森林火災(zāi)蔓延研究新進(jìn)展

廖超 陳愛斌 王丹

【摘要】我國(guó)的年均森林火災(zāi)次數(shù)和受害面積都很嚴(yán)重，森林火災(zāi)突發(fā)性強(qiáng)、破壞性大、處置救助較為困難，嚴(yán)重地制約著現(xiàn)代林業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。森林火災(zāi)的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)是森林防火工作中最重要的一環(huán)，本文在分析林火行為的基礎(chǔ)上，闡述了國(guó)內(nèi)外幾種經(jīng)典的林火蔓延模型及其優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍，分析了國(guó)內(nèi)外林火蔓延模型的發(fā)展?fàn)顩r，并著重介紹了目前最新提出的基于離散事件驅(qū)動(dòng)的林火蔓延模型，最后對(duì)未來林火蔓延發(fā)展的趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

【關(guān)鍵詞】森林火災(zāi);林火蔓延模型;離散事件

1.引言

森林火災(zāi)，是指失去人為控制，在林地內(nèi)自由蔓延和擴(kuò)展，對(duì)森林、森林生態(tài)系統(tǒng)和人類帶來一定危害和損失的林火行為，其突發(fā)性強(qiáng)、破壞性大、處置救助較為困難，森林火災(zāi)嚴(yán)重地制約著現(xiàn)代林業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。森林火災(zāi)會(huì)產(chǎn)生大量煙霧，污染環(huán)境;大量二氧化碳與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，嚴(yán)重污染水環(huán)境，嚴(yán)重破壞了全球的生態(tài)平衡，使已經(jīng)很脆弱的地球生態(tài)環(huán)境進(jìn)一步惡化。據(jù)聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織報(bào)告，近年來森林火災(zāi)發(fā)生的頻率和規(guī)模十分反常，已遠(yuǎn)超過自然界的自我調(diào)節(jié)范圍，對(duì)人類、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)造成了前所未有的危害。

森林火災(zāi)的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)是森林防火工作中最重要的一環(huán)，因此加強(qiáng)森林火災(zāi)的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)成為森林防火工作必須面對(duì)的一個(gè)重要問題，對(duì)各級(jí)政府做好森林消防決策，最大限度地減少森林火災(zāi)造成的損失，具有極其重要的作用。

林火蔓延是一種林火行為，與火災(zāi)預(yù)防、撲救等工作密切相關(guān)。林火行為是指森林可燃物在點(diǎn)燃后，所產(chǎn)生的火焰和火蔓延以及發(fā)展過程的特征，亦即是林火發(fā)生、發(fā)展，直至熄滅的全過程中著火、蔓延、能量釋放、火強(qiáng)度、火災(zāi)種類等特征的綜合。林火蔓延模型是林火行為研究的一個(gè)主要方面，受可燃物、火環(huán)境（氣象、地形和植被）和火源條件的制約和控制，量化的林火蔓延模型多是在各種簡(jiǎn)化條件下，運(yùn)用數(shù)學(xué)方法進(jìn)行處理，導(dǎo)出蔓延速度與各種參數(shù)，諸如可燃物的理化性質(zhì)、地形、氣象因子等之間的定量關(guān)系式，供人們利用這些關(guān)系式去預(yù)測(cè)要發(fā)生的林火行為，從而指導(dǎo)撲火工作，進(jìn)行日常的林火管理等。

根據(jù)模型建立的方法以及對(duì)林火蔓延本質(zhì)的認(rèn)識(shí)程度，模型可分為統(tǒng)計(jì)模型、半物理模型、物理模型三類[6]。

統(tǒng)計(jì)模型不涉及任何物理機(jī)制，純粹從統(tǒng)計(jì)的角度來描述火行為，該方法把有多個(gè)變量相互關(guān)系的復(fù)雜問題，在形式上作簡(jiǎn)單的處理，因建立在大量實(shí)際森林火災(zāi)和計(jì)劃火燒的資料基礎(chǔ)上，資料充足，有可靠的置信度，故公式計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況基本符合。

物理模型最先是由Fons提出來的，他的模型將燃料床理想化了，并且認(rèn)為燃料達(dá)到著火的溫度即著火，使得模型與實(shí)際相距較大，且模型表達(dá)式復(fù)雜，物理參數(shù)較多又難以確定。這種模型的局限性在于它跟實(shí)際火災(zāi)情況有較大的差距，但把林火蔓延抽象成一個(gè)純物理問題來研究，為人類提供了一條認(rèn)識(shí)林火蔓延一般規(guī)律的途徑。

2.幾種經(jīng)典的林火蔓延模型

目前比較經(jīng)典的林火蔓延模型有：美國(guó)的Rothermel模型[5]、澳大利亞的McArthur模型[1]、加拿大森林火險(xiǎn)等級(jí)系統(tǒng)[4]和中國(guó)的王正非模型[2][3]。

2.1 Rothermel模型

Rothermel模型遵循能量守恒定律，屬于半物理模型。主要研究的是火焰前鋒的蔓延，沒有考慮過火火場(chǎng)的持續(xù)燃燒。提出了“似穩(wěn)態(tài)”的概念，從宏觀方面研究林火行為。它假定燃料床和地形地勢(shì)在空間上是連續(xù)分布的，并且可燃物的含水量、風(fēng)速、坡度等參數(shù)是不變的。在火災(zāi)蔓延過程中，考慮到了熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射的物理機(jī)制。它建立在均一的可燃物狀態(tài)下，并且不現(xiàn)實(shí)的要求90%可燃物的直徑在1/8英寸，可燃物的含水量不得超過35%，對(duì)于比較大型的可燃物的影響通常忽略。

2.2 McArthur模型

McArthur模型是Noble I.R.等人對(duì)McArthur火險(xiǎn)尺的數(shù)學(xué)描述。它是建立在多次點(diǎn)燃實(shí)驗(yàn)上，導(dǎo)出的林火蔓延速度與各參數(shù)之間定量的關(guān)系式，屬于統(tǒng)計(jì)模型。它的優(yōu)點(diǎn)是能預(yù)報(bào)火險(xiǎn)天氣和一些重要的火行為參數(shù)。但是，它的適用范圍極其有限，只適合草地和桉樹林。我國(guó)南方森林預(yù)警系統(tǒng)可選擇性的參考應(yīng)用。

2.3 CFFCRS林火蔓延模型

加拿大森林火險(xiǎn)等級(jí)系統(tǒng)（CFFCRS）是以加拿大林火行為為理論基礎(chǔ)進(jìn)行研發(fā)的。它包含四個(gè)子系統(tǒng)：林火行為預(yù)報(bào)系統(tǒng)（FBP），林火天氣指標(biāo)系統(tǒng)（FWI），林火發(fā)生預(yù)報(bào)系統(tǒng)（FOP），可燃物濕度估測(cè)系統(tǒng)（AFM）。它是通過幾百次的實(shí)驗(yàn)與觀察，導(dǎo)出的林火向前蔓延速度（ROS）方程，屬于統(tǒng)計(jì)模型。可燃物類型不同，其蔓延速度方程也不同，各方程都獨(dú)立地依賴于初始蔓延指標(biāo)ISI。該模型不考慮任何熱傳機(jī)制。不過，它可以幫助人們比較簡(jiǎn)單的認(rèn)識(shí)林火行為的各個(gè)分過程和整個(gè)過程，以及揭示其作用規(guī)律。在各參數(shù)相似的條件下，可以比較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)火行為。

2.4 王正非林火蔓延模型

王正非模型也是建立在大量的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，得出的林火蔓延速度關(guān)系式，屬于統(tǒng)計(jì)模型。此模型只適用于平地?zé)o風(fēng)、無(wú)風(fēng)上坡和順風(fēng)上坡且坡度不能超過650的情況下。對(duì)于一些粗大的可燃物，如元木和大的枝干，視為無(wú)效可燃物。模型中的各個(gè)修正系數(shù)王正非都給出了相應(yīng)的關(guān)系表，可直接由表查找，簡(jiǎn)化了計(jì)算。

3.林火蔓延研究新進(jìn)展

3.1 國(guó)內(nèi)外最新研究進(jìn)展

相比與澳大利亞、加拿大和王正非模型，Rothermel模型的適用范圍最廣，近年來，有許多學(xué)者在該模型的基礎(chǔ)上，提出了許多Rothermel修正模型。

在國(guó)內(nèi)，景文峰[7]以Rothermel模型為藍(lán)本，結(jié)合交互窗口、字符型漢化技術(shù)及專家系統(tǒng)的原理，提出了用于估算特定可燃物分布狀況、變環(huán)境條件下火蔓延趨勢(shì)的專家系統(tǒng)。王海暉[8]參考Rothermel模型，將火場(chǎng)假定為橢圓面，將風(fēng)速和坡度進(jìn)行矢量疊加并引入折合風(fēng)速的概念，通過大量室內(nèi)林火實(shí)驗(yàn)，提出了一整套估算地表火行為特征量的關(guān)系式。朱啟疆[9]借助地理信息系統(tǒng)（GIS）和遙感技術(shù)，將Rothermel半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃徒?jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖嘟Y(jié)合，分別考慮帶方向（坡度和風(fēng)）和不帶方向因素對(duì)火勢(shì)蔓延的影響，并利用迷宮算法實(shí)現(xiàn)了林火空間蔓延動(dòng)態(tài)模擬。李建微[10]以Rothermel模型為基礎(chǔ)，假定點(diǎn)火源的火場(chǎng)形狀為橢圓形，利用惠更斯原理，結(jié)合粒子系統(tǒng)方法、計(jì)算機(jī)圖形和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，在不同風(fēng)速、坡度下，對(duì)不同位置的林火火場(chǎng)蔓延行為進(jìn)行三維模擬。蔡學(xué)理、張貴[11]以AroInfo為地理信息系統(tǒng)平臺(tái)，結(jié)合Rothermel模型，并將火場(chǎng)形狀假設(shè)為多邊形，提出了一種森林火災(zāi)指揮撲救方案。

在國(guó)外，以Rothermel模型為基礎(chǔ)，所提出的應(yīng)用比較廣泛的林火蔓延模型有：FARSITE[12][13]、BehavePlus[14][15]、和HFire[16]。FARSITE和BehavePlus集成了現(xiàn)有的地表火、樹冠火、飛火和火加速等子模型，它們都采用Rothermel模型來計(jì)算地表火蔓延速度。不過，BehavePlus是基于橢圓形來模擬二維林火蔓延趨勢(shì)，而FARSITE是采用基于惠更斯波動(dòng)理論來模擬二維林火蔓延趨勢(shì)。HFire是一種基于柵格的空間直觀模型，它也采用Rothermel模型來計(jì)算林火蔓延速率，運(yùn)用惠更斯理論來模擬二維林火蔓延趨勢(shì)。

3.2 基于離散事件驅(qū)動(dòng)的林火蔓延研究

最近，出現(xiàn)了采用離散事件來模擬林火蔓延。其中，比較成熟和完善的林火蔓延模型是DEVS-FIRE模型[17]。它將森林看成是由一個(gè)個(gè)大小相同的矩形單元組成的空間，空間的尺寸由GIS來確定。每個(gè)單元代表一個(gè)DEVS原子模型。一旦著火，每個(gè)單元都利用Rothermel模型來計(jì)算一維火蔓延速度和方向，然后根據(jù)橢圓形將其分解為八個(gè)方向的二維火蔓延。在林火蔓延的過程中，采用元胞自動(dòng)機(jī)模型，分解的八個(gè)方向剛好與八個(gè)相鄰的元胞方向一致。元胞之間信息的交流采用預(yù)時(shí)間表（pre_schedule）策略[18]，也就是說，一旦點(diǎn)燃，元胞便立即同時(shí)發(fā)送八條信息給相鄰的元胞。在模擬過程中，有可能存在大量的細(xì)胞單元，然而只有一小部分細(xì)胞單元處于活動(dòng)狀態(tài)。

基于內(nèi)存空間問題的考慮，DEVS-FIRE采用了動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)細(xì)胞空間模型，這使得在仿真過程中可以根據(jù)實(shí)際情況動(dòng)態(tài)地創(chuàng)建和移除細(xì)胞單元，從而節(jié)省了大量的內(nèi)存空間。由于林火蔓延過程是動(dòng)態(tài)的、復(fù)雜的、非線性和非高斯的，對(duì)于數(shù)據(jù)的獲取不可能是準(zhǔn)確無(wú)誤的，林火蔓延計(jì)算的抽象性也會(huì)帶來誤差，故DEVS-FIRE引入了動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用系統(tǒng)（DDDAS）[20]，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行動(dòng)態(tài)地調(diào)整，并結(jié)合粒子濾波算法（PF）[19]對(duì)從傳感器獲取的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)同化來降低這些誤差。從傳感器獲取的測(cè)量數(shù)據(jù)具有高度的空間相關(guān)性，如果將其孤立的看待，將導(dǎo)致原始粒子權(quán)重偏差較大，對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)分布的估計(jì)正確率降低。為此，DEVS-FIRE采用一種傳感器信息相關(guān)的方法。

4.林火蔓延研究展望

目前林火蔓延模型都是針對(duì)林火的始發(fā)階段，今后對(duì)森林大火和特大火的模型研究將成為重點(diǎn)[1]。在DEVS-FIRE模型的基礎(chǔ)上，我們可以嘗試用其他方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行同化來降低估計(jì)誤差。虛擬現(xiàn)實(shí)地理信息系統(tǒng)技術(shù)（VR-GIS）的發(fā)展，為林火蔓延模型的研究向三維、立體可視化的方向發(fā)展提供了有力的技術(shù)保障。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的興起，為林火行為的預(yù)測(cè)、監(jiān)控等，向智能化方向發(fā)展提供了保障。WebGIS和OpenGIS的發(fā)展，使得林火蔓延仿真向網(wǎng)格化方向發(fā)展，成為一種多用戶端的系統(tǒng)[21]。地理信息系統(tǒng)（GIS）、衛(wèi)星遙感（RS）和全球定位系統(tǒng)（GPS）的集成為獲取更全面準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)信息提供了保障。為此，我們?cè)谶M(jìn)行林火行為模擬數(shù)據(jù)采集過程中，引入其他類型的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)（如航空影像）。

5.結(jié)論

從已有的林火模型研究來看，目前要建立一個(gè)理想的林火蔓延模型是比較困難的，不管是物理模型還是統(tǒng)計(jì)模型，都要對(duì)可燃物、氣象條件和地形等因子進(jìn)行統(tǒng)計(jì)意義上的估計(jì)[1]。而這些因子隨地域的不同而存在多樣性和不確定性。由于林火行為的復(fù)雜性，目前還沒有一個(gè)真正具有普遍適用性的林火蔓延模型誕生。我國(guó)對(duì)林火蔓延的研究多是建立在美國(guó)的Rothermel模型的基礎(chǔ)上，并對(duì)其進(jìn)行不斷的改進(jìn)，對(duì)其存在的局限性無(wú)實(shí)質(zhì)性的突破。結(jié)合我國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)的實(shí)際情況和自然特點(diǎn)，通過大量的實(shí)地觀察與建模，獲取更全面真實(shí)的參數(shù)信息，構(gòu)建適合我國(guó)的林火蔓延模型，將是今后研究的重要方向。

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作者簡(jiǎn)介：

廖超（1988—），女，湖南望城人，碩士研究生，研究方向：林火蔓延仿真。

陳愛斌（1971—），男，湖南攸縣人，博士，教授，研究方向：圖像處理，林業(yè)信息化，森林防火。