内蒙古大兴安岭北部原始林区森林火灾应急资源储备与调度研究

孙术发，王丽军，王 伟，郭 伟，张春野，孙 龙，梅玉生

（1.东北林业大学 工程技术学院，黑龙江 哈尔滨 150040；2.内蒙古自治区乌尔旗汗林业局，内蒙古 呼伦贝尔 022150；3.内蒙古大兴安岭北部原始林区森林管护局，内蒙古 根河 022363； 4.东北林业大学 林学院，黑龙江 哈尔滨 150040）

森林火灾是威胁森林资源的最大风险。大兴安岭原始森林茂密，森林资源丰富，森林覆盖面积比较大，是我国重要的林业基地之一[1]。根据国家统计局统计，2016年，内蒙古大兴安岭林区相继发生火灾78 次，其中重大火灾1 次，受灾森林面积达到1 478 hm2，造成经济损失共1 964.8 万元；2017年，林区共发生火灾177 次，其中重大火灾3 次，特别重大火灾3 次，受灾森林面积达到 16 780 hm2，共造成9 人受伤，经济损失达到635.5万元。2018年6月1日，内蒙古大兴安岭汗马国家级自然保护区发生火灾，过火面积达到5 100 hm2（其中，内蒙古境内约4 500 hm2），造成林业资源严重损失。内蒙古大兴安岭林区拥有110 万hm2未开发的原始林，山高坡陡，地表植被茂密，交通极为不便，给森林火灾应急资源调度及扑救带来很大阻碍。同时，受干雷暴灾害影响，北部原始林区雷击火多发，再加上俄罗斯境外火的影响，北部原始林区森林火灾预防困难，成为大兴安岭林火扑救难度最大的高危火险区[2]。因此，预防和控制北部原始林区森林火灾成为内蒙古大兴安岭林区重点关注的问题。

在森林火灾应急管理的整个阶段中，应急资源的储备与调配情况直接影响森林火灾的应急管理效果[3]。合理的配置与调度能够保证应急资源的有效分配和及时供应，进而为应急管理提供强有力的物资及人员保障，使得在尽可能少的时间内可以最大程度地减少森林火灾造成的损失[4]。

为更好开展原始林区森林扑火工作，保护林区生态资源，给内蒙古大兴安岭林区森林火灾应急管理工作提供支持，本研究以内蒙古大兴安岭北部原始林区为例，对用于管护该原始林区的森林火灾应急资源的空间分布情况进行了研究并对配置合理性进行了分析，在此基础上，建立森林火灾应急资源调度优化模型，以达到扑灭林火时间最短，费用最少的目的。

1 北部原始林区森林火灾应急资源现状

1.1 北部原始林区森林资源概况

北部原始林区森林管护局所辖奇乾、乌玛、永安山三个未开发林业局（简称北三局），据北三局统计，北部原始林区总面积约94.77 万hm2，占内蒙古大兴安岭重点国有林区总面积的8.8%，林区树种以兴安落叶松、樟子松为主，黑桦、白桦、山杨、柳树为辅，以其不可替代的功能调节生态平衡，且在涵养水源、保育土壤、净化环境、保护生物多样性等方面发挥着巨大作用。

1.2 内蒙古大兴安岭重点国有林管理局应急资源概况

应急资源包括应急人员和应急物资，应急人员主要包括专业森林消防队和半专业森林消防队。应急物资是指针对火灾和抢险救援现场使用的各种灭火剂和灭火器材、设备仪器的总称，主要包括扑火机具、交通工具、指挥通讯设备、防护设备等[5]。

内蒙古大兴安岭重点国有林管理局（简称管理局）下辖1 个管护局（包含3 个未开发林业局），19 个林业局，以及3 个国家级自然保护区（毕拉河自然保护区、额尔古纳自然保护区、汗马自然保护区）。根据森林防火工作的需求与规定，上述单位均储备有一定量的应急物资，而作为管理局火灾扑救任务最重的北部原始林区尚未有大型的防火应急物资储备库。根据管理局2018年森林防火数据资料，整理用于管护北部原始林区的应急资源储备现状大致如下：

1）应急人员。据管理局统计，2018年负责管护林区的专业森林消防人员共2 729 人，半专业森林消防人员共8 761 人，防火办工作人员共2 179人。林区各类防火人员统计如图1 所示。

图1 专业及半专业消防人员统计Fig.1 Statistics of professional and semi-professional firefighters

2）森林防火通讯设施设备。管护林区的消防设备种类齐全，数量较多，众多通讯设施设备组成了完整的防火通信网，使北部原始林区能够及时发现火情并做到及时扑救。各类通讯设施统计如图2 所示。

3）航空护林飞机。负责管护林区的直升机机型有M-26、M-171、K-32 和AS-350，主要用作吊挂索降设备，均驻根河航站。除直升机外，管理局还拥有固定翼飞机及其他各种类型的飞行器。航空护林飞机用以对大面积林区进行预防、发现和扑灭森林火灾，在北部原始林区森林防火工作中起着重要的作用[6]。

图2 通讯设施设备统计Fig.2 Statistics of communication facilities and equipment

4）防火公路网。北部原始林区原始森林覆盖率高，位于我国北部边境，人烟稀少、交通不便、火情不易发现，因此防火公路网的建设就显得尤为重要[7]。而由于原始林区禁止开发，林区地段闭塞，北部原始林区的公路密度只有0.6 m/hm2，远低于我国防火公路网密度的最低要求4.0 m/hm2，这也是北部原始林区火灾扑救难度大和成本高的主要原因。

为能及时发现并扑灭森林火灾，管理局下辖的各林业局共划分成七大联动区，每一联动区由就近的3 ～4 个林业局组成，管辖一定的原始林区范围。各联动区内的应急资源储备如图3 所示。

图3 2018年春季各联动区应急资源储备统计Fig.3 Statistics of emergency resource reserve of linkage areas in spring 2018

2 北部原始林区森林火灾应急资源空间分布分析

2.1 北部原始林区森林火灾数据分析

从2014—2018年的火灾次数统计数据来看，北部原始林区的森林火灾级别多为较大森林火灾。由于实施全封闭管理，北部原始林区森林火灾均为雷击火和俄罗斯境外火引发。由于北部原始林区是全国受干雷暴灾害影响最严重的区域，所以近五年来，由干雷暴引起的雷击火有所增加，导致北部原始林区的火灾发生次数总体呈上升趋势[8]， 如图4 所示。

图4 北部原始林区森林火灾年变化Fig.4 Annual variation of forest fire in primitive forest areas of north China

2014年虽然火灾发生次数最少，但发生了一次由于俄罗斯过境火烧入引发的重大森林火灾，造成林业资源的严重损失，导致北部原始林区的过火面积达到2 746.2 hm2的峰值（图5）。

图5 北部原始林区森林火灾过火面积年变化Fig.5 Annual variation of forest fire area in northern primitive forest region

2.2 应急资源空间布局与森林火灾空间分布叠加分析

在研究中首先将管理局下辖的各林业局的森林火灾应急资源数据导入到ArcGIS 软件中，通过数据查验和离群数据剔除等初步处理后，利用ArcGIS 软件中的空间分析模块功能对森林火灾应急人员和应急物资数据的空间分布情况进行分析。在图6 中，用不同颜色的柱体来表示不同的应急资源，柱体越高表示该地区总体应急资源配置越多。

为了更好地分析森林火灾应急人员和应急资源在空间分布上是否合理，将2014—2018年北部原始林区森林火灾数据导入到ArcGIS 中，进而得到森林火灾分布图层。在图6 中，一个圆点代表一次森林火灾，用不同颜色表示森林火灾的等级。将森林火灾分布图层与应急资源分布图层进行叠加，分析管护北部原始林区的森林火灾应急资源在空间结构上是否分布合理[9]。

从图6 可以看出，距离北部原始林区最近的护林单位，如汗马林业局、阿龙山林业局、满归林业局以及额尔古纳保护区等所储备的应急资源较少，北部原始林区周围所配置的应急资源低于内蒙古大兴安岭中部地区，一旦北部原始林区内有火情发生，将不利于原始林区灭火工作的开展，也会导致北部原始林区森林防火费用的增加。用于管护北部原始林区的森林火灾应急资源在空间分布结构上存在着一定的不合理，这将对北部原始林区的森林消防工作造成一定影响，不利于原始森林生态成果的保护，因此，需要对北部原始林区森林火灾应急资源的调配进行优化[10]。

图6 北部原始林区森林火灾分布与应急资源分布叠加Fig.6 Distribution of forest fire and emergency resources in primitive forest areas of north China

3 森林火灾应急资源分配与调度模型

3.1 问题描述

当森林火灾发生后，林区内消防处立即采取救援措施，在火势持续蔓延情况下，决策者应当考虑尽可能派出足够数量的应急灭火资源以便及时扑灭火灾，防止火势进一步蔓延造成更大的森林资源损失。与此同时，由于涉及到消防灭火人员薪金和灭火设备的消耗费用等问题，也需要考虑灭火成本。综合考虑各种费用因素，寻求最佳的应急灭火资源数量。本文将应急灭火资源划分为应急消防人员和应急灭火设备（一套灭火设备由各类灭火工具组成）两类，而且把它们按照一定比例构成的应急灭火资源称为灭火组合[11]。

本研究将多出救点、多着火点（出救点与着火点不一一对应）的分配系统简化成多个子系统，每个子系统只包括一个出救点、一个着火点。若在同一时刻有K 个着火点时，为了在火灾发生后尽可能早地扑灭火灾，决策者做出如下决策：所有出救点共派出M 辆同类型救援车，每一个着火点均有一定量的救援车负责运送一定数量的灭火组合（应急消防人员与应急灭火设备分开运输），且救援车辆总数量M 远远大于着火点的数量K，并且运送至各个着火点处的灭火组合数量均不会超过每辆救援车辆的额定载重[12]。

3.2 假设条件

1）林区中森林火灾发生后，火势是以着火点为中心，以均匀速度按环形状向外蔓延且蔓延半径和时间是成正比的；

2）每个应急消防人员的灭火速度是一定且相等的，即所有灭火组合的灭火速度是一致且不变的；

3）每个着火点处的林火蔓延速度是一定的；

4）所有救援车辆是同型号且行驶速度是一定的；

5）设运送至各个着火点处的灭火组合总重量均不会超过救援车辆的额定载重；

6）设所有出救点处的救援灭火组合数量之和足以满足各个着火点的需求量；

7）设在救援过程中无消防人员伤亡，无设备损坏；

8）林区中各区域树木种植密度保持一致，且所有树木的树种、生长年份均相同。

3.3 模型参数

C1：烧毁单位面积森林的林业资源损失费用；

C2：每个灭火组合单位时间内的薪金与使用费用；

C3：派出灭火组合时输送一位消防人员一次性支付的费用（人员运输费）；

C4：派出灭火组合时运输一套灭火设备一次性支付的费用（设备运输费）；

C5：每个灭火组合中灭火设备单位时间内的燃油费用；

Zi：出救点分派到第i 个着火点处的灭火组合数量之和；

ti1：第i个着火点处消防队员开始扑火时刻；

ti2：第i个着火点处林火扑灭时刻；

Vi：第i个着火点处林火蔓延速度；

S(ti)：第i个着火点处时间t 内森林过火面积；

D(ti)：第i个着火点处时间t 内林火过火路径；

C(ti)：第i个着火点处时间t 内森林火灾导致的总损失费；

N1：每个灭火组合中的应急消防人员数量；

N2：每个灭火组合中灭火设备的数量（套数）；

R1：每个灭火组合的灭火速度；

R2：救援车辆的平均行驶速度；

Li：第i个着火点到最近出救点的距离；

Pi：出救点分派到第i个着火点处的应急消防人员总数；

：出救点分派到第i个着火点处的灭火组合的最佳数量。

3.4 模型构建及求解

设森林火灾着火点时刻ti=0，应急消防人员到达林区着火点处开始灭火的时刻为ti1=Li/R2，林火扑灭时刻为ti2；此时森林损失面积S(ti2)，森林损失费用C(ti2)=S(ti2)C1。由假设条件（1）可知森林损失面积的变化是一阶连续的，可对森林损失面积函数S(ti)求导，即森林损失面积的增长速度为。对于某个着火点i，灭火消防人员到达着火点立即进行扑火工作，森林损失面积增长速度也开始呈递减趋势，即ti1时刻之后开始下降，直至ti2时刻林火被扑灭。因此可以得到以下式子：

林火过火路径为

对上述式子积分，可得森林损失面积为

在扑火工作中各个着火点的损失费用除林业资源损失费用外，主要涉及四类费用：灭火组合的薪金（灭火设备的使用费和灭火人员的报酬），运输消防人员一次性支付的费用，运输灭火设备一次性支付的费用，灭火设备的燃油消耗费用[13]。

因此，林区火灾各着火点总损失费用为

将（2）（4）式带入（5）式得

对上式求Zi，使得minC(Zi)，解得

此时，着火点火灾最早被扑灭的时刻为

3.5 实例分析

实例：2018年6月23日19:20，北部原始林区奇乾林业局阿巴河林场发生火灾，经航空护林飞机观察，及时确定火场中心坐标为120°37′00″E，52°59′30″N，火场火势围绕3 个明显的着火点向四周扩展。火场林型为次生林，树种以落叶松为主。火灾于6月24日3:50 被扑灭，此次火灾过火面积为35 hm2，共投入兵力142 人。相关信息如表1所示。

设C1=15 元，C2=1.3 元，C3=0.82 元，C4=0.5 元，C5=3 元；R1=12.5 m/min，R2=100 km/h；N1=3 人，N2=3 套。

表1 着火点数据信息Table 1 Data in the fire sites

根据资源分配模型得到各着火点需要的最佳灭火组合数和消防员数（见表2 和表3）。此时，最早的灭火时间为0.54 h.与实际的8.5 h 相比，优化方案的效率增加。在优化方案中，动用消防员300 人，比实际多158 人。整体灭火费用为38 091.28 元，为0.54 h 完成扑火工作所需投入的最少费用：投入费用少于38 091.28 元，灭火时长会增加，达不到最高效率扑灭林火的目标；投入费用多于38 091.28 元，灭火时长也不会再缩短，反而造成人员和物资浪费[14-15]。

表2 应急资源分配调度方案Table 2 Scheduling schemes of emergency supplies

表3 应急资源调度优化结果与实际值对比Table 3 Comparison between optimization results andactual ones for emergency supplies

通过对内蒙古大兴安岭重点国有林管理局的森林火灾应急资源储备情况进行定性以及定量分析后，提出此应急资源分配与调度优化模型。该模型仅是对管理局现有的森林火灾应急资源的调配进行优化，未来可结合具体的林火发生情况制定应急物资的调配策略，并对储备情况进行合理的规划。

4 结论与建议

通过对森林火灾应急资源的空间分布状况进行探析，可以看出内蒙古大兴安岭重点国有林管理局应急物资与应急消防人员在空间分布上也存在着一定的不合理现象：北部原始林区附近设置的应急物资库与消防站点数量不足，尤其是大型消防设备严重缺少，不利于北部原始林区林火的快速扑救，从而造成灭火费用的增加和森林资源的较大损失。因此，北部原始林区周边应重新调整森林火灾应急资源配置，对整个内蒙古大兴安岭重点国有林管理局的应急资源应进行科学合理地规划。

在对用于管护北部原始林区的森林火灾应急资源的空间分布进行探析的基础上，本研究构建了森林火灾应急资源分配与调度优化模型，主要对分派到各个着火点处的应急灭火组合的数量进行优化，使得整个应急物流管理系统的运输时间和成本均达到最小化，为内蒙古大兴安岭重点国有林管理局森林火灾应急资源的合理分配与调度提供指导，同时对于实现科学决策指挥，保护北部原始林区生态资源具有一定的现实意义。

在北部原始林区森林防火的问题上，一方面，内蒙古大兴安岭重点国有林管理局应对北部原始林区建立健全有效的森林防火机制，制定并切实执行林区森林火灾管理政策和火灾预案，加强安全扑救与有效防火的结合，加强扑救团队建设，从而有效保护北部原始林区宝贵的森林资源；另一方面，政府应加大管理局中用于管护北部原始林区的应急资源的投入，确保管理局中防火资金、扑救器材的充足以及消防队伍的专业化。另外，在立法方面，政府应加大惩处力度，减少或杜绝人为失火或纵火案件的发生。