草原火災風險評估研究綜述*

紅 梅，都瓦拉，玉 山

(1.內蒙古師范大學地理科學學院/內蒙古自治區遙感與地理信息系統重點實驗室，呼和浩特 010022；2.中國農業科學院草原研究所，內蒙古 呼和浩特 010010)

草原是一種廣泛分布的植被類型，占世界陸地面積的26%，其中有80%是用于農業用途，是陸地生態系統重要的自然資源之一[1]。在地球上，南半球的草原面積比北半球的小，草原分布也比較零散,分布面積最大的是澳大利亞(世界上草原面積最大的國家)，還有南美洲的潘帕斯草原和非洲的熱帶稀疏草原；北半球的草原是由歐亞大陸草原和北美草原組成的[2]?；鹗遣菰鷳B系統的重要干擾因素之一，人們利用火來改善動物棲息地、減少害蟲和外來物種的入侵，這有助于植被的再生從而達到管理草原的目的[3]。但是,火一旦失去人為控制形成草原火災，將會給草原帶來無法估計的危害，而且草原火災作為一種突發性的自然災害，它對植被、生物多樣性、財產以及生命有直接影響,還對碳排放和人類的健康有著間接影響[4]。草原火災一旦發生波及范圍廣、救援工作實施困難，不及時控制就會引起次生事件造成間接損失，比如很容易引發森林火災[5]。草原火災發生的原因及其復雜，涉及到各種自然因素、社會環境以及邊境火的蔓延等，我國每年春秋季節因干旱、風大以及枯枝落葉豐厚等特點導致草原火災頻繁發生，特別是與蒙古國和俄羅斯相鄰的東北部地區。上個世紀的澳大利亞，草原火災是繼熱浪之后的第四大災害，而且隨著草原保護項目的實施草原植被得到有效恢復，導致草原火災變得越來越嚴重[6]。野火不僅對人類生存環境構成了嚴重的威脅，而且也會影響碳循環、輻射收支、氣候平衡以及空氣質量等[7]。近年來，研究者更側重于森林火災的研究，對草原火災的風險與管理方面的研究很少，且越來越多的火災區域給消防組織帶來了極大的困難，因為耗時長、滅火成本高，僅加拿大每年要花費5億美元來滅火[8]。我國對草原火災的研究更注重的是災后的修復，近幾年才逐漸變為災前的預防和行動。要加強對草原火災風險及管理重要性的認識，因為減輕草原火災比災后的救援更重要，將救災策略轉變為降低草原火災風險的策略對于我們國家具有重要意義。鑒于此，本文對草原火災風險評估的定義及分析方法進行綜述，對國內外草原火災風險分析的研究進行總結，以期為我國今后草原火災風險管理提供科學依據。

1 草原火災風險評估研究進展

1.1 論文發表

國外對草原火的研究是作為野火的一部分。通過數據庫Web of science核心合集檢索1995～2020年的主題詞為“Wildfire risk”和“Grassland fire risk”的論文，結果檢索到論文3084篇，然后對其進行篩選后得到了關于草原火災風險的889篇論文(表1)。近26年以來，草原火災風險迅速發展，特別是2001年和2007年分別比2000年和2006年增長約一倍。此外，從2007年開始對草原火災風險評估的研究迅猛發展，2020年的論文更是達到了115篇，其中國外開始逐漸把重點放在降低野火風險的研究上，特別是近幾年對于降低火災風險的研究越來越多。Damianidis[9]等基于土地利用規劃降低歐洲地中海國家的野火風險研究表明，與森林、草原和灌叢相比農用林業的野火發生率更低。

表1 草原火災風險的Web of science文獻檢索結果(1995～2020)

1.2 草原火災風險國別分布

根據Citespace5.7R2對檢索到的論文作者的國家進行分析，軟件Citespace是對文獻當中所有作者的國家進行分析后得到的(圖1-a),其中美國、歐盟、澳大利亞這3個國家或國際組織對草原火災風險方面的研究較多，分別占總體的37.75%、28.54%、10.7%，而我國僅占5.92%。通過CNKI數據庫檢索了1995～2020年的主題詞為“草原火災風險”、“草原火災發生”的文獻，共檢索到307篇，隨后對其篩選獲得了關于草原火災風險的44篇中文文獻。把我國的Web of science核心合集和CNKI數據庫中的論文進行對比(圖1-b)發現,我國關于草原火災風險方面的研究是從21世紀初開始的，而且以2006～2010年的研究較多，2013～2017年發表的論文相對較少，以往對火災風險的研究則更多的是集中在森林方面。

圖1 Web of science草原火災風險研究文獻的國別分布(a)及中國論文發表量(b)

2 草原火災風險評估基本內涵

2.1 風險和風險評估

“風險”一詞最早是應用在經濟學領域，而它在火災中的使用早在20世紀20年代就開始了。但是，由于研究領域不同對風險的描述還不統一，很多學者對風險的概念也各執己見。在災害研究中，將風險定義為損失或利益的預期，包括災害發生的概率以及潛在后果的影響[10]。風險一詞遵循聯合國救災協調專員辦事處(UN disaster relief office，UNDRO)的定義，是指在特定未來時期內，特定災害對特定風險因素造成的預期損失。黃崇福[11]等人發表了一篇關于災害風險基本定義的文章，文中把風險的定義分為可能性和概率、期望損失及概念化公式類定義，并且在此基礎上提出了風險的情景定義，即風險是與某種不利事件有關的未來情景。風險評估的概念是在1998年的關于全球環境風險的年度報告中才由德國全球變化咨詢委員會提出的[12]，目前風險評估主要是應用于地震、干旱、洪澇、火山爆發、滑坡以及森林火災等方面的研究，在草原火災中的研究較少[13]。

2.2 草原火災風險評估

草原火災風險，是指在失去人為控制時草原火的發生、發展對人類生命財產和草原生態系統造成損失的可能性，而不是草原火災損失本身。草原火災風險評估的主要步驟包括草原火災風險識別、草原火災風險分析以及草原火災風險評價，其中草原火災風險分析是最重要的一部分，是對識別的風險進行定性定量分析的過程，也為后續的評價和應對提供支持。目前，國內外對草原火災風險評價的研究相對較少[14]，對草原火災風險評估研究的主要有張繼權、劉興朋、都瓦拉等人。張繼權、劉興朋等人通過自然災害風險指數法認為，草原火災風險是由危險性、暴露性、脆弱性、防災減災能力4個因素綜合作用的結果[15]；而都瓦拉利用作業條件危險性評價法認為，草原火災風險是由危險性、暴露于風險環境的頻繁程度、脆弱性、防災減災能力、風險發生的后果等5個因素作用的結果。其中：危險性指的是某一地區某一時間段內著火的可能性和強度；暴露性是指火災發生時位于草原火災影響范圍內的承災體，主要是人和財產的暴露；脆弱性是表示由于人和財產受到草原火災的影響而遭受損害的程度或可能性；防災減災能力是指受災區能從草原火災中恢復的能力；暴露于風險環境的頻繁程度是指某一地區內發生草原火災的頻率；風險發生的后果是指受到草原火災威脅的人和財產。在國外，目前認為火災風險可用估計火災發生的概率和損害程度來表達，野火風險的主要組成部分是：(1)火災發生的概率，著火或燃燒的概率；(2)暴露，是受到火災影響的承災體，是影響的一個組成部分；(3)脆弱性，是由火災發生導致資源和資產發生不同的變化，即暴露的易感性[16]。其中，著火概率是利用歷史火災數據進行統計建模，而燃燒的概率是利用火災蔓延來預測，計算方法有矢量形式的最短傳播時間[17]和惠更斯原理[18～19]以及柵格形式的元胞自動機[20]。在這一框架的基礎上，美國開發了一個比較全面的適應美國大陸的火災風險評估框架，此風險評估框架的主要組成部分有：(1)某一特定強度下的燃燒概率估計；(2)對可能因火災而發生價值變化的資源進行空間識別；(3)火災對高價值資源影響的響應函數[21]。燃燒概率圖是基于火災計劃分析系統生成的，并利用火焰長度來度量燃燒強度，利用最短傳播時間方法生成了燃燒概率和強度分布圖。而在第二組成部分提到的高價值資源也可稱為資源和資產，比如住宅結構、易受火災影響的物種、基礎設施等數據層。根據這些組成部分以及2005年Finney[22]提出的公式獲得公式E (NVCj)= ∑iP(fi)RFj(fi) ，式中E(NVCj)為資源j的預期凈值變化，P(fi) 是強度等級為i的火災概率，RFj(fi) 是資源j的“響應函數”，是火災強度等級i的函數。

3 草原火災風險分析

草原火災風險分析是草原火災風險管理、草原火災風險區劃和損失評估的前提和基礎。本文將草原火災風險分析主要分為定性風險分析、半定量風險分析和定量風險分析。

3.1 定性風險分析

定性分析是基于專家的經驗為基礎，并把研究區的風險等級劃分為相對高低水平，對等級劃分通常利用事件發生概率和影響的后果[23]。使用這種方法雖然可以快速評估研究區域的草原火災風險等級，但因為分析時研究人員用經驗和主觀意見來評估，所以缺少客觀性。從20世紀80年代開始，國外利用定性分析法來分析野火風險。

3.2 半定量風險分析

半定量風險分析是基于定性定量相結合的方法，是通過構建指標體系并利用分析方法對其指標進行排序和計算權重，從而構建模型計算風險指數或是直接利用地理信息系統計算每個像素的火災風險指數。對于定性分析法而言，該方法得出的結果是相對數值而不是風險等級。張繼權[24]、劉興朋[25]等人利用層次分析法對21個指標排序并得出權重，然后根據加權綜合評分公式分別計算出危險性、暴露性、脆弱性、防災減災能力的值，并建立了草原火災風險指數模型，最后用GIS技術得到了吉林省西部火災風險區劃圖。都瓦拉[26]采用作業條件危險性評價法對影響內蒙古草原火災的因子進行分析，并構建指標體系以及評價模型。本文利用層次分析法對危險性、暴露于風險環境的頻繁程度、脆弱性、防災減災能力、風險發生的后果等23個指標進行排序及權重，然后通過加權綜合評分法計算出內蒙古草原火災風險指數，最后利用GIS對內蒙古進行了風險區劃。Puri[27]等人利用加權求和模型和聚類分析方法來評估印度東部地區的野火風險，并通過該方法分析影響火災行為的因素來建立火災危險模型，結果表明極高風險區面積最高，而且在林地和混交林中發生火災的可能性更高。Vadrevu[28]等人使用層次分析法對研究區域的地形、植被、氣候和社會經濟參數進行排序和計算權重，然后利用梯形模糊函數確定不同層級的權重，并通過地理信息系統分配標準權重，用模糊加權求和模型對模糊集的火災風險進行優先排序，最后得出結合決策分析法和模糊函數的復合火災風險圖。Adaktylou[29]等人通過地理信息系統和多標準分析法建立了希臘希俄斯島的野火風險評估模型。這種分析方法重要的是生成影響火災相關的因子，所以對數據的要求非常高，最后得出的風險分析結果往往局限于數據獲取的難易程度。

3.3 定量風險分析

定量風險分析又稱為概率風險分析，定義為對某一危險事件發生的概率及其影響的后果進行分析的過程。草原火災定量風險分析是結合火災發生的概率和潛在損失的后果來進行表達，其中火災發生的概率分為著火概率和燃燒概率。在多數情況下，用著火概率表示著火的可能性，通過歷史火點數據與影響火災發生的相關變量進行建模，最后通過該預測模型分析草原火災風險。研究通常利用邏輯回歸模型[30～31]、人工神經網絡系統[32]、地理加權回歸模型[33～35]、貝葉斯網絡模型[36]、證據權重法[37～38]、分類與回歸樹[39]、模糊邏輯[40]等來進行風險評估，這些預測模型都有其差別及優缺點(如表2)。而燃燒概率是基于蔓延模擬來預測的，基于此美國提出了比較全面的定量風險評估框架。

表2 常見預測模型的優缺點

張繼權[41]等人使用信息擴散理論計算了草原火災次數、經濟損失以及過火面積的概率，然后利用風險計算公式得出相應的風險值。而劉興朋[42]等人基于地理信息系統和信息擴散論提出了一種草原火災時空風險分析方法，并利用該方法對中國北方12個省(區)的草原火災風險進行了分析。張正祥[43]等以檢查人為點燃在內蒙古東部草原的可能性，研究利用地形距離和天氣因素作為預測變量，使用邏輯回歸建立了每個網格單元中人為引發草原火災概率的預測模型。文崇波[44]利用Logistic回歸模型建立了歷史火點數據與植被因子、地形因子、氣象因子等火險因子之間的模型，并用野火風險指數對野火風險程度進行表征，最后用該模型結合氣候預報數據以及近實時的遙感數據預測了未來幾天的野火風險。Alonso-Betanzos[45]等人根據神經網絡系統，利用氣象數據以及火災記錄評估了加利西亞地區的野火風險，該研究把研究區域分割成360個10km×10km的正方形，利用模型多層感知器計算每個正方形的火災風險，盡管該系統的性能較高，但此方法因只考慮了氣象因素，所以也存在著不足。Brillinger[46]等人利用懲罰準似然函數計算3個邏輯回歸來估計俄勒岡州和加利福尼亞的野火風險。Preisler[47]等人利用邏輯回歸建立了俄勒岡州火災風險評估模型，將火災風險概率定義為火災發生的概率P1、小火災變成大火災的條件概率P2以及大火災的無條件的概率P3，通過邏輯回歸建立了歷史火災數據與影響火災因子之間的非線性關系。Amatulli[48]等人根據分類與回歸樹生成了意大利東南部加爾加諾半島的野火風險評估圖，結果表明加爾加諾半島東北地區野火風險最高。Fiorucci[49]等人提出了一個荒地火災危險等級系統，該系統利用可燃物載量模型、可燃物濕度模型和潛在災害模型來評估意大利火災動態風險，目的是在72h內評估意大利境內的火災風險。Finney[50]等人使用廣義線性混合模型模擬單個火災的遏制概率，利用該模型對每日火災規模變化進行了處理，研究表明遏制與火災持續增長的天數和之前的間隔時間呈正相關。Dlamini[51]等人使用貝葉斯網絡方法進行分析來生成斯威士蘭的火災風險圖，在研究中以斯威士蘭的歷史火點數據作為被解釋變量，而解釋變量選取了13個火災影響因子，然后利用貝葉斯網絡和地理信息系統開發了評估火災風險模型，并把該國劃分為5個火災風險區，結果表明該國60%的地區高至極端風險中。Chuvieco[52]等人提出了應用于西班牙火災的風險評估框架，認為火災風險是火災發生的概率和潛在損失的后果，其中火災發生的概率是考慮了點火以及火災的傳播危險，點火危險主要選擇了火源以及可燃物含水量，而潛在損失的后果是社會經濟價值、降解潛力和景觀價值，此框架額外考慮了暴露及脆弱性。之后也越來越重視脆弱性的重要性，Gaither[53]等人基于探索性空間數據分析來研究美國東南部地區的野火風險與社會脆弱性之間的空間聯系，表明高風險和高脆弱性地區比高風險和低脆弱性更加危險。Finney[54]等人利用火災發生燃燒概率估計和影響高價值資源的響應函數的乘積[E (NVCj)= ∑iP(fi)RFj(fi)]對美國野火進行了風險評估，結果得出加利福尼亞州和南部地區更容易受到野火的影響。Palaiologou[55]等人通過火災模擬模型程序對希臘地區進行了火災模擬,模擬結果認為油橄欖、松柏密林、農田以及草原是最容易發生自燃。至今為止，野火風險評估框架變得越來越完整，其中脆弱性作為火災風險的重要組成部分也成為了研究熱點。

4 小結

本文對于草原火災風險評估的研究分為定性、半定量以及定量風險，但從本世紀初以來，國內外更多的是采用半定量和定量風險分析方法對草原火災風險進行評估。

4.1國內外對草原火災風險評估的研究角度存在著差異。2000年之前國內外對于野火風險亦或是草原火災風險沒有一個統一的概念，但進入21世紀后草原火災風險得到迅速發展，國內學者更多的是基于張繼權團隊提出的草原火災風險形成機制基礎上進行半定量分析，而國外的學者則是根據草原火災發生的可能性、強度和影響來開發定量火災風險評估框架；目前國內外使用的火險分析和影響分析相結合的評估框架是可以不斷的擴展的，因此隨著遙感和地理信息系統技術的不斷發展，草原火災風險評估工具會變得越來越量化。

4.2定量模型的預測大多利用森林火災的模型，缺乏創新，甚至國外把草原火災風險作為野火風險的一部分進行研究。

4.3草原火災風險方面的研究不全面。過去更多的研究火災危險性評價，并且從利用可燃物、天氣等單因子指標到多因子指標進行預測草原著火概率或燃燒概率，之后才把暴露和脆弱性納入了草原火災風險評估中，從而形成了一個比較全面的風險評估框架，不過由于該數據的缺乏和不確定性導致評估影響因子變得很困難。

4.4火災風險不可以消除，但可以通過降低火災發生的概率及改變暴露的脆弱性來降低。近年來，國外主要通過土地利用規劃或改變脆弱性等方法來降低野火風險。