华北地区森林防火林带设计的关键参数和方法

王明玉，周荣伍，任云卯

（1.中国林科院森林生态环境与保护研究所 国家林业局森林保护学重点开放性实验室 北京 100091；2.北京市西山试验林场，北京 100029）

防火林带的空间布局是防火林带研究中的重要方面，一般要考虑综合环境因素，因地制宜，一方面要使防火林带获得比较好的阻火效果，还要使建设成本尽量降低。防火林带可以对林火的蔓延进行有效地阻隔，是预防大面积森林火灾发生的重要措施之一。防火林带的研究一直受到国内外研究者的重视。森林防火林带的规划需要对火行为、可燃物、地形、火环境等进行系统地分析，因地制宜，结合林相改造，合理布局，使防火林带与防火线以及天然屏障连接成网，把林地分隔成阻隔封闭区，才能发挥防火线的阻隔作用[1]。

1 防火树种的选择

大面积的均一的森林类型容易发生大面积的森林火灾，而有效地多种植被类型的交错对控制大面积的森林火灾具有重要意义。综合考虑树种的燃烧特性、生物学特性和生态学特性，华北地区防火能力强的树种有刺槐、核桃、加杨、青杨、旱柳、火炬树、香椿、紫穗槐、元宝槭、毛白杨、柿树、黄连木、山桃等。而山杏、栓皮栎、油松、侧柏等防火能力较差[2]。在林带的营建过程中，尽量增加混交的比例，使得同一大面积均一植被类型被分割成不同面积的异质单元。

2 网络密度和最小控制面积确定

网络密度是决定林带网络发挥综合效能的重要因素之一。防火林带的密度和最小闭合面积，并没有统一的标准，一般根据实际情况，因地制宜。欧建德[3]认为合理的防火林带网络密度应该是防火林带网络减灾的效益大于网络建设带来的负面效应，他从森林经济效益方面，分析建立精确计算防火林带网络最大允许密度的教学模型。詹超亚[4]从经验出发，提出视人为活动频度，构造30～50 hm2的阻隔网，林带面积占林地总面积的5%～10%。防火隔离带可以使森林火灾出现“有限尺度效应”，使得森林在平衡状态时的树木密度增加，从而有效地保存了森林中的树木。文定元[5]根据森林火灾过火面积提出防火林带的网络控制面积。一、二、三、四级网格的控制面积分别为1000 hm2、100 hm2、10 hm2、1 hm2。防火林带的构建总是与森林火灾的发生相适应的，因此从火灾发生的角度来确定防火林带的密度和最小闭合面积是可行的，这在一定程度上可以降低理论推导的难度。

可以在对研究区域火历史情况进行分析的基础上，确定防火林带网络的最小闭合面积和密度。

3 地理数据处理

地形是地质变迁的结果。其变化要用地质年代来度量，比较缓慢。但是作为地形因素的坡度、坡向、海拔等，直接影响林火的发生与发展。DEM是地形的一个数学模型，许多地形因子均可以从这个函数导出。由DEM派生的单要素地形属性可以由DEM直接计算得到，其他复合属性可以由几个单要素地形属性按一定的关系组合而计算得到。

在GIS中将地形图进行数字化，生成等值线，并转换成栅格数据，对其坡度进行提取，进一步得出地形更正系数，生成DEM，基于此DEM栅格数据，对防火林带规划产生影响的坡度、山脊进行提取。

3.1 坡度的提取

坡度一方面对火行为产生影响，另一方面在防火林带规划中由于要考虑造林或林带改造对水土流失的影响，坡度是影响土壤侵蚀的主要原因之一，在其他条件相同的情况下，坡度不同，土壤侵蚀量有较大差别，因此在实际规划中要对坡度进行分级。国家目前进行的退耕还林工作中规定退耕坡度为25°，将25°以上坡耕地进行退耕后，施行林草措施可以大大减少土壤侵蚀。考虑到华北地区生态环境的脆弱性，在实际应用中我们把坡度限定在20°以内，这一方面可以降低造林的难度，又可以减少水土流失，提高成活率。将坡度分级与其他地形特征因子在GIS中进行叠加，获得防火林带空间布局网络。

3.2 山脊线的提取

山脊线不仅构成地形起伏变化的分界线，同时由于山脊线特殊的空气动力学效应，对森林火灾的火行为有特殊的作用效果。目前对于山脊线的提取多是从其几何特征或物理特征的单一方面进行研究和设计，也可基于三维地形表面流水数字模拟法对山脊线进行提取。根据主风向、防火公路以及坡度分布，对山脊防火林带位置进行选取，主要依据山脊走向与主风向有比较大的夹角，与防火公路可以闭合，坡度在20°以下，最终确定拟建防火林带的山脊。

3.3 公路与林缘确定

防火林带的建造结合现有的空地、公路、河流等，将所有可以有效地阻火的要素结合一起构成闭合的网络。在防火林带的规划过程中，利用航片对林中空地和公路进行提取，由于传统方法对于公路、空地等提取有一定的局限性，基于像元的遥感图像分析和处理所能够得到的信息是极其有限的，由于遥感图像中异物同谐和同物异谱现象较为普遍，仅靠光谱特征是不足以表达目标或类别的，因而其分析结果的可靠性常常不尽如人意。本文使用面向对象的分类方法利用该地的航片对林中空地和公路进行提取，首先将图像按照某种相似性准则分割为一个个完全同质的，空间上连续的，并且具有特定专题意义的对象，然后再针对每个对象进行类别的标注。

4 可燃物调查

可燃物的空间分布特征与森林火灾为行为特征密切相关，包括可燃物的水平分布和垂直分布，以及不同空间分布下的载量分布，对于火行为的强度和燃烧类型均有不同程度的影响，进而决定了防火林带的设计指标。

根据森林清查数据及样地调查，确定可燃物类型，每一种类型设置样地，并用GPS标定。乔木主要测定胸径、树高、活枝枝下高、死枝枝下高，树种；灌木调查灌木基径、灌高，灌木种类，采用收割法，对全部样本称取鲜重；草本调查草本层盖度、草高、草本种类，并用收割法取样称取鲜重；地表枯落物和半分解层，主要测量枯落物和半腐层厚度，并取样称取鲜重。

对于乔木可燃物载量的估算，采用乔木生物量的估算方法，国内外学者普遍接受相对生长模型W=a（D2H）b估算生物量，根据当地典型乔木类型选择适当的生长模型，基于其生长模型，对乔木的树叶、树枝和树干的生物量进行计算，进而计算得到各部分可燃物载量。

可燃物的热值与火烧强度密切相关，关于不同植被热值的测定已有大量的研究，是进行相关火行为计处的基础变量，可查阅相关文献或者进行实验测定获得。

5 风速、风向的模拟

风速和风向对林火蔓延影响很大，在防火林带设置时要考虑主风向的影响。确定主风向后，在防火林带规划时要将林带的走向与主风向垂直，或者尽量将角度控制在45°以上，最大限度的对林火产生阻隔作用。

地形可以改变风速、风向，也可以产生涡流现象，地形和风场的共同作用会对火行为产生很大影响，用于天气预报的全球尺度和中尺度的风场模型并不能满足小尺度的火行为模拟的需要。其原因在于许多全球尺度的模型假设重力场与压力场存在平衡，然而在小尺度上由于惯性载荷在垂直方向对压力的影响并不能完全忽略，并且中尺度模型不能很好地解决地形的变化对风产生的影响。可使用专门的风场模拟软件对风场进行模拟，建立风向和风速图层，然后再转换为栅格数据，在GIS中进行火行为模拟。

6 火行为计算

6.1 蔓延速度

蔓延速度是指火头在单位时间内前进的距离，这方面的研究比较多，包括Prometheus,Farsite,BehavePlus等专业的软件，由于这些专业的火行为模拟软件需要依据相应的可燃物模型，对于华北地区可采用修正后王正非（1992）的计算公式[6]。

6.2 火线强度

火线强度是指在单位时间内单位火线长度上向前推进发出的热量。一般火线强度的计算式采用白兰姆公式

式中I为火线强度，单位为Kw·m-1；m为单位面积内的可燃物重量，单位为kg·m-2；c为可燃物的平均发热量，单位为kJ·kg-1；v为火线前进速度，单位为 m·s-1。

6.3 火焰高度计算

火焰高度指垂直于地面连续的火焰高度，可用下式表示：

式中h为火焰高度，单位为m；I为火线强度，单位为Kw·m-1；a为可燃物类型常数，草原或连续型植被的a=1。

7 防火林带有效宽度计算

防火林带宽度的设计是防火林带设计的重要内容，对防火林带宽度的设计还没有统一的标准，一般根据经验，不同的地区有很大的差别。文定元通过调查，一般在南方宽度为6-17m，文定元在综合考虑可燃物载量、风速、火强度、林带高度等内容，根据风洞实验设计了林带宽度的经验公式[5]，在实际中有比较好的应用效果。郑焕能认为在山地条件下，林带为15-20m，这样规格的林带可阻止树冠火的蔓延[7]。

8 防火林带空间布局

防火林带的规划要综合考虑可燃物类型、地形、气象、防火公路、居民区等因素，合理配置。根据实际情况主要确定不种形式的林带，包括山脊防火林带、公路防火林带和林缘防火林带等。分析气象、造林及不同地形因子对火行为的影响情况，主要获得可燃物分布、主风向、坡度、防火公路和林中空地、山脊、居民区分布等主要影响因子。

9 结论和讨论

防火林带是景观尺度的可燃物管理措施之一，尽管对于防火林带的设计还没有统一的标准，防火林带总是要与当地的火发生状况相联系的，要在考虑火发生动态的背景下综合考虑可燃物、地形、气象等因素。设计防火林带应根据林分、道路、河流、山脉、地形等自然条件，因地制宜，结合林相改造，合理布局，使防火林带与防火线以及天然屏障连接成网，把林地分隔成阻隔封闭区，才能发挥防火线的阻隔作用。

防火林带的规划需要分析不同可燃物的空间分布特征，并根据历史气象数据，分析得到当地的主风向及平均最大风速，在此背景下结合地形数据对风场进行模拟，进而计算树冠火的潜在火强度，并根据林带宽度的经验公式计算在不同地形、不同可燃物条件下的林带有效宽度，对防火林带规划提供量化的指标，对可燃物管理、扑火安全防范也有借鉴意义。

[1]田晓瑞，舒立福.防火林带的应用与研究现状[J].世界林业研究，2000，13（1）：20-26.

[2]田晓瑞，舒立福，阎海平，等.华北地区防火树种筛选[J].火灾科学，2002，11（1）：43-48.

[3]欧建德.人工林防火林带网络密度的研究[J].西南林学院学报，2001，21（2）：101-103.

[4]詹超亚，魏华山.论南方林区防火林带的建设与管理[J].森林防火，1993，（2）：32-34.

[5]文定元.关于防火林带几个问题的探讨[J].森林防火，1992（4）：22-23，33.

[6]王正非.通用森林火险系统构型[J].林业科技,1992.17（2）：23-25.

[7]郑焕能,姚树人.建立综合阻火林网,控制大火发生[M].哈尔滨:东北林业大学出版社.1995：183-187.