草原火灾风险评估研究综述*

红 梅，都瓦拉，玉 山

(1.内蒙古师范大学地理科学学院/内蒙古自治区遥感与地理信息系统重点实验室，呼和浩特 010022；2.中国农业科学院草原研究所，内蒙古 呼和浩特 010010)

草原是一种广泛分布的植被类型，占世界陆地面积的26%，其中有80%是用于农业用途，是陆地生态系统重要的自然资源之一[1]。在地球上，南半球的草原面积比北半球的小，草原分布也比较零散,分布面积最大的是澳大利亚(世界上草原面积最大的国家)，还有南美洲的潘帕斯草原和非洲的热带稀疏草原；北半球的草原是由欧亚大陆草原和北美草原组成的[2]。火是草原生态系统的重要干扰因素之一，人们利用火来改善动物栖息地、减少害虫和外来物种的入侵，这有助于植被的再生从而达到管理草原的目的[3]。但是,火一旦失去人为控制形成草原火灾，将会给草原带来无法估计的危害，而且草原火灾作为一种突发性的自然灾害，它对植被、生物多样性、财产以及生命有直接影响,还对碳排放和人类的健康有着间接影响[4]。草原火灾一旦发生波及范围广、救援工作实施困难，不及时控制就会引起次生事件造成间接损失，比如很容易引发森林火灾[5]。草原火灾发生的原因及其复杂，涉及到各种自然因素、社会环境以及边境火的蔓延等，我国每年春秋季节因干旱、风大以及枯枝落叶丰厚等特点导致草原火灾频繁发生，特别是与蒙古国和俄罗斯相邻的东北部地区。上个世纪的澳大利亚，草原火灾是继热浪之后的第四大灾害，而且随着草原保护项目的实施草原植被得到有效恢复，导致草原火灾变得越来越严重[6]。野火不仅对人类生存环境构成了严重的威胁，而且也会影响碳循环、辐射收支、气候平衡以及空气质量等[7]。近年来，研究者更侧重于森林火灾的研究，对草原火灾的风险与管理方面的研究很少，且越来越多的火灾区域给消防组织带来了极大的困难，因为耗时长、灭火成本高，仅加拿大每年要花费5亿美元来灭火[8]。我国对草原火灾的研究更注重的是灾后的修复，近几年才逐渐变为灾前的预防和行动。要加强对草原火灾风险及管理重要性的认识，因为减轻草原火灾比灾后的救援更重要，将救灾策略转变为降低草原火灾风险的策略对于我们国家具有重要意义。鉴于此，本文对草原火灾风险评估的定义及分析方法进行综述，对国内外草原火灾风险分析的研究进行总结，以期为我国今后草原火灾风险管理提供科学依据。

1 草原火灾风险评估研究进展

1.1 论文发表

国外对草原火的研究是作为野火的一部分。通过数据库Web of science核心合集检索1995～2020年的主题词为“Wildfire risk”和“Grassland fire risk”的论文，结果检索到论文3084篇，然后对其进行筛选后得到了关于草原火灾风险的889篇论文(表1)。近26年以来，草原火灾风险迅速发展，特别是2001年和2007年分别比2000年和2006年增长约一倍。此外，从2007年开始对草原火灾风险评估的研究迅猛发展，2020年的论文更是达到了115篇，其中国外开始逐渐把重点放在降低野火风险的研究上，特别是近几年对于降低火灾风险的研究越来越多。Damianidis[9]等基于土地利用规划降低欧洲地中海国家的野火风险研究表明，与森林、草原和灌丛相比农用林业的野火发生率更低。

表1 草原火灾风险的Web of science文献检索结果(1995～2020)

1.2 草原火灾风险国别分布

根据Citespace5.7R2对检索到的论文作者的国家进行分析，软件Citespace是对文献当中所有作者的国家进行分析后得到的(图1-a),其中美国、欧盟、澳大利亚这3个国家或国际组织对草原火灾风险方面的研究较多，分别占总体的37.75%、28.54%、10.7%，而我国仅占5.92%。通过CNKI数据库检索了1995～2020年的主题词为“草原火灾风险”、“草原火灾发生”的文献，共检索到307篇，随后对其筛选获得了关于草原火灾风险的44篇中文文献。把我国的Web of science核心合集和CNKI数据库中的论文进行对比(图1-b)发现,我国关于草原火灾风险方面的研究是从21世纪初开始的，而且以2006～2010年的研究较多，2013～2017年发表的论文相对较少，以往对火灾风险的研究则更多的是集中在森林方面。

图1 Web of science草原火灾风险研究文献的国别分布(a)及中国论文发表量(b)

2 草原火灾风险评估基本内涵

2.1 风险和风险评估

“风险”一词最早是应用在经济学领域，而它在火灾中的使用早在20世纪20年代就开始了。但是，由于研究领域不同对风险的描述还不统一，很多学者对风险的概念也各执己见。在灾害研究中，将风险定义为损失或利益的预期，包括灾害发生的概率以及潜在后果的影响[10]。风险一词遵循联合国救灾协调专员办事处(UN disaster relief office，UNDRO)的定义，是指在特定未来时期内，特定灾害对特定风险因素造成的预期损失。黄崇福[11]等人发表了一篇关于灾害风险基本定义的文章，文中把风险的定义分为可能性和概率、期望损失及概念化公式类定义，并且在此基础上提出了风险的情景定义，即风险是与某种不利事件有关的未来情景。风险评估的概念是在1998年的关于全球环境风险的年度报告中才由德国全球变化咨询委员会提出的[12]，目前风险评估主要是应用于地震、干旱、洪涝、火山爆发、滑坡以及森林火灾等方面的研究，在草原火灾中的研究较少[13]。

2.2 草原火灾风险评估

草原火灾风险，是指在失去人为控制时草原火的发生、发展对人类生命财产和草原生态系统造成损失的可能性，而不是草原火灾损失本身。草原火灾风险评估的主要步骤包括草原火灾风险识别、草原火灾风险分析以及草原火灾风险评价，其中草原火灾风险分析是最重要的一部分，是对识别的风险进行定性定量分析的过程，也为后续的评价和应对提供支持。目前，国内外对草原火灾风险评价的研究相对较少[14]，对草原火灾风险评估研究的主要有张继权、刘兴朋、都瓦拉等人。张继权、刘兴朋等人通过自然灾害风险指数法认为，草原火灾风险是由危险性、暴露性、脆弱性、防灾减灾能力4个因素综合作用的结果[15]；而都瓦拉利用作业条件危险性评价法认为，草原火灾风险是由危险性、暴露于风险环境的频繁程度、脆弱性、防灾减灾能力、风险发生的后果等5个因素作用的结果。其中：危险性指的是某一地区某一时间段内着火的可能性和强度；暴露性是指火灾发生时位于草原火灾影响范围内的承灾体，主要是人和财产的暴露；脆弱性是表示由于人和财产受到草原火灾的影响而遭受损害的程度或可能性；防灾减灾能力是指受灾区能从草原火灾中恢复的能力；暴露于风险环境的频繁程度是指某一地区内发生草原火灾的频率；风险发生的后果是指受到草原火灾威胁的人和财产。在国外，目前认为火灾风险可用估计火灾发生的概率和损害程度来表达，野火风险的主要组成部分是：(1)火灾发生的概率，着火或燃烧的概率；(2)暴露，是受到火灾影响的承灾体，是影响的一个组成部分；(3)脆弱性，是由火灾发生导致资源和资产发生不同的变化，即暴露的易感性[16]。其中，着火概率是利用历史火灾数据进行统计建模，而燃烧的概率是利用火灾蔓延来预测，计算方法有矢量形式的最短传播时间[17]和惠更斯原理[18～19]以及栅格形式的元胞自动机[20]。在这一框架的基础上，美国开发了一个比较全面的适应美国大陆的火灾风险评估框架，此风险评估框架的主要组成部分有：(1)某一特定强度下的燃烧概率估计；(2)对可能因火灾而发生价值变化的资源进行空间识别；(3)火灾对高价值资源影响的响应函数[21]。燃烧概率图是基于火灾计划分析系统生成的，并利用火焰长度来度量燃烧强度，利用最短传播时间方法生成了燃烧概率和强度分布图。而在第二组成部分提到的高价值资源也可称为资源和资产，比如住宅结构、易受火灾影响的物种、基础设施等数据层。根据这些组成部分以及2005年Finney[22]提出的公式获得公式E (NVCj)= ∑iP(fi)RFj(fi) ，式中E(NVCj)为资源j的预期净值变化，P(fi) 是强度等级为i的火灾概率，RFj(fi) 是资源j的“响应函数”，是火灾强度等级i的函数。

3 草原火灾风险分析

草原火灾风险分析是草原火灾风险管理、草原火灾风险区划和损失评估的前提和基础。本文将草原火灾风险分析主要分为定性风险分析、半定量风险分析和定量风险分析。

3.1 定性风险分析

定性分析是基于专家的经验为基础，并把研究区的风险等级划分为相对高低水平，对等级划分通常利用事件发生概率和影响的后果[23]。使用这种方法虽然可以快速评估研究区域的草原火灾风险等级，但因为分析时研究人员用经验和主观意见来评估，所以缺少客观性。从20世纪80年代开始，国外利用定性分析法来分析野火风险。

3.2 半定量风险分析

半定量风险分析是基于定性定量相结合的方法，是通过构建指标体系并利用分析方法对其指标进行排序和计算权重，从而构建模型计算风险指数或是直接利用地理信息系统计算每个像素的火灾风险指数。对于定性分析法而言，该方法得出的结果是相对数值而不是风险等级。张继权[24]、刘兴朋[25]等人利用层次分析法对21个指标排序并得出权重，然后根据加权综合评分公式分别计算出危险性、暴露性、脆弱性、防灾减灾能力的值，并建立了草原火灾风险指数模型，最后用GIS技术得到了吉林省西部火灾风险区划图。都瓦拉[26]采用作业条件危险性评价法对影响内蒙古草原火灾的因子进行分析，并构建指标体系以及评价模型。本文利用层次分析法对危险性、暴露于风险环境的频繁程度、脆弱性、防灾减灾能力、风险发生的后果等23个指标进行排序及权重，然后通过加权综合评分法计算出内蒙古草原火灾风险指数，最后利用GIS对内蒙古进行了风险区划。Puri[27]等人利用加权求和模型和聚类分析方法来评估印度东部地区的野火风险，并通过该方法分析影响火灾行为的因素来建立火灾危险模型，结果表明极高风险区面积最高，而且在林地和混交林中发生火灾的可能性更高。Vadrevu[28]等人使用层次分析法对研究区域的地形、植被、气候和社会经济参数进行排序和计算权重，然后利用梯形模糊函数确定不同层级的权重，并通过地理信息系统分配标准权重，用模糊加权求和模型对模糊集的火灾风险进行优先排序，最后得出结合决策分析法和模糊函数的复合火灾风险图。Adaktylou[29]等人通过地理信息系统和多标准分析法建立了希腊希俄斯岛的野火风险评估模型。这种分析方法重要的是生成影响火灾相关的因子，所以对数据的要求非常高，最后得出的风险分析结果往往局限于数据获取的难易程度。

3.3 定量风险分析

定量风险分析又称为概率风险分析，定义为对某一危险事件发生的概率及其影响的后果进行分析的过程。草原火灾定量风险分析是结合火灾发生的概率和潜在损失的后果来进行表达，其中火灾发生的概率分为着火概率和燃烧概率。在多数情况下，用着火概率表示着火的可能性，通过历史火点数据与影响火灾发生的相关变量进行建模，最后通过该预测模型分析草原火灾风险。研究通常利用逻辑回归模型[30～31]、人工神经网络系统[32]、地理加权回归模型[33～35]、贝叶斯网络模型[36]、证据权重法[37～38]、分类与回归树[39]、模糊逻辑[40]等来进行风险评估，这些预测模型都有其差别及优缺点(如表2)。而燃烧概率是基于蔓延模拟来预测的，基于此美国提出了比较全面的定量风险评估框架。

表2 常见预测模型的优缺点

张继权[41]等人使用信息扩散理论计算了草原火灾次数、经济损失以及过火面积的概率，然后利用风险计算公式得出相应的风险值。而刘兴朋[42]等人基于地理信息系统和信息扩散论提出了一种草原火灾时空风险分析方法，并利用该方法对中国北方12个省(区)的草原火灾风险进行了分析。张正祥[43]等以检查人为点燃在内蒙古东部草原的可能性，研究利用地形距离和天气因素作为预测变量，使用逻辑回归建立了每个网格单元中人为引发草原火灾概率的预测模型。文崇波[44]利用Logistic回归模型建立了历史火点数据与植被因子、地形因子、气象因子等火险因子之间的模型，并用野火风险指数对野火风险程度进行表征，最后用该模型结合气候预报数据以及近实时的遥感数据预测了未来几天的野火风险。Alonso-Betanzos[45]等人根据神经网络系统，利用气象数据以及火灾记录评估了加利西亚地区的野火风险，该研究把研究区域分割成360个10km×10km的正方形，利用模型多层感知器计算每个正方形的火灾风险，尽管该系统的性能较高，但此方法因只考虑了气象因素，所以也存在着不足。Brillinger[46]等人利用惩罚准似然函数计算3个逻辑回归来估计俄勒冈州和加利福尼亚的野火风险。Preisler[47]等人利用逻辑回归建立了俄勒冈州火灾风险评估模型，将火灾风险概率定义为火灾发生的概率P1、小火灾变成大火灾的条件概率P2以及大火灾的无条件的概率P3，通过逻辑回归建立了历史火灾数据与影响火灾因子之间的非线性关系。Amatulli[48]等人根据分类与回归树生成了意大利东南部加尔加诺半岛的野火风险评估图，结果表明加尔加诺半岛东北地区野火风险最高。Fiorucci[49]等人提出了一个荒地火灾危险等级系统，该系统利用可燃物载量模型、可燃物湿度模型和潜在灾害模型来评估意大利火灾动态风险，目的是在72h内评估意大利境内的火灾风险。Finney[50]等人使用广义线性混合模型模拟单个火灾的遏制概率，利用该模型对每日火灾规模变化进行了处理，研究表明遏制与火灾持续增长的天数和之前的间隔时间呈正相关。Dlamini[51]等人使用贝叶斯网络方法进行分析来生成斯威士兰的火灾风险图，在研究中以斯威士兰的历史火点数据作为被解释变量，而解释变量选取了13个火灾影响因子，然后利用贝叶斯网络和地理信息系统开发了评估火灾风险模型，并把该国划分为5个火灾风险区，结果表明该国60%的地区高至极端风险中。Chuvieco[52]等人提出了应用于西班牙火灾的风险评估框架，认为火灾风险是火灾发生的概率和潜在损失的后果，其中火灾发生的概率是考虑了点火以及火灾的传播危险，点火危险主要选择了火源以及可燃物含水量，而潜在损失的后果是社会经济价值、降解潜力和景观价值，此框架额外考虑了暴露及脆弱性。之后也越来越重视脆弱性的重要性，Gaither[53]等人基于探索性空间数据分析来研究美国东南部地区的野火风险与社会脆弱性之间的空间联系，表明高风险和高脆弱性地区比高风险和低脆弱性更加危险。Finney[54]等人利用火灾发生燃烧概率估计和影响高价值资源的响应函数的乘积[E (NVCj)= ∑iP(fi)RFj(fi)]对美国野火进行了风险评估，结果得出加利福尼亚州和南部地区更容易受到野火的影响。Palaiologou[55]等人通过火灾模拟模型程序对希腊地区进行了火灾模拟,模拟结果认为油橄榄、松柏密林、农田以及草原是最容易发生自燃。至今为止，野火风险评估框架变得越来越完整，其中脆弱性作为火灾风险的重要组成部分也成为了研究热点。

4 小结

本文对于草原火灾风险评估的研究分为定性、半定量以及定量风险，但从本世纪初以来，国内外更多的是采用半定量和定量风险分析方法对草原火灾风险进行评估。

4.1国内外对草原火灾风险评估的研究角度存在着差异。2000年之前国内外对于野火风险亦或是草原火灾风险没有一个统一的概念，但进入21世纪后草原火灾风险得到迅速发展，国内学者更多的是基于张继权团队提出的草原火灾风险形成机制基础上进行半定量分析，而国外的学者则是根据草原火灾发生的可能性、强度和影响来开发定量火灾风险评估框架；目前国内外使用的火险分析和影响分析相结合的评估框架是可以不断的扩展的，因此随着遥感和地理信息系统技术的不断发展，草原火灾风险评估工具会变得越来越量化。

4.2定量模型的预测大多利用森林火灾的模型，缺乏创新，甚至国外把草原火灾风险作为野火风险的一部分进行研究。

4.3草原火灾风险方面的研究不全面。过去更多的研究火灾危险性评价，并且从利用可燃物、天气等单因子指标到多因子指标进行预测草原着火概率或燃烧概率，之后才把暴露和脆弱性纳入了草原火灾风险评估中，从而形成了一个比较全面的风险评估框架，不过由于该数据的缺乏和不确定性导致评估影响因子变得很困难。

4.4火灾风险不可以消除，但可以通过降低火灾发生的概率及改变暴露的脆弱性来降低。近年来，国外主要通过土地利用规划或改变脆弱性等方法来降低野火风险。