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(gè)復(fù)雜的自然現(xiàn)象，其過(guò)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(dòng)的綜合影響，呈現(xiàn)出時(shí)間-空間雙重演變特征。以某省森林火災(zāi)為案例，通過(guò)篩選初始火點(diǎn)位置、可燃物載量等核心變量，設(shè)計(jì)多因素耦合的模擬模型（元胞自動(dòng)機(jī)算法），構(gòu)建森林火災(zāi)蔓延模型，并基于該模型設(shè)計(jì)滅火決策支持系統(tǒng)。該系統(tǒng)分為火勢(shì)預(yù)測(cè)、資源匹配、方案推演3個(gè)核心模塊，通過(guò)模塊聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)從火勢(shì)預(yù)測(cè)到策略生成的閉環(huán)，生成多套滅火策略（直接撲打、開(kāi)設(shè)隔離帶等），并實(shí)踐應(yīng)用評(píng)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(hào)：X928.7" " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " " "文章編號(hào)：2096-1227（2025）07-0038-03

0 引言

全國(guó)綠化委員會(huì)辦公室發(fā)布的《2022年中國(guó)國(guó)土綠化狀況公報(bào)》中指出我國(guó)森林面積達(dá)2.31億hm2[1]。林火防控是生態(tài)安全與人民生命財(cái)產(chǎn)保護(hù)的重要任務(wù)。《“十四五”國(guó)家應(yīng)急體系規(guī)劃》明確提出需加強(qiáng)自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)研發(fā)，其中，森林火災(zāi)預(yù)測(cè)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(shí)際需求設(shè)計(jì)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(cè)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(xiǎn)是指林火蔓延及其對(duì)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(duì)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(dòng)等諸多因素[2]。其中，氣象條件中的氣溫與降水對(duì)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(huì)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(xiǎn)等級(jí)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(píng)估森林火災(zāi)蔓延風(fēng)險(xiǎn)，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(guò)程呈現(xiàn)典型的階段性演化特征與多物理場(chǎng)耦合特性，其基本規(guī)律可概括為燃燒動(dòng)力學(xué)時(shí)序演進(jìn)、空間擴(kuò)散各向異性及能量傳遞非線性交互3個(gè)維度：時(shí)間上，火勢(shì)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(qiáng)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(chǎng)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(kuò)散模式，復(fù)雜地形會(huì)打破對(duì)稱性，出現(xiàn)渦旋火場(chǎng)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(duì)流作用決定火焰垂直發(fā)展強(qiáng)度，飛火傳播形成多尺度火場(chǎng)疊加效應(yīng)，且火場(chǎng)邊界層湍流強(qiáng)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(qiáng)度突破臨界閾值時(shí)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(chǎng)景各有差異。

第1類為經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，以Rothermel模型為代表，通過(guò)統(tǒng)計(jì)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(yàn)公式，優(yōu)勢(shì)在于計(jì)算簡(jiǎn)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(shí)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(dòng)力學(xué)、熱傳遞和空氣流動(dòng)的物理規(guī)律構(gòu)建，能模擬火勢(shì)與環(huán)境的動(dòng)態(tài)交互過(guò)程，對(duì)復(fù)雜地形（如山谷、陡坡）和多變氣象條件的預(yù)測(cè)精度較高，但計(jì)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(diǎn)林區(qū)的長(zhǎng)期火險(xiǎn)評(píng)估。

第3類為數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型，近年來(lái)隨著機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的發(fā)展逐漸應(yīng)用，通過(guò)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(cè)）的關(guān)聯(lián)關(guān)系，自動(dòng)學(xué)習(xí)火勢(shì)蔓延的非線性特征。該類模型對(duì)多變量耦合作用的捕捉能力較強(qiáng)，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(yàn)證其他模型的預(yù)測(cè)結(jié)果。

2 森林火災(zāi)蔓延模型的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

2023年4月2日，某地發(fā)生森林火災(zāi)[5]。該區(qū)域?yàn)橹猩降匦?，坡?5°～60°，海拔941.0～1276.4m，針葉林為主，可燃物載量大且干燥?；馂?zāi)由村民違規(guī)用火引發(fā)，當(dāng)日14時(shí)被發(fā)現(xiàn)后逐級(jí)上報(bào)，鄉(xiāng)鎮(zhèn)15時(shí)啟動(dòng)I級(jí)響應(yīng)，縣級(jí)同步啟動(dòng)Ⅲ級(jí)響應(yīng)并成立前方指揮部，當(dāng)日14時(shí)30分，縣級(jí)應(yīng)急管理部門(mén)接到支援請(qǐng)求，21名消防隊(duì)員于當(dāng)日15時(shí)40分抵達(dá)火場(chǎng)，因風(fēng)力強(qiáng)、火勢(shì)猛，先勘察疏散，后撲救，當(dāng)日21時(shí)明火撲滅，火災(zāi)過(guò)火面積56.5903hm2，受災(zāi)森林面積20.3253hm2，無(wú)重大損毀及傷亡。下面以該森林火災(zāi)為案例，對(duì)森林火災(zāi)蔓延模型構(gòu)建進(jìn)行研究。

2.1" 森林火災(zāi)蔓延模型的設(shè)計(jì)

2.1.1" 模型構(gòu)建的核心變量選取與數(shù)據(jù)來(lái)源

模型構(gòu)建需首先明確核心變量并確定其數(shù)據(jù)來(lái)源。首先，初始火點(diǎn)位置是模型的起點(diǎn)參數(shù)，直接影響火勢(shì)擴(kuò)散的初始方向，通常通過(guò)火場(chǎng)定位系統(tǒng)或目擊者報(bào)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(guò)林相圖矢量化分析與地面樣方調(diào)查綜合計(jì)算。再次，近地表風(fēng)速與風(fēng)向是驅(qū)動(dòng)火勢(shì)蔓延的關(guān)鍵氣象變量，由分布于林區(qū)的自動(dòng)氣象站實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，部分區(qū)域輔以無(wú)人機(jī)低空探測(cè)補(bǔ)充數(shù)據(jù)。最后，地形坡度與海拔通過(guò)數(shù)字高程模型（DEM）獲取，植被類型則基于遙感影像分類識(shí)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(shì)，還會(huì)通過(guò)降低空氣濕度間接提高可燃物易燃性；坡度增加會(huì)加劇熱對(duì)流，使上坡方向的火勢(shì)蔓延速度與可燃物載量的正相關(guān)性增強(qiáng)；而植被類型決定了可燃物的燃燒熱值，進(jìn)而影響火勢(shì)對(duì)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(jì)

為準(zhǔn)確反映火勢(shì)動(dòng)態(tài)，模型采用多因素耦合的模型框架，主要通過(guò)元胞自動(dòng)機(jī)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(gè)單元存儲(chǔ)可燃物載量、坡度、當(dāng)前溫度等屬性，時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)定為10min。

模型的實(shí)施過(guò)程分為3個(gè)階段：初期擴(kuò)散階段，以初始火點(diǎn)為中心，根據(jù)近地表風(fēng)速和坡度計(jì)算相鄰單元的引燃概率，優(yōu)先擴(kuò)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(jì)算已燃單元對(duì)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(guò)80%或遇到道路、河流等阻隔時(shí)，標(biāo)記為熄滅狀態(tài)，同時(shí)降低相鄰單元的引燃概率[7]。通過(guò)這一動(dòng)態(tài)迭代過(guò)程，模型能夠模擬火勢(shì)從點(diǎn)到面的擴(kuò)張軌跡。

2.2" 模型驗(yàn)證與誤差分析

以研究選擇的案例為驗(yàn)證案例。該火災(zāi)過(guò)火面積56.5903hm2，受災(zāi)森林面積20.3253hm2，現(xiàn)場(chǎng)記錄了詳細(xì)的火點(diǎn)移動(dòng)軌跡與過(guò)火邊界。將模型輸入?yún)?shù)（初始火點(diǎn)位置、可燃物載量、逐小時(shí)風(fēng)速數(shù)據(jù)）與實(shí)際監(jiān)測(cè)值匹配，模擬后，所得到的過(guò)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(lái)識(shí)別核心區(qū)、次核心區(qū)和安全區(qū)，實(shí)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(lái)源于兩方面：一是數(shù)據(jù)精度限制，二是模型對(duì)微氣象的簡(jiǎn)化處理。針對(duì)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(dòng)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(cè)準(zhǔn)確性。

3 滅火決策支持系統(tǒng)的設(shè)計(jì)邏輯與實(shí)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(jì)需直接響應(yīng)滅火行動(dòng)的核心需求，主要包括3方面：快速獲取火勢(shì)發(fā)展趨勢(shì)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(dòng)態(tài)推演不同撲救方案的效果以輔助決策?；诖耍到y(tǒng)劃分為3個(gè)核心模塊：首先，火勢(shì)預(yù)測(cè)模塊，其輸入為蔓延模型輸出的火勢(shì)范圍、速度等動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，輸出為未來(lái)6～24h的火點(diǎn)移動(dòng)軌跡與過(guò)火風(fēng)險(xiǎn)圖。其次，資源匹配模塊，輸入為消防隊(duì)伍位置、裝備數(shù)量、臨時(shí)水源點(diǎn)分布等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，輸出為各風(fēng)險(xiǎn)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(gè)模塊的輸出結(jié)果，通過(guò)對(duì)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(gè)模塊通過(guò)數(shù)據(jù)接口實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)，火勢(shì)預(yù)測(cè)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(cè)-調(diào)配-驗(yàn)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(cè)結(jié)果為基礎(chǔ)，結(jié)合消防資源分布數(shù)據(jù)，通過(guò)優(yōu)先級(jí)排序與多方案對(duì)比完成，具體步驟如下：第一，確定保護(hù)優(yōu)先級(jí)，明確關(guān)鍵設(shè)施和生態(tài)敏感區(qū)等重點(diǎn)區(qū)域；第二，識(shí)別火頭位置，鎖定對(duì)重點(diǎn)區(qū)域威脅最大的火頭；第三，匹配可用資源，統(tǒng)計(jì)火頭3km內(nèi)的消防隊(duì)伍、裝備及水源點(diǎn)；第四，生成備選策略，根據(jù)火頭強(qiáng)度和資源條件，提出直接撲打、開(kāi)設(shè)隔離帶、聯(lián)合撲救等策略；第五，評(píng)估可行性，計(jì)算各策略資源需求量和響應(yīng)時(shí)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(chǎng)景與優(yōu)化方向

系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)景主要分為2類：一是高火險(xiǎn)期的日常預(yù)警，通過(guò)實(shí)時(shí)接入氣象、植被含水率數(shù)據(jù)，結(jié)合蔓延模型預(yù)測(cè)未來(lái)3天的火險(xiǎn)等級(jí)，為林區(qū)管理部門(mén)提供巡查重點(diǎn)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(shì)蔓延軌跡與資源調(diào)配方案，輔助指揮中心快速?zèng)Q策。

研究所選案例的實(shí)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(huì)直接引發(fā)或間接加重火勢(shì)蔓延[8]；第二，部分偏遠(yuǎn)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(duì)上述問(wèn)題，優(yōu)化方向包括：引入移動(dòng)氣象站，實(shí)時(shí)修正風(fēng)速、風(fēng)向數(shù)據(jù)，提升極端天氣下的預(yù)測(cè)精度；建立資源數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)更新機(jī)制，要求一線人員通過(guò)移動(dòng)端App上報(bào)資源狀態(tài)變化，確保數(shù)據(jù)時(shí)效性。

4 結(jié)束語(yǔ)

本研究通過(guò)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(cè)的理論框架，揭示了自然與人為因素對(duì)火勢(shì)的交互作用機(jī)制。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的滅火決策支持系統(tǒng)，通過(guò)模塊聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)了從火勢(shì)預(yù)測(cè)到策略生成的閉環(huán)。與傳統(tǒng)單一模型或經(jīng)驗(yàn)決策相比，本研究更注重模型與系統(tǒng)的協(xié)同設(shè)計(jì)，強(qiáng)化了預(yù)測(cè)結(jié)果與資源調(diào)配的銜接。但研究仍存在一定問(wèn)題，未來(lái)可通過(guò)引入實(shí)時(shí)微氣象修正模塊、建立資源動(dòng)態(tài)上報(bào)機(jī)制進(jìn)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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