Детерминированно-вероятностный прогноз лесопожарных возгораний

Д-р физ.-мат. наук, профессор, Научно-исследовательский институт прикладной математики и механики, г.Томск

Г. В. Кузнецов

Научно-исследовательский институт прикладной математики и механики, г. Томск

Н. В. Барановский

УДК 630:624.4

ДЕТЕРМИНИРОВАННО-ВЕРОЯТНОСТНЫИ ПРОГНОЗ ЛЕСОПОЖАРНЫХ ВОЗГОРАНИИ

Разработан новый детерминированно-вероятностный критерий лесопожарных возгораний. Проведено параметрическое исследование влияния антропогенной нагрузки и грозовой активности на вероятность возникновения очагов лесных пожаров. Вычислены вероятности возникновения очагов возгораний для различных сценариев лесной пожарной опасности по зажиганию лесного горючего материала. Представлены шкалы лесной пожарной опасности.

Введение

Наибольший интерес для служб охраны лесов от пожаров представляют информационные системы, позволяющие на основании исходных данных о состоянии леса, метеорологических условиях и антропогенных нагрузках прогнозировать пожарную опасность [1]. Но известные системы [1-4] опираются на эмпирическую информацию, не учитывающую, как правило, случайный характер возгораний, с одной стороны, и реальные физические модели зажигания лесного горючего материала (ЛГМ), с другой. Так, например, наиболее широко и небезуспешно применяемый критерий Нестерова [4] никак не связан с физикой процесса зажигания ЛГМ и случайной природой этого явления. Описать весь возможный набор причин лесопожар-ных возгораний в одном критерии невозможно, хотя бы из-за различий в физических моделях зажигания. Но учесть наиболее вероятные механизмы возгорания и случайные факторы можно.

Известны различные варианты источников возгорания леса. Наиболее существенные в настоящее время — молнии, умышленные поджоги и возгорания от одиночных нагретых до высоких температур частиц металлов или неметаллов. Такие частицы образуются и перемещаются на расстояния от нескольких десятков сантиметров до десятков метров в результате раздувания ветром непогашенных костров, проведения сварочных работ или резки металлов. Зажигания ЛГМ одиночными нагретыми до высоких температур частицами являются наиболее распространенными источниками лесных пожаров. Поэтому в данной работе этот фактор будет рассматриваться как основной совместно с фактором сухих гроз.

Цель данного исследования — разработать де-терминированно-вероятностный критерий возникновения лесопожарных возгораний в результате зажигания слоя ЛГМ нагретой до высоких температур частицей или удара молнии.

Фактор умышленного поджога в данной работе рассматриваться не будет в связи с отсутствием достоверной и статистически обоснованной информации о возгораниях леса по этой причине.

Вероятность возникновения лесных пожаров

Рассматривается следующая физико-математическая модель [5]. Для оценки вероятности возникновения лесного пожара для у-го временного интервала лесопожарного сезона используем формулу [6]:

Ру = Ё [Аиру

1=1

МуРу (М )Ру (ЛП/А)] Ру (С),

где Ру — вероятность возникновения лесного пожара для у-го интервала времени на контролируемой лесной территории; N — общее число выделов на площади Г; Ау, Му — весовые коэффициенты антропогенной нагрузки и грозовой активности соответственно;

Р у (А ) — вероятность антропогенной нагрузки; Р у (ЛП/А) — вероятность возникновения пожара вследствие антропогенной нагрузки на территории выдела Г1;

Р у (М) — вероятность возникновения сухих гроз на территории выдела Г1;

Ру (ЛП/М) — вероятность возникновения лесного пожара от молнии при условии, что сухие грозы могут иметь место на территории выдела Г 1; Ру (С) — вероятность возникновения пожара по условиям зажигания слоя ЛГМ; у — индекс, соответствующий дню пожароопасного сезона.

Можно вычислить вероятность того, что ЛГМ зажигается в результате теплового воздействия частицы. Время задержки зажигания слоя ЛГМ дает возможность определить вероятность возникновения лесных пожаров Р у (С). Для этого получаем формулу:

Г0

Ру (С) =

ккГ ехр[-( Дгу )2

N

Г =

1=1

Д(у =

г у г у

где Г — площадь лесной территории конкретного лесхоза, района или области; Гг — площадь лесной территории, покрытой лесом -го типа (по лесотаксационным описаниям это соответствует территории отдельно взятого выдела);

гу

время;

кк—поправочный коэффициент учета осадков [7]. Ноль в правой части уравнения (2) соответствует случаю, когда на -ой площади лесной территории нет ЛГМ (поверхность дорог, рек, озер и водо-насыщенных болот). При выводе формулы (2) было принято допущение, что Р у (С) следует нормальному (Гауссову) закону распределения вероятностей.

Для определения всех слагаемых и сомножителей в формуле (1) используем определение вероятностей через частоту событий и статистические данные для конкретного лесхоза. Рассмотрим сомножители уравнения (1) [6]:

Ау

N

ПДН

N

Ру

N.

ПН

N

ИПА — количество пожаров от антропогенной нагрузки;

N

\КП — общее количество пожаров;

N

М — число дней, в которые имели место мол-

нии (при сухих грозах);

N

зона;

ПС — общее число дней пожароопасного се-

NПМ — количество пожаров от молний при сухих грозах;

NПдН — число пожаров в конкретный день недели;

NПН— общее количество пожаров за неделю;

NМЧ — число прошедших наземных грозовых разрядов на конкретный час, начиная с 00.00 часов;

NМС — общее число наземных разрядов в сутки.

Очевидно, что точность определения вероятностей по формулам (3)-(6) тем выше, чем больше случаев, соответствующих этой модели, будет рассмотрено для данного лесхоза. Поэтому в лесхозах целесообразно ежегодно регистрировать все параметры пожароопасного сезона NА, NПА , NKП, NМ,

^С, NПМ, ^ ДН, NПН, ^ Ч, NМС .

Результаты численного моделирования и обсуждение

Рассматривались частицы с температурой от 900 до 475 К. Время задержки зажигания для различных температур частицы представлены в табл. 1.

Рассмотрим влияние антропогенной нагрузки. Нарис. 1 представлена зависимость весового коэффициента антропогенной нагрузки от дня недели. На рис. 2 показаны зависимости лесной пожарной опасности для различных дней недели. Изменение весового коэффициента отражает изменение уровня антропогенной нагрузки в Тимирязевском лесхозе Томской области в течение недели.

Рис. 2 демонстрирует, что вероятность возникновения лесного пожара заметно зависит от уровня антропогенной нагрузки в разные дни недели, что отражает неравномерность посещения леса жителями населенного пункта в течение недели. Следу-

ПС

М у

Р у

N

ПА

N

КП

N

МЧ

N

Ру

N

М

МС

N

ПС

Р у

N

ПМ

N

КП

где NА — количество дней в пожароопасный сезон, когда имеется антропогенная нагрузка, достаточная для зажигания ЛГМ;

Таблица 1. Время задержки зажигания для углеродистой частицы

Температура частицы, К Время задержки зажигания, с

900 0,016

800 0,029

700 0,06

600 0,22

500 1,48

475 4,78

450 Нет зажигания

г

у

г у — время задержки зажигания;

Дни недели

Рис. 1. Весовой коэффициент антропогенной нагрузки

Рис. 2. Вероятность возникновения лесопожарных возгораний вследствие антропогенной нагрузки: 1-7 — дни недели

ет заметить, что в связи с увеличением антропогенной нагрузки на прилегающие к населенным пунктам лесопокрытые территории данная проблема выходит за рамки только физико-математического моделирования и математической статистики.

Следует учитывать влияние грозовой активности. На рис. 3 представлена зависимость весового коэффициента наземных грозовых разрядов от времени суток, полученная с использованием данных публикации [8].

За единицу принимается общее число наземных грозовых разрядов за сутки. В 00.00 часов весовой коэффициент равен соответствующей доле наземных грозовых разрядов от общего их числа. С каждым последующим часом значение весового коэффициента увеличивается на величину, равную доле наземных разрядов на этот час. В итоге по прошествию суток весовой коэффициент принимает значение 1. Такое "накопительное" поведение весового коэффициента отвечает реальности, так как чем больше произошло наземных разрядов, тем больше очагов лесных пожаров может возникнуть. На рис. 4 представлены результаты для лесхоза, где преобладают лесные пожары, возникшие в результате грозовой активности. Прогнозы по метеоданным, полученным в 4 и 6 часов утра, различны. Для лесхоза,

Рис. 3. Весовой коэффициент грозовой активности

Рис. 4. Вероятность возникновения лесопожарных возгораний вследствие грозовой активности по метеоданным на 4 (а) и 6 (б) часов утра

Рис. 5. Вероятность возникновения лесопожарных возгораний в результате различных сценариев зажигания слоя ЛГМ для времен задержки зажигания, с: 1 — 0,22; 2 —1,48; 3 -4,78

в котором преобладают лесные пожары, возникшие главным образом по небрежности населения, они будут практически идентичны независимо от того, какие метеоданные были использованы. Таким образом, опираясь на результаты проведенных расчетов и работы [8], можно рекомендовать в качестве начальных данных метеоданные, полученные в 5-6 часов утра, так как это позволит принимать во

внимание большую часть наземных грозовых разрядов, которые произошли ночью и ранним утром и потенциально могли привести к возникновению очагов лесных пожаров.

Рассмотрим сценарные расчеты по определению вероятности зажигания ЛГМ (горячие частицы). Возьмем времена задержки зажигания из табл. 1 и посчитаем для них распределение вероятностей возникновения лесопожарных возгораний. Графически информация представлена на рис. 5. Цифрами 1-3 обозначены кривые вероятностей соответственно для времен задержки зажигания 0,22, 1,48 и 4,78 с.

Шкалы лесной пожарной опасности

Помимо количественного описания вероятности возникновения лесных пожаров для практических целей представляется целесообразным ввести качественную характеристику лесной пожарной опасности в виде шкал лесной пожарной опасности. Шкалы построены по принципу достижения вероятности, равной единице (табл. 2). Если вероятность достигает единицы за1си менее, то это пя-

Таблица 2. Шкалы лесной пожарной опасности

Время достижения вероятностью лесной пожарной опасности единицы Класс пожарной опасности

1 с и менее Чрезвычайная пожарная опасность

2с Высокая пожарная опасность

3с Средняя пожарная опасность

4с Малая пожарная опасность

5 с Пожарная опасность отсутствует

тый класс пожарной опасности, за 5 с — первый класс пожарной опасности.

Заключение

Применение новой методики в практике охраны лесов от пожаров создаст объективные условия для более точного и оперативного прогноза лесопожар-ных возгораний и, соответственно, своевременного принятия профилактических, упреждающих мер по предотвращению уничтожения лесного фонда государства.

ЛИТЕРАТУРА

1. Доррер Г. А., Доррер М. Г., Клишта И. Н. и др. Проблемы создания региональных информационно-аналитических систем по охране лесов от пожаров // Математическое и физическое моделирование сопряженных задач механики и экологии: Избранные доклады международной конференции. — Томск: Изд-во Томского университета, 2000. — С. 133-159.

2. Canadian Forest Fire Danger Rating System / B. J. Stocks, M. E. Alexander, R. S. McAlpine, et al. — Canadian Forestry service, 1987. — 500 p.

3. D. Xavier Viegas, Giovanni Bovio, Almerindo Ferreira, Antonio Nosenzo and Bernard Sol. Comparative Study of Various Methods of Fire Danger Evaluation in Southern Europe // International Journal of Wildland Fire. — 2000. — Vol. 9, № 4. — P. 235-246.

4. Нестеров В. Г. Горимость леса и методы ее определения. — М.: Гослесбумиздат, 1949. —76 с.

5. Baranovsky N. V., Kuznetsov G. V. System of predicting the forest fire inflammations taking into account anthropogenic load and thunder activity // Program & Abstracts of International conference ENVIR0MIS-2006. — Tomsk: Publishing House of Tomsk CNTI, 2006. — P. 88.

6. Барановский H. B. Влияние антропогенной нагрузки и грозовой активности на вероятность возникновения лесных пожаров // Сибирский экологический журнал. — 2004. — № 6. — С. 835-842.

7. Жданко В. А., Гриценко М. В. Метод анализа лесопожарных сезонов: Практические рекомендации. — Л., 1980.

8. Иванов В. А. Лесные пожары и борьба с ними. — М., 1987. — C. 208-217.

Поступила в редакцию 27.07.06.