全 文 ：林 业科 学研 究 2010, 23( 3) : 399 ～ 404
Forest Research
文章编号: 1001-1498( 2010) 03-0399-06
北京西山防火林带空间布局与规划
王明玉1 , 任云卯2 , 赵凤君1, 舒立福1, 王奇峰2, 李 涛2, 田晓瑞1
( 1 . 中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所 , 国家林业局森林保护学重点实验室 , 北京 100091;
2. 北京市西山试验林场 , 北京 100029)
摘要: 以北京市西山试验林场分场魏家村林场为研究区域, 系统地研究了火发生历史、可燃物分布、主风向、坡度、山
脊、防火公路、居民区分布等, 确定了网络适宜的最小控制面积, 通过面向对象的分类方法对林中空地和防火公路进
行分类, 筛选适宜建山脊防火林带的坡度和山脊线, 进而确定防火林带的空间格局。共规划三类防火林带: 山脊防
火林带、防火公路防火林带和林缘防火林带, 整个防火林带网络将整个区域分割成不等大小的独立单元, 平均面积
为 41. 24 hm2 , 防火公路总长 36 816 m, 防火网络总面积占研究区域面积的 7. 35% 。
关键词: 生物防火林带; 可燃物; 空间布局
中图分类号: S759 文献标识码: A
收稿日期 : 2008-04-20
基金项目 : 北京市园林绿化局科技计划项目 ( 2007 年度 ) 和国家科技支撑计划项目 ( 2006BAD04B05)
作者简介 : 王明玉 ( 1976— ) , 男 , 山东龙口人 , 助理研究员 , 博士 , 主要从事森林火灾研究 .
Spatial Pattern and Planning of Shaded Fuelbreak in Xishan of Beijing
WANG Ming-yu
1
, REN Yun-mao
2
, ZHAO Feng-jun
1
, SHU Li-fu
1
, WANG Qi -feng
2
, LI Tao
2
, TIAN Xiao-rui
1
( 1. Research Institute of Forest Ecology, Environment and Protection, Chinese Academy of Forestry; Key Laboratory of Forest Protection,
State Forestry Administration, Beijing 100091, China; 2. Beijing Xishan Experimental Forest Farm, Beijing 100091, China)
Abstract: The authors planned the shaded fuelbreak in Weijiacun Forest Farm in Xishen of Beijing, studied the fire
regime of this region, fuel distribution, main wind direction, slope, ridge, roads, and residences, and studied the
influence of these factors on spatial pattern of shaded fuelbreak. The authors analyzed the suitable area of fuelbreak
network controlled, and extracted the roads and open space in forest with the method of object-oriented
classification. Three types of fuelbreak were planned: ridge fuelbreak, roads fuelbreak, and forest edge fuelbreak.
The fuelbreak network divided the forest into different independent cells, and the average area of the cells was
41. 24 hm2 . The length of the network was 36 816 m, and the area of the network accounts for7. 35% of the region.
Key words: shaded fuelbreak; fuel; spatial pattern
生物防火林带可以对森林火灾的蔓延进行有效地
阻隔, 其研究一直受到国内外研究者的重视 [ 1] 。设计
防火林带应根据林分、道路、河流、山脉、地形等自然条
件,因地制宜, 结合林相改造, 合理布局, 使防火林带与
防火线以及天然屏障连接成网, 把林地分隔成阻隔封
闭区, 才能发挥防火线的阻隔作用 [ 2] 。热带、亚热带地
区防火林带一般建在山脊、山冲, 多以水相隔,一般在主
山脊营造防火主林带, 在小山脊、山坡及林道处营建副
林带。在林地和农田交界处设置田边防火林带, 在居
民区和场界也要设置林带[ 3 - 4] 。根据实际情况可以设
置多级网络, 进行多重防火 [ 5] 。一般认为山脊防火带
的阻火效能最好, 这是因为山脊的特殊空气动力和热
辐散综合作用的结果, 山脊防火林带能有效阻止火星
传播,阻止飞火的发生 [ 6] 。生物防火林带是景观尺度
的可燃物管理措施之一, 尽管对于生物防火林带的空
间布局还没有统一的标准[ 7 ] , 生物防火林带总是要与
当地的火发生状况相联系的, 要在考虑火发动态的背
景下综合考虑可燃物、地形、气象等因素。
林 业 科 学 研 究 第 23 卷
本文以北京市西山试验林场分场魏家村林场为
研究区域, 综合考虑可燃物类型、主风向、公路、坡度
和山脊等多种因素, 在 GIS 平台上对生物防火林带
的空间格局进行优化布置, 其目的在于为防火林带
构建设计合理的空间布局, 一方面可以减少建设成
本, 达到较好的造林效果, 又能有效地阻止中低强度
地表火, 同时对华北地区防火林带规划设计也有借
鉴意义。
1 研究区域概况
北京市西山试验林场位于北京市近郊小西山, 地
跨海淀、石景山、门头沟三区, 是以经营风景林为主的
城市景观生态公益型国有林场, 总面积为 5 949 hm2,
森林覆盖率为 92. 22%。西山林区是距北京市区最近
的一处山林, 与香山公园、卧佛寺、碧云寺、八大处等
名胜古迹相邻, 构成著名的西山风景旅游区。西山林
场所处小西山属太行山系的低海拔石质山, 山区平均
海拔 200 ～ 400 m, 最高峰克勒峪海拔 800 m, 年降水
量 660 mm, 但近几年连续干旱, 实际年降水量仅 400
mm左右。小西山土层较薄, 一般 30 ～ 50 cm, 土壤中
石砾含量多, 立地条件较差, 不利于造林和树木生长。
小西山有维管束植物 90 科、286 属、517 种。树种主要
有侧柏( Platycladus orientalis L. ) 、油松( Pinus tabulae-
formis Carr. ) 、栓皮栎 ( Quercus variabilis Bl. ) 、刺槐
( Robinia pseudoacacis L. ) 、山桃( Amygdalus davidiana
( Carr. ) C. de Vos ex Henry) 、黄栌( Cotinus coggygria
Scop. var. cinerea Engl. ) 、桑树( Morus alba L. ) 、山杏
( Prunus armeniaca ( L. ) Lam. ) 、元宝枫( Acer trunca-
tum Bunge) 、槲栎( Quercus aliena Bl. ) 、臭椿( Ailanthus
altissima ( Mill. ) Swing. et T. B. Chao) 、榆树( Ulmus
pumila L. ) 、白 蜡 ( Fraxinus chinensis Roxb. ) 、蒙 桑
( Morus mongolica Schneid) 、栾树 ( Koelreuteria panicu-
lata Laxm. ) 等。自 1981 年以来, 西山试验林场共发
生森林火灾 200 多起, 火灾成为威胁该地生态安全重
要因素, 本文以西山试验林场分场魏家村林场作为规
划区域, 区域面积为 701. 2 hm2。
2 研究方法
2. 1 火历史分析
本试验是在对研究区域火历史情况进行分析的
基础上, 确定防火林带网络的最小闭合面积和密度。
火灾轮回期是燃烧完整个研究区域所需要的时
间。它是用来表征林火出现时间长短的一个量, 可
以用下式表达:
FC = S
Sa
( 1)
式中, FC 为火灾轮回期, 年; S 为研究区域面
积, hm2 ; Sa 为平均每年火烧面积, hm2。
火灾发生概率是表示森林火灾发生可能性的一
个量, 它与火灾轮回期有关, 可以用下式表示。
P( t) =1 - e
- 1 / FC
( 2)
式中, P( t) 为火灾发生概率, e 为自然数, FC 为
火灾轮回期。
2.2 防火林带影响因子分析
防火林带的规划要综合考虑可燃物类型、地形、
气象、防火公路、居民区等因素, 合理配置。本文根
据实际情况主要确定 3 种形式的林带: 山脊防火林
带、公路防火林带和林缘防火林带。分析气象、造林
及不同地形因子对火行为的影响情况, 主要获得可
燃物分布、主风向、坡度、防火公路和林中空地、山
脊、居民区分布等主要影响因子。
3 结果与分析
3.1 网络密度和最小控制面积确定
网络密度是决定林带网络发挥综合效能的重要
因素之一。防火林带的密度和最小闭合面积, 并没有
统一的标准, 一般根据实际情况, 因地制宜。欧建
德 [ 1] 认为合理的防火林带网络密度应该是防火林带
网络减灾的效益大于网络建设带来的负面效应, 他从
森林经济效益方面, 分析建立精确计算防火林带网络
最大允许密度的教学模型。詹超亚 [ 8] 从经验出发, 提
出视人为活动频度, 构造 30 ～ 50 hm2 的阻隔网, 林带
面积占林地总面积的 5% ～ 10% 。宋卫国 [ 9 ] 等从自
组织临界性的角度分析了防火隔离带防治森林火灾
的理论基础。防火隔离带可以使森林火灾出现“有限
尺度效应”, 使得森林在平衡状态时的树木密度增加,
从而有效地保存了森林中的树木。文定元 [ 5] 根据森
林火灾过火面积提出防火林带的网络控制面积。一、
二、三、四级网格的控制面积分别为 1 000、100、10、1
hm
2。防火林带的构建总是与森林火灾的发生相适应
的, 因此从火灾发生的角度来确定防火林带的密度和
最小闭合面积是可行的, 这在一定程度上可以降低理
论推导的难度。
研究区域的火灾发生状况将影响防火林带的构
建, 统计西山林场 1981—2005 年火灾发生记录, 共
发生火灾 219 起, 年均过火面积 4. 9 hm2, 火灾轮回
004
第 3 期 王明玉等: 北京西山防火林带空间布局与规划
期为 143 年, 火灾发生概率为 0. 007, 主要以小面积
火灾为主, 过火面积大于 1 hm2 的火灾次数不足
16% ( 图 1) , 过火面积平均每次为 0. 52 hm2 , 最大过
火面积为 14 hm2。该区域以控制小面积森林火灾为
主, 依据文定元的研究理论方法 [ 5 ] , 防火林带闭合网
络最小面积应控制在 100 hm2 以下。
图 1 西山林场 1981—2005 年火灾过火面积频率百分比分布
3. 2 可燃物类型
大面积的均一的森林类型容易发生大面积的森
林火灾, 而有效的多种植被类型的交错对控制大面
积森林火灾具有意义 [ 10 ] 。综合考虑树种的燃烧特
性、生物学特性和生态学特性, 华北地区防火能力强
的树种有刺槐、核桃 ( Juglans regia L. ) 、加杨( Popu-
lus ×canadensis Moench) 、青杨 ( P. cathayana Re-
hd. ) 、旱柳 ( Salix matsudana Koidz. ) 、火炬树 ( Rhus
typhina L. ) 、香椿 ( Toona sinensis ( A. Juss. ) Ro-
em. ) 、紫穗槐 ( Amorpha fruticosa L. ) 、元宝槭、毛白
杨 ( P. tomentosa Carr. ) 、柿 树 ( Diospyros kaki
Thunb. ) 、黄连木 ( Pistacia chinensis Bunge) 、山桃等
树种。而山杏、栓皮栎、油松、侧柏等防火能力较
差 [ 11] 。在林带的营建过程中, 尽量增加混交的比
例, 使得同一大面积均一植被类型被分割成不同面
积的异质单元。在样地调查和森林清查数据的基础
上, 将可燃物分为阔叶林、针叶林、混交林和疏林地
4 种可燃物类型。
3. 3 主风向的影响
风速和风向对林火蔓延影响很大, 在防火林带
设置时要考虑主风向的影响。统计 2000—2006 年
北京地区两个气象站点( 站点号: 54416, 54511) 日值
数据, 计算得到最大平均风速的风向统计, 风向玫瑰
图如图 2, 在东北 ( NE) 和西南 ( SW) 方向具有最大
的日数, 确定主风向为东北、西南方向, 确定主风向
后, 在防火林带规划时要将林带的走向与主风向垂
直, 或者尽量将角度控制在 45°以上, 最大限度地对
林火产生阻隔作用。
图 2 北京 2000—2006 年最大平均风速风向玫瑰图
3.4 公路与林缘确定
防火林带的建造结合现有的空地、公路、河流等,
将所有可以有效的阻火的要素结合一起构成闭合的
网络。在防火林带的规划过程中, 利用航片对林中空
地和公路进行提取, 由于传统方法对于公路、空地等
提取有一定的局限性, 基于像元的遥感图像分析和处
理所能够得到的信息是极其有限的, 由于遥感图像中
异物同谐和同物异谱现象较为普遍, 仅靠光谱特征是
不足以表达目标或类别的, 因而其分析结果的可靠性
常常不尽人意。本文使用面向对象的分类方法利用
该地的航片对林中空地和公路进行提取, 首先将图像
按照某种相似性准则分割为一个个完全同质的, 空间
上连续的, 并且具有特定专题意义的对象, 然后再针
对每个对象进行类别的标注 [ 12 ] 。
林中空地和公路的提取, 可以在 ENVI ZOOM 中
利用 Feature Extraction 模块实现。林中空地和公路经
过提取后, 过滤掉过小面积的单元, 经计算该区域公
路和空地面积为 35. 6 hm2, 占总面积的 5. 1% , 由于树
冠的遮挡, 在可见光部分, 许多公路在航片上表现为
不连续, 部分区域需要进行地面调查, 然后, 利用目视
判别和实地验证的方法对有效的防火公路进行确认,
最终确定有效防火公路长度为 16 329. 5 m( 图 3) 。
该区域森林火灾主要以人为火为主, 人为火源
与居民密度、距居民区的距离、人为活动、公路的分
布等密切相关, 在林缘及居民区附近的防火林带, 其
功能主要是阻止人为引起的初发火的蔓延, 因此在
林缘与居民区和农田等交错的地带建造防火林带可
以有效减少火灾向林区蔓延。利用该地区的航片,
利用目视解译的方法对居民区进行确定, 进而在林
缘附近确定要建造的防火林带 ( 图 4) , 林缘防火林
带长度为 13 448. 3 m。
104
林 业 科 学 研 究 第 23 卷
图 3 林中公路和空地提取 图 4 防火公路和林缘
图 5 坡度分级图 图 6 坡度在 20°以下区域
3. 5 地形特征提取
地形是地质变迁的结果。其变化要用地质年代
来度量, 比较缓慢。但是作为地形因素的坡度、坡
向、海拔高度等, 直接影响林火的发生与发展。DEM
是地形的一个数学模型, 许多地形因子均可以从这
个函数导出。由 DEM 派生的单要素地形属性可以
由 DEM直接计算得到, 其他复合属性可以由几个单
要素地形属性按一定的关系组合而计算得到 [ 13] 。
在 ArcGIS中将 1∶10 000 地形图进行数字化, 生
成等值线, 然后转换成栅格数据, 生成 DEM, 基于此
DEM 栅格数据, 对生物防火林带规划产生影响的坡
度、山脊进行提取。
3. 5. 1 坡度的提取 坡度一方面对火行为产生影
响, 另一方面在生物防火林带规划中由于要考虑造
林或林带改造对水土流失的影响。坡度是影响土壤
侵蚀的主要原因之一, 在其他条件相同的情况下, 坡
度不同, 土壤侵蚀量有较大差别, 因此在实际规划中
要对坡度进行分级。国家目前进行的退耕还林工作
中规定退耕坡度为 25°, 将 25°以上坡耕地进行退耕
后, 施行林草措施可以大大减少土壤侵蚀 [ 14 ] 。考虑
到本地生态环境的脆弱性, 在实际应用中作者把坡
度限定在 20°以内, 这一方面可以降低造林的难度,
又可以减少水土流失, 提高成活率。坡度分级见图
5、6。图 6 中黑色的区域坡度大于 20°, 不适合建设
防火林带, 白色区域坡度小于 20°, 适合建设防火林
带, 然后将坡度分级与其他地形特征因子在 ArcGIS
204
第 3 期 王明玉等: 北京西山防火林带空间布局与规划
中进行叠加, 获得防火林带空间布局网络。
3. 5. 2 山脊线的提取 山脊线不仅构成地形起伏
变化的分界线, 同时由于山脊线特殊的空气动力学
效应, 对森林火灾的火行为有特殊的作用效果。目
前对于山脊线的提取多是从其几何特征或物理特征
的单一方面进行研究和设计 [ 15 - 16] , 本文基于三维地
形表面流水数字模拟法对山脊线进行提取 [ 17 - 18] ( 图
7) 。根据主风向、防火公路以及坡度分布, 对山脊防
火林带位置进行选取, 主要依据山脊走向与主风向
有较大的夹角, 与防火公路可以闭合, 坡度在 20°以
下, 最终确定拟建防火林带的山脊 ( 图 8) , 山脊防火
林带长度为 7 038. 2 m。
图 7 山脊线分布 图 8 防火林带总体规划
4 结论与讨论
综合分析火灾发生历史记录、可燃物分布、主风
向、防火公路、坡度、山脊等因素, 最终形成覆盖全区
的防火林带网络 ( 图 8) , 使得山脊防火山林与主风
向有较大的夹角, 坡度在 20°以下, 可以有效地阻隔
过山火, 同时又可以减小造林难度, 提高成活率, 降
低水土流失, 也可以使扑火队员通过山脊防火林带
快速行进。经过改造和造林, 防火公路两侧和林缘
防火林带可以成为人为火向林中输送的屏障, 又可
以有效地阻隔林火蔓延。
山脊防火林带、林缘防火林带、防火公路对研究
区域进行分割形成闭合网络, 使林中同一均质可燃
物得到有效的分割, 增加了可燃物分布的异质性, 使
可燃物连续性降低, 降低了发生大面积森林火灾的
危险性。整个防火林带网络将整个区域分割成 17
个大小不等的独立单元, 其中最大面积为 94. 26
hm
2
, 平均面积为 41. 24 hm2。
形成的防火网络总长度为 36 816 m, 其中山脊防
火林带长度为 7 038. 2 m, 林缘防火林带长度为
13 448. 3 m, 防火公路为 16 329. 5 m。防火网络所形
成的网络密度为 52. 5 m·hm- 2。以理论防火林带宽
度 14 m计算, 防火网络总面积占区域面积的 7. 35%。
本文仅从火灾发生历史记录、可燃物分布、主风
向、防火公路、坡度、山脊等因素分析防火林带的空
间布局。事实上影响防火林带营造、火行为的因素
还有很多, 如果考虑更多的影响因素, 如土壤类型、
土壤厚度、坡向、可燃物载量、树高、枝下高等, 将使
防火林带的规划更加完善。
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