集雨井在森林消防中的应用研究综述

魏建珩，张文文，闫想想，王秋华，高仲亮

(西南林业大学 土木工程学院，云南 昆明 650224)

森林火灾是森林资源的大敌，火灾发生后会导致大量林木资源损失，烧伤林木或轻伤林木生长衰退，改变林分结构，导致森林土壤理化性质改变，破坏森林生态系统，国家财产、人员易造成巨大损失，如何进行有效且安全的林火扑救一直是困扰各国的难题。世界各国均首选用水扑救森林火灾，其优点在于水比热容和汽化潜热大，升温和汽化过程中将吸收大量热能,常压下汽化时体积膨胀约1 603倍，有效地稀释燃烧区域内可燃气体和氧气的浓度，水膜可阻止氧气参与可燃物的燃烧反应，这些性质使水成为理想的天然灭火剂[1]。林中水资源皆来自于降水，我国有效降雨量(≥250 mm)分布地区广，天然降水资源丰富，但我国对天然降水的利用率不高，相较于国外的高利用率，我国天然降水资源利用前景广阔，潜力巨大[2]。以水灭火具有扑灭初期火灾迅速、扑打低强度地表火效果明显、清理火场彻底等特点，实现“打早，打小，打了”目标，是扑救森林火灾的首选方式[3]，实施以水灭火中水源补给建设格外重要。发生森林火灾的高峰时段常常伴有高温、干旱、大风等天气，水资源在此时急剧减少，因此在林区建设水资源补给设施就非常重要。通常来说，林区内建设集雨井能有效解决灭火水源缺乏的问题，使人们在火灾发生初期就能迅速利用就近水源控制火情，提高灭火效率，降低森林资源的损失。

21世纪以来，我国以水灭火扑救森林火灾主要聚焦于研发水陆两用装甲消防车、J-50 森林消防车、灭火水泵、吊桶洒水灭火作业的M-26重型直升机等各种新型装备[4]，提高了我国森林火灾扑救效率，实现快速控制森林火灾，降低火灾损失，但野外火场寻找水源和供水困难，远距离输水会降低扑火装备的使用效率，增加扑救人员体力消耗。集雨井作为一种雨水收集装置，根据林区内降水量、降雨时段、灭火需水量、地形等数据进行合理布设，改变林间水资源时空分布，充分发挥以水灭火装备的战力水平[5～6]。林区合理布设集雨井能减少防火隔离带建设需求，增强森林防火阻隔系统，有效控制森林火灾蔓延，提高森林火灾扑救效率，保护现有森林资源免遭森林火灾危害，有效控制森林覆盖率下降，维护森林景观完整性和美观性，促进林业可持续发展，利于涵养水源、保持水土、防止风沙等，还可减少森林防火投入的人力、物力、财力，是贯彻“预防为主、积极消灭”森林防火方针的有利工程技术手段。集雨型森林消防井设施还可以有效改善山地水的利用问题，做到低投入、高回报，解决旱地浇灌问题，提高农林、林果、林药生产效率，繁荣山区经济，活跃山区生活。

1 集雨系统利用和布设研究现状

1.1 集雨系统利用现状

为提高我国森林防火技术，增强森林火灾火场控制能力，首要解决水源问题，在林区内修筑集雨井是解决水源问题最有效手段，此项技术措施将贯穿森林防、灭火全过程，建设和布设集雨型森林消防井是增强森林防火的基础性技术措施最直接、最可靠的手段，将大幅提高森林防灭火技术水平。但根据查阅相关文献和实地调查发现，集雨系统较少用于森林扑火，多用于我国降水较少地区的农林灌溉，主要分为雨水径流导引和雨水存储设施两部分[7]。

1.1.1 雨水径流导引 径流导引是雨水径流收集的主要措施，是指利用集雨区现有地形或对集雨地表进行物理、化学处理，以提高雨水收集效率，主要有以下几种方法：利用光滑且透水性小的岩石如花岗岩、砂岩构成的自然坡面导引雨水径流[8]；利用混凝土、塑料薄膜、橡胶等材料修筑排水渠导引林内径流[9]；清除25 cm宽植被带，再压实土壤，缩小土壤间空隙，以减少雨水渗透[10]；利用土壤封孔剂、斥水剂、土壤结构分散剂使得土壤具有斥水性[11]以达到径流导引作用；利用微生物反应过程，如微生物矿化、微生物膜、微生物产生气泡等降低孔隙材料渗透性[12]。

1.1.2 雨水储蓄设施 目前国内雨水储蓄设施多用于北方干旱少水地区，利用各种有效措施把有限的降水汇集存储起来，供农村人畜用水与农作物灌溉，主要储蓄设施有水窖、蓄水池和塘坝。水窖需选择经过防渗处理的区域，或利用具有产流能力的不透水坡面，使得降水引入地势较低的水窖储存，单个水窖储水量一般在30～50 m3；蓄水池一般选择在沟渠旁、村庄附近有可能汇集径流的地方，或是能调蓄山泉、溪水的天然洼地、人工蓄水池，蓄引结合，长蓄短用；塘坝是一种利用有较大汇水量的低洼、溪谷等筑坝进行蓄水的设施，有蓄水量大的优点。塘坝的拦水坝、取水口和泄洪建筑物应根据小型水库的技术要求进行设计和施工[13]。

1.2 集雨型系统布设研究现状

集雨型系统的良好运行很大程度上取决于布设地点的选择[14]。目前，国外学者为确定合适的集雨设施布置地点展开了大量研究，首先是确定布设位置的影响因素，20世纪90年代，择址影响因素主要侧重于生物物理因素，如降雨量、坡度、土壤类型、排水网络和土地利用[15-17]。21世纪后许多学者都试图将社会经济因素与生物物理因素结合起来，作为选择适宜的集雨地点的主要因素[18-20]。21世纪初，联合国粮食及农业组织(AFO)列出了气候、水文、地形、农业、土壤和社会经济六个集雨设施选址主要指标，在确定指标的基础上利用一定的技术将指标整合，目前比较成熟的技术是利用GIS(Geographic Information System)/RS (Remote Sensing)确定适合的集雨设施位置，获取并处理高程数据、土壤性质数据，再利用水文模型(Hydrological models，HM),如Thornthwaite and Mather (TM)模型、The Soil Conservation Service (SCS) 模型、Curve Number (CN) 模型等计算地表径流，在确保最大效率收集降水的情况下确定集雨系统布设位置，结合层次分析法(The analytic hierarchy process，AHP)确定布设地区的影响因子对地表径流影响的重要性排序，使选址结果更加合理。国外以GIS、RS为技术支撑，选择适当标准为基础，结合不同模型，与当地流域适应的集水水库成为集雨设施布置的主要研究方式，该方法能够减少布设成本和对环境的影响。

国内关于集雨型布设系统研究起步较晚，且研究较为笼统，张庆梅等[21]在森林防火网阻隔系统的基础上利用最短距离算法确定消防井布设位置，李海伟等[12]认为山地集雨系统布设应位于林区边缘、林中道路两旁、村庄附近等林火高发地区，田书超[22]在建立森林消防水源选址评估模型的基础上采用模糊综合评判方法评判了水源选址的合理性，王艳霞等[23]利用GIS空间分析方法确定蓄水池选址影响因子，提出了森林防火蓄水池选址方法。通过以上国内外学者研究成果得出：基于GIS技术识别潜在的森林消防井预设地点更具有合理性，可以成为未来集雨井研究的重要方向。

2 森林消防集雨井的设计研究

2.1 集雨型森林消防容积的确定

雨水集蓄设施容积设置不宜过大或过小，要能保证充分拦蓄降水和建设投资合理，使用率高，供水充足。根据水量平衡原理，需要在一个水文年内进行计算和求解，其结果要充分满足蓄水要求，保证用水所需的最小容积，即经济容积。其具体计算公式[24]如下：

式中，Q为年总雨水集蓄量(m3)，W为年总灭火需水量(m3)，V为水窖经济容积(m3)；P为时段t内的降水量(mm)，A为雨水集流面积(m2)，w为时段t内的需水量(m3)，v为第t时段的存贮水量(m3)，t为降雨时段。

在经济容积计算过程中，各参数应用在森林防、扑火中应充分考虑林分性质、降雨条件、火场扑救条件、植被截雨量进行调整。

(1)需水量W：根据火场燃烧所释放的能量确定需水量。能量的大小是由森林易燃可燃物数量、种类以及分布位置等条件所确定的，不同林分、不同层次的易燃可燃物特征也不相同，要做好所布设地区的需水量估算，就需要充分调查布设区内林分特征、森林燃烧性、易燃可燃物负荷量等数据，最后依据1 kg水化为蒸汽时所吸收225.7 kJ的汽化热量推算得出所需水量。

(2)时段t内的降水量P：计算时段t内的降水量P时应考虑林内植被的截留雨量，林内的不同层次对雨水的截留量也不相同。其中林冠层截水率占大气降水量的15%～35%；灌木草本层截留率占1.8%～16%；枯枝落叶层截留率占5.6%～13%[25]。P总量计算应排除无法产流或产流较少(日降水量≤5 mm)的数据[24]。

(3)雨水集流面积的设计主要以集水面的集水性能、集水区有效降雨量、需水量等因素确定，计算公式[6]如下：

A=1 000W/RP*EP(4)

式中，A为雨水集流面积(m2)，W为年总灭火需水量(m3)，RP为p时林内降水量保证率(%)，EP为p时集流面集流效率保证率(%)。

2.2 集雨型森林消防井的外形设计

集雨型森林消防井形状采用圆柱形，可节省材料消耗，防止水压在边角处产生集中应力；底部采用锅底形，抵抗地下水产生的扬压力；水窖顶部采用圆台形，抵抗上部的土压力；入口直径在0.8～1.0 m之间，便于人工清淤，需要加盖密封。

2.3 集雨型森林消防井的防渗设计

集雨型森林消防井在地面以下开挖成形后，进行防渗处理是至关重要的环节。根据不同岩性、不同土质采用不同的防渗结构。在集雨技术中取得的实践经验为：片麻岩地区修建钢筋混凝土结构的水窖；石灰岩地区，可利用开挖出的石料修建浆砌石砂浆抹面结构的水窖；角砾岩地区采用土工织布防渗。

2.4 集雨型森林消防井的维护和保养

集雨型森林消防井设施是一项永久性的防火措施，维护和保养是发挥其防火、灭火效果不可缺少的手段和措施。集雨型森林消防井布设好后，应及时观察消防井蓄水状况，及时清理其蓄水的屏障，确保消防井内的集水充足、符合消防水枪的喷射，以保证森林火灾时发挥以水灭火、解决水源问题的作用。

3 展望

我国集雨设施多用于农林灌溉，用于森林火灾扑救的集雨井设施研究较少，多集中于消防井容积计算、布设选址方面，且尚处于理论研究阶段，没有进行实际的推广应用，也没有一个从研究区概况调查到选址到布设以及最后利用效果评价的整体、系统化研究。我国降水资源丰富，特别是西南地区，受季风影响，西南大部分地区为多雨区[26]，而以水灭火又是目前森林火灾扑救中主要的作战方式，因此集雨井的应用推广十分有必要，借鉴集雨设施在农林灌溉中的应用方式，参考国外学者关于布设选址技术的研究，建立具有我国特色的森林火灾扑救集雨设施，为将来森林防火基础性设施建设提供科学依据。针对我国目前集雨设施应用现状、林分特征信息，未来的集雨井研究可以从以下几个方面展开：

(1)集雨设施布设的影响因素。集雨型消防设施布设的影响因素是研究前提，也是最终运行效果的评价准则，该设施运用于森林火灾扑救中，应密切考虑林分特征因素，包括森林易燃物分布情况、植被截雨量等；地形因素包括坡度、坡位等；气象因素包括降雨量、风速等。

(2)合适的选址技术。利用GIS技术进行选址是目前国内外所认可的方式，能够节约人力、物力成本，达到雨水利用最大化，但在用于森林火灾扑救时要结合森林火灾发生机制、扑灭方式等多方面考虑，利用影响因素生成不同类别的专题图，进行叠加分析可以直观的确定布设区域，再按照一定的服务半径进行合理地布设。

(3)储水设备的防火措施。利用雨水修筑的森林消防井是森林火灾扑救中必不可少的一环，为保证在火灾发生时能迅速使用，该工程应考虑加入防火阻燃技术，如使用导热系数低的材料、采用无腔结构、增加防火层厚度等[27]。