基于AHP算法的四川攀西雷擊火災風險研究

張 琨，羅可妮

1.四川省防雷中心，四川成都 610772；2.高原與盆地暴雨旱澇災害四川省重點實驗室，四川成都 610772

近年來，四川省出現多起森林草原火災，較為嚴重的是2019年“3·30木里森林火災”，造成巨大的人員傷亡[1]。研究表明，此次火災是由雷電擊中林中高大樹木燃燒引發森林火災。2022年四川省內共發生16起森林火災，四川森林火災多分布在攀西地區，近年來森林防滅火工作形勢十分嚴峻。根據《四川省森林防火規劃（2016—2025年）》對全省森林火災風險區進行了危險等級劃分，其中攀西地區共15個森林火險區劃為森林火災高危區，分別是攀枝花市的米易縣、鹽邊縣、仁和區、西區；涼山彝族自治州的冕寧縣、木里藏族自治縣、西昌市、鹽源縣、會東縣、寧南縣、普格縣、喜德縣、昭覺縣、德昌縣、會理縣[2]。

從全國森林資源總量看，攀西地區森林蓄積量位于我國前列，森林地面被落葉或雜草等長期覆蓋后，易變質腐爛產生一些可燃氣體被點燃。森林雷擊火災預防主要考慮防直擊雷，隨著環境污染，氣候條件的變化，雷擊火成為最為重要的森林火災自然禍源[3-4]。關于雷擊火災的分析和雷擊風險區劃研究，余海蓉等[5]對四川盆地雷電高發區進行了風險區劃研究；陳樂奇等[6]在研究中通過分析雷電的特征分析對林場的雷擊火災進行了區劃研究；彭博[7]通過分析NDVI、環境和植被情況，對西昌市森林火險等級進行了區劃研究；何誠等[8]通過分析氣候特征，得出夏季森林火災發生的危險性強，夏季是雷暴的多發季節；Fuquay等[9]通過分析雷擊火發生時的云地閃特征后，發現云地閃持續電流極易引發雷擊火。攀西地區森林地形的復雜性和大氣環流的錯綜復雜，導致雷暴天氣較多，而如何降低因雷擊導致的自然森林大火的發生率，是目前亟待解決的問題。

本研究通過對攀西地區森林火災高危區雷電強度、雷電密度、海拔和土壤電阻率進行熵值法分析，建立致災危險性算法模型，對攀西地區雷電致災風險區劃，為林業部門和消防部門等政府部門提供防雷工程建設和雷擊火預防提供科學依據和技術支持，充分發揮防雷減災第一道防線的重要作用。

1 數據選取

根據攀西地區的歷史數據進行統計分析，冬、春季節氣候干燥、林木干枯，植被含水量低，是四川省森林草原火災的易發期，而攀西地區更是四川省森林草原火災的易發地。氣候條件是森林火災發生區域和發生階段的決定因素。氣候條件決定潛在火險程度，本研究選取雷電、海拔和土壤電阻率3種影響因子分析。

（1）三維閃電數據。本研究采用四川省氣象局2016—2021年的三維閃電數據資料。

（2）海拔。攀西地區多為高山，海拔較高，研究表明在海拔1 500 m以上的山地發生的閃電，雷電強度（Ln＞100 kA）和反擊概率比例高于低山丘陵和平原地區[10]。本研究選取的海拔數據來源于中國科學院資源環境科學數據中心發布的中國高程數據（DEM）空間分布數據。

（3）土壤電阻率。土壤電阻率與溫度、含水量有很大關系，而且土壤電阻率越小對應的雷電流強度越大，反之越小[11]。本研究采用的土壤電阻率數據來源于南京土壤所發布的全國土壤柵格數據。

2 數據處理

數據進行歸一化處理，等級劃分為4級（較低風險、一般風險、高風險、極高風險）。所研究的區域都是森林火災高危區，風險等級是相對定性的，本研究設定較低風險也是森林火災高危區。

四川省氣象局圍繞攀西火災多發重發區域陸續布設13套三維閃電定位儀，基本覆蓋整個攀西地區，對該地區、周邊林場和人員相對密集區域進行全天候24 h雷電監測。

將地圖劃分為3 km×3 km的格點，計算各格點的雷電密度，經歸一化處理，計算雷電密度柵格數據，然后繪制雷電密度圖（圖1）。根據雷電密度分布，極高風險區分布在鹽邊縣中部和西部；高風險區分布在鹽邊縣北部、西區西部、西昌市中西部、米易縣西部、喜德縣北部和西部、冕寧縣分布較為分散，主要集中在中部和東部；較低險區主要分布在木里藏族自治縣西部和北部、昭覺縣東部、鹽源縣中部、普格縣東部、寧南縣、會東縣和會理縣；其余地區主要是一般風險區。

圖1 雷電密度圖

根據雷電質量控制方法，本研究計算2～200 kA區間的雷電流數據，將計算區域劃分為3 km×3 km的格點，統計每個格點內不同等級雷電強度的閃電次數，歸一化處理。將雷電強度等級劃分為5個等級：1級（D≤60%）、2級（60%＜D≤80%）、3級（80%＜D≤90%）、4級（90%＜D≤95%）、5級（D＞95%）[12-13]。

依照公式（1）計算攀西地區的雷電強度分布數據，計算雷電強度柵格數據，繪制雷電強度分布圖（圖2）。

圖2 雷電強度分布圖

式（1）中，Ln為雷電強度；i為雷電強度等級；Fi為雷電強度為i等級的地閃頻次的歸一化值。

由圖2所知，根據雷電強度分布圖，全域無極高風險區；高風險區主要分布在鹽邊縣中北部；較低風險區分布在木里藏族自治縣西部和南部、鹽源縣南部、西昌市中部和東部、喜德縣東部、昭覺縣、普格縣、寧南縣、會東縣、會理縣、米易縣東南部和仁和區南部；其余地區為一般風險區。

海拔空間分布數據在ArcGIS中進行3 km重采樣，并進行柵格化數據處理、歸一化處理，計算攀西地區海拔柵格數據，繪制海拔分布圖（圖3）。由圖3所知，攀西地區的森林火災高危區從南部到北部，海拔逐漸升高，高海拔主要分布在木里藏族自治縣中北部，平均海拔3 100 m左右，地處青藏高原東南和橫斷山脈中間，附近的山脈錯綜復雜，地形陡峭，山風異常，出現火災時，對火災救援工作帶來的挑戰極大。2019年3月30日木里藏族自治縣森林火災和2019年4月8日冕寧縣火災，均發生于高海拔地區，海拔是一個重要的影響因素。

圖3 海拔分布圖

土壤柵格數據通過ArcGIS進行3 km重采樣，并進行裁剪，歸一化處理，計算土壤電阻率柵格數據，繪制土壤電阻率分布圖（圖4）。攀西森林火災高危區全域的土壤電阻率較為均衡，但木里藏族自治縣和冕寧縣部分地區的土壤電阻率極高。

圖4 土壤電阻率分布圖

3 雷電災害致災因子危險性分析

3.1 致災因子權重的計算

通過計算獲取的雷電密度、雷電強度、海拔和土壤電阻率等柵格數據，利用層次分析法，確定4種因子的權重矩陣，通過計算獲取致災因子權重：雷電密度權重（wd）為0.3507；雷電流度權重（wn）為0.3507；海拔權重（wh）為0.1093；土壤電阻率權重（wc）為0.1892。

3.2 致災危險性指數的計算

按照致災危險性指數RH模型進行計算。

運用致災因子危險性RH模型，計算柵格數據中的每個格點的危險性指數值，利用自然斷點法將危險等級劃分為4級：較低風險、一般風險、高風險、極高風險，并繪制攀西地區森林火災高危區雷電致災危險性分布圖（圖5）。

圖5 攀西地區雷電致災危險性分布圖

由圖5可知，攀西地區雷電致災危險性極高風險主要分布在木里藏族自治縣東南部和西南部、冕寧縣中部和東部、鹽源縣西北部和鹽邊縣中部；高風險區主要分布在木里藏族自治縣北部和東部、冕寧縣南部和東部、喜德縣西部和南部、西昌市北部、德昌縣北部和西部、鹽邊縣北部、米易縣北部、仁和區北部；只有少部分較低風險區主要分布在寧南縣中部和東部、會東縣東部、會理縣南部、昭覺縣東部；其余地區均為一般風險區。

4 結論

通過分析攀西地區森林火災高危區的雷電強度、雷電密度、海拔和土壤電阻率，結合致災性危險性分布圖可以直觀地幫助當地政府或消防部門掌握雷擊火災的風險情況，為防滅火的決策提供科學依據。以下為攀西地區雷擊火災提供的科學防御決策建議：

（1）極高風險區主要分布在高山、山原、峽谷地貌的木里藏族自治縣、冕寧縣、鹽源縣和鹽邊縣，森林覆蓋率高、海拔高、道路崎嶇，發生森林火災時，對火災救援和人力調度的挑戰較大。建議此區域加快三維閃電監測網絡的建設，提高本區域的雷電監測水平和雷電防御能力，尤其是加強對高海拔森林的監測網的規劃和建設，彌補護林員無法監測的盲區。因地勢問題，對一些人員不便進入的區域，可以采用無人機定時巡邏進行檢測預警。

（2）高風險區主要分布在木里藏族自治縣北部和東部、冕寧縣南部和東部、喜德縣西部和南部、西昌市北部、德昌縣北部和西部、鹽邊縣北部、米易縣北部、仁和區北部。一些重要城鎮也是高風險區，其中西昌、米易等城市，旅游產業較為發達，人口分布較為密集，森林火災更需要考慮人為因素，需加強區域內的雷電災害的宣傳教育工作，增強群眾的防雷防火意識和提高其防火滅火能力，加強城市建筑物和景區的防雷基礎設施建設。

（3）一般風險區分布較廣，相關部門要因地制宜，根據不同的森林區域、地質情況、土壤電阻率和草原空曠地等制定不同的防雷對策，加大建筑物和危化品場所的防雷檢測力度，在空曠區域，設置防雷庭，以供農民或牧民在戶外活動遇到雷暴天氣時臨時躲避。在經常遭雷擊中的樹木附近，設置接閃器和森林防護隔離帶。

（4）較低風險區主要分布在寧南縣中部和東部、會東縣東部、會理縣南部、昭覺縣東部，集中在攀西地區的邊界處，此區域雖然風險等級較低，但雷擊落點面積較大，仍會引起雷擊火災，應加強附近區域的防雷設施安全檢查。