GIS技术在森林防火水资源优化配置中的应用

张凌霄

(辽宁润中供水有限责任公司，辽宁 沈阳 110000)

2019年9月，澳大利亚东岸发生森林大火，持续了近7个月，超过1000万hm2土地、2500栋房屋、10亿只动物被焚毁；2020年3月30日，我国四川省凉山发生森林火灾，造成30名扑火队员牺牲。随着全球气候变暖，森林防火工作压力逐渐增大，因此借助现代计算机技术来提高森林防火水平，成为当前欧美等发达国家的流行做法。

1 研究区概况

本文研究区域森林面积约7032hm2，覆盖率约为55.3%。该地区经济欠发达，生态环境人为破坏程度逐渐增加，但雨量较多，水资源较为充裕。通过实地调查，发现该研究区森林防火工作存在以下问题：①道路网络覆盖面小，若发生森林大火，消防员无法及时赶赴现场；②虽然区域内水资源丰富，但是均集中在东部，分布极为不均，无法覆盖大部分林区。因此相关部门决定利用GIS技术制作森林火灾风险等级图，为优化水资源配置提供技术参考。

2 GIS技术原理介绍

地理信息系统(GIS)是在计算机软、硬件支持下，一种专门用于采集、存储、管理、分析和表达空间数据的信息系统，既是一种表达、模拟现实世界和空间数据分析处理的工具，又是人们用于解决空间问题的资源，同时还是一门关于空间信息处理分析的科学技术[1]。

一个GIS系统从建立到应用分以下5个步骤：①定义一个问题；②采集和获取数据；③建立数据库；④实施分析；⑤解释和展示结果。其中最为核心的工作是数据获取和分析，最终建立项目区各类图层(如图1所示)，将需要分析的数据直接以图层形式调出即可，更加直观清晰[2]。

图1 GIS图层建立示意图

3 GIS技术在森林防火水资源优化配置中的应用

本项目林区需要建立的数据库包括：地形图、河流水系图、道路交通网图、消防供水设施点等。利用GIS系统软件建立各要素图层，设计比例尺为1∶10000，主要过程如图2所示[3]。

图2 本项目水资源优化配置设计过程结构图

具体操作如下：①建立林区道路网交通和消防供水设施点图层；②建立林区DEM和评价模型，并结合林区实际情况，建立森林火险等级图；③针对现有条件来优化水资源配置[4]。

3.1 林区道路网络合理密度及图层数据建立

提高森林防火安全性的一个重要影响因素就是道路，主要作用体现在三个方面：①可以使灭火设备、救火人员快速抵达现场，一定程度平衡林区水资源分布；②可以作为防火带阻碍大伙蔓延速度；③道路网密度、广度直接决定了林区管理人员的活动范围，可大大提高发现火源速度，防止火势失控[5]。

3.1.1林区道路合理密度计算

关于林区道路密度设计，仍然将经济因素作为首要考虑点，林区道路建设除了对生态系统造成影响，而且对施工要求限制较多，并且很多道路会被逐渐遗弃，所以并不是密度越大越好。在此采用式(1)计算本项目林区道路合理密度值d[6]，该林区为丘陵地，经计算d=12m/hm2，比合理值略小，见表2。因此在必要情况下可通过增加道路密度作为优化水资源配置的手段之一。

(1)

式中，a—林道有效系数，参考值见表1；x—集材费，m3/元；m—单位面积林区出材量，m3/km2；r—林道造价，元/m。

表1 林道有效系数a参考值

表2 合理林区道路网密度参考值 单位：m/hm2

3.1.2道路网络图层数据建立

林区道路网络图层包括的要素：道路编号、等级、长度、标志(单行线、岔口、路标)、速度限制等[7]。该林区地处经济欠发达地区，且周边无重要交通或经济枢纽，因此道路网络相对简单，具体如图3所示。

图3 林区范围及道路网络图层示意图

3.2 林区消防供水设施点及影响范围分析

3.2.1林区河流水系和消防取水点图层设计

林区河流水系和消防取水点对防火安全性有着决定性作用，林区河流水系和消防取水点图层要素具体包括：供水点位置、编号、供水量、供水形式、周边道路等[8]。共包含一条山溪性河流和三处取水点(如图4所示)，由此可知东部相对来水水资源充裕。

图4 林区消防取水点位置及影响范围图层示意图

3.2.2水源点和取水点影响范围分析

水源点和取水点的影响范围主要由周边道路情况决定，具体确定步骤如下：①设一个取水点的道路空间网络G=(V，E，C)，其中V表示道路节点集合，E表示边界，C表示取水点；②以取水点为中心，凡是在30min以内能够获取水源并赶至失火位置的区域，均划归为该取水点影响范围[9]。通过实地调查，各取水点的影响范围图层如图4所示。由图4可知：取水点影响范围还是由距离决定，东西两端被辐射到，但中部大块森林缺失。

3.3 森林火险等级图制作分析

根据林区的植被类型、树木密度、树木年龄、气候、地形(包括坡度、坡向、海拔、土壤种类)、防火带、道路水系网覆盖度等因素分析[10]，将该林区划分类别及所占面积比如下：高风险区(23%)、中风险区(28%)、低风险区(49%)三类，如图5所示。其中低风险区以目前消防配置水平完全可以控制火灾，因此不再详述[11]。

图5 项目林区风险等级划分

3.4 水资源优化配置分析

3.4.1建立项目林区DEM图

数字高程模型(DEM)是地形表面形态属性信息的数字表达，包括三维空间和地形属性特征，通常用网格单元将研究区划分[12]。林区DEM图单元格标准为500×500m，包括高程、坡向、坡度等参数[13]，如图6所示。

图6 项目林区风险等级划分DEM示意图

3.4.2优化水资源配置

以高风险区为分析对象，设定时间为t，本项目要求划分的各DEM从发现火情到获得灭火治理间隔时间t<30min。根据这一规定，本项目需采取以下措施优化水资源配置。

①针对附近无水源区域，根据实际地形在低洼处开挖蓄水池塘，建立新的消防供水点。本项目共新建6处取水点(如图5所示)，其中5处集中在高风险区，且能兼顾中风险区[14]。

②由之前计算可知道路密度值较小，因此本项目设计在坡度小于35°区域修建林区道路，以扩大各取水点影响范围。共需新建道路23km，为降低成本，道路均为单行道，每隔50m设计一处让道平台，这些信息会全部以立体形式展现在GIS地图中[15]。

4 结语

利用GIS技术处理本项目林区地理信息，大大提高了区域防灾灭火技术水平，系统能够根据任意出火点自动给出最佳取水点位置、路线、灭火方案等信息，可大大提高扑火人员及设备救助的及时率和有效性，取得了较好的经济社会效益。但是该系统一方面对管理者综合素质要求较高，必须学会日常操作、维护，而且系统缺乏人的主观能动性，无法根据火情变化及时作出调整，因此使用单位应当结合自身特点，通过日常操练、演习等方式充分发挥该系统的作用，切不可完全被系统指挥。