林火蔓延模型的進展研究＊

楊盛菁，李 娜

（蘭州財經(jīng)大學，甘肅 蘭州 730000）

1 林火蔓延模型

林火蔓延是一種林火行為，是指森林起火后，由火點向其上下及周圍的擴展。林火蔓延模型是在對各種條件進行簡化下，應用數(shù)學方法進行處理的一種定量關(guān)系式，可以用這些關(guān)系式來預測林火行為。林火蔓延模型的選取是實現(xiàn)林火蔓延模擬的基礎(chǔ)，選取不同的模型對應的模擬效果也就有所差別。

首先做此方面研究的是W.R.Fons，他在1946年提出了林火蔓延模型的數(shù)字模型，在他之后也有許多專家提出了不同的林火蔓延模型，當然其中我國的林火蔓延模型也得到了較為廣泛的應用。目前的林火蔓延模型主要分為三類，分別為：統(tǒng)計模型、經(jīng)驗模型和物理模型。

美國的Rothermel 模型就是典型的物理模型。因其可燃物較為均勻，可依據(jù)熱傳導公式對火蔓延的初始速度進行求解。該模型由于是從林火蔓延的主要機理出發(fā)，因此模擬效果較好，今后的許多模型都參考了該模型。

加拿大林火蔓延模型是經(jīng)過290 次點燒試驗的統(tǒng)計模型，他不考慮影響火蔓延的其他因素，而是通過現(xiàn)場的火災情況或者試驗模擬收集數(shù)據(jù)進行分析從而建立模型。

澳大利亞的McArthur 模型經(jīng)過試驗，通過多次點燒獲得的模型，Noble I.R.等人對McArthur 進行火險尺的定量描述，它可以預測某些火險天氣，還能為一些重要的火險行為提供定量的參數(shù)，對于及時救火有重要作用。由于它可適用的情況比較少，只有草地或者桉樹林才能用于此模型，具有一定的局限性，適用于我南方地區(qū)的森林防火。

我國的林火蔓延模型主要以王正非模型為基準。王正非模型是通過在我國東北的大興安嶺林區(qū)進行多次點燒試驗得到的，對于我國北方森林比較適用，公式方便、簡單，但在坡度大于60 度時，該模型的準確率將降低。而且實用性不強，該模型僅考慮了上坡和下坡的情況，當風向與坡度不一致時，此模型將不再適用。

毛賢敏在王正非模型的基礎(chǔ)上進行完善，對坡度進行的進一步的研究，增加了左右平坡方向因素，對坡度的計算進行了修正，采用了國外Lawson蔓延因子對坡度進行重新計算，更符合實際情況。

2 林火蔓延的影響因子

林火蔓延的影響因子可以分為四類：土壤、可燃物、氣象及地勢。土壤影響因子包括：土壤中的礦物含量、礦物含量變化率等；可燃物因子特性包括：容可燃物密度、水分含量和化學成分等；氣象因子是林火蔓延過程中最易受影響的因素，風的方向、氣溫以及相對濕度都會對林火蔓延的速度產(chǎn)生影響；在地形因子中，坡的陡峭程度和方向是影響較大的。本文主要對影響較大的可燃物、氣象和地形進行模擬研究。

1）可燃物：種類不同，那么相應的化學成分、物理結(jié)構(gòu)及大小均不相同，導致可燃物的燃點及其燃燒速度有一定程度的差距。若可燃物的燃點低，燃燒速度較快，且火的方向?qū)键c低的物質(zhì)方向蔓延。相反，若可燃物燃點高時，燃燒速度就將緩慢。比如雜草、落葉和地面的枯樹枝等較為細小的可燃物，隨著大氣中含水率的變化，很容易就可以點燃。而較為粗大的植被將隨著天氣的改旱與否進行變化，因此就不會輕易燃燒。

2）氣象：順風蔓延的速度最快，逆風蔓延緩慢，側(cè)風蔓延則介于二者之間。風容易將可燃物風干，加速燃燒，能改變熱傳播，使不同方向的熱流變?yōu)闊崞搅?，直接影林火蔓延的速度。風還可以帶來充足的氧氣加速燃燒的過程。此外，風向能決定林火蔓延方向。在火場上，當風向突變時，火勢會減弱，有利撲救。除了風向以外的其他氣象因子，如溫度、濕度、降水、日照等都與林火蔓延有關(guān)。林火蔓延與時間密切相關(guān)，時間愈長，火場蔓延面積愈大；反之，火場蔓延面積也小。

3）地形：在不同的地域上，可燃物的種類及其分布情況是種隨機狀態(tài)，在地勢變化的情況下，生態(tài)因子將會隨之轉(zhuǎn)變，從而影響火場環(huán)境。且地勢參差不齊時，熱流的傳導也會受影響。如火在陽坡、山脊時，立地條件干燥，林火蔓延速度較快；而火在陰坡、山谷時，立地條件潮濕，林火蔓延則緩慢。當火向呈上坡蔓延時，燃燒速度較快，不易撲滅；當火向呈下坡蔓延時，燃燒速度較慢，此時容易撲救。坡度大小對林火蔓延影響較大，在一般情況下，坡度越大燃燒速度越快，但若坡度足夠大時，林木間的距離也相應增大，反而不會對林木造成重大損失。但坡度平緩時林木受火影響較為嚴重。

3 林火蔓延模擬的實現(xiàn)

林火蔓延的預防和補救是近年來比較迫切的需求，實現(xiàn)林火蔓延模擬將有助于對現(xiàn)實森林進行可視化的管理。由于林火蔓延的模型較為復雜多樣，數(shù)據(jù)龐大，將利用計算機實現(xiàn)林火蔓延的模擬，當然，這也是今后發(fā)展的必然趨勢。

林火蔓延模擬運用較多的則是柵格式的模擬，首先將所需要模擬的數(shù)據(jù)進行柵格化處理，針對每一個柵格輸入林火蔓延影響因子的信息然后選擇合適的模型計算出林火蔓延的初始速度。最后利用元胞自動機（CA）、地理信息系統(tǒng)（GIS）等方法實現(xiàn)林火蔓延的可視化。其中元胞自動機是一種動力學模型，其當下這一時刻元胞的狀態(tài)和相鄰元胞的狀態(tài)會對下一刻元胞的狀態(tài)產(chǎn)生影響。林火蔓延作為一種時空動態(tài)變化過程，因此與CA 模型相容性非常之高，目前通過CA 模型來分析林火蔓延已成為研究熱點。

隨著人類的發(fā)展，人類可用的信息技術(shù)與計算機手段與時俱進，林火行為的研究也從二維的理論探索轉(zhuǎn)變?yōu)槿S的可視化研究，將空間模型與其他因子進行組合，如：樹冠火模型、飛火模型等，從而構(gòu)建大量的空間模型。通過大量的應用和完善，模型結(jié)果與真實林火的發(fā)生過程愈發(fā)契合，因此實踐性較高，應用范圍較廣，其被廣泛應用于森林消防設(shè)計、火情分析、撲火決策等方面，為我國林火管理提供了重要的技術(shù)支持。

3.1 火場模擬器

火場模擬器是一種林火蔓延模擬系統(tǒng)，出自美國林務局研究站，目前在美國林務局、國家公園等行業(yè)中廣泛應用。該模擬器是基于BEHAVE 火行為預測系統(tǒng)，將某些林火蔓延的影響因子，如氣象因子及可燃物因子等，通過一系列經(jīng)典模型，諸如樹冠火、飛火等，對火線的時空變化過程進行科學、精準的預測，從而以二維模擬的方式反映出林火的實際行為。該模型在對火擴展的速度和形狀進行描述時，主要采取的是惠更斯原理，是一種矢量模擬模型。

3.2 普羅米修斯

普羅米修斯系統(tǒng)目前是加拿大關(guān)于撲火、火情分析、方案決策制定、森林及社區(qū)消防安全設(shè)計的主要工具，已成為國家級標準。該模型隸屬于加拿大林火預測系統(tǒng)，以惠更斯原理和橢圓增長理論作為模型的傳播方程，同時采用Richards 小波傳播模型的一種實時空間林火蔓延模擬系統(tǒng)。

3.3 菲尼克斯

菲尼克斯是由墨爾本大學所研發(fā)的一種灌木林蔓延模擬系統(tǒng)，以澳大利亞聯(lián)邦科工組織實踐為目的，基于McArthur 草原火蔓延模型的林火蔓延模擬系統(tǒng)。對于澳大利亞林火蔓延的實現(xiàn)過程進行精準預測。目前，菲尼克斯模擬系統(tǒng)已經(jīng)在澳大利亞東南部的林火撲救中廣泛應用。

總之，空間模型的構(gòu)建都是基于傳統(tǒng)方程和模型基礎(chǔ)之上的，主流的傳統(tǒng)模型有CFBP 模型、McArthur 模型、Rothermel 模型。同時，空間模型作為一種矢量模型，更能體現(xiàn)出真實的模擬效果，且通過對不同種類的火行為模型方式進行結(jié)合，使得空間模型的模擬效果更高，與實際情況的契合度更高。林火三維可視化的實現(xiàn)，幫助人們更好的進行防火控火，增強了人類的社會安全感。

4 總結(jié)

本研究結(jié)合了林火蔓延的影響因子對林火蔓延模型的現(xiàn)狀進行一定程度的研究。重點分析了可燃物、氣象因子、地形因子在林火蔓延中的重要性，在今后的研究中對于風向、坡度等方面應著重優(yōu)化。當前的林火蔓延模型所研究的內(nèi)容較為單一，只適用于其特定的情況，不能普遍推廣。今后需在模型綜合性方面探究。由于林火蔓延模型起源于國外，因此模型中的某些參數(shù)并不適用于我國森林地況，我國應繼續(xù)研究更適用于中國森林地勢的林火蔓延模型，鼓勵諸如王正非等人對問題深入研究。在我國有關(guān)專家的努力下近年來我國林火蔓延模型研究也逐漸完善，且林火蔓延模擬的實現(xiàn)也越發(fā)成熟，以后也將探索更全面更方便的模型達到更好的模擬效果。隨著科學的發(fā)展，將極大的減少森林火災的發(fā)生，對維護森林安全有著極大的作用。