基于聚类分析法的我国森林火险等级区划研究

赵鹏武，武峻毅，张恒

(内蒙古农业大学林学院，呼和浩特 010019)

森林火灾突发性强，破坏性大，对森林资源和林区人民生命财产安全造成极大威胁。由温室效应加剧导致的可燃物含水率降低与林火蔓延速度加快是我国森林火灾频繁发生的原因之一。森林火灾给我国生态环境、经济发展带来了巨大的负担。如我国1987年大兴安岭火灾，火场面积达100万hm2，焚毁木材85万m3，当地经过20年不断经营和保护，动植物才得以恢复。森林火灾已对我国社会经济和生态安全造成严重威胁，因此研究我国森林火险等级区划很有必要[1-2]。

森林火险等级区划是对可燃物类型、火环境和火源等因子的综合区划，使预防森林火灾措施建设和森林防火管理有的放矢[3]。20世纪80年代，国家火灾危险等级系统(NFDRS)在美国投入使用，是世界上最完善、应用最广泛的系统之一，为美国野火控制和灭火提供指南[4]。Jaiswal等[5]利用卫星数据和GIS对印度中央邦的Gorna Subwatershed地区进行森林火险区划，提高了当地的防火能力。我国火险区划研究相对较晚，孙立研等[6]以深度信念网络为模型，将气象因子作为输入模型，对森林火灾进行了预测，并且预测结果较传统预测模型的结果更加精准。李童瑶等[7]利用聚类分析法对福建省建立火险区划，分析了该省的森林火灾发生因素。苏立娟等[8]利用PCA、聚类分析和风险分析对全国森林火灾的时空分布特征和风险状况进行研究，提高了我国综合森林防火能力。张恒等[9-10]利用小波分析法对我国草原火灾进行了预测，利用主成分聚类分析法分析了我国华北地区森林火灾的时空分异特征，并将华北划分为3个风险区，还讨论了群死群伤火灾在火灾形式中的作用。张冬有等[11]采用统计分析和空间分析法分析了黑龙江省森林火灾的发生原因和发展规律，为黑龙江的防火工作提出了建议。

由于我国森林资源分布不均，气候条件不同，植被类型丰富多样，人文环境差异明显，因而导致森林火灾风险程度不同，可见对我国进行准确的评估并划分森林火险等级尤为重要。笔者以2003—2018年我国森林火灾数据为研究对象，对全国森林火灾的时空分布和动态变化进行研究，旨在为我国森林火灾预测预报和研究管理工作提供参考。

1 材料与方法

1.1 数据来源

本研究所有数据来源于2004—2019年《中国统计年鉴》，其中包括森林火灾(一般、较大、重大和特大森林火灾)起数、火场面积、受害森林面积、伤亡人数和经济损失5项火灾统计指标。1988年版本实施的《森林防火条例》中：森林火警是指受害森林面积不足1 hm2，或者其他林地起火的；一般森林火灾是指受害森林面积在1 hm2以上不足100 hm2的；2009年新修订的《森林防火条例》对火灾级别重新进行了界定：一般森林火灾是指受害森林面积在1 hm2以下或者其他林地起火的，或者死亡1人以上3人以下的，或者重伤1人以上10人以下的；较大森林火灾是指受害森林面积在1 hm2以上100 hm2以下的，或者死亡3人以上10人以下的，或者重伤10人以上50人以下的；为了统计分析的方便，2009年之前的“森林火警”和“一般森林火灾”指标按修订后用法分别称为“一般森林火灾”和“较大森林火灾”[8]。

1.2 研究方法

1.2.1 聚类分析法

聚类分析法(cluster analysis)是一种建立分类的多元统计分析方法，它能够将一批样本(或变量)数据根据其诸多特征，按照性质上的亲疏程度在没有先验知识的情况下进行自动分类，产生多个分类结果[7]。

本研究采用系统聚类法，它是先将所有样本各自看成一类并规定样本与样本之间的距离和类与类之间的距离[12]。

由于各个火灾指标量纲不同，数值大小差异较大，所以研究中先将数据进行标准化处理，再采用欧拉距离来计算类与类之间的距离，从而分类。

(1)

(2)

式中：EUCLID(x,y)为样本之间的距离；k为指标个数；i为指标次序；x、y为样本；xi为个体x的第i个变量的变量值；yi为个体y的第i个变量的变量值。

1.2.2 数据分析与处理

研究中用Excel 2010软件将我国30个省市区的森林火灾(一般、较大、重大和特大森林火灾)起数、火场面积、受害森林面积、伤亡人数和经济损失进行处理统计，然后再分析其时空特征。用SPSS 23.0软件进行聚类分析，使用系统聚类法聚类得出谱系图、聚合系数和分类数。将聚合系数和分类数利用Origin 2017制作出关系曲线图。

2 结果与分析

2.1 全国森林火灾时空分布特征

2.1.1 时间分布特征

2003—2018年我国森林火灾数据统计结果见表1。整体来看，森林火灾起数随时间略有起伏，但总体呈下降趋势。2003—2018年我国共发生森林火灾111 433起，年均6 964.6起，年均过火面积可达205 592.44 hm2，年均伤亡人数98人。有研究表明[13]，森林火灾伤亡人数高与气候干旱有极大的关系，在干旱条件下，发生森林火灾的概率增加，且火势凶猛，扑救难度大，而旱灾在我国频繁发生，造成消防官兵以及当地民众伤亡率较高。美国对森林防火认识更早，政策和技术更加先进，2003—2012年，美国共发生770 994起森林火灾，仅造成129人死亡，对比于同一时期的我国，春季发生的火灾就造成511人死亡[14]。由此看出我国森林火灾发生比较频繁，且造成损失很大。2008年发生的森林火灾起数最多，2016年发生的森林火灾起数最低，并在此期间森林火灾发生起数在2003—2008年普遍较高，而后呈下降趋势，尤其在2015—2016年下降显著。森林火灾发生起数可以反映一个地区或国家森林火灾发生的频繁程度，上述变化表明我国林火管理水平在提高，森林火灾发生率在降低。至2010年前，我国重大、特大森林火灾发生频繁，导致过火面积和受害林面积不断增加。近十几年我国森林火灾主要是一般火灾和较大火灾，重大和特大森林火灾很少发生。2007年、2008年、2011年、2012年、2013年、2015年和2016年这7个年份全年无特大火灾，使过火面积和受害林面积得到有效控制。

表1 2003—2018年我国森林火灾发生情况统计Table 1 Data of forest fires in China from 2003 to 2018

森林火灾火场总面积和受灾林面积在2003年均达到最大值，之后下降显著，在2007年达到极小值之后又有所上升，在2009年达到极大值，2010年之后一直呈递减趋势。过火面积和受害林面积总体呈下降趋势，这与重大和特大森林火灾起数的下降有较大相关性，但是诱发森林火灾的原因复杂，还要考虑起火地点、森林燃烧类型、蔓延时间和扑救措施等相关因素。伤亡人数在2004年达到最高，直到2010年后才开始减少，呈现的规律性和重大、特大森林火灾起数规律相似。而导致经济损失变化原因则更加复杂，没有显示出规律性，只与火灾起数有一定相关性，这可能是本研究收集到的数据并不完善，或者涉及森林保险和赔偿等问题。

2.1.2 空间分布特征

2003—2018年全国森林火灾空间分布统计结果见表2。可知，湖南省森林火灾起数和伤亡人数均为全国第一，并且这两组数据显著高于我国其他省市自治区。黑龙江省森林火灾起数不多，但森林火灾火场总面积和受害林面积分别为1 712 291.69和724 807.33 hm2，比其他省市自治区高出一个量级。原因是黑龙江省特大森林火灾发生起数最多，而特大森林火灾危险性大，扑救难度大，所以造成受害林面积和过火面积广。内蒙古自治区与黑龙江省有相似特点，该自治区也易发生重大和特大森林火灾，过火面积和受害林面积很大。此外，浙江、福建、江西、河南和湖北省的森林火灾总起数高于全国平均起数，火场面积和经济损失较大，火灾危险性较高。广西、四川、贵州和云南为西南地区森林火灾频发省市自治区，原因可能是气候变暖造成干旱，造成火灾起数突增，火灾损失增加[15]。北京、天津、河北、山西、辽宁、吉林、江苏、安徽、广东、海南、重庆、西藏、陕西、甘肃、青海、宁夏、新疆各项森林火灾数据相对较低。

我国森林火灾的空间分布，显示出森林火灾主要分布在东北和南方一些地区，其他地区与之相比森林火灾起数发生较少。

表2 2003—2018年我国森林火灾空间分布Table 2 Spatial distribution of forest fires in China from 2003 to 2018

2.2 我国森林火险区划建立

由于各个火灾指标的量纲不同，数据大小差异较大。将数据标准化处理后得到Z分数，然后将Z分数利用SPSS 23.0软件进行分析求解。

计算后得到2003—2018年全国30个省市自治区(除港澳台地区和上海市)8项火灾指标(一般起数、较大起数、重大起数、特大森林起数、火场面积、受害森林面积、伤亡人数和经济损失)利用Z分数标准化处理的聚类数据。过程使用SPSS 23.0软件进行系统聚类。聚类系数随分类数变化曲线如图1。由图1可以看出，分类数为10时，曲线变化平缓，能满足聚类的要求[16]；因此，将2003—2018年数据变量分为10等，聚类结果见图2。按照10类划分方法，在树状图约2的位置向下切割，切割线每相交一条树桩线即分为一类。最终分类结果见表3。

图1 聚合系数随分类数变化曲线Fig. 1 Cluster coefficient curve with the change of number of classifications

图2 聚类分析树谱系图Fig. 2 Cluster analysis dendrogram

表3 全国森林火灾形式分级Table 3 National forest fire classification

森林火灾发生可能性依据森林火险区划的划分。从聚类结果来看，内蒙古、黑龙江、浙江、福建、江西、湖南、广西、四川、贵州和云南级别高于我国其他地区，说明这些省市自治区与其他相比森林火灾频发，且火灾造成的灾害对环境影响也高于其他地区。由聚类结果可知，黑龙江省的火险等级最高，达12级。黑龙江省受森林火灾危害最严重，其社会环境的复杂性和森林防火管理体制的不健全是发生森林火灾的两大重要原因[17]。由于黑龙江省是整个东北乃至华北地区的生态屏障，故对黑龙江林区的森林火灾进行科学指导及预防扑救工作十分迫切[11]。

浙江、福建、江西、湖南、广西、四川、贵州和云南森林火灾发生起数皆居高不下，火灾危险性总体较高。2003—2018年湖南省森林火灾发生起数居全国第一，火险等级仅次于黑龙江省，达11级，火灾级别多为一般和较大火灾，多由人为因素造成[18]故伤亡人数及经济损失巨大。浙江、福建、江西、四川、广西、贵州和云南易发生重大和特大森林火灾，火险等级都在5级以上，受灾程度比低火险地区大。

将16年森林火灾数据进行系统聚类分析，得到16种聚类结果。这16种聚类结果中，最多将数据变量分为12等，所以可用12种等级反映受灾强度。这16种聚类结果反映在全国地图上，揭示我国森林火灾的时间和空间分布的年变化。

从2003—2018年火险区划时空分布图来看，16年间我国森林火险等级下降不明显，最低等级只由7级降到5级，说明我国森林火灾危险性并未降低，火灾形式依旧严峻。并且森林火险等级随时间呈现不稳定波动，说明我国受森林火灾影响严重。其中2008年我国火险等级最高，全国火险等级在8级以上，这是因为2008年我国共发生14 144 起森林火灾，是2003—2018年森林火灾发生最多的一年。聚类结果显示黑龙江省火险等级从12级变为到了9级，说明黑龙江省森林火灾防治能力得到相应改善，近些年森林火灾起数减少，受灾严重程度降低。此外，内蒙古的火险等级不仅居高不下还有上升趋势，且聚类结果浮动明显，说明该自治区易发生森林火灾，并且火灾发生时火势凶猛。天津、北京和重庆等经济发达地区火险等级一直为全国最低，环境受火灾影响最小。我国南方如福建、江西、湖南、四川、贵州、云南和西藏等省市自治区随时间变化呈现出一定的规律性[19]。就2009—2016年来说，火险等级上下浮动，这可能是由于气候变暖，造成区域性干旱，影响了当地的火险因子。

3 讨 论

从上述对我国森林火灾的分析来看，森林火险等级的差异性主要表现为内蒙古、黑龙江和南方一些省市自治区与其他省市区的差异。以下主要对部分高火险地区进行讨论：根据我国2003—2018年森林火灾形势级别空间分布可知，内蒙古的聚类结果浮动不稳定，主要是因为内蒙古近些年火险等级较高，并且森林火灾发生数量持续上升。并通过统计分析发现，近些年内蒙古森林火灾起数和火场面积呈负相关，这可能由于我国气候变暖，大部分地区呈减湿趋势造成干旱，使可燃物含水率下降，导致植被易燃，林火发生概率增大[20-21]，气候变暖也导致平均风速下降，所以大面积森林火灾不易发生，这也是我国大部分地区森林火灾发生的背景。此外，黑龙江省聚类结果随年际变化很大，是东北地区乃至我国受森林火灾影响最严重的省份。导致此结果的很大一部分原因是我国的防火政策对东北林区的反作用，使得可燃物载量增大、火强度和火灾类型发生了改变[22]。

我国南方一些省市自治区森林火灾受灾程度也较大，例如福建、湖南、贵州、四川、广西和云南省在2013—2018年间聚类结果均出现不稳定变化，受灾程度均在5级以上，最高达12级。浙江、湖南、贵州和云南等省份伤亡人数高于其他省市自治区，这与森林火灾起数有直接联系，其次气候与地形对扑火不利也会造成人员伤亡。我国西南东南地区常遭遇干旱，且复杂的山川地形易造成爆燃，再加上我国专业化森林消防队伍建设和森林消防技术装备落后，导致扑火难度大，扑火队员伤亡率高，也有多项研究结果证明了这一观点[13-14]，这也是2009—2010年南方一些省市自治区聚类结果浮动较大的主要原因之一。其中，湖南、贵州和福建省的林火发生特点比较有代表性。湖南省林火发生规律说明林区管理以及当地防火能力也直接影响着聚类结果[23]。湖南省森林火灾受灾严重程度呈集中趋势，有些森林资源分布多的地区却不容易发生火灾，这与当地的防火能力密不可分。福建省森林病害对林业的影响大于森林火灾[24]，森林火灾的频繁发生也可能是因为难燃树种受病害的影响后变得易燃或丧失了防火能力。而贵州省由人为因素造成的森林火灾占所有因素造成火灾的80%左右，所以加大对贵州省防火宣传教育是十分重要和迫切的。

整体来说，我国森林火灾比较严重。我国生态系统还比较脆弱，人类频繁活动和气候影响是造成灾害的主要原因。我国幅员辽阔，气候、森林类型、地形、人文环境复杂多样，一种统计分析方法很难适用于所有地区。而本研究利用聚类分析法分析了近年来我国森林火灾数据，探究了我国森林火灾的时空变化规律，明确指出了我国林火影响严重的地区。但由于森林火灾发生原因复杂，今后的相关工作可以从人文环境和气候变化入手，以提高森林火灾预测预报的精准度。

4 结 论

本研究依据8项火灾指标进行分析，研究我国森林火灾的动态变化。结果表明，我国森林火灾发生总起数随时间变化呈下降趋势，具有明显的空间差异性。我国内蒙古、黑龙江和湖南等10个省市区火险等级高于其他地区。其中，湖南省森林火灾起数和伤亡人数最多，黑龙江省火场面积和受害林面积最多，是其他省市自治区的10倍或百倍。通过聚类分析按受灾强度可将我国各省市自治区划分为10类，第1类地区受灾最轻，第10类地区受灾最严重。北京、天津等省市自治区为第1类，河南和湖北为第2类，江西、云南和广西为第3类，浙江省为第4类，贵州省为第5类，福建省为第6类，四川省为第7类，内蒙古为第8类，湖南省为第9类，黑龙江省为第10类。

本研究认为火险区划是制定森林防火政策和森林保险行业发展的基础，细致的等级划分可以更加积极地推动森林生态和森林经济提高的发展，也能更有效地为森林预测预警工作提供数据支持，更大程度地减少受灾损失。