森林火災蔓延模型及滅火決策支持系統研究

摘要：森林火災蔓延是一個復雜的自然現象，其過程受到氣象條件、地形地貌、植被類型等多種自然因素以及人為活動的綜合影響，呈現出時間-空間雙重演變特征。以某省森林火災為案例，通過篩選初始火點位置、可燃物載量等核心變量，設計多因素耦合的模擬模型（元胞自動機算法），構建森林火災蔓延模型，并基于該模型設計滅火決策支持系統。該系統分為火勢預測、資源匹配、方案推演3個核心模塊，通過模塊聯動實現從火勢預測到策略生成的閉環，生成多套滅火策略（直接撲打、開設隔離帶等），并實踐應用評估可行性。以期提升森林火災滅火決策支持系統在日常預警與應急響應中的巡查效率與決策速度。

關鍵詞：森林火災；蔓延模型；滅火決策

中圖分類號：X928.7" " " 文獻標識碼：A" " " "文章編號：2096-1227（2025）07-0038-03

0 引言

全國綠化委員會辦公室發布的《2022年中國國土綠化狀況公報》中指出我國森林面積達2.31億hm2[1]。林火防控是生態安全與人民生命財產保護的重要任務。《“十四五”國家應急體系規劃》明確提出需加強自然災害監測預警技術研發，其中，森林火災預測模型與決策支持系統是關鍵支撐。本文從蔓延模型的理論基礎與關鍵要素出發，構建多因素耦合的模擬模型，結合滅火實際需求設計決策支持系統，探討模型參數選取、模擬方法及策略生成邏輯，旨在提升火災預測精度與決策科學性，為林區防控提供技術參考。

1 森林火災的蔓延規律與蔓延模型分類

1.1" 森林火災蔓延的基本規律

森林火災蔓延風險是指林火蔓延及其對建筑物等造成破壞損失的可能性，可以明確林火容易蔓延且對建筑物等造成破壞損失嚴重的區域。森林火災的發生涉及氣象條件、森林可燃物和人類活動等諸多因素[2]。其中，氣象條件中的氣溫與降水對森林火災蔓延有著關鍵影響。據研究，持續溫高雨少會致使天氣干旱的現象持續發展，導致森林草原火險等級提高[3]；可燃物載量及其垂直分布結構構成燃燒反應的物質基礎；人為因素中火源管理疏漏（如野外吸煙、燒荒）是火災發生的主因。因此，科學評估森林火災蔓延風險，可以為森林火災精準化防控提供科學依據[4]。

森林火災蔓延過程呈現典型的階段性演化特征與多物理場耦合特性，其基本規律可概括為燃燒動力學時序演進、空間擴散各向異性及能量傳遞非線性交互3個維度：時間上，火勢發展依次經歷燃料遇熱脫水、揮發分析出著火及穩定燃燒階段，氧化反應釋放的熱量不斷強化能量積累，形成自持燃燒循環。空間上，火線傳播受風場矢量主導，呈方向依賴性，在均質可燃物環境中為橢圓形擴散模式，復雜地形會打破對稱性，出現渦旋火場和跳躍式蔓延等特殊形態。能量傳遞方面，熱輻射主導可燃物遇熱區域干燥，對流作用決定火焰垂直發展強度，飛火傳播形成多尺度火場疊加效應，且火場邊界層湍流強度與燃燒產物羽流抬升高度存在非線性關聯，火線強度突破臨界閾值時可能觸發火風暴自組織現象。

1.2" 現有蔓延模型的分類

目前主流的森林火災蔓延模型可分為3類，其核心原理與適用場景各有差異。

第1類為經驗模型，以Rothermel模型為代表，通過統計歷史火災數據擬合出蔓延速度與可燃物、氣象條件的經驗公式，優勢在于計算簡單、響應速度快，但依賴特定區域的歷史數據，跨區域應用時需重新校準參數，適用于林型單一、氣候穩定的小型林區[4]。

第2類為物理模型，典型如FARSITE模型，基于燃燒動力學、熱傳遞和空氣流動的物理規律構建，能模擬火勢與環境的動態交互過程，對復雜地形（如山谷、陡坡）和多變氣象條件的預測精度較高，但計算復雜度大，需要輸入詳細的地形、植被和氣象數據，更適合用于重點林區的長期火險評估。

第3類為數據驅動模型，近年來隨著機器學習技術的發展逐漸應用，通過訓練歷史火災數據與多源環境數據（如衛星遙感、傳感器監測）的關聯關系，自動學習火勢蔓延的非線性特征。該類模型對多變量耦合作用的捕捉能力較強，在數據豐富的大區域林區表現突出，但需要大量高質量的訓練數據，且可解釋性較弱，目前多用于輔助驗證其他模型的預測結果。

2 森林火災蔓延模型的設計與驗證

2023年4月2日，某地發生森林火災[5]。該區域為中山地形，坡度25°～60°，海拔941.0～1276.4m，針葉林為主，可燃物載量大且干燥?；馂挠纱迕襁`規用火引發，當日14時被發現后逐級上報，鄉鎮15時啟動I級響應，縣級同步啟動Ⅲ級響應并成立前方指揮部，當日14時30分，縣級應急管理部門接到支援請求，21名消防隊員于當日15時40分抵達火場，因風力強、火勢猛，先勘察疏散，后撲救，當日21時明火撲滅，火災過火面積56.5903hm2，受災森林面積20.3253hm2，無重大損毀及傷亡。下面以該森林火災為案例，對森林火災蔓延模型構建進行研究。

2.1" 森林火災蔓延模型的設計

2.1.1" 模型構建的核心變量選取與數據來源

模型構建需首先明確核心變量并確定其數據來源。首先，初始火點位置是模型的起點參數，直接影響火勢擴散的初始方向，通常通過火場定位系統或目擊者報告結合衛星影像定位獲取。其次，可燃物載量反映單位面積內可燃燒物質的總量，主要通過林相圖矢量化分析與地面樣方調查綜合計算。再次，近地表風速與風向是驅動火勢蔓延的關鍵氣象變量，由分布于林區的自動氣象站實時監測，部分區域輔以無人機低空探測補充數據。最后，地形坡度與海拔通過數字高程模型（DEM）獲取，植被類型則基于遙感影像分類識別[6]。

這些變量間存在顯著的耦合關系：風速增大不僅直接加速火勢，還會通過降低空氣濕度間接提高可燃物易燃性；坡度增加會加劇熱對流，使上坡方向的火勢蔓延速度與可燃物載量的正相關性增強；而植被類型決定了可燃物的燃燒熱值，進而影響火勢對風速、坡度等變量的響應敏感度。

2.1.2" 基于多因素耦合的蔓延模型設計

為準確反映火勢動態，模型采用多因素耦合的模型框架，主要通過元胞自動機算法整合變量。該框架將林區劃分為規則的網格單元，每個單元存儲可燃物載量、坡度、當前溫度等屬性，時間步長設定為10min。

模型的實施過程分為3個階段：初期擴散階段，以初始火點為中心，根據近地表風速和坡度計算相鄰單元的引燃概率，優先擴散至順風、上坡方向的高可燃物單元。穩定蔓延階段，引入熱輻射模型，計算已燃單元對未燃單元的熱傳遞量，結合空氣濕度修正引燃閾值，形成持續的蔓延前鋒。衰減期階段，當單元可燃物消耗超過80%或遇到道路、河流等阻隔時，標記為熄滅狀態，同時降低相鄰單元的引燃概率[7]。通過這一動態迭代過程，模型能夠模擬火勢從點到面的擴張軌跡。

2.2" 模型驗證與誤差分析

以研究選擇的案例為驗證案例。該火災過火面積56.5903hm2，受災森林面積20.3253hm2，現場記錄了詳細的火點移動軌跡與過火邊界。將模型輸入參數（初始火點位置、可燃物載量、逐小時風速數據）與實際監測值匹配，模擬后，所得到的過火面積為54.021hm2，軌跡偏差最大處約20m，整體誤差率約3.5%。根據輸入的環境參數來識別核心區、次核心區和安全區，實現目標探查，生成偵查路徑，確保核心區覆蓋率≥98%[7]。

誤差主要來源于兩方面：一是數據精度限制，二是模型對微氣象的簡化處理。針對誤差，提出優化方向：在數據端，增加關鍵區域的地面樣方調查頻率，以提高可燃物載量精度；在模型端，引入基于地面傳感器的微氣象修正模塊，動態調整風速、濕度參數，提升復雜地形下的預測準確性。

3 滅火決策支持系統的設計邏輯與實踐優化

3.1" 決策支持系統的功能需求與模塊劃分

滅火決策支持系統的設計需直接響應滅火行動的核心需求，主要包括3方面：快速獲取火勢發展趨勢以提前預警、精準匹配可用消防資源以優化調度、動態推演不同撲救方案的效果以輔助決策。基于此，系統劃分為3個核心模塊：首先，火勢預測模塊，其輸入為蔓延模型輸出的火勢范圍、速度等動態數據，輸出為未來6～24h的火點移動軌跡與過火風險圖。其次，資源匹配模塊，輸入為消防隊伍位置、裝備數量、臨時水源點分布等實時數據，輸出為各風險區域可調配的資源清單。最后，方案推演模塊，輸入為前兩個模塊的輸出結果，通過對比不同撲救方式的資源消耗與控火效率，輸出3～5套備選方案及其預期效果。3個模塊通過數據接口實現聯動，火勢預測模塊為資源匹配提供目標區域，資源匹配結果又為方案推演提供約束條件，形成“預測-調配-驗證”的閉環邏輯。

3.2" 基于模型輸出的滅火策略生成邏輯

滅火策略的生成以蔓延模型的預測結果為基礎，結合消防資源分布數據，通過優先級排序與多方案對比完成，具體步驟如下：第一，確定保護優先級，明確關鍵設施和生態敏感區等重點區域；第二，識別火頭位置，鎖定對重點區域威脅最大的火頭；第三，匹配可用資源，統計火頭3km內的消防隊伍、裝備及水源點；第四，生成備選策略，根據火頭強度和資源條件，提出直接撲打、開設隔離帶、聯合撲救等策略；第五，評估可行性，計算各策略資源需求量和響應時間，篩選出資源可支撐、控火效率高的方案。

3.3" 系統應用場景與優化方向

系統的應用場景主要分為2類：一是高火險期的日常預警，通過實時接入氣象、植被含水率數據，結合蔓延模型預測未來3天的火險等級，為林區管理部門提供巡查重點區域建議；二是突發火災的應急響應，在火災發生后1h內輸出火勢蔓延軌跡與資源調配方案，輔助指揮中心快速決策。

研究所選案例的實際應用反饋顯示，仍存在兩方面局限：第一，高溫、閃電、雷擊等極端天氣會直接引發或間接加重火勢蔓延[8]；第二，部分偏遠林區的消防資源數據更新滯后，影響資源匹配準確性。針對上述問題，優化方向包括：引入移動氣象站，實時修正風速、風向數據，提升極端天氣下的預測精度；建立資源數據動態更新機制，要求一線人員通過移動端App上報資源狀態變化，確保數據時效性。

4 結束語

本研究通過系統分析森林火災蔓延的規律與影響因素，構建了多因素耦合的蔓延模型，完善了森林火災預測的理論框架，揭示了自然與人為因素對火勢的交互作用機制。在此基礎上設計的滅火決策支持系統，通過模塊聯動實現了從火勢預測到策略生成的閉環。與傳統單一模型或經驗決策相比，本研究更注重模型與系統的協同設計，強化了預測結果與資源調配的銜接。但研究仍存在一定問題，未來可通過引入實時微氣象修正模塊、建立資源動態上報機制進一步優化，為復雜條件下的林火防控提供更可靠支持。

參考文獻

[1]全國綠化委員會辦公室.2022年中國國土綠化狀況公報[EB/OL].https：//www.gov.cn/xinwen/2023-03/20/content_5747510.htm

[2]高明，程春香，張永成，等.一次春季特大森林火災在伊春市迅速蔓延的影響因子分析[J].黑龍江氣象，2019（4）：27-29.

[3]中國氣象局.中國氣象局2023年5月發布會[EB/OL].https：//www.cma.gov.cn/wmhd/2011wzbft/2011wzxzb/xwfbh_2305/index.html

[4]王博，楊雪清，蔣春穎，等.北京山區森林火災蔓延風險評估[J].生態學報，2025，45（2）：813-821.

[5]隆林各族自治縣德峨鎮三沖村來中屯“4·2”森林火災等6起森林火災調查報告[EB/OL].http：//www.gxll.gov.cn/xxgk/zdlyxxgk/shgysy/aqsc/ajsgdjbg/t17248290.shtml

[6]李鵬，岑麗婷，李思妍，等.森林火災風險評估與管理策略研究[J].今日消防，2025，10（3）：71-73.

[7]詹靜嵐.針對福建地區森林火災“三斷”場景的多模態應急通

信機器人協同路徑規劃與部署優化[J].今日消防，2025，10（3）：

13-15.

[8]王詩鏑.貴州省森林火災致災因素及應對策略研究[J].今日消防，2024，9（8）：10-12+125.