森林火灾蔓延研究新进展

森林火灾蔓延研究新进展

【摘要】我国的年均森林火灾次数和受害面积都很严重，森林火灾突发性强、破坏性大、处置救助较为困难，严重地制约着现代林业的可持续发展。森林火灾的预测预报是森林防火工作中最重要的一环，本文在分析林火行为的基础上，阐述了国内外几种经典的林火蔓延模型及其优缺点和适用范围，分析了国内外林火蔓延模型的发展状况，并着重介绍了目前最新提出的基于离散事件驱动的林火蔓延模型，最后对未来林火蔓延发展的趋势进行了展望。

【关键词】森林火灾;林火蔓延模型;离散事件

1.引言

森林火灾，是指失去人为控制，在林地内自由蔓延和扩展，对森林、森林生态系统和人类带来一定危害和损失的林火行为，其突发性强、破坏性大、处置救助较为困难，森林火灾严重地制约着现代林业的可持续发展。森林火灾会产生大量烟雾，污染环境;大量二氧化碳与水发生化学反应，严重污染水环境，严重破坏了全球的生态平衡，使已经很脆弱的地球生态环境进一步恶化。据联合国粮农组织报告，近年来森林火灾发生的频率和规模十分反常，已远超过自然界的自我调节范围，对人类、环境和经济造成了前所未有的危害。

森林火灾的预测预报是森林防火工作中最重要的一环，因此加强森林火灾的预测预报成为森林防火工作必须面对的一个重要问题，对各级政府做好森林消防决策，最大限度地减少森林火灾造成的损失，具有极其重要的作用。

林火蔓延是一种林火行为，与火灾预防、扑救等工作密切相关。林火行为是指森林可燃物在点燃后，所产生的火焰和火蔓延以及发展过程的特征，亦即是林火发生、发展，直至熄灭的全过程中着火、蔓延、能量释放、火强度、火灾种类等特征的综合。林火蔓延模型是林火行为研究的一个主要方面，受可燃物、火环境（气象、地形和植被）和火源条件的制约和控制，量化的林火蔓延模型多是在各种简化条件下，运用数学方法进行处理，导出蔓延速度与各种参数，诸如可燃物的理化性质、地形、气象因子等之间的定量关系式，供人们利用这些关系式去预测要发生的林火行为，从而指导扑火工作，进行日常的林火管理等。

根据模型建立的方法以及对林火蔓延本质的认识程度，模型可分为统计模型、半物理模型、物理模型三类[6]。

统计模型不涉及任何物理机制，纯粹从统计的角度来描述火行为，该方法把有多个变量相互关系的复杂问题，在形式上作简单的处理，因建立在大量实际森林火灾和计划火烧的资料基础上，资料充足，有可靠的置信度，故公式计算结果与实际情况基本符合。

物理模型最先是由Fons提出来的，他的模型将燃料床理想化了，并且认为

燃料达到着火的温度即着火，使得模型与实际相距较大，且模型表达式复杂，物理参数较多又难以确定。这种模型的局限性在于它跟实际火灾情况有较大的差距，但把林火蔓延抽象成一个纯物理问题来研究，为人类提供了一条认识林火蔓延一般规律的途径。

2.几种经典的林火蔓延模型

目前比较经典的林火蔓延模型有：美国的Rothermel模型[5]、澳大利亚的McArthur模型[1]、加拿大森林火险等级系统[4]和中国的王正非模型[2][3]。

2.1 Rothermel模型

Rothermel模型遵循能量守恒定律，属于半物理模型。主要研究的是火焰前锋的蔓延，没有考虑过火火场的持续燃烧。提出了“似稳态”的概念，从宏观方面研究林火行为。它假定燃料床和地形地势在空间上是连续分布的，并且可燃物的含水量、风速、坡度等参数是不变的。在火灾蔓延过程中，考虑到了热传导、热对流和热辐射的物理机制。它建立在均一的可燃物状态下，并且不现实的要求90%可燃物的直径在1/8英寸，可燃物的含水量不得超过35%，对于比较大型的可燃物的影响通常忽略。

2.2 McArthur模型

McArthur模型是Noble I.R.等人对McArthur火险尺的数学描述。它是建立在多次点燃实验上，导出的林火蔓延速度与各参数之间定量的关系式，属于统计模型。它的优点是能预报火险天气和一些重要的火行为参数。但是，它的适用范围极其有限，只适合草地和桉树林。我国南方森林预警系统可选择性的参考应用。

2.3 CFFCRS林火蔓延模型

加拿大森林火险等级系统（CFFCRS）是以加拿大林火行为为理论基础进行研发的。它包含四个子系统：林火行为预报系统（FBP），林火天气指标系统（FWI），林火发生预报系统（FOP），可燃物湿度估测系统（AFM）。它是通过几百次的实验与观察，导出的林火向前蔓延速度（ROS）方程，属于统计模型。可燃物类型不同，其蔓延速度方程也不同，各方程都独立地依赖于初始蔓延指标ISI。该模型不考虑任何热传机制。不过，它可以帮助人们比较简单的认识林火行为的各个分过程和整个过程，以及揭示其作用规律。在各参数相似的条件下，可以比较准确地预测火行为。

2.4 王正非林火蔓延模型

王正非模型也是建立在大量的实验基础上，得出的林火蔓延速度关系式，属于统计模型。此模型只适用于平地无风、无风上坡和顺风上坡且坡度不能超过650的情况下。对于一些粗大的可燃物，如元木和大的枝干，视为无效可燃物。模型中的各个修正系数王正非都给出了相应的关系表，可直接由表查找，简化了

计算。

3.林火蔓延研究新进展

3.1 国内外最新研究进展

相比与澳大利亚、加拿大和王正非模型，Rothermel模型的适用范围最广，近年来，有许多学者在该模型的基础上，提出了许多Rothermel修正模型。

在国内，景文峰[7]以Rothermel模型为蓝本，结合交互窗口、字符型汉化技术及专家系统的原理，提出了用于估算特定可燃物分布状况、变环境条件下火蔓延趋势的专家系统。王海晖[8]参考Rothermel模型，将火场假定为椭圆面，将风速和坡度进行矢量叠加并引入折合风速的概念，通过大量室内林火实验，提出了一整套估算地表火行为特征量的关系式。朱启疆[9]借助地理信息系统（GIS）和遥感技术，将Rothermel半经验模型和经验模型相结合，分别考虑带方向（坡度和风）和不带方向因素对火势蔓延的影响，并利用迷宫算法实现了林火空间蔓延动态模拟。李建微[10]以Rothermel模型为基础，假定点火源的火场形状为椭圆形，利用惠更斯原理，结合粒子系统方法、计算机图形和虚拟现实技术，在不同风速、坡度下，对不同位置的林火火场蔓延行为进行三维模拟。蔡学理、张贵[11]以AroInfo为地理信息系统平台，结合Rothermel模型，并将火场形状假设为多边形，提出了一种森林火灾指挥扑救方案。在国外，以Rothermel模型为基础，所提出的应用比较广泛的林火蔓延模型有：FARSITE[12][13]、BehavePlus[14][15]、和HFire[16]。FARSITE和BehavePlus集成了现有的地表火、树冠火、飞火和火加速等子模型，它们都采用Rothermel模型来计算地表火蔓延速度。不过，BehavePlus是基于椭圆形来模拟二维林火蔓延趋势，而FARSITE 是采用基于惠更斯波动理论来模拟二维林火蔓延趋势。HFire是一种基于栅格的空间直观模型，它也采用Rothermel模型来计算林火蔓延速率，运用惠更斯理论来模拟二维林火蔓延趋势。

3.2 基于离散事件驱动的林火蔓延研究

最近，出现了采用离散事件来模拟林火蔓延。其中，比较成熟和完善的林火蔓延模型是DEVS-FIRE模型[17]。它将森林看成是由一个个大小相同的矩形单元组成的空间，空间的尺寸由GIS来确定。每个单元代表一个DEVS原子模型。一旦着火，每个单元都利用Rothermel模型来计算一维火蔓延速度和方向，然后根据椭圆形将其分解为八个方向的二维火蔓延。在林火蔓延的过程中，采用元胞自动机模型，分解的八个方向刚好与八个相邻的元胞方向一致。元胞之间信息的交流采用预时间表（pre_schedule）策略[18]，也就是说，一旦点燃，元胞便立即同时发送八条信息给相邻的元胞。在模拟过程中，有可能存在大量的细胞单元，然而只有一小部分细胞单元处于活动状态。

基于内存空间问题的考虑，DEVS-FIRE采用了动态结构细胞空间模型，这使得在仿真过程中可以根据实际情况动态地创建和移除细胞单元，从而节省了大量的内存空间。由于林火蔓延过程是动态的、复杂的、非线性和非高斯的，对于