分析：森林大火是如何蔓延的？_風聞

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撰文 | 麻庭光（上海應用技術大學安全工程系講師）

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最近發生的四川木裏山火，因消防隊員傷亡眾多而得到廣泛的報道。在通讀所有關於火場的描述之後，“爆燃”一詞凸顯了出來。這裏，我來介紹一下“爆燃”發生的幾種火災動力學原因。

爆燃是什麼意思？

嚴格説來，爆燃就是快速燃燒（deflagration），但又達不到爆炸（detonation）的水平，是一種低速發生的煙氣爆炸（smoke explosion）現象。不過，相對於固體燃料的點火過程，又是非常快速了。

關於爆燃的成因，消防理論上有很多的解釋，比如室內火災的轟然現象、（地下室）室內火災的爆燃現象、（高層建築）室內火災的吹炬效應等，大多與室內火災中天花板附近熱羽流的非線性反饋有關。

什麼是非線性？

所謂非線性，指熱羽流向下的熱通量主要靠輻射換熱方式，強度是温度的4次方，因此上層温度變化一點，下面的熱通量急劇增加。而熱通量對固體燃料的作用是產生可燃氣體（被稱為熱解過程，Pyrolysis），熱通量增加意味着火場可燃氣體的生成量快速增加了。

《唐詩三百首》中有一首《題壁詩》：“一團茅草亂蓬蓬，驀地燒天驀地空。爭似滿爐煨榾柮，漫騰騰地暖烘烘。”前兩句説的是“爆燃”，後兩句説的是普通固體燃料常見點火過程。從二者對比，我們可以理解爆燃的突發性和全面性特徵，與涼山木裏大火的火行為存在很大的相似性。

然而，此次爆燃發生在開放空間，能夠讓消防隊員無知無覺，顯然不能用室內火災的模型來套用，這裏我找到四種室外火災的蔓延模式，或許幫助大家理解火場的艱鉅性和火災動力學的重要性。

需要説明的是，木裏山火發生爆燃，在正式的調查報告公佈之前，作為專業工作者我只能提供一些非正式的參考解釋，請以調查報告為準。

一、大興安嶺大火模式

大興安嶺大火，人們記住的是這樣一幅畫面：由於“火攜燃現象”（Brand Lofting），大量的未燃盡燃料在空中飛舞，高温雲層漂浮在未燃林區的上方。

如此形成的能量反饋機制，導致了未燃林區的加熱和熱解過程，釋放出的可燃物質，在條件合適時，被突然點燃（或稱氣相爆炸現象）。這種由於熱解過程導致大量可燃氣體，發生的快速燃燒現象，如果發生在室內，被稱作轟燃現象（Flashover），如果發生在室外，被稱作爆燃（deflagration），是高温雲層造成的，是大興安嶺大火中發生跳躍式火場蔓延的重要因素。

圖1. 大興安嶺大火中的典型蔓延模式

二、加州山火的焚風模式

其次，是加州山火的焚風模式。某些專家動不動列舉美國加州“天堂鎮”的山火為例，説明國內山火和動員的相似性，這樣做是不妥的，他們不瞭解美國加州山火蔓延的特殊模式。

焚風，是一種大氣現象，通常空氣是暖濕或者冷乾的，如果由於某種地形或氣象條件導致了大氣流動是又暖又幹燥，對下面燃料的乾燥作用和蔓延效果不可忽視了。在學術上，這又被稱作是Foehn（來自德語）Winds，產生條件是大團高壓空氣以160公里/小時的速度溢出山脈，伴隨着温暖乾燥的山風向低壓區下降的過程帶來的由壓力梯度引起氣流，經常會導致火災的發生。

焚風在古代被稱作融風或温風。前524年5月7日，魯國都城地區開始颳風。梓慎説：“這是融風，是火災要來的徵兆。七天之後，火災就會發生了吧！”5月13日，魯國都城風力強勁，不過並未起火，而宋 (距魯直線距離約180公里)、衞 (約180公里)、陳 (約280公里)、鄭 (約330公里)四國都城都發生了火災。梓慎爬上大庭氏府庫房頂上瞭望了一陣，然後非常篤定地説：“就是宋、衞、陳、鄭！”幾天後，四國報告火災的通告就到達了魯國。可見，氣象條件對火災發生的影響。另外，在公元154年，重慶地方官（但望）提出，“郡治江州，時有温風：遙縣客吏，多有疾病。地勢剛險，皆重屋累居。數有火害，又不相容”。也就是説，當時重慶的地形也是經常會有温風帶來的火災。

圖2. 美國加州山火的焚風蔓延模式。

三、道孚大火模式

才過去幾年，忙忙碌碌的人們已經忘掉了道孚大火的悲劇，消防工作者沒有。

道孚大火是一場典型的因為地形條件的特殊性導致的重大災情，在火災動力學有重要的地位。我們把它稱作是壕溝效應（trench effect），其地形特徵是一條傾斜的溝槽，有利於引導熱煙氣的流動，在流動過程對環境燃料進行預熱和熱解，然後形成爆發性的燃燒。這也是一種燃爆現象，是流體領域的 Coandă 效應（空氣動力學中流體遇到坡面發生的吸附現象，主要用於飛機的機翼設計）與火災領域的轟燃概念（充分預熱熱解後發生的爆發性燃燒現象）的耦合。

壕溝效應通常發生在有坡度的上升壕溝（如地鐵的上下入口電梯）中，以英國倫敦發生的國王十字地鐵站火災而聞名於世。當時的英國牛津大學的學者 Susanne Simcox 使用最先進的計算流體力學工具，模擬了火焰倒伏、預熱燃料、燃燒爆發的發展過程，是重大的火災動力學發現。

其實，壕溝效應就是所謂的風助固體火災蔓延模式的一種變化，風是浮力形成的抽風，而本應水平蔓延的火勢現在發生在傾斜的平面上，讓火焰倒伏的預熱效果更強烈，產生的可燃氣體更多，因此火勢的發展更猛烈。最近（2019年3月14日）發生的開封高層建築火災，也是壕溝效應的一個特殊場合下的應用。

圖3. 地形特殊性導致的道孚悲歌體現了掌握火災原理的重要性

現在，大家對道孚大火的原因基本認可了，燃料是比較高的茅草，屬於輕薄的材料，容易點火。那麼，涼山木裏大火的燃料是什麼，為什麼也會發生輕易點火的局面？

四、陰燃轉明焰模式

上述的蔓延模式，分別有高温雲氣（大興安嶺大火）、氣象温風（加州山火）和斜坡地形（道孚大火）的貢獻，因此比較容易被察覺。

然而，此次關於山火的很多報道或分析卻沒有提到這些標誌性特徵（Signature），相反，人們提到更多的是“地面植被和林下可燃物因長期堆積後發生氧化分解（也就是我們常説的陰燃現象），產生大量的揮發性可燃氣體，同時與腐爛的固體可燃物混合後”，在突發大風的作用下發生的爆發性燃燒現象。也就是説，這是常見的陰燃轉明焰的典型燃燒過程，因為氣流的失穩而出現了爆發性的增長燃燒。這些地表雜質被稱作達菲（Duffy，在土壤表面堆積的部分腐爛的有機質），其消耗分解的過程主要是通過陰燃進行，陰燃產生加熱持續時間長許多倍，加熱強度大，可以達到致死的表面温度。陰燃的較長持續時間和對森林地表傳遞的較高熱流通量，是導致火場植物死亡的重要因素。

陰燃通常發生在多孔材料堆積的場合。因為可燃材料沒有密集堆積，就會有氧氣滲入，氧氣與木材發生的氧化反應，雖然生成的熱量不多，可是空氣是熱量的不良導體，所以氧化反應的熱量也無法消耗掉，隨着時間的推移，逐步發展成沒有火焰的燃燒狀態。很多人燒過大灶，爐膛火焰熄滅之後，仍然有火紅的灰燼，這就是爐膛內發生的陰燃，比自然界發生的陰燃要快速很多。

控制陰燃過程的兩個重要條件是氧氣供應和熱量損失。達菲本身就是容易供應氧氣的結構，那麼關鍵就是熱量損失了。最近隨着清明來臨，環境温度逐步增加，因此自然界陰燃過程的熱損失越來越困難了（因為環境温度增加了），所以這是大面積發生陰燃現象的關鍵性氣象條件。

如果陰燃過程發展到燃料堆的表面，氧氣的供應突然增加，就會發生陰燃轉明焰現象，其中一個重要前提是供風條件的改善，比如此次木裏大火前有人提到山風突然加大（有可能是被動響應明火的結果，因為大火卷吸起來，也會造成大風，這種火致山風，以1991年的加州灣區大火而廣為人知），對陰燃轉明焰過程起了很大的推動作用。

下圖是一張PU聚氨酯泡沫在外在熱輻射進行加熱的條件下，從陰燃蔓延向有焰燃燒進行轉換的過程。只有當燃燒波發展到固體表面，供氧條件突然改善，有可能發生明焰燃燒。如果外部再加上擾流，推動氧氣的供應增加，則點火的效果更好。也就是説，供氧條件改善，會觸發氣相的燃燒反應（有焰）。

圖4. 聚氨酯泡沫的陰燃過程（上圖是裸眼觀察結果，下圖是紅外線觀察的結果）

在香港電影《笑傲江湖》中，令狐沖經常手持一種火媒，該火媒把熱量以陰燃的形式保存在類似雪茄的裝置中，需要火源之時，打開蓋子（增加與空氣的接觸面積），迎風一晃，陰燃立即轉為明焰，就可以點火了。所以陰燃轉明焰的過程是我們老百姓的生活常識，一點也不神秘。

最後，這些達菲從何而來？一種解釋是，由於當地是原始森林/無人區，因此從未開發利用過，累積的達菲超過30釐米。另一種解釋是，由於我國推行的封山育林政策，已經幾十年沒有開採林木了，讓各地蓄積了大量的達菲。由於對森林養護的不同看法和觀念差異，我國基本放棄了對森林的開發和利用，人為導致了固體燃料的大量集聚。這需要讓我們反思森林保護政策的有效性和可持續性問題，在此不便深入展開。