孫術(shù)發(fā)，王麗軍，王 偉，郭 偉，張春野，孫 龍，梅玉生

（1.東北林業(yè)大學 工程技術(shù)學院，黑龍江 哈爾濱 150040；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)烏爾旗汗林業(yè)局，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 022150；3.內(nèi)蒙古大興安嶺北部原始林區(qū)森林管護局，內(nèi)蒙古 根河 022363； 4.東北林業(yè)大學 林學院，黑龍江 哈爾濱 150040）

森林火災是威脅森林資源的最大風險。大興安嶺原始森林茂密，森林資源豐富，森林覆蓋面積比較大，是我國重要的林業(yè)基地之一[1]。根據(jù)國家統(tǒng)計局統(tǒng)計，2016年，內(nèi)蒙古大興安嶺林區(qū)相繼發(fā)生火災78 次，其中重大火災1 次，受災森林面積達到1 478 hm2，造成經(jīng)濟損失共1 964.8 萬元；2017年，林區(qū)共發(fā)生火災177 次，其中重大火災3 次，特別重大火災3 次，受災森林面積達到 16 780 hm2，共造成9 人受傷，經(jīng)濟損失達到635.5萬元。2018年6月1日，內(nèi)蒙古大興安嶺汗馬國家級自然保護區(qū)發(fā)生火災，過火面積達到5 100 hm2（其中，內(nèi)蒙古境內(nèi)約4 500 hm2），造成林業(yè)資源嚴重損失。內(nèi)蒙古大興安嶺林區(qū)擁有110 萬hm2未開發(fā)的原始林，山高坡陡，地表植被茂密，交通極為不便，給森林火災應急資源調(diào)度及撲救帶來很大阻礙。同時，受干雷暴災害影響，北部原始林區(qū)雷擊火多發(fā)，再加上俄羅斯境外火的影響，北部原始林區(qū)森林火災預防困難，成為大興安嶺林火撲救難度最大的高?；痣U區(qū)[2]。因此，預防和控制北部原始林區(qū)森林火災成為內(nèi)蒙古大興安嶺林區(qū)重點關(guān)注的問題。

在森林火災應急管理的整個階段中，應急資源的儲備與調(diào)配情況直接影響森林火災的應急管理效果[3]。合理的配置與調(diào)度能夠保證應急資源的有效分配和及時供應，進而為應急管理提供強有力的物資及人員保障，使得在盡可能少的時間內(nèi)可以最大程度地減少森林火災造成的損失[4]。

為更好開展原始林區(qū)森林撲火工作，保護林區(qū)生態(tài)資源，給內(nèi)蒙古大興安嶺林區(qū)森林火災應急管理工作提供支持，本研究以內(nèi)蒙古大興安嶺北部原始林區(qū)為例，對用于管護該原始林區(qū)的森林火災應急資源的空間分布情況進行了研究并對配置合理性進行了分析，在此基礎(chǔ)上，建立森林火災應急資源調(diào)度優(yōu)化模型，以達到撲滅林火時間最短，費用最少的目的。

1 北部原始林區(qū)森林火災應急資源現(xiàn)狀

1.1 北部原始林區(qū)森林資源概況

北部原始林區(qū)森林管護局所轄奇乾、烏瑪、永安山三個未開發(fā)林業(yè)局（簡稱北三局），據(jù)北三局統(tǒng)計，北部原始林區(qū)總面積約94.77 萬hm2，占內(nèi)蒙古大興安嶺重點國有林區(qū)總面積的8.8%，林區(qū)樹種以興安落葉松、樟子松為主，黑樺、白樺、山楊、柳樹為輔，以其不可替代的功能調(diào)節(jié)生態(tài)平衡，且在涵養(yǎng)水源、保育土壤、凈化環(huán)境、保護生物多樣性等方面發(fā)揮著巨大作用。

1.2 內(nèi)蒙古大興安嶺重點國有林管理局應急資源概況

應急資源包括應急人員和應急物資，應急人員主要包括專業(yè)森林消防隊和半專業(yè)森林消防隊。應急物資是指針對火災和搶險救援現(xiàn)場使用的各種滅火劑和滅火器材、設(shè)備儀器的總稱，主要包括撲火機具、交通工具、指揮通訊設(shè)備、防護設(shè)備等[5]。

內(nèi)蒙古大興安嶺重點國有林管理局（簡稱管理局）下轄1 個管護局（包含3 個未開發(fā)林業(yè)局），19 個林業(yè)局，以及3 個國家級自然保護區(qū)（畢拉河自然保護區(qū)、額爾古納自然保護區(qū)、汗馬自然保護區(qū)）。根據(jù)森林防火工作的需求與規(guī)定，上述單位均儲備有一定量的應急物資，而作為管理局火災撲救任務最重的北部原始林區(qū)尚未有大型的防火應急物資儲備庫。根據(jù)管理局2018年森林防火數(shù)據(jù)資料，整理用于管護北部原始林區(qū)的應急資源儲備現(xiàn)狀大致如下：

1）應急人員。據(jù)管理局統(tǒng)計，2018年負責管護林區(qū)的專業(yè)森林消防人員共2 729 人，半專業(yè)森林消防人員共8 761 人，防火辦工作人員共2 179人。林區(qū)各類防火人員統(tǒng)計如圖1 所示。

圖1 專業(yè)及半專業(yè)消防人員統(tǒng)計Fig.1 Statistics of professional and semi-professional firefighters

2）森林防火通訊設(shè)施設(shè)備。管護林區(qū)的消防設(shè)備種類齊全，數(shù)量較多，眾多通訊設(shè)施設(shè)備組成了完整的防火通信網(wǎng)，使北部原始林區(qū)能夠及時發(fā)現(xiàn)火情并做到及時撲救。各類通訊設(shè)施統(tǒng)計如圖2 所示。

3）航空護林飛機。負責管護林區(qū)的直升機機型有M-26、M-171、K-32 和AS-350，主要用作吊掛索降設(shè)備，均駐根河航站。除直升機外，管理局還擁有固定翼飛機及其他各種類型的飛行器。航空護林飛機用以對大面積林區(qū)進行預防、發(fā)現(xiàn)和撲滅森林火災，在北部原始林區(qū)森林防火工作中起著重要的作用[6]。

圖2 通訊設(shè)施設(shè)備統(tǒng)計Fig.2 Statistics of communication facilities and equipment

4）防火公路網(wǎng)。北部原始林區(qū)原始森林覆蓋率高，位于我國北部邊境，人煙稀少、交通不便、火情不易發(fā)現(xiàn)，因此防火公路網(wǎng)的建設(shè)就顯得尤為重要[7]。而由于原始林區(qū)禁止開發(fā)，林區(qū)地段閉塞，北部原始林區(qū)的公路密度只有0.6 m/hm2，遠低于我國防火公路網(wǎng)密度的最低要求4.0 m/hm2，這也是北部原始林區(qū)火災撲救難度大和成本高的主要原因。

為能及時發(fā)現(xiàn)并撲滅森林火災，管理局下轄的各林業(yè)局共劃分成七大聯(lián)動區(qū)，每一聯(lián)動區(qū)由就近的3 ～4 個林業(yè)局組成，管轄一定的原始林區(qū)范圍。各聯(lián)動區(qū)內(nèi)的應急資源儲備如圖3 所示。

圖3 2018年春季各聯(lián)動區(qū)應急資源儲備統(tǒng)計Fig.3 Statistics of emergency resource reserve of linkage areas in spring 2018

2 北部原始林區(qū)森林火災應急資源空間分布分析

2.1 北部原始林區(qū)森林火災數(shù)據(jù)分析

從2014—2018年的火災次數(shù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看，北部原始林區(qū)的森林火災級別多為較大森林火災。由于實施全封閉管理，北部原始林區(qū)森林火災均為雷擊火和俄羅斯境外火引發(fā)。由于北部原始林區(qū)是全國受干雷暴災害影響最嚴重的區(qū)域，所以近五年來，由干雷暴引起的雷擊火有所增加，導致北部原始林區(qū)的火災發(fā)生次數(shù)總體呈上升趨勢[8]， 如圖4 所示。

圖4 北部原始林區(qū)森林火災年變化Fig.4 Annual variation of forest fire in primitive forest areas of north China

2014年雖然火災發(fā)生次數(shù)最少，但發(fā)生了一次由于俄羅斯過境火燒入引發(fā)的重大森林火災，造成林業(yè)資源的嚴重損失，導致北部原始林區(qū)的過火面積達到2 746.2 hm2的峰值（圖5）。

圖5 北部原始林區(qū)森林火災過火面積年變化Fig.5 Annual variation of forest fire area in northern primitive forest region

2.2 應急資源空間布局與森林火災空間分布疊加分析

在研究中首先將管理局下轄的各林業(yè)局的森林火災應急資源數(shù)據(jù)導入到ArcGIS 軟件中，通過數(shù)據(jù)查驗和離群數(shù)據(jù)剔除等初步處理后，利用ArcGIS 軟件中的空間分析模塊功能對森林火災應急人員和應急物資數(shù)據(jù)的空間分布情況進行分析。在圖6 中，用不同顏色的柱體來表示不同的應急資源，柱體越高表示該地區(qū)總體應急資源配置越多。

為了更好地分析森林火災應急人員和應急資源在空間分布上是否合理，將2014—2018年北部原始林區(qū)森林火災數(shù)據(jù)導入到ArcGIS 中，進而得到森林火災分布圖層。在圖6 中，一個圓點代表一次森林火災，用不同顏色表示森林火災的等級。將森林火災分布圖層與應急資源分布圖層進行疊加，分析管護北部原始林區(qū)的森林火災應急資源在空間結(jié)構(gòu)上是否分布合理[9]。

從圖6 可以看出，距離北部原始林區(qū)最近的護林單位，如汗馬林業(yè)局、阿龍山林業(yè)局、滿歸林業(yè)局以及額爾古納保護區(qū)等所儲備的應急資源較少，北部原始林區(qū)周圍所配置的應急資源低于內(nèi)蒙古大興安嶺中部地區(qū)，一旦北部原始林區(qū)內(nèi)有火情發(fā)生，將不利于原始林區(qū)滅火工作的開展，也會導致北部原始林區(qū)森林防火費用的增加。用于管護北部原始林區(qū)的森林火災應急資源在空間分布結(jié)構(gòu)上存在著一定的不合理，這將對北部原始林區(qū)的森林消防工作造成一定影響，不利于原始森林生態(tài)成果的保護，因此，需要對北部原始林區(qū)森林火災應急資源的調(diào)配進行優(yōu)化[10]。

圖6 北部原始林區(qū)森林火災分布與應急資源分布疊加Fig.6 Distribution of forest fire and emergency resources in primitive forest areas of north China

3 森林火災應急資源分配與調(diào)度模型

3.1 問題描述

當森林火災發(fā)生后，林區(qū)內(nèi)消防處立即采取救援措施，在火勢持續(xù)蔓延情況下，決策者應當考慮盡可能派出足夠數(shù)量的應急滅火資源以便及時撲滅火災，防止火勢進一步蔓延造成更大的森林資源損失。與此同時，由于涉及到消防滅火人員薪金和滅火設(shè)備的消耗費用等問題，也需要考慮滅火成本。綜合考慮各種費用因素，尋求最佳的應急滅火資源數(shù)量。本文將應急滅火資源劃分為應急消防人員和應急滅火設(shè)備（一套滅火設(shè)備由各類滅火工具組成）兩類，而且把它們按照一定比例構(gòu)成的應急滅火資源稱為滅火組合[11]。

本研究將多出救點、多著火點（出救點與著火點不一一對應）的分配系統(tǒng)簡化成多個子系統(tǒng)，每個子系統(tǒng)只包括一個出救點、一個著火點。若在同一時刻有K 個著火點時，為了在火災發(fā)生后盡可能早地撲滅火災，決策者做出如下決策：所有出救點共派出M 輛同類型救援車，每一個著火點均有一定量的救援車負責運送一定數(shù)量的滅火組合（應急消防人員與應急滅火設(shè)備分開運輸），且救援車輛總數(shù)量M 遠遠大于著火點的數(shù)量K，并且運送至各個著火點處的滅火組合數(shù)量均不會超過每輛救援車輛的額定載重[12]。

3.2 假設(shè)條件

1）林區(qū)中森林火災發(fā)生后，火勢是以著火點為中心，以均勻速度按環(huán)形狀向外蔓延且蔓延半徑和時間是成正比的；

2）每個應急消防人員的滅火速度是一定且相等的，即所有滅火組合的滅火速度是一致且不變的；

3）每個著火點處的林火蔓延速度是一定的；

4）所有救援車輛是同型號且行駛速度是一定的；

5）設(shè)運送至各個著火點處的滅火組合總重量均不會超過救援車輛的額定載重；

6）設(shè)所有出救點處的救援滅火組合數(shù)量之和足以滿足各個著火點的需求量；

7）設(shè)在救援過程中無消防人員傷亡，無設(shè)備損壞；

8）林區(qū)中各區(qū)域樹木種植密度保持一致，且所有樹木的樹種、生長年份均相同。

3.3 模型參數(shù)

C1：燒毀單位面積森林的林業(yè)資源損失費用；

C2：每個滅火組合單位時間內(nèi)的薪金與使用費用；

C3：派出滅火組合時輸送一位消防人員一次性支付的費用（人員運輸費）；

C4：派出滅火組合時運輸一套滅火設(shè)備一次性支付的費用（設(shè)備運輸費）；

C5：每個滅火組合中滅火設(shè)備單位時間內(nèi)的燃油費用；

Zi：出救點分派到第i 個著火點處的滅火組合數(shù)量之和；

ti1：第i個著火點處消防隊員開始撲火時刻；

ti2：第i個著火點處林火撲滅時刻；

Vi：第i個著火點處林火蔓延速度；

S(ti)：第i個著火點處時間t 內(nèi)森林過火面積；

D(ti)：第i個著火點處時間t 內(nèi)林火過火路徑；

C(ti)：第i個著火點處時間t 內(nèi)森林火災導致的總損失費；

N1：每個滅火組合中的應急消防人員數(shù)量；

N2：每個滅火組合中滅火設(shè)備的數(shù)量（套數(shù)）；

R1：每個滅火組合的滅火速度；

R2：救援車輛的平均行駛速度；

Li：第i個著火點到最近出救點的距離；

Pi：出救點分派到第i個著火點處的應急消防人員總數(shù)；

：出救點分派到第i個著火點處的滅火組合的最佳數(shù)量。

3.4 模型構(gòu)建及求解

設(shè)森林火災著火點時刻ti=0，應急消防人員到達林區(qū)著火點處開始滅火的時刻為ti1=Li/R2，林火撲滅時刻為ti2；此時森林損失面積S(ti2)，森林損失費用C(ti2)=S(ti2)C1。由假設(shè)條件（1）可知森林損失面積的變化是一階連續(xù)的，可對森林損失面積函數(shù)S(ti)求導，即森林損失面積的增長速度為。對于某個著火點i，滅火消防人員到達著火點立即進行撲火工作，森林損失面積增長速度也開始呈遞減趨勢，即ti1時刻之后開始下降，直至ti2時刻林火被撲滅。因此可以得到以下式子：

林火過火路徑為

對上述式子積分，可得森林損失面積為

在撲火工作中各個著火點的損失費用除林業(yè)資源損失費用外，主要涉及四類費用：滅火組合的薪金（滅火設(shè)備的使用費和滅火人員的報酬），運輸消防人員一次性支付的費用，運輸滅火設(shè)備一次性支付的費用，滅火設(shè)備的燃油消耗費用[13]。

因此，林區(qū)火災各著火點總損失費用為

將（2）（4）式帶入（5）式得

對上式求Zi，使得minC(Zi)，解得

此時，著火點火災最早被撲滅的時刻為

3.5 實例分析

實例：2018年6月23日19:20，北部原始林區(qū)奇乾林業(yè)局阿巴河林場發(fā)生火災，經(jīng)航空護林飛機觀察，及時確定火場中心坐標為120°37′00″E，52°59′30″N，火場火勢圍繞3 個明顯的著火點向四周擴展?；饒隽中蜑榇紊郑瑯浞N以落葉松為主?；馂挠?月24日3:50 被撲滅，此次火災過火面積為35 hm2，共投入兵力142 人。相關(guān)信息如表1所示。

設(shè)C1=15 元，C2=1.3 元，C3=0.82 元，C4=0.5 元，C5=3 元；R1=12.5 m/min，R2=100 km/h；N1=3 人，N2=3 套。

表1 著火點數(shù)據(jù)信息Table 1 Data in the fire sites

根據(jù)資源分配模型得到各著火點需要的最佳滅火組合數(shù)和消防員數(shù)（見表2 和表3）。此時，最早的滅火時間為0.54 h.與實際的8.5 h 相比，優(yōu)化方案的效率增加。在優(yōu)化方案中，動用消防員300 人，比實際多158 人。整體滅火費用為38 091.28 元，為0.54 h 完成撲火工作所需投入的最少費用：投入費用少于38 091.28 元，滅火時長會增加，達不到最高效率撲滅林火的目標；投入費用多于38 091.28 元，滅火時長也不會再縮短，反而造成人員和物資浪費[14-15]。

表2 應急資源分配調(diào)度方案Table 2 Scheduling schemes of emergency supplies

表3 應急資源調(diào)度優(yōu)化結(jié)果與實際值對比Table 3 Comparison between optimization results andactual ones for emergency supplies

通過對內(nèi)蒙古大興安嶺重點國有林管理局的森林火災應急資源儲備情況進行定性以及定量分析后，提出此應急資源分配與調(diào)度優(yōu)化模型。該模型僅是對管理局現(xiàn)有的森林火災應急資源的調(diào)配進行優(yōu)化，未來可結(jié)合具體的林火發(fā)生情況制定應急物資的調(diào)配策略，并對儲備情況進行合理的規(guī)劃。

4 結(jié)論與建議

通過對森林火災應急資源的空間分布狀況進行探析，可以看出內(nèi)蒙古大興安嶺重點國有林管理局應急物資與應急消防人員在空間分布上也存在著一定的不合理現(xiàn)象：北部原始林區(qū)附近設(shè)置的應急物資庫與消防站點數(shù)量不足，尤其是大型消防設(shè)備嚴重缺少，不利于北部原始林區(qū)林火的快速撲救，從而造成滅火費用的增加和森林資源的較大損失。因此，北部原始林區(qū)周邊應重新調(diào)整森林火災應急資源配置，對整個內(nèi)蒙古大興安嶺重點國有林管理局的應急資源應進行科學合理地規(guī)劃。

在對用于管護北部原始林區(qū)的森林火災應急資源的空間分布進行探析的基礎(chǔ)上，本研究構(gòu)建了森林火災應急資源分配與調(diào)度優(yōu)化模型，主要對分派到各個著火點處的應急滅火組合的數(shù)量進行優(yōu)化，使得整個應急物流管理系統(tǒng)的運輸時間和成本均達到最小化，為內(nèi)蒙古大興安嶺重點國有林管理局森林火災應急資源的合理分配與調(diào)度提供指導，同時對于實現(xiàn)科學決策指揮，保護北部原始林區(qū)生態(tài)資源具有一定的現(xiàn)實意義。

在北部原始林區(qū)森林防火的問題上，一方面，內(nèi)蒙古大興安嶺重點國有林管理局應對北部原始林區(qū)建立健全有效的森林防火機制，制定并切實執(zhí)行林區(qū)森林火災管理政策和火災預案，加強安全撲救與有效防火的結(jié)合，加強撲救團隊建設(shè)，從而有效保護北部原始林區(qū)寶貴的森林資源；另一方面，政府應加大管理局中用于管護北部原始林區(qū)的應急資源的投入，確保管理局中防火資金、撲救器材的充足以及消防隊伍的專業(yè)化。另外，在立法方面，政府應加大懲處力度，減少或杜絕人為失火或縱火案件的發(fā)生。