林火蔓延模型的进展研究＊

杨盛菁，李 娜

（兰州财经大学，甘肃 兰州 730000）

1 林火蔓延模型

林火蔓延是一种林火行为，是指森林起火后，由火点向其上下及周围的扩展。林火蔓延模型是在对各种条件进行简化下，应用数学方法进行处理的一种定量关系式，可以用这些关系式来预测林火行为。林火蔓延模型的选取是实现林火蔓延模拟的基础，选取不同的模型对应的模拟效果也就有所差别。

首先做此方面研究的是W.R.Fons，他在1946年提出了林火蔓延模型的数字模型，在他之后也有许多专家提出了不同的林火蔓延模型，当然其中我国的林火蔓延模型也得到了较为广泛的应用。目前的林火蔓延模型主要分为三类，分别为：统计模型、经验模型和物理模型。

美国的Rothermel 模型就是典型的物理模型。因其可燃物较为均匀，可依据热传导公式对火蔓延的初始速度进行求解。该模型由于是从林火蔓延的主要机理出发，因此模拟效果较好，今后的许多模型都参考了该模型。

加拿大林火蔓延模型是经过290 次点烧试验的统计模型，他不考虑影响火蔓延的其他因素，而是通过现场的火灾情况或者试验模拟收集数据进行分析从而建立模型。

澳大利亚的McArthur 模型经过试验，通过多次点烧获得的模型，Noble I.R.等人对McArthur 进行火险尺的定量描述，它可以预测某些火险天气，还能为一些重要的火险行为提供定量的参数，对于及时救火有重要作用。由于它可适用的情况比较少，只有草地或者桉树林才能用于此模型，具有一定的局限性，适用于我南方地区的森林防火。

我国的林火蔓延模型主要以王正非模型为基准。王正非模型是通过在我国东北的大兴安岭林区进行多次点烧试验得到的，对于我国北方森林比较适用，公式方便、简单，但在坡度大于60 度时，该模型的准确率将降低。而且实用性不强，该模型仅考虑了上坡和下坡的情况，当风向与坡度不一致时，此模型将不再适用。

毛贤敏在王正非模型的基础上进行完善，对坡度进行的进一步的研究，增加了左右平坡方向因素，对坡度的计算进行了修正，采用了国外Lawson蔓延因子对坡度进行重新计算，更符合实际情况。

2 林火蔓延的影响因子

林火蔓延的影响因子可以分为四类：土壤、可燃物、气象及地势。土壤影响因子包括：土壤中的矿物含量、矿物含量变化率等；可燃物因子特性包括：容可燃物密度、水分含量和化学成分等；气象因子是林火蔓延过程中最易受影响的因素，风的方向、气温以及相对湿度都会对林火蔓延的速度产生影响；在地形因子中，坡的陡峭程度和方向是影响较大的。本文主要对影响较大的可燃物、气象和地形进行模拟研究。

1）可燃物：种类不同，那么相应的化学成分、物理结构及大小均不相同，导致可燃物的燃点及其燃烧速度有一定程度的差距。若可燃物的燃点低，燃烧速度较快，且火的方向将会朝着燃点低的物质方向蔓延。相反，若可燃物燃点高时，燃烧速度就将缓慢。比如杂草、落叶和地面的枯树枝等较为细小的可燃物，随着大气中含水率的变化，很容易就可以点燃。而较为粗大的植被将随着天气的改旱与否进行变化，因此就不会轻易燃烧。

2）气象：顺风蔓延的速度最快，逆风蔓延缓慢，侧风蔓延则介于二者之间。风容易将可燃物风干，加速燃烧，能改变热传播，使不同方向的热流变为热平流，直接影林火蔓延的速度。风还可以带来充足的氧气加速燃烧的过程。此外，风向能决定林火蔓延方向。在火场上，当风向突变时，火势会减弱，有利扑救。除了风向以外的其他气象因子，如温度、湿度、降水、日照等都与林火蔓延有关。林火蔓延与时间密切相关，时间愈长，火场蔓延面积愈大；反之，火场蔓延面积也小。

3）地形：在不同的地域上，可燃物的种类及其分布情况是种随机状态，在地势变化的情况下，生态因子将会随之转变，从而影响火场环境。且地势参差不齐时，热流的传导也会受影响。如火在阳坡、山脊时，立地条件干燥，林火蔓延速度较快；而火在阴坡、山谷时，立地条件潮湿，林火蔓延则缓慢。当火向呈上坡蔓延时，燃烧速度较快，不易扑灭；当火向呈下坡蔓延时，燃烧速度较慢，此时容易扑救。坡度大小对林火蔓延影响较大，在一般情况下，坡度越大燃烧速度越快，但若坡度足够大时，林木间的距离也相应增大，反而不会对林木造成重大损失。但坡度平缓时林木受火影响较为严重。

3 林火蔓延模拟的实现

林火蔓延的预防和补救是近年来比较迫切的需求，实现林火蔓延模拟将有助于对现实森林进行可视化的管理。由于林火蔓延的模型较为复杂多样，数据庞大，将利用计算机实现林火蔓延的模拟，当然，这也是今后发展的必然趋势。

林火蔓延模拟运用较多的则是栅格式的模拟，首先将所需要模拟的数据进行栅格化处理，针对每一个栅格输入林火蔓延影响因子的信息然后选择合适的模型计算出林火蔓延的初始速度。最后利用元胞自动机（CA）、地理信息系统（GIS）等方法实现林火蔓延的可视化。其中元胞自动机是一种动力学模型，其当下这一时刻元胞的状态和相邻元胞的状态会对下一刻元胞的状态产生影响。林火蔓延作为一种时空动态变化过程，因此与CA 模型相容性非常之高，目前通过CA 模型来分析林火蔓延已成为研究热点。

随着人类的发展，人类可用的信息技术与计算机手段与时俱进，林火行为的研究也从二维的理论探索转变为三维的可视化研究，将空间模型与其他因子进行组合，如：树冠火模型、飞火模型等，从而构建大量的空间模型。通过大量的应用和完善，模型结果与真实林火的发生过程愈发契合，因此实践性较高，应用范围较广，其被广泛应用于森林消防设计、火情分析、扑火决策等方面，为我国林火管理提供了重要的技术支持。

3.1 火场模拟器

火场模拟器是一种林火蔓延模拟系统，出自美国林务局研究站，目前在美国林务局、国家公园等行业中广泛应用。该模拟器是基于BEHAVE 火行为预测系统，将某些林火蔓延的影响因子，如气象因子及可燃物因子等，通过一系列经典模型，诸如树冠火、飞火等，对火线的时空变化过程进行科学、精准的预测，从而以二维模拟的方式反映出林火的实际行为。该模型在对火扩展的速度和形状进行描述时，主要采取的是惠更斯原理，是一种矢量模拟模型。

3.2 普罗米修斯

普罗米修斯系统目前是加拿大关于扑火、火情分析、方案决策制定、森林及社区消防安全设计的主要工具，已成为国家级标准。该模型隶属于加拿大林火预测系统，以惠更斯原理和椭圆增长理论作为模型的传播方程，同时采用Richards 小波传播模型的一种实时空间林火蔓延模拟系统。

3.3 菲尼克斯

菲尼克斯是由墨尔本大学所研发的一种灌木林蔓延模拟系统，以澳大利亚联邦科工组织实践为目的，基于McArthur 草原火蔓延模型的林火蔓延模拟系统。对于澳大利亚林火蔓延的实现过程进行精准预测。目前，菲尼克斯模拟系统已经在澳大利亚东南部的林火扑救中广泛应用。

总之，空间模型的构建都是基于传统方程和模型基础之上的，主流的传统模型有CFBP 模型、McArthur 模型、Rothermel 模型。同时，空间模型作为一种矢量模型，更能体现出真实的模拟效果，且通过对不同种类的火行为模型方式进行结合，使得空间模型的模拟效果更高，与实际情况的契合度更高。林火三维可视化的实现，帮助人们更好的进行防火控火，增强了人类的社会安全感。

4 总结

本研究结合了林火蔓延的影响因子对林火蔓延模型的现状进行一定程度的研究。重点分析了可燃物、气象因子、地形因子在林火蔓延中的重要性，在今后的研究中对于风向、坡度等方面应着重优化。当前的林火蔓延模型所研究的内容较为单一，只适用于其特定的情况，不能普遍推广。今后需在模型综合性方面探究。由于林火蔓延模型起源于国外，因此模型中的某些参数并不适用于我国森林地况，我国应继续研究更适用于中国森林地势的林火蔓延模型，鼓励诸如王正非等人对问题深入研究。在我国有关专家的努力下近年来我国林火蔓延模型研究也逐渐完善，且林火蔓延模拟的实现也越发成熟，以后也将探索更全面更方便的模型达到更好的模拟效果。随着科学的发展，将极大的减少森林火灾的发生，对维护森林安全有着极大的作用。