一种基于森林火灾蔓延模拟的动态森林火灾损失评估方法与流程

1.本发明涉及森林防火领域，具体而言，涉及一种基于森林火灾蔓延模拟的动态森林火灾损失评估方法。


背景技术：

2.森林火灾是一种扑救难度大，对森林资源和生态环境的破坏十分严重的灾害。研究森林火灾的规律，对火灾损失进行评估是制定消防策略和实施火灾扑救指挥的重要依据，对减少森林火灾损失具有重要的意义。现有的森林火灾损失评估多是针对真实火灾已扑救完成后的统计评估，少有结合森林火灾蔓延模拟，并在火灾发生过程中结合扑救情况给出的火灾损失预估的方法。为更好地了解森林火灾的规律，对森林火灾的损失进行预估，有必要提供一套基于森林火灾蔓延模拟的动态森林火灾损失评估方法。


技术实现要素：

3.为了解决上述问题，本发明提供一种基于森林火灾蔓延模拟的动态森林火灾损失评估方法，通过基础信息对火灾蔓延情况进行模拟，能够根据森林火灾发展的不同阶段结合扑救情况实时对森林火灾损失进行评估。
4.为达到上述目的，本发明提供了一种基于森林火灾蔓延模拟的动态森林火灾损失评估方法，其包括以下步骤：
5.步骤s1：根据基础信息对森林火灾蔓延情况进行模拟，得到林火蔓延模型；
6.步骤s2：构建所需扑救力量的预估模型；
7.步骤s3：建立林火损失评估模型，得到最终森林火灾总损失，其中，所述林火损失评估模型包括直接经济损失和间接经济损失。
8.在本发明一实施例中，其中，步骤s1中的基础信息包括：可燃物信息、地形坡度、风速以及坡向和风向的夹角，其中，所述可燃物信息包括：烘干可燃物载量、可燃物床深、可燃物含水率、可燃物表面积体积比、可燃物熄灭含水率。
9.在本发明一实施例中，其中，步骤s1中的林火蔓延模型包括林木蔓延速率与火场面积，其中：
10.林火蔓延速率r的计算公式为：
[0011][0012]
其中，ir为火焰反应强度，ξ为林火的蔓延率，ρb为可燃物密度，ε为有效热系数，q
ig
为预燃热，φ
sw
为坡度风速联合修正系数；
[0013]
当前时刻t1的火场面积a为：
[0014]
[0015]
式(2)中，k为椭圆形长轴与短轴的比，且k＝1 0.004v，其中v为风速和坡度共同作用下的折合风速。
[0016]
在本发明一实施例中，其中，式(1)各参数的计算公式分别为：
[0017]
林火的蔓延率
[0018]
可燃物密度ρb＝wo/δ，
[0019]
有效热系数ε＝exp(-4.528/σ)，
[0020]
预燃热q
ig
＝581 2594mf，
[0021]
坡度风速联合修正系数φ
sw
＝(φ
w2
φ
s2
2φwφscosα)
0.5
，其中，
[0022][0023][0024]
以及火焰反应强度其中，γ’为最优反应速度(min-1
)，且
[0025][0026]
其中，wo为烘干可燃物载量，δ为可燃物床深，σ为可燃物表面积体积比，ρ
p
为烘干颗粒物密度，mf为可燃物含水率，φ为坡度，u为风速，α为坡向和风向的夹角，m
x
为可燃物熄灭含水率，h为可燃物低热含量；
[0027]
式(2)中风速和坡度共同作用下的折合风速v的计算公式为：
[0028][0029]
在本发明一实施例中，其中，步骤s2中的预估模型包括所需的林火扑救人数与林火扑救用时，其中：
[0030]
当森林火灾的场地为六公顷以下时，所需的林火扑救人数n和林火扑救用时t2的乘积为：
[0031]
nt2＝0.65a 5268.5(3)
[0032]
式中a为当前时刻t1的火场面积，其中，林火扑救人数n为根据火场面积得到的范围，具体为：0.008a 60≤n≤0.14a 130，然后根据火场可调配人员的数量确定林火扑救人数n的最终值，带入式(3)求得林火扑救用时t2；
[0033]
当森林火灾的场地不低于六公顷时，所需的林火扑救人数n和林火扑救用时t2的
乘积为：
[0034]
nt2＝0.072a 10842.9(4)
[0035]
式中a为当前时刻t1的火场面积，其中，林火扑救人数n与火场面积的关系为：n＝771.33ln(a-6736)-8068.3，然后根据火场可调配人员的数量确定林火扑救人数n的最终值，带入式(4)求得林火扑救用时t2。
[0036]
在本发明一实施例中，其中，步骤s3中所述直接经济损失包括立木资源损失及火灾扑救费用，其中，所述立木资源损失的计算过程为：
[0037]
步骤s31：计算森林火灾扑灭后的最终森林受害面积a’，其中，
[0038]
若当前时刻火灾发生面积为人员能够控制的状况时，则最终森林受害面积
[0039]
若当前时刻火灾发生面积为人员无法控制的状况时，则最终森林受害面积
[0040]
其中，t为林火开始燃烧到最终扑灭的总时间，t1为当前时刻，t2为林火扑救用时；
[0041]
步骤s32：根据模拟得到的林木燃烧持续时间长短预估林木受害程度，其中，将燃烧时间大于1小时的受害林木定义为烧毁木，将燃烧时间小于等于1小时且大于半小时的受害林木定义为烧死木，将燃烧时间小于等于半小时的受害林木定义为烧伤木，分别计算烧毁木面积a1、烧死木面积a2与烧伤木面积a3，具体为：
[0042]
当t》1.5时，，
[0043]
当1.5≥t》1时，a2＝0，
[0044]
当1≥t》0.5时，a1＝0，
[0045]
当0.5≥t》0时，a1＝0，a2＝0，a3＝a’；
[0046]
步骤s33：计算所述立木资源损失d1为：
[0047]
d1＝αβ(p
0-p1)[1
·
a1 0.7
·
a2 0.4
·
a3]
[0048]
其中，α为成林过火林木平均出材率，β为每平方米林木蓄积，(p
0-p1)为现行市场销售价格与过火林木现行价格差值；
[0049]
所述火灾扑救费用的计算过程为：
[0050]
根据以往扑救案例的总结数据，得到所述火灾扑救费用p与最终森林受害面积a’的关系，即p＝0.4a’。
[0051]
在本发明一实施例中，其中，步骤s3中所述间接经济损失d2具体为：
[0052]
d2＝10(d1 p)，
[0053]
从而得出最终森林火灾总损失d为：d＝d1 d2 p。
[0054]
本发明的基于森林火灾蔓延模拟的动态森林火灾损失评估方法，与现有技术相
比，不必等到完全扑灭后再对损失进行评估，能够在林火发生时根据基础信息对火灾蔓延情况进行模拟，根据森林火灾发展的不同阶段结合扑救情况实时对森林火灾损失进行评估，从而为消防策略的制定和实施火灾扑救的指挥提供数据基础。
附图说明
[0055]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0056]
图1为本发明一实施例的损失评估方法流程图。
[0057]
附图标记说明：s1～s3-步骤。
具体实施方式
[0058]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0059]
图1为本发明一实施例的损失评估方法流程图，如图1所示，本实施例提供了一种基于森林火灾蔓延模拟的动态森林火灾损失评估方法，其包括以下步骤：
[0060]
步骤s1：根据基础信息对森林火灾蔓延情况进行模拟，得到林火蔓延模型；
[0061]
在本实施例中，其中，步骤s1中的基础信息包括：可燃物信息、地形坡度、风速及坡向和风向的夹角等，其中，可燃物信息包括：烘干可燃物载量、可燃物床深、可燃物含水率、可燃物表面积体积比、可燃物熄灭含水率等。一般情况可燃物信息根据所要模拟的森林情况确定，相关参数数据需要由以往的实验室实验得到，地形坡度、坡向信息根据所要模拟的位置地形确定，风速风向可根据当地主导风向风速进行选取。
[0062]
在本实施例中，其中，步骤s1中的林火蔓延模型包括林木蔓延速率与火场面积，其中：
[0063]
林火蔓延速率r(单位m
·
min-1
)的计算公式为：
[0064][0065]
其中，ir为火焰反应强度(单位kj
·
min-1
·
m-2
)，ξ为林火的蔓延率(无因次)，ρb为可燃物密度(单位kg
·
m-3
)，ε为有效热系数(无因次)，q
ig
为预燃热(kj
·
kg-1
)，φ
sw
为坡度风速联合修正系数(无因次)，本实施例式(1)中各参数的计算公式分别为：
[0066]
林火的蔓延率
[0067]
可燃物密度ρb＝wo/δ，
[0068]
有效热系数ε＝exp(-4.528/σ)，
[0069]
预燃热q
ig
＝581 2594mf，
[0070]
坡度风速联合修正系数φ
sw
＝(φ
w2
φ
s2
2φwφscosα)
0.5
，其中，
[0071][0072][0073]
以及火焰反应强度其中，γ’为最优反应速度(min-1
)，且
[0074][0075]
其中，wo为烘干可燃物载量(单位kg/m2)，δ为可燃物床深(单位m)，σ为可燃物表面积体积比(cm2/cm3)，ρ
p
为烘干颗粒物密度(单位kg/m3)，在本实施例的计算时可取定值512.64kg/m3；mf为可燃物含水率(无因次)，φ为坡度，u为风速(m/min)，α为坡向和风向的夹角，m
x
为可燃物熄灭含水率(无因次)，h为可燃物低热含量(单位kj/kg)，在本实施例中可取定值18608kj/kg。
[0076]
由于在有风速和坡度影响时，火场的形状可简化为椭圆，其中长轴为最大火蔓延方向，因此通过林火蔓延速率得到当前时刻t1的火场面积a为：
[0077][0078]
式(2)中，k为椭圆形长轴与短轴的比，且k＝1 0.004v，其中v为风速和坡度共同作用下的折合风速，其计算公式为：
[0079][0080]
式中各参数均与前述参数相同。
[0081]
步骤s2：构建所需扑救力量的预估模型；可以根据以往林火扑救案例的数据，总结得出不同火场面积与所需扑救人数的关系，再根据步骤s1得到的当前时刻火场面积的情况，即可求得不同情况下扑救所需投入救援力量的情况。
[0082]
在本实施例中，其中，步骤s2中的预估模型包括所需的林火扑救人数与林火扑救用时，其中：
[0083]
当森林火灾的场地为六公顷以下时，所需的林火扑救人数n和林火扑救用时t2的乘积为：
[0084]
nt2＝0.65a 5268.5(3)
[0085]
式中a为当前时刻t1的火场面积(单位m2)，也就是t1时刻森林火灾的过火面积，其
中，林火扑救人数n为根据火场面积得到的范围，具体为：0.008a 60≤n≤0.14a 130，然后根据火场可调配人员的数量确定林火扑救人数n的最终值，带入式(3)求得林火扑救用时t2(小时)；
[0086]
当森林火灾的场地不低于六公顷时，所需的林火扑救人数n和林火扑救用时t2的乘积为：
[0087]
nt2＝0.072a 10842.9(4)
[0088]
式中a为当前时刻t1的火场面积(单位m2)，也就是t1时刻森林火灾的过火面积，其中，林火扑救人数n与火场面积的关系为：n＝771.33ln(a-6736)-8068.3，然后根据火场可调配人员的数量确定林火扑救人数n的最终值，带入式(4)求得林火扑救用时t2(小时)。
[0089]
步骤s3：建立林火损失评估模型，得到最终森林火灾总损失，其中，所述林火损失评估模型包括直接经济损失和间接经济损失。
[0090]
在本实施例中，其中，步骤s3中所述直接经济损失包括立木资源损失以及火灾扑救费用，本实施例不考虑其他固定资产、农牧产品等的损失，其中，所述立木资源损失的计算过程为：
[0091]
步骤s31：计算森林火灾扑灭后的最终森林受害面积a’，其中，
[0092]
若当前时刻火灾发生面积为人员能够控制的状况时，此种状况为最优状况，则最终森林受害面积
[0093]
若当前时刻火灾发生面积为人员无法控制的状况时，则最终森林受害面积
[0094]
其中，t为林火开始燃烧到最终扑灭的总时间(小时)，t1为当前时刻，也就是林火开始燃烧到当前的时间，t2为林火扑救用时，也就是从当前时刻开始扑救到最终扑灭的用时；
[0095]
步骤s32：根据模拟得到的林木燃烧持续时间长短预估林木受害程度，其中，将燃烧时间大于1小时的受害林木定义为烧毁木，将燃烧时间小于等于1小时且大于半小时的受害林木定义为烧死木，将燃烧时间小于等于半小时的受害林木定义为烧伤木，分别计算烧毁木面积a1(m2)、烧死木面积a2(m2)与烧伤木面积a3(m2)，具体为：
[0096]
当t》1.5时，，
[0097]
当1.5≥t》1时，a2＝0，
[0098]
当1≥t》0.5时，a1＝0，
[0099]
当0.5≥t》0时，a1＝0，a2＝0，a3＝a’；
[0100]
步骤s33：计算所述立木资源损失d1(元)为：
[0101]
d1＝αβ(p
0-p1)[1
·
a1 0.7
·
a2 0.4
·
a3]
[0102]
其中，α为成林过火林木平均出材率(通常为根据以往情况得到的一个经验值)，β为每平方米林木蓄积(m3/m2)，(p
0-p1)为现行市场销售价格与过火林木现行价格差值(元/m3)；在本实施例中，α可以取值为55％，(p
0-p1)可以根据市场价格波动估算取值为200元/m3，β可以取值为0.001475m3/m2；
[0103]
所述火灾扑救费用的计算过程为：
[0104]
根据以往扑救案例的总结数据，得到所述火灾扑救费用p与最终森林受害面积a’的关系，即p＝0.4a’。
[0105]
在本实施例中，其中，步骤s3中所述间接经济损失d2具体为：
[0106]
d2＝10(d1 p)，
[0107]
从而得出最终森林火灾总损失d(元)为：d＝d1 d2 p。
[0108]
本发明的基于森林火灾蔓延模拟的动态森林火灾损失评估方法，不必等到完全扑灭后再对损失进行评估，能够在林火发生时根据基础信息对火灾蔓延情况进行模拟，根据森林火灾发展的不同阶段结合扑救情况实时对森林火灾损失进行评估，从而为消防策略的制定和实施火灾扑救的指挥提供数据基础。
[0109]
本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。
[0110]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。