基于聚類分析的福建省森林火災(zāi)風(fēng)險區(qū)劃

李童瑤，陳 馨，鄧 晶，陳 康，孫偉豪，鄭 瑩

(北京林業(yè)大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，北京 100083)

基于聚類分析的福建省森林火災(zāi)風(fēng)險區(qū)劃

李童瑤，陳 馨，鄧 晶，陳 康，孫偉豪，鄭 瑩

(北京林業(yè)大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，北京 100083)

分析福建省森林火災(zāi)風(fēng)險的影響因素，選取并量化森林火險區(qū)劃指標(biāo)，建立火險指標(biāo)體系；基于福建省9個地級市1999—2013年的林火數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、人文數(shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù)，采用聚類分析法，對福建省各地級市進(jìn)行火險區(qū)劃，得到5類風(fēng)險區(qū)。根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果對各風(fēng)險區(qū)進(jìn)行排序，并繪制福建省森林火險區(qū)劃圖，從森林損失情況、氣候條件、地理環(huán)境、政府重視程度等多角度剖析不同火險等級的原因。據(jù)此在立法、防火、滅火、保費厘定等方面提出預(yù)防對策和建議。

森林火災(zāi)；指標(biāo)體系；聚類分析；火險區(qū)劃

森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，在生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、社會等方面發(fā)揮著越來越重要的作用。但森林火災(zāi)的頻繁發(fā)生給我國森林資源帶來巨大威脅，國家林業(yè)局防火辦統(tǒng)計2012 年火場總面積達(dá)43171.168 hm2，受害森林面積為13947.995 hm2，破壞了生態(tài)環(huán)境，造成大量人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失[1]。森林火災(zāi)由于受到氣候條件、人為活動、環(huán)境因素、管護(hù)措施等多方面的共同影響[2-3]，不同地區(qū)受到的森林火災(zāi)損失呈現(xiàn)出顯著的區(qū)域性差異，為更好地防范森林火災(zāi)的發(fā)生，有效利用資源，對不同地區(qū)采取不同的防范措施，進(jìn)行森林火險區(qū)劃是非常有必要的。本文選取福建省為研究對象，對其各地級市的森林火險進(jìn)行區(qū)劃，以期為我國其他省份帶來借鑒意義。

國外發(fā)達(dá)國家的森林火險區(qū)劃研究開展較早，發(fā)展已經(jīng)非常成熟。美國、澳大利亞、加拿大等國家已經(jīng)通過對多種氣象指標(biāo)的分析，劃分了森林火險等級[4-6]。Jaiswal等[7]通過衛(wèi)星數(shù)據(jù)，利用地理信息系統(tǒng)對印度馬得亞邦地區(qū)進(jìn)行森林火災(zāi)危險區(qū)的劃分。Chuvieco等[8]利用遙感和地理信息系統(tǒng)的理論與方法進(jìn)行森林火險區(qū)劃。我國森林火險區(qū)劃開展相對較晚，雖然不少學(xué)者的研究使我國森林火險區(qū)劃取得很大進(jìn)展，但國內(nèi)的研究不太成熟，仍有很多缺陷。譚三清[9]以廣州市為例，用聚類分析法對火險區(qū)劃因子數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，劃分不同的火險區(qū)。王華麗[10]采用因子和聚類分析相結(jié)合的方法，對我國以省為單位的森林火災(zāi)風(fēng)險等級進(jìn)行劃分。郭懷文等[2]僅選取4 個因子，運用聚類分析法對三明市11個區(qū)縣的林火情況進(jìn)行區(qū)劃。通過對國內(nèi)森林火險區(qū)劃文獻(xiàn)的研究不難發(fā)現(xiàn)，我國的森林火險區(qū)劃存在以下缺陷：在選取影響火險的指標(biāo)上，只考慮部分因素，忽略森林火險的復(fù)雜性，沒有建立全面的指標(biāo)體系，導(dǎo)致區(qū)劃結(jié)果的片面性；在區(qū)劃范圍上，大多學(xué)者選取的是以全國或1個市為區(qū)劃對象，以全國為范圍，各省為單位的區(qū)劃很有可能在一個區(qū)劃等級內(nèi)出現(xiàn)較大差異，風(fēng)險不同質(zhì)；而以市為范圍，縣為單位進(jìn)行的區(qū)劃忽略了整體性，研究范圍太小，既不利于風(fēng)險的分散，又在實際運用中缺乏區(qū)劃的必要性和實用意義。

本文在總結(jié)前人研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)。在區(qū)劃范圍方面，以福建省各地級市為區(qū)劃單位，既考慮到福建省不同地級市之間森林火險的差異，又避免了區(qū)劃到縣一級的繁瑣和不實用性。在選取區(qū)劃因子方面，綜合前人提到的各項指標(biāo)，從森林損失指標(biāo)、氣象指標(biāo)、人文指標(biāo)等多方面考慮森林火險，共提取18個火險區(qū)劃因子，建立一套完整的森林火險評估指標(biāo)體系，全面反映福建省火險等級情況。

1 研究區(qū)概況

福建省位于我國東南沿海，東經(jīng)116°06′—120°12′、北緯23°43′—27°55′。地勢總體上西北高東南低，境內(nèi)峰嶺聳峙，山地、丘陵占全省總面積的80%以上，這給撲火滅火工作帶來重重阻礙。省內(nèi)氣候差異較大，閩東南沿海地區(qū)屬南亞熱帶氣候，閩東北、閩北和閩西屬中亞熱帶氣候，各地不同的氣候給森林火災(zāi)帶來不同程度的影響，在火險區(qū)劃上起著關(guān)鍵作用。福建省自然條件優(yōu)越，森林資源豐富，森林覆蓋率達(dá)63.1%，居全國第一。全省林業(yè)用地面積913 萬hm2，占土地總面積的75.3%，有林地面積達(dá)767 萬hm2，以杉木、馬尾松、竹類等易燃樹種為主要樹種。所以，對福建省進(jìn)行森林火險區(qū)劃是當(dāng)前非常緊迫的任務(wù)。

由于森林火災(zāi)的突發(fā)性強，危害性大，林火一旦發(fā)生，就會造成嚴(yán)重?fù)p失。國家林業(yè)局防火辦統(tǒng)計，過去15 a間，福建省共發(fā)生6260 起森林火災(zāi)，火場總面積達(dá)128722.5 hm2，燒毀成林蓄積量2013526.3 m3，幼林損失25976 萬株，出動車輛110656 臺，人員傷亡高達(dá)110 人，造成的經(jīng)濟(jì)損失、氣象災(zāi)害、地質(zhì)災(zāi)害等無法估算，對國家的生態(tài)資源安全和人民的生命財產(chǎn)安全造成嚴(yán)重威脅。因此，以福建省各地級市為單位進(jìn)行森林火險區(qū)劃，具有典型性和參考性，可為我國的森林火險區(qū)劃研究提供良好的數(shù)據(jù)支持。

2 研究方法

2.1 指標(biāo)選取

本文選取指標(biāo)的原則是：在一定的假設(shè)條件下，能夠敏感地反映出誘發(fā)森林火災(zāi)的發(fā)生或加大林火的蔓延，能夠準(zhǔn)確地反映出森林損失情況，并且這些指標(biāo)可以量化[2]。基于這樣的原則，參考國內(nèi)外文獻(xiàn)，分析前人研究時選取指標(biāo)的片面性，在其基礎(chǔ)上綜合各項指標(biāo)，建立一套較完整的森林火險指標(biāo)體系，包括：火災(zāi)損失指標(biāo)、氣象指標(biāo)、人文指標(biāo)和環(huán)境指標(biāo)?；馂?zāi)損失指標(biāo)包括：森林火災(zāi)次數(shù)、火場總面積、受害森林面積、森林火警、一般火警、重大火災(zāi)、撲火經(jīng)費、其他直接經(jīng)濟(jì)損失、撲火人工；氣象指標(biāo)包含：降水量、平均氣溫、相對濕度、風(fēng)速、日照時間；人文指標(biāo)包含：經(jīng)濟(jì)狀況(人均GDP)、路網(wǎng)密度、人口密度；環(huán)境指標(biāo)指森林面積。

2.2 數(shù)據(jù)來源及處理

森林損失數(shù)據(jù)是由國家林業(yè)局防火辦提供的1999—2013年的年度數(shù)據(jù)；氣溫、相對濕度等5類氣象數(shù)據(jù)由國家氣象信息中心資料服務(wù)室提供；人口密度是依據(jù)福建省計生辦提供的人口數(shù)量通過簡單的計算(人口數(shù)/總面積)得到；經(jīng)濟(jì)狀況指人均GDP，根據(jù)《福建統(tǒng)計年鑒》中的有關(guān)數(shù)據(jù)作為該指標(biāo)的值；路網(wǎng)密度由中國經(jīng)濟(jì)與社會發(fā)展統(tǒng)計數(shù)據(jù)庫里的相關(guān)數(shù)據(jù)通過簡單計算(道路總長度/區(qū)域總面積)可得；森林面積通過查閱各地級市的統(tǒng)計年鑒得到。

為方便模型的建立，需對數(shù)據(jù)進(jìn)一步處理。本研究最初獲得的是面板數(shù)據(jù)，但傳統(tǒng)聚類無法對面板數(shù)據(jù)直接處理，所以本文采取“退化”處理將面板數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為截面數(shù)據(jù)[11]，對各地區(qū)各指標(biāo)的每年數(shù)據(jù)求均值得到可聚類的數(shù)據(jù)。

2.3 森林火災(zāi)區(qū)劃模型建立

聚類分析法是一種建立分類的多元統(tǒng)計分析方法，它能夠?qū)⒁慌鷺颖?或變量)數(shù)據(jù)根據(jù)其諸多特征，按照性質(zhì)上的親疏程度在沒有先驗知識的情況下進(jìn)行自動分類，產(chǎn)生多個分類結(jié)果。

由于影響森林火險各個因子的量綱不同，數(shù)據(jù)大小相差也較大，所以在進(jìn)行分類前要先進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。本文數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化到Z分?jǐn)?shù)，首先每列數(shù)據(jù)減去均值，然后除以標(biāo)準(zhǔn)差。即：

(1)

經(jīng)過變換處理后，每列數(shù)據(jù)的平均值為0，方差為1。再采用歐式距離進(jìn)行計算，即：

(2)

式中：EUCLID(x，y)為樣本之間的距離；k為指標(biāo)個數(shù)；i為指標(biāo)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(jù)樣本之間的距離，依次將距離最小的樣本合并為一類，逐步連接出聚類分析圖。

3 結(jié)果與分析

圖1 森林火險因子數(shù)據(jù)聚類分析樹狀圖

3.1 聚類區(qū)劃結(jié)果

圖2 聚類系數(shù)隨分類數(shù)變化曲線

將已獲得的福建省各地級市1999—2013年的18個因子數(shù)據(jù)采用均值法進(jìn)行退化處理，得到原始聚類數(shù)據(jù)。利用標(biāo)準(zhǔn)化公式(1)對所有樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，再利用公式(2)得到歐式距離。整個過程可用SPSS軟件進(jìn)行分析求解，得出聚類樹狀圖(圖1)。

聚合系數(shù)隨分類數(shù)變換曲線見圖2。從圖2可以看出，當(dāng)分類數(shù)為5以后時，曲線變得平緩，聚類效果好，因此將分類結(jié)果劃分為5 類。按照5 類劃分方法，在樹狀圖大約10的位置向下切割。切割線每相交1條樹狀線即分為一類。最終分類結(jié)果為：一類(南平、三明、寧德、福州)；二類(漳州、莆田)；三類(龍巖)；四類(泉州)；五類(廈門)。

3.2 區(qū)劃結(jié)果風(fēng)險排序及原因分析

根據(jù)福建省各地級市的實際情況，對上述的聚類結(jié)果進(jìn)行等級劃分。

Ⅰ級火險區(qū)為廈門市。廈門市市區(qū)面積較小，森林覆蓋率只有42.8%，遠(yuǎn)不及全省平均森林覆蓋率。廈門市發(fā)生森林火災(zāi)僅4.6次·a-1，平均每次火災(zāi)的火場面積為13.12 hm2，居全省最低。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，廈門市較低的森林火災(zāi)發(fā)生率主要得益于當(dāng)?shù)卣畬ι只馂?zāi)的高度重視，強化防范措施。一是廈門市政府在火災(zāi)易發(fā)生期間及時下達(dá)禁火令，加強巡查和隱患排查，防患于未然。二是積極做好應(yīng)急準(zhǔn)備，增加滅火裝備，加強撲火隊伍的培訓(xùn)和演練，縮短救火時間；三是深入宣傳教育，利用廈門電視臺多個欄目及廣播電臺、短信平臺宣傳《禁火令》，并紙質(zhì)印刷張貼，提高公眾的防火意識。這一系列的防火滅火措施大大降低了廈門市的林火發(fā)生率，因此將廈門市歸入一級火險區(qū)。

Ⅱ級火險區(qū)為莆田市和漳州市。該防火區(qū)的年平均林火發(fā)生次數(shù)為15～29次，年平均火場總面積為300～600 km2，明顯低于全省平均水平。該區(qū)林火形勢并不嚴(yán)峻，主要得益于其得天獨厚的自然條件，整個福建省的地勢為西北高、東南低，該區(qū)位于福建省東南部，相對而言地勢平坦，為消防人員趕赴火場爭取時間。這里生態(tài)環(huán)境良好，降水量相對較高，風(fēng)速小，林火發(fā)生后，可以有效地抑制林火的蔓延。因此將該區(qū)劃分為Ⅱ級火險區(qū)。

Ⅲ級火險區(qū)為泉州市。從數(shù)據(jù)上看，泉州市年平均森林火災(zāi)發(fā)生次數(shù)為47 次，年平均火場總面積為610.14 km2，均居全省平均水平。該市自然條件良好，位于福建省東南沿海，地形相對平坦，給救火帶來了方便。1999—2013年間，福建省森林火警大約有50 起·a-1，其中大約10 起發(fā)生在泉州。泉州市較高的森林火警發(fā)生率之所以沒有發(fā)展到高重大火災(zāi)發(fā)生率，主要是因為當(dāng)?shù)卣块T對森林火災(zāi)的發(fā)生反映迅速，第一時間趕赴現(xiàn)場救火，將損失降到最低。因此將泉州市列為Ⅲ級火險區(qū)。

Ⅳ級火險區(qū)包括南平、三明、寧德和福州市。這幾個市的森林資源非常豐富，森林面積總和達(dá)到了全省森林面積的60%。年平均森林火災(zāi)發(fā)生次數(shù)為45～66次，年平均火場總面積在895.4～1512.19 km2，除龍巖市外，均處于全省第一。該防火區(qū)所含的4個地級市相鄰，均處于福建省的北部，山地較多，給施救人員帶來重重阻礙，森林損失較為嚴(yán)重。因此，將這幾個地區(qū)劃分為Ⅳ級火險區(qū)。

Ⅴ級火險區(qū)為龍巖市，火險情況最為嚴(yán)重。龍巖市森林資源豐富，森林覆蓋率達(dá)78.6%，居全省第一。該市面臨的火災(zāi)形勢嚴(yán)峻，防火任務(wù)較重。從森林損失上看，龍巖市發(fā)生的重大火災(zāi)次數(shù)明顯較高，全省年平均重大火災(zāi)大約有8起，其中龍巖市就有5起。龍巖市的平均單位面積發(fā)生林火次數(shù)和平均單次火災(zāi)受害森林面積居全省第一，說明龍巖市火源管控難度大，林火易發(fā)，撲救效率低。從自然條件上看，龍巖市降水明顯不均，從每年10月—次年3月降水量僅占年降水量的26%，空氣中水汽較少，林土濕度較低，枯枝落葉增多，森林的易燃性更大，森林火險明顯加大。因此將龍巖市劃分為Ⅴ級火險區(qū)。

3.3 繪制森林火險區(qū)劃圖

圖3 福建省森林火險區(qū)劃圖

根據(jù)區(qū)劃結(jié)果，繪制福建省森林火險區(qū)劃圖(圖3)。從圖3可以看出，我國森林火災(zāi)的風(fēng)險區(qū)劃具有一定的地域完整性，所劃分的區(qū)域具有連片的特點，符合風(fēng)險區(qū)劃的既定要求。且明顯看出Ⅳ級、Ⅴ級火險區(qū)分布在福建省西部、北部，火險大，與福建省西、北部火災(zāi)損失嚴(yán)重相符。其中：Ⅰ級火險區(qū)面積為1699.39 km2，約占總面積的1.38%；Ⅱ級火險區(qū)面積為16726 km2，約占總面積的13.59%；Ⅲ級火險區(qū)面積為11015 km2，約占總面積的8.95%；Ⅳ級火線區(qū)面積為74620 km2，約占總面積的60.62%；Ⅴ級火險區(qū)面積為19027 km2，約占總面積的15.46%。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

本文綜合了前人森林火險區(qū)劃的火險因子，共選取18個因子：森林火災(zāi)次數(shù)、森林面積、火場總面積、受害森林面積、森林火警、一般火警、重大火災(zāi)、撲火經(jīng)費、其他費用、撲火人工、降水量、平均氣溫、平均濕度、平均風(fēng)速、日照時間、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、路網(wǎng)密度、人口密度，構(gòu)建森林火險指標(biāo)體系，全面反映影響森林火災(zāi)的因素，使森林火險區(qū)劃結(jié)果更趨于實際。

本文運用聚類分析法，根據(jù)所建立的森林火險指標(biāo)體系，對福建省各地級市的森林火險進(jìn)行區(qū)劃，并根據(jù)實際情況進(jìn)行等級劃分。具體劃分結(jié)果為：Ⅰ級火險區(qū)為廈門市；Ⅱ級火險區(qū)為莆田市和漳州市；Ⅲ級火險區(qū)為泉州市；Ⅳ級火險區(qū)包括南平、三明、寧德和福州市；Ⅴ級火險區(qū)為龍巖市。

4.2 建議

1)對于Ⅰ級火險區(qū)廈門市，應(yīng)采取的防火策略是“嚴(yán)格控制人為火源”。雖然該區(qū)林火發(fā)生率較低，但防火工作仍不能松懈，應(yīng)把主要工作放在加強林火防范，控制人工用火上。廈門市經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，人口眾多，極易因為人類活動造成森林火災(zāi)。研究表明，目前人為火源是森林火災(zāi)的主要誘導(dǎo)因素，有98%的森林火災(zāi)都是人為造成的[12-13]。所以，對于廈門市來說，加強人為火源的管理是防范森林火災(zāi)的核心任務(wù)。對于Ⅱ級火險區(qū)，從數(shù)據(jù)上看，該區(qū)的自然條件相對良好，但一般火警所占的比例較高，可見該區(qū)對于林火發(fā)生的應(yīng)急處置不及時，導(dǎo)致了火勢的蔓延。所以，該區(qū)的主要工作是健全預(yù)警響應(yīng)機(jī)制和應(yīng)急處置能力，加強滅火演練，更新滅火設(shè)備，及時把火撲滅。另外，要及時對林地進(jìn)行間伐，防治易燃物堆積，種植一些耐火樹種，防止火勢蔓延。對于Ⅲ級火險區(qū)泉州市的防火策略是“預(yù)防為主，積極消滅”，盡可能把火災(zāi)消滅在萌芽階段。該市的森林火警發(fā)生次數(shù)過高，有極大的安全隱患。所以，泉州市應(yīng)以預(yù)防為主，增加林區(qū)巡邏人員，嚴(yán)禁無證用火，加大違法用火打擊力度。Ⅳ級火險區(qū)，森林面積大，地勢復(fù)雜，林火撲救困難。當(dāng)?shù)卣畱?yīng)提高對林火的重視，用各種方式宣傳森林防火知識和法律知識，加大對森林防火的投資，在林火高危區(qū)拓寬馬路，建立林火看守站點。在林火高發(fā)期，要加大排查力度，防治一切火源被帶入山林。對于Ⅴ級火險區(qū)龍巖市，火險形勢最為嚴(yán)峻。龍巖市政府應(yīng)動員全市市民積極防火滅火，細(xì)化各部門的工作，從立法、防火、滅火、事后處理4個環(huán)節(jié)控制火災(zāi)造成的損失，盡量做到“滅早滅小滅了”。

2)森林火險區(qū)劃是保費率厘定的基礎(chǔ)。我國森林火災(zāi)保險發(fā)展緩慢，其中非常重要的原因是我國森林火災(zāi)保險絕大部分以1個省為單位統(tǒng)一費率，但我國省內(nèi)各地級市間的森林火險等級差異顯著，統(tǒng)一費率使得風(fēng)險較小地區(qū)的林農(nóng)不愿投保，而風(fēng)險較大地區(qū)的林農(nóng)則趨于投保，容易造成道德風(fēng)險，保險公司不愿承保。本文中，以地級市為單位進(jìn)行的森林火險區(qū)劃考慮到福建省境內(nèi)環(huán)境的復(fù)雜性，不同森林火險等級制定不同的保費。厘定合理的保費既能有效地轉(zhuǎn)移林農(nóng)的風(fēng)險，提高林農(nóng)投保的意愿，又能避免道德風(fēng)險，提高保險公司承保的積極性。所以在風(fēng)險區(qū)劃的基礎(chǔ)上厘定區(qū)域化保費是十分有必要的。只有通過森林火險區(qū)劃研究，才能使森林保險的價格厘定有科學(xué)依據(jù)，才能為森林保險的長遠(yuǎn)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

3)目前關(guān)于森林火險區(qū)劃的研究大多是以全國或地級市為區(qū)劃范圍來進(jìn)行的，本文以省為區(qū)劃范圍，以福建省為例，對其地級市進(jìn)行火險區(qū)劃，為福建省的防火人力、防火設(shè)備和防火物資在各地級市間的合理配置提供參考，并針對各地級市間的不同情況提出了防火建議。同時，福建省林火區(qū)劃具有一定的廣泛性和參考性，對我國其他省份的森林火險區(qū)劃具有借鑒意義。

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Zoning of Forest Fire Risk Grade of Fujian Province Based on Hierachical Clustering Analysis

LI Tong-yao，CHEN Xin，DENG Jing，CHEN Kang，SUN Wei-hao，ZHENG Ying

(EconomyandManagement，BeijingForestryUniversity，Beijing100083，China)

Take Fujian Province as an example，analyse the forest fire risk factors，select and quantize forest fire danger zoning indicators，and establish fire danger index system.Based on the forest fire data，weather data，humanity data and environment data from 1999—2013 in 9 cities of Fujina Province，classify the forest fire danger zones in these 9 cities into five classes.According to the statistical result，sort these danger zones and draw a classification map of five danger areas，then analyse the causes of different fire risk grades in forest loss，climate and geographical condition，the attention of government and so on.Accordingly put forward some prevention strategies and advice in the aspect of legislating，fireproofing，putting out fire and pricing the premium.

forest fire；index system；cluster analysis；fire risk zoning

2014-12-24；

2015-01-25

教育部人文社會科學(xué)研究青年基金項目(14YJC790022)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金(JGTD2014-02)

李童瑤(1994—)，女，山東菏澤人，北京林業(yè)大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院在讀本科生，從事林業(yè)金融理論研究。E-mail：18811581595@163.com。

陳馨(1993—)，女，北京人，北京林業(yè)大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院在讀本科生，從事林業(yè)金融理論研究。E-mail：chenx1207@163.com。

10.13428/j.cnki.fjlk.2015.04.032

S762.3+1

A

1002-7351(2015)04-0148-05