火灾美国地震引发火灾

15卷2期2006年4月自然灾害学报JOURNALOFNATURALDISASTERSVol.
15,No.
2Apr.
,2006收稿日期:2005-10-10;修订日期:2005-12-10作者简介:赵思健(1977-),福建龙岩人,博士研究生,主要从事GIS在城市灾害中的应用研究.
文章编号:100424574(2006)0220057211城市地震次生火灾研究综述赵思健1,任爱珠2,熊利亚1(1.
中国科学院地理科学与资源研究所,北京100101;2.
清华大学土木系防灾减灾工程研究所,北京100084)摘要:地震次生火灾是最易发生、破坏性最大的地震次生灾害.
详细分析了地震次生火灾起火、蔓延与震后消防扑救的特性,并据此提出了地震次生火灾研究的3个关键主题:震后起火、火灾蔓延和震后消防扑救.
针对这3个主题,对国内外的相关研究进行了完整的介绍和深入的评论.
通过评论,为进一步研究提出了地震次生火灾研究中的不足、难点、重点和思路.
关键词:地震;次生火灾;城市;火灾蔓延;火灾扑救中图分类号:P315.
9文献标识码:AReviewofstudiesonurbanpost2earthquakefiresZHAOSi2jian1,RENAi2zhu2,XIONGLi2ya1(1.
InstituteofGeographicalSciencesandNaturalResourcesResearch,ChineseAcademyofSciences,Beijing100101,China;2.
InstituteofEngineeringDisasterPreventionandMitigation,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China)Abstract:Post2earthquakefireisthemostdangeroussecondarydisasterfollowingearthquake,whichcancausese2verelosses.
Inthispaper,thecharacteristicsofpost2earthquakefiresinvolvedinseismicignition,firespreadingandfiresuppressionweredescribedindetail,andthreecorrespondingkeytopics,i.
e.
analysisofseismicignition,modelingoffirespread,andanalysisoffiresuppressionafterearthquake,wereproposedbyauthors.
Accordingtothreetopics,thestudiesathomeandabroadwerereviewedanddiscussed.
Fromdiscussion,theshortages,diffi2culties,emphasesandthinkingaboutstudiesonpost2earthquakefireswereputforwardforfurtherresearch.
Keywords:earthquake;secondaryfire;urb;firespread;firesuppression地震是一种突发性、破坏性极大的自然灾害,一次强烈的地震往往在几秒钟或几分钟内造成建筑倒塌,设施损毁,交通堵塞,堤坝决口坍塌,甚至人员伤亡,给人民生命财产和国家经济建设造成巨大的损失.
地震不仅直接造成巨大破坏,同时还诱发多种次生灾害,诸如火灾、水灾、山崩、海啸等.
其中,地震次生火灾是最易发生,也是最危险的.
从国内外诸多震例[5-8]可知,大多数破坏性地震都会引发火灾,而且地震引发火灾造成的损失有时甚至超出了地震直接造成的损失[22].
例如,1906年4月18日,美国旧金山发生8.
3级地震.
由于烟囱倒塌,火炉翻倒等原因,全市50多处同时起火.
当时,消防队被震毁,警报和通讯系统失灵加上路陷、房塌、交通堵塞、自来水管断裂,水源断绝,火灾难以扑救,以至大火烧了三天三夜,烧掉521条街巷,28188幢房屋,死亡400人,损失达4亿美元.
据统计,这次地震火灾造成的损失比地震直接造成的损失大出了3倍.
又如,1923年9月1日星期天正午时分,日本关东地区发生7.
9级地震.
地震正值人们用火的高峰期,直接导致了大量的起火事件.
当时,横滨市距震中60km,全市五分之一的房屋倒塌,200多处同时起火,全市有五分之四的房屋被火灾烧毁.
另外,东京市距震中90km,由于震后未能及时断电,关闭煤气阀门等原因,全市136处同时起火.
据统计,东京火灾烧毁面积约3830hm2,被火烧毁房屋户数为当时总户数的70%(45万户),烧死5.
6万余人.
再如,1995年1月17日清晨五时四十六分,在日本关西大地上发生一次灾难性的大地震,这就是阪神地震.
这次地震造成的损失,除房屋倒塌引起大量人员伤亡外,最严重的是地震火灾.
地震造成煤气管道破裂致使煤气泄露,一遇火源立即引起熊熊大火.
同时,地震还造成水、电中断,即便是救火车赶到,因没有水源,也只能眼睁睁地看着大火肆虐,将大片房屋烧成灰烬.
据报道,因各种原因引起的大火有200多处,仅神户市就有几十万m2的房屋被烧毁,火灾现场的死亡人数超过了500人.
上述3起特大地震次生火灾的资料显示,地震次生火灾是极其危险的,其造成的损失是极为严重的.
我国是地震灾害多发的国家,地震是人们面临的最为严重的自然灾害之一,地震次生火灾也自然成为人们重点防御的灾种.
就我国实际情况来看,我国多数大中城市历史悠久、人口密度极高、建筑拥挤、管线复杂、用电设施较多,因此地震火灾发生的可能性很大.
特别是建国后一些以工业基地为依托建立起来的新兴城市,在抗震减灾方面存在诸多不足与隐患,尤其是在进行城市总体规划时很少结合抗震要求和火灾安全条件考虑如何提高防御灾害的能力,使得这类城市在地震灾害和次生火灾面前显得特别脆弱.
因此,认识理解地震次生火灾的特性,准确预测次生火灾的发生、蔓延和破坏程度,进而合理布置和规划城市建设布局、危险品和易燃品的放置、消防扑救力量的分布、城市的防火措施等,对于提升城市抗击和抵御地震次生火灾的综合能力具有相当重要的意义.
1地震次生火灾的特性地震次生火灾是指由地震直接或间接引发的火灾[15],它是由于地震造成的地面破坏、城区建筑和生命线系统等破坏而导致的连锁性灾害.
虽然地震次生火灾同日常民事火灾一样都会给人类带来严重的损失,但它们之间存在着极大的差异,地震次生火灾有其自身显著的特性.
1.
1地震起火特性(1)多处同时起火.
地震发生后,城市将会出现多处的同时起火,并且起火点遍及城市的整个受灾区.
例如,1994年的美国北岭地震洛杉矶城仅在震后半个小时内就出现15起火灾[28],而1995年的日本阪神地震,神户区震后15min内就出现了53处起火[2,28].
(2)起火原因复杂多样.
地震引起火灾的原因很多,主要有煤气、液化石油气、天然气管道破裂引起的泄漏;生活炉具的翻倒、坠落和毁坏致使炉火的溢出;家庭易燃物遇到明火而引发火灾;电线短路、断路引燃可燃物质;易燃易爆品泄漏,遇明火或振动、撞击摩擦导致火灾;工业电气火源引发的火灾等.
此外,地震起火还受到多种因素的综合影响,其中包括时间因素、人为因素和气象因素.
(3)震后陆续起火;震后一段时间内(1~3d),城市中会陆续出现起火事件.
这种震后的陆续起火跟灾后设施的恢复(特别是电力系统的恢复)[28],余震的持续发生和火灾蔓延过程中飞火产生新火源[35]密切相关.
1.
2火灾蔓延特性(1)蔓延方式复杂多样;震后火灾常常是在不受控制的情况下(消防力大大削弱)大面积蔓延,其蔓延方式同日常火灾有显著的差异,主要有火焰直接接触蔓延、热辐射蔓延、烟气羽流蔓延和远距离的飞火蔓延[2].
(2)燃料特殊性;建筑物将是地震次生火灾蔓延的主要燃料,建筑物内部构造、火灾荷载、结构类型、防火性能,建筑间的高度差异和间距等特性都决定着火灾蔓延的速度[2].
此外,震后建筑物的破坏特征还关系着建筑结构的整体可燃性[18].
(3)气象条件影响火势蔓延;气象条件(温度、湿度、风速与风向)是影响震后火灾蔓延的重要因子.
其中,风是最为关键的气象要素,风向控制着火灾蔓延的方向,风速决定了火头蔓延速度的快慢.
1.
3火灾扑救特性(1)防灭火保护系统遭到破坏;地震之后,安置在建筑物内部的各种防灭火保护系统(包括自动喷淋设备、烟雾探测器、自动报警系统、防火墙和防火门等)遭到不同程度的损坏,丧失其应有的功能,助长了火焰与烟气的蔓延[9].
另外,强烈的震动会使建筑物发生较大的层间偏移,结果出现墙壁开缝、防火门和电梯门扭曲、空调通风暖气管道破裂等,这使室内的火焰和热烟气很容易透过这些缝口进行层间蔓延[9].
此外,建·85·自然灾害学报15卷筑外墙窗口的震裂无疑为火灾在建筑之间的蔓延打开了门户.
(2)生命线系统毁坏;地震常常引起交通的堵塞,通讯的中断和地下管网的震裂泄漏.
这些生命线系统的震后毁坏在很大程度上关系着次生火灾的扩大蔓延.
地下煤气管线的震裂泄漏增加了火灾起火的危险度;震后通讯的中断与负载拖延了火灾的报警时间;震后交通的堵塞延迟了消防队的到达;震后供水管网的破裂和城市消防栓的破坏致使消防供水的严重不足.
所有这些不利条件大大助长了火灾的蔓延.
(3)消防力大幅度下降;地震之后,城市的消防力在大规模的灾情背景下出现了"负载"过重的境况[35],远远满足不了灾场的需要.
首先,地震具有突发性,地震发生时消防人员不能完全在职,致使震后投入救灾的消防人员数量有所减少.
此外,震后消防部队不但要担负着地震火灾的扑救任务,还要担负震后的救援工作[7],人员和设备的投入再次减少.
再者,地震之后城市内出现多处的起火事件,且起火点在城市内分布极不均衡,这就迫使有限的消防力量必须分散应付大量的火灾[35],从根本上削弱了消防力.
(4)特殊的阻火要素;震后消防力的大大削弱导致了消防力在很大程度上不能有效地扑灭和控制火场[35].
这时,城市中其他要素便发挥起阻火的作用.
城市中大面积的空地,宽阔的公路和铁路,防火建筑和防火墙铸成平面和立体的阻火带[28],阻止了火势的扩大蔓延.
例如,在阪神地震火灾的阻火要素中,公路和铁路占了40%,空地占了23%,防火建筑和防火墙占了23%,而消防力和志愿队仅仅占了14%[28].
2地震次生火灾研究到目前为止,国内外对地震次生火灾的研究尚处于初级阶段,研究手段也较薄弱.
国外对此项研究开展得较早,尤其是日本与美国.
日本研究定义了地震火灾危险度的概念,构建了火灾蔓延的经验模型,建立了地震火灾预测系统,还制定出一系列防灾减灾对策;美国在地震火灾预测与防范中,应用了多方面的高新技术,也取得了较大的成效.
在国内,有关部门对地震火灾开展了一系列专项研究,但远远不能满足时代的需要.
特别是国内的研究主要集中在对地震次生火灾对策与灾后应急预案的制订.
应该说,这种对策的制订对于减轻地震次生火灾影响是十分有益的.
然而,我们也注意到,对策性的研究也日益迫切需要硬科学手段的支持.
只有较为科学地、准确地预测地震次生火灾发生率,次生火灾的发展蔓延过程,灾场的控制和灾后的损失评估,才能使次生火灾的对策乃至应急措施的制订更加准确也更具目的性[14].
正如前面所述,地震次生火灾具有诸多复杂的特性,这些特性都增加了地震次生火灾研究的难度.
到目前为止,国内外对地震次生火灾的分析和研究主题有3个,即地震起火分析、火灾蔓延建模和震后消防扑救分析.
2.
1地震起火分析地震起火的研究内容包括地震起火原因与影响因素的分析,地震起火与起火因子之间关系的考察,地震起火数和地震起火分布的预测.
2.
1.
1地震起火原因和影响因素(1)地震作用地震作用是震后起火的根本原因.
强震将引起剧烈的地面震动,造成城市中各种潜在起火源因翻倒、坠落、毁坏等原因而诱发火灾.
从历史统计资料中可以得到如下趋势,针对特定的受震区域,在其它起火因素相同的情况下,越强烈的地震带来的震后起火危险度就越大.
(2)各种潜在起火源城市中一些潜在起火源在地震作用之下起火是地震起火的直接原因.
这些潜在的起火源包括日用煤炉或煤气灶,煤气管道和液化气灌,住宅区中供、变电设备、线路和住宅室内家用电器、照明灯具及线路[7],化工厂、化学仓库、化验室、实验室里的化学制品,易燃、易爆物品,烟囱等[8].
具体地说,地震发生时,日用煤炉或煤气灶正在使用,人员惊慌"逃震"而未来得及将其熄灭导致炉灶震动翻倒或被其它坠落物砸坏而翻倒后火星溢出引燃周围可燃物品而引发火灾;煤气管道受震破裂、液化气灌阀门破坏或翻倒而致使大量煤气外泄,遇到火源也将引发火灾;住宅区中供、变电设备、线路和住宅室内家用电器、照明灯具及线路随建筑物破坏发生短路,电力恢复后易发生火灾;化工厂、化学仓库、化验室、实验室里的化学制品,在强烈地震时,极易从管道、容器中脱出或流出,发生自燃起火或者彼此摩擦起火;易燃、易爆物品在地震中相互摩擦碰撞而失火.
·95·2期赵思健等:城市地震次生火灾研究综述(3)建筑物的破坏程度建筑物的破坏是震后起火的间接原因.
建筑物在地震作用下,部分倒塌或者产生较大的位移变形,致使煤气管道拉裂,液化气灌阀门砸坏而外泄大量煤气,一旦遇到明火或者高温时便会引发起火,甚至发生爆炸.
另外,完全倒塌的建筑物因瓦砾覆盖了煤气的泄漏,不易被人察觉,一旦存在火源(例如震后电力恢复使短路电线激发火星)立即引发起火.
(4)时间因素时间是影响地震起火的一个关键因素,它关系着地震起火的数量.
与地震起火相关的时间因素包括发震季节和发震时刻[5,36].
季节不同,居民使用电气设备的频率也不相同,尤其是在冬季,城市居民用于取暖的电气设备普遍增加,而这在很大程度上增加了城市中潜在的起火源[36].
发震时刻是指地震发生在一天中的具体时刻,如发震时刻正值城市居民进餐时间,震后起火率要大于地震发生在深夜居民休息时[36].
(5)人为因素人为因素是地震起火中容易忽略的影响因素.
人在地震起火中起了两个相反的作用,即消极作用和积极作用.
消极作用表现在地震发生时,人们惊慌"逃震",来不及将炉具、煤气灶熄灭和用电设备关闭,最终导致火灾[8].
积极作用表现在地震之后,未受伤的人员发现火源,并及时采取措施进行扑救,致使微小的火源不至于酿成大面积的火灾[8].
(6)气象因素气象因素也是影响地震起火的重要因素,晴天、干燥、炎热、风大的天气较阴天、雨天、湿润、寒冷、无风的天气,起火的危险度大得多[19].
2.
1.
2地震起火模型研究综述地震起火原因复杂多样,影响因素繁多,且原因与影响因素中存在着相当大的不确定性,再加上地震火灾资料的不完备,这些均给地震起火的研究带来了极大的难度.
直至目前,地震起火方面的研究在理论和方法上还处在初步探索的阶段.
经归纳,国内外地震起火模型主要有3类,它们分别是回归分析模型,事件树模型和概率模型.
(1)回归分析模型回归分析模型是目前研究和运用最多的地震起火率模型.
该类模型是在统计资料的基础上,利用回归分析方法拟合地震起火率同起火因子之间的数学关系.
日本和美国多位学者都利用了历史地震火灾数据和回归分析法对地震起火率进行了研究.
在日本,Kawasumi是第一位研究地震起火率的学者[29].
利用关东地震(1923)京都市的地震次生火灾数据,Kawasumi首次提出了木制结构震后起火率和倒塌率之间的对数回归关系式.
lnΦ=a*lnθ+b(1)式中:Φ是木制结构震后起火率;θ是木制结构倒塌率;a,b是相关系数.
公式(1)体现了地震起火率同建筑倒塌率之间存在着很强的正相关特性.
依据Kawasumi的思想,Mizuno对自1923年以来12次地震起火的90条数据记录进行统计分析,构建了地震起火率和倒塌住户率之间的对数关系式[29].
ln(-ln(1-Φ))=a*ln(-ln(1-θ))+b(2)式中:Φ是平均每户震后起火率;θ是全部倒塌住户率;a,b是相关系数.
为了更加全面地反映地震起火率的特征,Scawthorn收集整理了20世纪发生在美国的地震起火资料,并在资料统计分析的基础上提出了地震起火率同地震强度之间的回归模型[25].
在数据处理中,Scawthorn提出利用建筑密度对地震起火数进行标准化.
用于标准化的建筑密度标准有两类,其一为SFED(Single-fam2ilyequivalentdwellings,单户家庭的等效住宅面积),其二为1000000平方英尺(1平方英尺=0.
0929m2)的建筑面积.
在相关因子方面,Scawthorn也提供了两种方案,一为MMI(修正的麦加利震级),二为PGA(地面加速度峰值).
在美国,Trifunac和Todorovska也对美国北岭地震(1994)洛杉矶市和旧金山市的地震起火进行了回归分析[43].
他们先将两市划分成为5km*5km的网格,并分别考察了网格内起火率同地面张力(利用"供水管道破坏密度"代替),房屋倒塌率,烈度与地面峰值速度四个因子之间的回归关系.
·06·自然灾害学报15卷此外,美国紧急事务管理局开发了用于城市地震灾害评估的软件系统HAZUS[36].
针对地震起火,系统在Scawthorn的数据基础上,补充了美国部分大震火灾的数据进行分析后构建了每1000000平方英尺(1平方英尺=0.
0929m2)房屋面积的地震起火率与峰值地面加速度ap的二次回归模型.
IIgnition=-0.
025+(0.
592*ap)-(0.
289*ap2)(3)我国由于缺乏详细的地震火灾统计资料,在地震起火回归模型的研究上尚处于空白.
(2)事件树模型(event-treemodel)为了微观研究震后人、用电用火设备和周围环境之间相互作用下引发地震火灾的全过程并对其发生概率进行评价,日本学者HIDEKIKAJI与TETSUYAKOMURA构建了震后火灾起火危险度的事件树模型[37].
事件树模型是利用树状结构来模拟震后火灾发生的事件序列,并通过是非判断来确定每个事件的发生与否,再评价每个事件发生的概率,最终确定起火发生的概率.
(3)概率模型概率模型是利用构建概率公式的方法来对地震起火率进行预测.
国内,李杰与赵振东等利用概率模型对地震引起的火灾进行了研究.
李杰等[1,12~16]利用对实际民事火灾案例的统计分析,提出了城市小区内地震起火率的修正公式,并运用泊松随机过程构建了地震次生火灾发生的空间域和时间域概率模型.
赵振东等[18~21]则从单体建筑物地震火灾危险性概率入手评价单体建筑物地震次生火灾发生的概率值,之后利用概率阈值法确定单体建筑物在特定的地震强度下是否发生火灾,从而评价出城市的地震起火数和起火位置.
2.
1.
3评论从地震起火模型的研究中获知,国内外对地震起火模型的研究取得了一定的进展,但同时也可以明显看出地震起火模型研究的手段和方法尚处在一个相当不成熟的阶段.
回归分析模型需要以大量的历史统计数据作为模型构建的基础,但是由于地震火灾发生的时间跨度大,各国对地震火灾重视程度的不够,灾后没能进行详细的统计,导致了地震火灾统计数据的严重不足,这就使得回归模型在适用性上存在缺陷,已有模型仅能适用于特定的时期与特定的区域.
事件树模型的构建需要依赖诸多事件参数,这些事件参数的发生概率需要通过大量的实验获取,这就增加了模型构建的难度.
我国学者提出的概率模型因缺乏实际地震火灾数据的验证,因此模型在可靠性方面令人置疑.
这些问题和不足都将成为我们今后研究工作的重点.
此外,还存在几个与地震起火相关的主题值得我们进行深入的研究.
(1)考察地震起火率与各种起火因子之间的关系;到目前为止,地震起火率的建模仅限于构建起火率同单个起火因子之间的数学关系.
但实际上,地震起火是震后多种原因和因素综合作用的结果.
因此,如何构建地震起火率同多个起火因子之间的关系是目前地震起火率建模的重点和难点,而解决这一问题的关键就是对大量地震起火资料的收集、组织和统计.
(2)特别重视震后化学火灾和油田火灾;经统计发现,近年来的地震起火事件中或多或少都会出现由化学制品引发的火灾.
这类火灾主要出现在大学,药店和化学制品厂等场所[29].
此外,另一种特殊的火灾类型—油田火灾也成为近年来地震火灾爆发率较高的火灾类型.
由于这类火灾具有燃烧强度大难以扑灭的特点,它常常导致巨大的经济损失和对周边环境的破坏.
因此,在今后的地震起火研究工作中应该特别重视这两种特殊类型的火灾,正确评价它们震后起火的危险性.
(3)对震后城市居民扑灭火灾率的分析;在地震之后,未受伤的城市居民如能及时发现起火源,并采取有效的措施进行扑救,那么该火源在很大情况下不会引发大型的火灾.
由此可见,城市居民的火灾扑灭率对地震起火率有很大的影响,这一影响因素应该在地震起火模型中给予考虑.
(4)地震起火时间模式的研究;时间是影响地震起火的重要因素,发震季节和发震时刻的差异常常带来震后起火数量的不同.
此外,震后一段时间内还会陆续出现起火事件,即地震起火在震后的时间序列上具有一定的分布规律.
两类时间因素对地震起火的影响值得我们深入地研究和探讨.
(5)地震起火空间分布模式的研究;从空间的角度上出发,地震起火位置分布同样具有一定的规律.
从历史地震火灾资料可以看出,震后起火点常常集中分布在地震烈度大,建筑结构破坏严重,易燃结构集中,人口密度大的区域.
这种评价起火点的空间分布特征对于确定城市地震起火危险区域是十分有利的,应在今后工作中继续研究和探索.
·16·2期赵思健等:城市地震次生火灾研究综述2.
2火灾蔓延建模城市地震次生火灾蔓延是一种大面积的火灾蔓延现象.
地震之后城市中出现多处的起火事件,通讯、供水等生命线系统遭到一定程度的破坏,消防力的大大削弱等不利条件导致了火势可能在城市中大规模蔓延,出现灾难性的城市特大火灾(urbanmassfire).
一方面,城市特大火灾的蔓延与日常民事火灾之间存在着极大的差异,有其显著的特点.
另一方面,城市特大火灾的蔓延过程和物理机理相当复杂,其中存在着大量的不确定因素.
这些均给城市特大火灾蔓延研究乃至地震次生火灾蔓延研究带来了极大的难度.
到目前为止,城市特大火灾蔓延所涉及到的物理和化学过程还有待进一步的研究和理解,对特大火灾蔓延的模拟预测能力也有待进一步的完善[38].
2.
2.
1地震次生火灾的火场特点由地震造成的城市特大火灾火场具有如下特点[11]:(1)火灾大范围地猛烈燃烧,高速度地发展蔓延,蔓延方式复杂多样;(2)火场上可能同时出现多种类型的火灾,诸如住宅,工厂,仓库和油田火灾等;(3)地震作用下,城市供水、供电、通讯、交通、医疗救护、后勤保障等都受到一定程度的破坏、甚至参战力量遭到非战斗减员,火场情况变得更加复杂.
(4)火场复杂,作战半径大,消防参战力量不易很快突入燃烧区内部,人员救助、灭火、物质疏散和保护等消防处理工作都将会受到相应的影响,促使灾害扩大.
2.
2.
2地震次生火灾的蔓延方式地震次生火灾的蔓延方式主要有如下4种[2,38]:(1)火焰的直接接触(directflamecontact);(2)热辐射蔓延(radiation);(3)热烟气羽流蔓延(thermalplume);(4)远距离飞火蔓延(firebrands).
实际的火灾蔓延是上述各种方式综合作用的结果.
而各种方式对火灾蔓延的贡献率在很大程度上取决于环境风速.
在大风情况下,方式(3),(4)对火灾蔓延的影响较显著.
相反,在风速较小的情况下,由于火焰通常较高,因此方式(1)对火灾蔓延的影响较显著.
2.
2.
3地震次生火灾蔓延的模型综述已有的震后城市大面积火灾蔓延的模型包括以下3种,即经验模型、概率模型和理论模型.
(1)经验模型在理论难以推导的前提下,许多学者们对历史地震次生火灾数据进行分析和统计后推导出一系列火灾蔓延的经验公式.
在地震次生火灾蔓延经验公式的推导上,日本学者做了大量的研究工作.
在日本,火灾蔓延速度经验公式的提出包括了Suzuki和Kinbara,东京防火工作研究组,Tosabayashi,Hamada,Hishida和Ho2riuchi[4,39].
此外,学者Fujita,Scawthorn和Sakai还在Hamada蔓延公式的基础上进行了进一步的修正[39].
图1Hamada蔓延模型[4]Fig.
1Hamadaspreadmodel在经验模型中,运用最广,影响最大的基础经验模型当属Hamada蔓延公式.
该公式是建立在理想城市的基础上,它假设城市中所有建筑物是等边长的平面正方形,且建筑物之间的间距保持一致.
在这样的前提下,公式认为火势蔓延的轨迹呈椭圆状,其中火线速度与环境风速密切相关,处于下风向的火线速度最大,侧风向次之,背风向最小.
图1为Hamada蔓延模型示意图.
随着研究的进一步深入,日本的一些学者发现火灾蔓延速度并非总是单调递增的,火灾的燃烧面积和蔓延时间呈现出S曲线的规律[39].
因此,利用Hamada模型预测地震火灾的蔓延必将高估火势蔓延的速度[39].
为了解决这一问题,Yasuno和难波义郎Namba提出了利用对称型的增强对数曲线·26·自然灾害学报15卷来构建燃烧面积与时间之间的关系,随后他们还将对称型增强对数曲线扩展成非对称型增强对数曲线[4,39].
(2)概率模型在国内,黄维章等[23]利用纯数学概率的方法构建了城市大面积火灾的蔓延模型.
他们认为城市大面积火灾的蔓延主要取决于两种关键方式,其一是辐射蔓延,其二是飞火蔓延.
为了简化考虑,他们认为辐射蔓延概率仅是建筑物之间间距的函数,这个概率关系可从统计数据中计算获得.
利用这个概率关系,他们构建了由一幢已燃建筑利用辐射点燃周围建筑物的期望数计算公式.
此外,他们还根据飞火沉积区和飞火飞行距离共同确定了沉积区中飞火的点燃概率,并利用该概率构建了由一幢已燃建筑以飞火形式点燃其它建筑物的期望数计算公式.
(3)理论模型图2城市火灾蔓延模型[41]Fig.
2Urbanfirespreadmodel[41]物理模型是从城市火灾蔓延的机理出发,利用火灾蔓延过程中物质、能量与化学组分(氧气与燃料)的平衡来推导城市火灾发展蔓延的计算模型.
在城市火灾蔓延理论模型的推导方面,日本学者HimotoKeisuke与TanakaTakeyoshi[40,41]进行了大量研究工作,并提出基于物理机理的城市火灾蔓延模型(图2).
他们将整个火灾建模过程分成两个阶段,建筑物内部火灾蔓延与建筑间火灾蔓延.
在前一阶段中,他们利用单区域模拟的方法(singlezonemeth2od)去计算火灾在建筑内部各房间的蔓延.
在后一阶段中,他们计算出由起火建筑以热辐射和热羽流的方式向周围环境传递热量而引起的温度升高(即外部热环境).
一旦升高的温度足以引燃临近未起火建筑内部可燃物的时候,该建筑便发生起火.
2.
2.
4评论利用经验公式和概率方法构建的模型隐含了火灾蔓延的机理,不可避免地使用了大量的统计参数.
这些统计参数将随时间的推进而逐渐失去有效性,尤其是在当今城市建设高速发展和建筑结构防火性能逐渐提高的时代背景下,这些模型的适用性将会日渐降低.
HimotoKeisuke与TanakaTakeyoshi构建的理论模型仅是针对城市火灾蔓延.
在地震背景下,火灾蔓延还具有其特殊的过程,因此该理论模型还需进一步完善后才能适用于地震次生火灾.
此外,对城市火灾中飞火蔓延过程的建模研究依然处在一个很薄弱的阶段,仍需进一步的探索.
通过分析,作者从火灾的发生,发展和蔓延出发将地震次生火灾蔓延建模的全过程分为4个阶段,即起火阶段,发展阶段,蔓延阶段和飞火阶段(如图3).
(1)起火阶段起火阶段描述是地震引发的初始起火,这部分内容已在前面讨论过.
这里值得指出的是,地震初始起火位置包括如下两个,其一为震后倒塌的建筑瓦砾堆中,其二为建筑物室内.
瓦砾堆中的火蔓延特征取决于瓦砾的覆盖特征与室内可燃材料的裸露情况.
如果瓦砾覆盖了大部分室内可燃物,致使瓦砾中的起火源孤立燃烧,不供给燃料,这样的火源将不会蔓延扩展.
与此情况相反的是,如果倒塌的瓦砾本身就是可燃物(例如房屋是木制结构)或者房屋倒塌后室内可燃物大量暴露在外时,瓦砾堆中的起火就很可能进一步发展蔓延.
(2)发展阶段一旦初始起火发生在建筑物内部的某个房间时,下一步就必须考察火灾是否能够发展至整栋建筑物,而这在很大程度上要取决于建筑物室内燃料的布置,建筑内部的蔓延通道和室内的通风条件.
室内燃烧可能出现两种情况,其一是火势在还没能向其它房间发生蔓延时燃料就已经耗尽,这样火源将自行熄灭而不发生·36·2期赵思健等:城市地震次生火灾研究综述进一步发展.
相反,如起火源周围存在大量的可燃物,通风条件良好,室内火灾可能就发展到了轰燃阶段.
当室内火灾一旦达到轰燃,加上处在地震灾害背景下,常常可以认定室内火灾将扩展到整栋建筑物[38].
在构建地震次生火灾蔓延模型时,模型并不需要向上面叙述那样详细考虑建筑物室内火灾轰燃与蔓延的过程,仅仅需要对室内火灾是否能够达到轰然的概率和火灾发展到整栋建筑物所需的时间进行粗略的估算[38].
(3)蔓延阶段当火势由室内火灾发展成整栋建筑物火灾时,火灾将会向邻近建筑发生蔓延,导致单幢建筑火灾发展成大面积的火灾蔓延.
这个阶段的建模需要考虑到如下几个关键因素:1)多种蔓延方式的综合作用,其中以热辐射与热羽流蔓延作为建模的核心;2)风对火灾蔓延的影响,包括蔓延方向与蔓延速度;3)建筑物的特征,如高度、间距、结构类型、外墙材料和开口特征等,对火灾蔓延的影响;4)震后消防扑救对火灾蔓延的抑制作用;5)城市中阻火要素的分布,如大面积的空地和公园,宽阔的道路和铁路等;(4)飞火阶段作为一种特殊的火灾蔓延行为,飞火是震后大面积火灾蔓延的一大特点,它使火灾以跳跃的方式扩展蔓延.
但是由于飞火行为的复杂和对其研究实验的不足,致使飞火蔓延建模存在着相当的难度.
在进行飞火蔓延建模时,一些关键的参数需要考虑[38]:1)由火灾产生的燃烧飞屑数和它们的位置分布;2)燃烧飞屑被火焰羽流提升的高度;3)燃烧飞屑在离开火焰羽流之后,在风力作用下飞行的运动轨迹;4)在燃烧飞屑到达地面之前,其未燃烧尽的概率;5)燃烧飞屑落地后,飞屑能够点燃可燃物的概率;图3地震次生火灾蔓延建模阶段图Fig.
3Diagramofphasesinmodelingpost2earthquakefirespread2.
3震后消防扑救分析灭火扑救是指参与火灾扑灭的所有行动,它包括由发现火源到完全控制火场的全过程[36].
众所周知,消防扑救是阻止火灾蔓延的一个关键因素,然而地震之后消防扑救行为同日常的消防扑救行为既有相同之处又存在着极大的差异.
与日常火灾扑救过程相同的是震后消防扑救同样需要遵循一般火灾的扑救程序,即起火→报警→出动→出水→扑灭.
不同的是地震之后的消防扑救具有两方面的特殊性.
一方面,地震之·46·自然灾害学报15卷后起火数量之多,遍及范围之广大大削弱了当地的消防力;另一方面,生命线系统震后的严重破坏给消防扑救行动带来了极大的障碍.
例如,通讯系统的瘫痪延误了报警时间,交通系统的堵塞延缓了救火车的行进速度,地下供水管网的震裂致使火场的供水不足,这些生命线系统的震后破坏都给消防扑救带来了不便,间接加剧了火势的蔓延.
由此可见,震后消防扑救具有其特殊之处,这些特殊性值得我们探讨和研究.
2.
3.
1震后消防扑救模型综述图4震后时间序列上消防操作,引自[25]Fig.
4Firedepartmentoperationsintimesequenceafterearthquake最早对震后消防扑救过程进行描述的学者是Scawthorn[25,26],他指出时间是震后消防扑救建模的关键要素[25],并将震后消防扑救过程划分成起火(ignition),发现火源(discovery),报警(report),消防车到达(FDarrival)和火场扑救行动(fire2groundoperation)5个阶段,还对每个阶段的特殊情况进行分析.
图4是Scawthorn对震后时间序列上消防操作过程的描述.
在Scawthorn描述模型的基础上,HAZUS软件[36]对震后消防扑救过程进行了详细的建模.
模型同样利用时间为主要考察参数将震后消防扑救过程划分为5个阶段,即发现(discovery),报警(report),到达(arrival),控制(control)和扫尾工作(mop2up),并对前3个阶段的时间量进行分析.
在时间量的确定过程中,模型利用了列举的方法,它分别列举了各阶段可能出现的状况,并对各种状况所需要的时间进行大致的估算.
前3阶段的时间量组合构成了震后消防扑救的时间延误.
此外,在控制阶段,模型以消防设备和消防用水为标准构建了震后火灾扑救有效性系数的计算表达式,并将其作为折减系数辅助计算震后消防扑救干预下的火灾蔓延速度.
在我国,李杰等[1,13,16]构建了地震次生火灾扑救过程仿真模型.
李杰等根据我国火灾扑救标准,将震后火灾扑救划分为如下4个阶段,即起火至接警,接警至出动,出动至到场,到场至扑救完成.
针对4个阶段,他们利用大量统计数据分析获得了日常消防扑救各阶段的时间分布规律,并根据震后消防扑救的特点对火灾持时进行修正[1].
为了模拟地震之后的火场扑救,他们提出利用离散事件系统进行地震灾场仿真[1,13].
然而,地震次生火灾灾场扑救除具有状态突变性和时间随机性之外,还具有空间域上的变化特征.
为此,他们等将经典的时域仿真延拓到场域中,发展了场域、时域综合仿真,并设计出地震次生火灾消防扑救的场、时域复合仿真模型[16].
在场域方面,他们对震后道路阻塞率进行了研究,并利用蒙特卡洛法良好地预测了震后城市交通系统的连通性[17];他们还采用三态多源多汇的随机模拟算法决定供水系统的连通性[16].
在时域方面,他们提出了利用非自主有色Petri网来模拟消防部门扑救行动[1].
2.
3.
2评论Scawthorn首先提出震后消防扑救模型框架,该框架成为之后所有模型构建的基础.
此外,他还提出时间是震后消防扑救建模的关键,并利用时间段对震后消防扑救过程进行划分,这种观点和方法对考察和理解震后消防扑救过程具有重要的意义.
HAZUS是在Scawthorn模型的基础上进行更加详细的建模,它具体列举了各阶段可能出现的状况并估算了相应的时间量.
它最大的优点就在于它建立了震后消防干预下的火灾蔓延修正公式,该公式充分体现了地震次生火灾中削弱的消防力对火灾扑救的有效程度.
李杰等则是在时域的基础上拓展了震后灾场场域的特征,构建了地震次生火灾扑救时域、场域复合模型,更加真实、完整地再现了震后消防扑救的全过程,具有极大的参考价值.
通过分析,作者认为震后消防扑救模型的构建应该包括如下3个关键环节:(1)震后消防扑救各阶段的合理界定和各阶段时间规律的统计分析;(2)正确评价和预测城市生命线系统的震害,并将结果与消防扑救过程进行耦合关联;(3)运用消防扑救规范构建震后消防扑救干预下的火场蔓延模型.
·56·2期赵思健等:城市地震次生火灾研究综述3总结与展望地震次生火灾曾给许多城市造成了巨大的生命和财产损失,是一种危害性极大的城市灾害.
尽管,现代城市努力提高建筑结构技术,防火标准和城市的消防力,这在很大程度上降低了发生城市大火的机率.
然而,我们也清楚地意识到,现代城市在地震次生火灾面前依然显得脆弱.
为了抗击和防御城市地震次生火灾,国内外专家学者对其进行了多方面的研究并取得了部分的成果.
但另一方面,我们也意识到研究工作的不足.
地震次生火灾是一个过程复杂,涉及大量系统工程和具有大量不确定因素的连锁性灾害,到目前为止对它的研究还未能解决所有的问题.
这些问题为我们提供了研究的机遇和挑战,让我们更加微观地去认识地震火灾的现象和机理,更加准确地去评估和预测地震火灾的发生和蔓延,进而从根本上提升城市抗击和抵御地震火灾的综合能力.
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