蔡衛(wèi)紅，王曉紅 ，于宏洲，金 森

（1.湖南郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410015；2.國家林業(yè)局 哈爾濱林業(yè)機械研究所，黑龍江 哈爾濱150086；3.東北林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040）

基于Rothermel模型的可燃物參數(shù)對林火行為影響的計算機仿真

蔡衛(wèi)紅1，王曉紅2，于宏洲3，金 森3

（1.湖南郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410015；2.國家林業(yè)局 哈爾濱林業(yè)機械研究所，黑龍江 哈爾濱150086；3.東北林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040）

提高模擬的精度是林火行為模擬研究的重要目標(biāo)。對大火場的模擬研究中, 可燃物信息準(zhǔn)確性對火行為模擬精度的研究還不充分、系統(tǒng)。為此，本文以大興安嶺地區(qū)4.30罕諾河大火作為研究對象，利用自主開發(fā)的、基于Rothermel模型的、可進行多次循環(huán)模擬的林火行為模擬程序，共進行了3 072次不同可燃物載量和高度組合的林火模擬實驗，以揭示可燃物載量和床層高度對大火場模擬精度的影響。研究結(jié)果表明:載量對模擬精度的影響是有限的。其中，草甸可燃物載量對模擬精度影響較小，森林和灌叢可燃物載量使Kappa系數(shù)值增加2%左右。草甸可燃物床層高度對模擬精度影響較大，可使Kappa系數(shù)值增加0.04；森林可燃物床層高度對模擬精度影響最大，其床層高度增加可使Kappa系數(shù)數(shù)值增加超過0.17，3 072次林火蔓延模擬中，在不同載量和床層高度組合下，Kappa系數(shù)均值為0.16，最大值為0.206；灌叢高度對模擬精度影響不大；這些模擬火場與真實火場的一致性還是很低。

森林可燃物；林火行為；程序模擬；計算機仿真；大興安嶺

森林火行為模擬可為森林火災(zāi)撲救，特別是大火的撲救提供決策支持，因此開展森林火行為模擬研究是很重要的。目前國內(nèi)外對此都進行了很多研究[1-3]，如Rothermel建立了半物理的地表火蔓延模型[4]；Noble等[5]在McArthur火險尺的基礎(chǔ)上建立了澳大利亞的林火蔓延模型；Andrews開發(fā)了火行為預(yù)報的BEHAVE系統(tǒng)[6]；Vasconcelos等[7]建立了FIREMAP 火蔓延模擬系統(tǒng)；Finney以Rothermel模型為基礎(chǔ)，開發(fā)了林火空間蔓延模擬軟件FARSITE件[8]；Lopes開發(fā)了在復(fù)雜地形條件下模擬火蔓延的軟件FireStation[9]；國內(nèi)朱啟疆等[10]將Rothermel模型和經(jīng)驗?zāi)Ｐ拖嘟Y(jié)合，利用迷宮算法，實現(xiàn)了對火場的空間動態(tài)模擬和預(yù)測；蘇柱金開發(fā)了基于GIS的山火蔓延預(yù)測模擬系統(tǒng)[11]；黃作維等[12]建立了一種森林火災(zāi)預(yù)報預(yù)測的模型；宋麗艷開發(fā)程序?qū)α只鹇于厔蓊A(yù)測進行研究[13]；毛學(xué)剛等實現(xiàn)了林火蔓延的動態(tài)模擬[14]；王惠等[15]對云南省的特殊地形地貌進行了動態(tài)的模擬；王笏[16]等建立了針對農(nóng)村火災(zāi)的模擬預(yù)測系統(tǒng)模型的框架；吳志偉等[17]將FARSITE模型應(yīng)用到豐林自然保護區(qū)林火蔓延模擬研究中。上述工作中，應(yīng)用最廣的是Rothermel模型及基于該模型的FARSITE、BEHAVE等軟件[18]。

林火蔓延模擬研究的重要目標(biāo)是提高模擬的精度。主要影響林火蔓延模擬準(zhǔn)確性的因素有:林火蔓延模型的準(zhǔn)確性、氣象、地形等信息的準(zhǔn)確性和可燃物信息的準(zhǔn)確性。其中可燃物信息的誤差來自兩個方面，一是信息采集不準(zhǔn)，如用遙感圖像進行可燃物類型劃分產(chǎn)生的誤差；二是現(xiàn)有的可燃物模型中參數(shù)與野外可燃物不符。這些可燃物信息的誤差會導(dǎo)致林火行為模擬的誤差，但這種由可燃物信息誤差導(dǎo)致的火行為模擬誤差能有多大，目前還不是很清楚，這在很大程度上影響了通過火行為模擬來為撲救提供決策信息的可靠性。Bachisio等[19]用FARSITE對地中海地區(qū)三次灌叢火的蔓延進行了模擬，比較了現(xiàn)有可燃物模型和自定義可燃物模型對模擬結(jié)果的影響。但從總體上看，對大火場的模擬研究工作開展得還很少，對可燃物信息準(zhǔn)確性對火行為模擬精度的研究還不充分、系統(tǒng)。

對火行為影響較大的可燃物參數(shù)主要有可燃物含水率、可燃物載量、可燃物床層高度和壓縮比。對這些參數(shù)的影響進行全面的評價，以便搞清可燃物參數(shù)對火行為模擬的影響。在上述可燃物參數(shù)中，可燃物含水率一般使用含水率模型進行計算，比較復(fù)雜。作為初步研究，本文選取可燃物載量、可燃物床層高度、壓縮比三個參數(shù)來研究可燃物參數(shù)變化對林火行為模擬精度的影響。由于可燃物壓縮比由載量和床層高度來決定，所以只要搞清載量和床層高度的影響既可。為此，本文以林火模擬研究中使用較多的Rothermel模型為例，以大興安嶺地區(qū)4.30罕諾河大火作為研究對象，研究可燃物載量和床層高度對林火行為模擬精度的影響，揭示可燃物信息準(zhǔn)確程度對林火行為模擬精度的初步影響。

1 研究區(qū)概況

大興安嶺地區(qū)地處黑龍江省西北部、內(nèi)蒙古自治區(qū)東北部、大興安嶺山脈東北坡，跨北緯50°08′～ 53°34′，東經(jīng) 121°11′～ 127°02′，全區(qū)總面積835萬hm2，海拔1 100～1 400 m。年平均氣溫-2.8℃，最低溫度-52.3℃，年平均降水量746 mm，屬寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候，具有明顯的山地氣候特征.土壤主要有棕色針葉林土、灰色森林土、暗棕壤、草甸土、沼澤土和沖積土等。在中國植被區(qū)劃上，該地區(qū)屬于寒帶針葉林區(qū)，主要樹種有興安落葉松Larix gmelinii、樟子松Pinus sylvestris var. mongolica、紅皮云杉Picea koraiensis、白樺Betula platyphylla、蒙古櫟Quercus mongolica、山楊Populus davidiana等。

2 研究方法

2.1 4.30罕諾河大火基本情況介紹

罕諾河管護區(qū)地處大興安嶺地區(qū)，加格達奇林業(yè)局內(nèi)。2007年，在罕諾河管護區(qū)內(nèi)因野外吸煙引發(fā)草甸森林火災(zāi)，大火開始于4月30日13時40分，共出動10 670人滅火，經(jīng)過約77 h撲救，于5月3日17時45分撲滅?；饒龅倪^火總面積達10 400 hm2，其中過火有林地83.2 hm2、荒山草地10 316.8 hm2。火場風(fēng)力白天5級以上，瞬時風(fēng)力達7級；夜間風(fēng)力3至4級，且風(fēng)向多變。最高日溫度20℃?；饒龅闹饕脖粸椴莸?，灌叢面積和森林面積較少。選擇該火場可以減少可燃物類型劃分所帶來的誤差。

2.2 模擬模型和程序

由于本研究需要進行不同可燃物參數(shù)下的多次火行為模擬，而FARSITE等現(xiàn)有火行為模擬軟件無法自動進行多次模擬。為此，以Rothermel模型為基礎(chǔ)，采用迷宮算法，用Visual Basic開發(fā)了類似于FARSITE的林火行為模擬程序。

由于模擬大火燃燒了77 h，為了方便模擬研究，故將火場分成7個時段進行著色，著色后的每個顏色代表一個時段，即每個顏色是11 h。火場蔓延擴展圖是以圖形文件形式進行保存，火場面積、周長、蔓延速度和火模擬準(zhǔn)確性評價指標(biāo)等信息都存入數(shù)據(jù)文件，以便后續(xù)分析。

2.3 火場模擬實驗

可燃物信息準(zhǔn)確性也包括類型劃分和參數(shù)準(zhǔn)確性。本研究的火場可燃物類型多為草甸，故假設(shè)類型劃分是準(zhǔn)確的，只研究可燃物載量、床層高度的影響。由于地表火蔓延是該火災(zāi)的主體（火場記錄），故只對地表死可燃物進行研究。

2.3.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

收集火場區(qū)域的數(shù)字地形圖，使用ArcGIS軟件的3D擴展模塊，生成模擬需要的DEM圖形，并得出坡度坡向圖，將模擬需要的所有矢量圖形都轉(zhuǎn)為柵格圖像。將地形文件轉(zhuǎn)化成ASCII格式的柵格文件。

一般的氣象數(shù)據(jù)是由氣象站采集后通過插值方法生成的，這樣得到的氣象數(shù)據(jù)過于簡化，無法滿足火蔓延模擬對氣象要素在空間上的異質(zhì)性需求[20]，所以用中尺度廣譜模式MSM（Mesoscale Spectral Model）[21]可生成高分辨率1 km×1 km的氣象場網(wǎng)格數(shù)據(jù)，包括溫度、相對濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、降雨量和云量等。

根據(jù)火場遙感圖和林相圖，參照Scott和Burgan的可燃物模型分類標(biāo)準(zhǔn)[22]對火場的可燃物進行分類。為簡化計，只分成草地、灌叢和森林三類可燃物。

可燃物的熱值、有效礦質(zhì)含量、總礦質(zhì)含量和表面積體積比從文獻[23-24]中獲得。草甸熱值16 411 kJ/kg，灌叢18 071 kJ/kg，森林19 440 kJ/kg。有效礦質(zhì)含量是1%，總礦質(zhì)含量是5.55%。草甸是49 cm-1，灌叢是52 cm-1，森林65 cm-1?？扇嘉锖视猛跞疖姷哪Ｐ蚚22]根據(jù)當(dāng)時的氣象條件計算而得。

2.3.2 可燃物載量和床層高度對火行為模擬精度的影響

為研究載量和床層高度對模擬精度的影響，首先從文獻[23，25-27]中得到研究區(qū)域所用各類可燃物載量和床層高度的最大最小值.然后，對于每類可燃物，分別將將載量和高度設(shè)為從其最小值開始，以一固定增量或步長，逐漸增加，直到最大值。對于每一載量、高度和可燃物類型的組合，都輸入前面的自編程序中進行火行為模擬。其中，草甸地表死可燃物載量為0.7、0.8、0.9、1.0 kg/m2，床層高度為0.9、1.0、1.1、1.2 m，灌叢地表死可燃物載量為0.3、0.4、0.5、0.6 kg/m2，床層高度為0.7、0.8、0.9、1.0 m；森林的地表死可燃物載量為0.2、0.3、0.4、0.5 kg/m2，床層高度為0.2、0.3、0.4、0.5 m。共進行 4×4×4×3×4×4=3072次模擬實驗。

2.3.3 模擬精度評價

評價火行為模擬的方法和指標(biāo)很多,如比較蔓延速率、火場周長、面積等.由于缺乏火場蔓延速率的詳細數(shù)據(jù)，故只能進行比較形狀指標(biāo),與文獻[18]相似，采用Kappa系數(shù)[30-31]進行精度評價。Kappa系數(shù)按下式計算：

式中：po為真實火場和模擬火場一致性的百分比,即觀測值；pc為期望值,即真實值。n為柵格總象元數(shù)；a0為真實火場中未燃點柵格的像元數(shù)，a1為真實火場中已燃點柵格的象元數(shù)；b0為模擬火場中未燃點柵格的像元數(shù)；b1為模擬火場中已燃點柵格的像元數(shù)；s為真實火場和模擬火場中柵格對應(yīng)象元值相等的像元數(shù)。

將k值分為五組，分別表示不同級別的一致性：0.0～0.20代表一致性很低 (slight)、0.21～0.40代表一致性一般 (fair)、0.41～0.60代表一致性中等 (moderate)、0.61～0.80代表一致性較高(substantial)、0.81～1.00幾乎完全一致(almost perfect)。

對上述3 072次模擬的結(jié)果分別計算Kappa系數(shù)，分析可燃物載量和床層高度對模擬精度的影響。

3 結(jié)果與分析

3.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

圖1給出了研究區(qū)域的高程、坡度和坡向。從圖1中可看出，沿真實火場過火區(qū)域地勢較平坦，高程最小，火場北部及南部均為坡地，西北部高程最大，林火主要沿谷地蔓延，火場西北、東北及東側(cè)被罕諾河包圍，坡度的范圍為0°～45°，坡向多變。

圖1 火場地形Fig.1 Topography of fire site

圖2 由MSM模型生成的火場氣象場Fig.2 Weather field map of fire site generated by MSM model

圖2 給出了MSM模型生成的2007年5月2日13:00（格林尼治時間）的部分氣象場圖像，火場的溫度范圍為8～10℃，相對濕度為40%～75%，風(fēng)速為4.2～4.7 m/s，風(fēng)向為西北風(fēng)。從中可見溫度、相對濕度和風(fēng)向風(fēng)速等氣象要素的空間差異很大。

研究區(qū)域共3 646個小班，分成草甸、灌叢和森林3類。其中，草甸占59.61%，灌叢占11.10%，森林占24.03%，其余為不燃（見圖3、圖4）。

3.2 可燃物載量對林火蔓延模擬精度的影響

從圖5可見，雖然草甸載量增加導(dǎo)致Kappa系數(shù)減小，但變化很小，只是從0.215 9減少到0.214，因此，草甸可燃物的載量對模擬精度影響不大。與草甸不同，Kappa隨灌叢和森林可燃物的載量增加而增加。灌叢可燃物載量變化時，Kappa系數(shù)最小為0.157 7，最大為0.176 3。森林可燃物載量變化時，Kappa系數(shù)最小為0.169 1，最大為0.189 1。這表明，增加灌叢和森林的載量，可以在一定程度上提高精度，且精度提高幅度相似（見圖6）。

圖3 研究區(qū)可燃物分類Fig. 3 Fuel classification of studied area

3.3 可燃物床層高度對林火蔓延模擬精度的影響

圖7 給出了草甸、灌叢和森林可燃物床層高度變化時Kappa系數(shù)值的變化情況，從圖中可以看出，隨著床層高度的增加，Kappa系數(shù)都有不同程度的增加。但灌叢可燃物的增幅很?。◤?.181 6到0.184 1），表明灌叢高度對模擬精度影響不大。草甸可燃物床層高度變化時，Kappa系數(shù)從0.132到0.173 4，表明草甸可燃物床層高度對模擬精度影響較大。森林可燃物床層高度增加時Kappa系數(shù)從0.027 8增加到0.202 4，表明森林可燃物床層高度對模擬精度影響最大。

3.4 可燃物參數(shù)變化對林火蔓延模擬精度的綜合影響

3種可燃物參數(shù)組合下的火蔓延共模擬了3 072次，輸出結(jié)果較多，由于篇幅的限制，只給出這些組合中模擬最好和最差的結(jié)果，見圖8同時，將部分組合（按Kappa系數(shù)從大到小的順序）列于表1中，Kappa系數(shù)最大為0.205 9，最小為0.027 8。誤差最小的可燃物參數(shù)組合為；草甸載量為0.7 kg/m2，床層高度為0.9 m；森林載量為0.5 kg/m2，床層高度為0.4 m；灌叢載量為0.3 kg/m2，灌叢深度為0.7 m。圖9給出了不同載量和高度組合下林火模擬的Kappa系數(shù)分布情況。從中可見，Kappa系數(shù)主要分布在0.17到0.20之間，平均值為0.16，標(biāo)準(zhǔn)差為0.048。

4 結(jié)論與討論

可燃物參數(shù)中，對模擬精度影響較小的是可燃物載量，對模擬精度影響較大的是可燃物床層高度。其中，草甸可燃物載量對模擬精度影響較??；灌叢可燃物載量使Kappa系數(shù)值增加2%左右；森林可燃物載量使Kappa系數(shù)值增加2%左右?？扇嘉锎矊痈叨戎袑δM精度影響較大的是草甸，可使Kappa系數(shù)數(shù)值增加4%；對模擬結(jié)果影響最小的是灌叢可燃物床層高度；對模擬精度影響最大的是森林可燃物床層高度，森林可燃物床層高度變化可使Kappa系數(shù)超過17%。

圖4 不同可燃物載量時的火場模擬情況Fig. 4 Fire simulations of different fuel loads

圖5 3種可燃物載量變化對林火模擬精度的影響Fig.5 Effects of fuel loads of three fuel types on forest fire simulation accuracy

圖6 不同可燃物床層高度時的火場模擬情況Fig. 6 Fire site simulations with different fuel bed height

圖7 3種可燃物載床層高度變化對林火模擬精度的影響Fig.7 Effects of fuel bed height of three fuel types on forest fire simulation accuracy

圖8 3種可燃物不同參數(shù)組合的火蔓延擴展Fig.8 Fire spreading simulation with different parameter combination of three fuel types

圖9 3 072次林火蔓延模擬得到的Kappa系數(shù)分布Fig.9 Kappa coefficient distribution of 3 072 times forest fire spreading simulated

本研究的3 072次火蔓延模擬是在不同載量和不同床層高度組合下進行的，模擬得到的精度評價指標(biāo)Kappa系數(shù)的平均值為0.16，最大值為0.205 9，由Kappa系數(shù)值分析，模擬得到的火場與真實火場的一致性還是很低。文獻[18]中采用自定義可燃物模型模擬火場與實際火場的Kappa系數(shù)高達0.8，遠高于本文的結(jié)果。這種差異主要是因為本研究的火場面積超過了一萬公頃，而文獻中的火場面積僅幾十公頃，因此，本研究火場的復(fù)雜性要大很多。

表1 3種可燃物參數(shù)組合變化對林火蔓延模擬結(jié)果的影響Table 1 Effect of combination of fuel parameters of three fuels on the simulation results of fire spreading

分析影響火場蔓延模擬研究精度不高的因素可能有以后幾點：

（1）林火蔓延模擬本身的問題。本研究使用的林火蔓延模型是美國的Rothermel模型，該模型是一種半物理模型，其中很多方程來自于統(tǒng)計數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)是在實驗室進行點燒實驗得到的，即在室內(nèi)實驗室建立燃燒床，進行點燒實驗，模擬野外真實情況下的火場。但野外可燃物與室內(nèi)實驗室中燃燒床上的可燃物肯定存在這一定的差異，這也是導(dǎo)致這些方程在模擬野外火場應(yīng)用時不準(zhǔn)確。

（2）為了方便研究，需選取可燃物結(jié)構(gòu)相對單一的火場。本文使用了大興安嶺4.30罕諾河火場進行模擬實驗。該火場總面積達10 400 hm2，過火面積較大。綜合影響火行為蔓延模擬的三個主要因素來分析，雖然該火場可燃物類型較單一，但是在模擬過程中還存在有很多的不確定性因素，如可燃物、地形和氣象等環(huán)境因素，撲火、打火等人為因素的存在都會對模擬精度產(chǎn)生很大的影響。其一是氣象因素的不準(zhǔn)確。本研究中的氣象場數(shù)據(jù)是由目前分辨率最高的MSM模型生成的，但是不可否認(rèn)的是，MSM模型生成的氣象數(shù)據(jù)與火災(zāi)發(fā)生時的實時氣象數(shù)據(jù)相比，可能存在著一定的誤差。在MSM模型中氣象數(shù)據(jù)是在風(fēng)場作用下生成的，沒有考慮火場對氣象數(shù)據(jù)的影響，這會增加氣象信息的誤差；二是火蔓延模擬中沒有考慮樹冠火和飛火等對模擬的影響；三是撲火行為的影響。模擬研究中是將自然蔓延狀態(tài)下模擬得到的火場面積，與經(jīng)過撲救的真實火場面積進行對比分析，這必然導(dǎo)致模擬火場與真實火場的對比一致性較低，即模擬精度評價指標(biāo)很低。

由此可見，在今后的火場蔓延模擬研究中，應(yīng)該考慮樹冠火、飛火和撲救行為等對林火蔓延模擬的影響，進一步加強火場和風(fēng)場的共同作用研究等。

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Effects of fuel load and height on accuracy of fire simulation∶ a case study of 4.30 Nnuohanhe conflagration in Great Khingan region, Heilongjiang province

CAI Wei-hong1, WANG Xiao-hong2, YU Hong-zhou3, JIN Sen3

(1.Hunan Post and Telecommunication Vocational College, Changsha 410015, Hunan, China; 2. Harbin Research Institute of Forestry Machinery, State Forestry Administration, Harbin 150086, Heilongjiang, China; 3.College of Forestry, Northeast Forestry University,Harbin 150040, Heilongjiang, China)

∶ Improving simulation accuracy is an important goal of fire behavior simulation study. Research on the influence of collected fuel information accuracies on fire simulation is still inadequate. The Nuohanhe Conflagration burned on April 30, 2007 in Daxinganling Region, Heilongjiang Province was chosen to study the influence of fuel-bed load and height on fire simulation accuracy. Totally 3072 simulations were conducted with different combinations of fuel-bed load and height using a program developed based on Rothermel model. This program allows multiple simulations conducted automatically without the labor of entering parameters for each simulation each time by hand. Kappa coefficient was used to evaluate the accuracy of the simulations. The results indicate that the fuel load exerted the limited influence on simulation accuracy; Load of grass had little influence on simulation and those of bush and forest fuel could increased Kappa coefficient by 0.02; But that of grass fuel could increased Kappa coefficient by 0.04; Height of forest fuel had the maximum influence on simulation; Increasing height of forest fuel could increased Kappa coefficient by more than 0.17; The mean and maximum Kappa coefficient of all the 3072 simulations were 0.16 and 0.206; Height of bush fuel did not affect simulation accuracy very much, which indicated that the consistency between real fire and simulated fire was poor.

∶ forest fuels; forest fire behavior; process simulation; computer emulation; Great Khingan

2013-08-16

中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費專項資金項目(RITFKYYW2010-12)

蔡衛(wèi)紅（1971-），男，湖南益陽人，副教授，主要從事信息系統(tǒng)方面的研究

S762.2

A

1673-923X(2013)11-0034-08

[本文編校：吳 毅]