基于GIS 的北京市延庆区森林火灾蔓延风险*

王 博 杨雪清 蒋春颖 刘 冬 陈 锋 白 夜 刘晓东

（1. 北京林业大学生态与自然保护学院 森林草原火灾风险防控应急管理部重点实验室 北京 100083；2. 国家林业和草原局林草调查规划院 北京 100013；3. 北京市延庆区园林绿化监测中心 北京 102100）

森林火灾发生危险是指林火发生的可能性，蔓延危险是指林火蔓延的可能性，蔓延风险是指林火蔓延及其造成破坏损失的可能性，是林火蔓延可能性及蔓延产生后果的综合度量（危险是指可能性，风险是对可能性和可能产生的后果的综合度量）（Chuviecoet al., 2010；国志兴等，2010；唐博海，2016）。受全球气候变暖和土地用途变化影响，森林火灾发生的频率和强度明显增加，在易燃植被类型、特殊危险地形、恶劣气象条件的综合作用下，森林火灾快速蔓延失控的概率大幅度上升（马玉春等，2021），严重威胁森林资源和野生动植物生存栖息地，威胁生命财产安全和国土生态安全。因此，科学评估森林火灾发生危险，可以确定容易发生森林火灾的区域，为野外火源管理和可燃物清理提供依据。科学评估蔓延危险和蔓延风险，可以确定林火容易蔓延且造成破坏损失的区域，为林火阻隔体系建设、灭火资源和应急力量布局提供依据，具有重要的理论和应用价值。

林火蔓延是林火行为的重要指标，可以为森林火灾风险评估提供基础信息，对于科学规划林火管理和合理分配扑火资源具有重要意义（Rodrigueset al.,2022）。Calkin 等（2010）综述了将林火蔓延、林火强度和重要承灾体变化纳入风险框架的方法，并在美国俄勒冈州进行了评估应用，在考虑林火双重作用（有利和有害）的基础上，探讨林火可能性和强度如何在区域范围内影响社会、经济、生态价值的风险。Hysa等（2019，2022）利用野火着火概率指数和野火蔓延能力指数评估阿尔巴尼亚北部阔叶林地的森林火灾风险和巴尔干半岛蛇纹石土壤植被的野火脆弱性。Aparício 等（2022）基于林火行为模拟和网络分析方法，量化了可燃物空间分布对火灾连续蔓延的影响，为降低大火蔓延风险、减少极端火灾的潜在影响提供依据。

森林火灾风险评估主要是选择若干与森林火灾风险相关的指标，构建风险评估指标体系，然后采用数学方法对选取的指标进行量化分析，最终得出森林火灾风险等级指数。火险因子的选择是火灾风险等级划分首要的基础工作，其合理性直接决定火灾风险等级划分的科学性、适用性（王卫国，2017）。已有研究选取的指标主要包括可燃物因子（如植被类型、含水率、燃烧性等）、气象因子（如相对湿度、温度、降水量、风速等）、地形因子（如海拔、坡度、坡向、坡位等）、火源管理及消防等基础设施等（Adabet al., 2018;Milanovićet al., 2021; Youet al., 2017）。风险评估的方法主要包括基于通用风险评估模型评估、基于林火预报评估、基于林火蔓延模型评估、基于GIS 和RS 评估等，评价指标量化的方法主要包括德尔菲法、专家调查法、层次分析法、熵值法、加权平均法、灰色关联度法等（王睿琛等，2021）。但目前尚无根据火险因子开展森林火灾蔓延风险评估的相关研究。

延庆区是全国生态文明建设示范区、首都西北部重要生态保育及区域生态治理协作区，也是2022 年北京冬奥会和冬残奥会赛区之一，森林覆盖率61.63%，生物多样性极其丰富，生态区位极其重要。本研究以延庆区为研究对象，建立森林火灾蔓延风险评估框架（包括发生危险、蔓延危险、蔓延风险3 部分），利用2019 年森林资源二类调查小班数据、森林可燃物数据、人口数据、30 m 分辨率数字高程数据、气象数据，基于GIS 开展多尺度（小班、村屯、乡镇）森林火灾蔓延风险评估，研究结果可以为林火精准化防控提供依据。

1 研究区概况

延庆区（40°16′—40°47′N，115°44′—116°34′E）地处北京市西北部，东邻怀柔区，南接昌平区，西与河北省怀来县接壤，北与河北省赤城县相邻，是首都西北部重要的生态安全屏障。该区北东南三面环山，全境平均海拔500 m 左右，幅员面积19.94 万hm²，其中山区、平原、水域面积约为14.52 万、5.22 万、0.2 万hm²，山区面积占比达72.82%。辖区属温带与中温带、半干旱与半湿润带的过渡地带，大陆性季风气候。气候冬冷夏凉，年平均气温8 ℃，年日照2 800 h。全区森林资源丰富，森林面积12.29 万hm²，活立木蓄积量528.9 万m³。受极端天气、可燃物、火源等因素的影响，森林火灾潜在风险不断加大。每年的11 月1 日至次年5 月31 日是森林防火期，1 月1 日至4 月15 日是森林高火险期。2020 年3 月18 日，延庆区永宁镇四司村发生森林火灾，在大风作用下火灾快速蔓延，严重威胁区域生态安全。

2 研究方法

2.1 数据来源

2019 年森林资源二类调查小班数据来自延庆区园林绿化监测中心，属性指标包括地类、面积、蓄积量、优势树种（组）、树种组成、郁闭度、灌草植被总覆盖度等。

森林可燃物数据和人口数据来自北京市森林火灾风险普查项目中的数据成果。森林可燃物数据包括细小可燃物载量、地表可燃物载量。人口数据包括常住人口数、0~14 岁人口数、60~64 岁人口数、65~79岁人口数、80 岁以上人口数。

30 m 分辨率数字高程数据来自于中国科学院计算机网络信息中心地理空间数据云平台（http://www.gscloud.cn）。

气象数据来自北京市气象服务中心提供的2010—2020 年5 个气象站点（佛爷顶、延庆、汤河口、怀柔、昌平）的月最小相对湿度、月平均风速、月大风日数、月降水量、月平均最高气温数据。对气象数据采用反距离权重插值法进行空间插值，并进行数据重采样、掩膜为50 m 分辨率的栅格数据。

2.2 森林火灾蔓延风险评估框架

本研究建立了森林火灾蔓延风险评估框架（包括发生危险、蔓延危险、蔓延风险3 部分），见图1。

图1 森林火灾蔓延风险评估框架Fig. 1 The assessment framework of forest fire spread risk

2.2.1 森林火灾发生危险评估指标 森林火灾发生危险是从森林燃烧三要素的角度分析森林火灾发生的可能性，由于可燃物和氧气在森林中广泛存在，森林火灾发生危险主要由野外火源管理难度、着火难易程度2 个因素决定（阚振国，2006）。本研究选取6 个二级指标评估森林火灾发生危险，见表1。

表1 森林火灾发生危险评估指标①Tab. 1 The assessment index of forest fire occurrence hazard

2.2.2 森林火灾蔓延危险评估指标 森林火灾蔓延危险是指森林火灾蔓延的可能性，主要受森林可燃物、气象因子、地形因子、火行为4 个因素的影响（胡海清，2005）。本研究选取13 个二级指标评估森林火灾蔓延危险，见表2。

表2 森林火灾蔓延危险评估指标①Tab. 2 The assessment index of forest fire spread hazard

2.2.3 评估指标标准化 为了消除评估指标之间的量纲影响，需要对数据进行标准化处理，使每个指标数值分布在[0,1]区间范围内。本研究综合前人研究成果（牛树奎等，2000；王晓丽，2010），将森林燃烧性划分为强燃、易燃、可燃、难燃、不燃5 个等级，采用等距赋值法将其转化为数值进行评价，坡向和坡位的赋值方法依据“第一次全国自然灾害综合风险普查——森林火灾危险性评估”中的赋值方法，其他指标采用离差标准化法进行处理（国务院第一次全国自然灾害综合风险普查领导小组办公室，2021）。

2.2.4 评估指标权重的确定 考虑到没有森林火灾发生危险、蔓延危险权重评价的研究，本文应用层次分析法、熵权法相结合的主客观赋权法确定森林火灾发生危险和蔓延危险的指标权重（孙朝峰等，2022）。首先采用层次分析法计算指标的主观权重，再结合统计数据，利用熵权法确定指标的客观权重，最后将主观权重和客观权重进行等权融合得到综合权重值，作为森林火灾发生危险和蔓延危险评估的指标权重值。

2.2.5 森林火灾发生危险和蔓延危险指数计算 加权综合评价法是灾害风险评估的常用方法，具有系统性强、结果清晰的优点。依据每个评估指标对总目标的贡献程度，分配一个相应的权重系数，然后再与该评估指标相应各指标的量化值相乘后求和。利用加权综合评价法计算小班尺度森林火灾发生危险指数和蔓延危险指数，利用面积加权平均法计算村屯尺度和乡镇尺度森林火灾发生危险指数和蔓延危险指数（国务院第一次全国自然灾害综合风险普查领导小组办公室，2021）。

2.2.6 森林火灾发生危险和蔓延危险等级划分 自然断点分级法通过不断迭代将数据集中不连续的地方作为分级依据，强调自然断点和分组，人为干预较少，可以减少同一级中的差异、增加不同级间的差异（侯丽丽等，2022）。本研究采用自然断点分级法将发生危险和蔓延危险分为高、中高、中低、低4 级。

2.2.7 基于“危险性-暴露度-脆弱性”评估框架的森林火灾蔓延风险评估 本研究的森林火灾蔓延风险是指林火蔓延及其造成破坏损失的可能性，是森林火灾蔓延可能性及蔓延产生后果的综合度量（本研究所指蔓延产生的后果假定100%损失，不考虑林火的有益作用和部分烧毁的情况）。为了更具针对性地提出林火管理措施，本文从蔓延风险(森林资源)和蔓延风险(人口)2 个方面评估森林火灾蔓延风险。

村屯（或乡镇）尺度的森林资源暴露度是村屯（或乡镇）范围内乔木林单位面积蓄积量，单位为m3·hm-2。村屯（或乡镇）尺度的森林资源脆弱性是村屯（或乡镇）范围内强燃和易燃林地小班面积之和与林地总面积之比，量纲为一。根据林地小班单位面积蓄积量计算小班尺度的森林资源暴露度，根据林地小班的森林燃烧性划分小班尺度的森林资源脆弱性等级（强燃对应高等级、易燃对应中高等级、可燃对应中低等级、难燃和不燃对应低等级）。

村屯（或乡镇）尺度的人口暴露度是指村屯（或乡镇）林区及林缘100 m 范围内人口总数与林地总面积之比，单位为人·hm-2。村屯（或乡镇）尺度的年龄结构脆弱性是指村屯（或乡镇）林区及林缘100 m 范围内，老幼人口数（0~14 岁人口数与65 岁以上人口数之和）与人口总数的比值，量纲为一。将村屯的人口暴露度和年龄结构脆弱性指标值赋值给该村屯林地及林缘100 m 范围内的所有小班，得到小班尺度的人口暴露度和年龄结构脆弱性指标值。

利用自然断点分级法进行分级，包括“高、中高、中低、低”四个等级，取值分别为1、2、3、4。基于“危险性-暴露度-脆弱性”风险评估框架，计算森林火灾蔓延风险指数，并根据表3 划分蔓延风险等级（国务院第一次全国自然灾害综合风险普查领导小组办公室，2021）。

表3 森林火灾蔓延风险等级划分标准Tab. 3 Standard for classification of forest fire spread risk level

3 结果与分析

3.1 森林火灾发生危险和蔓延危险指标权重的确定

延庆区森林火灾发生危险和蔓延危险的评估指标权重结果见表4 和表5。

表4 森林火灾发生危险评估指标权重Tab. 4 Forest fire occurrence hazard assessment index weight

表5 森林火灾蔓延危险评估指标权重Tab. 5 Forest fire spread hazard assessment index weight

由表4 可知，森林火灾发生危险的2 个一级指标野外火源管理难度和着火难易程度的综合权重分别为0.771 3 和0.228 7，野外火源管理难度的3 个二级指标综合权重均大于0.23，着火难易程度的3 个二级指标综合权重均小于0.09，说明野外火源管理难度是影响森林火灾发生危险的主要因素。

由表5 可知，4 个一级指标中，火行为是影响森林火灾蔓延危险的主要因素，综合权重达到0.403 2，二级指标中，火行为的3 个二级指标和地形因子中坡度指标的综合权重均大于0.100 0。

3.2 延庆区多尺度森林火灾发生危险

对选取的6 个发生危险指标进行小班尺度加权综合计算，并进行尺度转换，划分等级后得到延庆区多尺度森林火灾发生危险等级图，见图2a。

图2 延庆区多尺度森林火灾发生和蔓延危险等级Fig. 2 Multi-scale forest fire occurrence and spread hazard level in Yanqing District

由图2a 可知，延庆区森林火灾发生危险总体呈现出从平原向山区逐步减小的规律，高发生危险区域主要分布在城区周围的平原区域，在浅山区零星分布。乡镇尺度上，高、中高、中低、低等级的发生危险面积分别占比7.48%、26.72%、52.05%、13.75%，高发生危险乡镇是延庆区西部的4 个平原乡镇（康庄镇、沈家营镇、大榆树镇、延庆镇），村屯尺度上，高、中高、中低、低等级的发生危险面积分别占比0.52%、2.26%、9.22%、88.00%。

小班尺度上，高、中高、中低、低等级的发生危险面积分别占比0.89%、2.92%、11.64%、84.55%。高发生危险小班的地类以阔叶林地、混交林地、经济灌木林地为主，面积占比分别为44.14%、19.83%、19.68%，其他地类占比均小于5.00%。高发生危险乔木林小班的优势树种以杨树、刺槐、柳树为主，面积分别占比55.90%、11.78%、8.60%，其他优势树种占比均小于5.00%。高发生危险乔木林均为人工林，幼龄林、中龄林、近熟林、成熟林、过熟林面积占比分别为37.82%、13.63%、17.51%、12.44%、18.60%。

3.3 延庆区多尺度森林火灾蔓延危险

对选取的13 个蔓延危险指标进行小班尺度加权综合计算，并进行尺度转换，划分等级后得到延庆区多尺度森林火灾蔓延危险等级图，见图2b。

由图2b 可知，延庆区森林火灾蔓延危险呈现出与发生危险相反的规律，从平原向山区逐步增大，且北部山区蔓延危险总体上高于南部山区。乡镇尺度上，高、中高、中低、低等级的蔓延危险面积分别占比35.67%、17.65%、33.11%、13.57%，高蔓延危险乡镇是八达岭林场、松山林场、千家店镇、珍珠泉乡，村屯尺度上，高、中高、中低、低等级的蔓延危险面积分别占比58.73%、25.22%、9.04%、7.01%。

小班尺度上，高、中高、中低、低等级的蔓延危险面积分别占比46.19%、31.24%、8.22%、14.35%。高蔓延危险小班均分布在一般灌木林地、阔叶林地、针叶林地、混交林地4 个地类中，面积分别占比13.87%、25.63%、36.55%、23.95%。高蔓延危险乔木林小班的优势树种以蒙古栎、油松、侧柏为主，面积占比分别为33.48%、30.63%、15.56%，其他优势树种占比均小于5.00%。

高蔓延危险蒙古栎林以天然幼龄林、天然中龄林、天然近熟林为主，面积占比分别为41.04%、36.22%、17.78%，主要分布在千家店镇、珍珠泉乡。高蔓延危险油松林以人工幼龄林、人工近熟林、人工中龄林、人工成熟林为主，面积占比分别为44.17%、27.56%、14.71%、10.96%，主要分布在千家店镇、永宁镇、刘斌堡乡、旧县镇。高蔓延危险侧柏林以人工幼龄林、天然中龄林、天然幼龄林为主，面积占比分别为63.16%、18.61%、12.40%，主要分布在千家店镇、珍珠泉乡、张山营镇。

3.4 延庆区多尺度森林火灾蔓延风险

3.4.1 延庆区多尺度森林火灾蔓延风险(森林资源)森林火灾蔓延风险(森林资源)等级见图3a，延庆区多尺度森林资源暴露度和脆弱性等级见图3b、3c。

多尺度森林火灾蔓延风险(森林资源)评估结果图3a 显示，延庆区森林火灾蔓延风险(森林资源)在小班、村屯、乡镇尺度上均无极高风险区域，乡镇尺度上，中高、中、中低、低风险面积分别占比1.79%、12.53%、54.91%、30.77%，中高风险乡镇是八达岭林场。村屯尺度上，中高、中、中低、低风险面积分别占比2.85%、42.56%、44.66%、9.93%。小班尺度上，中高、中、中低、低风险面积分别占比0.80%、36.71%、48.09%、14.40%。中高风险小班均分布在针叶林地、阔叶林地、混交林地3 个地类中，面积分别占比96.47%、2.87%、0.66%。中高风险乔木林小班的优势树种以油松、落叶松为主，面积占比分别为72.83%、24.30%，其他优势树种占比均小于5.00%。中高风险油松林均为人工林，幼龄林、中龄林、近熟林、成熟林、过熟林面积占比分别为6.42%、3.00%、45.43%、45.07%、0.08%，主要分布在永宁镇、四海镇、八达岭林场。中高风险落叶松林均为人工林，近熟林和成熟林分别占比48.61%、51.39%，主要分布在香营乡、刘斌堡乡、四海镇。

由图3b 可知，高森林资源暴露度区域面积在小班、村屯、乡镇尺度上分别占比0.30%、0.06%、1.76%，高森林资源暴露度乡镇是康庄镇，高森林资源暴露度小班以杨树人工林为主，占比达90.83%。由图3c 可知，高森林资源脆弱性区域面积在小班、村屯、乡镇尺度上分别占比8.10%、25.66%、1.79%，高森林资源脆弱性乡镇是八达岭林场，高森林资源脆弱性小班的地类以针叶林地、阔叶林地、未成林造林地为主，面积占比分别为65.48%、23.08%、10.38%，其他地类占比均小于5.00%。高森林资源脆弱性乔木林小班的优势树种以油松、侧柏为主，面积分别占比43.04%、26.49%，其他优势树种占比均小于5.00%。高森林资源脆弱性油松林均为人工林，幼龄林、中龄林、近熟林、成熟林、过熟林面积占比分别为56.44%、7.39%、14.69%、20.08%、1.40%，主要分布在千家店镇、永宁镇。高森林资源脆弱性侧柏林以人工幼龄林为主，面积占比达到85.19%，主要分布在千家店镇、珍珠泉乡、张山营镇、永宁镇。

3.4.2 延庆区多尺度森林火灾蔓延风险(人口) 森林火灾蔓延风险(人口)等级见图4a，延庆区多尺度人口暴露度和年龄结构脆弱性等级见图4b、4c。

多尺度森林火灾蔓延风险(人口)评估结果（图4a）显示，小班、村屯、乡镇尺度上均无极高风险区域，无中高风险村屯和乡镇，仅有9 个中高风险小班，分布在沈家营镇河东村和延庆镇李四官庄村。中风险区域在小班、村屯、乡镇尺度上分别占比34.97%、51.19%、42.25%，主要分布在东部4 个山区乡镇（珍珠泉乡、千家店镇、刘斌堡乡、四海镇）。

由图4b 可知，高人口暴露度区域面积在小班、村屯、乡镇尺度上分别占比0.26%、0.04%、2.65%，高人口暴露度乡镇是延庆镇，人口暴露度总体呈现出从平原向山区逐步减小的规律，人口集中分布在城区周围的平原区域。由图4c 可知，高年龄结构脆弱性区域面积在小班、村屯、乡镇尺度上分别占比9.24%、18.75%、42.25%，高年龄结构脆弱性乡镇是刘斌堡乡、珍珠泉乡、四海镇、千家店镇，年龄结构脆弱性呈现出从平原向山区逐步增大的趋势，东部山区的老幼人口比例高。

4 讨论

多尺度评估可以提高评估精度，为森林火灾精准化防控提供依据。其中，乡镇尺度评估结果可以整体把握区域风险总体规律，为森林防火总体规划提供依据；村屯尺度评估结果可以掌握不同村屯的风险等级差异，明确重点管理区域，为确定林火管理区域的优先级（例如优先开展秸秆回收、洒水湿化作业、可燃物清理的村屯）提供依据；小班尺度评估结果与林业森林经营管理基本单元相契合，可以精准确定重要风险点，对于一些高危区域采取超常规管理措施（例如建设蓄水池）。

本研究发现，高蔓延危险小班以蒙古栎林、油松林、侧柏林为主，高森林资源脆弱性小班以油松、侧柏的人工幼龄林为主，中高蔓延风险(森林资源)小班以油松林为主。油松、侧柏是北京主要针叶树种，林下杂草丛生，且幼龄林抗火性差，这与李连强等（2019）在妙峰山林场的森林燃烧性结果是一致的。蒙古栎林下灌木草本茂盛，可燃物空间连续性高，且蒙古栎林主要分布在延庆区东部山区，林分郁闭度高，潜在能量大，这与刘冠宏（2019）的研究结果一致。本研究确定指标权重的层次分析法（Nasiriet al., 2022）和熵权法（Xianget al., 2022）在森林火灾风险评估中已经广泛应用，但目前尚无层次分析法和熵权法相结合的主客观赋权法应用于森林火灾风险评估，在洪水风险（Wuet al., 2022）、烤烟品质（Liet al., 2021）、农作物灾害（Zhanget al., 2017）、公交乘客满意度（Zhanget al.,2020）等评估中的广泛应用，已经取得了较好的结果。

本研究建立了森林火灾蔓延风险评估框架（包括发生危险、蔓延危险、蔓延风险3 部分），为森林火灾精准化防控提供思路。考虑到数据获取难度和准确性，森林火灾发生危险评估基于相对固定的指标（祭祀用火重点人群、农事用火风险区域、路旁烟头风险区域），重点考虑了火源点密度对野外火源管理难度的影响。但新开发的一些仍需要进一步加强管理的网红旅游景点（例如大庄科乡水泉沟）、野外火源分布的集中程度（例如散坟和集中坟的管理难度的区分）、沟口路口入山口（设置固定和临时防火检查站的重点位置）也是影响森林火灾发生危险的重要因素（尹赛男等，2021），仍需进一步完善发生危险评估指标。蔓延危险评估选取了地表可燃物载量、灌草植被总覆盖度、森林燃烧性3 个指标来总体表征森林可燃物，尚未考虑冠层可燃物（树冠容积密度、冠基高、冠层可燃物载量）相关指标（Heisiget al., 2022），仍需要进一步研究不同林分的可燃物空间连续性（水平连续性和垂直连续性）（牛树奎，2012）。

在森林火灾蔓延风险(森林资源)评估中，本研究重点关注林火蔓延对森林蓄积的影响，尚未从森林生态系统服务功能的角度评估森林生态价值（王兵等，2020），特别是随着双碳战略生态文明建设的不断推进，森林资源间接价值仍需要进一步评估。此外，一些高保护价值森林的脆弱性也非常高，一旦破坏，极难在短时间内恢复，在森林资源脆弱性评估中也需进一步分析。在蔓延风险(人口)评估中，林区人口和林缘人口、集中分布和零散分布人口的暴露程度也存在差异，不同学历、不同劳动能力的人口的脆弱性也存在差异。在后续研究中，建议进一步优化完善森林火灾蔓延风险评估框架，对发生危险、蔓延危险指标进行定量分析，结合遥感、无人机等技术提升可燃物、气象因子反演精度（孙志超等，2017），提高评估结果的准确性和针对性。

5 结论

本研究建立了森林火灾蔓延风险评估框架，评估结果可以确定容易发生森林火灾和林火容易蔓延且造成破坏损失的区域，为森林火灾精准化防控提供依据。研究结果表明：森林火灾高发生危险小班以杨树、刺槐、柳树的人工林为主，高蔓延危险小班以蒙古栎天然林、油松人工林、侧柏人工林为主，中高蔓延风险(森林资源)小班以油松和落叶松的人工林为主，中蔓延风险(人口)区域主要分布在东部4 个山区乡镇（珍珠泉乡、千家店镇、刘斌堡乡、四海镇）。建议加强城区周围平原区域的野外火源和重点人群管理，在林农交错区和道路两旁开展森林可燃物清理和洒水湿化作业，进一步优化森林消防队伍驻防布局。加强八达岭林场的林火阻隔体系和应急水源工程建设，加强高蔓延危险和高蔓延风险林分的森林可燃物生态调控，制定东部山区老幼人口应急疏散转移预案，最大限度降低林火发生危险和林火蔓延造成的损失。