淺析森林防火技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

趙昌彬 張雨鑒

（1.云陽縣國有四十八槽林場，重慶 404500；2.北京林業(yè)大學(xué)生態(tài)與自然保護(hù)學(xué)院，北京 100083）

森林火災(zāi)對森林和陸地生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。從生態(tài)角度來看，森林火災(zāi)不僅破壞動(dòng)植物棲息地，危及生存，最終導(dǎo)致生物多樣性降低，同時(shí)還阻礙關(guān)鍵生態(tài)過程，影響生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性和增加生態(tài)系統(tǒng)對入侵物種的脆弱性[1-3]。從社會(huì)角度看，森林火災(zāi)不僅導(dǎo)致國家面臨嚴(yán)重的資源和經(jīng)濟(jì)損失，還對人民群眾的人身安全和財(cái)產(chǎn)安全造成了極大威脅[4-5]。因此，全面的森林防火策略至關(guān)重要[6]。

在全球氣候變化背景下，近年來森林火災(zāi)頻頻發(fā)生，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，森林防火工作的開展也受到了國家高度重視和社會(huì)廣泛關(guān)注[7-8]。森林防火工作內(nèi)容較多，涉及較廣，其中預(yù)防和控制為其最為核心的兩方面[9]。森林防火工作的順利開展和進(jìn)行離不開有效的防火技術(shù)，防火技術(shù)的科學(xué)化、現(xiàn)代化對于提高森林防火效益、促進(jìn)林業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[10]。本文通過文獻(xiàn)研究，總結(jié)了森林防火技術(shù)在預(yù)測、監(jiān)測、阻隔以及通訊等方面的發(fā)展現(xiàn)狀，并提出了在生物防火技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)以及傳感器技術(shù)等方面的發(fā)展趨勢。旨在為森林防火技術(shù)的革新、森林防火工作的完善提供科學(xué)指導(dǎo)和理論支持，進(jìn)而有效保護(hù)和促進(jìn)森林資源的可持續(xù)利用，維護(hù)生態(tài)和社會(huì)安全。

1 森林防火技術(shù)現(xiàn)狀

森林防火工作極大促進(jìn)了對我國森林資源的保護(hù)，而這又主要依賴于良好的防火技術(shù)。目前，我國已經(jīng)具備了一個(gè)較為完整的防火技術(shù)體系，涵蓋了林火預(yù)測預(yù)防、林火監(jiān)測、林火阻隔、林火通訊以及林火撲救等方面，并取得了一定成果，極大地降低了火災(zāi)帶來的損失和危害[11]。

1.1 林火預(yù)測

森林防火的關(guān)鍵環(huán)節(jié)則是對火災(zāi)的預(yù)測預(yù)報(bào)，這種預(yù)測技術(shù)是基于當(dāng)時(shí)與火災(zāi)發(fā)生有密切關(guān)系的氣候和環(huán)境因素如溫度、空氣濕度和風(fēng)速等與歷史數(shù)據(jù)對比，基于歷史火災(zāi)數(shù)據(jù)推測火災(zāi)發(fā)生的可能性。當(dāng)?shù)叵嚓P(guān)林業(yè)部門或應(yīng)急部門根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果，判斷是否采取相應(yīng)的預(yù)防措施。在易火環(huán)境下，人為火源極易成為火災(zāi)發(fā)生的隱患，因此，通常會(huì)對林區(qū)進(jìn)行禁火處理，如我國每年的十二月到次年六月中旬為森林防火期[12]。與此同時(shí)，消防部隊(duì)要隨時(shí)做好能第一時(shí)間趕往火災(zāi)發(fā)生現(xiàn)場的準(zhǔn)備。此外，預(yù)測預(yù)報(bào)技術(shù)還可以在火災(zāi)發(fā)生過程中對火情的發(fā)展進(jìn)行預(yù)報(bào)，如火強(qiáng)度、烈度及蔓延速度等，這就使相關(guān)部門能根據(jù)實(shí)時(shí)情況制定合適的防火方針和應(yīng)對策略。目前，隨著科技的發(fā)展，預(yù)測預(yù)報(bào)技術(shù)也在不斷優(yōu)化，準(zhǔn)確性也在不斷提高，這很大程度上為森林防火工作克服了困難[6]。

1.2 林火監(jiān)測

林火監(jiān)測在防火工作中的地位同林火預(yù)測一樣，也是不可或缺的一步。在基于傳統(tǒng)的地面林火監(jiān)測的基礎(chǔ)上，現(xiàn)在林火監(jiān)測技術(shù)已經(jīng)逐步轉(zhuǎn)變?yōu)楹娇蘸教烊S立體式火災(zāi)監(jiān)測，依靠飛機(jī)、衛(wèi)星等高科技設(shè)備，并結(jié)合3S技術(shù)（地理信息系統(tǒng)技術(shù)GIS、全球定位系統(tǒng)技術(shù)GPS和遙感技術(shù)RS），極大提高了火災(zāi)監(jiān)測的有效性和監(jiān)測效率，這樣消防部門就能在短時(shí)間內(nèi)根據(jù)監(jiān)測的圖像和計(jì)算數(shù)據(jù)制定合適的滅火方案，為現(xiàn)成滅火隊(duì)員提供安全有效的滅火指導(dǎo)，提高滅火的效率，將損害降到最低[13]。

1.3 林火阻隔

林火阻隔技術(shù)是一種防止火災(zāi)面積擴(kuò)大、火勢向周圍蔓延的技術(shù)，它根據(jù)林區(qū)火災(zāi)位置的具體地勢地貌不同，以及森林植被的分布情況，而包括公路修建、防火帶設(shè)置以及耐火抗火植物種植等技術(shù)[14]。其中公路修建不僅能阻隔火災(zāi)的進(jìn)一步蔓延，同時(shí)為消防隊(duì)伍能迅速趕到火災(zāi)現(xiàn)場提供了便利，是一個(gè)兩全其美的方法，但同時(shí)也會(huì)耗費(fèi)較大的資金和人力，而且根據(jù)地形和森林分布情況，公路修建對于某些林區(qū)也存在極大困難。因此，在此方面的投入也存在很大發(fā)展空間。防火帶的設(shè)置則在局部范圍能短時(shí)間內(nèi)控制火勢蔓延，為消防工作人員爭取時(shí)間。而耐火性植物種植則是從生態(tài)角度進(jìn)行長遠(yuǎn)考慮的方法，同樣能在火災(zāi)發(fā)生時(shí)減少起蔓延的速度和可能性。此外，生土阻隔法（圍繞火災(zāi)區(qū)域設(shè)置2 m左右寬度的生土帶）也是一種減小火災(zāi)范圍的有效方法[15]。

1.4 林火通訊

林火通訊技術(shù)在防火過程中起到一個(gè)聯(lián)系消息、傳遞情報(bào)的一個(gè)作用，貫穿整過防火過程。消防部門通過預(yù)測技術(shù)或監(jiān)測技術(shù)所獲的信息要依靠通訊技術(shù)傳遞給現(xiàn)場工作人員，同時(shí)現(xiàn)場的具體火情也需要借助通信技術(shù)反饋給后方，這樣就可以做到隨機(jī)應(yīng)變。在現(xiàn)代化進(jìn)程中，林火通訊技術(shù)也在不斷發(fā)展，從一開始的有線通訊，再到現(xiàn)在的無線通訊和衛(wèi)星通訊，極大地便利了森林防火工作的有序進(jìn)行。通訊技術(shù)的完善同時(shí)也利于林火預(yù)測和監(jiān)測工作的進(jìn)行。目前，我國已經(jīng)建立了較為完整的森林防火無線工作網(wǎng)絡(luò)，通訊技術(shù)也逐漸科學(xué)化、規(guī)范化。但值得注意的是，如何在較為偏遠(yuǎn)、信號(hào)較弱地區(qū)提升通訊功能仍是未來的一個(gè)研究方向[14-15]。

1.5 林火撲救

森林防火撲救是防火工作的重要防線，也是火災(zāi)下保護(hù)森林生態(tài)系統(tǒng)平衡和人類安全的最重要的一道壁壘。采取科學(xué)有效撲救技術(shù)才能進(jìn)一步阻止火災(zāi)的擴(kuò)大，并最終消滅火災(zāi)。撲救技術(shù)包括有人工降雨、人力撲救、爆炸滅火及化學(xué)滅火等[8]。人工降雨需要一定氣候條件，效果極易受環(huán)境因素影響，人力撲救危險(xiǎn)性較高，速度較慢，但靈活性較強(qiáng)，能具體到點(diǎn)。爆炸滅火則是通過引爆特殊炸藥，利用爆炸瞬間產(chǎn)生的水滴和沖擊力進(jìn)行能量吸收和降溫，達(dá)到滅火效果?；瘜W(xué)滅火是利用滅火車和飛機(jī)等工具進(jìn)行化學(xué)試劑噴灑滅，能取得較好效果，在滅火工作中得到廣泛采用[12]?；馂?zāi)撲救工作不僅要根據(jù)現(xiàn)場情況采取合適的滅火方式，同時(shí)也要注意和林火阻隔技術(shù)相結(jié)合，多方面地減小火災(zāi)蔓延程度，并提高滅火功效[16]。

2 森林防火技術(shù)發(fā)展趨勢

目前，我國現(xiàn)有的防火技術(shù)相對于過去，已有了很大進(jìn)步，也取得了可觀的效果。隨著科技飛速發(fā)展，融入新技術(shù)已是發(fā)展趨勢。這部分將從生物防火、網(wǎng)絡(luò)信息以及傳感器技術(shù)三個(gè)方面簡述森林防火發(fā)展趨勢[6]。

2.1 生物防火技術(shù)

生物防火技術(shù)是基于植物特性差異，如不同植物間可燃性不同，以及他們分布配置差異，到達(dá)火災(zāi)發(fā)生時(shí)能形成一道天然阻隔帶效果，進(jìn)而防止火勢蔓延。生物防火是通過在林區(qū)局域位置營造特定植物分布綠色林火防護(hù)技術(shù)[17]。生物防火包括兩大主要內(nèi)容，分別是生物防火林帶和遮陰形隔離帶。前者如在針葉林中營造帶狀的特定闊葉樹種，寬度在15～20 m左右，通過闊葉樹種獨(dú)特的樹冠結(jié)構(gòu)和林下可燃物的分布來阻隔火勢蔓延，后者則通過對地表可燃物清除及小胸徑樹木去除，提高冠層和地面高度，盡可能打斷可燃物和火焰連續(xù)性，起到阻隔火勢蔓延效果。生物防火優(yōu)點(diǎn)在于，在阻隔林火蔓延的同時(shí)，能增加營林成效，不管是闊葉樹種的栽植還是林分結(jié)構(gòu)的修整，均能改善林分環(huán)境，維持森林生態(tài)系統(tǒng)平衡穩(wěn)定。除此之外，相對于其他防火技術(shù)，生物防火的投入也相對較小，甚至在某些森林中已經(jīng)自然形成了防火林帶雛形，能成為完整阻隔帶。生物防火是森林防火與林業(yè)科學(xué)的完美結(jié)合，大力推廣和實(shí)施可提高防火工作的受益多樣性，同時(shí)，還能兼顧防火、景觀、生態(tài)及經(jīng)濟(jì)的多元結(jié)合[9,18]。

2.2 網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)

隨著互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來，一系列主流網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)如大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)及計(jì)算機(jī)云計(jì)算等被應(yīng)用到森林防火工作中，促進(jìn)防火工作順利開展。基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的森林防火管理模式，形成了新的管理平臺(tái)。一是林業(yè)底層系統(tǒng)的建造，依靠網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研發(fā)遠(yuǎn)程無線通訊數(shù)據(jù)監(jiān)測設(shè)備，如易火區(qū)域定點(diǎn)監(jiān)測設(shè)備紅外線攝像頭以及智能巡檢設(shè)備等；二是構(gòu)建林區(qū)與指揮中心的數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和信息的互通；三是構(gòu)造智能化的決策系統(tǒng)，能夠?qū)?shù)據(jù)庫大量歷史信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并根據(jù)歷史數(shù)據(jù)推演模擬當(dāng)前火災(zāi)的火情和制定應(yīng)對措施。這預(yù)示著森林防火工作的逐漸智能化，科學(xué)化。當(dāng)然，防火工作的網(wǎng)絡(luò)信息化是一個(gè)極為復(fù)雜的過程，包括平臺(tái)管理、功能分析、環(huán)境開發(fā)、系統(tǒng)構(gòu)架、預(yù)警分析、系統(tǒng)監(jiān)控等一系列進(jìn)程。需要不斷培養(yǎng)專業(yè)的人才和進(jìn)行系統(tǒng)深入學(xué)習(xí)，才能使該技術(shù)在防火工作中被熟練運(yùn)用，但這也是防火工作的重要發(fā)展方向[19]。

2.3 傳感器技術(shù)

隨著社會(huì)和科技進(jìn)步，森林防火技術(shù)也將趨向與電子信息技術(shù)相結(jié)合的方向發(fā)展，如傳感器技術(shù)。實(shí)際上，傳感器技術(shù)可以歸于防火通訊技術(shù)中，同時(shí)也與網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)密不可分，但目前諸多新興的高科技技術(shù)都是基于傳感器技術(shù)所衍生和發(fā)展的一些新方法和新系統(tǒng)，如圖像分析、人工智能技術(shù)和傳感器網(wǎng)絡(luò)集成等[20]。傳感器技術(shù)主要貢獻(xiàn)于林火的預(yù)測和預(yù)防過程中。無線傳感網(wǎng)絡(luò)（WSN）可以用于早期的森林火災(zāi)探測。一個(gè)WSN由多個(gè)節(jié)點(diǎn)組成，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有各自特性。WSN的多樣性在于其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、通信方法、傳感器類型和數(shù)據(jù)處理技術(shù)。通過合并不同類型傳感器，無線節(jié)點(diǎn)能檢測一系列物理參數(shù)，包括溫度、壓力和濕度，以及化學(xué)參數(shù)，如一氧化碳、二氧化碳和二氧化氮。該網(wǎng)絡(luò)將測量到的這些數(shù)據(jù)作為輸入值并產(chǎn)生一個(gè)“天氣指數(shù)”，用來衡量由天氣引起的火災(zāi)的概率。在某些緊急情況下，節(jié)點(diǎn)可以檢測到煙霧或異常溫度，然后向節(jié)點(diǎn)管理器發(fā)送某種類型報(bào)警。此外，WSN收集數(shù)據(jù)作為原始輸入數(shù)據(jù)，然后傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)，利用溫度、煙霧、光、濕度和距離等參數(shù)，建立一種模糊邏輯算法。這種算法考慮了火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)、面積大小和人員存在等因素。再在這種邏輯算法的基礎(chǔ)上配置合適的物流基礎(chǔ)設(shè)施、模擬培訓(xùn)和先進(jìn)的滅火技術(shù)。為防止誤報(bào)，使用了配備氣體傳感器和熱成像攝像機(jī)的遠(yuǎn)程無人機(jī)（UAV）來監(jiān)測潛在的火災(zāi)。為提高監(jiān)測效率，在飛機(jī)上安裝了各種設(shè)備，包括微波輻射計(jì)（用于檢測熱點(diǎn)）、氣體和煙霧傳感器和熱成像攝像機(jī)。一旦進(jìn)行滅火，無人機(jī)就會(huì)發(fā)揮類似防火隔墻的作用，較大限度地減少再次發(fā)生火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)[21]。

3 結(jié)語

森林防火工作是一項(xiàng)重要且長遠(yuǎn)的任務(wù)，這對于保護(hù)生態(tài)環(huán)境和森林資源安全具有重要意義，而對防火技術(shù)的不斷完善和革新，又是對防火工作順利進(jìn)行的有力保障。只有不斷促進(jìn)防火技術(shù)的科技化、專業(yè)化，才能增強(qiáng)防火工作帶來的有利效益，促進(jìn)林業(yè)可持續(xù)發(fā)展，為社會(huì)和人類生活帶來福祉。