火災。

野火肆虐加州

野火（Wild Fire）又稱山火或森林火災，是從森林或草地開始燃燒引發的火，野火災害是指失去控制的森林或草地大火燃燒。由于日常生活中一提到野火，人們常會聯想到可怕的野火災害，將野火與野火災害等同看待，不加細分。

加州野火由來已久，根據以前的記載，自1930年開始，每年發生大小野火上千起，且規模和破壞力逐年擴大，野火季時長也從20世紀70年代的5個月變為如今的7個月。現以近幾年加州暴發的野火為例，說明加州野火的危害程度。

2017年

2017年爆發的加州野火十分猖獗，共發生8747場野火。其中，北加州野火已造成44人喪生，8900座房屋建筑被燒毀；南加州6場主要野火的過火面積達14萬1000英畝，23萬居民緊急撤離，超過500棟建筑被燒毀，數萬人流離失所。在野火災情嚴重的北灣索諾馬縣圣他羅莎(Santa Rosa)，大片住宅區和商業區被燒至灰燼，現場方圓幾千米內均已面目全非，留下一片廢墟，損失慘重。

2018年

2018年11月，美國加州南北部幾場野火幾乎同時出現，最嚴重的兩起是北加州坎普野火和南加州伍爾西野火。其中，坎普野火連燒多日，過火面積超過607km2，至少造成85人死亡，30余萬人被迫遷移，超過12000座房屋被燒毀。其中包括擁有2.7萬人口的整個天堂鎮（Paradise）化為灰燼，成為美國歷史上最致命的野火；伍爾西野火迫使25萬人疏散，3人死亡，1643座建筑被燒毀。據統計，加州此次共投入1.4萬名消防人員、數十架超大型固定翼消防飛機參與滅火。

2019年

2019年10月24日，加州野火再次蔓延，南北加州燃起熊熊大火，樹木灰燼四處紛飛，南北加州兩地過火面積近8萬畝，約有9萬座建筑受到火勢威脅。由于野火威脅急劇升高，美國加州州長27日宣布全州進入緊急狀態，有數十萬人被下令撤離家園。

2020年

2020年是多災多難的一年，加州野火更是趁火打劫，比其他年份更早地爆發，肆虐加州大地。2019年加州遭遇了5300起野火，而2020年8月15日至10月4日期間，這個數字已超過8000起，野火過火面積超過16000km2，打破加州歷史紀錄，導致31人死亡，8200棟建筑物被燒毀，超過53000名居民流離失所。統計資料表明，加州歷史上過火面積最大的20場野火中，有6場發生在2020年，排名前5的野火有3場發生在2020年。雖然2020年加州野火過火面積已創歷史新高，但很不幸的是，如果現在仍然沒有找到有效破解的方法，這一紀錄恐怕以后還會被持續刷新。

加州野火頻發原因

究竟是什么原因造成加州野火頻發？仔細分析無外乎是可燃物、氣候條件和火源等因素。

可燃物

可燃物包括樹木、草灌等植物，是發生野火的物資基礎。可燃物的類型不同，其燃燒性也各異，一旦發生火災，其蔓延速度、火焰高度和火強度等均不同。加州可燃物種類主要包括以下幾種。

（1）干枯雜草和枯枝落葉

細小干枯雜草和枯枝落葉等是最易燃燒的危險引火物，干燥和死的可燃物較潮濕或活的可燃物易燃，含大量樹脂的針葉樹、樟樹、桉樹等闊葉樹較一般闊葉樹易燃。

（2）易燃灌木瘋長

由于加州能夠抗住野火侵擾的大樹急速減少，造成本地特有的一種易燃油脂性灌木瘋長。加州大學洛杉磯分校大氣海洋科學系薛永康教授分析，加州當地有一種植物叫查帕拉爾，是一種比較矮、常綠闊葉灌木，這個灌木葉子含有蠟、油脂、脂肪等易燃物質。其葉子掉落后，在土壤表面會自然分解出油脂，油脂積累到一定程度就會燃燒。

（3）可燃氣體

野火經常有隱蔽性表現，當野火的明火被撲滅后，地面看似無火無煙，使人們喪失警覺，但實際上野火蔓延常有反復，特別在山地林區表現更為突出。其原因是野火被撲滅后，還存在隱蔽的余火自燃問題，地表下面的腐殖質在高溫作用下，散發出可燃氣體，一旦與外部空氣中的氧氣結合，即發生自燃。這等于野火死灰復燃，森林或草地突然再次起火時，盡管有人在現場監護防守，也會令人措手不及，特別是在火場邊沿更為嚴重。

地形與氣候條件

在所有自然環境和氣侯條件中，風對野火的擴展和蔓延起決定性作用。風可促進空氣流通，加速燃燒反應；風力可以將火焰帶到前方，增加火的傳播速度；風能增加可燃物的水分蒸發，降低可燃物的含水率，促進燃燒，風速大則野火蔓延速度加快。

加州的自然地形分割非常明顯，翻越東部的內華達山脈便進入內華達州，它是美國西部著名的大盆地，兩者之間平均海拔落差在1000m以上。由于盆地在白天吸收陽光，氣溫上升快，聚集在盆地內的空氣會因加熱而上升到山脈附近，造成盆地上空的空氣密度較高。這些空氣在氣壓差的作用下，向西面沿海的低氣壓帶移動，其風速最高能達到60km/h。加州夏天高溫干燥，秋天有從內華達高原吹來的大風，從兩個山口吹入加州，分別稱為圣安娜風（Santa Ana Winds）和大惡魔風（Diablo Winds），如圖1所示。這兩股風風力大、風速快，是引發每年加州野火連綿不絕的重要因素。

圖1 大惡魔風和圣安娜風走向示意圖。

從內華達吹來的圣安娜風向南流動的過程中，會經過莫哈韋沙漠。沙漠上空的空氣會讓風溫度上升，相對濕度下降，很快就變成極為干燥的風或空氣。等到達洛杉磯附近時，這股氣流已經變成干燥且劇烈的大風。北加州的大惡魔風成因和圣安娜風幾乎相同，只是方向和成分不太一樣。

大惡魔風在向北加州灣區進發途中，雖然不會經過沙漠地形，但會翻越兩次山脈，第一次是從大盆地翻越山脈抵達中央谷地，第二次是從谷地翻越山脈抵達灣區。這兩次翻越高山的過程會對空氣產生一些熱力學作用，使之溫度升高、濕度下降，和經過沙漠的效果類似。

火源

火源是發生野火的主導因素。有報道稱，有相當大比例的加州野火都是人為點燃，包括進山人員丟棄的煙頭，宿營地未能熄滅的篝火，以及電力事故等。加州的人口增長帶來了城市擴張，而城市科學規劃的速度，遠跟不上過快的城市擴張速度，沿著城市邊緣，大量住宅區被建在林區。根據聯邦緊急事務管理署本世紀初的一份統計，加州38%的新建住宅是建造在這類地區。很多原本不適合居住的山地也都蓋了房子，由于新建住宅區相對密集，且臨近野火發源地，增加了人為引發野火的可能性，人為造成的火災越來越多，包括電線短路，煙花篝火等，給火源管理造成很大困難。

綜上所述，由于一些人為因素與自然條件的疊加，才使南加州野火變得如此可怕，星星之火很容易變成一片火海，造成的經濟損失難以估量。

大樹急速減少

由于對自然無限度的索取和侵略，加州的自然生態平衡已被嚴重破壞，其中能夠抗住野火侵擾的大樹在急速減少。2015年1月20日，《美國國家科學院》院刊曾報道，從上世紀30年代至今，加州的大樹已經喪失了一半之多：加州的森林或草地中直徑超過60cm的大樹已經減少50%，即12萬km2左右。從北部沿海內華達山脈，到洛杉磯附近的圣蓋博谷（San Gabrielsvally），沒有哪個地區能幸免于難。在內華達山脈的高地地區，大樹數量減少超過55%，加州南部的一些地方，數量減少甚至接近75%。以往加州廣泛推廣種植未來會長到直徑30～60cm之間的樹苗。但是，這一措施同時也讓加州森林或草地長滿了與大樹競爭資源的小樹苗，而這些小樹苗在頻繁的火災中極易死亡，造成野火毫無阻擋地蔓延。

森林航空消防的作用與發展歷程

森林航空消防是由有人駕駛飛機和無人機攜帶水或化學滅火劑（含阻燃劑），飛往森林起火區，執行噴灑投放滅火、空中監視和指揮調度等任務。

森林航空消防是利用航空器對森林進行火災巡查、探測、監視和撲救，其研究對象是航空器森林消防應用技術，包括如何利用航空器執行有效的林火探測、林火撲救和其他相關任務。廣義概念中，森林航空消防是應急救援的一部分，后者涵蓋了自然災害救援、人為事故災難救援、公共衛生災害救援和公共安全災害救援四大類，而森林火災則屬于自然災害范疇。應急救援作業范圍廣，救援速度快，執行能力強，在各類救援中體現出良好的效果。

森林航空消防任務

森林航空消防任務主要包括巡邏監視、火情偵察、空中指揮與調度、灑水或拋撒化學滅火劑（含阻燃劑）滅火、開設隔離帶、機降索降滅火、傘降滅火、人工降雨、點燒防火線、火場急救、運送救火物資以及火場服務、火場信息采集，包括火場位置、火場圖、天氣條件、森林植被情況、火場面積等信息。

森林航空消防滅火方法

森林消防滅火主要采用兩種滅火劑，一種是普通水，另外一種是專用、含阻燃劑的化學滅火劑。前者是從火場附近的江河湖泊中取水，裝入航空器內置消防水箱或外掛吊桶，從空中向火場直接噴撒實施救火，如圖2所示，該方法價格低廉，取用隨意，使用方便；后者則是利用事先調配好的專用化學藥劑，具體噴灑方法和灑水類似如圖3所示，不過因為是專用化學藥劑，滅火效果更佳，飛機后續清理方便，但成本較高。

圖2 直升機外掛吊桶灑水滅火。

圖3 有人駕駛固定翼飛機拋撒滅火劑。

通常森林航空消防使用的滅火劑是一種紅色液體，成分為85%的水、10%的化學阻燃成分和5%的其他成分，包括紅色染色劑、防腐劑、增稠劑、穩定劑、殺菌劑和流動性調節劑。因此，即便在高溫情況下，滅火劑的水分全部蒸發，剩下的阻燃成分依然能起到控制火勢的作用。一般情況下，阻燃劑的作用可以持續幾天甚至一周以上。此外，滅火劑的化學成分符合無毒無害的環保標準，不會對森林環境產生污染。

森林航空消防的特點

（1）機動性強、不受地形限制

飛機飛行速度快，能快速飛抵崇山峻嶺、人跡罕至的森林火災（野火）現場，采用空中灑水或噴撒滅火劑的方法進行滅火。

（2）載重大、能力強

采用大型有人機執行森林航空消防任務，其運載能力大，一次飛行攜帶的滅火劑或水可以撲滅較大區域的火災，或者劃出防火隔離帶。

（3）快速空運人員和設備

在森林火災早期，用最快的速度把一小隊消防員及其幾天的生活物資和滅火用品，空投到人跡罕至的火災點，盡量把火災消滅在萌芽狀態。

森林航空消防的發展歷程

森林航空消防是預防和撲救森林火災的重要手段，在保護森林資源、維護生態平衡中發揮著重要作用。森林航空消防技術發展歷程，大致可分為兩個階段。

（1）第一階段是有人機時代

森林航空消防發展的第一階段是有人機時代，即沒有使用無人機。這一階段始于1915年，至今已經歷100多年，其主要特征是，由于消防無人機尚未問世，因此采用的航空器是清一色的有人機，包括固定翼飛機和直升機兩大類。

1915年8月美國華盛頓州林務局第一次使用固定翼飛機巡查森林火災（野火）；

1924年加拿大開始使用固定翼飛機監視林火；

1931年前蘇聯組建了森林航空隊進行護林防火，并于1932～1935年間開展航空護林防火的試點工作。這個階段是航空護林的初期，森林航空消防工作主要是使用固定翼飛機進行森林巡護、監視火情和及時報警。

20世紀50年代，第二次世界大戰結束后，為了給大批閑置的軍用飛機尋找出路，一些森林資源較豐富的國家開始將這些退役的軍用飛機改裝成森林消防飛機。只要對軍用飛機的設備稍作改動，以及訓練相關人員便可成為消防滅火飛機，直接應用于森林資源保護，進行航空護林和滅火。很快，這項技術被世界許多國家推廣，成為一股潮流。其中，傘降滅火是最先采取的航空滅火方法，隨后又發展出空中巡護、化學滅火、吊桶滅火、機降滅火、索降滅火、繩索滑降滅火、人工增雨等航空護林和滅火技術。

由于美國在森林滅火有人機技術研究和實踐方面起步最早，對有人機改裝、化學滅火劑，以及滅火彈等森林消防有人機技術進行了較多研究和實踐。因此，美國森林消防有人機技術較為成熟。現在美國森林航空消防的地位越來越高，作用越來越大，森林航空消防隊伍在森林防火事業中的作用發揮得越來越好，森林航空消防的地位和作用已得到社會廣泛認可。

（2）第二階段為無人機+有人機時代

森林航空消防發展的第二階段是無人機+有人機時代，即使用無人機與有人機協同滅火。

采用有人機如固定翼飛機、直升機進行森林火災滅火效率不高。因為，林火成災后，森林著火空間范圍極大，一般高度達到10～20m，火線沿前進方向長度可達50m，溫度達900℃以上。為保證飛機駕駛員安全，滅火時飛機只能在距火場上空較高的高度作業，這就導致灑水或液體滅火劑的噴撒高度較高，水或液體滅火劑在降落過程中受火場上空強熱上升氣流的影響，一部分水或液體滅火劑在降落至火場的過程中受熱蒸發或被吹散到火場以外的區域，致使真正作用于林火燃燒現場的水或液體滅火劑的量較少，浪費很大，所以滅火效率不高。

由于水或液體滅火劑利用率太低，導致有人機單架次飛行滅火成本相對較高。除此以外，與無人機相比，利用有人機撲滅野火最大的缺點是機動靈活性差，難以在野火剛開始冒煙的萌芽階段實施滅火。因此，在當前智能化時代，僅采用有人機作為森林航空滅火方法，很難成為一種常規滅火手段。

近年來，隨著專業消防無人機技術的高速發展，其在森林航空消防中的作用和地位日益顯現，下面闡述本方案的基本出發點。

首先，利用無人機優異的機動性、靈活性和安全性，采用消防無人機集群滅火方式，將野火消滅在萌芽狀態；

其次，一旦未能把野火消滅在萌芽狀態，野火開始蔓延，形成燎原大火時，應采用消防無人機與消防有人機協同滅火方式，即消防無人機集群與消防有人機分工合作，協同作業撲滅野火。消防有人機利用運載能力大的特點，從空中灑水或噴撒含有阻燃劑的化學滅火劑滅火，以及開展機降索降滅火、傘降滅火、火場急救、運送救火物資等森林消防滅火工作。

方案核心內容

本方案宗旨是，利用無人機開啟森林航空消防發展的第二階段，促使森林航空消防從有人機時代進入無人機+有人機時代，即進入森林航空消防智能化時代，從而改變有人機與森林火災單打獨斗的被動局面。利用無人機+有人機協同滅火，如蜂群一樣實施集群作戰，能極大提高森林消防滅火效率，最重要的是利用智能化技術，最大限度改善和提高消防人員安全。

圖4 噴灑滅火劑型多旋翼消防無人機。

圖5 發射滅火彈型多旋翼消防無人機。

本方案主要有以下兩項核心內容，即使用無人機+有人機協同滅火和用山羊清除可燃物。

無人機+有人機協同滅火

針對加州野火災害頻發現狀，開啟無人機與有人機協同滅火的新時代。

采用消防無人機與消防有人機協同作業，執行護林和直接撲滅森林火災（野火），能有效彌補有人機方法的不足。特別是無人機能勝任條件惡劣、高危環境下的各種危險作業，如撲滅森林大火，能出色完成單調枯燥、時間長、強度大、重復性的艱苦任務，加上其結構簡單、尺寸小、價格便宜，經濟性好，以及執行任務靈活，操控方便，消防人員只需經過短期簡單培訓，就能掌握操控方法和技術。除此以外，無人機具有自主或半自主飛行能力，消防人員使用無人機時，無需親臨火災的高危著火點，具有優異的安全性。

消防無人機定義

用于消防業務的無人機稱為消防無人機，其機型大多采用工業級旋翼無人機，按最大起飛重量可分為大、中、小三種類型。

消防無人機基本結構

一套完整的消防無人機系統由無人機和地面控制站兩部分組成。其中，無人機包括自主飛行控制、機載滅火和動力等系統；地面控制站包括操控和數據接收等系統。它采用集成化設計、智能化識別、精確制導等一系列高科技關鍵技術。

圖6 小型多旋翼消防無人機結構示意圖。

無人機最主要的特點是機上無人。正因為此特點，無人機執行任務時，勿需考慮飛行員生命安全，更不必考慮任務的危險性，極大放寬了無人機使用要求。

旋翼無人機最大優點是可以垂直起降，不需要專用跑道，機動性強、不受地形限制、部署靈活方便，具有優良的低空或超低空飛行性能，在執行消防滅火任務時，可以全程低空或超低空飛行，不會對高空飛行的民航客機航線造成任何干擾。

消防無人機的優勢

消防無人機可有效解決地面消防工作人員無法到達偏遠地區，執行早期林火發現和撲滅難題；能準確把握和及時了解重大森林火災現場各種動態信息，直接用于撲滅森林火災；也可以解決有人機森林消防巡護無法夜航、或因煙霧造成的能見度降低無法飛行等問題。

消防無人機與有人機有許多不同之處，包括使用和功能上的差別，例如撲滅森林火災工作。消防無人機可以搭載不同任務載荷在林區無線視頻監控系統各前端檢測點駐防，執行空中巡查、火場偵察，以及從空中發射滅火彈、灑水或化學滅火劑撲滅林火見圖7等森林消防任務。消防無人機結構簡單，容易操控，消防員只要經過短期培訓就能掌握其操控方法，這與有人機駕駛員需經過長期嚴格培養截然不同。

圖7 消防無人機執行森林滅火任務。

一般森林火災往往由不明顯的小火苗引起，且森林氣候復雜，雨霧或火焰產生的煙霧常會掩蓋初始火情。消防無人機搭載紅外熱成像儀能實現全天候監視，不受光線影響，并具備穿透煙霧、雨霧的能力，有助于提前發現森林火災初期煙霧、火苗或隱患，迅速定位真正著火點和確定火災蔓延趨勢，減小森林火災造成的危害。

眾所周知，在撲滅森林火災及消防救援中，消防員經常冒著極大風險撲滅野火并保護當地居民的生命財產安全。消防無人機的最大優勢是提高消防人員作業安全性，消防人員遠程操控無人機作業，遠離森林火災（野火）高危區域實施救火，從而有效避免或極大減少林火對消防人員的傷害見圖8。

圖8 消防無人機作業實行人機分離，安全性好。

消防無人機不僅可以率先進入火場獲取著火點、風向、水源等現場信息，也給消防員提供了更全面的現場決策情報。避免消防滅火過程中可能出現的不必要風險，能更快速解救被困人員，提高撲滅野火、救援效率。

根據目前一些實際應用效果，消防無人機作為現有森林消防手段的有力補充，已顯示出無法比擬的優越性，可廣泛應用于森林火災巡查、監視、撲滅、災后評估等作業。

（未完待續）■