森林防火技术研究进展与建议

李 鹏，孔令华

（福建工程学院机械与汽车工程学院数字福建工业制造物联网实验室，福建福州350118）

森林在我国国民经济中占有重要地位，它不仅能提供木材及林副产品，而且还肩负着释放氧气、调节气候、涵养水源、保持水土、防风固沙、美化环境、净化空气、减少噪音及旅游保健等多种使命。森林火灾会给森林带来严重危害。世界各国对森林火灾扑救技术的研究都非常重视，在森林火灾灭火理论、模型、指挥系统、灭火技术、灭火设备等方面均取得一定进展。

根据国家统计局中国统计年鉴数据表明[1]，近年来，我国森林火灾，无论次数和火场总面积，总体上呈现下降趋势。如表1所示，我国2011年-2018年，一般森林火灾次数在1200～2600 次之间，2000年-2018年，特别重大森林火灾次数在0～8 次之间变化。如图1所示，重大火灾总体呈波动起伏状，并且基层存在瞒报森林火灾的现象，尤其是一般森林火灾，除非造成比较大的影响，有明显的森林防火卫星热点[2]。因此，表1 中统计的数据可能存在偏小的问题。

表1 近年来我国森林火灾统计表Table 1 Statistics of forest fires in my country in recent years

1 国内外森林火灾研究现状

1.1 森林火灾探测方法

对于森林火灾而言，灭火技术和装备很重要，同时，对于森林火灾的预测也是十分重要的，如果能较精准的预测火灾地点以及火线的方向，那么消防部门就能提前做好部署，尽量减少火灾造成的损失。

Vikshant Khanna[3]提出了一种对传感器收集的信息实施模糊逻辑的方法。通过查找最短路径，按照事件检测机制将收集到的信息传递到群集头。从多个传感器收集的信息用于检测着火的可能性以及着火的方向。每个传感器节点由多个传感器组成，这些传感器将通过测试的温度、湿度、光和CO密度来计算起火概率，测量方位角来计算起火方向。这种方法将提高检测系统的准确性和降低误报率。

吴兆明等[4]首次提出了基于温度标准差方法进行热源识别的概念，得出了不同地点、不同时间段森林背景的温度标准差分布，以及明火温度在各阶段的波动范围，为林火的预防和监测提供了重要依据。通过对干扰源进入前后的红外图像进行预处理和分析，对于目标热源的像素面积变化率及其圆形度，就可以对部分干扰热源的排除。这种方法应用于林火监测简单有效，准确率高，对降低森林火灾的发生率有重要作用。

周汝良等[5]开展卫星监测图像信息增强和提取、可视化超分图像处理、林火自动化识别等研究，利用计算机模拟传感过程并再成像，可将1000m 分辨率的遥感图像重构为90 m 分辨率的图像，识别结果对比原图像更加清晰。卫星观测将为火灾监测、火险测报预警、预防和扑救提供动态数据，具有覆盖面积广、数据客观真实、经济高效的特点。

赵福波等[6]提出基于物联网技术通过对于森林火灾发生时周围环境的变化进行探测，可使得管理人员及时知道火灾发生的范围和方位，通过各种传感器采集数据传入单片机中，然后根据环境数据的范围进行逻辑分析，从而判断周围是否发生火灾。试验结果表明，该系统结构简单、可靠，具有判断周围环境是否发生火灾的能力。赵俊国等提出基于无线传感器网络的森林火灾探测系统，实时收集动态变化的火灾信息，为消防等部门采取措施和做出决策提供依据。德国、英国和其他国家的学者对无线传感器网络在森林火灾监测中的应用做了大量研究工作[7]。

1.2 森林火灾灭火指挥系统、理论模型

森林灭火是一项复杂的工程，构建科学、规范的指挥系统是十分必要的。美国研发的森林火灾扑救指挥系统(Incident Command System 简称ICS)，历经30 多年的发展已经成为全美事件或灾害应变的共同系统，并推广到加拿大、澳大利亚和墨西哥等国家。中国台湾于前几年引进并应用ICS，灭火效果显著。2005年第三届世界林火大会将ICS 指定为今后全世界共同的系统[8]。

在森林灭火中贯彻“打早，打小，打了”的基本原则。

邹积斌[9]研究了应用GNSS 制导的野外火扑灭弹的Galileo 引导系统，在先进的集成“3S”技术的森林防火决策系统平台的支持下，通过机载空投以高精度实时三维PVT 参数和载体姿态的测量为导向，依据无动力载体方案弹道，并利用“+”字型尾舵实时对该弹的3 个无动力载体的滑翔增程飞行进行有效控制，从而可以使该弹准确地命中林区着火点并形成防火隔离带。当然，这套系统只能起到辅助灭火的作用。

常熹钰等[10]对激波灭火进行了实验探索，激波与林火阵面的作用发生一系列复杂的物理、化学过程：激波的高压阵面以及相随的负压，撕落并消除细枝、枯叶等森林可燃物质；在林火阵面地带，激波通过高温热解作用产生爆燃，从而清除森林可燃物质、烧尽可燃气体，破化了燃烧的必要条件，从而达到灭火的目的。国际方面，俄罗斯的实验表明即使在充分燃烧条件下，激波也能使林冠火猝灭。

A.E.Akay 等[11]在利用GIS 技术确定潜在的补给队的位置中，在发生火灾之后，利用GIS 技术规划最短路径可以在短时间内找到潜在的消防队，通过在火灾常发区部署更多的消防队来缩短消防队员到达火灾现场的时间，增大消防队可以到达的区域，以此可以有效地协助消防部门扑灭森林火灾。

Maryna Zharikova 等[12]提出了基于multiUAV 的战术森林消防响应系统开发的一种混合智能诊断方法。它通过检查可观察的诊断标准并对其进行分类，对分类结果适当地做出响应，实时监控火势的重要参数，要优先保护有价值且处于最危险位置的物体。这种方法可以提供所需的可信度、灾难预测和响应的效率。

郑忠等[13]基于《森林火险气象等级》国家标准，首次构建了重庆市森林火险气象风险预报模型，并通过融合可燃物和人为因素，进一步构建了重庆市森林火险综合预报模型，研究结果表明：2 个森林火险模型预报结果相比，森林火险综合预报模型在空间分布上具有更高的精细程度；森林火险综合预报模型能有效提高森林火险等级预报精度。

2 森林火灾灭火技术与设备

国内外常用的灭火技术有化学灭火技术、航空灭火技术、爆破灭火技术、手持扑火机具灭火技术、以水灭火技术、林火间接灭火技术等，国内外常用的灭火设备有化学灭火剂、灭火飞机、索状炸药、二、三号工具、背负式水枪、风力灭火机、手持灭火器等。

2.1 化学灭火技术

化学灭火技术[14]是通过飞机和地面2 个途径，将配置好的化学灭火药剂以灭火弹或直接喷洒的方式作用在火场中，使其灭火或降低火灾传播速度的方法。这种方法已成为一些发达国家森林灭火的常用手段。常用的长效化学灭火剂主要包括磷酸铵、硫酸铵、水氯镁石、硼酸盐和卤化烃等。从作用时间上分为短效灭火剂和长效灭火剂，从发射途径上分为航空发射和地面发射。

化学灭火技术的机理：燃烧的3 要素是可燃物、空气、温度，三者缺一不可。灭火剂的灭火机理是破坏、干扰或中止其中的一个或几个要素，使火灾的燃烧链不完整，燃烧无法继续进行达到灭火目的[15]。它的灭火机理分为物理和化学灭火机理2 类。其中，物理灭火机理包括吸收热量，降低可燃物的温度；降低分解反应的速度，隔绝空气；生成难燃气体，降低可燃物的燃烧速度。化学灭火机理包括生成稳定的游离基和改变燃烧反应途径。

东北林业大学研制的“75”型森林灭火剂，其主要成分是硫酸铵，黑龙江省森林保护研究所研制的“704”型化学灭火剂，其主要成分是磷酸铵，“82-3”型灭火剂，其主要成分是水氯镁石[16]。总体看来，我国的化学灭火技术相对国外先进国家而言，灭火剂种类较少，还要进一步研制高效、安全、环保、价格低廉的灭火剂。

李岩泉等[17]总结了国内外化学灭火技术的发展，国外研制的各种类型的灭火剂的优缺点，并且将其与飞机结合形成航空化学灭火方式，这种方式已经成为国外森林灭火的主要手段。

2.2 航空灭火技术

航空灭火技术[17]是利用飞机对森林火灾灭火的方法，在平时也起到巡察的作用，因为在森林中，由于地形原因，地面灭火措施难以快速实施，而飞机可以快速运输消防员、灭火设备和救援物资到达火灾现场，对于森林灭火和应急救援是一种重要手段。

表2 是对国内外主要灭火飞机的性能参数的比较，通过调查得出结论：国外航空灭火技术发展较早，发达国家广泛采用航空灭火技术，效果显著，而我国航空灭火技术发展较迟，但是随着我国AG600 的成功试飞，相信会使得我国的航空灭火技术得到快速提升。

上述的是大型灭火飞机，下面介绍的是一种新型无人灭火飞机，它通过搭载灭火弹，灭火弹内放置有水或者灭火剂，通过爆炸产生的冲击波向火场抛洒灭火剂，它可以做到定点投放、快速高效地扑灭森林小火，在森林灭火中起到辅助作用，主要针对小火源、地势陡峭或夜间着火等情况[18]，这种方法不仅大幅度提高灭火精度，而且可以快速灭火，降低灭火成本。

2.3 爆破灭火技术

爆破灭火技术[19]是利用炸药或灭火弹爆炸产生的冲击波来灭火，同时，由爆炸所炸开的生土对灭火也产生效果，对林火进行有效的阻隔与扑救。

赵进长[20]介绍了根据地形分别采用木材爆破和挖平底坑的方式，达到灭火的目的。索状炸药[21]通过爆破所产生的强大冲击波可形成生土带同时掀起的沙、土向两侧飞溅覆盖在地表可燃物上，起到破坏可燃物连续性的作用。索状炸药对林火阻隔与扑救所能够达到目的和效果分别为：(1)足够宽度的阻隔带可直接隔离林火的蔓延；(2)较窄的阻隔带可作为以火灭火的点烧依托控制线；(3)由于索状炸药爆破时吸收大量氧气，致使爆炸附近区域形成真空，同时强大的冲击波将高压风压向林火，可以直接用于灭火。

表2 国内外主要灭火飞机的性能参数Table 2 Performance parameters of major domestic and foreign fire fighting aircraft

2.4 手持扑火机具灭火技术

在森林消防灭火中最常见的就是利用手持扑火机具灭火，常用的手持扑火机具就是二、三号工具、背负式水枪、风力灭火机、手持灭火器等。

2.4.1 二号工具

二号工具就是木柄橡胶条，通常由25 根左右长度在80 cm，宽2 cm，厚1.2 cm 左右的橡胶条绑在长200 cm 左右、粗3 cm 的木棍上制成。三号工具是在二号工具的基础上改装的，把拍头的橡胶条换成了钢丝，木棍换成了镀锌钢管，它受树枝扑火的启发而设计。

其他手持式灭火装备包括铁锹、锄头，斧头、灭火耙、镰刀、油锯等。

2.4.2 背负式水枪

黑龙江省森林保护研究所首先研制的背负式水枪[16]，随着技术的发展和灭火的需求，研制出各种各样的型号，有往复喷水式、可连续喷水式和点射式等，装水量有所增长，有效射程也越来越远。

2.4.3 风力灭火机

风力灭火机是扑灭森林火灾的有效工具，它分为背负式和手持式。它适用于幼林、次生林、荒山草坡和草原火灾，风力灭火机通过二冲程汽油机驱动风轮产生高速气流吹散燃烧释放的热量[22]，降低火场的温度，减小热辐射，破坏燃烧的必要条件从而达到灭火的目的。但是，它也有限制，在视线不清，灌木、杂草超过1m 时不能使用；火焰高度超过2.5m 的火，因为火势蔓延过快，消防人员撤退不及时，容易造成伤亡。

2.4.4 新型水基型灭火器

水基型灭火器不仅可以快速灭火，而且对环境无污染。当遇到火灾时，如果火势太大已无法控制，那么可以将水基型灭火器的液体涂抹至皮肤表面，可以抵抗火焰的灼烧，成功逃出后，再用清水冲洗干净，不会对皮肤造成任何影响。

水基型灭火器的灭火原理：水基型灭火器在喷射后呈水雾状，瞬间蒸发吸收火场大量的热量，迅速降低火场的温度，抑制热辐射，表面活性剂在可燃物表面迅速形成一层水膜，隔离氧气，起到降温和隔离的双重作用，从而达到快速灭火的目的。它的灭火原理是物理性灭火，对环境没有污染，对于灭火之后的现场清理也十分方便。下表3 是各类型灭火器的性能对比，水基型灭火器的综合性能最优。

表3 各种灭火器性能对比Table 3 Performance comparison of various fire extinguishers

2.5 以水灭火技术

以水灭火技术[23]是利用水直接灭火或以水作为介质的灭火设备的技术，随着技术的发展和对设备的功能需求，研制了消防水泵、消防水车，以水灭火飞机等消防设备，随着这些设备的配备，使得消防员们的灭火能力大幅度提升，我国的无人灭火机器人等消防设备的研发成功，将会使得以水灭火能力大幅提升。

2.5.1 高压水雾灭火技术

水资源是天然、绿色的灭火剂，随着人们环保意识的加强，现在对灭火技术的要求是不仅能够高效的灭火，而且要尽量避免对环境的损害，绿色消防技术是一种环保型灭火技术[24]，它的要求是灭火过程要符合环保要求，不会对环境造成危害，而高压细水雾灭火技术就是具有代表性的现代化绿色消防技术。高压细水雾灭火技术由一个或多个水雾喷嘴、供水管网、压力设备和控制装置组成。高压细水雾灭火[25]不同于传统的喷洒方式，经过高压喷嘴喷出的细水雾比水有更大的覆盖面积，吸热效率很高，用水较少，可以起到汽化冷却、隔氧窒息、阻隔热辐射的作用，对消防员灭火起到辅助作用，这种技术无污染、高效率、用水少。

2.5.2 人工降雨灭火技术

人工降雨灭火[26]是通过在有形成降雨条件的云层中撒播降雨剂（盐粉、干冰或碘化银等），使其成为凝结核并吸收空气中的湿气，当云中的水滴的重量超过空气浮力时就会下降形成雨水。不过实施人工降雨须具有符合增雨条件的云体，否则无法进行。人工降雨有2 种方式[23]：一种是利用高射炮以炮弹形式将人工冰核送上天空，冰核在炮弹爆炸之后散布在云层中随后产生冰晶降雨；另一种是利用飞机在云层中喷洒致冷剂，使云体局部迅速冷却，进而产生冰晶形成降雨。我国还在初级阶段，技术比国外先进国家落后，目前美国和俄罗斯常用人工降雨灭火，效果不错。

2.5.3 智能消防机器人灭火

智能消防机器人作为特种机器人的一种，在灭火和应急救援中发挥举足轻重的作用，当危险的场所发生火灾时，可用它代替消防员灭火，尽量避免产生伤亡。它主要以单片机为控制核心，加装红外火焰传感器，电机驱动，红外传感电路，地面灰度传感电路为辅助，通过声控装置或手动遥控启动小车。大部分智能消防机器人都是通过后接大流量消防水炮，有直射、喷雾等多种模式可选。浙江大华生产的智能消防机器人在顶部还安装有成像双目云台摄像机，可以自动定位热源，机身上搭载的环境探测传感器，实时侦测现场有毒、可燃气体。高压水炮具备自摆功能，全自动定幅往复喷射，机器人全地形履带式底盘，越障能力超强，可适应草地、碎石、沙石等复杂路面环境[27]。

2.6 林火阻隔间接灭火技术

2.6.1 开设防火隔离带

防火隔离带[28]是森林灭火和森林火灾扑救的重要措施，能够起到间接灭火的作用[29]，在林区修建道路不仅可以提高护林员巡视的工作效率，而且当火灾发生时，林区道路不仅可以阻隔地面火的蔓延，还可以快速运送消防队员和灭火装备到达火场。

2.6.2 以火攻火技术

以火攻火技术[30]适用于荒山、疏林地、经济价值不高的有林地及陡坡林地。但是这种方法应该是有经验的灭火队员使用，并且得到当地消防部门的许可并监督，不然会适得其反，进而造成严重后果。

3 森林防火研究建议

根据统计，森林火灾的主要原因是人为火源和天然火源，其中人为火源占大部分，包括烟头、清明祭拜烧纸、焚烧秸秆等。一方面，我们要加强林区的防火工作，并大力宣传森林防火的重要性，提升民众的防火意识；另一方面，建议政府相关部门对于山区防火实行类似保护水资源的河长制的责任制度，出台相应的法律法规并严格执行，追究当事人的责任。

针对山区水资源匮乏的情况，可以考虑修建蓄水池。政府在政策和经费上应大力支持企业、科研院所等对灭火装备的研发，同时引进国外先进的灭火技术，并加以创新。

在森林火灾频发地区成立森林火灾救援中心，以便火灾消息及时汇总，指挥人员实时掌握火灾动态，对灭火策略及时做出调整，争取把损失降到最低。

灭火设备对于灭火来说是至关重要的，但是我国灭火设备还存在很多问题亟待解决。

应该开发配套通用的灭火装备，对现有的灭火设备进行优化整合，使其能够配套通用，能够极大地提高灭火效率，降低灭火成本，减少火灾带来的损失。

部分灭火装备的关键零部件依然依赖进口，应加大资金投入和灭火装备开发，尽快实现国产，改进生产工艺。以水灭火技术中消防泵是必不可少的设备，由于森林火场水资源缺乏，往往需要长距离输水，因此适应性好的消防泵的要求是具有相对较低的流量和较高的扬程，林用消防泵还必须轻量化、体积小便于携带。