Оценка современных методик прогнозирования развития лесных пожаров и возможные пути их усовершенствования

УДК 528.48:551.42

А. В. Звягинцева, Д. В. Яковлев, Ф.И. Федянин

ОЦЕНКА СОВРЕМЕННЫХ МЕТОДИК ПРОГНОЗИРОВАНИЯ РАЗВИТИЯ ЛЕСНЫХ ПОЖАРОВ И ВОЗМОЖНЫЕ ПУТИ ИХ УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ

Дана характеристика методик прогнозирования и оценки обстановки при лесных пожарах применительно к картографическому отображению местности. Показана актуальность применения ГИС для оценки продвижения пожара с учётом характеристики территории

Л. В. Звягинцева

I

Ф. И. Федянин

I

I

На территории Воронежской области за период с 1997 по 2001 гг. численность лесных пожаров увеличилась на 31,57 % (поданным ГУ ГОЧС Воронежской области) [1].

Лесной пожар (ЛП) - это стихийное (т.е. неуправляемое) горение, распространившееся на лесную площадь, окруженную негоряшей территорией. В лесную площадь, на которой распространяется пожар, входят открытые лесные пространства (вырубки, горы и др.).

В зависимости от сгорающих материалов различают два основных вида ЛП: низовые и верховые.

Низовым называется ЛП, распространяющийся по почвенному покрову. Верховый ЛП является дальнейшей стадией развития низового с распространением огня по кронам и стволам деревьев верхних ярусов и характеризуется высокой скоростью распространения (порядка 100 м/мин и выше). Основным горючим материалом на фронте пожара являются листья и сучья, главным образом, хвойных деревьев и лесной почвенный покров. На флангах и в тылу верховый пожар распространяется низовым огнем. Наиболее интенсивное горение происходит во фронте пожара.

Лесные пожары могут привести к катастрофическому поражению больших территорий, разрушению жилых построек и промышленных объектов, нарушению целостности линий энергопередач, выходу из строя систем коммуникаций, нарушению жизнедеятельности, причинению вреда здоровью и гибели людей и животных.

Из выше сказанного видно, насколько остро стоит проблема оценки риска для населения и территорий в зонах возможного возникновения Л П. Возникает вопрос о предотвращении и своевременной ликвидации лесных пожаров и их последствий. Необходимо производить оценку рисков возникновения ЛП, выявление наиболее опасных районов, граничащих с объектами экономики и местами отдыха, прогнозирование развития ЛП и своевременное принятие мер по предупреждению их возникновения.

Результаты оценки рисков и прогнозов могут служить для поддержки административных и организационных мер, включая решения о привлечении дополнительных сил и средств, об эвакуации населения,

о консервации или эвакуации оборудования объектов народного хозяйства.

Поданным разведки и прогнозов развития Л П проводится разработка планов тушения, в которых определяют способы и тактические приемы ликвидации пожаров, распределение сил и средств, решающих направлений «боевых» действий и т.п.

Для оценки состояния пожарной опасности следует учитывать характеристики:

• горючих материалов;

• погодных условий;

• рельефа местности;

• оценку значимости человеческого фактора.

Оценка состояния пожарной опасности погодных условий для лесных массивов производится через комплексный показатель В.Г. Нестерова, который учитывает основные факторы, влияющие на пожарную опасность лесных горючих материалов. Комплексный показатель

Научно-технические разработки

Научно-технические разработки

определяется по формуле:

К = £

где Т() - температура (в градусах) воздуха на 12 часов по местному времени; т - точка росы на 12 часов (дефицит влажности); п - число дней после последнего дожая [2].

Количество выпавших осадков до 25 мм в сутки в расчет не принимается и определяется по осадкомеру, температура воздуха измеряется сухим термометром психрометра, точка росы определяется по психрометрическим таблицам по показаниям сухого и смоченного термометров. Температура воздуха и точки росы измеряются с точностью до 0,1 °С; количество осадков

— с точностью 0,5 мм. Для получения отсчетов психрометр устанавливается вне помещения в тени на высоте 2 м от земли.

По величине вычисленного комплексного показателя и принятой в настоящее время шкале определяется класс пожарной опасности в лесу по условиям погоды, в зависимости от которого регламентируется работа лесопожарных служб.

В зависимости от значения К существуют следующие классы пожарной опасности погоды:

I класс: К от 0 до 300 - отсугствис опасности;

II класс: К от 301 до 1000 - малая пожарная опасность;

III класс: К от 1001 до 4000 — средняя пожарная опасность;

IV класс: К от 4001 до 10 000 - высокая пожарная опасность;

V класс К: более 10 000 - чрезвычайная опасность.

Для отдельных регионов разработаны региональные шкалы пожарной опасности в лесу по условиям погоды, учитывающие местные особенности, для которых значения комплексного показателя по классам отличаются от значений общероссийской шкалы.

Предпосылками чрезвычайной лесопожарной ситуации являются:

• малоснежная зима, длительный бездождевой период (15-20 дней) с высокой среднесуточной температурой воздуха (выше средней многолетней) и малая относительная влажность в начале пожароопасного сезона, когда степень пожарной опасности в лесу по условиям погоды характеризуется IV, V классами пожарной опасности;

• наличие в лесном фонде бесконтрольных антропогенных источников огня и/или частые грозовые разряды при высокой степени пожарной опасности в лесу по условиям погоды.

Цля возникновения низовых массовых пожаров в лесах с переходом в верховые необходимо большое количество действующих очагов низовых пожаров, засушливая погода (III — V класс пожарной опасности), усиление ветра (от умеренного до сильного или штормового со скоростью 8-30 м/с). В этих условиях происходит распространение и слияние очагов низовых пожаров в обширные зоны массовых

пожаров, суммарная площадь которых достигает сотен тысяч гектаров, возникает непосредственная угроза уничтожения огнем населенных пунктов, расположенных в лесных массивах, а также сильное задымление прочих населенных пунктов, удаленных от лесных массивов.

Чрезвычайно опасным лесным пожаром называют пожар, охвативший площадь более 200 га в районах авиационной охраны лесов и более 25 га в районах наземной охраны лесов |2|.

На развитие ЛП наибольшее влияние оказывают такие факторы, как характеристика территории и погодные условия.

Под характеристикой территории понимается степень залесенности (средняя высота, диаметр, частота древостоя, видовой состав, состояние полога леса, общая площадь и геометрическая форма лесного массива), рельеф местности (факторы неровности земной поверхности, ориентация, угловая характеристика и протяженность склонов).

Данная совокупность факторов определяет поведение пожара на конкретной территории. Так скорость распространения пламени зависит от ветра (т.е. его распространения на поверхности земли) и горючих материалов. При этом различают скорость распространения пламени по направлениям относительно ветра:

• скорость фронта (скорость распространения по направлению ветра);

• скорость флангов (скорость распространения перпендикулярно направлению ветра);

• скорость тыла (скорость распространения обратно направлению ветра).

Продвижение ЛП по пересеченной местности можно разделить на продвижение:

• по плато (уклон около 0°);

• по склону вверх;

• по склону вниз;

• параллельно склону.

Поведение ЛП на данных участках местности обусловлено природой пламени. Большая часть тепла отводится через конвекцию с учетом отклонения по воздушным потокам, и менее значимыми являются излучение и передача тепла путем теплопроводности 131. Конвективная теплопередача характеризует ускорение продвижения пламени вверх по склону и возрастание скорости при сопутствующем направлении ветра. При воздушных потоках, направленных вдоль склона, фронт пламени будет смешаться в сторону положительного изменения высоты. В тоже время, продвижение пламени вниз по склону обусловлено снижением скорости продвижения и более полным выгоранием горючих веществ, т.к. вектор конвекции направлен вверх, что снижает его влияние на скорость продвижения, и основное продвижение определяется интенсивностью излучения и теплопереноса воздушных потоков. Влияние вектора конвекции на продвижение пламени вниз по склону оказывает различное действие. При переходе ветра с платообразного учас-

тка на склон образуются вихревые потоки, которые накладываются на тепловые воздушные потоки от пожара, что вносит значительную неопределенность в поведение пламени.

Окончательным этапом является оценка последствий лесных пожаров:

• продвижение относительно сторон света и объектов экономики;

• площадь и периметр зоны горения - Б (га) и П (м);

• степень поражения древостоя после низовых пожаров;

• количество непригодной к реализации древесины после верховых пожаров.

Исходные данные для прогнозирования последствий ЛП:

• местность (координаты / ориентиры, характеристика);

• тип пожара (верховые/ низовые);

• класс горимости лесных насаждений на данной территории;

• скорость и направление ветра;

• начальная площадь 50, начальный периметр Пц очага пожара;

• средний диаметр древостоя;

• средняя высота пожара;

• комплексный показатель пожарной опасности погодных условий — К.

Используемые в настоящее время методики прогнозирования и оценки обстановки при ЛП дают возможность геометрически отобразить развитие пожаров в виде прямоугольника (рис. 1 методика А), в котором за основу берутся скорость ветра, коэффициент пожароопасности погоды, начальный периметр или площадь горения. Исходя из пожароопасности погоды и скорости ветра, рассчитываются скорости распространения пламени по фронту, флангам и тылу. Начальный квадрат рассчитывается по начальному периметру либо площади горения. Продвижение пожара в конкретном направ-

фп Ь> оЖЕЖШ -

лении определяется путем откладывания прямых, параллельных сторонам квадрата, на расстоянии от центра, рассчитываемому по формуле:

Б =-| + у1, н 2 н

где Би - продвижение пожара (по фронту, флангам или тылу); а - сторона начального квадрата; \и

- скорость распространения по соответствующему направлению; I - ориентировочное время распространения пожара. Путем таких расчетов мы получаем геометрический образ продвижения пожара во времени, наложение которого на карту местности дает схематическое представление о развитии пожара во времени. Также возможен расчет периметра и площади горения Л П согласно формулам:

П = 2-(у1 + 2мл \ + V I +2а),

' ф фл т

5 = (уД + V І + а)-(2у. і + а),

' ф т ' ' фл '

где П — периметр зоны горения (м); Б — площадь зоны горения (га); а — сторона начального квадрата; V , чф1, \>т — скорости распространения пожара относительно направления ветра по фронту, флангам и тылу; I — ориентировочное время распространения пожара.

В методике Б (рис. 1) ведется более сложный расчет поведения пожара относительно направления ветра средствами векторного анализа. Эта методика основывается на равномерном распространении пламени в горизонтальной плоскости по всем направлениям. При этом скорость продвижения пожара складывается из скорости распространения пламени и скорости ветра. В этом случае входные данные для формулы расчета используются те же, что и в методике А, но начальной геометрической фигурой, получаемой из начального периметра или площади трения, является окружность. В данном случае скорости распространения пожара относительно направления ветра определяются по следующей формуле:

’ С08ф .

фл «..„І; фє

у*-ЯПф

Рис. 1. Возможности современных методик прогнозирования последствий лесных пожаров применимо к картографическому отображению местности (V — скорость ветра): А — методика, применяемая в настоящее время для оперативных расчетов (обозначено сплошной линией); Б - модернизированная методика с более сложными расчетами (для сравнения в методике А — пунктир).

где V — распространение ветра по направлению ф (ф — угол, откладываемый от вектора правого фланга против часовой стрелки, если смотреть по направлению ветра); V , уфГ — скорости распространения пожара относительно направления ветра по фронту, флангам и тылу. Результирующая фигура также накладывается на карту местности с учетом масштаба карты, направления ветра и области возникновения пожара. Также возможен расчет периметра и плошали горения пожара, которые рассчитываются по следующим формулам:

Научно-технические разработки

П = - •(1,5-(у.1+2у. 1+у 1+2а)-

2 Ф фл 1П

Б =- (уЛ+у 1+а)-(у. 1+—).

2 ф т 'фл 2

Разница в результатах оценок развития лесного пожара наглядно демонстрируется на рис. 2, где графически отображены фигуры, получаемые при использовании методик А и Б. Данные методики не учитывают специфику определенной местности, что не дает возможности оценить каждую конкретную точку и соответственно поведение пожара с учетом особенностей территории. Все вышеперечисленные задачи подразумевают под собой сложные инженерные решения, которые занимают значительное время и требуют немалых средств. Это приводит к потере времени при принятии мер и увеличению ущерба от Л П.

Данные задачи можно упростить, введя в эксплуатацию комплекс географических информационных систем (ГИС). Гсоинформационные системы позволяют использовать методы обработки электронных картографических материалов с учетом особенностей каждой конкретной точки местности (описание характеристик горючих веществ, рельефа местности), ее расположения относительно окружающих объектов, проведения и визуализации расчетов в абсолютном (числовом),

Рис. 2. Оценка продвижения пожара с учетом характеристик территории с помощью ГИС

визуально-аналитическом и графическом видах (выделение зон поражения огнем, задымления с течением времени), с учетом ориентации относительно сторон света и объектов экономики.

Применение ГИС в системе оперативного управления МЧС России может дать значительный эффект, т.к. пользователь получает наглядную и достоверную информацию, необходимую для решения задач анализа и управления в ЧС за счет интеграции графических и атрибутивных данных.

Основные и наиболее приемлемые функции ГИС для решения конкретной задачи:

• определение зон с наиболее высоким риском возникновения Л П;

• определение наиболее опасных зон вблизи объектов экономики и мест отдыха людей;

• определение мест пожара от момента обнаружения и ведение анализа развития с течением времени;

• определение районов для привлечения служб МЧС России;

• определение водоисточников и путей следования к ним;

• полная характеристика местности, объектов пожара;

• возможность статистической обработки информации и оценки проделанных работ;

• визуализация участка карты для предварительного изучения обстановки с целью планирования боевого развертывания подразделений и проведения пожаротушения;

• определение расстояния и рекомендуемого маршрута следования подразделений к месту Л П.

Таким образом, анализ и моделирование рисков, и прогнозирование лесных пожаров в регионе средствами ГИС является актуальным вопросом на сегодняшний день. ГИС-технологии дают качественно новые возможности для анализа и принятия решений, выбора наиболее эффективных мер предупреждения и реабилитационных мероприятий пораженных территорий.

V*! + )(уф11+|- )-і|(УтІ+^)(уЖпІ+^- )),

Фл 2

0 | Литература

а

п.

1. Коровин Е.Н.. Куприенко П.С., Родионов О.В., Ухин Л.И. Автоматизированный анализ и классифика-« ция административно-территориальных единиц по показателям системы жизнеобеспечения региона. // £ Научно-технический журнал Воронежского государственного технического университета. Серия: «Системы " ! и средства безопасности в чрезвычайных ситуациях». - Воронеж, 2004, выпуск 10.1. — С. 5-7.

^  2. ГОСТ Р 22.1.09-99 Безопасность в чрезвычайных ситуациях. Мониторинг и прогнозирование лес-н | ных пожаров.

1 3. В.В. Померанцев, К.М. Арефьев, Д.Б. Ахмедов и др.: Под ред. В.В. Померанцева. Основы практической •5*1 теории горения // Учеб. пособие для студентов вузов. -Л.: «Энергия», 1973. - 264 с.

*1_______________________________________________________________________________________________