Реферат
Методика прогнозу лісової пожежної небезпеки
2010
Зміст
Введення
РОЗДІЛ 1. Опис існуючих методик ПРОГНОЗУ ЛІСОВИЙ ПОЖЕЖНОЇ НЕБЕЗПЕКИ
Детерминированное-імовірнісні моделі прогнозу катастроф
1.2 Спрощена математична модель низькотемпературної сушіння шару рослинних горючих матеріалів
РОЗДІЛ 2. УТОЧНЕННЯ ІСНУЮЧОЇ МЕТОДИКИ
Висновок
Список літератури
Дослідженнями прогнозу виникнення і розповсюдження лісових, степових і торф'яних пожеж займаються вчені в багатьох країнах протягом уже більше 50-ти років. Найбільш актуальна проблема природних пожеж для Сполучених Штатів Америки, Канади, Росії, Франції, Іспанії, Греції, Австралії та інших країн. er Rating System) [2], австралийская Национальная система прогноза пожара NFBP ( National Fire Behaviour Prediction system ) [3].
У зв'язку з цим в роботах [5-7] була запропонована нова детермінованою-імовірнісна методика прогнозу лісової пожежної небезпеки, обгрунтованість якого була доведена за результатами ретроспективної перевірки. Для визначення ймовірностей появи природних факторів (блискавок) та антропогенного навантаження використовувалися відповідні частоти.
Метою моєї роботи є уточнення існуючої моделі з урахуванням формули для оцінки частоти появи джерел загоряння та індексу грозовий пожежної небезпеки.
1. Опис існуючої методики прогнозу лісової пожежної небезпеки
Детерминированное-імовірнісна модель прогнозу катастроф
В даний час для прогнозу катастроф широко застосовується метод математичного моделювання з використанням електронних обчислювальних машин.
При математичному моделюванні використовуються наступні типи математичних моделей катастроф:
детерміновані;
імовірнісні;
змішані (детерміновані-ймовірнісні);
імітаційні;
Згідно з [5] найбільш ефективним інструментом пізнання катастроф є детерміновані математичні моделі.
Детермінованою математичною моделлю фізико-хімічного явища називається сукупність диференціальних, інтегральних, інтегро-диференціальних, трансцендентних та алгебраїчних рівнянь, а також відповідних граничних та початкових умов, які адекватно описують рух, деформацію і руйнування тіл і поля фізичних величин (швидкість, тиск, щільність, температура, концентрація) для досліджуваного катастрофічного явища. Іншими словами, кожна детермінована математична модель може розглядатися як конкретне завдання математичної фізики.
Найбільш плідно дослідження різних проблем природознавства, в тому числі і задач теорії катастроф, за допомогою змішаних математичних моделей. Тут необхідно відзначити те, що якщо розглядаються завдання про моделювання глобальних або регіональних катастроф, наприклад виникнення лісових пожеж, то імовірнісний аналіз цих проблем повинен передувати використанню детермінованих математичних моделей. Іншими словами, результати математичного моделювання повинні бути отримані в режимі, випереджаючому час виникнення та розвитку катастроф.
Далі зупинимося на одній з таких моделей, яка дозволяє з певною точністю здійснювати прогнозування лісової пожежної небезпеки і обгрунтованість якої було доведено за результатами ретроспективної перевірки. Мова йде про детермінованою-ймовірнісної методикою, запропонованої на кафедрі фізичної та обчислювальної механіки Томського державного університету.
У роботах [5-7] стверджується, що виникнення лісової пожежі носить імовірнісний характер і залежить не тільки від погодних умов і грозовий активності, але і від рівня антропогенного навантаження, швидкості вітру, вологовмісту рослинних горючих матеріалів і реакційної здатності цих матеріалів. У роботі [5] запропоновано загальну схему виникнення лісових пожеж
Рис.1. Схема виникнення лісової пожежі.
Зі схеми Рис.1. видно, що під дією опадів і при висушуванні шару рослинних горючих матеріалів, досягається такий стан РГМ, при якому вологовміст шару стає менше критичного значення. Саме в цьому випадку під впливом сухих гроз, а також під впливом антропогенного навантаження відбувається займання рослинних горючих матеріалів і виникає низова лісова пожежа.
Всі ці чинники були враховані в запропонованій детермінованою-ймовірнісної методикою.
Далі виникає складність у визначенні основного провідника горіння. Вважається, що для кожного індивідуального ділянки лісу повинен бути встановлений свій основний провідник горіння (ОЗУ), але на практиці має місце величезна різноманітність утворюються сумішей з рослинних горючих матеріалів. Ця суміш може мати ознаки двох, трьох і навіть чотирьох ОЗУ. Крім того, при визначенні типів ОЗУ необхідно врахувати їх сезонну динаміку.
Дотримуючись [6] спочатку було вибрано 5 ОЗУ для розглянутого ділянки лісу: опад хвої, мох, лишайник, опад листя і трав'яну ганчір'я. Виходячи з цього було записано умова невозгоранія шару РГМ:
как раз соответствует проводнику горения (ОПГ), в левой части неравенства находится текущее влагосодержание k -го ОПГ на i -м выделе в j -й временной интервал, в правой части – критическое влагосодержание k -го основного проводника горения на i -м выделе, при котором ОПГ не воспламеняется и лесной пожар не возникает.
-го временного интервала лесопожарного сезона на i -й лесной территории [5-7]:
– вероятность возникновения лесного пожара для j -го интервала (шага по времени) на i -й контролируемой лесной территории; P i (А) – вероятность антропогенной нагрузки; P i (ЛП/А) – вероятность возникновения пожара вследствие антропогенной нагрузки на площади F i ; P i (М) – вероятность возникновения сухих гроз на площади F i ; P i (ЛП/М) – вероятность возникновения лесного пожара от молнии при условии, что сухие грозы могут иметь место на площади F i ; P ij ( C ) – вероятность того, что влагосодержание слоя РГМ будет меньше критического (вероятность возникновения пожара по метеоусловиям).
При виведенні формули (4) було зроблено припущення про те, що лесопожарних дозрівання на кожному виділі контрольованої лісової території проходить незалежно один від одного і визначається тільки параметрами, що характеризують даний виділ.
( C ) для лесопожарного сезона определяется следующим образом:
– это эмпирический показатель степени, характеризующий количественное изменение пожарной опасности.
(А), P i (ЛП/А), P i (М), P i (ЛП/М) можно найти, используя известное определение вероятности события через соответствующие частоты (статистическая модель риска)
А i и N ПА i – количество дней пожароопасных сезонов для i -го выдела, когда имеется антропогенная нагрузка, достаточная для зажигания РГМ и количество пожаров вследствие этой нагрузки, включая и умышленные поджоги за период с 2000 по 2004 год; N КП i – общее количество пожаров для i -го выдела за пять лет с 2000 по 2004 год; N М i и N ПС i
Спрощена математична модель низькотемпературної сушіння шару рослинних горючих матеріалів
Як вже було сказано раніше, важливим фактором при складанні прогнозу лісової пожежної небезпеки є облік вологовмісту в надгрунтовому покриві. У запропонованій детерміновано-ймовірнісної методиці цей фактор не залишився без уваги.
Далі скористаємося формулами переходу від вологовмісту до об'ємним часткам
)
Базою даних для цієї моделі повинні бути дані про склад РГМ в надгрунтовому покриві і про термокінетіческіх постійних, що характеризують динаміку сушіння кожного з РГМ і РГМ, що підтримують горіння.
З точки зору фізики завдання про сушіння шару РГМ ставиться таким чином: відомі тип рослинності та провідники горіння в шарі РГМ, відомий запас РГМ, його висота і вологовміст, відомі метеоумови, потрібно визначити зміну об'ємної частки води в РГМ в різні моменти часу.
Для отримання спрощеної математичної моделі використовуємо дану постановку задачі з наступними припущеннями:
1) Конвективний теплообмін між шаром РГМ і приземним шаром атмосфери задовільно описується за допомогою граничних умов третього роду з використанням відомих коефіцієнтів конвективного теплообміну. 2) Тиск Р, температура Т і щільність r газової фази в шарі РГМ збігаються з відповідними метеорологічними даними (Ре, Матеріали й r е) для даного моменту часу і даної місцевості.
3) Випромінювання в шарі РГМ підкоряється закону Бугера-Ламберта. 4) Випаровування зв'язаної води і крапельок води, що прилипли до елементів РГМ, описується одним і тим же законом Герца-Кнудсена.
5) Метеорологічні дані і початкові вологовмісту типових ОЗУ на території лісгоспу однакові для всіх типових виділено.
6) напочвенний покрив всіх типових виділивши лісгоспу можна розбити на п'ять типів: опад хвої, мох, лишайник, опад листя, трав'яна ганчір'я.
7) Для кожного типового виділу температура і об'ємна частка води в ОЗГ описується однією системою рівнянь.
У результаті для математичного опису сушіння основного провідника горіння маємо таку систему рівнянь:
яку необхідно вирішувати з урахуванням наступних початкових і граничних умов
Член в лівій частині (8) характеризує зміну теплової енергії в шарі РГМ в одиниці об'єму за одиницю часу. Перший і другий член у правій частині (8) відповідають за приплив тепла за рахунок теплопровідності і сонячного випромінювання. Третій член характеризує вплив вологості повітря на сушіння шару РГМ. Четвертий член характеризує теплообмін між к-й фазою і газовою фазою в шарі РГМ. Член в квадратних дужках правої частини рівняння [10] характеризує вплив вологості повітря на баланс вологи в шарі РГМ. Параметрів, що залишилися в правій частині характеризують швидкість сушіння РГМ.
Наведемо систему рівнянь (8), (10) до безрозмірного виду
Рівняння (14) являє собою баланс енергії в к-й фазі шару РГМ, а рівняння (15) характеризує баланс вологи в шарі РГМ, де межа зверху позначає осереднення по висоті шару РГМ.
Цю систему необхідно вирішувати з урахуванням наступних початкових умов
Уточнення існуючої методики
Отже, ми розглянули одну з методик прогнозу лісової пожежної небезпеки. Поряд з достоїнствами вона має і недоліки. Найбільш виражений недолік полягає в тому, що цю модель не можна використовувати в інших кліматичних умовах без попередньої адаптації. Це пов'язано в першу чергу з тим, що в неї закладені емпіричні дані, отримані для певних лісових горючих матеріалів і кліматичних умов, які різко відрізняються в різних частинах світу. Також вагомим недоліком є те, що дані, якими оперує ця модель, отримані на основі статистичних спостережень і не можуть розглядатися як достовірні.
Саме тому виникає необхідність нової системи оцінки впливу антропогенних та природних факторів на ризик виникнення лісових пожеж. В даний час з'являються різні підходи до оцінки появи природних факторів та антропогенного навантаження. Зокрема можна відзначити роботи [8, 9].
В даний час з'являються різні підходи до оцінки появи природних факторів та антропогенного навантаження. Зокрема можна відзначити роботи [8, 9].
У роботі [8] у результаті вивчення кількісних і якісних параметрів впливу людини на виникнення лісових пожеж, зібраних за більш ніж 10 років, запропонована наступна формула для оцінки частоти появи джерел загоряння, принесених на лісову ділянку жителями населених пунктів, розташованих в межах доступності, за урахуванням наявності транспортних шляхів і їх виду
– коэффициент доступности лесного участка; n – число населенных пунктов, расположенных в пределах доступности; Q i – показатель пожарной опасности для леса со стороны жителей i -го населенного пункта;
/ TOVS , предложена формула
– температура воздуха в приземном слое; T , D – температура и температура точки росы на соответствующих уровнях (500, 700 и 850 гПа ( hPa )), полученная по данным спутникового зонда NOAA / TOVS . де T a - температура повітря в приземному шарі; T, D - температура і температура точки роси на відповідних рівнях (500, 700 і 850 гПа (hPa)), отримана за даними супутникового зонда NOAA / TOVS.
У роботі запропоновано уточнення розробленої раннє детермінованою-ймовірнісної методики прогнозу лісової пожежної небезпеки з урахуванням формули для оцінки частоти появи джерел загоряння та індексу грозовий пожежної небезпеки.
)), полученная по данным спутникового зонда NOAA / TOVS . Для проведення ретроспективного аналізу підготовлена база даних, що включає температуру повітря в приземному шарі, температуру і температуру точки роси на відповідних рівнях (500, 700 і 850 гПа (hPa)), отримана за даними супутникового зонда NOAA / TOVS.
Р 22.1.09-99 и методикой (2)-(4). Наступним кроком є модифікація програми, яка розраховує ймовірність виникнення лісової пожежі, і проведення ретроспективного аналізу даної методики, порівняння її з GOST Р 22.1.09-99 і методикою (2) - (4).
Література
Stocks BJ, Alexander ME, Mc.Alpine RS Canadian Forest Fire Danger Rating System, Canadian Forestry service, 1987. - 500 p.
Deeming JE, Lancaster GW, Fosberg MA ao The National Fire-Danger Rating System. - NY; London; Toronto; USDA: Forest Service, 1972. - 165 p.
Cruz MG National Fire Behaviour Prediction System [Text] / Cruz MG, Gould J. / / Proc. of the Biennial Conference of the Institute of Foresters of Australia, Caloundra, 2009.
GOST Safety Р 22.1.09-99 Safety under emergency . Monitoring and forecasting forest fires. situations. Monitoring and forecasting forest fires. General requirements, Electronic resource, 2000 .- Mode of : http :// www . fire . nad . ru /2006/ gost 1. htm . access: http: / / www. fire. nad. ru / 2006 / gost 1. htm.
Grishin А.M., "Modelling and forecasting ecological catastrophes", Ecological systems and devices. 2: 12-21 (2001).
Grishin А.M., Modelling and forecasting catastrophes (Basic definitions and concepts of the theory of catastrophes and general regularities of their ignition and development), Publishing house of Tomsk State University, 2002, p.122.
Grishin А.M., Filkov AI, The forecast of ignition and spread of forest fires, Praktika, 2005, p. 201.
Андрєєв Ю. А. Населення і лісові пожежі в Нижньому Пріангарье, Красноярськ, 1999. 96 с.
/ TOVS // Пожары в лесных экосистемах Сибири: Материалы Всероссийской конференции с международным участием. 9. Пономарьов Є.І., Іванов В.А., Коршунов М. А. Прогнозування грозовий пожежної небезпеки на основі даних із супутників NOAA / TOVS / / Пожежі в лісових екосистемах Сибіру: Матеріали Всеросійської конференції з міжнародною участю. - Красноярськ: Інститут лісу ім. В.Н. Сукачова СО РАН, 2008. - С. 233-234.