内蒙古大兴安岭森林火险等级评价与区划研究

赵鹏武葛晨赫王嘉夫周 梅陈晓蕾张 恒

（1.内蒙古农业大学林学院，内蒙古 呼和浩特 010019；2.内蒙古大兴安岭林业科学技术研究所，内蒙古 呼伦贝尔 022150；3.郑州植物园，河南 郑州 450042）

火是森林生态系统重要的自然驱动力，决定着系统的结构和功能[1]。森林火灾是一种突发性强、破坏性大、处置救助较为困难的自然灾害。森林火险区划是指在森林可燃物分类的基础上，结合其他火环境，将林内区域划分为不同危险等级，从而更好地进行林火管理[2]。森林火险等级评价及火险区划研究是森林防火策略制定的重要依据。美国、澳大利亚、加拿大等发达国家对森林火险等级评价与火险区划很早就进行了有针对性的研究，且技术趋于成熟。代表性的林火预报与评估系统有加拿大森林火灾天气指标系统（CFFWIS）[3]、美国森林火险等级系统（NFDR ES）[4]和欧洲林火系统（EFFTS）[5]。

国内外学者已经发表的相关研究成果对其他地区的火险等级评价和火险区域的划分有着重要的借鉴意义。Jaiswal等[6]以印度得亚邦地区为研究对象，以卫星数据作为参考，将GPS作为工具，划分出该地区的森林火灾危险区。Chuvieco等[7]利用遥感以及GIS等不断更新的地理科技探测工具和相关理论，总结了新的森林火险区划方法。郭怀文等[8]通过参考福建省三明地区2000年至2009年间森林火灾发生的相关数据，采用聚类分析方法，针对该地11个区县划分了森林火险等级；邓欧等[9]借助RS和GIS技术，以黑龙江省从2000年起10年间的森林火灾发生的时间及林火影响因子的空间数据为基础，构建Logistic林火风险模型，从较大的时间和空间尺度上进行森林火险区划。谭三清[10]将广州市作为研究对象，用聚类分析法对相关森林火险区划数据加以归纳梳理，将不同类型的火险区划分出来。王华丽[11]针对国内各省森林火灾风险，综合运用了因子及聚类分析法进行不同等级的划分。张恒等[12-13]运用数理统计及聚类分析的方法，对内蒙古巴林右旗各个苏木乡镇及赤峰市进行了森林火险等级评价并完成了火险区划。包兴华[14]根据内蒙古大兴安岭地区近60年的火灾资料，分析了火灾发生的时间变化规律和空间变化规律。

内蒙古大兴安岭是我国最北部边疆唯一的寒温带针叶林区，生态功能区面积、有林地面积、森林蓄积等均居全国国有林区之首[15-16]。其与俄罗斯、蒙古边境线长达440 km，区内林草、林木相连，林农交错，火源管理难度大，且林内杂草生长旺盛，地被物厚且容易燃烧，极易发生森林火灾。本研究以内蒙古大兴安岭地区为研究对象，利用森林火险等级评价及聚类分析2种方法，对该地区进行森林火险等级评价并完成火险区划，为当地林业局及相关管理部门在森林火灾的管控和相关资源调配方面做出理论上的防范预案，使相关部门在进行工作时能够有所参考。

1 研究区概况

内蒙古大兴安岭重点国有林区（图1）位于东经119°36′26″～125°24′10″，北纬47°03′26″～

53°20′00″[17]，海拔高度425～1 760 m[16]，总面积

约1.07×107hm2，是我国四大国有林区之一。林区地处高纬地带，南北跨7°，地域辽阔，是中国最大的集中连片的国有林区[18]。内蒙古大兴安岭地区属寒温带大陆性季风气候，全年平均气温

−4～−2 ℃，≥10 ℃积 温1 100～2 000 ℃。冬 季

（平均气温＜10 ℃）长达9个月，夏季（平均气温≥22 ℃）不超过1个月。全年降水量在350～500 mm之间，相对湿度70%～75%。积雪期5个月之久，无霜期80 d[19]。林区主要以草甸土、棕色针叶林土、冲积土、暗棕壤、沼泽土和灰色森林土等土壤类型为主[20-21]。

图 1 内蒙古大兴安岭各林业局行政区划Fig.1 Administrative divisions of each forestry bureau in Daxing'an Mountains,Inner Mongolia

2 研究方法

2.1 森林火险等级评价方法

根据内蒙古大兴安岭重点国有林管理局防火办公室、气象局、交通局等部门提供的内蒙古自治区大兴安岭20个林业局及1个管护局的树种燃烧类型、人口密度、防火期平均降水量、防火期平均气温、防火期平均风速、路网密度6项火险因子数据，运用森林火险等级评价方法计算出森林火险因子的权值之和（森林火险区划单位根据区划地区各项火险因子的实际数值与表1中的级距对号，并把相应的权值累加，得出权值之和）以及3项综合得分值（第1项综合得分值＝有林地、灌木林地与未成林造林面积之和×火险因子权值之和；第2项综合得分值＝活立木蓄积量×火险因子权值之和；第3项综合得分值＝有林地、灌木林地与未成林造林面积之和与该地区总面积之比×火险因子权值之和），根据3项综合得分值，对照行业标准中的火险等级阈值表（表2）的标准分值，取其中对应值高的火险等级作为该地区的森林火险等级[14]。

表 1 森林火险因子权重表Table 1 Weight of forest fire risk factor

表 2 火险等级阈值表Table 2 Threshold of fire danger rating

2.2 聚类分析法

聚类分析方法即利用数学方法反映出把变量（样品或指标）由其相应的某些特性加以归纳分类后其不同个体间的关系图谱[22]。使用的系统聚类是将每个样品分成若干类的方法，也是目前最常用的聚类方法之一。

造成森林火险的原因多种多样，其因子量纲也有较大差异，这尤其表现在各数据的大小上，故而标准化处理是不可缺少的首要一步，然后再进行针对性的分类。本研究中的数据需经过标准化处理，先把每一列的数据值减掉均值，再用得出的数据值除以标准差。即：

对得出的公式加以变换，可以得到每一列数值的平均值是0，而方差为1。经过欧式距离加以计算，即：

式中： EUCLID(x,y)为样本之间的距离；k为指标个数；i为指标次序；x、y为样本，xi是 个体x的第i个变量的变量值，yi是个体y的 第i个变量的变量值。

根据不同样本间的距离，逐一把距离最小的样本归为一类，从而连接出聚类分析图。

2.3 数据分析

本研究采用Excel 2010软件进行数据处理，根据整理好的有关人口密度、路网密度、气象因子差异等数据用Origin 2018软件绘制该地区各相应曲线，运用SPSS 21.0统计分析软件，按照经过标准正态变换后的指标体系的欧式距离[23]，以内蒙古大兴安岭各行政区划的原始火线数据为基准，选取路网密度和总面积进行聚类，得出聚合系数随分类数变化曲线。

3 结果与分析

3.1 森林火险等级评价

3.1.1 火险因子分析

1）树种燃烧类别。在内蒙古大兴安岭林区植被中，兴安落叶松占绝对优势，主要包括杜香（Ledum palustre）−兴安落叶松（Larix gmelinii）林、杜鹃（Rhododendron simsii）−兴安落叶松（Larix gmelinii）林等12种林型[24]。落叶阔叶林主要有白桦（Betula platyphylla）林、岳桦（Betula ermaniivar.ermanii）林、蒙 古 栎（Quercus mongolica）林、山杨（Populus davidiana）林、钻天柳（Chosenia arbutifolia）林、甜杨（Populus suaveolens）林。灌木有杜鹃和杜香等[25]。这些树种的蓄积量占各地区总蓄积量的55%以上，且燃烧类别均为可燃类（其中蒙古栎为易燃类）。

2）人口密度状况。通过对内蒙古大兴安岭20个林业局及1个管护局的人口调查与土地面积的相关统计报告分析，人为因素对森林火灾的发生发展影响相对较大，由图2可知，人口密度最高的区域为甘河，所以当地的森林火险指数表现的尤为突出；阿尔山、绰源、绰尔、乌尔旗汉、图里河、库都尔、伊图里河、克一河、阿里河、吉文、阿龙山、金河、满归、莫尔道嘎、得尔布尔、根河等林业局人口密度相对较低，对森林的人为干扰相对较低，因此森林火灾危险性相对较低；而大杨树、北大河、毕拉河、管护局人口密度最低，人为因素对森林影响最小，故这些地区的森林火险指数最低。

3）路网密度状况。通过对内蒙古大兴安岭20个林业局及1个管护局公路数据加以梳理[26]。结果发现造成路网密度各不相同的原因较多，其中主要原因是不同地区的经济发展程度各不相同，土地面积总量有较大差异，且人口数量差异更为明显。森林火灾的危险性大小同时取决于路网密度的高低，由图3可知，阿龙山的森林火灾危险性最高，大杨树的森林火灾危险性最低。

4）气象因子状况。根据2015年内蒙古大兴安岭20个林业局及1个管护局防火期内3项气象因子的月平均数据梳理得出，阿里河森林火灾危险性较高，管护局森林火灾危险性较低，其他林业局森林火灾危险性中等（图4）。

图 2 内蒙古大兴安岭各林业局及管护局人口密度状况Fig.2 Population density of each forestry bureau and management bureau in Daxing'an Mountains,Inner Mongolia

图 3 内蒙古大兴安岭各林业局及管护局路网密度状况Fig.3 Road network density of each forestry bureau and management bureau in Daxing'an Mountains,Inner Mongolia

图 4 内蒙古大兴安岭各林业局及管护局气象因子差异Fig.4 Differences of meteorological factors among different forestry bureaus and management bureaus in Daxing'an Mountains,Inner Mongolia

3.1.2 森林火险因子权值之和

根据对内蒙古大兴安岭20个林业局及1个管护局的6项火险因子数据分析，对比该标准，计算各项权值然后进行求和，结果见表3。

表 3 内蒙古大兴安岭各林业局及管护局火险因子权值之和Table 3 Sum of weights of fire risk factors of each forestry bureau and management bureau in Daxing'an Mountains,Inner Mongolia

3.1.3 综合得分值计算

通过对内蒙古大兴安岭20个林业局及1个管护局的6项火险因子数据进行归纳计算，由其权值得出3项综合得分值。由图5可知，第1项综合得分值最高为管护局、最低为绰源、得尔布尔、北大河等3个林业局，比较行业标准的同一数据值，低于0.2～5.3，表示其相应的发生林火造成危险的可能性较小；5.3～65.1，表示发生林火造成危险的可能性中等；大于65.1，表示发生林火造成危险的可能性最大。造成这一差异原因主要在于防火期平均气温和路网密度2项火险因子所得权值的不同。第2项综合得分值最高为莫尔道嘎林业局，最低为伊图里河、克一河、管护局，比较行业标准的同一数据值，小于256.4，表示其相应的发生林火造成危险的可能性较小；256.4～856.9，表示发生林火造成危险的可能性中等；大于856.9，表示发生林火造成危险的可能性最大。造成这一差异的原因主要在于各林业局及管护局的活立木蓄积量不同。第3项综合得分值的最高为绰尔、阿里河等两个林业局、最低为大杨树、北大河等两个林业局，根据行业标准的同一数据值来看，小于43，表示其相应的发生林火造成危险的可能性较小；43～72表示发生林火造成危险的可能性中等；大于72，表示发生林火造成危险的可能性最大。造成这一差异的原因主要在于各个林业局的土地面积不同以及灌木林地、未成林造林地和各林地面积之和的不同。根据国家对森林火险等级评价有关规定取3项综合得分值中的1项对应火险等级最高的，作为各林业局及管护局最终的森林火险等级。

图 5 内蒙古大兴安岭各林业局及管护局3项综合得分值Fig.5 Three comprehensive scores of each forestry bureau and management bureau in Daxing'an Mountains,Inner Mongolia

3.1.4 森林火险等级

根据行业标准得出森林火险等级,进而完成火险区划。火险等级Ⅱ级是森林火灾危险性中，易燃、易蔓延，以橙色表征；火险等级Ⅰ级是森林火灾危险性高，表现为极易燃烧及蔓延，以红色表征。由图6可知，伊图里河的火险等级属于Ⅱ级，其他地区火灾危险等级属于Ⅰ级（相应权值见图6）。

3.2 森林火灾危险性分析

由图7知，分类数值对应5的时候，符合聚类要求。由聚类分析结果（图8）可将此地区的火灾危险性分为5类，金河火灾危险性最高，为聚类1；绰源、得尔布尔火灾危险性次之为聚类2；甘河、阿龙山、克一河、吉文、北大河、图里河、满归、阿尔山、库都尔、绰尔、伊图里河、阿里河火灾危险性高为聚类3；根河、莫尔道嘎、毕拉河、乌尔旗汉火灾危险性较低为聚类4；大杨树、管护局火灾危险性最低为聚类5。

图 6 内蒙古大兴安岭火险等级Fig.6 Fire risk rating of Daxing'an Mountains,Inner Mongolia

图 7 聚合系数随分类数变化曲线Fig.7 Cluster coefficient curve with the change of number of classifications

由聚类结果得到内蒙古大兴安岭各行政区划森林火灾危险性分布（图9）。对各林业局原始数据和区域概况进行分析可得，聚类1和2的区别主要是活立木总蓄积量差异过大，而聚类1与3的不同集中体现于2个聚类的活立木蓄积量及防火期平均风速相差较大，聚类1与4的不同集中体现于防火期平均气温、防火期平均风速、活立木蓄积量不同，聚类1和5的主要区别是人口密度不同，聚类2和3的区别主要是防火期平均气温、防火期平均风速不同，聚类2和4是由于防火期平均降水量存在差异，聚类2与5的不同集中体现于人口分布的密集度、防火期的温度均值、路网密度相差较多，聚类3和4的不同是由于防火期平均气温、路网密度不同，聚类3和5的不同是由于人口密度、防火期平均气温、路网密度之间有差异，聚类4和5的不同主要是因为人口密度、防火期平均气温和有林地、灌木林地、未成林造林地面积的差异过大。

图 8 聚类分析图Fig.8 Cluster analysis

图 9 内蒙古大兴安岭森林火险危险性Fig.9 Forest fire risk rating in Daxing'an Mountains,Inner Mongolia

4 结论与讨论

本研究以内蒙古大兴安岭地区为研究对象，利用森林火险等级评价及聚类分析2种方法，对该地区进行森林火险等级评价并完成火险区划，结论如下：

1）由行业标准的相关判别依据，内蒙古大兴安岭森林火险等级结果评价为：伊图里河的森林火险等级为Ⅱ级，其他地区的火险等级是Ⅰ级。

2）以内蒙古大兴安岭的森林火险等级评价将该地分类为2个火险区：伊图里河是中等火险区（占总面积3.97%），而其他地区为高等火险区（占总面积96.03%）。

3）按照聚类分析结果，把内蒙古大兴安岭分成5个火灾危险性不同的区域：金河火灾危险性最高（占总面积6.04%）；绰源、得尔布尔火灾危险性较高（占总面积5.49%）；甘河、阿龙山、克一河、吉文、北大河、图里河、满归、阿尔山、库都尔、绰尔、伊图里河、阿里河火灾危险性高（占总面积46.77%）；根河、莫尔道嘎、毕拉河、乌尔旗汉火灾危险性较低（占总面积22.97%）；大杨树、管护局火灾危险性低（占总面积18.73%）。

森林火险等级的划分，要考虑人为因素给其造成的影响，包括森林火险等级公式的表现方式、防火期强燃级天数的确定等[27]。虽然森林火险等级能较细致清晰地描述该日森林火灾发生可能性，但造成森林火灾发生因素还主要取决于火源的相关情况以及林内可燃物的分布状况；通过对已有的森林火灾相关状况及数据进行统计分析，可以根据归类不同来进行森林火险等级划分，并根据已有案例来验证划分的准确性，尽管与实际情况有着一定差异，但其所得的林火可能发生的概率，仍有较大的参考价值。另外针对此类情况，建议相关部门可以构建气象信息共享系统（CIMISS）[28]，进而同森林火灾数据库相互联系并使其能够及时得到数据更新，实现更为精确预警森林火灾的目的，从而更好的划分森林火险等级[27]。

本研究基于内蒙古大兴安岭各行政区树种燃烧类别、人口密度、路网密度、防火期月平均降水量、气温、以及风速等6项火险因子数据，经过森林火险等级评价方法和聚类分析方法将该地区划分为2个火险等级、5个火险区。本研究结论的得出，有助于内蒙古大兴安岭地区有针对性的加大对防火基础设施建设的投入，也使得处于高火险区的林业局更加关注森林防火与林火发生的火源管控、抢险救援团队的培养、相关护林科技新设备的研究和使用等角度更加全面地、有针对性地进行管控，努力实现森林防火由被动扑火向主动预防的转变[29]。