森林自动喷淋防火林带技术研究和应用

何莹泉，余瑞娟，陈富强，陈钰皓

(1.广东省林业调查规划院，广东 广州 510520；2.广东省龙眼洞林场，广东 广州 510520)

近年来我国重大森林火灾时有发生，对森林生态和消防战士生命安全造成严峻的威胁，森林防火灭火技术的发展任重道远。发展森林自动防火灭火技术成为一项非常急迫并富有挑战性的科研课题。现阶段适合森林防火灭火的自动灭火技术在不同的方向上已取得一定的技术成果，比如全自动森林灭火喷水隔离带工程系统设备与安装[1]、森林火灾自动监测和自动瞄准灭火炮系统[2]、具有自动喷水装置的森林消防车[3]、一种森林防火自动灭火器[4]等。与上述技术成果相比，自动喷淋防火林带技术能够规模应用于森林中。通过建设几十公里甚至更长的喷淋防火林带，可以将森林保护地分隔成数个保护区域，将森林火灾限制、消灭在一定保护范围内，发挥出与生物防火林带相同甚至更佳的防火效果。广东省林业局科技与交流合作处项目“广东省森林生态旅游区森林防火系统集成研究”，由广东省林业调查规划院、广东省林业科学研究院、广东省岭南综合勘察设计院、广东省东莞市大屏嶂森林公园四个单位共同研发。本技术的研究起始于两个森林公园设计案例。一个是某森林公园在营造完一批生物防火林带后，由于立地条件较差，缺水少肥，树木生长缓慢，因此本研究团队建议加设一条喷淋灌溉系统来改善防火林带成林环境。第二个是某城市森林公园两条人员密集通行的通道，在清明、重阳等节假日，火灾危险高发。管理人员在前一晚通宵用各种方式淋湿通道两旁，降低第二天通道周边发生火灾的几率。通过采用本喷淋系统，在前一天晚上进行喷淋即可取得很好的效果，喷淋管道还能兼顾道路两边绿化的喷灌，可谓一举两得。这两个案例促成研究团队结合自动喷淋技术，研发了适合森林环境的喷淋防火林带技术。喷淋防火林带和生物防火林带都是森林防火非常有效的技术手段。营造生物防火林带并让其发挥防火功能不仅需要一定的时间，而且开展抚育、管护、割灌、除草、清理等均需要投入大量的人力物力。喷淋防火林带技术可克服上述不足。喷淋防火林带对立地环境和树种无特殊要求，不需造林和抚育，且定期的管护、割灌、除草等环节均可从简。当喷淋系统建成后，喷淋防火林带即可投入使用。每次持续一个小时以上的水喷淋可确保喷淋范围内一切可燃物均变成不燃和难燃物质。因此，它具有非常安全可靠的防火和灭火效果。同时，在整个防灭火过程避免了人员直接参与扑火，从而保护了参与森林灭火的消防人员的生命安全。

1 原理与构成

1.1 系统原理

水是最廉价、有效、易得的灭火剂，能够扑灭各类森林火灾。特别是可燃物较多的林地，用水防火、灭火效果最佳。在以水灭火为主的防火形式逐渐成为森林防火的一种趋势[5]的情况下，通过水的喷洒可以提高森林中可燃物含水率，从而破坏燃烧。可燃物含水率(FMC)是影响燃烧的重要指标。可燃物含水率与可燃物的易燃性之间关系十分密切。一般情况下，当FMC超过35%时，不燃；当FMC为25%～30%时，难燃；当FMC为17%～25%时，可燃；当FMC为10%～16%时，易燃；当FMC小于10%时，极易燃[6]。建设形成宽度大于40 m，有一定高度的高性能喷淋防火林带，可以通过水喷淋使林内可燃物含水率增加到35%以上，同时大幅提高环境湿度，在一定时间内使林内可燃物保持不燃或难燃状态。

1.2 系统构成

结合广东省雨量丰沛、水源多的特点，设计研发了喷淋防火林带技术。喷淋防火林带以若干组的形式组合而成。例如10组可以形成长度10～15 km的防火林带，可将森林保护地分隔为若干个防火分区。每组喷淋长度因地形条件而异，一般以1 000～1 500 m为宜，最大长度为1 500 m/组。每组宽度40 m，喷淋高度因地形的变化而不同。每组喷淋防火林带由下列部分组成：①喷淋喷头；②管道；③高位消防水池；④取水和水质优化处理系统；⑤雨淋阀；⑥自动阀门；⑦手动阀门；⑧感温93 ℃闭式动作喷头；⑨土壤湿度检测模块；⑩空气湿度检测模块；森防控制；防火通道；林带。(图1～图4)。

图1 喷淋防火林带系统框图

图2 喷淋防火林带控制框图 图3 喷淋防火林带竖向布置图

图4 喷淋防火林带平面布置图

2 工作与参数

2.1 系统工作状况

2.1.1 自动喷淋灭火

发生森林火灾后，火场发展蔓延至喷淋防火林带时，林火高温触发设置在喷淋防火林带两侧的93 ℃闭式动作喷头，启动雨淋阀，引起喷淋，形成宽40 m的雨淋带，雨淋将防火林带内的可燃物及植被喷湿，阻断燃烧，同时将蔓延至喷淋防火林带内的林火扑灭，从而实现森林火灾在无人状态下的自动扑灭。

2.1.2 自动喷淋防火

土壤及空气湿度检测模块自动采集环境湿度、温度数据，实现对林内环境和可燃物温湿度的适时监控，并将数据传入消防控制中心PLC。当林火环境达到一定阈值时，将自动开启电动阀门，启动雨淋阀，对防火林带进行喷淋加湿，改善因高温干燥天气而导致防火林带防火效果不佳的状况。

2.1.3 人工手动喷淋防火

在清明、重阳等森林火灾高发时节，通过手动方式打开相关阀门启动雨淋阀。在预判的森林火灾高发时段，对防火林带进行防御性喷淋，减少火灾危险，起到主动防火作用。比如，在人员密集区、游客疏散道路、消防人员防火通道、消防人员集结地、转场地等处布设喷淋系统，均可起到良好效果。

2.2 参数

取水和水质优化处理系统：为多层过滤水质优化处理取水构筑物，将雨水或溪流水质处理到满足喷淋消防水质要求。溪流或下雨形成的地面径流，通过该系统不断向消防水池提供符合标准的喷淋用水。当系统原水水位和净水池水位差为10～15 cm时，过滤区单位面积出水量为0.39～0.74 m3/(h·m2)，浑浊度去除率为99.48%[7]。

高位消防水池：容积200 m3；溪流水源补水时间<24 h；雨水水源补水时间<4 h。

喷淋防火林带设置：喷淋宽度40 m；最大长度1 500 m/组；喷头数量最多75个/组；水量192 m3/h；喷淋历时60 min；平均喷淋强度3.2 L/m2；单位用水量0.1 m3/(h·m)；闭式动作喷头温度93 ℃；布置间距40 m；管道管径DN40～DN150。

喷淋喷头设置：每个喷头水量2.5 m3/h；喷头尺寸7.14 mm或3.18 mm；喷头与喷头布置间距20 m；喷头前水压0.4 MPa；喷头射程21 m；喷头安装高度1.5 m。

3 功效与条件

3.1 系统功效

喷淋过程可形成一条持续时间1 h以上、宽度超过40 m，并具有一定高度的立体灭火防火墙。实验证明，喷淋使森林中土壤、枯枝落叶、枯倒木、木质试块的含水率大幅提高(图5中12至13测点间)。林内土壤湿度升高最大值为11.3%，增幅148.7%，加湿效果维持3 d[8]。枯倒木含水率从14.0%升至22.0%，含水率维持在17%水平以上的时间为47.86 h[9]。枯枝、枯叶含水率分别从喷淋前的17.6%、13.1%升至45.9%、59.2%。之后，含水率随时间延长逐渐下降。喷淋后，林带内枯叶、枯枝由易燃和可燃状态转变为不燃和难燃状态，并分别维持26.4 h、23.9 h。一次有效的水喷淋能显著提高林带防火能力[10]。此外，空气相对湿度、空气温度等都有较为明显的改善[11]。

图5 土壤、枯落叶、枯枝和枯倒木含水率变化曲线

喷淋中和喷淋后的林带可以作为游客安全疏散和森林消防人员灭火救援的生命通道。根据温度湿度模块探测的高温干燥时段和节假日游客密度较大的时段，喷淋能有效增加林内可燃物含水率，提高林内环境含水率，改善林带火环境，大大降低森林火灾发生的可能性和危害性，同时还有利于森林植被生长，使普通林带发挥出防火效能，大大降低营造大面积生物防火林带的成本。喷淋防火林带还能解决生物防火林带宽度不足、林下可燃物载量高等问题。成片布置喷淋防火林带可以形成喷淋安全岛，这有助于应对森林凶险恶劣火灾情况，有效保护森林中的建筑物、人员、物资安全，并为珍贵物种提供繁衍地。

3.2 适用条件

由于喷淋防火林带一次性投入较大，在经济条件较好的森林生态旅游区及其重要保护部位，如人流较多的重要防火通道、公共建筑、森林消防队伍集结场所、物资存放地及珍贵物种繁衍地等重点场所，可以设置喷淋防火林带。喷淋防火林带适用于任何有水源保障的森林环境。它对立地条件无特殊要求，无需伐除不耐火树种，只要附近有不断流的溪流，或者林地内有一定的雨水汇水面积，借助于地势高差设置取水和水质优化处理系统和高位消防水池后，即可构建无动力喷淋供水系统。广东省绝大部分地区都适合推广该技术，但在易发生低温冰冻的区域，设置喷淋防火林带时，需要采取必要的防冻措施。

3.3 效益分析

为了比较常规防火林带与喷淋防火林带的效益，以广东省某森林公园的喷淋防火林带为例，测算10年间的费用，并进行效益分析(表1)。建设宽40 m，长1 500 m，总面积60 000 m2的防火林带，建设标准参照相关规定执行。喷淋防火带每组宽度为40 m，长度及面积与防火林带相同，喷淋强度为3.2 L·m-2，喷淋历时60 min。

表1 喷淋与生物防火林带建设费用对比 万元

由费用对比可知，喷淋防火林带的初期建设费用很高，约为营造同规模生物防火林带的三倍。但建成后即可投入使用，见效快，无需开展抚育，因此其管护成本远比生物防火林带少。在建设后第1～3 a，生物防火林带管护费用约为喷淋防火林带的9.6倍。第4～10 a，该比例缩小至3倍。从10年总费用看，喷淋防火林带所需费用62.4万元，是生物防火林带的总费用42.0万元的1.5倍。若单纯从建设及管护费用看，喷淋防火林带略高于生物防火林带。然而，从生态及社会效益看，由于喷淋防火林带能自动为建设区域内的林分喷水，因此它不仅能提高植被含水率，提升森林整体防火性能，而且有利于促进树木生长，提高生物多样性，增强森林的防护功能。此外，生物防火林带建设周期长，在林带建设初期，由于林带高度小，无法马上发挥防火作用，必须等到林分平均高达到一定高度后，才能发挥出相应的防火效应，因此存在一定的火灾隐患。总体而言，喷淋防火林带早期建设总费用远高于生物防火林带，但随着建设期限的延长，两者费用差距逐渐缩小。如果考虑生态社会效益，喷淋防火林带具有明显的优势。

4 讨论

喷淋防火林带是以水灭火技术的充分体现，其前提是必须有充足的水源才能发挥作用。200 m3高位消防水池只能满足一组喷淋防火林带一次工作的水量，即一个小时的喷淋水量，第二次喷淋动作需要200 m3水池的二次补水，而给水池二次充满水需一定的时间周期。一般而言，以溪流灌满水池需24 h左右。若靠雨水补水，则必须等到自然降水，且雨量足够大。为了应对这种不利情况，系统设计了高位消防水池备用补水方案，即通过消防车和高压水泵向消防水池补水的技术方案。其先决条件是必须有道路可通往喷淋系统管道的水泵接合器处。因此，若条件允许，应尽可能把喷淋管道和高位消防水池的水泵接合器设在消防车可达处。

鉴于喷淋防火林带建设费用较大，现阶段大规模应用于普通森林防火条件尚不成熟。建议可在森林生态旅游区和森林公园等人员密集地、游客疏散道路、消防人员防火通道、消防人员集结地、转场地等重要区域局部采用。一组喷淋防火林带费用50～60万，一个森林公园设置4～5组喷淋防火林带，总费用约200～300万，这还是可以接受的。

针对喷淋防火林带和生物防火林带所进行的比较，并非把两种森林防火技术对立起来，而是了解其优劣势。总体而言，喷淋防火林带综合防火效果好，能改善林带生长环境，促进林木生长，不必投入大量的防火人员，在改善生态及社会效益方面具有明显优势，但也存在技术要求高，费用较高等缺点。因此，只有采用将两种防火技术结合起来使用，才能取得最佳防火效果。

喷淋防火林带技术是“广东省森林生态旅游区森林防火系统集成研究”关键技术之一。该技术包含下列两项实用新型专利：《一种应用于森林的带喷淋系统的复合防火林带》(专利号：ZL2015 2 0845494.3)和《一种用于森林地面径流水源水质优化的处理系统》(专利号：ZL2015 2 0752014.9)。“森林生态旅游区喷淋防火林带系统关键技术”获得了“广东省科学技术奖励三等奖”。喷淋防火林带技术提供了一套可靠、安全、科学解决森林及游客安全问题的森林防火灭火技术。这一技术的攻克，可调整森林灭火的战略，避免森林灭火的人海战术。采用这种技术，不仅可节省大量人力，而且可避免发生人员安全事故，实现在无人操作状态下林火的自动监测与扑灭功能。因此，它是森林防火技术发展的趋势，在广东省及其他南方多雨省份都具有良好的推广价值。