基于ArcGIS的电网林火蔓延可视化研究

2021-07-22黄然马仪周仿荣文刚金晶黄双得

云南电力技术 2021年3期

黄然，马仪，周仿荣，文刚，金晶，黄双得

（1. 云南电网有限责任公司电力科学研究院，昆明 650217；2. 云南电网有限责任公司带电作业分公司，昆明 650051；3. 云南电网有限责任公司昆明供电局，昆明 650051）

0 前言

森林火灾（以下简称林火）以其突发性强、涉及面广、破坏性大以及扑救困难等特点被联合国列为八大自然灾害之一。其不仅容易毁灭大量森林资源，严重破坏生态系统，更是严重威胁国家和人民生命财产。因此，有效地预防和预测林火的发生和发展已成为目前世界各国普遍关注的问题。

林火是一个十分复杂的过程，影响其蔓延的自然因素有很多，比如地形（坡度和坡向）、植被（可燃物类型）和气象（风向、风速、温度和湿度）等，因此，为了更好地描述林火行为，通常通过建立数据模型来模拟林火蔓延过程，即导出林火行为与各种自然因素之间的定量关系式。目前林火蔓延的数学模型众多，代表性的有美国的Rothermel模型、加拿大的国家林火蔓延模型、澳大利亚的McArthur模型、中国的王正非模型以及在这些模型基础上的修正模型[1]。但是，林火蔓延的数学模型是静态的，其无法反映林火蔓延的动态变化过程。随着地理信息技术和遥感技术的不断发展，在选择合适的林火蔓延数学模型的基础上，结合当前先进的GIS技术手段和研究方法，利用计算机实时模拟林火蔓延的动态过程已成为必然趋势。

本文主要针对云南电网范围内架空输电线路以及电网设备可能遭受的林火问题，开展林火蔓延研究，运用Rothermel模型和惠更斯原理相结合的方法对林火蔓延进行实时模拟，并利用ArcGIS实现蔓延过程的可视化。

1 林火蔓延模型

1.1 Rothermel模型

Rothermel模型是以燃烧物理学为理论基础，以林火实验为依据的半理论、半经验的林火蔓延数学模型[2]。其抽象程度较高，几乎涵盖了能影响燃烧的所有因素。根据云南省地理位置、气候环境和地形地貌等多方面因素分析，本文采用Rothermel模型。

Rothermel模型依据能量守恒定律，认为在无风且平地的条件下林火蔓延速度为[3]：

式中，R为林火蔓延速度，单位为m/min；IR为火焰区反应强度，单位为 (kJ2⁄m)·min；ζ为林火蔓延率，无因次；ρb为可燃物床层密度，单位为kg/m3；ε为有效热系数，无因次；Qig为预燃热，即点燃单位质量的可燃物所需的热量，单位为 kj⁄kg。

在实际火场中，由于受到风力和坡度的综合作用，林火蔓延速度会急剧增加。因此，Rothermel模型认为在有风和坡度情形下引起林火蔓延速度的变化，可以分别用风速修正系数φw和坡度修正系数φs来衡量，林火蔓延速度为：

其中，φw和φs均是由实验数据拟合出的经验公式：

式中，β为可燃物紧密度，无因次；βOP为可燃物最优紧密度，无因次；φ为坡度；B、C和E均为系数。如图1所示，风向和坡度的矢量叠加方向为火头方向，其蔓延速度最快，火尾是与火头相反方向，其蔓延速度最慢，火翼是与火头垂直的蔓延部分，蔓延速度介于火头与火尾之间。

图1 风向和坡度矢量叠加示意图

1.2 惠更斯原理

惠更斯原理是Anderson椭圆模型的延伸，其将林火蔓延区域看成是一个随时间变化的连续扩展的多边形表示[4]。如图2所示，其为基于惠更斯原理的两个时间步长的蔓延结果，其中内层多边形为起火点在第一个时间步长内蔓延的范围，即初始火场的形状，由于时间步长较短，一般为椭圆形，起火点为椭圆的一个焦点，长轴方向代表火头方向，其为风向和坡度的矢量叠加方向。选取该椭圆上的若干点作为下一个时间步长的控制点，以其为新起点得到第二个时间步长内扩展的小椭圆，并将小椭圆的外包多边形作为第二个时间步长内蔓延的范围[5]。

图2 基于惠更斯原理的蔓延结果示意图

假设椭圆长轴与短轴的比为LB，焦点到火头距离与焦点到火尾距离之比为HB，根据基本方程式结合实验数据计算出LB和HB为[4]：

由以上两个公式可以求出椭圆长轴a、b和焦距c，单位均为m/min：

1.3 林火蔓延模拟流程

本文采用Rothermel模型和惠更斯原理相结合的方法对林火蔓延进行实时模拟，其模拟的基本流程如图3所示，核心部分为基于惠更斯原理的蔓延过程。

图3 林火蔓延模拟流程图

2 林火蔓延可视化

本文选择Visual C#编程语言和GIS二次开发组件库ArcGIS Engine实现林火蔓延模拟的可视化[6-7]。可视化系统主界面如图4所示。

图4 林火蔓延可视化系统主界面

2.1 参数输入

需要输入的参数包括地形数据、气象数据、可燃物数据和操作数据四类。其中，地形数据为静态数据，包括栅格点的坡度、坡向、海拔和植被等，可以通过模拟地区的数字高程模型（DEM）抽取得到，并存储在栅格图层上。气象数据为动态数据，包括风向和风速等；可燃物数据是结合模拟地区实际情况输入的Rothermel模型参数数据，包括可燃物载量、可燃物热含量、烘干颗粒密度和表面积体积比等。操作数据包括模拟时间步长、模拟总时长以及起火点的经纬度。

2.2 模拟结果

本文以2019年5月20日云南省大理州祥云县清华洞林场烟塘林区火灾位置（北纬25°33' 5''和东经 100°35' 1''）为初始起火点，设置其地形数据、气象数据、可燃物数据和操作数据作为林火蔓延模拟输入参数，其中地形数据为30m空间分辨率的云南省DEM，气象数据为火灾发生时段的当地气象信息，可燃物数据为森林资源二类调查数据[8-11]，操作数据为时间步长10分钟，总时长180分钟，可得到180分钟的林火蔓延处理结果，如图5所示。

图5 180分钟火灾蔓延模拟结果图（2019年5月20日大理祥云火灾）

同时，现场数据采集得到三个过火点信息，分别为60分钟（北纬25°33' 24''和东经100°36' 0''）、120分钟（北纬 25°33' 24''和东经100° 36' 32''）和 180 分钟（北纬 25°33' 53'' 和东经100°37' 1''）的过火点经纬度，经系统运行计算可得蔓延到此三个过火点的时间分别为71分钟、103分钟和150分钟，与实际采集时间相比，偏差率分别为18.3%、14.2%和16.7%。