Методика прогнозу лісової пожежної небезпеки

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]. Серед найбільш відомих зарубіжних систем оцінки пожежної небезпеки можна відзначити такі як канадська система CFFDRS (Canadian Forest Fire Danger Rating System) [1], національна система США NFDRS (National Fire Dan g er Rating System) [2], австралійська Національна система прогнозу пожежі NFBP (National Fire Behaviour Prediction system) [3]. В даний час в Росії прогнозування пожежної небезпеки обмежується оцінкою пожежної небезпеки за умовами погоди відповідно до показника В.Г. Р 22.1.09-99 [4]). Нестерова (GOST Р 22.1.09-99 [4]). В якості загальної нестачі розроблених на сьогоднішній день і програмно реалізованих систем слід відзначити їх неуніверсальність, тобто неможливість їх використання в інших кліматичних умовах без попередньої адаптації. Це пов'язано в першу чергу з тим, що в ці системи закладені емпіричні дані, отримані для певних лісових горючих матеріалів (ЛГМ) і кліматичних умов, які різко відрізняються в різних частинах світу. Основним недоліком є ігнорування реальної причини виникнення лісових пожеж, а саме, процесу сушіння шару ЛГМ на підстильної поверхні, а також облік антропогенного навантаження.

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

1. 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:

1. детерміновані;

2. імовірнісні;

3. змішані (детерміновані-ймовірнісні);

4. 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. Тут верхній індекс k якраз відповідає провіднику горіння (ОЗУ), в лівій частині нерівності знаходиться поточне вологовміст k-го ОЗУ на i-му виділ у j-й часовий інтервал, в правій частині - критичне вологовміст k-го основного провідника горіння на i -м виділ, при якому ОЗУ не запалюється й лісова пожежа не виникає.

-го временного интервала лесопожарного сезона на i -й лесной территории [5-7]: Далі, після застосування теорії ймовірностей і фізичних міркувань, була отримана наступна формула (динамічна модель) для оцінки ймовірності виникнення лісової пожежі для j-го тимчасового інтервалу лесопожарних сезону на i-й лісової території [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). Тут P _ij - ймовірність виникнення лісової пожежі для j-го інтервалу (кроку за часом) на i-й контрольованої лісової території; P _i (А) - ймовірність антропогенного навантаження; P _i (ЛП / А) - ймовірність виникнення пожежі внаслідок антропогенного навантаження на площі F _i; P _i (М) - ймовірність виникнення сухих гроз на площі F _i; P _i (ЛП / М) - ймовірність виникнення лісової пожежі від блискавки за умови, що сухі грози можуть мати місце на площі F _i; P _ij (C) - імовірність того, що вологовміст шару РГМ буде менше критичного (ймовірність виникнення пожежі через метеоумови).

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: Величина P _ij (C) для лесопожарних сезону визначається наступним чином:

– это эмпирический показатель степени, характеризующий количественное изменение пожарной опасности. Тут n - це емпіричний показник ступеня, що характеризує кількісне зміна пожежної небезпеки.

(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) Величини P _i (А), P _i (ЛП / А), P _i (М), P _i (ЛП / М) можна знайти, використовуючи відоме визначення ймовірності події через відповідні частоти (статистична модель ризику)

_{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} Тут N _{А i} і N _{ПА i} - кількість днів пожежонебезпечних сезонів для i-го виділу, коли є антропогенне навантаження, достатня для запалювання РГМ і кількість пожеж внаслідок цього навантаження, включаючи і навмисні підпали за період з 2000 по 2004 рік; N _{КП i} - загальна кількість пожеж для i-го виділу за п'ять років з 2000 по 2004 рік; N _{М i} і N _{ПС i} -го выдела, когда имели место молнии (при сухих грозах) и общее число дней пожароопасных сезонов для i -го выдела за период с 2000 по 2004 год; N _{ПМ i} – количество пожаров от молний при сухих грозах за пять лет с 2000 по 2004 год. - Число днів для i-го виділу, коли мали місце блискавки (при сухих грозах) і загальне число днів пожежонебезпечних сезонів для i-го виділу за період з 2000 по 2004 рік; N _{ПМ i} - кількість пожеж від блискавок при сухих грозах за п'ять років з 2000 по 2004 рік.

2. 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