王 博 楊雪清 蔣春穎 劉 冬 陳 鋒 白 夜 劉曉東
(1. 北京林業大學生態與自然保護學院 森林草原火災風險防控應急管理部重點實驗室 北京 100083;2. 國家林業和草原局林草調查規劃院 北京 100013;3. 北京市延慶區園林綠化監測中心 北京 102100)
森林火災發生危險是指林火發生的可能性,蔓延危險是指林火蔓延的可能性,蔓延風險是指林火蔓延及其造成破壞損失的可能性,是林火蔓延可能性及蔓延產生后果的綜合度量(危險是指可能性,風險是對可能性和可能產生的后果的綜合度量)(Chuviecoet al., 2010;國志興等,2010;唐博海,2016)。受全球氣候變暖和土地用途變化影響,森林火災發生的頻率和強度明顯增加,在易燃植被類型、特殊危險地形、惡劣氣象條件的綜合作用下,森林火災快速蔓延失控的概率大幅度上升(馬玉春等,2021),嚴重威脅森林資源和野生動植物生存棲息地,威脅生命財產安全和國土生態安全。因此,科學評估森林火災發生危險,可以確定容易發生森林火災的區域,為野外火源管理和可燃物清理提供依據。科學評估蔓延危險和蔓延風險,可以確定林火容易蔓延且造成破壞損失的區域,為林火阻隔體系建設、滅火資源和應急力量布局提供依據,具有重要的理論和應用價值。
林火蔓延是林火行為的重要指標,可以為森林火災風險評估提供基礎信息,對于科學規劃林火管理和合理分配撲火資源具有重要意義(Rodrigueset al.,2022)。Calkin 等(2010)綜述了將林火蔓延、林火強度和重要承災體變化納入風險框架的方法,并在美國俄勒岡州進行了評估應用,在考慮林火雙重作用(有利和有害)的基礎上,探討林火可能性和強度如何在區域范圍內影響社會、經濟、生態價值的風險。Hysa等(2019,2022)利用野火著火概率指數和野火蔓延能力指數評估阿爾巴尼亞北部闊葉林地的森林火災風險和巴爾干半島蛇紋石土壤植被的野火脆弱性。Aparício 等(2022)基于林火行為模擬和網絡分析方法,量化了可燃物空間分布對火災連續蔓延的影響,為降低大火蔓延風險、減少極端火災的潛在影響提供依據。
森林火災風險評估主要是選擇若干與森林火災風險相關的指標,構建風險評估指標體系,然后采用數學方法對選取的指標進行量化分析,最終得出森林火災風險等級指數。火險因子的選擇是火災風險等級劃分首要的基礎工作,其合理性直接決定火災風險等級劃分的科學性、適用性(王衛國,2017)。已有研究選取的指標主要包括可燃物因子(如植被類型、含水率、燃燒性等)、氣象因子(如相對濕度、溫度、降水量、風速等)、地形因子(如海拔、坡度、坡向、坡位等)、火源管理及消防等基礎設施等(Adabet al., 2018;Milanovi?et al., 2021; Youet al., 2017)。風險評估的方法主要包括基于通用風險評估模型評估、基于林火預報評估、基于林火蔓延模型評估、基于GIS 和RS 評估等,評價指標量化的方法主要包括德爾菲法、專家調查法、層次分析法、熵值法、加權平均法、灰色關聯度法等(王睿琛等,2021)。但目前尚無根據火險因子開展森林火災蔓延風險評估的相關研究。
延慶區是全國生態文明建設示范區、首都西北部重要生態保育及區域生態治理協作區,也是2022 年北京冬奧會和冬殘奧會賽區之一,森林覆蓋率61.63%,生物多樣性極其豐富,生態區位極其重要。本研究以延慶區為研究對象,建立森林火災蔓延風險評估框架(包括發生危險、蔓延危險、蔓延風險3 部分),利用2019 年森林資源二類調查小班數據、森林可燃物數據、人口數據、30 m 分辨率數字高程數據、氣象數據,基于GIS 開展多尺度(小班、村屯、鄉鎮)森林火災蔓延風險評估,研究結果可以為林火精準化防控提供依據。
延慶區(40°16′—40°47′N,115°44′—116°34′E)地處北京市西北部,東鄰懷柔區,南接昌平區,西與河北省懷來縣接壤,北與河北省赤城縣相鄰,是首都西北部重要的生態安全屏障。該區北東南三面環山,全境平均海拔500 m 左右,幅員面積19.94 萬hm2,其中山區、平原、水域面積約為14.52 萬、5.22 萬、0.2 萬hm2,山區面積占比達72.82%。轄區屬溫帶與中溫帶、半干旱與半濕潤帶的過渡地帶,大陸性季風氣候。氣候冬冷夏涼,年平均氣溫8 ℃,年日照2 800 h。全區森林資源豐富,森林面積12.29 萬hm2,活立木蓄積量528.9 萬m3。受極端天氣、可燃物、火源等因素的影響,森林火災潛在風險不斷加大。每年的11 月1 日至次年5 月31 日是森林防火期,1 月1 日至4 月15 日是森林高火險期。2020 年3 月18 日,延慶區永寧鎮四司村發生森林火災,在大風作用下火災快速蔓延,嚴重威脅區域生態安全。
2019 年森林資源二類調查小班數據來自延慶區園林綠化監測中心,屬性指標包括地類、面積、蓄積量、優勢樹種(組)、樹種組成、郁閉度、灌草植被總覆蓋度等。
森林可燃物數據和人口數據來自北京市森林火災風險普查項目中的數據成果。森林可燃物數據包括細小可燃物載量、地表可燃物載量。人口數據包括常住人口數、0~14 歲人口數、60~64 歲人口數、65~79歲人口數、80 歲以上人口數。
30 m 分辨率數字高程數據來自于中國科學院計算機網絡信息中心地理空間數據云平臺(http://www.gscloud.cn)。
氣象數據來自北京市氣象服務中心提供的2010—2020 年5 個氣象站點(佛爺頂、延慶、湯河口、懷柔、昌平)的月最小相對濕度、月平均風速、月大風日數、月降水量、月平均最高氣溫數據。對氣象數據采用反距離權重插值法進行空間插值,并進行數據重采樣、掩膜為50 m 分辨率的柵格數據。
本研究建立了森林火災蔓延風險評估框架(包括發生危險、蔓延危險、蔓延風險3 部分),見圖1。

圖1 森林火災蔓延風險評估框架Fig. 1 The assessment framework of forest fire spread risk
2.2.1 森林火災發生危險評估指標 森林火災發生危險是從森林燃燒三要素的角度分析森林火災發生的可能性,由于可燃物和氧氣在森林中廣泛存在,森林火災發生危險主要由野外火源管理難度、著火難易程度2 個因素決定(闞振國,2006)。本研究選取6 個二級指標評估森林火災發生危險,見表1。

表1 森林火災發生危險評估指標①Tab. 1 The assessment index of forest fire occurrence hazard
2.2.2 森林火災蔓延危險評估指標 森林火災蔓延危險是指森林火災蔓延的可能性,主要受森林可燃物、氣象因子、地形因子、火行為4 個因素的影響(胡海清,2005)。本研究選取13 個二級指標評估森林火災蔓延危險,見表2。

表2 森林火災蔓延危險評估指標①Tab. 2 The assessment index of forest fire spread hazard
2.2.3 評估指標標準化 為了消除評估指標之間的量綱影響,需要對數據進行標準化處理,使每個指標數值分布在[0,1]區間范圍內。本研究綜合前人研究成果(牛樹奎等,2000;王曉麗,2010),將森林燃燒性劃分為強燃、易燃、可燃、難燃、不燃5 個等級,采用等距賦值法將其轉化為數值進行評價,坡向和坡位的賦值方法依據“第一次全國自然災害綜合風險普查——森林火災危險性評估”中的賦值方法,其他指標采用離差標準化法進行處理(國務院第一次全國自然災害綜合風險普查領導小組辦公室,2021)。
2.2.4 評估指標權重的確定 考慮到沒有森林火災發生危險、蔓延危險權重評價的研究,本文應用層次分析法、熵權法相結合的主客觀賦權法確定森林火災發生危險和蔓延危險的指標權重(孫朝峰等,2022)。首先采用層次分析法計算指標的主觀權重,再結合統計數據,利用熵權法確定指標的客觀權重,最后將主觀權重和客觀權重進行等權融合得到綜合權重值,作為森林火災發生危險和蔓延危險評估的指標權重值。
2.2.5 森林火災發生危險和蔓延危險指數計算 加權綜合評價法是災害風險評估的常用方法,具有系統性強、結果清晰的優點。依據每個評估指標對總目標的貢獻程度,分配一個相應的權重系數,然后再與該評估指標相應各指標的量化值相乘后求和。利用加權綜合評價法計算小班尺度森林火災發生危險指數和蔓延危險指數,利用面積加權平均法計算村屯尺度和鄉鎮尺度森林火災發生危險指數和蔓延危險指數(國務院第一次全國自然災害綜合風險普查領導小組辦公室,2021)。
2.2.6 森林火災發生危險和蔓延危險等級劃分 自然斷點分級法通過不斷迭代將數據集中不連續的地方作為分級依據,強調自然斷點和分組,人為干預較少,可以減少同一級中的差異、增加不同級間的差異(侯麗麗等,2022)。本研究采用自然斷點分級法將發生危險和蔓延危險分為高、中高、中低、低4 級。
2.2.7 基于“危險性-暴露度-脆弱性”評估框架的森林火災蔓延風險評估 本研究的森林火災蔓延風險是指林火蔓延及其造成破壞損失的可能性,是森林火災蔓延可能性及蔓延產生后果的綜合度量(本研究所指蔓延產生的后果假定100%損失,不考慮林火的有益作用和部分燒毀的情況)。為了更具針對性地提出林火管理措施,本文從蔓延風險(森林資源)和蔓延風險(人口)2 個方面評估森林火災蔓延風險。
村屯(或鄉鎮)尺度的森林資源暴露度是村屯(或鄉鎮)范圍內喬木林單位面積蓄積量,單位為m3·hm-2。村屯(或鄉鎮)尺度的森林資源脆弱性是村屯(或鄉鎮)范圍內強燃和易燃林地小班面積之和與林地總面積之比,量綱為一。根據林地小班單位面積蓄積量計算小班尺度的森林資源暴露度,根據林地小班的森林燃燒性劃分小班尺度的森林資源脆弱性等級(強燃對應高等級、易燃對應中高等級、可燃對應中低等級、難燃和不燃對應低等級)。
村屯(或鄉鎮)尺度的人口暴露度是指村屯(或鄉鎮)林區及林緣100 m 范圍內人口總數與林地總面積之比,單位為人·hm-2。村屯(或鄉鎮)尺度的年齡結構脆弱性是指村屯(或鄉鎮)林區及林緣100 m 范圍內,老幼人口數(0~14 歲人口數與65 歲以上人口數之和)與人口總數的比值,量綱為一。將村屯的人口暴露度和年齡結構脆弱性指標值賦值給該村屯林地及林緣100 m 范圍內的所有小班,得到小班尺度的人口暴露度和年齡結構脆弱性指標值。
利用自然斷點分級法進行分級,包括“高、中高、中低、低”四個等級,取值分別為1、2、3、4。基于“危險性-暴露度-脆弱性”風險評估框架,計算森林火災蔓延風險指數,并根據表3 劃分蔓延風險等級(國務院第一次全國自然災害綜合風險普查領導小組辦公室,2021)。

表3 森林火災蔓延風險等級劃分標準Tab. 3 Standard for classification of forest fire spread risk level
延慶區森林火災發生危險和蔓延危險的評估指標權重結果見表4 和表5。

表4 森林火災發生危險評估指標權重Tab. 4 Forest fire occurrence hazard assessment index weight

表5 森林火災蔓延危險評估指標權重Tab. 5 Forest fire spread hazard assessment index weight
由表4 可知,森林火災發生危險的2 個一級指標野外火源管理難度和著火難易程度的綜合權重分別為0.771 3 和0.228 7,野外火源管理難度的3 個二級指標綜合權重均大于0.23,著火難易程度的3 個二級指標綜合權重均小于0.09,說明野外火源管理難度是影響森林火災發生危險的主要因素。
由表5 可知,4 個一級指標中,火行為是影響森林火災蔓延危險的主要因素,綜合權重達到0.403 2,二級指標中,火行為的3 個二級指標和地形因子中坡度指標的綜合權重均大于0.100 0。
對選取的6 個發生危險指標進行小班尺度加權綜合計算,并進行尺度轉換,劃分等級后得到延慶區多尺度森林火災發生危險等級圖,見圖2a。

圖2 延慶區多尺度森林火災發生和蔓延危險等級Fig. 2 Multi-scale forest fire occurrence and spread hazard level in Yanqing District
由圖2a 可知,延慶區森林火災發生危險總體呈現出從平原向山區逐步減小的規律,高發生危險區域主要分布在城區周圍的平原區域,在淺山區零星分布。鄉鎮尺度上,高、中高、中低、低等級的發生危險面積分別占比7.48%、26.72%、52.05%、13.75%,高發生危險鄉鎮是延慶區西部的4 個平原鄉鎮(康莊鎮、沈家營鎮、大榆樹鎮、延慶鎮),村屯尺度上,高、中高、中低、低等級的發生危險面積分別占比0.52%、2.26%、9.22%、88.00%。
小班尺度上,高、中高、中低、低等級的發生危險面積分別占比0.89%、2.92%、11.64%、84.55%。高發生危險小班的地類以闊葉林地、混交林地、經濟灌木林地為主,面積占比分別為44.14%、19.83%、19.68%,其他地類占比均小于5.00%。高發生危險喬木林小班的優勢樹種以楊樹、刺槐、柳樹為主,面積分別占比55.90%、11.78%、8.60%,其他優勢樹種占比均小于5.00%。高發生危險喬木林均為人工林,幼齡林、中齡林、近熟林、成熟林、過熟林面積占比分別為37.82%、13.63%、17.51%、12.44%、18.60%。
對選取的13 個蔓延危險指標進行小班尺度加權綜合計算,并進行尺度轉換,劃分等級后得到延慶區多尺度森林火災蔓延危險等級圖,見圖2b。
由圖2b 可知,延慶區森林火災蔓延危險呈現出與發生危險相反的規律,從平原向山區逐步增大,且北部山區蔓延危險總體上高于南部山區。鄉鎮尺度上,高、中高、中低、低等級的蔓延危險面積分別占比35.67%、17.65%、33.11%、13.57%,高蔓延危險鄉鎮是八達嶺林場、松山林場、千家店鎮、珍珠泉鄉,村屯尺度上,高、中高、中低、低等級的蔓延危險面積分別占比58.73%、25.22%、9.04%、7.01%。
小班尺度上,高、中高、中低、低等級的蔓延危險面積分別占比46.19%、31.24%、8.22%、14.35%。高蔓延危險小班均分布在一般灌木林地、闊葉林地、針葉林地、混交林地4 個地類中,面積分別占比13.87%、25.63%、36.55%、23.95%。高蔓延危險喬木林小班的優勢樹種以蒙古櫟、油松、側柏為主,面積占比分別為33.48%、30.63%、15.56%,其他優勢樹種占比均小于5.00%。
高蔓延危險蒙古櫟林以天然幼齡林、天然中齡林、天然近熟林為主,面積占比分別為41.04%、36.22%、17.78%,主要分布在千家店鎮、珍珠泉鄉。高蔓延危險油松林以人工幼齡林、人工近熟林、人工中齡林、人工成熟林為主,面積占比分別為44.17%、27.56%、14.71%、10.96%,主要分布在千家店鎮、永寧鎮、劉斌堡鄉、舊縣鎮。高蔓延危險側柏林以人工幼齡林、天然中齡林、天然幼齡林為主,面積占比分別為63.16%、18.61%、12.40%,主要分布在千家店鎮、珍珠泉鄉、張山營鎮。
3.4.1 延慶區多尺度森林火災蔓延風險(森林資源)森林火災蔓延風險(森林資源)等級見圖3a,延慶區多尺度森林資源暴露度和脆弱性等級見圖3b、3c。
多尺度森林火災蔓延風險(森林資源)評估結果圖3a 顯示,延慶區森林火災蔓延風險(森林資源)在小班、村屯、鄉鎮尺度上均無極高風險區域,鄉鎮尺度上,中高、中、中低、低風險面積分別占比1.79%、12.53%、54.91%、30.77%,中高風險鄉鎮是八達嶺林場。村屯尺度上,中高、中、中低、低風險面積分別占比2.85%、42.56%、44.66%、9.93%。小班尺度上,中高、中、中低、低風險面積分別占比0.80%、36.71%、48.09%、14.40%。中高風險小班均分布在針葉林地、闊葉林地、混交林地3 個地類中,面積分別占比96.47%、2.87%、0.66%。中高風險喬木林小班的優勢樹種以油松、落葉松為主,面積占比分別為72.83%、24.30%,其他優勢樹種占比均小于5.00%。中高風險油松林均為人工林,幼齡林、中齡林、近熟林、成熟林、過熟林面積占比分別為6.42%、3.00%、45.43%、45.07%、0.08%,主要分布在永寧鎮、四海鎮、八達嶺林場。中高風險落葉松林均為人工林,近熟林和成熟林分別占比48.61%、51.39%,主要分布在香營鄉、劉斌堡鄉、四海鎮。
由圖3b 可知,高森林資源暴露度區域面積在小班、村屯、鄉鎮尺度上分別占比0.30%、0.06%、1.76%,高森林資源暴露度鄉鎮是康莊鎮,高森林資源暴露度小班以楊樹人工林為主,占比達90.83%。由圖3c 可知,高森林資源脆弱性區域面積在小班、村屯、鄉鎮尺度上分別占比8.10%、25.66%、1.79%,高森林資源脆弱性鄉鎮是八達嶺林場,高森林資源脆弱性小班的地類以針葉林地、闊葉林地、未成林造林地為主,面積占比分別為65.48%、23.08%、10.38%,其他地類占比均小于5.00%。高森林資源脆弱性喬木林小班的優勢樹種以油松、側柏為主,面積分別占比43.04%、26.49%,其他優勢樹種占比均小于5.00%。高森林資源脆弱性油松林均為人工林,幼齡林、中齡林、近熟林、成熟林、過熟林面積占比分別為56.44%、7.39%、14.69%、20.08%、1.40%,主要分布在千家店鎮、永寧鎮。高森林資源脆弱性側柏林以人工幼齡林為主,面積占比達到85.19%,主要分布在千家店鎮、珍珠泉鄉、張山營鎮、永寧鎮。
3.4.2 延慶區多尺度森林火災蔓延風險(人口) 森林火災蔓延風險(人口)等級見圖4a,延慶區多尺度人口暴露度和年齡結構脆弱性等級見圖4b、4c。
多尺度森林火災蔓延風險(人口)評估結果(圖4a)顯示,小班、村屯、鄉鎮尺度上均無極高風險區域,無中高風險村屯和鄉鎮,僅有9 個中高風險小班,分布在沈家營鎮河東村和延慶鎮李四官莊村。中風險區域在小班、村屯、鄉鎮尺度上分別占比34.97%、51.19%、42.25%,主要分布在東部4 個山區鄉鎮(珍珠泉鄉、千家店鎮、劉斌堡鄉、四海鎮)。
由圖4b 可知,高人口暴露度區域面積在小班、村屯、鄉鎮尺度上分別占比0.26%、0.04%、2.65%,高人口暴露度鄉鎮是延慶鎮,人口暴露度總體呈現出從平原向山區逐步減小的規律,人口集中分布在城區周圍的平原區域。由圖4c 可知,高年齡結構脆弱性區域面積在小班、村屯、鄉鎮尺度上分別占比9.24%、18.75%、42.25%,高年齡結構脆弱性鄉鎮是劉斌堡鄉、珍珠泉鄉、四海鎮、千家店鎮,年齡結構脆弱性呈現出從平原向山區逐步增大的趨勢,東部山區的老幼人口比例高。
多尺度評估可以提高評估精度,為森林火災精準化防控提供依據。其中,鄉鎮尺度評估結果可以整體把握區域風險總體規律,為森林防火總體規劃提供依據;村屯尺度評估結果可以掌握不同村屯的風險等級差異,明確重點管理區域,為確定林火管理區域的優先級(例如優先開展秸稈回收、灑水濕化作業、可燃物清理的村屯)提供依據;小班尺度評估結果與林業森林經營管理基本單元相契合,可以精準確定重要風險點,對于一些高危區域采取超常規管理措施(例如建設蓄水池)。
本研究發現,高蔓延危險小班以蒙古櫟林、油松林、側柏林為主,高森林資源脆弱性小班以油松、側柏的人工幼齡林為主,中高蔓延風險(森林資源)小班以油松林為主。油松、側柏是北京主要針葉樹種,林下雜草叢生,且幼齡林抗火性差,這與李連強等(2019)在妙峰山林場的森林燃燒性結果是一致的。蒙古櫟林下灌木草本茂盛,可燃物空間連續性高,且蒙古櫟林主要分布在延慶區東部山區,林分郁閉度高,潛在能量大,這與劉冠宏(2019)的研究結果一致。本研究確定指標權重的層次分析法(Nasiriet al., 2022)和熵權法(Xianget al., 2022)在森林火災風險評估中已經廣泛應用,但目前尚無層次分析法和熵權法相結合的主客觀賦權法應用于森林火災風險評估,在洪水風險(Wuet al., 2022)、烤煙品質(Liet al., 2021)、農作物災害(Zhanget al., 2017)、公交乘客滿意度(Zhanget al.,2020)等評估中的廣泛應用,已經取得了較好的結果。
本研究建立了森林火災蔓延風險評估框架(包括發生危險、蔓延危險、蔓延風險3 部分),為森林火災精準化防控提供思路。考慮到數據獲取難度和準確性,森林火災發生危險評估基于相對固定的指標(祭祀用火重點人群、農事用火風險區域、路旁煙頭風險區域),重點考慮了火源點密度對野外火源管理難度的影響。但新開發的一些仍需要進一步加強管理的網紅旅游景點(例如大莊科鄉水泉溝)、野外火源分布的集中程度(例如散墳和集中墳的管理難度的區分)、溝口路口入山口(設置固定和臨時防火檢查站的重點位置)也是影響森林火災發生危險的重要因素(尹賽男等,2021),仍需進一步完善發生危險評估指標。蔓延危險評估選取了地表可燃物載量、灌草植被總覆蓋度、森林燃燒性3 個指標來總體表征森林可燃物,尚未考慮冠層可燃物(樹冠容積密度、冠基高、冠層可燃物載量)相關指標(Heisiget al., 2022),仍需要進一步研究不同林分的可燃物空間連續性(水平連續性和垂直連續性)(牛樹奎,2012)。
在森林火災蔓延風險(森林資源)評估中,本研究重點關注林火蔓延對森林蓄積的影響,尚未從森林生態系統服務功能的角度評估森林生態價值(王兵等,2020),特別是隨著雙碳戰略生態文明建設的不斷推進,森林資源間接價值仍需要進一步評估。此外,一些高保護價值森林的脆弱性也非常高,一旦破壞,極難在短時間內恢復,在森林資源脆弱性評估中也需進一步分析。在蔓延風險(人口)評估中,林區人口和林緣人口、集中分布和零散分布人口的暴露程度也存在差異,不同學歷、不同勞動能力的人口的脆弱性也存在差異。在后續研究中,建議進一步優化完善森林火災蔓延風險評估框架,對發生危險、蔓延危險指標進行定量分析,結合遙感、無人機等技術提升可燃物、氣象因子反演精度(孫志超等,2017),提高評估結果的準確性和針對性。
本研究建立了森林火災蔓延風險評估框架,評估結果可以確定容易發生森林火災和林火容易蔓延且造成破壞損失的區域,為森林火災精準化防控提供依據。研究結果表明:森林火災高發生危險小班以楊樹、刺槐、柳樹的人工林為主,高蔓延危險小班以蒙古櫟天然林、油松人工林、側柏人工林為主,中高蔓延風險(森林資源)小班以油松和落葉松的人工林為主,中蔓延風險(人口)區域主要分布在東部4 個山區鄉鎮(珍珠泉鄉、千家店鎮、劉斌堡鄉、四海鎮)。建議加強城區周圍平原區域的野外火源和重點人群管理,在林農交錯區和道路兩旁開展森林可燃物清理和灑水濕化作業,進一步優化森林消防隊伍駐防布局。加強八達嶺林場的林火阻隔體系和應急水源工程建設,加強高蔓延危險和高蔓延風險林分的森林可燃物生態調控,制定東部山區老幼人口應急疏散轉移預案,最大限度降低林火發生危險和林火蔓延造成的損失。