特邀专论||西南林业大学王秋华教授团队论森林-城镇交界域火灾研究进展

 森林-城镇交界域是居民居住地与森林等自然生态系统相交错的过渡地带。与世界各国交界域火灾防控目的相似，我国森林-城镇交界域火灾防控的典型特征同样表现为重要性、普遍性、特殊性和复杂性等(图1)。许多国家和地区非常关注交界域火灾的问题，且有许多科研机构和科学家专门研究交界域火灾安全问题。由于火灾对人类的影响越来越大，需要大量投资来防止火灾蔓延到城市地区，以保护人类生命并减少财产损失。

火灾风险评价是火灾预防的重要措施，制定森林防火期是进行火灾风险评价的第一步。防火期是指容易发生火灾的季节，受气候特点和森林火灾发生规律的影响，各地的森林防火期不同。如大兴安岭防火期分为“春防”和“秋防”，共计5个月；云南省森林防火期为12月1日至翌年6月15日，其中防火紧要期为每年3—4月。Galiana-Martin等选取了10个具有大陆到地中海气候代表性的地点，收集了来自活树的火痕木材样本，根据火痕的内部位置确定火灾年份并估计防火期。易浩若等认为应根据历史森林火险数据，包含各地的历史林火统计、历史森林火险记录、历史森林火险天气资料划分各区域的森林防火期。交界域风险评估在考虑可燃物、气候等自然因素的同时，还需要考虑到人类活动可能引起火灾的时间和地点，考虑区域内房屋周围常见的植被对火灾的适应性，结合当地气候特点评价WUI火灾风险，同时需要严格控制交界域的火源进山引发森林火灾。 

交界域可燃物复杂多样，大量易燃建筑材料与森林可燃物往往紧密相接，易引发“爆燃”(未燃烧产物和挥发性有机物的气体聚合积累导致)。舒立福等认为爆燃火是火灾在蔓延的过程中，遇到复杂地形、丰富可燃物、大风充分供氧的条件下产生的现象。轰燃作为建筑火灾中的特殊现象，类似爆燃，是建筑火灾的典型特征。轰燃发生后，在高温、强热辐射、火焰迅速蔓延的作用下，极易导致建筑物倒塌，扩大火灾范围，有可能点燃周围的植被从而引发更大的事故，造成更大的危害。建筑物轰燃的控制措施有降低建筑材料热释放速率、合理设置排烟送风设施、设置自动喷水灭火系统和进行防火分区设计。对城乡接合部即交界域应推动消防设施“建设一体化”，加快消防基础设施建设，防止建筑火灾蔓延至林区引发多火灾融合。

森林-城镇交界域是人类农林牧业频繁用火的区域，生产跑火、日常生活用火不慎极易引起森林火灾。Krix等研究了澳大利亚东部WUI范围内60种植物的叶片燃烧可持续性和可燃性之间的关系，发现叶子的可燃性和燃烧可持续性作为可燃性的维度是相互对立的，研究结果对WUI范围内防火带的植物物种选择具有重要参考价值。

 交界域火灾的驱动因子包括建筑材料性能、森林可燃物情况、火源因素和气象条件。国内外研究表明，因交界域内同时具备丰富的森林可燃物和较密集的建筑与人群，使得火灾频次和危害都显著提升，甚至出现森林大火与建筑火灾相互转换的现象。Cohen认为，当交界域发生森林火灾时，房屋是否能着火除了建筑材料自身特性，房屋周围30~60 m范围内可燃物的分布情况主要决定了该建筑物的被破坏程度。森林-城镇交界域丰富的可燃物为火灾的发生和发展提供了物质条件，其连续分布性及较高的负荷量使森林火灾向城镇蔓延。评估交界域可燃物易燃性对火灾预防以及火行为预测模型的完善有较大帮助。

 森林-城镇交界域由于建筑物的存在使得可燃物类型和天气乃至气候状况更为复杂，火灾类型更加多样，火行为更加难以预测。一般而言，人类活动引起的火灾大多聚集在道路、建筑物、植被边缘等，交界域火灾发生更为复杂，可能是森林火灾蔓延到建筑物，也可能是建筑物着火后，通过飞火、火旋风等扩散到森林，也可能森林和建筑物同时着火，互相蔓延、扩展和融合。几乎所有的交界域火灾由人为因素导致，但因发现较早和及时扑灭，其往往烧毁的面积比非人为因素着火(尤其是雷击火)要小得多。

交界域火灾蔓延的方式主要包括飞火和热辐射两种，火灾动力学、火焰热辐射与热量传播规律是研究火蔓延机制的理论基础。飞火是一个不稳定的过程，将野火迅速蔓延到远离主火线下风处的未燃烧区域，是森林内野火蔓延到交界域人类居住范围的主要方式。飞火颗粒在火旋风流场中上升过程受到流场速度的制约，只有直径或密度等特征参数满足一定条件才可能被火旋风卷起。丁鹏飞等对飞火颗粒燃烧规律的研究发现，中尺度飞火颗粒在输运过程的自由燃烧有可能产生二次飞火，加大火灾传播的范围。飞火颗粒的水平蔓延距离与环境风速和火灾强度成正比，与颗粒密度和直径乘积的平方成反比。王秋华等对安宁市2006年“3·29”重大森林火灾火烧迹地调查表明，火烧范围内相对高差在200 m以上的面积占了总面积的60%，陡峭的地形、地势有利于飞火的产生和传播。Manzello等在室内燃烧床进行模拟研究认为这些燃烧的飞火体有一定概率引燃建筑组件，尤其是落在乙烯基组件的墙角处时引燃概率更大。

 交界域火灾案例研究表明，多数情况下灾后房屋烧损严重而附近的植物依旧存活，在这种非直接接触且短距离引燃房屋的案例中，热辐射起到了传导作用。尤其发生树冠火时，林火强度极大，根据辐射的可叠加性，引燃交界处建筑的概率更高。翁韬等在空旷试验场地进行树冠火辐射理论模型拟合时得出，热释放速率与辐射值正相关，反之亦减，且发现热辐射有多个峰值，原因是树木间的个体差异导致达到最大热释放速率的时间不同。

当森林-城镇交界域发生火灾后，应尽快对过火区域进行恢复，主要包括两大内容:一是重建WUI的建筑及其配套设施；二是森林的恢复，包括人工造林、抚育更新、生物防火林带的营建等。森林恢复与火烧强度、森林本身恢复能力，以及人为干扰有关，火后充分利用自然恢复能力和人为举措，有计划、有步骤地选择速生树种进行人工造林，调整树种结构，补植适应当地条件的防火树种，营造生物防护林带，加大阔叶树种数量，丰富生物多样性，使火后林地植被得到恢复。森林-城镇交界域火灾恢复与社会经济条件、森林资源的开发利用和当地人口素质相关，经济发达、交通条件优越的地区，交界域火灾系统的恢复力比相对落后的地区要好。

 随着城市的发展，大量的城市边缘地区会转变为城乡接合部，交界域范围扩大，一旦发生火灾，城乡建筑也会受到有一定影响。谷雨等提出重庆市城乡接合部存在的问题主要有组织结构不完善、恢复力水平较低。郑泽勋等以浙江省金华市为例，提出我国目前森林-城镇交界域的消防安全规范制定滞后，制约了基层火灾防控能力的提升。因此，需完善森林-城镇交界域火后响应机制，尽快重建被摧毁的设施设备。

WUI火灾防控的第一步是需要确定森林-城镇交界域的范围以及交界域内森林火灾可能发生的区域。在我国，森林-城镇交界域不仅是传统村落和城镇社区居民的聚集地，也是农林交错、风景旅游、祭祀朝拜、工业园区的主要选址。我国目前暂未出台明确界定森林-城镇交界域范围的法律法规，通常情况下,该区域主要是指无人居住的荒地与人类开发的土地之间的过渡区,以及在该区域800 m范围之内的所有社区。

火历史研究法为当代火灾防控、规划提供了重要信息，常用于研究重大火灾。Hardy等开发了一种在交界域发生火灾时能够量化建筑物点燃机制的仪器，包括记录火灾热辐射、火焰热通量，以及火行为。Manzello等改进了该仪器，在安装便捷、价格实惠的前提下，使得数据以无线方式发送到受热保护的加固位置(俗称黑匣子)免受火焰高温损害导致数据丢失，可提高交界域火灾的预警精度和响应时间，提高扑救效率，降低火灾伤亡。Massda等在单个或一组建筑物周围营建隔离带，使连续可燃物中断，以最大限度地降低房屋火灾的危险。Molina等使用离散选择实验分析了阿拉斯加屋主对减轻森林-城镇交界域的火灾风险的建议。Syphard等根据火发生记录构建的火点和火烧频率空间数据库、人类和生物物理变量等模拟了南加州人类主导景观的火点空间格局，并对其进行了空间制图。Sahan等使用基于年轮的火灾历史重建法，探讨了土耳其安纳托利亚西部过去不同气候类型火灾的时空模式。

原国家林业局森林防火办公室组织相关林火管理和科研人员出版了《中国森林火灾典型案例》，目的在于总结扑火经验教训，使我国的火灾统计和火灾档案管理工作更加规范化和制度化。然而，目前基于火历史的火灾案例库大多为自然生态系统火发生和蔓延的分析研究，对于WUI区域的火历史研究较少。

地理信息系统和遥感技术是WUI火灾防控极为重要的手段。Lampin-Maillet等提出了一种与传统方法不同的基于WUI局部尺度表征的渐进式多尺度制图方法，即WUI map，其可以用于进行大规模的WUI映射并绘制地图，是在气候、城市化和植被持续变化的背景下评估WUI动态和相关火灾风险动态的有力工具。Conedera等将瑞士提契诺州、瓦莱州和格劳宾登州作为研究区域，基于地形景观模型(TLM3D)提取人为基础设施和森林资源空间分布，结合WSL Swissfire数据库信息并参考森林火灾事件定义当地交界域范围。

 遥感是森林火灾监测、防控和预警的有效工具，也是了解森林生态系统如何应对火灾的常用工具。遥感技术应用在林火扑救方面效果显著，尤其高分遥感技术在林火应急领域上具有分辨率高、火情发现早、精度高等独有优势。针对单一时空融合方法的不足，联合使用多种空间分辨率更优的传感器影像能更好应用于森林火灾监测场景中。唐尧等利用高分遥感技术对冕宁县2021年“4·20”森林火灾扑救与次生隐患预判的准确性进行比较，表明高分遥感技术在森林火灾扑救中具有较好的时效性与可推广性。同时，遥感技术大幅提高了火灾后林业经济损失的评估效率，并可以为火烧迹地灾后重建提供数据支持。刘树超等利用内蒙古毕拉河林场2017年5月2日森林火灾发生前后的Landsat8卫星影像，评价发生的森林损失情况，得出受害程度正确分级的总体准确度为86.39%。

 无人机技术利用高空优势，至火场上空开展相应的火情侦察和火灾探测，为预防和扑救工作提供辅助支持。无人机在交界域的应用既包括森林防火中的日常巡护、火情侦察和扑救、火场的应急照明和中继通信，也包含对建筑消防的火情监测和执行扑灭任务，通过消防灭火弹、水、干粉等高空喷射灭火。除此之外，无人机在其他消防救援领域的应用广泛，如有毒气体检测传感器、三维建模系统等。

 云技术、云平台和大数据技术的快速发展，使得地理信息系统和遥感技术的使用进入了新阶段，也为WUI火灾防控提供了大量的基础数据。交界域是个快速变化的区域，人口流动性强，建筑物和道路日新月异，将各类相关数据，特别是动态变化的数据进行融合能更好地发挥地理信息系统和遥感技术在交界域火灾防控中的作用。

近年来，地理信息技术、计算机模拟和大数据的快速发展，促使火行为模型进入空间模拟阶段，能模拟火蔓延，进行火行为预测等，为火灾积极预防、安全扑救提供了保障。较为著名的模拟模型(系统)包括Behaveplus模型、Farsite模型和 FireSmart林火管理系统等。火行为模型能够从景观尺度模拟火发生及蔓延过程，量化交界域的火灾强度和影响，已成为 WUI 火管理的重要工具。

 Behaveplus火行为模型是目前美国使用最广泛的林火预防系统，在计划烧除期间，能正确预测低强度、火蔓延缓慢的林火行为，为计划烧除提供有力的安全保障。Behaveplus模型在中国东北和西南地区均可以较好进行火行为模拟。研究表明，Behaveplus模型通过结合当地风速和可燃物含水率月变化情况，确定高火险时节，可以为其他林分地表火的预防提供参考。

 火烧面积模拟软件Farsite集成现有的地表火、树冠火和飞火等单一火行为模型的集合模型，用于在景观尺度上模拟二维环境中的火行为变化，可以利用环境变化值来计算火线在时间和空间上的变化，较准确地模拟二维的火增长和火行为。Arca等用Farsite模拟了地中海地区的3起火灾案例，使用不同的可燃物模型、气象条件作为输入数据进行模拟，结果表明Farsite火行为模型具有较高的准确性。Massada等利用Farsite对威斯康星州西北部6万hm²的森林-城镇交界域地区评估模拟火灾风险，表明正常天气条件下的模拟过火面积偏小，平均火灾面积为11.76 hm²。Farsite作为美国国家防火系统使用的软件，已广泛应用于美国的火灾扑救行动和火灾防控规划。

 智慧林火管理系统FireSmart可以模拟WUI环境的起火点、火行为蔓延及火灾对建筑物等潜在影响，从而进行火行为管理。该系统根据景观特征模拟火灾的点燃和蔓延，以及预测景观上指定位置燃烧的概率，并可用于评估替代FireSmart管理策略，如指定区域的可燃物清理可降低WUI火灾发生概率。然而，由于WUI火灾融合了森林和草原等自然生态系统火行为及城镇火灾火行为的特点，建筑物的多样化使得可燃物类型极其复杂，局部微地形和微气候(天气)难以预测，其火行为的预测和火灾防控受到很大限制，需要改进或者本地化现有模型。

1)完善WUI相关标准和规范。在大力推进生态文明建设的背景下，我国林业事业得到了快速发展，2022年我国森林覆盖率超过50%的省份有福建(65.12%)、江西(63.1%)、海南(62.81%)等11个。根据《国家新型城镇化规划(2020—2035)》，到2035年底城镇森林覆盖率进一步提高至43%以上，基本建成以林木为主体的城镇森林生态网络框架。随着森林城市和园林城市等快速建设和发展，大量城镇被森林包围，森林-城镇交界域火灾安全形势将面临新的挑战。我国虽有保护森林资源的相关部门和相应条例，但尚无森林-城镇交界域的公约和制度，目前相关火灾防控工作主要依照《森林防火条例》《农村防火规范》等开展，然而这些规范标准较低且部分标准尚不明确。今后优先研究的重点应集中于我国森林-城镇交界域范围的科学划分和特征描述，如何界定、划分并清晰描述交界域及其典型特征，是林火防范的基础工作。制定我国森林-城镇交界域火灾预防标准或规范，可以更好降低火灾风险，减少火灾损失。交界域火灾涉及植被和建筑物，扑救较为复杂困难，为了有效应对交界域火灾，现有的扑救策略应该进行合理修订。

2)建立WUI火灾预防扑救体系。我国南北差距较大，森林覆盖率超过50%的省份均位于南方。需建立我国森林-城镇交界域典型火灾案例库，特别是火灾安全扑救经典指挥案例，将其用于WUI火灾扑救方案的辅助决策。建立案例库有利于各地交界域火灾扑救的借鉴，减少损失，特别是人员伤亡。从已有经典案例中总结经验并吸取教训，一直是灾害学科行之有效的学习手段和方法。分析WUI火灾案例要素组成、要素关系及案例间的关系，借助相似度理论建立WUI火灾扑救方案相似决策模型，开发基于3S(RS、GIS、GPS)的WUI案例库系统。积极开展学术性论坛，组织专家学者对国内各地的森林-城镇交界域安全形势进行分析研判，能够更好地把握交界域火灾发生发展规律。

 3)打造WUI监测预警平台体系。整合交界域视频监控系统资源，提高监测精度。基于云平台和大数据，如林草、公安和城管部门的视频监控系统，研建我国森林-城镇交界域典型火灾预警监测系统。立足林草部门现有视频监控、林火卫星监测系统，整合、共享交界域各部门资源、融合城管大数据平台，接入各级森林草原防灭火指挥部指挥系统，发挥预警、监测和协助指挥作用。实行“预防为主，积极消灭”原则，提前预警，分类管理，安全扑救，尤其要高度重视初期火灾的处置，实现“打早、打小、打了”。加快“空天地”一体化的火灾应急管理平台研发建设，通过遥感监测、无人机系统、物联网等新技术推进WUI监测预警精准化、决策智能化和装备现代化等。

 4)强化WUI火灾预防措施。加强生物防火林带的建设，保留足够防火间距与现有防火道路的组网形成闭合系统。在充分考虑和评估环境影响基础上，适宜区域开展计划烧除以减少森林可燃物累积，降低交界域火险等级。深入研究建筑物外层防火涂料的应用，保护交界域人民群众的生命和财产安全。增加交界域消防救援部门的微型消防站点，定期开展针对性防火培训、防火宣传和火源管理。合理规划交界域森林和建筑的布局，科学分析并开展当地交界域的防火规划。