森林防火水資源優(yōu)化配置GIS技術(shù)應用
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摘要:GIS技術(shù)作為信息技術(shù)和計算機技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，在關(guān)于地理信息處理中相對于傳統(tǒng)手段有著巨大優(yōu)勢。文章以某森林防火工程為例，介紹了GIS技術(shù)基本原理，對林區(qū)道路網(wǎng)絡、供水設施點及影響范圍、火險等級等圖層分別進行了整理，全部整合在項目區(qū)GIS系統(tǒng)中，建立了整個區(qū)域地理信息地圖。為火災指揮工作提供了技術(shù)參考。
關(guān)鍵詞:GIS技術(shù);森林防火;道路網(wǎng)絡;供水設施點;優(yōu)化配置
2019年9月，澳大利亞東岸發(fā)生森林大火，持續(xù)了近7個月，超過1000萬hm2土地、2500棟房屋、10億只動物被焚毀;2020年3月30日，我國四川省涼山發(fā)生森林火災，造成30名撲火隊員犧牲。隨著全球氣候變暖，森林防火工作壓力逐漸增大，因此借助現(xiàn)代計算機技術(shù)來提高森林防火水平，成為當前歐美等發(fā)達國家的流行做法。
1研究區(qū)概況
本文研究區(qū)域森林面積約7032hm2，覆蓋率約為55.3%。該地區(qū)經(jīng)濟欠發(fā)達，生態(tài)環(huán)境人為破壞程度逐漸增加，但雨量較多，水資源較為充裕。通過實地調(diào)查，發(fā)現(xiàn)該研究區(qū)森林防火工作存在以下問題:①道路網(wǎng)絡覆蓋面小，若發(fā)生森林大火，消防員無法及時趕赴現(xiàn)場;②雖然區(qū)域內(nèi)水資源豐富，但是均集中在東部，分布極為不均，無法覆蓋大部分林區(qū)。因此相關(guān)部門決定利用GIS技術(shù)制作森林火災風險等級圖，為優(yōu)化水資源配置提供技術(shù)參考。
2GIS技術(shù)原理介紹
地理信息系統(tǒng)(GIS)是在計算機軟、硬件支持下，一種專門用于采集、存儲、管理、分析和表達空間數(shù)據(jù)的信息系統(tǒng)，既是一種表達、模擬現(xiàn)實世界和空間數(shù)據(jù)分析處理的工具，又是人們用于解決空間問題的資源，同時還是一門關(guān)于空間信息處理分析的科學技術(shù)［1］。一個GIS系統(tǒng)從建立到應用分以下5個步驟:①定義一個問題;②采集和獲取數(shù)據(jù);③建立數(shù)據(jù)庫;④實施分析;⑤解釋和展示結(jié)果。其中最為核心的工作是數(shù)據(jù)獲取和分析，最終建立項目區(qū)各類圖層(如圖1所示)，將需要分析的數(shù)據(jù)直接以圖層形式調(diào)出即可，更加直觀清晰［2］。
3GIS技術(shù)在森林防火水資源優(yōu)化配置中的應用
本項目林區(qū)需要建立的數(shù)據(jù)庫包括:地形圖、河流水系圖、道路交通網(wǎng)圖、消防供水設施點等。利用gis系統(tǒng)軟件建立各要素圖層，設計比例尺為1∶10000，主要過程如圖2所示［3］。具體操作如下:①建立林區(qū)道路網(wǎng)交通和消防供水設施點圖層;②建立林區(qū)DEM和評價模型，并結(jié)合林區(qū)實際情況，建立森林火險等級圖;③針對現(xiàn)有條件來優(yōu)化水資源配置［4］。
3.1林區(qū)道路網(wǎng)絡合理密度及圖層數(shù)據(jù)建立
提高森林防火安全性的一個重要影響因素就是道路，主要作用體現(xiàn)在三個方面:①可以使滅火設備、救火人員快速抵達現(xiàn)場，一定程度平衡林區(qū)水資源分布;②可以作為防火帶阻礙大伙蔓延速度;③道路網(wǎng)密度、廣度直接決定了林區(qū)管理人員的活動范圍，可大大提高發(fā)現(xiàn)火源速度，防止火勢失控［5］。
3.1.1林區(qū)道路合理密度計算關(guān)于林區(qū)道路密度設計，仍然將經(jīng)濟因素作為首要考慮點，林區(qū)道路建設除了對生態(tài)系統(tǒng)造成影響，而且對施工要求限制較多，并且很多道路會被逐漸遺棄，所以并不是密度越大越好。在此采用式(1)計算本項目林區(qū)道路合理密度值d［6］，該林區(qū)為丘陵地，經(jīng)計算d=12m/hm2，比合理值略小，見表2。因此在必要情況下可通過增加道路密度作為優(yōu)化水資源配置的手段之一。式中，a—林道有效系數(shù)，參考值見表1;x—集材費，m3/元;m—單位面積林區(qū)出材量，m3/km2;r—林道造價，元/m。
3.1.2道路網(wǎng)絡圖層數(shù)據(jù)建立林區(qū)道路網(wǎng)絡圖層包括的要素:道路編號、等級、長度、標志(單行線、岔口、路標)、速度限制等［7］。該林區(qū)地處經(jīng)濟欠發(fā)達地區(qū)，且周邊無重要交通或經(jīng)濟樞紐，因此道路網(wǎng)絡相對簡單，具體如圖3所示。
3.2林區(qū)消防供水設施點及影響范圍分析
3.2.1林區(qū)河流水系和消防取水點圖層設計林區(qū)河流水系和消防取水點對防火安全性有著決定性作用，林區(qū)河流水系和消防取水點圖層要素具體包括:供水點位置、編號、供水量、供水形式、周邊道路等［8］。共包含一條山溪性河流和三處取水點(如圖4所示)，由此可知東部相對來水水資源充裕。
3.2.2水源點和取水點影響范圍分析水源點和取水點的影響范圍主要由周邊道路情況決定，具體確定步驟如下:①設一個取水點的道路空間網(wǎng)絡G=(V，E，C)，其中V表示道路節(jié)點集合，E表示邊界，C表示取水點;②以取水點為中心，凡是在30min以內(nèi)能夠獲取水源并趕至失火位置的區(qū)域，均劃歸為該取水點影響范圍［9］。通過實地調(diào)查，各取水點的影響范圍圖層如圖4所示。由圖4可知:取水點影響范圍還是由距離決定，東西兩端被輻射到，但中部大塊森林缺失。
3.3森林火險等級圖制作分析
根據(jù)林區(qū)的植被類型、樹木密度、樹木年齡、氣候、地形(包括坡度、坡向、海拔、土壤種類)、防火帶、道路水系網(wǎng)覆蓋度等因素分析［10］，將該林區(qū)劃分類別及所占面積比如下:高風險區(qū)(23%)、中風險區(qū)(28%)、低風險區(qū)(49%)三類，如圖5所示。其中低風險區(qū)以目前消防配置水平完全可以控制火災，因此不再詳述［11］。
3.4水資源優(yōu)化配置分析
3.4.1建立項目林區(qū)DEM圖數(shù)字高程模型(DEM)是地形表面形態(tài)屬性信息的數(shù)字表達，包括三維空間和地形屬性特征，通常用網(wǎng)格單元將研究區(qū)劃分［12］。林區(qū)DEM圖單元格標準為500×500m，包括高程、坡向、坡度等參數(shù)［13］，如圖6所示。
3.4.2優(yōu)化水資源配置以高風險區(qū)為分析對象，設定時間為t，本項目要求劃分的各DEM從發(fā)現(xiàn)火情到獲得滅火治理間隔時間t＜30min。根據(jù)這一規(guī)定，本項目需采取以下措施優(yōu)化水資源配置。①針對附近無水源區(qū)域，根據(jù)實際地形在低洼處開挖蓄水池塘，建立新的消防供水點。本項目共新建6處取水點(如圖5所示)，其中5處集中在高風險區(qū)，且能兼顧中風險區(qū)［14］。②由之前計算可知道路密度值較小，因此本項目設計在坡度小于35°區(qū)域修建林區(qū)道路，以擴大各取水點影響范圍。共需新建道路23km，為降低成本，道路均為單行道，每隔50m設計一處讓道平臺，這些信息會全部以立體形式展現(xiàn)在GIS地圖中［15］。
4結(jié)語
利用GIS技術(shù)處理本項目林區(qū)地理信息，大大提高了區(qū)域防災滅火技術(shù)水平，系統(tǒng)能夠根據(jù)任意出火點自動給出最佳取水點位置、路線、滅火方案等信息，可大大提高撲火人員及設備救助的及時率和有效性，取得了較好的經(jīng)濟社會效益。但是該系統(tǒng)一方面對管理者綜合素質(zhì)要求較高，必須學會日常操作、維護，而且系統(tǒng)缺乏人的主觀能動性，無法根據(jù)火情變化及時作出調(diào)整，因此使用單位應當結(jié)合自身特點，通過日常操練、演習等方式充分發(fā)揮該系統(tǒng)的作用，切不可完全被系統(tǒng)指揮。
作者：張凌霄 單位：遼寧潤中供水有限責任公司
