基于AHP算法的四川攀西雷击火灾风险研究

张 琨，罗可妮

1.四川省防雷中心，四川成都 610772；2.高原与盆地暴雨旱涝灾害四川省重点实验室，四川成都 610772

近年来，四川省出现多起森林草原火灾，较为严重的是2019年“3·30木里森林火灾”，造成巨大的人员伤亡[1]。研究表明，此次火灾是由雷电击中林中高大树木燃烧引发森林火灾。2022年四川省内共发生16起森林火灾，四川森林火灾多分布在攀西地区，近年来森林防灭火工作形势十分严峻。根据《四川省森林防火规划（2016—2025年）》对全省森林火灾风险区进行了危险等级划分，其中攀西地区共15个森林火险区划为森林火灾高危区，分别是攀枝花市的米易县、盐边县、仁和区、西区；凉山彝族自治州的冕宁县、木里藏族自治县、西昌市、盐源县、会东县、宁南县、普格县、喜德县、昭觉县、德昌县、会理县[2]。

从全国森林资源总量看，攀西地区森林蓄积量位于我国前列，森林地面被落叶或杂草等长期覆盖后，易变质腐烂产生一些可燃气体被点燃。森林雷击火灾预防主要考虑防直击雷，随着环境污染，气候条件的变化，雷击火成为最为重要的森林火灾自然祸源[3-4]。关于雷击火灾的分析和雷击风险区划研究，余海蓉等[5]对四川盆地雷电高发区进行了风险区划研究；陈乐奇等[6]在研究中通过分析雷电的特征分析对林场的雷击火灾进行了区划研究；彭博[7]通过分析NDVI、环境和植被情况，对西昌市森林火险等级进行了区划研究；何诚等[8]通过分析气候特征，得出夏季森林火灾发生的危险性强，夏季是雷暴的多发季节；Fuquay等[9]通过分析雷击火发生时的云地闪特征后，发现云地闪持续电流极易引发雷击火。攀西地区森林地形的复杂性和大气环流的错综复杂，导致雷暴天气较多，而如何降低因雷击导致的自然森林大火的发生率，是目前亟待解决的问题。

本研究通过对攀西地区森林火灾高危区雷电强度、雷电密度、海拔和土壤电阻率进行熵值法分析，建立致灾危险性算法模型，对攀西地区雷电致灾风险区划，为林业部门和消防部门等政府部门提供防雷工程建设和雷击火预防提供科学依据和技术支持，充分发挥防雷减灾第一道防线的重要作用。

1 数据选取

根据攀西地区的历史数据进行统计分析，冬、春季节气候干燥、林木干枯，植被含水量低，是四川省森林草原火灾的易发期，而攀西地区更是四川省森林草原火灾的易发地。气候条件是森林火灾发生区域和发生阶段的决定因素。气候条件决定潜在火险程度，本研究选取雷电、海拔和土壤电阻率3种影响因子分析。

（1）三维闪电数据。本研究采用四川省气象局2016—2021年的三维闪电数据资料。

（2）海拔。攀西地区多为高山，海拔较高，研究表明在海拔1 500 m以上的山地发生的闪电，雷电强度（Ln＞100 kA）和反击概率比例高于低山丘陵和平原地区[10]。本研究选取的海拔数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心发布的中国高程数据（DEM）空间分布数据。

（3）土壤电阻率。土壤电阻率与温度、含水量有很大关系，而且土壤电阻率越小对应的雷电流强度越大，反之越小[11]。本研究采用的土壤电阻率数据来源于南京土壤所发布的全国土壤栅格数据。

2 数据处理

数据进行归一化处理，等级划分为4级（较低风险、一般风险、高风险、极高风险）。所研究的区域都是森林火灾高危区，风险等级是相对定性的，本研究设定较低风险也是森林火灾高危区。

四川省气象局围绕攀西火灾多发重发区域陆续布设13套三维闪电定位仪，基本覆盖整个攀西地区，对该地区、周边林场和人员相对密集区域进行全天候24 h雷电监测。

将地图划分为3 km×3 km的格点，计算各格点的雷电密度，经归一化处理，计算雷电密度栅格数据，然后绘制雷电密度图（图1）。根据雷电密度分布，极高风险区分布在盐边县中部和西部；高风险区分布在盐边县北部、西区西部、西昌市中西部、米易县西部、喜德县北部和西部、冕宁县分布较为分散，主要集中在中部和东部；较低险区主要分布在木里藏族自治县西部和北部、昭觉县东部、盐源县中部、普格县东部、宁南县、会东县和会理县；其余地区主要是一般风险区。

图1 雷电密度图

根据雷电质量控制方法，本研究计算2～200 kA区间的雷电流数据，将计算区域划分为3 km×3 km的格点，统计每个格点内不同等级雷电强度的闪电次数，归一化处理。将雷电强度等级划分为5个等级：1级（D≤60%）、2级（60%＜D≤80%）、3级（80%＜D≤90%）、4级（90%＜D≤95%）、5级（D＞95%）[12-13]。

依照公式（1）计算攀西地区的雷电强度分布数据，计算雷电强度栅格数据，绘制雷电强度分布图（图2）。

图2 雷电强度分布图

式（1）中，Ln为雷电强度；i为雷电强度等级；Fi为雷电强度为i等级的地闪频次的归一化值。

由图2所知，根据雷电强度分布图，全域无极高风险区；高风险区主要分布在盐边县中北部；较低风险区分布在木里藏族自治县西部和南部、盐源县南部、西昌市中部和东部、喜德县东部、昭觉县、普格县、宁南县、会东县、会理县、米易县东南部和仁和区南部；其余地区为一般风险区。

海拔空间分布数据在ArcGIS中进行3 km重采样，并进行栅格化数据处理、归一化处理，计算攀西地区海拔栅格数据，绘制海拔分布图（图3）。由图3所知，攀西地区的森林火灾高危区从南部到北部，海拔逐渐升高，高海拔主要分布在木里藏族自治县中北部，平均海拔3 100 m左右，地处青藏高原东南和横断山脉中间，附近的山脉错综复杂，地形陡峭，山风异常，出现火灾时，对火灾救援工作带来的挑战极大。2019年3月30日木里藏族自治县森林火灾和2019年4月8日冕宁县火灾，均发生于高海拔地区，海拔是一个重要的影响因素。

图3 海拔分布图

土壤栅格数据通过ArcGIS进行3 km重采样，并进行裁剪，归一化处理，计算土壤电阻率栅格数据，绘制土壤电阻率分布图（图4）。攀西森林火灾高危区全域的土壤电阻率较为均衡，但木里藏族自治县和冕宁县部分地区的土壤电阻率极高。

图4 土壤电阻率分布图

3 雷电灾害致灾因子危险性分析

3.1 致灾因子权重的计算

通过计算获取的雷电密度、雷电强度、海拔和土壤电阻率等栅格数据，利用层次分析法，确定4种因子的权重矩阵，通过计算获取致灾因子权重：雷电密度权重（wd）为0.3507；雷电流度权重（wn）为0.3507；海拔权重（wh）为0.1093；土壤电阻率权重（wc）为0.1892。

3.2 致灾危险性指数的计算

按照致灾危险性指数RH模型进行计算。

运用致灾因子危险性RH模型，计算栅格数据中的每个格点的危险性指数值，利用自然断点法将危险等级划分为4级：较低风险、一般风险、高风险、极高风险，并绘制攀西地区森林火灾高危区雷电致灾危险性分布图（图5）。

图5 攀西地区雷电致灾危险性分布图

由图5可知，攀西地区雷电致灾危险性极高风险主要分布在木里藏族自治县东南部和西南部、冕宁县中部和东部、盐源县西北部和盐边县中部；高风险区主要分布在木里藏族自治县北部和东部、冕宁县南部和东部、喜德县西部和南部、西昌市北部、德昌县北部和西部、盐边县北部、米易县北部、仁和区北部；只有少部分较低风险区主要分布在宁南县中部和东部、会东县东部、会理县南部、昭觉县东部；其余地区均为一般风险区。

4 结论

通过分析攀西地区森林火灾高危区的雷电强度、雷电密度、海拔和土壤电阻率，结合致灾性危险性分布图可以直观地帮助当地政府或消防部门掌握雷击火灾的风险情况，为防灭火的决策提供科学依据。以下为攀西地区雷击火灾提供的科学防御决策建议：

（1）极高风险区主要分布在高山、山原、峡谷地貌的木里藏族自治县、冕宁县、盐源县和盐边县，森林覆盖率高、海拔高、道路崎岖，发生森林火灾时，对火灾救援和人力调度的挑战较大。建议此区域加快三维闪电监测网络的建设，提高本区域的雷电监测水平和雷电防御能力，尤其是加强对高海拔森林的监测网的规划和建设，弥补护林员无法监测的盲区。因地势问题，对一些人员不便进入的区域，可以采用无人机定时巡逻进行检测预警。

（2）高风险区主要分布在木里藏族自治县北部和东部、冕宁县南部和东部、喜德县西部和南部、西昌市北部、德昌县北部和西部、盐边县北部、米易县北部、仁和区北部。一些重要城镇也是高风险区，其中西昌、米易等城市，旅游产业较为发达，人口分布较为密集，森林火灾更需要考虑人为因素，需加强区域内的雷电灾害的宣传教育工作，增强群众的防雷防火意识和提高其防火灭火能力，加强城市建筑物和景区的防雷基础设施建设。

（3）一般风险区分布较广，相关部门要因地制宜，根据不同的森林区域、地质情况、土壤电阻率和草原空旷地等制定不同的防雷对策，加大建筑物和危化品场所的防雷检测力度，在空旷区域，设置防雷庭，以供农民或牧民在户外活动遇到雷暴天气时临时躲避。在经常遭雷击中的树木附近，设置接闪器和森林防护隔离带。

（4）较低风险区主要分布在宁南县中部和东部、会东县东部、会理县南部、昭觉县东部，集中在攀西地区的边界处，此区域虽然风险等级较低，但雷击落点面积较大，仍会引起雷击火灾，应加强附近区域的防雷设施安全检查。