多标准防火带规划在野火风险下保护生态和文化价值：以加泰罗尼亚为例

《Environmental and Sustainability Indicators》：Multicriteria Firebreak Planning for Protecting Ecological and Cultural Values under Wildfire Risk: A Case Study in Catalonia

本研究提出一种多准则优化框架，用于战略规划火险隔离带。整合城市、植物区系、考古遗址等空间数据与气象情景，通过Cell2Fire进行10000次动态火蔓延模拟，计算下游保护价值（DPV）指数，并基于三种优先目标（最小化总烧毁面积、城市保护、综合生态文化保护）优化隔离带布局。结果表明，战略性治理5%景观面积可减少26%烧毁面积和近40%城市暴露风险，验证了多目标优化在复杂景观管理中的有效性。

　　### 火灾防护策略的多准则优化方法

在面对日益频繁和严重的野火威胁时，如何在复杂的自然环境中有效地进行火灾防护成为了一个重要课题。野火不仅对生态系统造成破坏，还对人类居住区构成严重威胁，因此需要一种科学且系统的方法来评估和优化防护措施。本研究提出了一种基于多准则优化的策略，用于选择最适合纳入防火隔离带的景观区域。该方法结合了空间信息，包括城市、植物种类、考古和古生物学资源，以及气象条件和10,000次动态火灾传播模拟，使用Cell2Fire进行建模。通过计算每个景观单元的下游保护价值（DPV）指数，并在不同处理限制和权重方案下应用优化程序，我们能够更精准地识别高风险区域，从而减少火灾对关键资产的威胁。

### 研究背景与意义

野火的发生受到植被组成和分布模式的显著影响，而有效的森林和植被管理能够显著改变火灾的传播路径和强度。然而，传统上对野火的管理方法多集中在局部区域，难以在大尺度上有效控制火势。近年来，大规模策略如机械燃料移除或计划性燃烧被提出，但这些方法在系统实施方面存在诸多挑战，例如资源投入巨大、评估经济成本和效益的复杂性等。尽管如此，燃料管理仍然是减少野火频率和严重程度的一种可靠手段，前提是能够克服实施过程中的各种限制。

为了更有效地应对这些挑战，研究者们开始关注野火模拟工具的应用。这些工具能够模拟不同条件下的火灾行为，整合燃料组成、天气变化和景观动态等多方面因素，为管理者提供更为全面的决策支持。其中，Cell2Fire因其动态、基于单元格的建模方式，特别适用于复杂且快速变化的环境，为火灾模拟提供了强大的计算能力。

### 多准则决策与景观规划

多准则决策（MCDM）方法在评估和优化燃料处理位置方面表现出色，它能够平衡不同的保护目标，例如减少火灾面积、保护城市区域、同时兼顾植物多样性、考古和古生物学遗址等。随着野火复杂性的增加，传统的单一优先级方法已难以满足需求。MCDM通过引入高级空间优化和情景分析，使管理者能够在不同的保护目标之间找到最优的资源分配方案。

研究显示，多准则优化方法在多个案例中都取得了显著成效。例如，在希腊的一项研究中，仅对16%的高风险景观进行处理，就有效降低了对社区的火灾暴露风险。在西美，通过对77%的火灾暴露区域进行处理，显著减少了对开发区域的威胁。此外，这种方法还支持情景分析，使管理者能够评估不同处理策略在动态条件下的效果。

### 方法论概述

本研究的方法论基于空间数据和多准则优化框架，旨在识别最有效的防火隔离带配置。首先，研究区域被划分为多个具有相似火灾模式的景观单元。接着，利用多源数据，包括地形、燃料类型、树冠高度和树冠密度等，构建了详细的景观模型。同时，我们考虑了城市、植物、考古和古生物学等关键资产的分布情况，并将这些信息纳入评估体系中。

为了量化不同资产的风险价值，我们定义了多准则风险值（MVAR）指标，该指标根据各资产类型的重要性进行加权计算。我们探索了三种不同的权重方案：仅考虑火灾面积、同时考虑火灾面积和城市区域、以及同时考虑火灾面积、城市、植物、考古和古生物学等所有资产类型。这些权重方案代表了不同的管理视角，使研究能够评估在不同优先级下的火灾防护效果。

为了更准确地模拟火灾传播过程，我们使用了Cell2Fire_SB工具，结合预定义的燃料湿度和极端火灾天气情景，进行了10,000次火灾模拟。这些模拟不仅考虑了火灾的持续时间，还结合了气象数据的随机性，以更真实地反映火灾的不确定性。通过这些模拟，我们能够计算出每个景观单元的DPV指数，并进一步优化防火隔离带的配置。

### 优化模型与权重方案

在优化模型中，我们引入了多目标线性规划（MIP）方法，以确定最优的防火隔离带配置。模型考虑了不同权重方案和处理限制，例如全局处理比例为1%、3%和5%。通过调整这些参数，我们能够评估不同策略对火灾影响的缓解效果。

研究发现，处理比例越高，风险降低的效果越显著。在仅考虑火灾面积的权重方案下，5%的处理比例可以减少总火灾面积高达26%。而在同时考虑火灾面积和城市区域的权重方案下，城市暴露的减少幅度达到近40%。这种差异主要源于城市区域的集中分布特性，使得在处理这些区域时，DPV指标能够更有效地反映火灾传播的潜在影响。

### 模拟结果与分析

通过进行多次模拟，我们观察到不同处理策略对火灾风险的缓解效果存在显著差异。在仅考虑火灾面积的方案中，处理比例与风险降低之间呈线性关系，但对城市和多准则风险的缓解效果有限。相比之下，同时考虑火灾面积和城市区域的权重方案在降低城市暴露和多准则风险方面表现出更高的效率。这一结果表明，城市区域的集中分布特性使得在这些区域进行处理能够更有效地控制火灾的传播路径。

此外，研究还通过生成DPV地图和火灾概率地图，直观地展示了不同处理策略的效果。这些地图不仅帮助识别高风险区域，还提供了对火灾传播动态的深入理解。通过比较处理前后的火灾概率分布，我们可以更清楚地看到处理策略对减少火灾暴露的贡献。

### 未来展望与改进方向

尽管本研究的方法论已经取得了显著成效，但仍存在一些需要改进的地方。例如，当前的DPV指标主要基于静态数据，未能充分考虑极端火灾条件下的动态变化。此外，模型中的权重方案虽然基于现有的管理优先级，但可能需要进一步优化，以更好地反映实际的资源分配需求。通过引入参与式多属性效用理论（MAUT）和结构化多准则决策分析（MCDA）方法，可以增强模型的透明度和灵活性。

未来的研究可以进一步扩展本框架，考虑其他火灾情景、处理成本以及适应性规划等因素。同时，结合实际的气象反馈机制，如热对流和点火效应，能够提高模型的准确性。此外，通过引入更复杂的权重方案，可以更好地平衡不同资产的保护需求，使火灾防护策略更加全面和可持续。

### 结论

本研究提出了一种基于多准则优化的防火隔离带配置方法，为复杂、多价值的景观提供了灵活且计算高效的决策支持工具。通过整合空间信息和动态火灾模拟，我们能够更准确地评估不同处理策略的效果，并在有限的资源投入下实现最大程度的火灾风险缓解。研究结果表明，即使在处理比例不超过5%的情况下，也能显著减少总火灾面积和城市暴露。这一方法不仅有助于优化资源分配，还能提升景观的抗灾能力，为未来的火灾管理提供科学依据。