王明玉，周榮伍，任云卯

（1.中國林科院森林生態(tài)環(huán)境與保護(hù)研究所 國家林業(yè)局森林保護(hù)學(xué)重點(diǎn)開放性實(shí)驗(yàn)室 北京 100091；2.北京市西山試驗(yàn)林場(chǎng)，北京 100029）

防火林帶的空間布局是防火林帶研究中的重要方面，一般要考慮綜合環(huán)境因素，因地制宜，一方面要使防火林帶獲得比較好的阻火效果，還要使建設(shè)成本盡量降低。防火林帶可以對(duì)林火的蔓延進(jìn)行有效地阻隔，是預(yù)防大面積森林火災(zāi)發(fā)生的重要措施之一。防火林帶的研究一直受到國內(nèi)外研究者的重視。森林防火林帶的規(guī)劃需要對(duì)火行為、可燃物、地形、火環(huán)境等進(jìn)行系統(tǒng)地分析，因地制宜，結(jié)合林相改造，合理布局，使防火林帶與防火線以及天然屏障連接成網(wǎng)，把林地分隔成阻隔封閉區(qū)，才能發(fā)揮防火線的阻隔作用[1]。

1 防火樹種的選擇

大面積的均一的森林類型容易發(fā)生大面積的森林火災(zāi)，而有效地多種植被類型的交錯(cuò)對(duì)控制大面積的森林火災(zāi)具有重要意義。綜合考慮樹種的燃燒特性、生物學(xué)特性和生態(tài)學(xué)特性，華北地區(qū)防火能力強(qiáng)的樹種有刺槐、核桃、加楊、青楊、旱柳、火炬樹、香椿、紫穗槐、元寶槭、毛白楊、柿樹、黃連木、山桃等。而山杏、栓皮櫟、油松、側(cè)柏等防火能力較差[2]。在林帶的營建過程中，盡量增加混交的比例，使得同一大面積均一植被類型被分割成不同面積的異質(zhì)單元。

2 網(wǎng)絡(luò)密度和最小控制面積確定

網(wǎng)絡(luò)密度是決定林帶網(wǎng)絡(luò)發(fā)揮綜合效能的重要因素之一。防火林帶的密度和最小閉合面積，并沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，一般根據(jù)實(shí)際情況，因地制宜。歐建德[3]認(rèn)為合理的防火林帶網(wǎng)絡(luò)密度應(yīng)該是防火林帶網(wǎng)絡(luò)減災(zāi)的效益大于網(wǎng)絡(luò)建設(shè)帶來的負(fù)面效應(yīng)，他從森林經(jīng)濟(jì)效益方面，分析建立精確計(jì)算防火林帶網(wǎng)絡(luò)最大允許密度的教學(xué)模型。詹超亞[4]從經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，提出視人為活動(dòng)頻度，構(gòu)造30～50 hm2的阻隔網(wǎng)，林帶面積占林地總面積的5%～10%。防火隔離帶可以使森林火災(zāi)出現(xiàn)“有限尺度效應(yīng)”，使得森林在平衡狀態(tài)時(shí)的樹木密度增加，從而有效地保存了森林中的樹木。文定元[5]根據(jù)森林火災(zāi)過火面積提出防火林帶的網(wǎng)絡(luò)控制面積。一、二、三、四級(jí)網(wǎng)格的控制面積分別為1000 hm2、100 hm2、10 hm2、1 hm2。防火林帶的構(gòu)建總是與森林火災(zāi)的發(fā)生相適應(yīng)的，因此從火災(zāi)發(fā)生的角度來確定防火林帶的密度和最小閉合面積是可行的，這在一定程度上可以降低理論推導(dǎo)的難度。

可以在對(duì)研究區(qū)域火歷史情況進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，確定防火林帶網(wǎng)絡(luò)的最小閉合面積和密度。

3 地理數(shù)據(jù)處理

地形是地質(zhì)變遷的結(jié)果。其變化要用地質(zhì)年代來度量，比較緩慢。但是作為地形因素的坡度、坡向、海拔等，直接影響林火的發(fā)生與發(fā)展。DEM是地形的一個(gè)數(shù)學(xué)模型，許多地形因子均可以從這個(gè)函數(shù)導(dǎo)出。由DEM派生的單要素地形屬性可以由DEM直接計(jì)算得到，其他復(fù)合屬性可以由幾個(gè)單要素地形屬性按一定的關(guān)系組合而計(jì)算得到。

在GIS中將地形圖進(jìn)行數(shù)字化，生成等值線，并轉(zhuǎn)換成柵格數(shù)據(jù)，對(duì)其坡度進(jìn)行提取，進(jìn)一步得出地形更正系數(shù)，生成DEM，基于此DEM柵格數(shù)據(jù)，對(duì)防火林帶規(guī)劃產(chǎn)生影響的坡度、山脊進(jìn)行提取。

3.1 坡度的提取

坡度一方面對(duì)火行為產(chǎn)生影響，另一方面在防火林帶規(guī)劃中由于要考慮造林或林帶改造對(duì)水土流失的影響，坡度是影響土壤侵蝕的主要原因之一，在其他條件相同的情況下，坡度不同，土壤侵蝕量有較大差別，因此在實(shí)際規(guī)劃中要對(duì)坡度進(jìn)行分級(jí)。國家目前進(jìn)行的退耕還林工作中規(guī)定退耕坡度為25°，將25°以上坡耕地進(jìn)行退耕后，施行林草措施可以大大減少土壤侵蝕。考慮到華北地區(qū)生態(tài)環(huán)境的脆弱性，在實(shí)際應(yīng)用中我們把坡度限定在20°以內(nèi)，這一方面可以降低造林的難度，又可以減少水土流失，提高成活率。將坡度分級(jí)與其他地形特征因子在GIS中進(jìn)行疊加，獲得防火林帶空間布局網(wǎng)絡(luò)。

3.2 山脊線的提取

山脊線不僅構(gòu)成地形起伏變化的分界線，同時(shí)由于山脊線特殊的空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)，對(duì)森林火災(zāi)的火行為有特殊的作用效果。目前對(duì)于山脊線的提取多是從其幾何特征或物理特征的單一方面進(jìn)行研究和設(shè)計(jì)，也可基于三維地形表面流水?dāng)?shù)字模擬法對(duì)山脊線進(jìn)行提取。根據(jù)主風(fēng)向、防火公路以及坡度分布，對(duì)山脊防火林帶位置進(jìn)行選取，主要依據(jù)山脊走向與主風(fēng)向有比較大的夾角，與防火公路可以閉合，坡度在20°以下，最終確定擬建防火林帶的山脊。

3.3 公路與林緣確定

防火林帶的建造結(jié)合現(xiàn)有的空地、公路、河流等，將所有可以有效地阻火的要素結(jié)合一起構(gòu)成閉合的網(wǎng)絡(luò)。在防火林帶的規(guī)劃過程中，利用航片對(duì)林中空地和公路進(jìn)行提取，由于傳統(tǒng)方法對(duì)于公路、空地等提取有一定的局限性，基于像元的遙感圖像分析和處理所能夠得到的信息是極其有限的，由于遙感圖像中異物同諧和同物異譜現(xiàn)象較為普遍，僅靠光譜特征是不足以表達(dá)目標(biāo)或類別的，因而其分析結(jié)果的可靠性常常不盡如人意。本文使用面向?qū)ο蟮姆诸惙椒ɡ迷摰氐暮狡瑢?duì)林中空地和公路進(jìn)行提取，首先將圖像按照某種相似性準(zhǔn)則分割為一個(gè)個(gè)完全同質(zhì)的，空間上連續(xù)的，并且具有特定專題意義的對(duì)象，然后再針對(duì)每個(gè)對(duì)象進(jìn)行類別的標(biāo)注。

4 可燃物調(diào)查

可燃物的空間分布特征與森林火災(zāi)為行為特征密切相關(guān)，包括可燃物的水平分布和垂直分布，以及不同空間分布下的載量分布，對(duì)于火行為的強(qiáng)度和燃燒類型均有不同程度的影響，進(jìn)而決定了防火林帶的設(shè)計(jì)指標(biāo)。

根據(jù)森林清查數(shù)據(jù)及樣地調(diào)查，確定可燃物類型，每一種類型設(shè)置樣地，并用GPS標(biāo)定。喬木主要測(cè)定胸徑、樹高、活枝枝下高、死枝枝下高，樹種；灌木調(diào)查灌木基徑、灌高，灌木種類，采用收割法，對(duì)全部樣本稱取鮮重；草本調(diào)查草本層蓋度、草高、草本種類，并用收割法取樣稱取鮮重；地表枯落物和半分解層，主要測(cè)量枯落物和半腐層厚度，并取樣稱取鮮重。

對(duì)于喬木可燃物載量的估算，采用喬木生物量的估算方法，國內(nèi)外學(xué)者普遍接受相對(duì)生長(zhǎng)模型W=a（D2H）b估算生物量，根據(jù)當(dāng)?shù)氐湫蛦棠绢愋瓦x擇適當(dāng)?shù)纳L(zhǎng)模型，基于其生長(zhǎng)模型，對(duì)喬木的樹葉、樹枝和樹干的生物量進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而計(jì)算得到各部分可燃物載量。

可燃物的熱值與火燒強(qiáng)度密切相關(guān)，關(guān)于不同植被熱值的測(cè)定已有大量的研究，是進(jìn)行相關(guān)火行為計(jì)處的基礎(chǔ)變量，可查閱相關(guān)文獻(xiàn)或者進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)定獲得。

5 風(fēng)速、風(fēng)向的模擬

風(fēng)速和風(fēng)向?qū)α只鹇佑绊懞艽?，在防火林帶設(shè)置時(shí)要考慮主風(fēng)向的影響。確定主風(fēng)向后，在防火林帶規(guī)劃時(shí)要將林帶的走向與主風(fēng)向垂直，或者盡量將角度控制在45°以上，最大限度的對(duì)林火產(chǎn)生阻隔作用。

地形可以改變風(fēng)速、風(fēng)向，也可以產(chǎn)生渦流現(xiàn)象，地形和風(fēng)場(chǎng)的共同作用會(huì)對(duì)火行為產(chǎn)生很大影響，用于天氣預(yù)報(bào)的全球尺度和中尺度的風(fēng)場(chǎng)模型并不能滿足小尺度的火行為模擬的需要。其原因在于許多全球尺度的模型假設(shè)重力場(chǎng)與壓力場(chǎng)存在平衡，然而在小尺度上由于慣性載荷在垂直方向?qū)毫Φ挠绊懖⒉荒芡耆雎裕⑶抑谐叨饶Ｐ筒荒芎芎玫亟鉀Q地形的變化對(duì)風(fēng)產(chǎn)生的影響?？墒褂脤ｉT的風(fēng)場(chǎng)模擬軟件對(duì)風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行模擬，建立風(fēng)向和風(fēng)速圖層，然后再轉(zhuǎn)換為柵格數(shù)據(jù)，在GIS中進(jìn)行火行為模擬。

6 火行為計(jì)算

6.1 蔓延速度

蔓延速度是指火頭在單位時(shí)間內(nèi)前進(jìn)的距離，這方面的研究比較多，包括Prometheus,Farsite,BehavePlus等專業(yè)的軟件，由于這些專業(yè)的火行為模擬軟件需要依據(jù)相應(yīng)的可燃物模型，對(duì)于華北地區(qū)可采用修正后王正非（1992）的計(jì)算公式[6]。

6.2 火線強(qiáng)度

火線強(qiáng)度是指在單位時(shí)間內(nèi)單位火線長(zhǎng)度上向前推進(jìn)發(fā)出的熱量。一般火線強(qiáng)度的計(jì)算式采用白蘭姆公式

式中I為火線強(qiáng)度，單位為Kw·m-1；m為單位面積內(nèi)的可燃物重量，單位為kg·m-2；c為可燃物的平均發(fā)熱量，單位為kJ·kg-1；v為火線前進(jìn)速度，單位為 m·s-1。

6.3 火焰高度計(jì)算

火焰高度指垂直于地面連續(xù)的火焰高度，可用下式表示：

式中h為火焰高度，單位為m；I為火線強(qiáng)度，單位為Kw·m-1；a為可燃物類型常數(shù)，草原或連續(xù)型植被的a=1。

7 防火林帶有效寬度計(jì)算

防火林帶寬度的設(shè)計(jì)是防火林帶設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，對(duì)防火林帶寬度的設(shè)計(jì)還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，不同的地區(qū)有很大的差別。文定元通過調(diào)查，一般在南方寬度為6-17m，文定元在綜合考慮可燃物載量、風(fēng)速、火強(qiáng)度、林帶高度等內(nèi)容，根據(jù)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了林帶寬度的經(jīng)驗(yàn)公式[5]，在實(shí)際中有比較好的應(yīng)用效果。鄭煥能認(rèn)為在山地條件下，林帶為15-20m，這樣規(guī)格的林帶可阻止樹冠火的蔓延[7]。

8 防火林帶空間布局

防火林帶的規(guī)劃要綜合考慮可燃物類型、地形、氣象、防火公路、居民區(qū)等因素，合理配置。根據(jù)實(shí)際情況主要確定不種形式的林帶，包括山脊防火林帶、公路防火林帶和林緣防火林帶等。分析氣象、造林及不同地形因子對(duì)火行為的影響情況，主要獲得可燃物分布、主風(fēng)向、坡度、防火公路和林中空地、山脊、居民區(qū)分布等主要影響因子。

9 結(jié)論和討論

防火林帶是景觀尺度的可燃物管理措施之一，盡管對(duì)于防火林帶的設(shè)計(jì)還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，防火林帶總是要與當(dāng)?shù)氐幕鸢l(fā)生狀況相聯(lián)系的，要在考慮火發(fā)生動(dòng)態(tài)的背景下綜合考慮可燃物、地形、氣象等因素。設(shè)計(jì)防火林帶應(yīng)根據(jù)林分、道路、河流、山脈、地形等自然條件，因地制宜，結(jié)合林相改造，合理布局，使防火林帶與防火線以及天然屏障連接成網(wǎng)，把林地分隔成阻隔封閉區(qū)，才能發(fā)揮防火線的阻隔作用。

防火林帶的規(guī)劃需要分析不同可燃物的空間分布特征，并根據(jù)歷史氣象數(shù)據(jù)，分析得到當(dāng)?shù)氐闹黠L(fēng)向及平均最大風(fēng)速，在此背景下結(jié)合地形數(shù)據(jù)對(duì)風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行模擬，進(jìn)而計(jì)算樹冠火的潛在火強(qiáng)度，并根據(jù)林帶寬度的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算在不同地形、不同可燃物條件下的林帶有效寬度，對(duì)防火林帶規(guī)劃提供量化的指標(biāo)，對(duì)可燃物管理、撲火安全防范也有借鑒意義。

[1]田曉瑞，舒立福.防火林帶的應(yīng)用與研究現(xiàn)狀[J].世界林業(yè)研究，2000，13（1）：20-26.

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[3]歐建德.人工林防火林帶網(wǎng)絡(luò)密度的研究[J].西南林學(xué)院學(xué)報(bào)，2001，21（2）：101-103.

[4]詹超亞，魏華山.論南方林區(qū)防火林帶的建設(shè)與管理[J].森林防火，1993，（2）：32-34.

[5]文定元.關(guān)于防火林帶幾個(gè)問題的探討[J].森林防火，1992（4）：22-23，33.

[6]王正非.通用森林火險(xiǎn)系統(tǒng)構(gòu)型[J].林業(yè)科技,1992.17（2）：23-25.

[7]鄭煥能,姚樹人.建立綜合阻火林網(wǎng),控制大火發(fā)生[M].哈爾濱:東北林業(yè)大學(xué)出版社.1995：183-187.