林火管理工作中的科学决策方法

王海晖，毛丽君，牛晨旭，Chen Ke-Ping

（1. 中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，安徽 合肥230027; 2. 南京森林警察学院，江苏 南京210023;3. 中国科学技术大学信息科学技术学院，安徽 合肥230027; 4. BigData Earth Pty Ltd， Sydney， Australia 2114）

林火管理部门肩负着保护森林资源及其维系的生态环境和人类生命财产免受自然灾害破坏的责任。近些年在全国各省（区、市）推行的行政首长负责制集中反映了政府和社会各界对林火管理工作的高度重视[1]。

林火管理工作不但涉及全国各地具有不同地形和地貌以及气候条件下的林区，更是覆盖由灾害预防到监测和备战、再到特定火灾的应急响应与控制以及善后的全过程。管理工作的复杂性更与灾害的不确定性密切相关。随着国民经济的发展以及技术的更新换代，不断增加的林火防治工作中的技术元素以及工作方案的多元化和多样性，使得各级森林防火机构面临更多管理工作细节的决策和对运行效果的考量。

目前突显的全球性气候变化，对全世界多林国家森林防火工作带来空前的压力。突发性火灾呈规模化趋势，导致火灾扑救费用、林业资源及财富损失不断飙升。有必要在寻求将有限投入效益最大化的同时，努力降低应急响应开销及火灾造成的损失。美国森林防火同行考虑广泛实施的林火管理决策中的风险管理框架，将风险管理理念和具体措施全面融入森林防火工作的方方面面[2]。诚然，风险管理一直作为不确定性灾害防治工作的先进决策方法被广泛采用，已或多或少渗透进林火管理工作中。

在持续推进森林防火工作专业化和技术化进程的大潮中，加强管理工作的科学决策内涵，对于提升我国森林火灾管理工作的水平和效果有重要的推动作用。基于此，本文结合目前国内外林火管理工作的现状，系统阐述风险管理对林火管理工作的影响，并探讨其在灾害管理工作中的发展前景。

1 现行管理工作中的风险理念与实践

位于特定地区的森林，其遭受火灾的威胁具有不确定性。仅就火源条件来说，不仅源于人类活动，还会来自特殊天气和自然环境，如雷暴或自燃现象等；发生火灾及其演化更具有明显的随机性。森林火灾的风险，则是由火灾发生概率、受火灾威胁区域的植被、资产和人群分布状况以及其脆弱性诸多因子共同作用的结果。基于防火工作的性质和管理目标，风险理念一直贯穿森林防火工作中。

目前国内通行的火灾防治工作两大支柱，一是以消除潜在人为火源为目标的火源管理，二是以避免火灾或大规模火灾为宗旨的可燃物管理。它们在降低火灾发生概率、有效制约规模化火灾的形成上发挥了重要作用。另一个明显例证是，全世界各地区对防火期的设置和运用[3]。植物生长更替受一年四季的气候变化影响，每个地区均有几乎不会形成野外火灾和扩张发展成规模化火灾的时间区段。在该时间区段，各项森林防火工作安排完全可以区别于防火期内的，比如潜在火源来源管理和林火监测等。目前广泛应用的火险天气预报手段，通过对野外火灾发生天气条件的准确把握，将出现火灾的可能性分等级预报，为火灾预防和应急准备等管理工作实现“有的放矢”奠定基础[3-5]。

针对火灾多发地区的火灾危险性的评定，是典型的量化风险评估工作。通过对特定地域的火源条件、着火要素以及是否出现向二次引燃转化和形成规模化火灾条件的取证和分析，确定地域引发森林火灾的可能性和潜在火情。这种定量评判有所侧重地展示特定地域的火灾隐患，为开展防火设计以填补特定林区生态环境以及生活、生产等各项林间设施在火灾场景中的脆弱性短板提供指南[6]。

利用以往火灾统计数据开展主成分分析，可以对全国各省（区、市）火灾损失分布状态进行分析，定量揭示森林火灾在各省（区、市）造成的影响，为从全国层面上合理分配资源和配备扑救力量提供依据[7]。根据林火频度和损失情况提出防火队伍的建设密度同样是风险评估工作的一种体现[8]。目前在许多省份广为流行的签订基层管理机构与社区居民防火责任状等工作，则是风险交流和分担的具体表现。

依靠优秀的管理干部做出正确的决策是一种行之有效的管理模式，但必须认识到基于当前形势决策环境的复杂性和不确定性以及以往各项决定的累积影响导致现下面临无数挑战。例如，在危机应急管理诸多单元中各自比重和力量安排，尤其是预防和扑救力量的分配比例问题；地面扑救与控制力量、空中监测与灭火力量的建设及使用效率问题；关于建设各类扑救队伍类型的决策以及装备标准和日常维持与管理相关问题。毫无疑问，在人力资源和地方财力允许的情形下，即使可以配备地面扑救力量、现场开设森林防火工程阻隔带力量、快速机降消防力量、空中灭火力量以及后勤保障力量等，如何在不同力量单元间精准选择，确保其装备恰如其分到位并最终在实际火灾扑救工作中发挥各自应有的作用，亦成为摆在各级领导面前的问题。所有这些均存在许多复杂和艰难的抉择。基于此，有必要为各级管理人员创造条件，以系统识别已知和未知，自信应对灾害防御管理工作中的不确定性，做出风险知情和正确的决策。

风险评估的基本步骤包括情景资料收集，了解事件背景、现状和决策空间；评估分析收集到的信息；利用收集到的信息进行分析，对火灾的短期和长期蔓延行为、严重程度、威胁到的资产和扑救作业成本以及暴露人群健康和安全相关的风险做出预测，确定潜在的利益和挑战。据此制定控制措施以应对已查明的风险，并由此确定潜在的火灾管理策略、战术和具体应急措施，以减轻已确定的风险并完成事故管理目标。检验决策的有效性。这一步骤承认并接受在合理缓解风险的措施计划实施后仍存在的残余风险，仔细权衡潜在损失的风险和产生消极结果的根源。在管理工作推进过程中，定期重新评估潜在火灾形势，视需要修订决策及后续行动方针。这一步骤结合森林火灾的动态时空特性，确保决策者即时更新对火灾的认识以及应对措施[9-11]。

凸显风险管控的管理工作模式，是一组协调一致的流程和业务，用于识别、监测、评估、确定组织机构面临的风险并进行优先排序以实施控制。简言之，即推行某种消除火灾风险的技术方案，并检测和核查其消除火灾危险性和其他风险的效果[12]。管理者需要直接采纳或经调整应用最佳方案。在通常情形下，最佳方案都不仅仅源于直线式思维，管理人员还需进行分析，以确定如何和为什么做出特定决定。这些分析应以迄今掌握的经验和科学为基础，做到应时、系统性和结构化。风险管理属迭代型，通过学习和情况的跟踪，明确解决问题的不确定性，尽量确保决策质量和效果。表1 将其与传统经验型管理的联系和区别进行对比[10-11]。

2 全面推行量化风险管理工作的内容和优势

基于森林防火工作的性质，管理工作涉及的诸多方面都包含一定的工作风险。因发生火灾造成的风险只是诸多风险中的主要需考虑的。除火灾发生的风险外，还有日常管理中人和设备出现意外的风险、应急响应工作成功与否的风险、暴露人群生命安全风险以及资源、生态和环境遭受某种程度破坏的风险。就组织建制来说，不但有个体到战斗小组（扑救分队）到参与一线扑救工作的所有队伍再到日常性的队伍经营所存在的风险，还有各级管理机构运行效果、效率和效益保障的风险。

林火风险是制约社会发展的重要因素之一，有可能造成重大人员伤亡事故，并给自然资源、社会财产和生态环境等方面带来巨大损失。用科学的方法辨析和量化林火风险是非常必要的，这是林火量化风险评估的基本出发点[13]。除此之外，消防管理干部需要准确而全面地评价林火的风险，研究产生林火的主要因素，并在一定程度上限制或者降低风险的发生。关于如何均衡投入经费和防灭火资源的问题，同样隶属于风险管理的范畴；如何确定不同林区的优先级别并且实施恰当的管理操作，都可以由风险评估给出答案[10，12]。客观评估决策的成本、收益以及平衡等方面的数据也都可以源于风险评估。相应开发出的评估模型或系统可以作为决策支持工具，为火灾管理规划提供科学依据，同时提高决策的透明度[12，14-15]。

林火量化风险的主要工作内容和目标为：①运用信息技术和分析方法，通过引入模型和相关架构，获得对林火风险的清晰认识，深切了解林火风险源头、发生的概率以及在空间和时间上对资源和环境造成的影响，最大限度地降低风险的可能性；②在火灾发生时，遴选高效和优化的控制措施，在有效降低抵御大型火灾成本的同时，将火灾对人身、财产和生态环境的影响降低到最低程度；③将优化消防资源的分配和调度纳入到决策之中，使其在风险管理中发挥作用；④确保林火管理实践中职工的健康和安全，并密切关注各项工作对环境和生态的潜在影响，最大限度地收获环境和生态方面的效益[2，10，11]。

风险评估的管理工作流程为：在辨析问题和界定问题之后，列出所有可能的措施和做法，科学评估这些措施和做法如何影响风险因子以及最终的风险大小，以正常心态并实事求是地寻找如何综合这些措施以达到事半功倍的效果。然后，结合工作实际，有计划、有条理地推行相关工作，并及时检讨执行的成效。流程的核心是对具有不确定性的火灾防治管理工作决策实现“四化”，即理性化、系统化、程序化和模式化[10，11]。

实施原则和可操作性在于，是系统的、结构化和及时的，并建立在最完整现有信息的基础上；与当地的气候条件和地域特征紧密结合，着力保护森林资源和环境以及林间设施安全；运用概率分析方法，明确解决灾害发生及其演化过程中的不确定性问题；作为决策的关键环节，是所有管理机构运作过程中不可或缺的有机组成；产生的措施和方案是为特定事件或地域量身定做的，能够与之后的风险管理工作无缝对接[10，11]。

以遥感为核心的近地观测技术提供了可利用的数据和分析手段，使得针对特定地域开展细致的框架性分析成为现实[16-18]。现下积累的对火灾现象的认识和开发出的各类火行为预测模型，再加上区域气候预测模型，可用于评估特定地区乃至具体景观林地未来可能的火灾风险，包括潜在火灾类型、火焰高度和燃烧强度以及森林烧损破坏程度等[9，11，19]。通过推演和分析各种预防措施对潜在火灾的影响，以落实与特定林区相适应的火源和可燃物管理办法。这些措施包括确定重点火源监控和管理区域，还可以通过局部森林结构的改造，以降低规模化灾害的危险性和资源的脆弱性。计划烧除、清除局部林下易燃物、营建遮阴型和常规生物防火林带或实施放牧等均为较佳备选解决方案[13，19-21]。

Stonesifer 等人开展一项广泛的专家意见调查，评估各类型队伍存在的必要性和稀缺性[22]。近些年的调查结果表明，20 名经验丰富人员组成的战斗分队是进行直接和间接攻击的最重要资源。这些人员的重要性一方面源于高水平培训出的技能和参与火灾扑救工作积累的经验。这与数年前在浙江部分地区调研时获得的结果完全一致。先进的伐木机械和领航机被认为是不可替代的，提供经常性的和必要的服务。调查结果确认消防车对直接控火很有效，而推土机对间接扑救工作很重要。专家意见的广泛适用性为理解用于管理林火的许多资源的相对有效性奠定了基础，凸显出火灾管理投资的优先考虑事项[22]。

在火灾发生频度较高地区配备必要的应急响应（扑救）力量，对于实现火灾早期控制，贯彻“打早、打小、打了”的扑救方针至关重要。已有研究表明[23]，第一时间可以利用的扑救资源对于有效压制特定规模火灾具有极其重要的影响。发生在美国西部大量火灾案例证实[2]，如果没有在潜在大规模火灾地域储备足够的消防资源，结果很可能是额外的财政开支以及因调配和输运扑救力量造成应急响应的延误。保证将恰当种类和数量的灭火资源配给至潜在大型灾害发生地域，是各级森林防火管理机构面临的一项重大任务。毫无疑问，风险辨析和评估以及相应的管理会为此带来有效解决方案。

经过风险知情决策过程，可以开发、储备一套切合实际、较有把握的应对措施和应急预案，落实适当的扑救资源，尽可能减少当地居民和扑救队员不必要的暴露，实现有效减少损失和避免不必要伤亡的目标。美国多个州长期应急响应实践证实[2]，扑救队伍接近野外地形复杂的火场、实施战术机动以及遭遇极端火灾行为是造成应急响应人员伤亡的重要原因。美国林业界目前推行风险管理方针，要求管理人员积极计划未来火灾的应对措施，尽量减少扑救队员接触不必要危险的机会。

针对特定事件的风险评估，不仅涉及具体火灾控制业务，还涉及与此相关联的火情实时监测、队伍和装备的动态调配以及相关的后勤保障工作。依据获得的林火数据信息，综合考虑扑救队伍的安全系数和潜在的资源损失情况，制定风险管理主导的扑救战术。景观至县（市）一级的整体野外火管理和实施计划应基于评估获得的野外火风险情景以及当地的社会经济参数，在特定地域范围内广泛统筹火灾监测、火源管理、局部可燃物处理以及灭火力量的设置和布局[9，11]。以往的经验证明，所有这些对于贯彻有效的预防战略和措施极为有利；与直接火灾扑救和阻隔火灾相比，防火不仅更可取，而且也是管理森林火灾一种具有成本效益的方法。

地区至省（区、市）一级林火风险评估信息有助于消防力量的优化配置和对关键基础设施的保护。评价备选政策设想方案对区域确定的优先事项的影响风险以识别高风险优先领域，并通过进一步分析减少潜在的不必要投资。国家层面风险管理工作，在于督促不同地区的风险评估使用一致的流程和数据，并通过汇总和分析形成国家规模的风险评估结果。以统一的方式向社会通报行业的风险分布情况，相应制定和协调有效的区域预防和应对机制[9，11，15]。将风险管理纳入行业预防、监测、扑救和善后处置工作中，包括全国性资源调配以及协调重大灾害的处置等；同时，将风险管理的内容渗透进具体行业规范以及科技发展和未来技术储备规划中。图1直观展示几个层面所涉风险评估和管理的主要内容及其内在联系。

图1 不同层面风险评估工作的主要内容和相互间联系

作为信息时代的产物，处方式措施旨在确保管理工作的规划，包括队伍建设和装备建设、日常灾害预防及应急响应工作，对潜在灾害影响产生效益的最大化，充分实现资源利用和调配的最优化。正如图2 所展示的，全面贯彻风险管理的主要优势和突出效果体现在，可以在重点防火时间以外，开展相关调研，面向高质量产出开展决策前的评估和规划；作为上游计划，为时间压力很大的应急响应工作赢得先机和决策空间，从而增加实现目标的可能性；通过主动识别和消除风险，改进治理办法，为决策和规划的有效性提供保障；确保人力和社会资源分配、调度和使用的有效性，提高防灭火工作效能、效率和安全性[11，24]。改进各级机构日常损失预防和事故管理措施，确保职工健康和安全，并密切关注各项工作对环境和生态的潜在影响，以最大限度地减少损失并收获环境和生态方面的效益。全面促进特定组织机构乃至整个行业的学习能力，健全管理系统的恢复功能。与此同时，通过准确把握与未来潜在灾害相关的各项风险参数，提升各级政府和社区预防灾害和战胜灾害的信心[11]。

图2 处方式管理工作的效果示意

3 量化决策方法的支持软件和发展前景

作为一种自然灾害，森林火灾的复杂性在于其发生在辽阔的野外平原、丘陵和山地，并明显受气候条件制约；发生的概率覆盖整个防火期，单一事件的时间跨度可以在数小时至数十天内变化；发生后的行为及其对资源和环境的影响与当时的气候变化以及应急响应力量的介入密切相关。基于林火的高度不确定性，美国林业科技工作者经过长期而艰苦的努力和积累，将以潜在林火行为和产生的影响为核心的风险评估工作由概念转变成可操作。当然，亦源于目前较先进的地理空间分析、遥感生物质量数据库加上天气和气候预测以及互联网技术的最新进展，使得与评估相关的海量信息的即时获取、匹配、集成、分析、调用以及共享成为现实。

作为外围基础数据和信息资料库，ArcFuels是基于ArcMap GIS 软件设立的可燃物管理规划和林火风险评估工具栏，它开辟了一个大尺度界面作为平台以开展各种森林植被生长和火灾行为模拟[15]。作为一个数据库，ArcFuels还可直接用于针对特定林地的火灾行为建模和空间分析。LandFire 为地理空间产品和数据库，主要记录美国本土和岛屿地区的森林和荒地可燃物分布及火灾历史情况[25]。该系统支持跨国规划以及自然资源和防火管理。以一种全面和统一的方法纳入植被分布和历史林火信息，LandFire 可直接用于火灾处置战略和自然资源管理规划及分析。

BehavePlus 软件用以预测潜在和正在发生的森林火灾行为，基本覆盖地表火、典型树冠火及飞火现象。基于Behave程序开发，于2002年完成的基础版本，代表美国林业界半个多世纪辛勤劳动的最新成就[26]。Farsite 作为一个平行软件可以确定地形、植被和天气等不同条件下长时间尺度的森林火灾发生和行为[27]。与BehavePlus程序一样，Farsite 是一个确定性的计算软件，可以直接输出不同条件下潜在的火灾行为，如火蔓延速率、火焰长度以及树冠火发展状况。该系统还可以用来模拟空中和地面压制行动的效果，并以类似火灾模拟游戏的形式提问并比对结果[27]。

目前针对火灾风险评估的不确定性主要考虑天气变化情况、起火位置以及火灾发生后被遏制的概率[14]。与林火行为相关的地形条件和可燃物分布状态在这些随机模拟系统中被看成是不变的。与火灾天气有关的可变输入参数包括风速和风向以及可燃物水分含量。与林火发生有关的输入变量包括频度（单位时间发生次数）、可能时间段（与季节干燥度有关）以及可能的火灾起始位置。作为对一种偶发性火灾现象的数值模拟，随机模拟是在模拟输入中引入不确定性，并将输入的不确定性和可变性有机融入仿真中，通过数千次迭代归纳出一个统计分布结果[14，28]。现有的随机林火模拟系统包括FSPro、FSim和FlamMap。其在林火发生和潜在火行为以及产生影响的概率计算软件构架中的位置见图3。

图3 林火发生概率分布、潜在火行为以及产生影响的计算软件构架

三个随机模拟系统以大致相同的方式估算景观中具体位置（像素单元）的烧损概率（BP）。首先，系统进行数千次迭代；每次迭代包含林火发生和/或火灾天气的随机元素，以产生对应的结果；结果可以表示为最终的火灾周边长（或一组周边长）。然后，在整个景观中每个像素单元上计算林火周边上的重叠次数。该计数除以总迭代次数，即为像素单元的烧损概率[14，28]。相应地，计算出时空区域出现特定火焰长度等行为概率的分布。三个随机模拟系统在功能上区别为：FSPro模拟特定持续时间内多种天气场景的单一火灾事故，FSim模拟大型景观地域整个防火期多种天气场景的多火灾事件，而FlamMap 则模拟极端天气场景中出现许多火灾起始点的林火发展情况[14，28]。

在GIS 平台上将野外火随机模拟系统与Rav⁃ar资源影响模块叠加构建出野外火决策支持系统（WFDSS）[9]。Ravar 通常与FSPro 系统集成，以确定不同资源受到持续事件影响的可能性。发展始于2004年，WFDSS将空间火灾威胁与实时风险值关联起来，代表着森林火灾管理决策支持系统的革命性进展。WFDSS 主要用于确定大型持续火灾事件产生特定火行为概率的时空分布以及所威胁的主要资源、财富分布[9]。作为美国林业界广泛使用的工具，WFDSS 每年至少协助数百起重要火灾事件的管理工作。通过权衡各种风险、火灾动态蔓延的危险性以及易受损失自然资源分布情况，消防指挥人员可以在最有效减少损失的地方部署扑救力量。基于网络的火灾建模工具与潜在的经济效益评估相结合，实现在联邦森林火灾管理各个层次上信息的实时共享。通过实施更好的风险知情管理，不但可以带来巨大的经济效益，降低当前火灾管理的直接成本，还可以通过增加特定林区的可燃物防火分区和阻隔系统的设置，降低未来的管理成本[9]。

面对火灾控制过程中潜在危险性、不断上升的扑救成本、对未来气候变化推动火灾活动增加的预期和居民区向林地渗透等因素，美国林火管理部门着手实施“国家协调一致的野外火灾管理战略”。该战略阐明了国家应对野外火灾的集体愿景，将风险作为确定优先事项和指导决策的一种组织理念，全面执行安全和有效的林火应对措施[9]。美国现行的风险管理方针尤其要求管理人员积极计划未来火灾的应对措施，最大限度地确保应急队伍参与火灾扑救工作的安全性[2]。

可信建模能力和火行为预测准确性有待进一步提高[2，9]。与此同时，可以利用动态监测和相关分析的数据纠正林火行为预测预报存在的偏差[16-18]。多种平行监测技术获得的多方位监测资料可以通过互联网技术实时共享，通过在GIS 森林资源信息平台上集成、匹配和分析，实现森林火灾的动态发展及其对资源产生影响的实时跟踪和量化评估，相应为验证动态风险评估和及时修正现场扑救工作中的高风险事件并实现扑救成本的可控性提供可靠保障。

2016年在俄勒冈州普特兰召开的特别会议上，多位专家呼吁更多地利用经济理论和观点推动全面的风险分析工作[2]。基于未来风险评估的量化管理需要，需在不同层面落实所涉工作内容的风险评估算法和侧重点，并对各项投入和产生的效益进行量化标定[12]。通过量化针对特定地域潜在火灾种类、强度和配备扑救力量的效能，进一步为不同地域潜在火场的扑救措施、实施方案及管理目标的确立奠定基础。基于特定地域的自然资源分布、生活人群、保护设施的重要程度以及管理工作的成本效益原则，考虑设定3 类不同管理目标，即绝对不能出现火灾、不能出现局部火蔓延、不能出现大规模（重大）火灾。据此可以依据锁定的管理目标分级别开展管理。

鉴于未来环境和生态保护的压力、高昂的扑救开销、扑救人员在地形复杂地区实施机动并遭受极端火灾行为所带来的风险，有必要细致辨析风险源头，及时寻求主动性策略以消除潜在的各类风险。面对火灾的危害，通过填补各项工作的脆弱性短板，有效消减因火灾发生对资源、环境和生态造成的负面影响。最终管理工作目标是，高效利用各级森林防火管理力量和聚集的社会资源，全面贯彻预防为主的战略方针，最大限度地确保潜在林火波及的自然资源、林区各项设施以及当地居民生命和财产安全。

4 结论

以风险评估为依据的量化管理办法是信息时代的产物。处方式措施旨在确保管理工作（包括队伍和装备建设、日常灾害预防和应急响应以及善后工作）的效率和效益最大化，实现有限资源分配、调度和利用的最优化。通过在各个层面实施风险知情管理，不但可以带来巨大的经济效益，降低当前火灾管理的直接成本，还可以通过持续的可燃物防火分区和阻隔系统的设置，降低未来的管理成本。通过改进各级机构日常损失预防和事故管理措施，保障职工健康和安全，并最大限度收获环境和生态方面的效益。

量化风险评估为基础的管理模式是技术化灾害管理工作的必由之路。即时地近地观测资料相应为验证动态风险评估和及时纠正现场扑救工作中的高风险事件并实现扑救成本的可控性提供可靠保障。利用经济理论和观点开展对诸项投入和效益的量化计算，有利于进一步推动全面的风险分析。开展细致的风险辨析和评估，及时寻求主动性策略以消除潜在危害，并通过一系列措施弥补包括火灾场景在内暴露载体的脆弱性短板，达到事半功倍的效果。高效利用各级森林防火管理力量和聚集的社会资源，全面贯彻预防为主的战略方针，实现资源、环境和生态安全的最终目标。