基于聚類分析法的我國森林火險等級區(qū)劃研究

趙鵬武，武峻毅，張恒

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學林學院，呼和浩特 010019)

森林火災突發(fā)性強，破壞性大，對森林資源和林區(qū)人民生命財產(chǎn)安全造成極大威脅。由溫室效應加劇導致的可燃物含水率降低與林火蔓延速度加快是我國森林火災頻繁發(fā)生的原因之一。森林火災給我國生態(tài)環(huán)境、經(jīng)濟發(fā)展帶來了巨大的負擔。如我國1987年大興安嶺火災，火場面積達100萬hm2，焚毀木材85萬m3，當?shù)亟?jīng)過20年不斷經(jīng)營和保護，動植物才得以恢復。森林火災已對我國社會經(jīng)濟和生態(tài)安全造成嚴重威脅，因此研究我國森林火險等級區(qū)劃很有必要[1-2]。

森林火險等級區(qū)劃是對可燃物類型、火環(huán)境和火源等因子的綜合區(qū)劃，使預防森林火災措施建設和森林防火管理有的放矢[3]。20世紀80年代，國家火災危險等級系統(tǒng)(NFDRS)在美國投入使用，是世界上最完善、應用最廣泛的系統(tǒng)之一，為美國野火控制和滅火提供指南[4]。Jaiswal等[5]利用衛(wèi)星數(shù)據(jù)和GIS對印度中央邦的Gorna Subwatershed地區(qū)進行森林火險區(qū)劃，提高了當?shù)氐姆阑鹉芰ΑＮ覈痣U區(qū)劃研究相對較晚，孫立研等[6]以深度信念網(wǎng)絡為模型，將氣象因子作為輸入模型，對森林火災進行了預測，并且預測結果較傳統(tǒng)預測模型的結果更加精準。李童瑤等[7]利用聚類分析法對福建省建立火險區(qū)劃，分析了該省的森林火災發(fā)生因素。蘇立娟等[8]利用PCA、聚類分析和風險分析對全國森林火災的時空分布特征和風險狀況進行研究，提高了我國綜合森林防火能力。張恒等[9-10]利用小波分析法對我國草原火災進行了預測，利用主成分聚類分析法分析了我國華北地區(qū)森林火災的時空分異特征，并將華北劃分為3個風險區(qū)，還討論了群死群傷火災在火災形式中的作用。張冬有等[11]采用統(tǒng)計分析和空間分析法分析了黑龍江省森林火災的發(fā)生原因和發(fā)展規(guī)律，為黑龍江的防火工作提出了建議。

由于我國森林資源分布不均，氣候條件不同，植被類型豐富多樣，人文環(huán)境差異明顯，因而導致森林火災風險程度不同，可見對我國進行準確的評估并劃分森林火險等級尤為重要。筆者以2003—2018年我國森林火災數(shù)據(jù)為研究對象，對全國森林火災的時空分布和動態(tài)變化進行研究，旨在為我國森林火災預測預報和研究管理工作提供參考。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本研究所有數(shù)據(jù)來源于2004—2019年《中國統(tǒng)計年鑒》，其中包括森林火災(一般、較大、重大和特大森林火災)起數(shù)、火場面積、受害森林面積、傷亡人數(shù)和經(jīng)濟損失5項火災統(tǒng)計指標。1988年版本實施的《森林防火條例》中：森林火警是指受害森林面積不足1 hm2，或者其他林地起火的；一般森林火災是指受害森林面積在1 hm2以上不足100 hm2的；2009年新修訂的《森林防火條例》對火災級別重新進行了界定：一般森林火災是指受害森林面積在1 hm2以下或者其他林地起火的，或者死亡1人以上3人以下的，或者重傷1人以上10人以下的；較大森林火災是指受害森林面積在1 hm2以上100 hm2以下的，或者死亡3人以上10人以下的，或者重傷10人以上50人以下的；為了統(tǒng)計分析的方便，2009年之前的“森林火警”和“一般森林火災”指標按修訂后用法分別稱為“一般森林火災”和“較大森林火災”[8]。

1.2 研究方法

1.2.1 聚類分析法

聚類分析法(cluster analysis)是一種建立分類的多元統(tǒng)計分析方法，它能夠將一批樣本(或變量)數(shù)據(jù)根據(jù)其諸多特征，按照性質上的親疏程度在沒有先驗知識的情況下進行自動分類，產(chǎn)生多個分類結果[7]。

本研究采用系統(tǒng)聚類法，它是先將所有樣本各自看成一類并規(guī)定樣本與樣本之間的距離和類與類之間的距離[12]。

由于各個火災指標量綱不同，數(shù)值大小差異較大，所以研究中先將數(shù)據(jù)進行標準化處理，再采用歐拉距離來計算類與類之間的距離，從而分類。

(1)

(2)

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

1.2.2 數(shù)據(jù)分析與處理

研究中用Excel 2010軟件將我國30個省市區(qū)的森林火災(一般、較大、重大和特大森林火災)起數(shù)、火場面積、受害森林面積、傷亡人數(shù)和經(jīng)濟損失進行處理統(tǒng)計，然后再分析其時空特征。用SPSS 23.0軟件進行聚類分析，使用系統(tǒng)聚類法聚類得出譜系圖、聚合系數(shù)和分類數(shù)。將聚合系數(shù)和分類數(shù)利用Origin 2017制作出關系曲線圖。

2 結果與分析

2.1 全國森林火災時空分布特征

2.1.1 時間分布特征

2003—2018年我國森林火災數(shù)據(jù)統(tǒng)計結果見表1。整體來看，森林火災起數(shù)隨時間略有起伏，但總體呈下降趨勢。2003—2018年我國共發(fā)生森林火災111 433起，年均6 964.6起，年均過火面積可達205 592.44 hm2，年均傷亡人數(shù)98人。有研究表明[13]，森林火災傷亡人數(shù)高與氣候干旱有極大的關系，在干旱條件下，發(fā)生森林火災的概率增加，且火勢兇猛，撲救難度大，而旱災在我國頻繁發(fā)生，造成消防官兵以及當?shù)孛癖妭雎瘦^高。美國對森林防火認識更早，政策和技術更加先進，2003—2012年，美國共發(fā)生770 994起森林火災，僅造成129人死亡，對比于同一時期的我國，春季發(fā)生的火災就造成511人死亡[14]。由此看出我國森林火災發(fā)生比較頻繁，且造成損失很大。2008年發(fā)生的森林火災起數(shù)最多，2016年發(fā)生的森林火災起數(shù)最低，并在此期間森林火災發(fā)生起數(shù)在2003—2008年普遍較高，而后呈下降趨勢，尤其在2015—2016年下降顯著。森林火災發(fā)生起數(shù)可以反映一個地區(qū)或國家森林火災發(fā)生的頻繁程度，上述變化表明我國林火管理水平在提高，森林火災發(fā)生率在降低。至2010年前，我國重大、特大森林火災發(fā)生頻繁，導致過火面積和受害林面積不斷增加。近十幾年我國森林火災主要是一般火災和較大火災，重大和特大森林火災很少發(fā)生。2007年、2008年、2011年、2012年、2013年、2015年和2016年這7個年份全年無特大火災，使過火面積和受害林面積得到有效控制。

表1 2003—2018年我國森林火災發(fā)生情況統(tǒng)計Table 1 Data of forest fires in China from 2003 to 2018

森林火災火場總面積和受災林面積在2003年均達到最大值，之后下降顯著，在2007年達到極小值之后又有所上升，在2009年達到極大值，2010年之后一直呈遞減趨勢。過火面積和受害林面積總體呈下降趨勢，這與重大和特大森林火災起數(shù)的下降有較大相關性，但是誘發(fā)森林火災的原因復雜，還要考慮起火地點、森林燃燒類型、蔓延時間和撲救措施等相關因素。傷亡人數(shù)在2004年達到最高，直到2010年后才開始減少，呈現(xiàn)的規(guī)律性和重大、特大森林火災起數(shù)規(guī)律相似。而導致經(jīng)濟損失變化原因則更加復雜，沒有顯示出規(guī)律性，只與火災起數(shù)有一定相關性，這可能是本研究收集到的數(shù)據(jù)并不完善，或者涉及森林保險和賠償?shù)葐栴}。

2.1.2 空間分布特征

2003—2018年全國森林火災空間分布統(tǒng)計結果見表2。可知，湖南省森林火災起數(shù)和傷亡人數(shù)均為全國第一，并且這兩組數(shù)據(jù)顯著高于我國其他省市自治區(qū)。黑龍江省森林火災起數(shù)不多，但森林火災火場總面積和受害林面積分別為1 712 291.69和724 807.33 hm2，比其他省市自治區(qū)高出一個量級。原因是黑龍江省特大森林火災發(fā)生起數(shù)最多，而特大森林火災危險性大，撲救難度大，所以造成受害林面積和過火面積廣。內(nèi)蒙古自治區(qū)與黑龍江省有相似特點，該自治區(qū)也易發(fā)生重大和特大森林火災，過火面積和受害林面積很大。此外，浙江、福建、江西、河南和湖北省的森林火災總起數(shù)高于全國平均起數(shù)，火場面積和經(jīng)濟損失較大，火災危險性較高。廣西、四川、貴州和云南為西南地區(qū)森林火災頻發(fā)省市自治區(qū)，原因可能是氣候變暖造成干旱，造成火災起數(shù)突增，火災損失增加[15]。北京、天津、河北、山西、遼寧、吉林、江蘇、安徽、廣東、海南、重慶、西藏、陜西、甘肅、青海、寧夏、新疆各項森林火災數(shù)據(jù)相對較低。

我國森林火災的空間分布，顯示出森林火災主要分布在東北和南方一些地區(qū)，其他地區(qū)與之相比森林火災起數(shù)發(fā)生較少。

表2 2003—2018年我國森林火災空間分布Table 2 Spatial distribution of forest fires in China from 2003 to 2018

2.2 我國森林火險區(qū)劃建立

由于各個火災指標的量綱不同，數(shù)據(jù)大小差異較大。將數(shù)據(jù)標準化處理后得到Z分數(shù)，然后將Z分數(shù)利用SPSS 23.0軟件進行分析求解。

計算后得到2003—2018年全國30個省市自治區(qū)(除港澳臺地區(qū)和上海市)8項火災指標(一般起數(shù)、較大起數(shù)、重大起數(shù)、特大森林起數(shù)、火場面積、受害森林面積、傷亡人數(shù)和經(jīng)濟損失)利用Z分數(shù)標準化處理的聚類數(shù)據(jù)。過程使用SPSS 23.0軟件進行系統(tǒng)聚類。聚類系數(shù)隨分類數(shù)變化曲線如圖1。由圖1可以看出，分類數(shù)為10時，曲線變化平緩，能滿足聚類的要求[16]；因此，將2003—2018年數(shù)據(jù)變量分為10等，聚類結果見圖2。按照10類劃分方法，在樹狀圖約2的位置向下切割，切割線每相交一條樹樁線即分為一類。最終分類結果見表3。

圖1 聚合系數(shù)隨分類數(shù)變化曲線Fig. 1 Cluster coefficient curve with the change of number of classifications

圖2 聚類分析樹譜系圖Fig. 2 Cluster analysis dendrogram

表3 全國森林火災形式分級Table 3 National forest fire classification

森林火災發(fā)生可能性依據(jù)森林火險區(qū)劃的劃分。從聚類結果來看，內(nèi)蒙古、黑龍江、浙江、福建、江西、湖南、廣西、四川、貴州和云南級別高于我國其他地區(qū)，說明這些省市自治區(qū)與其他相比森林火災頻發(fā)，且火災造成的災害對環(huán)境影響也高于其他地區(qū)。由聚類結果可知，黑龍江省的火險等級最高，達12級。黑龍江省受森林火災危害最嚴重，其社會環(huán)境的復雜性和森林防火管理體制的不健全是發(fā)生森林火災的兩大重要原因[17]。由于黑龍江省是整個東北乃至華北地區(qū)的生態(tài)屏障，故對黑龍江林區(qū)的森林火災進行科學指導及預防撲救工作十分迫切[11]。

浙江、福建、江西、湖南、廣西、四川、貴州和云南森林火災發(fā)生起數(shù)皆居高不下，火災危險性總體較高。2003—2018年湖南省森林火災發(fā)生起數(shù)居全國第一，火險等級僅次于黑龍江省，達11級，火災級別多為一般和較大火災，多由人為因素造成[18]故傷亡人數(shù)及經(jīng)濟損失巨大。浙江、福建、江西、四川、廣西、貴州和云南易發(fā)生重大和特大森林火災，火險等級都在5級以上，受災程度比低火險地區(qū)大。

將16年森林火災數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)聚類分析，得到16種聚類結果。這16種聚類結果中，最多將數(shù)據(jù)變量分為12等，所以可用12種等級反映受災強度。這16種聚類結果反映在全國地圖上，揭示我國森林火災的時間和空間分布的年變化。

從2003—2018年火險區(qū)劃時空分布圖來看，16年間我國森林火險等級下降不明顯，最低等級只由7級降到5級，說明我國森林火災危險性并未降低，火災形式依舊嚴峻。并且森林火險等級隨時間呈現(xiàn)不穩(wěn)定波動，說明我國受森林火災影響嚴重。其中2008年我國火險等級最高，全國火險等級在8級以上，這是因為2008年我國共發(fā)生14 144 起森林火災，是2003—2018年森林火災發(fā)生最多的一年。聚類結果顯示黑龍江省火險等級從12級變?yōu)榈搅?級，說明黑龍江省森林火災防治能力得到相應改善，近些年森林火災起數(shù)減少，受災嚴重程度降低。此外，內(nèi)蒙古的火險等級不僅居高不下還有上升趨勢，且聚類結果浮動明顯，說明該自治區(qū)易發(fā)生森林火災，并且火災發(fā)生時火勢兇猛。天津、北京和重慶等經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)火險等級一直為全國最低，環(huán)境受火災影響最小。我國南方如福建、江西、湖南、四川、貴州、云南和西藏等省市自治區(qū)隨時間變化呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性[19]。就2009—2016年來說，火險等級上下浮動，這可能是由于氣候變暖，造成區(qū)域性干旱，影響了當?shù)氐幕痣U因子。

3 討 論

從上述對我國森林火災的分析來看，森林火險等級的差異性主要表現(xiàn)為內(nèi)蒙古、黑龍江和南方一些省市自治區(qū)與其他省市區(qū)的差異。以下主要對部分高火險地區(qū)進行討論：根據(jù)我國2003—2018年森林火災形勢級別空間分布可知，內(nèi)蒙古的聚類結果浮動不穩(wěn)定，主要是因為內(nèi)蒙古近些年火險等級較高，并且森林火災發(fā)生數(shù)量持續(xù)上升。并通過統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，近些年內(nèi)蒙古森林火災起數(shù)和火場面積呈負相關，這可能由于我國氣候變暖，大部分地區(qū)呈減濕趨勢造成干旱，使可燃物含水率下降，導致植被易燃，林火發(fā)生概率增大[20-21]，氣候變暖也導致平均風速下降，所以大面積森林火災不易發(fā)生，這也是我國大部分地區(qū)森林火災發(fā)生的背景。此外，黑龍江省聚類結果隨年際變化很大，是東北地區(qū)乃至我國受森林火災影響最嚴重的省份。導致此結果的很大一部分原因是我國的防火政策對東北林區(qū)的反作用，使得可燃物載量增大、火強度和火災類型發(fā)生了改變[22]。

我國南方一些省市自治區(qū)森林火災受災程度也較大，例如福建、湖南、貴州、四川、廣西和云南省在2013—2018年間聚類結果均出現(xiàn)不穩(wěn)定變化，受災程度均在5級以上，最高達12級。浙江、湖南、貴州和云南等省份傷亡人數(shù)高于其他省市自治區(qū)，這與森林火災起數(shù)有直接聯(lián)系，其次氣候與地形對撲火不利也會造成人員傷亡。我國西南東南地區(qū)常遭遇干旱，且復雜的山川地形易造成爆燃，再加上我國專業(yè)化森林消防隊伍建設和森林消防技術裝備落后，導致?lián)浠痣y度大，撲火隊員傷亡率高，也有多項研究結果證明了這一觀點[13-14]，這也是2009—2010年南方一些省市自治區(qū)聚類結果浮動較大的主要原因之一。其中，湖南、貴州和福建省的林火發(fā)生特點比較有代表性。湖南省林火發(fā)生規(guī)律說明林區(qū)管理以及當?shù)胤阑鹉芰σ仓苯佑绊懼垲惤Y果[23]。湖南省森林火災受災嚴重程度呈集中趨勢，有些森林資源分布多的地區(qū)卻不容易發(fā)生火災，這與當?shù)氐姆阑鹉芰γ懿豢煞帧８＝ㄊ∩植『α謽I(yè)的影響大于森林火災[24]，森林火災的頻繁發(fā)生也可能是因為難燃樹種受病害的影響后變得易燃或喪失了防火能力。而貴州省由人為因素造成的森林火災占所有因素造成火災的80%左右，所以加大對貴州省防火宣傳教育是十分重要和迫切的。

整體來說，我國森林火災比較嚴重。我國生態(tài)系統(tǒng)還比較脆弱，人類頻繁活動和氣候影響是造成災害的主要原因。我國幅員遼闊，氣候、森林類型、地形、人文環(huán)境復雜多樣，一種統(tǒng)計分析方法很難適用于所有地區(qū)。而本研究利用聚類分析法分析了近年來我國森林火災數(shù)據(jù)，探究了我國森林火災的時空變化規(guī)律，明確指出了我國林火影響嚴重的地區(qū)。但由于森林火災發(fā)生原因復雜，今后的相關工作可以從人文環(huán)境和氣候變化入手，以提高森林火災預測預報的精準度。

4 結 論

本研究依據(jù)8項火災指標進行分析，研究我國森林火災的動態(tài)變化。結果表明，我國森林火災發(fā)生總起數(shù)隨時間變化呈下降趨勢，具有明顯的空間差異性。我國內(nèi)蒙古、黑龍江和湖南等10個省市區(qū)火險等級高于其他地區(qū)。其中，湖南省森林火災起數(shù)和傷亡人數(shù)最多，黑龍江省火場面積和受害林面積最多，是其他省市自治區(qū)的10倍或百倍。通過聚類分析按受災強度可將我國各省市自治區(qū)劃分為10類，第1類地區(qū)受災最輕，第10類地區(qū)受災最嚴重。北京、天津等省市自治區(qū)為第1類，河南和湖北為第2類，江西、云南和廣西為第3類，浙江省為第4類，貴州省為第5類，福建省為第6類，四川省為第7類，內(nèi)蒙古為第8類，湖南省為第9類，黑龍江省為第10類。

本研究認為火險區(qū)劃是制定森林防火政策和森林保險行業(yè)發(fā)展的基礎，細致的等級劃分可以更加積極地推動森林生態(tài)和森林經(jīng)濟提高的發(fā)展，也能更有效地為森林預測預警工作提供數(shù)據(jù)支持，更大程度地減少受災損失。