全球气候变化与人类活动强度叠加,使森林火灾呈现发生频率增加、火行为趋于极端、灾害影响跨区域扩展等新特征,已成为生态与公共安全治理的重要议题
[1-4]。中国西南山地林区森林资源集中、地形破碎且季节性干旱显著,2023年“4·11”玉溪江川特大森林火灾、2020年西昌“3·30”火灾、2019年木里“3·30”火灾等典型案例表明,仅依赖末端扑救难以有效控制灾害损失,防火基础设施的前置布局与工程化防控能力提升已成为“打早、打小、打了”体系建设的关键环节
[5-6]。
林区道路(forest roads)已由传统运输通道拓展为森林防火体系的核心基础设施与管理载体
[7-11]。在“阻隔-通行-监测-保障”一体化框架下,道路通过切割可燃物连续性构成林火阻隔网(forest fire separating network, FFSN)的关键单元
[12-13]、决定救援力量与水源投送的可达性
[10,14-15]、支撑日常巡护与早期火情发现
[12,16],并承载前沿作业与后勤保障
[7,10]。但道路效应具有显著双重性:在增强阻隔与扑救能力的同时,可能因人类活动增加点火暴露
[17-18],并诱发栖息地破碎化、水土流失与边坡失稳等生态-工程风险
[11,16-17,19-20]。
道路防火效能并非由建路数量单因子决定,而取决于参数、环境条件与管理维护的匹配,以及道路与防火带(fuel break)的协同配置
[21-24]。然而,现有研究多从单一功能或区域案例出发,对“参数-机制-技术”的系统整合及情景依赖性的辨析尚不充分;同时,中外文献中道路路幅与防火带尺度时有混用,易导致工程应用误判。
为此,现明确区分道路路幅宽度(road width)与“道路-防火带协同的有效阻隔宽度(道路+两侧燃料处置带)”,并在系统检索中外文献的基础上,围绕“功能机制-关键参数-优化技术”开展综述,力求从工程可实施角度形成可复用的认识框架与技术路径。
1 林区道路在森林防火中的核心功能与作用机制
林区道路是森林防火体系中的关键基础设施,其作用并非仅限于运输通道,而是以“阻火屏障-救援生命线”为核心,贯穿火灾预防、监测预警、应急处置与后勤保障等环节。从机理上看,道路主要通过切割可燃物连续性形成潜在阻隔界面、提升应急响应的可达性与可控性、支撑日常巡护与风险管控、提供灭火作业的前沿基地与补给通道等路径发挥综合效能。需要强调的是,上述功能并非天然成立,其有效实现依赖于路网密度、道路宽度与布局、通行标准、配套设施与维护管理等关键参数的匹配与协同。
1.1 中断可燃物连续分布的物理阻隔功能
道路通过形成线状或带状的非(或低)可燃界面,切割林分与灌草层燃料的空间连续性,从而降低地表火跨越概率并削弱火势沿可燃物连续分布方向的推进能力,是重要的工程性阻隔要素之一
[5,12,25-26]。研究表明,15.9%的野火终止边界与道路重合,且部分小型火灾边界70%以上由道路构成,提示道路在一定情景下可成为火势自然终止线
[12]。但道路的阻隔效能具有显著条件要求:其成效受道路宽度-地形坡度-风速等要素的耦合控制。
从参数阈值看,常规条件(坡度<45°、风速<4.5 m/s)下,研究建议6 m可作为阻隔中等强度林火的较优宽度;当处于陡坡(>45°)或高风速区时,道路需加宽至8~10 m以维持阻隔可靠性
[26]。对比不同宽度的失效风险亦较明确:2 m宽林道因难以阻断热辐射传递,在各工况下呈完全失效;4.5 m宽林道在坡度>35°、风速>4.5 m/s时易失效。在工程实践中,西昌市
[6]与将乐县
[27]均采取按地形与功能分区的差异化宽度配置,以增强高火险区薄弱环节的阻隔能力。
除宽度阈值外,道路走向与空间布局同样决定阻火效能。与主风向垂直的道路阻隔带可使火势蔓延速度降低40%以上
[28],沿山脊线或等高线布设的道路可借助地形优势抑制山火扩展
[22]。进一步地,道路与河流、山脊等自然屏障及生物阻隔带协同构建闭合网络,可显著提升系统性阻隔强度(如薄弱区阻火能力提升50%以上)
[6]。但必须指出:在强风驱动的树冠火、飞火等极端火行为条件下,道路的屏障效应可能被突破。因此,道路物理阻隔更应被理解为“提高阻隔概率与争取处置时间”的基础设施,而非对所有火行为的绝对防线。
1.2 保障救援力量快速投送的应急通行功能
道路网络的通达性直接影响“到达火场-展开作业-形成控制线”的全过程效率,是提升初期处置能力与降低扑救难度的关键因素
[19-20]。研究显示,在潜在控制位置(potential control locations,PCLs)模型中,与道路的距离是最重要的预测变量之一(相对重要性为22.6%),道路邻近区域的野火控制概率更高,响应时间较偏远区域快2或3倍
[10]。中国案例同样表明,提升路网密度可显著压缩响应时长。大兴安岭北部原始林区路网密度由0.84 m/hm
2提升至1.84 m/hm
2后,区域面积均值降低45.4%、区域面积方差降低68.5%,应急能力提升
[21]。
应急通行能力不仅取决于有没有路,还取决于道路技术等级与关键几何指标是否满足消防车辆与装备通行需求。中国提出林Ⅳ级道路路幅宽度≥4.0 m、纵坡≤12%、圆曲线半径≥20 m以保障大型消防车辆通行
[29]。道路改造可显著改善可达性:土耳其沿海地区道路改造后,20 min内可抵达的森林面积比例由44%提升至66%
[30-31],塞萨洛尼基郊区主要道路改造后可在15 min内抵达道路沿线任何起火点
[32]。此外,每500~700 m布设蓄水设施并配套排水系统与消防栓可提升持续灭火能力;基于消防距离准则(firefighting distance criterion,FFDC)进行路网规划,可显著提升消防覆盖面积
[14]。上述证据也提示:道路功能评价应从“几何通行-时间可达-水源保障”一体化视角展开。
1.3 强化早期风险防范的监测与预警功能
道路为巡护与监测提供日常化、低成本地进入与布控条件,可在“控火源-早发现-快处置”链条中发挥支撑作用
[3,16]。在遥感监测存在盲区的区域,沿道路网络部署监测点可捕捉初期火情,并及时报告遥感难以探测的僵尸火、地下阴燃火
[12]。
道路密度与巡护覆盖率、火情发现效率呈正相关关系:韩国2013—2022年的225起≥2.5 hm
2野火数据显示,每增加1条车道野火风险下降42%
[18]。同时,道路与监测设施(瞭望塔、检查站等)的空间协同可进一步提升预警效能,例如通过优化道路与监测设施的空间关系,提升火险预警准确率。需要补充的是,道路对火险的影响具有双重性
[12]:一方面提升分割与响应能力;另一方面若密度过高或管控不足,可能带来点火风险增加。这一矛盾也将直接关系到后续关于路网密度阈值与管理策略的讨论。
1.4 支撑灭火作业高效开展的作业基地与后勤保障功能
在灭火组织上,道路不仅是到达火场的通道,也是实施战术部署与保障连续作业的重要载体。道路沿线可布设防火物资储备点与临时营地,形成前沿作业基地,为消防人员休整、物资补给和战术规划提供空间支撑
[10,33]。相关研究指出,与道路衔接的防火带周边可快速开辟防火线并部署灭火设备,从而提升扑救效率。同时,道路为消防装备运输与伤员转运提供保障,在复杂地形条件下可显著降低作业难度与风险。例如大兴安岭在路网规划中同步增设应急物资储备点,优化应急资源储备调度点布局,强化持续作战能力
[33]。因此,道路的后勤保障功能应被纳入路网规划与技术标准体系,并与水源点、燃料管理(如道路两侧清理)和防火带协同建设统筹考虑,以形成“通达-补给-控制线构建”的闭环能力基础。
2 影响林区道路防火效能的关键参数与区域特征
道路的防火效能并非由是否有路这一单一事实决定,而是由路网密度、道路断面尺度(路幅与两侧清理带)、空间布局等工程参数与地形-气象-燃料情景,以及管理维护强度共同耦合形成的综合结果
[16,26,30,34-35]。本节按照“核心参数阈值-环境与管理修正-生态协同约束”的逻辑来归纳不同区域的典型阈值范围与影响因素。
2.1 核心参数阈值
2.1.1 路网密度
路网密度是反映道路网络覆盖程度与可达性的基础指标,直接影响火灾蔓延的空间连续性和扑救力量的到达效率,其作用具有典型双重性
[3,16]:一方面,较高的道路密度能够有效分割森林景观、增强阻隔网闭合程度,从而降低火灾大尺度连续蔓延的可能性。葡萄牙阿尔加维地区研究显示,合理道路密度可使火灾传播路径减少30%~40%
[36]。另一方面,道路密度过高往往伴随人类活动强度增加,可能带来点火暴露上升;同时不同研究也提示道路密度与火灾发生存在相关性(如加拿大阿尔伯塔省发现道路密度与雷击火灾发生天数呈正相关)
[19]。相关性可能受到区域气候梯度、监测可达性,以及人类活动空间共线性等因素影响,提示密度阈值需要结合区域情景、火源类型与管理制度综合判定,而不宜简单外推为普适规律。
中国不同区域路网密度阈值差异显著,体现了地形条件、经营强度与防火任务侧重的不同,如
表1所示。
国际研究同样呈现显著差异
[41](
表2)。巴西桉树林区最优森林公路密度为30.49 m/hm
2;而俄罗斯仅为2.4 m/hm
2。有研究指出中国路网密度与林业发达国家(一般>10 m/hm
2)仍存在差距,仅为1/10
[15]。随着近年来的森林防火基础设施的持续建设,这种情况正在得到改变。但应注意的是,不同国家/区域的“道路等级体系、统计口径(含不含作业道)、研究尺度(林班-经营区-区域)与防火目标函数”差异很大,直接对比容易造成误判。本文将路网密度与功能性指标并列讨论,在相同密度下,通过优化连通性与关键节点覆盖,可显著提升应急可达性与潜在控制线可用性。
2.1.2 道路断面尺度
道路断面尺度决定其作为潜在控制线的可靠性与作为应急通道的通行能力,其阈值受坡度、风速、燃料类型等因素显著制约
[26,30,34]。以道路本体的路幅宽度而言,云南松林区仿真研究表明:在坡度<45°、风速<4.5 m/s条件下,6 m宽道路可有效阻隔中等强度林火;当处于高风速或大坡度区域时需加宽至8~10 m
[26]。这一结论强调了“宽度阈值的情景依赖性”,也与第1部分所述“强风、陡坡条件下道路阻隔易失效”的机制判断一致。
工程实践中更值得推广的是有效阻隔宽度的概念,即道路路幅与两侧燃料处置(清理)带共同构成的综合隔离带宽度。需要指出的是,部分文献给出的几十米量级宽度(如草地防火带至少8.0 m并清除20 m范围内木本植被、Gambel栎区域主防火带90 m/次级60 m等
[21])本质上属于防火带/燃料处理带尺度,而非道路路幅本体;非洲稀树草原地区提出防火带宽度为火焰长度两倍、科特迪瓦Bushfire最小宽度8 m等,也同样属于燃料隔离工程参数
[34]。因此,将其统一纳入“道路-防火带协同的有效阻隔宽度”框架进行讨论:道路提供通行与线状边界,燃料处置带提升阻隔可靠性并对极端火行为提供冗余安全裕度。
2.1.3 道路布局
道路布局决定道路是否能够在关键火险廊道、关键地形单元与主导风向通道上形成可用控制线,并直接影响阻隔网络闭合程度与救援可达效率
[16,28,36]。总体而言,道路布局需与地形骨架、主风向、燃料连续性格局相适配:典型实践显示,四川盐源县基于数字高程模型(digital elevation model,DEM)与林草监测数据,筛选核心因子构建综合费用模型,选线与山脊线重叠率超过40%,并通过垂直主风向的布局提升阻火效能
[28]。希腊塞萨利地区基于多准则评价的道路布局,体现了对人类干预强度与自然环境承载能力的平衡
[42]。一般规律上,沿等高线布局可减缓火势沿坡扩散
[22],而道路与自然屏障结合形成复合防火网络可显著提升阻隔效果
[30]。
道路布局应突出其可被模型化表达的特征:地形、燃料、风向与工程代价可转化为费用面或多准则评价指标,并进一步与最小成本路径、空间优化与网络连通性分析相结合。
2.2 环境与管理影响因素
2.2.1 环境与景观因素
道路参数阈值在不同环境情景下表现出显著修正效应。地形、燃料与气象共同塑造火行为强度与跨越道路的概率,从而改变道路阻隔与通行功能的真实有效性
[21-22,30,34-35]。
(1)地形因素:陡坡区域道路阻隔成功率比缓坡低15%~20%
[21];峡谷地形易形成烟囱效应,需横向设置道路或加宽宽度以提高阻隔可靠性
[22]。
(2)燃料因素:道路周边植被类型与燃料负载决定火线强度与热传输条件;清理两旁植被可减少可燃物积累,控制冠层覆盖率并结合道路清理可显著提升防火效果
[30,33,35]。
(3)气象因素:风速是影响道路阻隔失效的关键因子,超过4.5 m/s时,6 m宽林道隔离功能可能失效
[30,34];高湿度、低温度条件下道路阻隔成功率显著提升
[35]。
2.2.2 管理与维护因素
道路防火效能具有明显全周期属性,维护质量直接决定道路功能的持续性与火险季的可用性
[23,35]。定期清理道路两侧干枯植被、修复破损路段,既能保持道路的物理阻隔能力,也能保障通行能力
[30]。研究显示,经过维护的防火带(含道路)成功率(62%)显著高于未维护的(48%)
[23];土耳其森林道路案例表明维护不足会导致植被再生、削弱阻隔效果
[22]。因此,建议将维护管理作为与密度、宽度并列的关键“软参数”,并在后续效能评价体系中纳入可量化指标(如养护频次、两侧燃料清理宽度、路况可通行等级等)。
2.3 生态协同考量
道路建设与生态保护的协同平衡已成为近年研究重点
[20,43]。在西南山地林区,道路施工可能破坏边坡稳定性并诱发次生灾害,如四川冕宁县龙家沟流域因道路切坡引发滑坡型泥石流的案例提示,道路选线与边坡工程措施必须纳入风险约束
[20]。相关研究提出,道路规划需避开高坡度(>30°)与归一化植被指数(normalized difference vegetation index,NDVI)≥0.6的生态敏感区
[16];在云南中部林区采用3.9 m/hm
2密度+20%带状处理方案,以平衡防火与生态保护
[38]。在南方林区,福建将乐县采用木荷为主、油茶为辅的配置,道路与生物防火林带结合,兼顾阻火与经济效益
[27];广西大桂山林场将道路规划与生态旅游、木材运输结合,提升综合效益
[44]。上述证据表明,道路防火工程应在防火效能最大化之外,同时关注生态敏感性与地质灾害风险,以实现可持续的综合治理目标。
综上,路网密度、道路断面尺度与空间布局构成道路防火效能的核心参数体系,环境情景与维护管理对其表现具有显著修正作用,而生态约束决定其可实施边界。
3 林区道路优化技术与方法进展
林区道路防火效能受“密度-断面尺度-布局”核心参数控制,并受到地形-气象-燃料情景、维护管理与生态约束的显著修正。因此,道路优化技术的发展总体呈现两条主线:一是面向规划建设阶段的空间布局优化(在多约束下选线与组网);二是面向火险季与火场处置阶段的应急调度与动态保障(在不确定条件下快速到达与持续作业)。与此同时,多维评价体系与道路-防火带协同技术为“如何优化、优化到什么程度”提供量化依据与系统解决方案。
3.1 空间布局优化技术
空间布局优化聚焦“道路在哪里建、如何连成网、与自然/人工阻隔要素如何耦合”,其技术核心是将地形、风向、燃料与生态敏感性等因素转化为可计算的空间约束与目标函数,从而实现多目标权衡下的道路选线与网络构建。
3.1.1 GIS与多准则决策融合
地理信息系统(geographic information system,GIS)空间分析为道路选线提供DEM、坡度/坡向、地貌起伏、植被覆盖、距水源/居民点距离、生态敏感区等基础数据,配合多准则决策(multi-criteria decision making,MCDM)能够将“防火效能-工程代价-生态影响”纳入统一框架
[42,45]。该类方法的典型流程为:指标体系构建→权重确定(AHP、熵权或组合权重等)→费用面(cost surface)生成→最小成本路径/网络优化→方案比选与敏感性分析。
广西大桂山林场采用AHP确定坡度、高程等因子权重,并结合最小成本路径法进行道路选线,使道路与阻隔带形成闭合网络、缓解断头路问题
[44];湖南桃花江国有林场运用GIS-MCE(multi-criteria evaluation)从社会、经济、生态三维度优化路网布局,体现了“多目标综合评价-空间分区优化”的技术路径
[39]。土耳其黑海地区开发基于GIS的FOROR(forest road route)决策支持系统,集成多种MCDM方法进行线路生成与比选,使生成路线在经济性与环境敏感性方面优于既有方案
[45]。在地质灾害敏感区,已有研究将逻辑回归(logistic regression,LR)、随机森林(random forest,RF)等机器学习模型用于滑坡敏感性制图,再与CostPath分析耦合,其中RF在曲线下面积指标(area under ROC curve, AUC)上表现更优
[46],为第2部分提出的“生态与灾害约束”提供了可操作的量化工具。
需要指出的是,GIS+MCDM的优势在于可解释性强、适合规划决策与工程落地;其短板在于权重与指标选择对结果敏感,且不同地区数据质量差异较大。两点改进趋势:①权重由专家主导向“主客观融合+不确定性分析”发展;②由静态费用面面向火险季动态费用面(道路可通行性、风向风速、燃料含水率变化)扩展,以提升方案的时效性与适应性。
3.1.2 算法优化与路径规划
在复杂地形、点位离散(火灾易发点、水源点、营地/储备点)与网络连通性要求强的情境下,研究逐渐引入聚类、组合优化与路径规划算法,以提高规划效率与全局最优近似能力
[33,46-47]。其基本思路是:先用聚类方法识别关键服务节点或高风险簇,再用旅行商问题(traveling salesman problem,TSP)、遗传算法(genetic algorithm,GA)等求解“连接哪些点、以何种成本最优”的网络构建问题,或在既有网络上进行最优路径搜索与平滑。
例如,内蒙古大兴安岭北部原始林区通过
K-means对火灾点聚类,确定聚类中心后结合TSP模型与遗传算法进行新建道路规划,提高了对重点风险区域的覆盖效率
[33];四川泸山森林公园在选线中改进A
*算法并用贝塞尔曲线平滑路径,使成本较原始算法下降7.25%
[47];云南昆明南部采用
K-均值节点聚类法优化道路服务节点布局,使消防车在限定时间内可覆盖面积显著增加
[48]。总体上,该类方法更适合“点-线-网”结构明显、目标函数可明确表达的规划问题,且与第2部分“密度阈值并非越高越好,应通过结构优化提升功能覆盖”的观点一致。
为增强可工程化应用,应关注算法类方法的3项边界条件:①目标函数的可落地性(成本、坡度约束、生态约束如何量化);②输入数据精度对结果的影响(DEM分辨率、燃料图/生态敏感区边界准确性);③与既有道路等级体系的兼容(主干道、支路、作业道的分层优化),以避免算法最优但施工不可行的问题。
3.2 应急调度优化技术
应急调度优化面向火险季与火场处置阶段,核心目标是在火蔓延与道路可通行性不确定条件下,实现资源快速投送与持续作业保障。其典型技术路线为:火蔓延/火行为模拟预判→路网通行能力建模(路况、坡度、车辆性能等)→路径搜索与车辆调度优化→动态更新与滚动决策
[49-50]。
吉林东昌区将FARSITE火蔓延模型与Dijkstra算法耦合,并引入通行能力系数
μ对路况影响进行修正,使救援路径获取效率提升
[49];大兴安岭北部原始林区从DEM提取坡度与起伏度,通过成本路径分析生成受阻最小路径,再用改进遗传算法(IGA)优化车辆调度,救援时间较传统GA算法最大减少10.9%
[50]。蒙特卡洛树搜索(Monte Carlo tree search,MCTS)等方法被用于道路与防火带时空布局的优化,以减少烧毁面积
[51];基于FlamMap等火灾模拟工具与GIS耦合,可用于评估道路与防火带协同防控效果
[21,52]。
应急调度研究呈现两个关键趋势:①从最短路转向最优可行路(考虑拥堵、会车条件、坡度限制、路面状况与火场封闭风险);②从单次求解转向滚动更新(结合实时气象、火线位置、交通阻断与资源状态)。
3.3 效能评价体系
道路优化离不开“评价-反馈-再优化”的闭环。效能评价体系一方面用于诊断当前道路系统的短板与薄弱区,另一方面为布局优化与调度优化提供目标函数、权重与约束来源
[13,29,43]。考虑到道路在防火中具有“阻隔-通行-监测-保障”的多维功能,评价体系应实现多维度、多尺度与可对比性。
3.3.1 评价指标体系构建
现有研究多从隔火能力、通行能力、管理养护与生态影响等维度构建指标体系,如肖化顺等
[13]构建林火阻隔网(forest fire shelter network,FFSN)评价体系并指出通达度对防控效能影响较大;孙正宇等
[29]从隔火能力、通行能力、管理养护、生态保护四维度构建综合评价体系;龙晨等
[43]在实验林场研究中以技术、经济、环境三维指标构建评价框架,并强调水源可达性与道路覆盖度的重要性。中国评价体系已从“单一工程指标”向“功能-管理-生态”综合维度扩展,与第2部分强调的“维护与生态约束”保持一致。
评价指标体系应包含道路单元(坡度、曲率、路面等级、维护状态)、路网结构(密度、连通性、覆盖率、冗余度)、系统功能(响应时间、消防覆盖、水源保障、潜在控制线可用性)等。
3.3.2 评价方法创新
评价方法呈现由主观赋权向“主客观结合、空间异质性刻画与动态评价”发展
[39-40,53]。如湖南桃花江林场采用MATLAB-AHP确定主观权重、熵权法确定客观权重,并引入博弈论整合综合权重
[39];昆明棋盘山森林公园基于GIS用路网密度、效率、便利性等指标量化评估可达性,给出特定时间窗的覆盖比例
[40]。通过地理加权回归(geographically weighted regression,GWR)刻画道路与野火关系的空间异质性,相比OLS更适合复杂空间关系分析
[11];无人机监测等新手段用于道路维护优先级识别与巡检效率提升
[11]。这些方法为从静态规划评价走向动态运维评价提供了工具储备。
3.4 道路-防火带协同防控技术
道路-防火带协同技术的核心在于,以道路作为通行骨架与线状边界,通过道路两侧燃料处理带、防火带或生物阻隔带提高有效阻隔宽度,并以网络化方式形成更可靠的复合阻隔体系
[21,30]。
美国犹他州将道路与防火带结合,在道路两侧设置防火带,增强阻隔能力并提升扑救效率
[21];葡萄牙阿尔加维地区模拟显示,当防火带覆盖研究区约3%且与道路网络协同配置时,总烧毁面积可减少8%~17%
[36]。不同植被类型与火行为条件下协同模式存在差异:草地与山艾树区域可采用“8.0 m道路+两侧20 m木本清除”的组合以降低突破概率
[21];Gambel栎区域则以更大尺度的主/次级防火带与道路等级体系协同衔接,应对极端火行为
[21];非洲稀树草原地区将8 m道路与周边防火带结合以适应特定坡度与风速情景
[54]。协同并不等于无限加宽,其关键是以火险情景为约束,确定燃料处理的空间位置与强度,并与道路等级、维护能力相匹配,以实现成本-效能-生态影响的最优折中。
林区道路优化技术已从基于经验规则的规划逐步转向“GIS空间计算+多准则决策+智能优化”的综合框架,并向火险季动态调度与道路-防火带协同的系统化方向演进,具体方法对比如
表3所示。
4 研究不足与展望
林区道路优化技术已从经验规则逐步走向“GIS空间计算-多准则决策-智能优化-协同防控”的综合路径,并在应急调度与评价体系方面取得进展。然而,现有研究仍存在数据基础薄弱、尺度与口径不统一、极端火行为不确定性刻画不足,以及多目标协同与全周期管理不足等关键短板。
4.1 现有研究局限
4.1.1 区域研究不均衡与尺度外推风险
中国研究多聚焦南方集体林/经济林与北方重点国有林区等典型区域,但对地方林业、中小林区、低山丘陵区及城林交错带的系统研究明显不足,导致同一套密度-宽度-布局建议在不同治理单元中难以直接落地。例如,黑龙江地方林业与国有林区路网密度差距显著,但缺乏面向地方林业资金约束与管护能力的低成本道路/通道体系方案
[55]。国外研究同样存在区域适用性不足的问题:不同气候区、植被类型与火行为主导机制差异显著,但道路防火标准与阈值尚缺乏统一的概念框架与可迁移的分区表达
[16,56]。上述问题导致研究结论存在较大的尺度外推风险,也制约了所述优化方法在跨区域推广中的可信度。
4.1.2 技术融合深度不足与静态最优偏好明显
现有道路规划优化仍以GIS空间分析与基础路径/组合优化为主,中国在AI实时调度、物联网监测、边缘计算等方向的工程化应用相对有限
[33,49]。国外虽开始探索深度强化学习、元启发式算法等智能方法与道路-防火带布局的耦合,但总体仍处于探索阶段,尤其在极端天气与极端火行为条件下的动态自适应研究方面较为薄弱
[34,57]。更重要的是,多数研究仍偏向于在给定情景、给定数据下求解静态最优,而缺乏对火险季动态变化(风向风速、燃料含水率、路况可通行性、资源调度状态)的滚动更新机制,导致模型结果在实际火场中可用性受限。
4.1.3 评价体系与数据支撑不足
当前中国评价体系多以路网密度、宽度、覆盖率等静态指标为主,对维护质量、道路可通行等级、极端天气通行能力、两侧燃料处置带维护宽度等动态指标关注不足,且缺乏跨区域可比的统一标准或指标口径
[23]。国外研究亦面临类似数据瓶颈:长期定位观测与过程性数据积累不足,导致道路在长期使用与维护过程中防火效能的变化规律与衰减机制仍缺乏可靠证据支撑
[22-23]。在数据层面,基础空间数据(道路等级、路面类型、会车/掉头点、边坡稳定性等)与燃料/火情数据的时空一致性不足,也限制了“模拟-调度-评价”一体化框架的实现。
4.1.4 多目标协同与工程约束集成不足
道路建设兼具防火、林业生产、生态旅游等多重目标,但现有研究在目标函数设置上仍偏向单一防火导向,生态影响与工程约束(如边坡稳定、水土流失、栖息地破碎化)量化集成不足
[20]。中国部分研究在提出路网加密或加宽建议时,对山地地质灾害风险、施工扰动与后期维护成本考虑不充分
[20];国外亦存在对生态保护与综合经营目标协同优化不足的问题
[11,58]。这一短板直接影响方案的可实施性与可持续性,使得理论最优难以转化为工程可用。
4.1.5 道路-火行为交互机制研究仍不深入,极端情景不确定性刻画不足
尽管已有研究从热辐射、对流、飞火等角度解释道路阻隔失效机制,但道路与火行为之间的复杂交互(道路走向与风场、峡谷“烟囱效应”、燃料连续性变化,以及道路周边植被再生与燃料累积)仍缺乏系统的过程性研究,尤其是极端天气条件下道路阻隔效能与通行可靠性的动态变化规律尚不明确
[26,34,59]。在工程应用层面,这意味着仅凭固定宽度或固定密度的静态阈值难以支撑对极端火情的风险管控。
4.2 未来研究方向
围绕上述局限,未来研究建议从智能化、标准化、协同化、数据化4个维度推进,以形成可复制、可推广、可评估的工程技术体系。
4.2.1 技术深度融合与智能化发展:从静态规划走向动态自适应
一是推动卫星遥感、无人机、物联网与AI算法的融合,构建“火情监测-路况感知-路径优化-调度决策”的闭环系统,实现火险季的动态可达性评估与滚动调度
[47]。二是面向极端火行为,发展道路-防火带协同的动态优化工具:在实时风场、燃料含水率与火线位置驱动下,动态调整道路维护优先级、燃料处置带作业顺序与救援路线,提升系统在不确定条件下的鲁棒性
[51,57]。三是强化极端气候条件下道路阻隔与通行效能的耦合模拟,揭示火灾强度、气象因子与道路特征之间的交互作用机制,为“情景-参数”匹配提供更可靠的机理支撑
[57,60]。
4.2.2 差异化与标准化体系构建:从经验阈值走向“分区分级、口径统一”
针对地方林业与中小林区,建议发展低成本、可维护、易落地的“基础通达+关键节点加密”的道路/通道体系,并配套财政补贴与技术帮扶机制,缩小基础设施能力差距
[54]。同时,建议构建面向不同区域(西南山地、东北寒温带、南方丘陵与城林交错带)与不同植被类型的道路防火标准体系,将“路幅宽度”与“有效阻隔宽度(道路+两侧燃料处置带)”明确区分,并以统一指标口径表达密度、连通性与覆盖率
[16,42]。在评价体系上,建立静态参数与动态指标相结合的全周期评价框架,将维护频次、路况可通行等级、极端天气通行可靠性等纳入指标体系,并强化生态风险与地质灾害风险评估
[39]。
4.2.3 多目标协同优化,以“防火-生态-经济”一体化提升综合效益
未来道路优化应在目标函数层面显式集成防火、生态与经济目标,发展“道路+生物防火林带”“道路+带状燃料处理”等复合模式,并与生态旅游、木材运输、日常管护相结合,提高设施利用效率与综合收益
[11,27,58]。针对高坡度与地质灾害敏感区,需加强道路选线、边坡工程与排水系统的协同优化,推广生态友好型施工与低扰动维护技术,实现防火需求与生态保护的协同
[20]。
4.2.4 长期定位观测与数据积累,以建立可复用证据基础支撑标准与模型
建议建设跨区域长期定位观测体系,开展道路防火效能的长期跟踪研究,形成不同气候、地形、植被条件下“参数-效能-维护”匹配的可复用数据集
[22-23]。同时,推动道路基础数据(等级、路面、坡度、曲率、会车点、取水点、维护记录)与火情数据、燃料数据的标准化采集与共享,为模型参数化、评价体系对比与标准制定提供坚实数据支撑。基于长期数据,还可开展道路效能衰减与维护投入-效能收益分析,为工程投资决策提供量化依据。
5 结论
围绕“功能机制-关键参数-优化技术”,对林区道路在森林防火中的作用机理与优化方法进展进行了系统综述,得出如下结论。
(1)林区道路具有“阻隔-通行-监测-保障”多功能耦合属性,其防火效能并非各功能简单叠加,而是随火行为强度、地形气象条件与管理维护水平动态变化,且存在“提升可达性与阻隔能力”和“增加点火暴露与生态扰动”并存的双重性。
(2)路网密度-断面尺度-空间布局构成道路防火效能的核心参数体系,具有显著的情景依赖性。密度宜遵循“分区分级、关键节点加密”原则而非单一追求高值;道路断面应明确区分路幅宽度与“道路+两侧燃料处置带”的有效阻隔宽度,并按坡度、风速与燃料类型给出分情景阈值;布局应与主风向、地形骨架及自然屏障适配,体现在关键处。
(3)维护管理是决定道路在火险季真实可用性的关键软参数,应与建设参数同等重视,并以可量化指标纳入效能评价体系。
(4)道路优化技术正由经验规划向“空间计算-智能优化-动态调度-协同防控”演进。规划阶段应以GIS与多准则决策、智能算法实现可解释、可落地的选线与组网;处置阶段应从静态最短路转向动态最优可行路,强化滚动更新与鲁棒性;评价体系需引入维护质量、可通行等级与极端天气可靠性等动态指标,构建“优化-评价-再优化”闭环。
(5)道路-防火带协同是应对极端火行为、提升防控韧性的关键路径,应以道路为通行骨架与线状边界,通过燃料处置带、生物阻隔带与防火带的网络化配置提升有效阻隔宽度与系统冗余度,实现成本-效能-生态影响的优化折中。
(6)未来研究应聚焦“分区分级标准化、动态智能化、生态协同化、数据证据化”,构建可迁移的分区参数体系与统一指标口径,深化遥感-物联网-AI在监测调度中的融合,显式集成地质灾害与生态敏感性约束,并通过长期定位观测积累“参数-效能-维护”证据链。
最后,林区道路防火体系建设应由单一工程导向转向“机制驱动、参数约束、智能优化、协同防控与全周期管理”的一体化路径,为中国森林防火综合能力提升与林区安全治理提供更具可操作性的工程支撑。
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