浅析森林防火技术现状和发展趋势

2023-05-13赵昌彬张雨鉴

森林防火 2023年3期

赵昌彬张雨鉴

（1.云阳县国有四十八槽林场，重庆 404500；2.北京林业大学生态与自然保护学院，北京 100083）

森林火灾对森林和陆地生态系统构成了严重威胁。从生态角度来看，森林火灾不仅破坏动植物栖息地，危及生存，最终导致生物多样性降低，同时还阻碍关键生态过程，影响生态系统稳定性和增加生态系统对入侵物种的脆弱性[1-3]。从社会角度看，森林火灾不仅导致国家面临严重的资源和经济损失，还对人民群众的人身安全和财产安全造成了极大威胁[4-5]。因此，全面的森林防火策略至关重要[6]。

在全球气候变化背景下，近年来森林火灾频频发生，随着社会经济发展，森林防火工作的开展也受到了国家高度重视和社会广泛关注[7-8]。森林防火工作内容较多，涉及较广，其中预防和控制为其最为核心的两方面[9]。森林防火工作的顺利开展和进行离不开有效的防火技术，防火技术的科学化、现代化对于提高森林防火效益、促进林业可持续发展具有重要意义[10]。本文通过文献研究，总结了森林防火技术在预测、监测、阻隔以及通讯等方面的发展现状，并提出了在生物防火技术、网络信息技术以及传感器技术等方面的发展趋势。旨在为森林防火技术的革新、森林防火工作的完善提供科学指导和理论支持，进而有效保护和促进森林资源的可持续利用，维护生态和社会安全。

1 森林防火技术现状

森林防火工作极大促进了对我国森林资源的保护，而这又主要依赖于良好的防火技术。目前，我国已经具备了一个较为完整的防火技术体系，涵盖了林火预测预防、林火监测、林火阻隔、林火通讯以及林火扑救等方面，并取得了一定成果，极大地降低了火灾带来的损失和危害[11]。

1.1 林火预测

森林防火的关键环节则是对火灾的预测预报，这种预测技术是基于当时与火灾发生有密切关系的气候和环境因素如温度、空气湿度和风速等与历史数据对比，基于历史火灾数据推测火灾发生的可能性。当地相关林业部门或应急部门根据数据分析结果，判断是否采取相应的预防措施。在易火环境下，人为火源极易成为火灾发生的隐患，因此，通常会对林区进行禁火处理，如我国每年的十二月到次年六月中旬为森林防火期[12]。与此同时，消防部队要随时做好能第一时间赶往火灾发生现场的准备。此外，预测预报技术还可以在火灾发生过程中对火情的发展进行预报，如火强度、烈度及蔓延速度等，这就使相关部门能根据实时情况制定合适的防火方针和应对策略。目前，随着科技的发展，预测预报技术也在不断优化，准确性也在不断提高，这很大程度上为森林防火工作克服了困难[6]。

1.2 林火监测

林火监测在防火工作中的地位同林火预测一样，也是不可或缺的一步。在基于传统的地面林火监测的基础上，现在林火监测技术已经逐步转变为航空航天三维立体式火灾监测，依靠飞机、卫星等高科技设备，并结合3S技术（地理信息系统技术GIS、全球定位系统技术GPS和遥感技术RS），极大提高了火灾监测的有效性和监测效率，这样消防部门就能在短时间内根据监测的图像和计算数据制定合适的灭火方案，为现成灭火队员提供安全有效的灭火指导，提高灭火的效率，将损害降到最低[13]。

1.3 林火阻隔

林火阻隔技术是一种防止火灾面积扩大、火势向周围蔓延的技术，它根据林区火灾位置的具体地势地貌不同，以及森林植被的分布情况，而包括公路修建、防火带设置以及耐火抗火植物种植等技术[14]。其中公路修建不仅能阻隔火灾的进一步蔓延，同时为消防队伍能迅速赶到火灾现场提供了便利，是一个两全其美的方法，但同时也会耗费较大的资金和人力，而且根据地形和森林分布情况，公路修建对于某些林区也存在极大困难。因此，在此方面的投入也存在很大发展空间。防火带的设置则在局部范围能短时间内控制火势蔓延，为消防工作人员争取时间。而耐火性植物种植则是从生态角度进行长远考虑的方法，同样能在火灾发生时减少起蔓延的速度和可能性。此外，生土阻隔法（围绕火灾区域设置2 m左右宽度的生土带）也是一种减小火灾范围的有效方法[15]。

1.4 林火通讯

林火通讯技术在防火过程中起到一个联系消息、传递情报的一个作用，贯穿整过防火过程。消防部门通过预测技术或监测技术所获的信息要依靠通讯技术传递给现场工作人员，同时现场的具体火情也需要借助通信技术反馈给后方，这样就可以做到随机应变。在现代化进程中，林火通讯技术也在不断发展，从一开始的有线通讯，再到现在的无线通讯和卫星通讯，极大地便利了森林防火工作的有序进行。通讯技术的完善同时也利于林火预测和监测工作的进行。目前，我国已经建立了较为完整的森林防火无线工作网络，通讯技术也逐渐科学化、规范化。但值得注意的是，如何在较为偏远、信号较弱地区提升通讯功能仍是未来的一个研究方向[14-15]。

1.5 林火扑救

森林防火扑救是防火工作的重要防线，也是火灾下保护森林生态系统平衡和人类安全的最重要的一道壁垒。采取科学有效扑救技术才能进一步阻止火灾的扩大，并最终消灭火灾。扑救技术包括有人工降雨、人力扑救、爆炸灭火及化学灭火等[8]。人工降雨需要一定气候条件，效果极易受环境因素影响，人力扑救危险性较高，速度较慢，但灵活性较强，能具体到点。爆炸灭火则是通过引爆特殊炸药，利用爆炸瞬间产生的水滴和冲击力进行能量吸收和降温，达到灭火效果。化学灭火是利用灭火车和飞机等工具进行化学试剂喷洒灭，能取得较好效果，在灭火工作中得到广泛采用[12]。火灾扑救工作不仅要根据现场情况采取合适的灭火方式，同时也要注意和林火阻隔技术相结合，多方面地减小火灾蔓延程度，并提高灭火功效[16]。

2 森林防火技术发展趋势

目前，我国现有的防火技术相对于过去，已有了很大进步，也取得了可观的效果。随着科技飞速发展，融入新技术已是发展趋势。这部分将从生物防火、网络信息以及传感器技术三个方面简述森林防火发展趋势[6]。

2.1 生物防火技术

生物防火技术是基于植物特性差异，如不同植物间可燃性不同，以及他们分布配置差异，到达火灾发生时能形成一道天然阻隔带效果，进而防止火势蔓延。生物防火是通过在林区局域位置营造特定植物分布绿色林火防护技术[17]。生物防火包括两大主要内容，分别是生物防火林带和遮阴形隔离带。前者如在针叶林中营造带状的特定阔叶树种，宽度在15～20 m左右，通过阔叶树种独特的树冠结构和林下可燃物的分布来阻隔火势蔓延，后者则通过对地表可燃物清除及小胸径树木去除，提高冠层和地面高度，尽可能打断可燃物和火焰连续性，起到阻隔火势蔓延效果。生物防火优点在于，在阻隔林火蔓延的同时，能增加营林成效，不管是阔叶树种的栽植还是林分结构的修整，均能改善林分环境，维持森林生态系统平衡稳定。除此之外，相对于其他防火技术，生物防火的投入也相对较小，甚至在某些森林中已经自然形成了防火林带雏形，能成为完整阻隔带。生物防火是森林防火与林业科学的完美结合，大力推广和实施可提高防火工作的受益多样性，同时，还能兼顾防火、景观、生态及经济的多元结合[9,18]。

2.2 网络信息技术

随着互联网时代的到来，一系列主流网络信息技术如大数据、物联网及计算机云计算等被应用到森林防火工作中，促进防火工作顺利开展。基于“互联网+”的森林防火管理模式，形成了新的管理平台。一是林业底层系统的建造，依靠网络技术研发远程无线通讯数据监测设备，如易火区域定点监测设备红外线摄像头以及智能巡检设备等；二是构建林区与指挥中心的数据传输设备，实现数据和信息的互通；三是构造智能化的决策系统，能够对数据库大量历史信息进行实时监测，并根据历史数据推演模拟当前火灾的火情和制定应对措施。这预示着森林防火工作的逐渐智能化，科学化。当然，防火工作的网络信息化是一个极为复杂的过程，包括平台管理、功能分析、环境开发、系统构架、预警分析、系统监控等一系列进程。需要不断培养专业的人才和进行系统深入学习，才能使该技术在防火工作中被熟练运用，但这也是防火工作的重要发展方向[19]。

2.3 传感器技术

随着社会和科技进步，森林防火技术也将趋向与电子信息技术相结合的方向发展，如传感器技术。实际上，传感器技术可以归于防火通讯技术中，同时也与网络信息技术密不可分，但目前诸多新兴的高科技技术都是基于传感器技术所衍生和发展的一些新方法和新系统，如图像分析、人工智能技术和传感器网络集成等[20]。传感器技术主要贡献于林火的预测和预防过程中。无线传感网络（WSN）可以用于早期的森林火灾探测。一个WSN由多个节点组成，每个节点都有各自特性。WSN的多样性在于其网络拓扑结构、通信方法、传感器类型和数据处理技术。通过合并不同类型传感器，无线节点能检测一系列物理参数，包括温度、压力和湿度，以及化学参数，如一氧化碳、二氧化碳和二氧化氮。该网络将测量到的这些数据作为输入值并产生一个“天气指数”，用来衡量由天气引起的火灾的概率。在某些紧急情况下，节点可以检测到烟雾或异常温度，然后向节点管理器发送某种类型报警。此外，WSN收集数据作为原始输入数据，然后传输到控制系统，利用温度、烟雾、光、湿度和距离等参数，建立一种模糊逻辑算法。这种算法考虑了火灾风险、面积大小和人员存在等因素。再在这种逻辑算法的基础上配置合适的物流基础设施、模拟培训和先进的灭火技术。为防止误报，使用了配备气体传感器和热成像摄像机的远程无人机（UAV）来监测潜在的火灾。为提高监测效率，在飞机上安装了各种设备，包括微波辐射计（用于检测热点）、气体和烟雾传感器和热成像摄像机。一旦进行灭火，无人机就会发挥类似防火隔墙的作用，较大限度地减少再次发生火灾风险[21]。