森林火災(zāi)蔓延模型及滅火決策支持系統(tǒng)研究

摘要：森林火災(zāi)蔓延是一個復(fù)雜的自然現(xiàn)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(xiàn)出時間-空間雙重演變特征。以某省森林火災(zāi)為案例，通過篩選初始火點位置、可燃物載量等核心變量，設(shè)計多因素耦合的模擬模型（元胞自動機算法），構(gòu)建森林火災(zāi)蔓延模型，并基于該模型設(shè)計滅火決策支持系統(tǒng)。該系統(tǒng)分為火勢預(yù)測、資源匹配、方案推演3個核心模塊，通過模塊聯(lián)動實現(xiàn)從火勢預(yù)測到策略生成的閉環(huán)，生成多套滅火策略（直接撲打、開設(shè)隔離帶等），并實踐應(yīng)用評估可行性。以期提升森林火災(zāi)滅火決策支持系統(tǒng)在日常預(yù)警與應(yīng)急響應(yīng)中的巡查效率與決策速度。

關(guān)鍵詞：森林火災(zāi)；蔓延模型；滅火決策

中圖分類號：X928.7" " " 文獻標(biāo)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(fā)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(tài)安全與人民生命財產(chǎn)保護的重要任務(wù)。《“十四五”國家應(yīng)急體系規(guī)劃》明確提出需加強自然災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警技術(shù)研發(fā)，其中，森林火災(zāi)預(yù)測模型與決策支持系統(tǒng)是關(guān)鍵支撐。本文從蔓延模型的理論基礎(chǔ)與關(guān)鍵要素出發(fā)，構(gòu)建多因素耦合的模擬模型，結(jié)合滅火實際需求設(shè)計決策支持系統(tǒng)，探討模型參數(shù)選取、模擬方法及策略生成邏輯，旨在提升火災(zāi)預(yù)測精度與決策科學(xué)性，為林區(qū)防控提供技術(shù)參考。

1 森林火災(zāi)的蔓延規(guī)律與蔓延模型分類

1.1" 森林火災(zāi)蔓延的基本規(guī)律

森林火災(zāi)蔓延風(fēng)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(yán)重的區(qū)域。森林火災(zāi)的發(fā)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(zāi)蔓延有著關(guān)鍵影響。據(jù)研究，持續(xù)溫高雨少會致使天氣干旱的現(xiàn)象持續(xù)發(fā)展，導(dǎo)致森林草原火險等級提高[3]；可燃物載量及其垂直分布結(jié)構(gòu)構(gòu)成燃燒反應(yīng)的物質(zhì)基礎(chǔ)；人為因素中火源管理疏漏（如野外吸煙、燒荒）是火災(zāi)發(fā)生的主因。因此，科學(xué)評估森林火災(zāi)蔓延風(fēng)險，可以為森林火災(zāi)精準(zhǔn)化防控提供科學(xué)依據(jù)[4]。

森林火災(zāi)蔓延過程呈現(xiàn)典型的階段性演化特征與多物理場耦合特性，其基本規(guī)律可概括為燃燒動力學(xué)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(fā)展依次經(jīng)歷燃料遇熱脫水、揮發(fā)分析出著火及穩(wěn)定燃燒階段，氧化反應(yīng)釋放的熱量不斷強化能量積累，形成自持燃燒循環(huán)。空間上，火線傳播受風(fēng)場矢量主導(dǎo)，呈方向依賴性，在均質(zhì)可燃物環(huán)境中為橢圓形擴散模式，復(fù)雜地形會打破對稱性，出現(xiàn)渦旋火場和跳躍式蔓延等特殊形態(tài)。能量傳遞方面，熱輻射主導(dǎo)可燃物遇熱區(qū)域干燥，對流作用決定火焰垂直發(fā)展強度，飛火傳播形成多尺度火場疊加效應(yīng)，且火場邊界層湍流強度與燃燒產(chǎn)物羽流抬升高度存在非線性關(guān)聯(lián)，火線強度突破臨界閾值時可能觸發(fā)火風(fēng)暴自組織現(xiàn)象。

1.2" 現(xiàn)有蔓延模型的分類

目前主流的森林火災(zāi)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(jīng)驗?zāi)Ｐ停訰othermel模型為代表，通過統(tǒng)計歷史火災(zāi)數(shù)據(jù)擬合出蔓延速度與可燃物、氣象條件的經(jīng)驗公式，優(yōu)勢在于計算簡單、響應(yīng)速度快，但依賴特定區(qū)域的歷史數(shù)據(jù)，跨區(qū)域應(yīng)用時需重新校準(zhǔn)參數(shù)，適用于林型單一、氣候穩(wěn)定的小型林區(qū)[4]。

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

第3類為數(shù)據(jù)驅(qū)動模型，近年來隨著機器學(xué)習(xí)技術(shù)的發(fā)展逐漸應(yīng)用，通過訓(xùn)練歷史火災(zāi)數(shù)據(jù)與多源環(huán)境數(shù)據(jù)（如衛(wèi)星遙感、傳感器監(jiān)測）的關(guān)聯(lián)關(guān)系，自動學(xué)習(xí)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(shù)據(jù)豐富的大區(qū)域林區(qū)表現(xiàn)突出，但需要大量高質(zhì)量的訓(xùn)練數(shù)據(jù)，且可解釋性較弱，目前多用于輔助驗證其他模型的預(yù)測結(jié)果。

2 森林火災(zāi)蔓延模型的設(shè)計與驗證

2023年4月2日，某地發(fā)生森林火災(zāi)[5]。該區(qū)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。火災(zāi)由村民違規(guī)用火引發(fā)，當(dāng)日14時被發(fā)現(xiàn)后逐級上報，鄉(xiāng)鎮(zhèn)15時啟動I級響應(yīng)，縣級同步啟動Ⅲ級響應(yīng)并成立前方指揮部，當(dāng)日14時30分，縣級應(yīng)急管理部門接到支援請求，21名消防隊員于當(dāng)日15時40分抵達火場，因風(fēng)力強、火勢猛，先勘察疏散，后撲救，當(dāng)日21時明火撲滅，火災(zāi)過火面積56.5903hm2，受災(zāi)森林面積20.3253hm2，無重大損毀及傷亡。下面以該森林火災(zāi)為案例，對森林火災(zāi)蔓延模型構(gòu)建進行研究。

2.1" 森林火災(zāi)蔓延模型的設(shè)計

2.1.1" 模型構(gòu)建的核心變量選取與數(shù)據(jù)來源

模型構(gòu)建需首先明確核心變量并確定其數(shù)據(jù)來源。首先，初始火點位置是模型的起點參數(shù)，直接影響火勢擴散的初始方向，通常通過火場定位系統(tǒng)或目擊者報告結(jié)合衛(wèi)星影像定位獲取。其次，可燃物載量反映單位面積內(nèi)可燃燒物質(zhì)的總量，主要通過林相圖矢量化分析與地面樣方調(diào)查綜合計算。再次，近地表風(fēng)速與風(fēng)向是驅(qū)動火勢蔓延的關(guān)鍵氣象變量，由分布于林區(qū)的自動氣象站實時監(jiān)測，部分區(qū)域輔以無人機低空探測補充數(shù)據(jù)。最后，地形坡度與海拔通過數(shù)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(guān)系：風(fēng)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(guān)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(fēng)速、坡度等變量的響應(yīng)敏感度。

2.1.2" 基于多因素耦合的蔓延模型設(shè)計

為準(zhǔn)確反映火勢動態(tài)，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(qū)劃分為規(guī)則的網(wǎng)格單元，每個單元存儲可燃物載量、坡度、當(dāng)前溫度等屬性，時間步長設(shè)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(jù)近地表風(fēng)速和坡度計算相鄰單元的引燃概率，優(yōu)先擴散至順風(fēng)、上坡方向的高可燃物單元。穩(wěn)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(jié)合空氣濕度修正引燃閾值，形成持續(xù)的蔓延前鋒。衰減期階段，當(dāng)單元可燃物消耗超過80%或遇到道路、河流等阻隔時，標(biāo)記為熄滅狀態(tài)，同時降低相鄰單元的引燃概率[7]。通過這一動態(tài)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(zāi)過火面積56.5903hm2，受災(zāi)森林面積20.3253hm2，現(xiàn)場記錄了詳細(xì)的火點移動軌跡與過火邊界。將模型輸入?yún)?shù)（初始火點位置、可燃物載量、逐小時風(fēng)速數(shù)據(jù)）與實際監(jiān)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(jù)輸入的環(huán)境參數(shù)來識別核心區(qū)、次核心區(qū)和安全區(qū)，實現(xiàn)目標(biāo)探查，生成偵查路徑，確保核心區(qū)覆蓋率≥98%[7]。

誤差主要來源于兩方面：一是數(shù)據(jù)精度限制，二是模型對微氣象的簡化處理。針對誤差，提出優(yōu)化方向：在數(shù)據(jù)端，增加關(guān)鍵區(qū)域的地面樣方調(diào)查頻率，以提高可燃物載量精度；在模型端，引入基于地面?zhèn)鞲衅鞯奈庀笮拚K，動態(tài)調(diào)整風(fēng)速、濕度參數(shù)，提升復(fù)雜地形下的預(yù)測準(zhǔn)確性。

3 滅火決策支持系統(tǒng)的設(shè)計邏輯與實踐優(yōu)化

3.1" 決策支持系統(tǒng)的功能需求與模塊劃分

滅火決策支持系統(tǒng)的設(shè)計需直接響應(yīng)滅火行動的核心需求，主要包括3方面：快速獲取火勢發(fā)展趨勢以提前預(yù)警、精準(zhǔn)匹配可用消防資源以優(yōu)化調(diào)度、動態(tài)推演不同撲救方案的效果以輔助決策。基于此，系統(tǒng)劃分為3個核心模塊：首先，火勢預(yù)測模塊，其輸入為蔓延模型輸出的火勢范圍、速度等動態(tài)數(shù)據(jù)，輸出為未來6～24h的火點移動軌跡與過火風(fēng)險圖。其次，資源匹配模塊，輸入為消防隊伍位置、裝備數(shù)量、臨時水源點分布等實時數(shù)據(jù)，輸出為各風(fēng)險區(qū)域可調(diào)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(jié)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(yù)期效果。3個模塊通過數(shù)據(jù)接口實現(xiàn)聯(lián)動，火勢預(yù)測模塊為資源匹配提供目標(biāo)區(qū)域，資源匹配結(jié)果又為方案推演提供約束條件，形成“預(yù)測-調(diào)配-驗證”的閉環(huán)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(yù)測結(jié)果為基礎(chǔ)，結(jié)合消防資源分布數(shù)據(jù)，通過優(yōu)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(yōu)先級，明確關(guān)鍵設(shè)施和生態(tài)敏感區(qū)等重點區(qū)域；第二，識別火頭位置，鎖定對重點區(qū)域威脅最大的火頭；第三，匹配可用資源，統(tǒng)計火頭3km內(nèi)的消防隊伍、裝備及水源點；第四，生成備選策略，根據(jù)火頭強度和資源條件，提出直接撲打、開設(shè)隔離帶、聯(lián)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(yīng)時間，篩選出資源可支撐、控火效率高的方案。

3.3" 系統(tǒng)應(yīng)用場景與優(yōu)化方向

系統(tǒng)的應(yīng)用場景主要分為2類：一是高火險期的日常預(yù)警，通過實時接入氣象、植被含水率數(shù)據(jù)，結(jié)合蔓延模型預(yù)測未來3天的火險等級，為林區(qū)管理部門提供巡查重點區(qū)域建議；二是突發(fā)火災(zāi)的應(yīng)急響應(yīng)，在火災(zāi)發(fā)生后1h內(nèi)輸出火勢蔓延軌跡與資源調(diào)配方案，輔助指揮中心快速決策。

研究所選案例的實際應(yīng)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(fā)或間接加重火勢蔓延[8]；第二，部分偏遠林區(qū)的消防資源數(shù)據(jù)更新滯后，影響資源匹配準(zhǔn)確性。針對上述問題，優(yōu)化方向包括：引入移動氣象站，實時修正風(fēng)速、風(fēng)向數(shù)據(jù)，提升極端天氣下的預(yù)測精度；建立資源數(shù)據(jù)動態(tài)更新機制，要求一線人員通過移動端App上報資源狀態(tài)變化，確保數(shù)據(jù)時效性。

4 結(jié)束語

本研究通過系統(tǒng)分析森林火災(zāi)蔓延的規(guī)律與影響因素，構(gòu)建了多因素耦合的蔓延模型，完善了森林火災(zāi)預(yù)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(chǔ)上設(shè)計的滅火決策支持系統(tǒng)，通過模塊聯(lián)動實現(xiàn)了從火勢預(yù)測到策略生成的閉環(huán)。與傳統(tǒng)單一模型或經(jīng)驗決策相比，本研究更注重模型與系統(tǒng)的協(xié)同設(shè)計，強化了預(yù)測結(jié)果與資源調(diào)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(tài)上報機制進一步優(yōu)化，為復(fù)雜條件下的林火防控提供更可靠支持。

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