Chương 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. Khái quát về vật liệu cháy và phòng chống cháy rừng 1. Khái niệm vật liệu cháy Theo tài liệu quản lý lửa rừng của Tổ chức Nông Lương thế giới (FAO), cháy rừng là sự xuất hiện và lan truyền của những đám cháy trong rừng mà không nằm trong sự kiểm soát của con người, gây nên những tổn thất về nhiều mặt tài nguyên, của cải và môi trường.Đặc điểm – tính chất Cháy rừng xảy ra khi hội tụ đủ ba yếu tố: + Vật liệu cháy: Là tất cả những chất có khả năng bén lửa và bốc cháy trong điều kiện có đủ nguồn nhiệt và oxy. + Oxy: Oxy tự do luôn sẵn có trong không khí (nồng độ khoảng 21 – 23%) và lấp đầy các khoảng trống giữa vật liệu cháy.
Khi nồng độ oxy giảm xuống dưới 15% thì không còn khả năng duy trì sự cháy. + Nhiệt (nguồn lửa): Nguồn nhiệt có thể phát sinh do thiên nhiên như sấm sét, núi lửa phun, … Nhưng ở nước ta chủ yếu là do con người gây ra. Mỗi yếu tố trên đây được xem là một cạnh của tam giác, ghép chúng lại với nhau tạo thành “tam giác lửa”: Nếu thay đổi (giảm hoặc phá hủy) 1, 2 hoặc 3 cạnh thì “tam giác lửa” sẽ thay đổi hoặc bị phá vỡ, có nghĩa là đám cháy suy yếu hoặc bị dập tắt. Đây cũng chính là một trong những cơ sở khoa học của công tác phòng cháy, chữa cháy rừng.
9 Về bản chất, cháy rừng gồm hai mặt của quá trình vật lý và hóa học. Phản ứng cháy xảy ra như sau: C 6 H 12 O 6 + 6O 2+ nhiệt gây cháy => 6 CO 2+ 6 H 2 O + nhiệt lượng Phản ứng cháy rừng có thể xem là ngược lại với phản ứng quang hợp. Khi cháy, lửa nhanh chóng phá hủy các chất của thực vật (vật liệu cháy) và thành phần hóa học bên trong của chúng, kèm theo giải phóng nhiệt. Tốc độ tỏa nhiệt trong quá trình cháy rừng rất nhanh, ngược lại với quá trình tích lũy năng lượng qua quang hợp của cây rừng rất chậm.
Nhiệt lượng sinh ra truyền vào môi trường xung quanh theo ba phương thức: (a) bức xạ, (b) đối lưu và (c) dẫn nhiệt. Cả ba phương thức truyền nhiệt này luôn cùng tác động trong quá trình cháy: - Bức xạ là phương thức truyền nhiệt (dưới dạng sóng với tốc độ của ánh sáng) không có sự tiếp xúc trực tiếp giữa nguồn bức xạ với vật thể nó tác động. Bức xạ là một phương thức truyền nhiệt chính là cho vật liệu ở phía trước đám cháy càng khô nhanh và dễ bốc cháy. Bức xạ có vai trò quan trọng trong việc thúc đẩy một đám cháy mặt đất lan tràn và có thể làm đám cháy lan sang các vật liệu khác.
- Đối lưu là phương thức truyền nhiệt bởi các dòng khí hoặc hơi nước. Trong quá trình cháy rừng, không khí bên trên đám cháy bị đốt nóng và di chuyển lên trên, không khí lạnh bổ sung vào và hình thành đối lưu nhiệt. Do có đối lưu nhiệt nên tầng tán phía trên bị sấy khô, cháy dưới tán thường phát triển thành cháy tán và đẩy nhanh tốc độ của đám cháy, đặc biệt ở nơi sườn dốc hoặc ở những khu rừng hỗn giao nhiều tầng tán. Khi cháy mạnh, cột đối lưu có thể cuốn theo cả những sản vật cháy dở, rất dễ gây ra hiện tượng “lửa bay” gây cháy “nhảy cóc”.
- Dẫn nhiệt là phương thức truyền nhiệt diễn ra bên trong vật liệu cháy hoặc từ vật liệu này đến vật liệu khác nhờ tiếp xúc trực tiếp. Dẫn nhiệt có vai trò chủ yếu trong quá trình cháy của các vật liệu cháy có kích thước lớn. Các nhà khoa học phân biệt 3 loại cháy rừng: Cháy dưới tán cây, hay cháy mặt đất rừng, là trường hợp chỉ cháy một phần hay toàn bộ lớp cây bụi, cỏ khô và cành rơi lá rụng trên mặt đất. 10 (2) Cháy tán rừng (ngọn cây) là trường hợp lửa lan tràn nhanh từ tán cây này sang tán cây khác.
(3) Cháy ngầm là trường hợp xẩy ra khi lửa lan tràn chậm, âm ỉ dưới mặt đất, trong lớp thảm mục dày hoặc than bùn. Trong một đám cháy rừng có thể xẩy ra một hoặc đồng thời 2, 3 loại cháy rừng trên. Tuỳ theo loại cháy rừng mà người ta đưa ra những biện pháp phòng và chữa cháy khác nhau (Brown A. Tình hình nghiên cứu về vật liệu cháy 1.
Trên thế giới - Nghiên cứu về dự báo cháy rừng: Công tác dự báo cháy rừng trên thế giới đã được tiến hành cách đây hàng trăm năm. Từ đó đến nay đã có rất nhiều các nhà Lâm nghiệp nghiên cứu, đưa ra nhiều phương pháp và ứng dụng khác nhau trong lĩnh vực này mà đến bây giờ thế giới vẫn đang sử dụng.B Shon (1929) đã đưa ra phương pháp dự báo cháy rừng thông qua việc xác định độ ẩm của từng thảm mục trong rừng với yếu tố khí tượng thuỷ văn để đề ra các biện pháp phòng cháy, chữa cháy, từ đó kết luận độ ẩm của từng thảm mục nói lên độ khô hạn của rừng. Độ khô hạn càng cao thì khả năng cháy rừng càng lớn.V Valentic (1924) đã thống kê các vụ cháy rừng và xác định được mỗi quan hệ giữa số lượng diện tích rừng bị cháy với số vụ cháy, với 3 chỉ số sau: số ngày không mưa, lượng mưa và tốc độ gió, từ đó tác giả kết luận: “Cháy rừng bắt nguồn từ những nơi không vệ sinh rừng, rừng gặp khô hạn kéo dài, nguồn vật liệu cháy dần được tăng lên và dẫn đến cháy rừng”.G Nesterop (1939) đã đi sâu nghiên cứu các yếu tố khí tượng thuỷ văn và một số khác có ảnh hưởng đến rừng và đề phương pháp dự báo cháy rừng theo phương pháp tổng hợp, tác giả đưa ra biểu thức toán học để đánh giá mức độ nguy hiểm của cháy rừng gồm 3 yếu tố: Nhiệt độ lúc 13h trưa, lương mưa/ngày, 11 độ ẩm không khí, tác giả đã đưa ra kết luận nơi nào nhiệt độ càng cao, số ngày mưa không kéo dài và độ ẩm không khí càng thấp thì vật liệu cháy càng khô nên sẽ phát sinh cháy rừng. Công thức: - Pi là chỉ tiêu tổng hợp về cháy rừng của một ngày nào đó; - K là hệ số điều chỉnh (K có giá trị là 0 hoặc 1) phụ thuộc vào lượng mưa ngày a (a ≥ 5mm thì K=0; a < 5mm thì K=1); - T n013 là nhiệt độ không khí lúc 13h (đo ở nhiệt biểu khô); - D n13 là độ chênh lệch bão hòa lúc 13h (cần có thêm T’n013 là nhiệt độ lúc 13 giờ đo ở nhiệt biểu ướt và dùng Bảng tra độ ẩm để xác định Dn13); - n là số ngày không mưa kể từ ngày có trận mưa cuối cùng; Ông đưa ra 5 cấp cháy rừng nguy hiểm được thể hiện ở bảng 1.1: Phân cấp nguy hiểm cháy rừng theo Nesterop Cấp cháy rừng Chỉ tiêu tổng hợp P Mức độ nguy hiểm của cháy rừng I < 300 Không nguy hiểm II 301 – 500 Ít nguy hiểm III 501 – 1000 Nguy hiểm IV 1001 – 4000 Rất nguy hiểm V > 4000 Cực kỳ nguy hiểm Giá trị P tỷ lệ thuận với nhiệt độ và tỷ lệ nghịch với nhiệt độ không khí.
Ở Thuỵ Điển và các nước thuộc bán đảo Scandinavia, các nhà nghiên cứu đã dùng chỉ số Angstrom để dự báo khả năng cháy rừng. Chỉ số Angstrom được tính theo công thức: R ( 27 - T O ) I= - 20 10 Trong đó: 12 - R: Độ ẩm tương đối (%) của không khí thấp nhất trong ngày - T: Nhiệt độ không khí (℃ ) cao nhất trong ngày Sau khi tính I, khả năng cháy rừng được phân chia từ cấp 1 đến cấp 4 chi tiết được trình bày ở bảng 1.2: Phân cấp khả năng cháy rừng theo chỉ số Angstrom Cấp cháy Chỉ số I Khả năng phát sinh cháy rừng I I > 4,0 Không có khả năng cháy rừng II 2,5 < I ≤ 4,0 Ít có khả năng xuất hiện cháy rừng III 2,0 < I ≤ 2,5 Có nhiều khả năng xuất hiện cháy rừng IV I ≤ 2,0 Rất có khả năng xuất hiện cháy rừng Phương pháp này đơn giản và dễ tính toán, tuy nhiên do chỉ tính từng ngày riêng biệt, chỉ tiêu Angstrom không nêu được ảnh hưởng tích luỹ của nhiệt độ và độ ẩm không khí, cũng không đề cập đến tác động của gió và mưa nên không phản ảnh chính xác sự thay đổi độ ẩm vật liệu cháy. Phương pháp này được áp dụng rộng rãi ở Bồ Đào Nha và các nước là thuộc địa cũ của Bồ Đào Nha. Ở Indonesia đã và đang nghiên cứu phương pháp tụ mây để chữa cháy rừng nhưng chưa chắc chắn về mặt khoa học.
Cũng như chi phí cho phương pháp này quá đắt do đó phương pháp này đã bị ngừng lại. - Nghiên cứu bản chất của cháy rừng Cháy rừng là hiện tượng Oxy hoá các vật liệu hữu cơ do rừng tạo ra ở nhiệt độ cao. Cháy rừng xảy ra khi có mặt đồng thời của 3 yếu tố, hay còn gọi là tam giác cháy: Nguồn nhiệt (lửa), Oxy và vật liệu cháy. Tuỳ thuộc vào đặc điểm của 3 yếu tố trên mà cháy rừng có thể được hình thành, phát triển hay bị ngăn chặn hoặc suy yếu đi (Brown, 1979; Belop, 1982; Chandler, 1983).
Vì vậy, về bản chất, những biện pháp phòng cháy, chữa cháy rừng chính là tác động vào 3 yếu tố trên theo chiều hướng ngăn chặn và giảm thiểu quá trình cháy. Các nhà khoa học phân biệt 3 loại cháy rừng: - Cháy dưới tán cây, hay cháy mặt đất rừng, là trường hợp chỉ cháy một 13 phần hay toàn bộ lớp cây bụi, cỏ khô và cành rơi lá rụng trên mặt đất. - Cháy tán rừng (ngọn cây) là trường hợp lửa lan tràn nhanh từ tán cây này sang tán cây khác. - Cháy ngầm là trường hợp xẩy ra khi lửa lan tràn chậm, âm ỉ dưới mặt đất, trong lớp thảm mục dày hoặc than bùn.
Trong một đám cháy rừng có thể xẩy ra một hoặc đồng thời 2, 3 loại cháy rừng trên. Tuỳ theo loại cháy rừng mà các nhà khoa học đưa ra những biện pháp phòng và chữa cháy khác nhau (Brown A.G, 1986; Gromovist R, 1993) - Nghiên cứu về biện pháp phòng chống cháy rừng: Xu hướng nghiên cứu các biện pháp phòng cháy, chữa cháy rừng chủ yếu hướng vào làm suy giảm các thành phần của tam giác cháy: (1) Giảm nguồn nhiệt (nguồn lửa) bằng cách dọn vật liệu cháy trên mặt đất thành băng, đào rãnh sâu, hoặc chặt cây theo dải để ngăn cách đám cháy với phần rừng còn lại.