華北地區(qū)森林防火林帶設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)和方法

王明玉，周榮伍，任云卯

（1.中國林科院森林生態(tài)環(huán)境與保護研究所 國家林業(yè)局森林保護學(xué)重點開放性實驗室 北京 100091；2.北京市西山試驗林場，北京 100029）

防火林帶的空間布局是防火林帶研究中的重要方面，一般要考慮綜合環(huán)境因素，因地制宜，一方面要使防火林帶獲得比較好的阻火效果，還要使建設(shè)成本盡量降低。防火林帶可以對林火的蔓延進行有效地阻隔，是預(yù)防大面積森林火災(zāi)發(fā)生的重要措施之一。防火林帶的研究一直受到國內(nèi)外研究者的重視。森林防火林帶的規(guī)劃需要對火行為、可燃物、地形、火環(huán)境等進行系統(tǒng)地分析，因地制宜，結(jié)合林相改造，合理布局，使防火林帶與防火線以及天然屏障連接成網(wǎng)，把林地分隔成阻隔封閉區(qū)，才能發(fā)揮防火線的阻隔作用[1]。

1 防火樹種的選擇

大面積的均一的森林類型容易發(fā)生大面積的森林火災(zāi)，而有效地多種植被類型的交錯對控制大面積的森林火災(zāi)具有重要意義。綜合考慮樹種的燃燒特性、生物學(xué)特性和生態(tài)學(xué)特性，華北地區(qū)防火能力強的樹種有刺槐、核桃、加楊、青楊、旱柳、火炬樹、香椿、紫穗槐、元寶槭、毛白楊、柿樹、黃連木、山桃等。而山杏、栓皮櫟、油松、側(cè)柏等防火能力較差[2]。在林帶的營建過程中，盡量增加混交的比例，使得同一大面積均一植被類型被分割成不同面積的異質(zhì)單元。

2 網(wǎng)絡(luò)密度和最小控制面積確定

網(wǎng)絡(luò)密度是決定林帶網(wǎng)絡(luò)發(fā)揮綜合效能的重要因素之一。防火林帶的密度和最小閉合面積，并沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，一般根據(jù)實際情況，因地制宜。歐建德[3]認為合理的防火林帶網(wǎng)絡(luò)密度應(yīng)該是防火林帶網(wǎng)絡(luò)減災(zāi)的效益大于網(wǎng)絡(luò)建設(shè)帶來的負面效應(yīng)，他從森林經(jīng)濟效益方面，分析建立精確計算防火林帶網(wǎng)絡(luò)最大允許密度的教學(xué)模型。詹超亞[4]從經(jīng)驗出發(fā)，提出視人為活動頻度，構(gòu)造30～50 hm2的阻隔網(wǎng)，林帶面積占林地總面積的5%～10%。防火隔離帶可以使森林火災(zāi)出現(xiàn)“有限尺度效應(yīng)”，使得森林在平衡狀態(tài)時的樹木密度增加，從而有效地保存了森林中的樹木。文定元[5]根據(jù)森林火災(zāi)過火面積提出防火林帶的網(wǎng)絡(luò)控制面積。一、二、三、四級網(wǎng)格的控制面積分別為1000 hm2、100 hm2、10 hm2、1 hm2。防火林帶的構(gòu)建總是與森林火災(zāi)的發(fā)生相適應(yīng)的，因此從火災(zāi)發(fā)生的角度來確定防火林帶的密度和最小閉合面積是可行的，這在一定程度上可以降低理論推導(dǎo)的難度。

可以在對研究區(qū)域火歷史情況進行分析的基礎(chǔ)上，確定防火林帶網(wǎng)絡(luò)的最小閉合面積和密度。

3 地理數(shù)據(jù)處理

地形是地質(zhì)變遷的結(jié)果。其變化要用地質(zhì)年代來度量，比較緩慢。但是作為地形因素的坡度、坡向、海拔等，直接影響林火的發(fā)生與發(fā)展。DEM是地形的一個數(shù)學(xué)模型，許多地形因子均可以從這個函數(shù)導(dǎo)出。由DEM派生的單要素地形屬性可以由DEM直接計算得到，其他復(fù)合屬性可以由幾個單要素地形屬性按一定的關(guān)系組合而計算得到。

在GIS中將地形圖進行數(shù)字化，生成等值線，并轉(zhuǎn)換成柵格數(shù)據(jù)，對其坡度進行提取，進一步得出地形更正系數(shù)，生成DEM，基于此DEM柵格數(shù)據(jù)，對防火林帶規(guī)劃產(chǎn)生影響的坡度、山脊進行提取。

3.1 坡度的提取

坡度一方面對火行為產(chǎn)生影響，另一方面在防火林帶規(guī)劃中由于要考慮造林或林帶改造對水土流失的影響，坡度是影響土壤侵蝕的主要原因之一，在其他條件相同的情況下，坡度不同，土壤侵蝕量有較大差別，因此在實際規(guī)劃中要對坡度進行分級。國家目前進行的退耕還林工作中規(guī)定退耕坡度為25°，將25°以上坡耕地進行退耕后，施行林草措施可以大大減少土壤侵蝕。考慮到華北地區(qū)生態(tài)環(huán)境的脆弱性，在實際應(yīng)用中我們把坡度限定在20°以內(nèi)，這一方面可以降低造林的難度，又可以減少水土流失，提高成活率。將坡度分級與其他地形特征因子在GIS中進行疊加，獲得防火林帶空間布局網(wǎng)絡(luò)。

3.2 山脊線的提取

山脊線不僅構(gòu)成地形起伏變化的分界線，同時由于山脊線特殊的空氣動力學(xué)效應(yīng)，對森林火災(zāi)的火行為有特殊的作用效果。目前對于山脊線的提取多是從其幾何特征或物理特征的單一方面進行研究和設(shè)計，也可基于三維地形表面流水?dāng)?shù)字模擬法對山脊線進行提取。根據(jù)主風(fēng)向、防火公路以及坡度分布，對山脊防火林帶位置進行選取，主要依據(jù)山脊走向與主風(fēng)向有比較大的夾角，與防火公路可以閉合，坡度在20°以下，最終確定擬建防火林帶的山脊。

3.3 公路與林緣確定

防火林帶的建造結(jié)合現(xiàn)有的空地、公路、河流等，將所有可以有效地阻火的要素結(jié)合一起構(gòu)成閉合的網(wǎng)絡(luò)。在防火林帶的規(guī)劃過程中，利用航片對林中空地和公路進行提取，由于傳統(tǒng)方法對于公路、空地等提取有一定的局限性，基于像元的遙感圖像分析和處理所能夠得到的信息是極其有限的，由于遙感圖像中異物同諧和同物異譜現(xiàn)象較為普遍，僅靠光譜特征是不足以表達目標(biāo)或類別的，因而其分析結(jié)果的可靠性常常不盡如人意。本文使用面向?qū)ο蟮姆诸惙椒ɡ迷摰氐暮狡瑢α种锌盏睾凸愤M行提取，首先將圖像按照某種相似性準(zhǔn)則分割為一個個完全同質(zhì)的，空間上連續(xù)的，并且具有特定專題意義的對象，然后再針對每個對象進行類別的標(biāo)注。

4 可燃物調(diào)查

可燃物的空間分布特征與森林火災(zāi)為行為特征密切相關(guān)，包括可燃物的水平分布和垂直分布，以及不同空間分布下的載量分布，對于火行為的強度和燃燒類型均有不同程度的影響，進而決定了防火林帶的設(shè)計指標(biāo)。

根據(jù)森林清查數(shù)據(jù)及樣地調(diào)查，確定可燃物類型，每一種類型設(shè)置樣地，并用GPS標(biāo)定。喬木主要測定胸徑、樹高、活枝枝下高、死枝枝下高，樹種；灌木調(diào)查灌木基徑、灌高，灌木種類，采用收割法，對全部樣本稱取鮮重；草本調(diào)查草本層蓋度、草高、草本種類，并用收割法取樣稱取鮮重；地表枯落物和半分解層，主要測量枯落物和半腐層厚度，并取樣稱取鮮重。

對于喬木可燃物載量的估算，采用喬木生物量的估算方法，國內(nèi)外學(xué)者普遍接受相對生長模型W=a（D2H）b估算生物量，根據(jù)當(dāng)?shù)氐湫蛦棠绢愋瓦x擇適當(dāng)?shù)纳L模型，基于其生長模型，對喬木的樹葉、樹枝和樹干的生物量進行計算，進而計算得到各部分可燃物載量。

可燃物的熱值與火燒強度密切相關(guān)，關(guān)于不同植被熱值的測定已有大量的研究，是進行相關(guān)火行為計處的基礎(chǔ)變量，可查閱相關(guān)文獻或者進行實驗測定獲得。

5 風(fēng)速、風(fēng)向的模擬

風(fēng)速和風(fēng)向?qū)α只鹇佑绊懞艽?，在防火林帶設(shè)置時要考慮主風(fēng)向的影響。確定主風(fēng)向后，在防火林帶規(guī)劃時要將林帶的走向與主風(fēng)向垂直，或者盡量將角度控制在45°以上，最大限度的對林火產(chǎn)生阻隔作用。

地形可以改變風(fēng)速、風(fēng)向，也可以產(chǎn)生渦流現(xiàn)象，地形和風(fēng)場的共同作用會對火行為產(chǎn)生很大影響，用于天氣預(yù)報的全球尺度和中尺度的風(fēng)場模型并不能滿足小尺度的火行為模擬的需要。其原因在于許多全球尺度的模型假設(shè)重力場與壓力場存在平衡，然而在小尺度上由于慣性載荷在垂直方向?qū)毫Φ挠绊懖⒉荒芡耆雎?，并且中尺度模型不能很好地解決地形的變化對風(fēng)產(chǎn)生的影響?？墒褂脤ｉT的風(fēng)場模擬軟件對風(fēng)場進行模擬，建立風(fēng)向和風(fēng)速圖層，然后再轉(zhuǎn)換為柵格數(shù)據(jù)，在GIS中進行火行為模擬。

6 火行為計算

6.1 蔓延速度

蔓延速度是指火頭在單位時間內(nèi)前進的距離，這方面的研究比較多，包括Prometheus,Farsite,BehavePlus等專業(yè)的軟件，由于這些專業(yè)的火行為模擬軟件需要依據(jù)相應(yīng)的可燃物模型，對于華北地區(qū)可采用修正后王正非（1992）的計算公式[6]。

6.2 火線強度

火線強度是指在單位時間內(nèi)單位火線長度上向前推進發(fā)出的熱量。一般火線強度的計算式采用白蘭姆公式

式中I為火線強度，單位為Kw·m-1；m為單位面積內(nèi)的可燃物重量，單位為kg·m-2；c為可燃物的平均發(fā)熱量，單位為kJ·kg-1；v為火線前進速度，單位為 m·s-1。

6.3 火焰高度計算

火焰高度指垂直于地面連續(xù)的火焰高度，可用下式表示：

式中h為火焰高度，單位為m；I為火線強度，單位為Kw·m-1；a為可燃物類型常數(shù)，草原或連續(xù)型植被的a=1。

7 防火林帶有效寬度計算

防火林帶寬度的設(shè)計是防火林帶設(shè)計的重要內(nèi)容，對防火林帶寬度的設(shè)計還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，一般根據(jù)經(jīng)驗，不同的地區(qū)有很大的差別。文定元通過調(diào)查，一般在南方寬度為6-17m，文定元在綜合考慮可燃物載量、風(fēng)速、火強度、林帶高度等內(nèi)容，根據(jù)風(fēng)洞實驗設(shè)計了林帶寬度的經(jīng)驗公式[5]，在實際中有比較好的應(yīng)用效果。鄭煥能認為在山地條件下，林帶為15-20m，這樣規(guī)格的林帶可阻止樹冠火的蔓延[7]。

8 防火林帶空間布局

防火林帶的規(guī)劃要綜合考慮可燃物類型、地形、氣象、防火公路、居民區(qū)等因素，合理配置。根據(jù)實際情況主要確定不種形式的林帶，包括山脊防火林帶、公路防火林帶和林緣防火林帶等。分析氣象、造林及不同地形因子對火行為的影響情況，主要獲得可燃物分布、主風(fēng)向、坡度、防火公路和林中空地、山脊、居民區(qū)分布等主要影響因子。

9 結(jié)論和討論

防火林帶是景觀尺度的可燃物管理措施之一，盡管對于防火林帶的設(shè)計還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，防火林帶總是要與當(dāng)?shù)氐幕鸢l(fā)生狀況相聯(lián)系的，要在考慮火發(fā)生動態(tài)的背景下綜合考慮可燃物、地形、氣象等因素。設(shè)計防火林帶應(yīng)根據(jù)林分、道路、河流、山脈、地形等自然條件，因地制宜，結(jié)合林相改造，合理布局，使防火林帶與防火線以及天然屏障連接成網(wǎng)，把林地分隔成阻隔封閉區(qū)，才能發(fā)揮防火線的阻隔作用。

防火林帶的規(guī)劃需要分析不同可燃物的空間分布特征，并根據(jù)歷史氣象數(shù)據(jù)，分析得到當(dāng)?shù)氐闹黠L(fēng)向及平均最大風(fēng)速，在此背景下結(jié)合地形數(shù)據(jù)對風(fēng)場進行模擬，進而計算樹冠火的潛在火強度，并根據(jù)林帶寬度的經(jīng)驗公式計算在不同地形、不同可燃物條件下的林帶有效寬度，對防火林帶規(guī)劃提供量化的指標(biāo)，對可燃物管理、撲火安全防范也有借鑒意義。

[1]田曉瑞，舒立福.防火林帶的應(yīng)用與研究現(xiàn)狀[J].世界林業(yè)研究，2000，13（1）：20-26.

[2]田曉瑞，舒立福，閻海平，等.華北地區(qū)防火樹種篩選[J].火災(zāi)科學(xué)，2002，11（1）：43-48.

[3]歐建德.人工林防火林帶網(wǎng)絡(luò)密度的研究[J].西南林學(xué)院學(xué)報，2001，21（2）：101-103.

[4]詹超亞，魏華山.論南方林區(qū)防火林帶的建設(shè)與管理[J].森林防火，1993，（2）：32-34.

[5]文定元.關(guān)于防火林帶幾個問題的探討[J].森林防火，1992（4）：22-23，33.

[6]王正非.通用森林火險系統(tǒng)構(gòu)型[J].林業(yè)科技,1992.17（2）：23-25.

[7]鄭煥能,姚樹人.建立綜合阻火林網(wǎng),控制大火發(fā)生[M].哈爾濱:東北林業(yè)大學(xué)出版社.1995：183-187.