基于GIS的北京市延庆区森林火灾蔓延风险.pdf

doi：10.11707/j.1001-7488.LYKX20220531基于 GIS 的北京市延庆区森林火灾蔓延风险*王博1杨雪清2蒋春颖2刘冬3陈锋1白夜1刘晓东1（1.北京林业大学生态与自然保护学院森林草原火灾风险防控应急管理部重点实验室北京 100083；2.国家林业和草原局林草调查规划院北京 100013；3.北京市延庆区园林绿化监测中心北京 102100）摘要：【目的】建立森林火灾蔓延风险评估框架（包括发生危险、蔓延危险、蔓延风险 3 部分），基于 GIS 开展北京市延庆区多尺度（小班、村屯、乡镇）森林火灾蔓延风险评估，为延庆区林火管理提供依据，最大限度降低林火发生危险和林火蔓延造成的损失。【方法】基于延庆区 2019 年森林资源二类调查小班数据、森林可燃物数据、人口数据、30 m分辨率数字高程数据、气象数据，从野外火源管理难度和着火难易程度 2 个方面构建森林火灾发生危险评估指标体系，从森林可燃物、气象因子、地形因子、火行为 4 个方面构建森林火灾蔓延危险评估指标体系，应用层次分析法和熵权法相结合的主客观赋权法确定指标权重，利用加权综合评价法和面积加权平均法计算多尺度发生危险和蔓延危险指数，根据自然断点分级法划分等级。基于“危险性-暴露度-脆弱性”风险评估框架，从破坏森林资源和威胁生命安全 2 个方面评估森林火灾蔓延风险。【结果】1）野外火源管理难度的综合权重达到 0.771 3，是影响森林火灾发生危险的主要因素；火行为的综合权重达到 0.403 2，是影响森林火灾蔓延危险的主要因素。2）延庆区森林火灾发生危险从平原向山区逐步减小，高发生危险区域在小班、村屯、乡镇尺度上分别占比 0.89%、0.52%、7.48%，主要分布在城区周围的平原区域；蔓延危险从平原向山区逐步增大，高蔓延危险区域在小班、村屯、乡镇尺度上分别占比 46.19%、58.73%、35.67%，主要分布在西部 2 个林场（八达岭林场、松山林场）和东部 2 个山区乡镇（千家店镇、珍珠泉乡）。3）延庆区森林火灾蔓延风险(森林资源)在小班、村屯、乡镇尺度上均无极高风险区域，中高风险区域在小班、村屯、乡镇尺度上分别占比0.80%、2.85%、1.79%；蔓延风险(人口)在村屯和乡镇尺度上均无极高和中高风险区域，小班尺度上无极高风险区域，仅有 9 个中高风险小班，中蔓延风险区域在小班、村屯、乡镇尺度上分别占比 34.97%、51.19%、42.25%。【结论】森林火灾高发生危险小班以杨树、刺槐、柳树的人工林为主，高蔓延危险小班以蒙古栎天然林、油松人工林、侧柏人工林为主，中高蔓延风险(森林资源)小班以油松和落叶松的人工林为主，中蔓延风险(人口)区域主要分布在东部 4 个山区乡镇（珍珠泉乡、千家店镇、刘斌堡乡、四海镇）。关键词：延庆区；森林火灾；蔓延风险；多尺度；地理信息系统中图分类号：S762.1文献标识码：A文章编号：10017488(2023)08009012Forest Fire Spread Risk in Yanqing District of Beijing Based on GISWang Bo1Yang Xueqing2Jiang Chunying2Liu Dong3Chen Feng1Bai Ye1Liu Xiaodong1（1.Key Laboratory of Forest and Grassland Fire Risk Prevention Ministry of Emergency ManagementSchool of Ecology and Nature Conservation,BeijingForestry UniversityBeijing 100083；2.Academy of Forestry and Grassland Inventory and Planning,National Forestry and Grassland AdministrationBeijing100013；3.Yanqing District Forestry and Parks Monitoring Center of Beijing MunicipalityBeijing 102100）Abstract：【Objective】In this study,an assessment framework for forest fire spread risk(including occurrence hazard,spreadhazard,and spread risk)was established,to carry out multi-scale (subcompartment,village,township)forest fire spread riskassessment in Yanqing District of Beijing based on GIS technology.The study aims to provide a basis for forest fire managementin Yanqing District,which could minimize the occurrence hazard of forest fire and the loss caused by the spread of forest fire.【Method】Based on the subcompartment data of the 2019 forest resources second-class survey,forest fuel data,population data,30-meter resolution digital elevation data and meteorological data,the forest fire occurrence hazard assessment index system wasconstructed from two aspects:difficulty in wildfire sources management and ease degree of ignition.The forest fire spread hazardassessment index system was constructed from four aspects of forest fuel,meteorological factor,topographic factor and firebehavior.The subjective and objective weighting method of AHP and entropy weight method were used to determine the index 收稿日期：20220802；修回日期：20221206。基金项目：国家重点研发计划（2020YFC1511601）。*刘晓东为通讯作者。第 59 卷 第 8 期林业科学 Vol.59，No.82 0 2 3 年 8 月SCIENTIA SILVAE SINICAEAug.，2 0 2 3weight,and the weighted comprehensive evaluation method and the area weighted average method were used to calculate the multi-scale occurrence hazard and spread hazard index.According to the natural break point classification method,the grade is divided.Based on the risk assessment framework of“hazard-exposure-vulnerability”,the forest fire spread risk was evaluated from twoaspects of destroying forest resources and threatening life safety.【Result】1)The comprehensive weight of difficulty in wildfiresources management reached 0.771 3,which was the main factor affecting the forest fire occurrence hazard.The comprehensiveweight of fire behavior was 0.403 2,which was the main factor affecting the forest fire spread hazard.2)The forest fire occurrencehazard in Yanqing district gradually decreased from plain to mountainous area,and the high occurrence hazard areas accounted for0.89%,0.52%and 7.48%in subcompartment,village and township scales,respectively,mainly distributed in the plain area aroundthe urban area.The spread hazard gradually increased from plain to mountainous area,and the high spread hazard areas accountedfor 46.19%,58.73%and 35.67%respectively in subcompartment,village and township scales,mainly distributed in two westernforest farms (Badaling Forest Farm and Songshan Forest Farm)and two eastern mountainous towns (Qianjiadian Town andZhenzhuquan Township).3)The forest fire spread risk(forest resource)in Yanqing district was not extremely high risk area insubcompartment,village and township scales,and the medium-high risk areas accounted for 0.80%,2.85%and 1.79%insubcompartment,village and township scales,respectively.The forest fire spread risk(population)was had no extremely high ormedium-high risk areas in village and township scales.There were no extremely high risk areas in subcompartment,only 9 medium-high risk areas in subcompartment,and the medium risk areas accounted for 34.97%,51.19%and 42.25%in subcompartment,village and township scales,respectively.【Conclusion】The high occurrence hazard subcompartments were mainly in Poplar,Robinia pseudoacacia and Willow plantations.The high spread hazard subcompartments were mainly in Quercus mongolicanatural forest,Pinus tabuliformis plantations and Platycladus orientalis plantations.The medium-high spread risk(forest resource)subcompartments were mainly in Pinus tabuliformis and Larch plantations.The medium spread risk(population)areas weremainly distributed in four eastern mountainous towns(Zhenzhuquan Township,Qianjiadian Town,Liubinbao Township and SihaiTown).Key words：Yanqing District；forest fire；spread risk；multi-scale；geographic information system 森林火灾发生危险是指林火发生的可能性，蔓延危险是指林火蔓延的可能性，蔓延风险是指林火蔓延及其造成破坏损失的可能性，是林火蔓延可能性及蔓延产生后果的综合度量（危险是指可能性，风险是对可能性和可能产生的后果的综合度量）（Chuvieco etal.,2010；国志兴等，2010；唐博海，2016）。受全球气候变暖和土地用途变化影响，森林火灾发生的频率和强度明显增加，在易燃植被类型、特殊危险地形、恶劣气象条件的综合作用下，森林火灾快速蔓延失控的概率大幅度上升（马玉春等，2021），严重威胁森林资源和野生动植物生存栖息地，威胁生命财产安全和国土生态安全。因此，科学评估森林火灾发生危险，可以确定容易发生森林火灾的区域，为野外火源管理和可燃物清理提供依据。科学评估蔓延危险和蔓延风险，可以确定林火容易蔓延且造成破坏损失的区域，为林火阻隔体系建设、灭火资源和应急力量布局提供依据，具有重要的理论和应用价值。林火蔓延是林火行为的重要指标，可以为森林火灾风险评估提供基础信息，对于科学规划林火管理和合理分配扑火资源具有重要意义（Rodrigues et al.,2022）。Calkin 等（2010）综述了将林火蔓延、林火强度和重要承灾体变化纳入风险框架的方法，并在美国俄勒冈州进行了评估应用，在考虑林火双重作用（有利和有害）的基础上，探讨林火可能性和强度如何在区域范围内影响社会、经济、生态价值的风险。Hysa等（2019，2022）利用野火着火概率指数和野火蔓延能力指数评估阿尔巴尼亚北部阔叶林地的森林火灾风险和巴尔干半岛蛇纹石土壤植被的野火脆弱性。Aparcio 等（2022）基于林火行为模拟和网络分析方法，量化了可燃物空间分布对火灾连续蔓延的影响，为降低大火蔓延风险、减少极端火灾的潜在影响提供依据。森林火灾风险评估主要是选择若干与森林火灾风险相关的指标，构建风险评估指标体系，然后采用数学方法对选取的指标进行量化分析，最终得出森林火灾风险等级指数。火险因子的选择是火灾风险等级划分首要的基础工作，其合理性直接决定火灾风险等级划分的科学性、适用性（王卫国，2017）。已有研究选取的指标主要包括可燃物因子（如植被类型、含水率、燃烧性等）、气象因子（如相对湿度、温度、降水量、风速等）、地形因子（如海拔、坡度、坡向、坡位等）、火源管理及消防等基础设施等（Adab et al.,2018;Milanovi et al.,2021;You et al.,2017）。风险评估的方第 8 期王博等：基于 GIS 的北京市延庆区森林火灾蔓延风险91 法主要包括基于通用风险评估模型评估、基于林火预报评估、基于林火蔓延模型评估、基于 GIS 和 RS 评估等，评价指标量化的方法主要包括德尔菲法、专家调查法、层次分析法、熵值法、加权平均法、灰色关联度法等（王睿琛等，2021）。但目前尚无根据火险因子开展森林火灾蔓延风险评估的相关研究。延庆区是全国生态文明建设示范区、首都西北部重要生态保育及区域生态治理协作区，也是 2022 年北京冬奥会和冬残奥会赛区之一，森林覆盖率 61.63%，生物多样性极其丰富，生态区位极其重要。本研究以延庆区为研究对象，建立森林火灾蔓延风险评估框架（包括发生危险、蔓延危险、蔓延风险 3 部分），利用2019 年森林资源二类调查小班数据、森林可燃物数据、人口数据、30 m 分辨率数字高程数据、气象数据，基于 GIS 开展多尺度（小班、村屯、乡镇）森林火灾蔓延风险评估，研究结果可以为林火精准化防控提供依据。1研究区概况延庆区（40164047N，1154411634E）地处北京市西北部，东邻怀柔区，南接昌平区，西与河北省怀来县接壤，北与河北省赤城县相邻，是首都西北部重要的生态安全屏障。该区北东南三面环山，全境平均海拔 500 m 左右，幅员面积 19.94 万 hm，其中山区、平原、水域面积约为 14.52 万、5.22 万、0.2 万 hm，山区面积占比达 72.82%。辖区属温带与中温带、半干旱与半湿润带的过渡地带，大陆性季风气候。气候冬冷夏凉，年平均气温 8，年日照 2 800 h。全区森林资 源 丰 富，森 林 面积 12.29 万 hm，活 立 木 蓄 积 量528.9 万 m。受极端天气、可燃物、火源等因素的影响，森林火灾潜在风险不断加大。每年的 11 月 1 日至次年 5 月 31 日是森林防火期，1 月 1 日至 4 月 15 日是森林高火险期。2020 年 3 月 18 日，延庆区永宁镇四司村发生森林火灾，在大风作用下火灾快速蔓延，严重威胁区域生态安全。2研究方法 2.1数据来源2019 年森林资源二类调查小班数据来自延庆区园林绿化监测中心，属性指标包括地类、面积、蓄积量、优势树种（组）、树种组成、郁闭度、灌草植被总覆盖度等。森林可燃物数据和人口数据来自北京市森林火灾风险普查项目中的数据成果。森林可燃物数据包括细小可燃物载量、地表可燃物载量。人口数据包括常住人口数、014 岁人口数、6064 岁人口数、6579岁人口数、80 岁以上人口数。30 m 分辨率数字高程数据来自于中国科学院计算机网络信息中心地理空间数据云平台（http:/）。气 象 数 据 来 自 北 京 市 气 象 服 务 中 心 提 供的20102020 年 5 个气象站点（佛爷顶、延庆、汤河口、怀柔、昌平）的月最小相对湿度、月平均风速、月大风日数、月降水量、月平均最高气温数据。对气象数据采用反距离权重插值法进行空间插值，并进行数据重采样、掩膜为 50 m 分辨率的栅格数据。2.2森林火灾蔓延风险评估框架本研究建立了森林火灾蔓延风险评估框架（包括发生危险、蔓延危险、蔓延风险 3 部分），见图 1。2.2.1森林火灾发生危险评估指标森林火灾发生危险是从森林燃烧三要素的角度分析森林火灾发生的可能性，由于可燃物和氧气在森林中广泛存在，森林火灾发生危险主要由野外火源管理难度、着火难易程度 2 个因素决定（阚振国，2006）。本研究选取 6 个二级指标评估森林火灾发生危险，见表 1。2.2.2森林火灾蔓延危险评估指标森林火灾蔓延危险是指森林火灾蔓延的可能性，主要受森林可燃物、气象因子、地形因子、火行为 4 个因素的影响（胡海清，2005）。本研究选取 13 个二级指标评估森林火灾蔓延危险，见表 2。2.2.3评估指标标准化为了消除评估指标之间的量纲影响，需要对数据进行标准化处理，使每个指标数值分布在 0,1 区间范围内。本研究综合前人研究成果（牛树奎等，2000；王晓丽，2010），将森林燃烧性划分为强燃、易燃、可燃、难燃、不燃 5 个等级，采用等距赋值法将其转化为数值进行评价，坡向和坡位的赋值方法依据“第一次全国自然灾害综合风险普查森林火灾危险性评估”中的赋值方法，其他指标采用离差标准化法进行处理（国务院第一次全国自然灾害综合风险普查领导小组办公室，2021）。2.2.4评估指标权重的确定考虑到没有森林火灾发生危险、蔓延危险权重评价的研究，本文应用层次分析法、熵权法相结合的主客观赋权法确定森林火灾发生危险和蔓延危险的指标权重（孙朝峰等，2022）。首先采用层次分析法计算指标的主观权重，再结合统计数据，利用熵权法确定指标的客观权重，最后将主观权重和客观权重进行等权融合得到综合权重值，作为森林火灾发生危险和蔓延危险评估的指标权重值。92林业科学59 卷 2.2.5森林火灾发生危险和蔓延危险指数计算加权综合评价法是灾害风险评估的常用方法，具有系统性强、结果清晰的优点。依据每个评估指标对总目标的贡献程度，分配一个相应的权重系数，然后再与该评估指标相应各指标的量化值相乘后求和。利用加权综合评价法计算小班尺度森林火灾发生危险指数和蔓延危险指数，利用面积加权平均法计算村屯尺度和乡镇尺度森林火灾发生危险指数和蔓延危险指数（国务院第一次全国自然灾害综合风险普查领导小组办公室，2021）。2.2.6森林火灾发生危险和蔓延危险等级划分自然断点分级法通过不断迭代将数据集中不连续的地方作为分级依据，强调自然断点和分组，人为干预较少，可以减少同一级中的差异、增加不同级间的差异 表 1森林火灾发生危险评估指标Tab.1The assessment index of forest fire occurrence hazard一级指标First level index二级指标Secondary index计算方式Calculation野外火源管理难度Difficulty in wildfire sourcesmanagement祭祀用火重点人群密度Sacrificial fire key population density林区及林缘100 m范围内祭祀用火重点人群（60岁至79岁）数量与评估区域的林地面积之比，单位为personhm2。Ratio of the number of keygroups(aged 60 to 79)for sacrificial fire to the forest area of the evaluation areawithin 100 meters of forest area and forest edge,in personhm2.农事用火风险区域面积Area of agricultural fire risk area林区及林缘100 m范围内耕地面积与评估区域的林地面积之比，量纲为一。The ratio of cultivated land area within 100 meters of forest area and forestedge to woodland area of evaluation area,without dimensionality.路旁烟头风险区域长度Length of roadside cigarette butts risk area林区及林缘100 m范围内交通建设用地小班的长度与评估区域林地面积之比，单位为kmhm2。The ratio of the length of traffic construction landsubclass within 100 meters of forest area and forest edge to the area of forest landin the evaluation region,in kmhm2.着火难易程度Ease degree of ignition防火期月最小相对湿度Minimum monthlyrelative humidity during fire prevention period防火期期间，月每日最小相对湿度的最小值，单位为%。The minimumdaily relative humidity of a month during the fire prevention period,in%.防火期月平均风速Monthly mean wind speed during fireprevention period防火期期间，月每日平均风速的平均值，单位为ms1。Average monthlyaverage daily wind speed during the fire prevention period,in ms1.细小可燃物载量Fine fuel load单位面积1h时滞可燃物（直径0.64 cm）、枯死杂草和上层枯叶载量，单位为thm2。1 hour delay fuel(diameter0.64 cm),dead weeds and upperlayer dead leaf load in unit area,in thm2.本研究根据2019年森林资源二类调查小班数据中的一级地类林地范围的100 m缓冲区范围确定林区及林缘100 m范围。In this study,the forest area and 100 m range of forest margin were determined according to the 100 m buffer range of the first-grade land area in the subcompartment data of the2019 forest resources second-class survey.森林火灾发生危险Forest fireoccurrence hazard森林火灾蔓延危险Forest firespread hazard森林火灾蔓延风险Forest firespread risk野外火源管理难度Difficulty in wildfire sources management着火难易程度Ease degree of ignition森林火灾发生危险Forest fire occurrence hazard森林可燃物Forest fuel森林资源暴露度Forest resourceexposure森林资源脆弱性Forest resourcevulnerability森林火灾蔓延危险Forest fire spreadhazard人口暴露度Populationexposure年龄结构脆弱性Age structurevulnerability气象因子Meteorological factor蔓延危险指数Spread hazard index森林火灾蔓延风险(人口)Forest fire spread risk(population)森林火灾蔓延风险(森林资源)Forest fire spread risk(forest resource)蔓延风险(森林资源)指数Spread risk(forest resource)index蔓延风险(人口)指数Spread risk(population)index地形因子Topographical factor火行为Fire behavior发生危险指数Occurrence hazard index图 1森林火灾蔓延风险评估框架Fig.1The assessment framework of forest fire spread risk第 8 期王博等：基于 GIS 的北京市延庆区森林火灾蔓延风险93（侯丽丽等，2022）。本研究采用自然断点分级法将发生危险和蔓延危险分为高、中高、中低、低 4 级。2.2.7基于“危险性-暴露度-脆弱性”评估框架的森林火灾蔓延风险评估本研究的森林火灾蔓延风险是指林火蔓延及其造成破坏损失的可能性，是森林火灾蔓延可能性及蔓延产生后果的综合度量（本研究所指蔓延产生的后果假定 100%损失，不考虑林火的有益作用和部分烧毁的情况）。为了更具针对性地提出林火管理措施，本文从蔓延风险(森林资源)和蔓延风险(人口)2 个方面评估森林火灾蔓延风险。R=3HEV。村屯（或乡镇）尺度的森林资源暴露度是村屯（或乡镇）范围内乔木林单位面积蓄积量，单位为 m3hm2。村屯（或乡镇）尺度的森林资源脆弱性是村屯（或乡镇）范围内强燃和易燃林地小班面积之和与林地总面积之比，量纲为一。根据林地小班单位面积蓄积量计算小班尺度的森林资源暴露度，根据林地小班的森林燃烧性划分小班尺度的森林资源脆弱性等级（强燃对应高等级、易燃对应中高等级、可燃对应中低等级、难燃和不燃对应低等级）。村屯（或乡镇）尺度的人口暴露度是指村屯（或乡镇）林区及林缘 100 m 范围内人口总数与林地总面积之比，单位为人hm2。村屯（或乡镇）尺度的年龄结构脆弱性是指村屯（或乡镇）林区及林缘 100 m 范围内，老幼人口数（014 岁人口数与 65 岁以上人口数之和）与人口总数的比值，量纲为一。将村屯的人口暴露度和年龄结构脆弱性指标值赋值给该村屯林地及林缘100 m 范围内的所有小班，得到小班尺度的人口暴露度和年龄结构脆弱性指标值。利用自然断点分级法进行分级，包括“高、中高、中低、低”四个等级，取值分别为 1、2、3、4。基于“危险性-暴露度-脆弱性”风险评估框架，计算森林火灾蔓延风险指数，并根据表 3 划分蔓延风险等级（国务院第一次全国自然灾害综合风险普查领导小组办公 表 2森林火灾蔓延危险评估指标Tab.2The assessment index of forest fire spread hazard一级指标First level index二级指标Secondary index计算方式Calculation森林可燃物Forest fuel地表可燃物载量Surface fuel load单位面积地表可燃物（灌木、草本、枯落物）载量，单位为thm2。Amount of surface fuel(shrub,herb,litter)per unit area,in thm2.灌草植被总覆盖度Total coverage ofshrub and grass vegetation林地灌草层的总覆盖度，单位为%。Total coverage of shrub and grasslayer in woodland,in%.森林燃烧性Forest flammability森林被引燃着火的难易程度以及着火后所表现出的燃烧状态（火种类）和燃烧速度、火强度等的综合，也可以衡量森林燃烧释放能量的大小，量纲为一。It is also possible to measure the size of energyreleased by forest combustion,dimensionless,by the combination of thedifficulty of forest ignition and the combustion state(fire type)and thecombustion speed and fire intensity after ignition.气象因子Meteorological factor防火期月大风日数Monthly gale daysduring fire prevention period防火期期间，月平均出现瞬时风力5级或以上的天气日数，单位为days。During the fire prevention period,the monthly average number ofweather days with instantaneous wind force 5 or above is expressed in days.防火期月降水量Monthly precipitationduring fire prevention period防火期期间，总降雨量的月平均值，单位为mm。The monthly averageof total rainfall during the fire prevention period,in mm.防火期月平均最高气温Monthly meanmaximum temperature during fire preventionperiod防火期期间，日最高气温的平均值，单位为。Average dailymaximum temperature during the fire prevention period,in.地形因子Topographical factor海拔Elevation高出海平面的垂直距离，单位为m。The vertical distance above sealevel,in m.坡度Slope坡面的垂直高度和水平宽度的比值，单位为%。The ratio of verticalheight to horizontal width of a slope,in%.坡向Aspect坡面的朝向，量纲为一。Orientation of slope,dimensionless.坡位Slope position坡面所处的地貌部位，量纲为一。The landform on which a slope islocated,dimensionless.火行为Fire behavior地表火蔓延速度Surface fire spread speed地表火的火线在单位时间内向前移动的距离，单位是mmin1。Thedistance that the surface fire line moves forward per unit time,in mmin1.火线强度Fire intensity火头前沿单位长度上热量释放速度，单位是kWm1。Heat release rateper unit length of fire head front,in kWm1.火焰高度Flame height垂直于地面连续的火焰高度，单位是m。Continuous flame heightperpendicular to the ground,in m.利用BehavePlus 5.0软件进行潜在火行为模拟，风速参考当地的平均风速3 ms1，坡度参考森林资源二类调查小班数据，可燃物含水率条件参照美国林火行为研究中采用的可燃物模型湿度系列。The BehavePlus 5.0 software was used to simulate the potential fire behavior.The windspeed refered to the local average wind speed of 3 ms1,the slope refered to the data of the subcompartment data of the forest resources second-class survey,and themoisture content of combustibles refered to the moisture series of combustibles models used in the forest fire behavior research in the United States.94林业科学59 卷 室，2021）。3结果与分析 3.1森林火灾发生危险和蔓延危险指标权重的确定延庆区森林火灾发生危险和蔓延危险的评估指标权重结果见表 4 和表 5。由表 4 可知，森林火灾发生危险的 2 个一级指标野外火源管理难度和着火难易程度的综合权重分别为 0.771 3 和 0.228 7，野外火源管理难度的 3 个二级指标综合权重均大于 0.23，着火难易程