GIS技術在森林防火水資源優(yōu)化配置中的應用

張凌霄

(遼寧潤中供水有限責任公司，遼寧 沈陽 110000)

2019年9月，澳大利亞東岸發(fā)生森林大火，持續(xù)了近7個月，超過1000萬hm2土地、2500棟房屋、10億只動物被焚毀；2020年3月30日，我國四川省涼山發(fā)生森林火災，造成30名撲火隊員犧牲。隨著全球氣候變暖，森林防火工作壓力逐漸增大，因此借助現(xiàn)代計算機技術來提高森林防火水平，成為當前歐美等發(fā)達國家的流行做法。

1 研究區(qū)概況

本文研究區(qū)域森林面積約7032hm2，覆蓋率約為55.3%。該地區(qū)經(jīng)濟欠發(fā)達，生態(tài)環(huán)境人為破壞程度逐漸增加，但雨量較多，水資源較為充裕。通過實地調(diào)查，發(fā)現(xiàn)該研究區(qū)森林防火工作存在以下問題：①道路網(wǎng)絡覆蓋面小，若發(fā)生森林大火，消防員無法及時趕赴現(xiàn)場；②雖然區(qū)域內(nèi)水資源豐富，但是均集中在東部，分布極為不均，無法覆蓋大部分林區(qū)。因此相關部門決定利用GIS技術制作森林火災風險等級圖，為優(yōu)化水資源配置提供技術參考。

2 GIS技術原理介紹

地理信息系統(tǒng)(GIS)是在計算機軟、硬件支持下，一種專門用于采集、存儲、管理、分析和表達空間數(shù)據(jù)的信息系統(tǒng)，既是一種表達、模擬現(xiàn)實世界和空間數(shù)據(jù)分析處理的工具，又是人們用于解決空間問題的資源，同時還是一門關于空間信息處理分析的科學技術[1]。

一個GIS系統(tǒng)從建立到應用分以下5個步驟：①定義一個問題；②采集和獲取數(shù)據(jù)；③建立數(shù)據(jù)庫；④實施分析；⑤解釋和展示結果。其中最為核心的工作是數(shù)據(jù)獲取和分析，最終建立項目區(qū)各類圖層(如圖1所示)，將需要分析的數(shù)據(jù)直接以圖層形式調(diào)出即可，更加直觀清晰[2]。

圖1 GIS圖層建立示意圖

3 GIS技術在森林防火水資源優(yōu)化配置中的應用

本項目林區(qū)需要建立的數(shù)據(jù)庫包括：地形圖、河流水系圖、道路交通網(wǎng)圖、消防供水設施點等。利用GIS系統(tǒng)軟件建立各要素圖層，設計比例尺為1∶10000，主要過程如圖2所示[3]。

圖2 本項目水資源優(yōu)化配置設計過程結構圖

具體操作如下：①建立林區(qū)道路網(wǎng)交通和消防供水設施點圖層；②建立林區(qū)DEM和評價模型，并結合林區(qū)實際情況，建立森林火險等級圖；③針對現(xiàn)有條件來優(yōu)化水資源配置[4]。

3.1 林區(qū)道路網(wǎng)絡合理密度及圖層數(shù)據(jù)建立

提高森林防火安全性的一個重要影響因素就是道路，主要作用體現(xiàn)在三個方面：①可以使滅火設備、救火人員快速抵達現(xiàn)場，一定程度平衡林區(qū)水資源分布；②可以作為防火帶阻礙大伙蔓延速度；③道路網(wǎng)密度、廣度直接決定了林區(qū)管理人員的活動范圍，可大大提高發(fā)現(xiàn)火源速度，防止火勢失控[5]。

3.1.1林區(qū)道路合理密度計算

關于林區(qū)道路密度設計，仍然將經(jīng)濟因素作為首要考慮點，林區(qū)道路建設除了對生態(tài)系統(tǒng)造成影響，而且對施工要求限制較多，并且很多道路會被逐漸遺棄，所以并不是密度越大越好。在此采用式(1)計算本項目林區(qū)道路合理密度值d[6]，該林區(qū)為丘陵地，經(jīng)計算d=12m/hm2，比合理值略小，見表2。因此在必要情況下可通過增加道路密度作為優(yōu)化水資源配置的手段之一。

(1)

式中，a—林道有效系數(shù)，參考值見表1；x—集材費，m3/元；m—單位面積林區(qū)出材量，m3/km2；r—林道造價，元/m。

表1 林道有效系數(shù)a參考值

表2 合理林區(qū)道路網(wǎng)密度參考值 單位：m/hm2

3.1.2道路網(wǎng)絡圖層數(shù)據(jù)建立

林區(qū)道路網(wǎng)絡圖層包括的要素：道路編號、等級、長度、標志(單行線、岔口、路標)、速度限制等[7]。該林區(qū)地處經(jīng)濟欠發(fā)達地區(qū)，且周邊無重要交通或經(jīng)濟樞紐，因此道路網(wǎng)絡相對簡單，具體如圖3所示。

圖3 林區(qū)范圍及道路網(wǎng)絡圖層示意圖

3.2 林區(qū)消防供水設施點及影響范圍分析

3.2.1林區(qū)河流水系和消防取水點圖層設計

林區(qū)河流水系和消防取水點對防火安全性有著決定性作用，林區(qū)河流水系和消防取水點圖層要素具體包括：供水點位置、編號、供水量、供水形式、周邊道路等[8]。共包含一條山溪性河流和三處取水點(如圖4所示)，由此可知東部相對來水水資源充裕。

圖4 林區(qū)消防取水點位置及影響范圍圖層示意圖

3.2.2水源點和取水點影響范圍分析

水源點和取水點的影響范圍主要由周邊道路情況決定，具體確定步驟如下：①設一個取水點的道路空間網(wǎng)絡G=(V，E，C)，其中V表示道路節(jié)點集合，E表示邊界，C表示取水點；②以取水點為中心，凡是在30min以內(nèi)能夠獲取水源并趕至失火位置的區(qū)域，均劃歸為該取水點影響范圍[9]。通過實地調(diào)查，各取水點的影響范圍圖層如圖4所示。由圖4可知：取水點影響范圍還是由距離決定，東西兩端被輻射到，但中部大塊森林缺失。

3.3 森林火險等級圖制作分析

根據(jù)林區(qū)的植被類型、樹木密度、樹木年齡、氣候、地形(包括坡度、坡向、海拔、土壤種類)、防火帶、道路水系網(wǎng)覆蓋度等因素分析[10]，將該林區(qū)劃分類別及所占面積比如下：高風險區(qū)(23%)、中風險區(qū)(28%)、低風險區(qū)(49%)三類，如圖5所示。其中低風險區(qū)以目前消防配置水平完全可以控制火災，因此不再詳述[11]。

圖5 項目林區(qū)風險等級劃分

3.4 水資源優(yōu)化配置分析

3.4.1建立項目林區(qū)DEM圖

數(shù)字高程模型(DEM)是地形表面形態(tài)屬性信息的數(shù)字表達，包括三維空間和地形屬性特征，通常用網(wǎng)格單元將研究區(qū)劃分[12]。林區(qū)DEM圖單元格標準為500×500m，包括高程、坡向、坡度等參數(shù)[13]，如圖6所示。

圖6 項目林區(qū)風險等級劃分DEM示意圖

3.4.2優(yōu)化水資源配置

以高風險區(qū)為分析對象，設定時間為t，本項目要求劃分的各DEM從發(fā)現(xiàn)火情到獲得滅火治理間隔時間t<30min。根據(jù)這一規(guī)定，本項目需采取以下措施優(yōu)化水資源配置。

①針對附近無水源區(qū)域，根據(jù)實際地形在低洼處開挖蓄水池塘，建立新的消防供水點。本項目共新建6處取水點(如圖5所示)，其中5處集中在高風險區(qū)，且能兼顧中風險區(qū)[14]。

②由之前計算可知道路密度值較小，因此本項目設計在坡度小于35°區(qū)域修建林區(qū)道路，以擴大各取水點影響范圍。共需新建道路23km，為降低成本，道路均為單行道，每隔50m設計一處讓道平臺，這些信息會全部以立體形式展現(xiàn)在GIS地圖中[15]。

4 結語

利用GIS技術處理本項目林區(qū)地理信息，大大提高了區(qū)域防災滅火技術水平，系統(tǒng)能夠根據(jù)任意出火點自動給出最佳取水點位置、路線、滅火方案等信息，可大大提高撲火人員及設備救助的及時率和有效性，取得了較好的經(jīng)濟社會效益。但是該系統(tǒng)一方面對管理者綜合素質(zhì)要求較高，必須學會日常操作、維護，而且系統(tǒng)缺乏人的主觀能動性，無法根據(jù)火情變化及時作出調(diào)整，因此使用單位應當結合自身特點，通過日常操練、演習等方式充分發(fā)揮該系統(tǒng)的作用，切不可完全被系統(tǒng)指揮。