基于ArcGIS的電網(wǎng)林火蔓延可視化研究

黃然，馬儀，周仿榮，文剛，金晶，黃雙得

（1. 云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，昆明 650217；2. 云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司帶電作業(yè)分公司，昆明 650051；3. 云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司昆明供電局，昆明 650051）

0 前言

森林火災(zāi)（以下簡(jiǎn)稱林火）以其突發(fā)性強(qiáng)、涉及面廣、破壞性大以及撲救困難等特點(diǎn)被聯(lián)合國(guó)列為八大自然災(zāi)害之一。其不僅容易毀滅大量森林資源，嚴(yán)重破壞生態(tài)系統(tǒng)，更是嚴(yán)重威脅國(guó)家和人民生命財(cái)產(chǎn)。因此，有效地預(yù)防和預(yù)測(cè)林火的發(fā)生和發(fā)展已成為目前世界各國(guó)普遍關(guān)注的問(wèn)題。

林火是一個(gè)十分復(fù)雜的過(guò)程，影響其蔓延的自然因素有很多，比如地形（坡度和坡向）、植被（可燃物類型）和氣象（風(fēng)向、風(fēng)速、溫度和濕度）等，因此，為了更好地描述林火行為，通常通過(guò)建立數(shù)據(jù)模型來(lái)模擬林火蔓延過(guò)程，即導(dǎo)出林火行為與各種自然因素之間的定量關(guān)系式。目前林火蔓延的數(shù)學(xué)模型眾多，代表性的有美國(guó)的Rothermel模型、加拿大的國(guó)家林火蔓延模型、澳大利亞的McArthur模型、中國(guó)的王正非模型以及在這些模型基礎(chǔ)上的修正模型[1]。但是，林火蔓延的數(shù)學(xué)模型是靜態(tài)的，其無(wú)法反映林火蔓延的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。隨著地理信息技術(shù)和遙感技術(shù)的不斷發(fā)展，在選擇合適的林火蔓延數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合當(dāng)前先進(jìn)的GIS技術(shù)手段和研究方法，利用計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)模擬林火蔓延的動(dòng)態(tài)過(guò)程已成為必然趨勢(shì)。

本文主要針對(duì)云南電網(wǎng)范圍內(nèi)架空輸電線路以及電網(wǎng)設(shè)備可能遭受的林火問(wèn)題，開展林火蔓延研究，運(yùn)用Rothermel模型和惠更斯原理相結(jié)合的方法對(duì)林火蔓延進(jìn)行實(shí)時(shí)模擬，并利用ArcGIS實(shí)現(xiàn)蔓延過(guò)程的可視化。

1 林火蔓延模型

1.1 Rothermel模型

Rothermel模型是以燃燒物理學(xué)為理論基礎(chǔ)，以林火實(shí)驗(yàn)為依據(jù)的半理論、半經(jīng)驗(yàn)的林火蔓延數(shù)學(xué)模型[2]。其抽象程度較高，幾乎涵蓋了能影響燃燒的所有因素。根據(jù)云南省地理位置、氣候環(huán)境和地形地貌等多方面因素分析，本文采用Rothermel模型。

Rothermel模型依據(jù)能量守恒定律，認(rèn)為在無(wú)風(fēng)且平地的條件下林火蔓延速度為[3]：

式中，R為林火蔓延速度，單位為m/min；IR為火焰區(qū)反應(yīng)強(qiáng)度，單位為 (kJ2?m)·min；ζ為林火蔓延率，無(wú)因次；ρb為可燃物床層密度，單位為kg/m3；ε為有效熱系數(shù)，無(wú)因次；Qig為預(yù)燃熱，即點(diǎn)燃單位質(zhì)量的可燃物所需的熱量，單位為 kj?kg。

在實(shí)際火場(chǎng)中，由于受到風(fēng)力和坡度的綜合作用，林火蔓延速度會(huì)急劇增加。因此，Rothermel模型認(rèn)為在有風(fēng)和坡度情形下引起林火蔓延速度的變化，可以分別用風(fēng)速修正系數(shù)φw和坡度修正系數(shù)φs來(lái)衡量，林火蔓延速度為：

其中，φw和φs均是由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合出的經(jīng)驗(yàn)公式：

式中，β為可燃物緊密度，無(wú)因次；βOP為可燃物最優(yōu)緊密度，無(wú)因次；φ為坡度；B、C和E均為系數(shù)。如圖1所示，風(fēng)向和坡度的矢量疊加方向?yàn)榛痤^方向，其蔓延速度最快，火尾是與火頭相反方向，其蔓延速度最慢，火翼是與火頭垂直的蔓延部分，蔓延速度介于火頭與火尾之間。

圖1 風(fēng)向和坡度矢量疊加示意圖

1.2 惠更斯原理

惠更斯原理是Anderson橢圓模型的延伸，其將林火蔓延區(qū)域看成是一個(gè)隨時(shí)間變化的連續(xù)擴(kuò)展的多邊形表示[4]。如圖2所示，其為基于惠更斯原理的兩個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)的蔓延結(jié)果，其中內(nèi)層多邊形為起火點(diǎn)在第一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)蔓延的范圍，即初始火場(chǎng)的形狀，由于時(shí)間步長(zhǎng)較短，一般為橢圓形，起火點(diǎn)為橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)，長(zhǎng)軸方向代表火頭方向，其為風(fēng)向和坡度的矢量疊加方向。選取該橢圓上的若干點(diǎn)作為下一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)的控制點(diǎn)，以其為新起點(diǎn)得到第二個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)擴(kuò)展的小橢圓，并將小橢圓的外包多邊形作為第二個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)蔓延的范圍[5]。

圖2 基于惠更斯原理的蔓延結(jié)果示意圖

假設(shè)橢圓長(zhǎng)軸與短軸的比為L(zhǎng)B，焦點(diǎn)到火頭距離與焦點(diǎn)到火尾距離之比為HB，根據(jù)基本方程式結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算出LB和HB為[4]：

由以上兩個(gè)公式可以求出橢圓長(zhǎng)軸a、b和焦距c，單位均為m/min：

1.3 林火蔓延模擬流程

本文采用Rothermel模型和惠更斯原理相結(jié)合的方法對(duì)林火蔓延進(jìn)行實(shí)時(shí)模擬，其模擬的基本流程如圖3所示，核心部分為基于惠更斯原理的蔓延過(guò)程。

圖3 林火蔓延模擬流程圖

2 林火蔓延可視化

本文選擇Visual C#編程語(yǔ)言和GIS二次開發(fā)組件庫(kù)ArcGIS Engine實(shí)現(xiàn)林火蔓延模擬的可視化[6-7]。可視化系統(tǒng)主界面如圖4所示。

圖4 林火蔓延可視化系統(tǒng)主界面

2.1 參數(shù)輸入

需要輸入的參數(shù)包括地形數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、可燃物數(shù)據(jù)和操作數(shù)據(jù)四類。其中，地形數(shù)據(jù)為靜態(tài)數(shù)據(jù)，包括柵格點(diǎn)的坡度、坡向、海拔和植被等，可以通過(guò)模擬地區(qū)的數(shù)字高程模型（DEM）抽取得到，并存儲(chǔ)在柵格圖層上。氣象數(shù)據(jù)為動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，包括風(fēng)向和風(fēng)速等；可燃物數(shù)據(jù)是結(jié)合模擬地區(qū)實(shí)際情況輸入的Rothermel模型參數(shù)數(shù)據(jù)，包括可燃物載量、可燃物熱含量、烘干顆粒密度和表面積體積比等。操作數(shù)據(jù)包括模擬時(shí)間步長(zhǎng)、模擬總時(shí)長(zhǎng)以及起火點(diǎn)的經(jīng)緯度。

2.2 模擬結(jié)果

本文以2019年5月20日云南省大理州祥云縣清華洞林場(chǎng)煙塘林區(qū)火災(zāi)位置（北緯25°33' 5''和東經(jīng) 100°35' 1''）為初始起火點(diǎn)，設(shè)置其地形數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、可燃物數(shù)據(jù)和操作數(shù)據(jù)作為林火蔓延模擬輸入?yún)?shù)，其中地形數(shù)據(jù)為30m空間分辨率的云南省DEM，氣象數(shù)據(jù)為火災(zāi)發(fā)生時(shí)段的當(dāng)?shù)貧庀笮畔ⅲ扇嘉飻?shù)據(jù)為森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)[8-11]，操作數(shù)據(jù)為時(shí)間步長(zhǎng)10分鐘，總時(shí)長(zhǎng)180分鐘，可得到180分鐘的林火蔓延處理結(jié)果，如圖5所示。

圖5 180分鐘火災(zāi)蔓延模擬結(jié)果圖（2019年5月20日大理祥云火災(zāi)）

同時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集得到三個(gè)過(guò)火點(diǎn)信息，分別為60分鐘（北緯25°33' 24''和東經(jīng)100°36' 0''）、120分鐘（北緯 25°33' 24''和東經(jīng)100° 36' 32''）和 180 分鐘（北緯 25°33' 53'' 和東經(jīng)100°37' 1''）的過(guò)火點(diǎn)經(jīng)緯度，經(jīng)系統(tǒng)運(yùn)行計(jì)算可得蔓延到此三個(gè)過(guò)火點(diǎn)的時(shí)間分別為71分鐘、103分鐘和150分鐘，與實(shí)際采集時(shí)間相比，偏差率分別為18.3%、14.2%和16.7%。

3 結(jié)束語(yǔ)

林火蔓延復(fù)雜多變，受環(huán)境因素和植被影響很大，風(fēng)速、風(fēng)向、溫濕度等的微小變化都會(huì)引起蔓延方向和速度的改變，本文基于Rothermel模型和惠更斯原理進(jìn)行了真實(shí)林火的模擬，并利用ArcGIS實(shí)現(xiàn)了林火蔓延過(guò)程的可視化。

云南省地理位置特殊，地況地貌復(fù)雜多變，植被類型豐富多樣，可燃物數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜難以全面而準(zhǔn)確地獲取，若要進(jìn)一步提高林火蔓延可視化系統(tǒng)在電網(wǎng)實(shí)際生產(chǎn)中的精度水平，需建立可靠有效的基于地區(qū)的可燃物數(shù)據(jù)庫(kù)，提高林火蔓延分析輸出準(zhǔn)確度。