內蒙古大興安嶺森林火險等級評價與區劃研究

趙鵬武葛晨赫王嘉夫周 梅陳曉蕾張 恒

（1.內蒙古農業大學林學院，內蒙古 呼和浩特 010019；2.內蒙古大興安嶺林業科學技術研究所，內蒙古 呼倫貝爾 022150；3.鄭州植物園，河南 鄭州 450042）

火是森林生態系統重要的自然驅動力，決定著系統的結構和功能[1]。森林火災是一種突發性強、破壞性大、處置救助較為困難的自然災害。森林火險區劃是指在森林可燃物分類的基礎上，結合其他火環境，將林內區域劃分為不同危險等級，從而更好地進行林火管理[2]。森林火險等級評價及火險區劃研究是森林防火策略制定的重要依據。美國、澳大利亞、加拿大等發達國家對森林火險等級評價與火險區劃很早就進行了有針對性的研究，且技術趨于成熟。代表性的林火預報與評估系統有加拿大森林火災天氣指標系統（CFFWIS）[3]、美國森林火險等級系統（NFDR ES）[4]和歐洲林火系統（EFFTS）[5]。

國內外學者已經發表的相關研究成果對其他地區的火險等級評價和火險區域的劃分有著重要的借鑒意義。Jaiswal等[6]以印度得亞邦地區為研究對象，以衛星數據作為參考，將GPS作為工具，劃分出該地區的森林火災危險區。Chuvieco等[7]利用遙感以及GIS等不斷更新的地理科技探測工具和相關理論，總結了新的森林火險區劃方法。郭懷文等[8]通過參考福建省三明地區2000年至2009年間森林火災發生的相關數據，采用聚類分析方法，針對該地11個區縣劃分了森林火險等級；鄧歐等[9]借助RS和GIS技術，以黑龍江省從2000年起10年間的森林火災發生的時間及林火影響因子的空間數據為基礎，構建Logistic林火風險模型，從較大的時間和空間尺度上進行森林火險區劃。譚三清[10]將廣州市作為研究對象，用聚類分析法對相關森林火險區劃數據加以歸納梳理，將不同類型的火險區劃分出來。王華麗[11]針對國內各省森林火災風險，綜合運用了因子及聚類分析法進行不同等級的劃分。張恒等[12-13]運用數理統計及聚類分析的方法，對內蒙古巴林右旗各個蘇木鄉鎮及赤峰市進行了森林火險等級評價并完成了火險區劃。包興華[14]根據內蒙古大興安嶺地區近60年的火災資料，分析了火災發生的時間變化規律和空間變化規律。

內蒙古大興安嶺是我國最北部邊疆唯一的寒溫帶針葉林區，生態功能區面積、有林地面積、森林蓄積等均居全國國有林區之首[15-16]。其與俄羅斯、蒙古邊境線長達440 km，區內林草、林木相連，林農交錯，火源管理難度大，且林內雜草生長旺盛，地被物厚且容易燃燒，極易發生森林火災。本研究以內蒙古大興安嶺地區為研究對象，利用森林火險等級評價及聚類分析2種方法，對該地區進行森林火險等級評價并完成火險區劃，為當地林業局及相關管理部門在森林火災的管控和相關資源調配方面做出理論上的防范預案，使相關部門在進行工作時能夠有所參考。

1 研究區概況

內蒙古大興安嶺重點國有林區（圖1）位于東經119°36′26″～125°24′10″，北緯47°03′26″～

53°20′00″[17]，海拔高度425～1 760 m[16]，總面積

約1.07×107hm2，是我國四大國有林區之一。林區地處高緯地帶，南北跨7°，地域遼闊，是中國最大的集中連片的國有林區[18]。內蒙古大興安嶺地區屬寒溫帶大陸性季風氣候，全年平均氣溫

?4～?2 ℃，≥10 ℃積 溫1 100～2 000 ℃。冬 季

（平均氣溫＜10 ℃）長達9個月，夏季（平均氣溫≥22 ℃）不超過1個月。全年降水量在350～500 mm之間，相對濕度70%～75%。積雪期5個月之久，無霜期80 d[19]。林區主要以草甸土、棕色針葉林土、沖積土、暗棕壤、沼澤土和灰色森林土等土壤類型為主[20-21]。

圖 1 內蒙古大興安嶺各林業局行政區劃Fig.1 Administrative divisions of each forestry bureau in Daxing'an Mountains,Inner Mongolia

2 研究方法

2.1 森林火險等級評價方法

根據內蒙古大興安嶺重點國有林管理局防火辦公室、氣象局、交通局等部門提供的內蒙古自治區大興安嶺20個林業局及1個管護局的樹種燃燒類型、人口密度、防火期平均降水量、防火期平均氣溫、防火期平均風速、路網密度6項火險因子數據，運用森林火險等級評價方法計算出森林火險因子的權值之和（森林火險區劃單位根據區劃地區各項火險因子的實際數值與表1中的級距對號，并把相應的權值累加，得出權值之和）以及3項綜合得分值（第1項綜合得分值＝有林地、灌木林地與未成林造林面積之和×火險因子權值之和；第2項綜合得分值＝活立木蓄積量×火險因子權值之和；第3項綜合得分值＝有林地、灌木林地與未成林造林面積之和與該地區總面積之比×火險因子權值之和），根據3項綜合得分值，對照行業標準中的火險等級閾值表（表2）的標準分值，取其中對應值高的火險等級作為該地區的森林火險等級[14]。

表 1 森林火險因子權重表Table 1 Weight of forest fire risk factor

表 2 火險等級閾值表Table 2 Threshold of fire danger rating

2.2 聚類分析法

聚類分析方法即利用數學方法反映出把變量（樣品或指標）由其相應的某些特性加以歸納分類后其不同個體間的關系圖譜[22]。使用的系統聚類是將每個樣品分成若干類的方法，也是目前最常用的聚類方法之一。

造成森林火險的原因多種多樣，其因子量綱也有較大差異，這尤其表現在各數據的大小上，故而標準化處理是不可缺少的首要一步，然后再進行針對性的分類。本研究中的數據需經過標準化處理，先把每一列的數據值減掉均值，再用得出的數據值除以標準差。即：

對得出的公式加以變換，可以得到每一列數值的平均值是0，而方差為1。經過歐式距離加以計算，即：

式中： EUCLID(x,y)為樣本之間的距離；k為指標個數；i為指標次序；x、y為樣本，xi是 個體x的第i個變量的變量值，yi是個體y的 第i個變量的變量值。

根據不同樣本間的距離，逐一把距離最小的樣本歸為一類，從而連接出聚類分析圖。

2.3 數據分析

本研究采用Excel 2010軟件進行數據處理，根據整理好的有關人口密度、路網密度、氣象因子差異等數據用Origin 2018軟件繪制該地區各相應曲線，運用SPSS 21.0統計分析軟件，按照經過標準正態變換后的指標體系的歐式距離[23]，以內蒙古大興安嶺各行政區劃的原始火線數據為基準，選取路網密度和總面積進行聚類，得出聚合系數隨分類數變化曲線。

3 結果與分析

3.1 森林火險等級評價

3.1.1 火險因子分析

1）樹種燃燒類別。在內蒙古大興安嶺林區植被中，興安落葉松占絕對優勢，主要包括杜香（Ledum palustre）?興安落葉松（Larix gmelinii）林、杜鵑（Rhododendron simsii）?興安落葉松（Larix gmelinii）林等12種林型[24]。落葉闊葉林主要有白樺（Betula platyphylla）林、岳樺（Betula ermaniivar.ermanii）林、蒙 古 櫟（Quercus mongolica）林、山楊（Populus davidiana）林、鉆天柳（Chosenia arbutifolia）林、甜楊（Populus suaveolens）林。灌木有杜鵑和杜香等[25]。這些樹種的蓄積量占各地區總蓄積量的55%以上，且燃燒類別均為可燃類（其中蒙古櫟為易燃類）。

2）人口密度狀況。通過對內蒙古大興安嶺20個林業局及1個管護局的人口調查與土地面積的相關統計報告分析，人為因素對森林火災的發生發展影響相對較大，由圖2可知，人口密度最高的區域為甘河，所以當地的森林火險指數表現的尤為突出；阿爾山、綽源、綽爾、烏爾旗漢、圖里河、庫都爾、伊圖里河、克一河、阿里河、吉文、阿龍山、金河、滿歸、莫爾道嘎、得爾布爾、根河等林業局人口密度相對較低，對森林的人為干擾相對較低，因此森林火災危險性相對較低；而大楊樹、北大河、畢拉河、管護局人口密度最低，人為因素對森林影響最小，故這些地區的森林火險指數最低。

3）路網密度狀況。通過對內蒙古大興安嶺20個林業局及1個管護局公路數據加以梳理[26]。結果發現造成路網密度各不相同的原因較多，其中主要原因是不同地區的經濟發展程度各不相同，土地面積總量有較大差異，且人口數量差異更為明顯。森林火災的危險性大小同時取決于路網密度的高低，由圖3可知，阿龍山的森林火災危險性最高，大楊樹的森林火災危險性最低。

4）氣象因子狀況。根據2015年內蒙古大興安嶺20個林業局及1個管護局防火期內3項氣象因子的月平均數據梳理得出，阿里河森林火災危險性較高，管護局森林火災危險性較低，其他林業局森林火災危險性中等（圖4）。

圖 2 內蒙古大興安嶺各林業局及管護局人口密度狀況Fig.2 Population density of each forestry bureau and management bureau in Daxing'an Mountains,Inner Mongolia

圖 3 內蒙古大興安嶺各林業局及管護局路網密度狀況Fig.3 Road network density of each forestry bureau and management bureau in Daxing'an Mountains,Inner Mongolia

圖 4 內蒙古大興安嶺各林業局及管護局氣象因子差異Fig.4 Differences of meteorological factors among different forestry bureaus and management bureaus in Daxing'an Mountains,Inner Mongolia

3.1.2 森林火險因子權值之和

根據對內蒙古大興安嶺20個林業局及1個管護局的6項火險因子數據分析，對比該標準，計算各項權值然后進行求和，結果見表3。

表 3 內蒙古大興安嶺各林業局及管護局火險因子權值之和Table 3 Sum of weights of fire risk factors of each forestry bureau and management bureau in Daxing'an Mountains,Inner Mongolia

3.1.3 綜合得分值計算

通過對內蒙古大興安嶺20個林業局及1個管護局的6項火險因子數據進行歸納計算，由其權值得出3項綜合得分值。由圖5可知，第1項綜合得分值最高為管護局、最低為綽源、得爾布爾、北大河等3個林業局，比較行業標準的同一數據值，低于0.2～5.3，表示其相應的發生林火造成危險的可能性較小；5.3～65.1，表示發生林火造成危險的可能性中等；大于65.1，表示發生林火造成危險的可能性最大。造成這一差異原因主要在于防火期平均氣溫和路網密度2項火險因子所得權值的不同。第2項綜合得分值最高為莫爾道嘎林業局，最低為伊圖里河、克一河、管護局，比較行業標準的同一數據值，小于256.4，表示其相應的發生林火造成危險的可能性較小；256.4～856.9，表示發生林火造成危險的可能性中等；大于856.9，表示發生林火造成危險的可能性最大。造成這一差異的原因主要在于各林業局及管護局的活立木蓄積量不同。第3項綜合得分值的最高為綽爾、阿里河等兩個林業局、最低為大楊樹、北大河等兩個林業局，根據行業標準的同一數據值來看，小于43，表示其相應的發生林火造成危險的可能性較小；43～72表示發生林火造成危險的可能性中等；大于72，表示發生林火造成危險的可能性最大。造成這一差異的原因主要在于各個林業局的土地面積不同以及灌木林地、未成林造林地和各林地面積之和的不同。根據國家對森林火險等級評價有關規定取3項綜合得分值中的1項對應火險等級最高的，作為各林業局及管護局最終的森林火險等級。

圖 5 內蒙古大興安嶺各林業局及管護局3項綜合得分值Fig.5 Three comprehensive scores of each forestry bureau and management bureau in Daxing'an Mountains,Inner Mongolia

3.1.4 森林火險等級

根據行業標準得出森林火險等級,進而完成火險區劃。火險等級Ⅱ級是森林火災危險性中，易燃、易蔓延，以橙色表征；火險等級Ⅰ級是森林火災危險性高，表現為極易燃燒及蔓延，以紅色表征。由圖6可知，伊圖里河的火險等級屬于Ⅱ級，其他地區火災危險等級屬于Ⅰ級（相應權值見圖6）。

3.2 森林火災危險性分析

由圖7知，分類數值對應5的時候，符合聚類要求。由聚類分析結果（圖8）可將此地區的火災危險性分為5類，金河火災危險性最高，為聚類1；綽源、得爾布爾火災危險性次之為聚類2；甘河、阿龍山、克一河、吉文、北大河、圖里河、滿歸、阿爾山、庫都爾、綽爾、伊圖里河、阿里河火災危險性高為聚類3；根河、莫爾道嘎、畢拉河、烏爾旗漢火災危險性較低為聚類4；大楊樹、管護局火災危險性最低為聚類5。

圖 6 內蒙古大興安嶺火險等級Fig.6 Fire risk rating of Daxing'an Mountains,Inner Mongolia

圖 7 聚合系數隨分類數變化曲線Fig.7 Cluster coefficient curve with the change of number of classifications

由聚類結果得到內蒙古大興安嶺各行政區劃森林火災危險性分布（圖9）。對各林業局原始數據和區域概況進行分析可得，聚類1和2的區別主要是活立木總蓄積量差異過大，而聚類1與3的不同集中體現于2個聚類的活立木蓄積量及防火期平均風速相差較大，聚類1與4的不同集中體現于防火期平均氣溫、防火期平均風速、活立木蓄積量不同，聚類1和5的主要區別是人口密度不同，聚類2和3的區別主要是防火期平均氣溫、防火期平均風速不同，聚類2和4是由于防火期平均降水量存在差異，聚類2與5的不同集中體現于人口分布的密集度、防火期的溫度均值、路網密度相差較多，聚類3和4的不同是由于防火期平均氣溫、路網密度不同，聚類3和5的不同是由于人口密度、防火期平均氣溫、路網密度之間有差異，聚類4和5的不同主要是因為人口密度、防火期平均氣溫和有林地、灌木林地、未成林造林地面積的差異過大。

圖 8 聚類分析圖Fig.8 Cluster analysis

圖 9 內蒙古大興安嶺森林火險危險性Fig.9 Forest fire risk rating in Daxing'an Mountains,Inner Mongolia

4 結論與討論

本研究以內蒙古大興安嶺地區為研究對象，利用森林火險等級評價及聚類分析2種方法，對該地區進行森林火險等級評價并完成火險區劃，結論如下：

1）由行業標準的相關判別依據，內蒙古大興安嶺森林火險等級結果評價為：伊圖里河的森林火險等級為Ⅱ級，其他地區的火險等級是Ⅰ級。

2）以內蒙古大興安嶺的森林火險等級評價將該地分類為2個火險區：伊圖里河是中等火險區（占總面積3.97%），而其他地區為高等火險區（占總面積96.03%）。

3）按照聚類分析結果，把內蒙古大興安嶺分成5個火災危險性不同的區域：金河火災危險性最高（占總面積6.04%）；綽源、得爾布爾火災危險性較高（占總面積5.49%）；甘河、阿龍山、克一河、吉文、北大河、圖里河、滿歸、阿爾山、庫都爾、綽爾、伊圖里河、阿里河火災危險性高（占總面積46.77%）；根河、莫爾道嘎、畢拉河、烏爾旗漢火災危險性較低（占總面積22.97%）；大楊樹、管護局火災危險性低（占總面積18.73%）。

森林火險等級的劃分，要考慮人為因素給其造成的影響，包括森林火險等級公式的表現方式、防火期強燃級天數的確定等[27]。雖然森林火險等級能較細致清晰地描述該日森林火災發生可能性，但造成森林火災發生因素還主要取決于火源的相關情況以及林內可燃物的分布狀況；通過對已有的森林火災相關狀況及數據進行統計分析，可以根據歸類不同來進行森林火險等級劃分，并根據已有案例來驗證劃分的準確性，盡管與實際情況有著一定差異，但其所得的林火可能發生的概率，仍有較大的參考價值。另外針對此類情況，建議相關部門可以構建氣象信息共享系統（CIMISS）[28]，進而同森林火災數據庫相互聯系并使其能夠及時得到數據更新，實現更為精確預警森林火災的目的，從而更好的劃分森林火險等級[27]。

本研究基于內蒙古大興安嶺各行政區樹種燃燒類別、人口密度、路網密度、防火期月平均降水量、氣溫、以及風速等6項火險因子數據，經過森林火險等級評價方法和聚類分析方法將該地區劃分為2個火險等級、5個火險區。本研究結論的得出，有助于內蒙古大興安嶺地區有針對性的加大對防火基礎設施建設的投入，也使得處于高火險區的林業局更加關注森林防火與林火發生的火源管控、搶險救援團隊的培養、相關護林科技新設備的研究和使用等角度更加全面地、有針對性地進行管控，努力實現森林防火由被動撲火向主動預防的轉變[29]。