Перспективы развития математического моделирования процессов тепломассопереноса в слоях почвы как инструмента дистанционного исследования воздействия лесных пожаров на почвы

Н. В. БАРАНОВСКИЙ, канд. физ.-мат. наук, доцент кафедры теоретической и промышленной теплотехники, Энергетический институт Национального исследовательского Томского политехнического университета

УДК 614.841.12:533.6

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОСА В СЛОЯХ ПОЧВЫ КАК ИНСТРУМЕНТА ДИСТАНЦИОННОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ВОЗДЕЙСТВИЯ ЛЕСНЫХ ПОЖАРОВ НА ПОЧВЫ

Дан анализ существующих математических моделей процесса теплопереноса в почвах при воздействии лесных пожаров. Установлено, что в рамках этих моделей не описывается весь спектр значимых факторов при воздействии лесных пожаров на почвы. Развитие ранее разработанных моделей позволит использовать их в системах экологического мониторинга, в частности для создания единой системы мониторинга, нацеленной только на предсказание и нейтрализацию вредных воздействий на почву и микроорганизмы при лесных пожарах. Ключевые слова: математическое моделирование; тепломассоперенос; лесной пожар; мониторинг; почва.

Введение

Пожар с экологических позиций является стихийным, неконтролируемым распространением огня, который наносит вред всему окружающему (растениям, животным, микроорганизмам и т. п.) [1]. В первую очередь это относится к лесным пожарам. Проблемам изучения лесных пожаров с каждым годом уделяется все больше и больше внимания, так как они наносят огромный ущерб окружающей среде и экономике [2, 3]. В результате горения лесов образуются парниковые газы и соединения, которые пагубно влияют на озоновый слой Земли. Помимо этого, пирогенному воздействию подвергается почва, в результате чего в ней накапливаются токсичные вещества, снижается ферментативная и биологическая активность, уменьшается запас органического вещества и изменяется значение водородного показателя рН [4-6].

До настоящего времени исследованием состояния почв после лесных пожаров в основном занимались почвоведы. Для оценки состояния почв применяли физико-химический анализ проб почвы, взятых после пожара [7, 8]. Для исследования влияния лесного пожара на окружающую среду проводили натурные эксперименты. Для этого моделировали пожар разной интенсивности путем контролируемого выжигания [9]. Однако моделирование реального пожара требует значительных затрат средств и высококвалифицированных специалистов. Ранее была разработана методология прогностического

© Барановский Н. В., Ни А. Э., 2014

моделирования лесной пожарной опасности [10]. Полученные результаты могут быть использованы в качестве входных данных для систем оценки, мониторинга и прогнозирования экологических последствий лесных пожаров [11].

Цель работы—создание новой обобщенной концепции оценки влияния поражающих факторов лесных пожаров на окружающую среду, в частности на почвенные микробные сообщества, как инструмента дистанционного исследования состояния пиро-генных почв.

При проведении исследований ставились следующие задачи:

1) анализ публикаций по тематике проекта;

2) разработка комплекса необходимых требований к новой системе оценки экологических последствий лесных пожаров;

3) разработка обобщенной структуры системы оценки и прогноза экологических последствий лесных пожаров;

4) разработка структуры модуля оценки поражающих факторов лесного пожара на почвы;

5) разработка плана проведения исследований с целью создания новой системы оценки экологических последствий лесных пожаров.

Предпроектное исследование

За последнее столетие процессы горения биомассы и изменения использования земли привели к глобальному увеличению концентрации С02 в атмо-

сфере (почти на 30 %) и температуры (приблизительно на 0,6 °С) [12]. Результаты большинства исследований показали, что температура почвы как функция времени, местоположения и глубины будет также меняться [13]. В связи с этим представляется перспективной разработка математических моделей, которые связывают температуру почвы с другими параметрами, например с температурой воздушной среды (в том числе в экстремальных условиях — при лесных пожарах). Лесные почвы могут быть биологически, химически и физически подвергнуты влиянию лесных пожаров. Основное воздействие пожаров на почвы определяется интенсивностью пожара и, как следствие, температурой самой почвы. Последствием непосредственного влияния пожара является потеря органического вещества при его сгорании, повышение температуры почвы, уменьшение влагосодержания, увеличение рН-фак-тора почвы, значительная подверженность эрозии и оползням [14]. Лесные пожары могут также вызывать серьезное нарушение динамики экосистемы из-за изменений в количестве питательных веществ и других элементов, так же как и их процессов рециркуляции [15].

В настоящее время широко развита база математического моделирования процессов тепломассо-переноса. Важный импульс для развития теплофизики почв был сделан А. Ф. Чудновским [16], который разработал фундаментальную базу для исследования процессов тепломассопереноса в почвах. В своей работе А. Ф. Чудновский рассмотрел типичные случаи тепломассопереноса, такие как прямая и обратная задачи теплопроводности в почве, сопряженный теплообмен в системе почва - приземный воздух, тепломассоперенос в почве, осложненный движением почвенной влаги. Дифференциальные уравнения переноса решались аналитически, так как возможность проведения ресурсоемких вычислительных экспериментов появилась позже. Вследствие сложности получения аналитического решения в основном рассматривались простейшие одномерные линейные случаи. Дальнейшего развития его работа не получила.

Аналитический обзор литературы показал, что математическому моделированию процессов тепло-массопереноса в почве при лесных пожарах уделялось недостаточно внимания. Обнаружена всего одна базовая математическая модель, разработанная в России [17], и две модели зарубежных ученых [18, 19]. Дефицит разработанных моделей объясняется сложностью численного решения уравнений переноса для специалистов, занимающихся исследованием почвы (биологи, экологи, почвоведы и т. д.). Сравнительные характеристики существующих моделей представлены в табл. 1.

Таблица 1. Сравнительные характеристики математических моделей теплопереноса в почве при воздействии лесных пожаров

Источник Год Пиролиз ЛГМ Пиролиз органического слоя почвы Испарение почвенной влаги Двумерная модель

[17] 2013 + + - -

[18] 1997 - - - +

[19] 2008 - - - -

В математической модели, описанной в [18], был рассмотрен случай распространения тепла в сухой почве по двум координатам. Сравнение экспериментальных данных с результатами численного моделирования показало их неплохое соответствие. Была разработана простая, но эффективная модель, несмотря на отсутствие в то время мощной вычислительной техники. Однако дальнейшего развития данная модель [18] не получила.

В работе [19] описано совместное проведение эксперимента и численного моделирования процессов теплопереноса в сухой почве. В ходе эксперимента сухая почва помещалась в калориметр с конусообразным электронагревателем, который генерирует тепловой поток, схожий с тепловым потоком от лесного пожара. В качестве математической модели была использована нелинейная одномерная модель с излучением на границе. Было рассмотрено два случая численного моделирования — с постоянными и зависящими от температуры теплофизи-ческими характеристиками. В результате исследования были установлены распределения температуры в почве на разной глубине. Полученные данные были использованы для определения глубины летального поражения микроорганизмов. Сравнение экспериментальных данных с результатами численного моделирования также показали неплохое соответствие. В заключение авторы работы отметили, что погрешность в численном моделировании вызвана допущением об отсутствии испарения почвенной влаги и пиролиза органического вещества.

Одномерная математическая модель теплопереноса в слоях почвы [17] наиболее приближена к реальным условиям. В данной модели почва представлена как двухслойная система, состоящая из глины и органики. На поверхности почвы присутствует лесной горючий материал (ЛГМ). Приняты следующие допущения: теплофизические свойства глины, органики, ЛГМ и воздуха не зависят от температуры; конвективным теплопереносом в слое воздуха пренебрегается. Рассмотрены несколько видов внешнего воздействия на слой почвы: огненный шторм, повальный верховой пожар, режим перехода низового пожара в верховой, низовой пожар и догорание коксового остатка. Несмотря на отсутствие экспе-

риментальных данных, получены распределения температур, которые качественно согласуются с результатами работ [18,19]. Из вышесказанного можно сделать вывод, что все ранее разработанные математические модели имеют удовлетворительное соответствие с экспериментальными данными. Однако для их применения в системах экологического мониторинга требуется дальнейшее развитие инструментов математического моделирования теплового воздействия лесных пожаров на почвы.

Новая концепция мониторинга почвы после лесных пожаров

Общие замечания

В настоящее время в мире реализуется ряд проектов по защите окружающей среды. Проект Global Earth Observation System of Systems (GEOSS) [20], или Глобальная система изучения Земли, стал продолжением проекта Group of Earth Observation — GEO (Группа по наблюдениям за Землей). Проект развивается по 10-летнему плану (2005-2015 гг.). В нем участвуют 75 стран-членов и 51 организация. Данная система состоит из инструментов и моделей, предназначенных для измерения, мониторинга и прогнозирования физических, химических и биологических аспектов нашей планеты. Проект основан на аэрокосмическом (дистанционном) методе экологического мониторинга.

В России в данный момент действует Единая государственная система экологического мониторинга (ЕГСЭМ) [21], которая так же, как и GEOSS, включает в свой состав мониторинг почвенного покрова. В основе ЕГСЭМ лежит концепция комплексной характеристики состояния окружающей природной среды, которая учитывает все аспекты загрязнения окружающей среды, поведения загрязняющих веществ и проявления их воздействия. Комплексные исследования нацелены на определение источника загрязнения, оценку его интенсивности и время воздействия, а также на поиск способов оздоровления среды.

Современная система мониторинга базируется, в первую очередь, на математических или иных моделях контролируемых процессов [22]. Таким образом, расширение существующих моделей (многомерность, добавление таких эффектов, как движение почвенной влаги, учет конвекции воздуха и т. д.) позволит, с одной стороны, дополнить уже существующие системы экологического мониторинга, а с другой — создать единую систему, нацеленную только на предсказание и нейтрализацию вредных воздействий на почву и микроорганизмы при лесных пожарах. Для этого также потребуется серия экспериментов для подтверждения адекватности раз-

работанных эколого-математических моделей. Экспериментальное исследование необходимо не только для сравнения тепловых режимов в почве с данными, полученными при численном моделировании, но и для определения глубины летального поражения микроорганизмов [23].

Основные методы исследований

Исследования влияния повышенной температуры на почвы планируется выполнять с привлечением технологии математического моделирования и физического эксперимента на специально оборудованных стендах, а также посредством микробиологических исследований.

1. Математически процесс переноса тепла и массы в окружающей среде и очаге лесного пожара описывается с помощью уравнений теплопроводности и диффузии [24] с соответствующими начальными и граничными условиями. Эти уравнения математической физики (даже в трехмерном случае) могут быть успешно решены конечно-разностным методом. Для решения многомерных уравнений математической физики используется локально-одномерный метод [25]. Как правило, задачи прогноза лесной пожарной опасности и оценки экологических последствий требуют больших вычислительных ресурсов. В этом случае для решения поставленных задач может быть применен адаптированный подход ландшафтного распараллеливания [26] на многопроцессорных вычислительных системах [27].

2. Важным инструментом в решении задач теории лесной пожарной опасности и оценки экологических последствий является физическое моделирование. В процессе разработки теории лесной пожарной опасности созданы уникальные установки по моделированию воздействия источников локального нагрева на слои ЛГМ [28]. На основе этих установок может быть создано оборудование для исследования теплопереноса в природных слоистых средах типа почвы.

3. Микробиологические исследования в рамках настоящей концепции выделены в отдельный блок исследований.

Необходимые требования к новой системе

Результаты предпроектного исследования показывают, что создание в обозримой перспективе отечественной системы оценки, мониторинга и прогноза экологических последствий лесных пожаров, обладающей конкурентно-привлекательными качествами, потребует привлечения современных информационно-вычислительных технологий, физически содержательных моделей и вероятностных критериев. Основными требованиями, которые необходимо выполнить на пути создания такой системы

для оценки экологических последствий лесных пожаров, являются [11]:

1) наличие государственной концепции создания и развития отечественной системы оценки экологических последствий лесных пожаров;

2) наличие физико-математических моделей теп-ломассопереноса в слоистой структуре почвы при внешних воздействиях очагов лесных пожаров;

3) наличие сети метеостанций с возможностью измерения температуры почвы на конкретной территории;

4) наличие физико-математических моделей учета антропогенной нагрузки на лесопокрытых территориях;

5) наличие физически и математически обоснованного критерия оценки уровня лесной пожарной опасности;

6) наличие базы исходных данных для моделирования теплофизических и физико-химических процессов, протекающих в слое почвы при возникновении лесных пожаров;

7) реализация методики в виде программного комплекса, позволяющего прогнозировать экологические последствия лесных пожаров в режиме, опережающем реальное время развития процесса;

8) возможность модернизации и обновления отдельных моделей и подсистем в методике прогнозирования лесной пожарной опасности и ее программной реализации;

9) наличие государственного стандарта не на конкретную методику со всеми фиксированными компонентами, а на спецификацию соответствия методики определенным требованиям;

10) наличие стандартов, спецификаций на файлы входной, промежуточной и выходной информации в системе оценки, мониторинга и прогнозирования экологических последствий лесных пожаров;

11) наличие технологий, позволяющих потребителям оперативно получать оценочную и прогнозную информацию;

12) наличие технологий и методов, позволяющих отслеживать степень достоверности получаемых прогнозов;

13) наличие соответствующим образом подготовленных специалистов, способных обслуживать систему;

14) доступность и понятность прогнозной информации для лиц, принимающих управленческие решения (возможно, не имеющих специальной физико-математической подготовки).

Фундаментальный базис

Бурное развитие вычислительной техники позволяет численно решать уравнения переноса с достаточно низкой погрешностью, поэтому использо-

вание математического моделирования процессов тепломассопереноса в слоях почвы имеет свои перспективы.

В качестве базовой модели могут быть использованы [17]:

уравнение энергии для слоя воздуха:

Ре cg

dTg_ dt

= X„

d2 T

d z

2

уравнение энергии для слоя ЛГМ:

571 л 52Т ( Е ^

Р1С1 — = Х1 + Ьк1 Р1Ф ехР|

dt

dz

RT

уравнение энергии для верхнего слоя почвы

5Т2 = х 52Тг ,

Р 2 c2

dt

dz

2

уравнение энергии для нижнего слоя почвы:

Р 3 c3

dT3

~дГ

= A,

d 2T3

Го:

Ti: Г2: Г3: Г4:

Граничные условия для уравнений (1)-(4):

«i(T - Tes) = Xз ddzL;

dT3

= A*

8T1

dz

A dT2 A dTi

Ao - = Ai

dz

dz

Xi di = Xg di

1 dz g dz

T3 = T2; T2 = Ti; Ti = Tg;

5 7

а 2 (Теа - 7) = 4 "Т" .

Начальные условия для уравнений (1)-(4):

71 = 0 = Т-0.

Кинетическое уравнение и начальное условие:

Р1 5 =~крР1 Ф ехР -щ) ' ф* = 0 =Ф 0.

Здесь Т, рг, с, X — температура, плотность, теплоемкость и теплопроводность; I = £,1,.., 3(- — слой воздуха; 1 — слой ЛГМ; 2 — верхний слой почвы; 3 — нижний слой почвы); I — временная координата; 2 — пространственная координата; др — тепловой эффект реакции пиролиза ЛГМ; к1 — предэкс-понента реакции пиролиза ЛГМ; ф — объемная доля сухого органического вещества ЛГМ; Е1 — энергия активации реакции пиролиза ЛГМ; Я — универсальная газовая постоянная; а1 — коэффициент теплопередачи; а2 — коэффициент теплоотдачи; ез, еа, 0 — индексы, соответствующие параметрам окружающей среды в глубине почвы и воздухе, а также в начальный момент времени.

Воздух

Слой ЛГМ

Верхний слой почвы

Глина

О

Рис. 1. Область решения

Область решения представлена на рис. 1. Постепенно добавляя соответствующие эффекты и учитывая распределение тепла по дополнительным координатам, можно создать математическую модель, которая не будет иметь аналогов в мире.

Обобщенная структура системы

экомониторинга лесных пожаров

К основным поражающим факторам лесного пожара относят физико-химические воздействия (повышенная температура воздуха окружающей среды, световое и тепловое излучение, наличие в дыме угарного газа и углекислоты, горящих частиц лесного горючего материала); психофизические нагрузки (нервно-психологические и физические) [29]. На рис. 2 представлена обобщенная структура системы оценки экологических последствий лесных пожаров, на рис. 3 — структура подсистемы оценки, мониторинга и прогнозирования экологических последствий лесных пожаров при их воздействии на почвы.

Структурированный план

реализации концепции

Для реализации настоящей концепции в аспекте оценки, мониторинга и прогнозирования экологических последствий лесных пожаров в плане их воз-

действия на почвы следует выполнить, как минимум, следующие этапы исследований:

1) разработка спецификаций на методику оценки влияния лесных пожаров на почвы;

2) разработка физических моделей воздействия лесных пожаров на почвы;

3) разработка математических моделей влияния лесных пожаров на почвы с учетом основных физических процессов, протекающих в слоистой структуре почвы;

4) создание конечного программного продукта — системы оценки влияния лесных пожаров на почвы с использованием геоинформационных и спутниковых технологий и подходов эколого-математическо-го мониторинга природных систем;

5) разработка геопортала, посредством интерфейса которого оценочная и прогнозная информация будет доставляться конечному пользователю;

6) систематизация файловой структуры программного продукта для его интеграции с другими информационно-вычислительными системами.

Выводы

Экологические последствия лесных пожаров многообразны, и их прогнозирование имеет важное народнохозяйственное значение, в частности прогнозирование влияния лесных пожаров на почвы. В настоящей статье разработана обобщенная концепция оценки экологических последствий лесных пожаров. Рассматривается также частный случай — оценка влияния тепловых режимов природных пожаров на почвы. Развитие этой концепции на основе методов

численного моделирования будет способствовать более глубокому пониманию влияния поражающих факторов лесного пожара на окружающую среду и минимизации экономического и экологического ущерба.

Анализ существующих математических моделей теплопереноса в почве показал, что все они несовершенны. Системы экологического мониторинга отслеживают загрязнение почв, но при лесном пожаре загрязнение почвы золой — вторичный фактор. В первую очередь почва подвергается тепловому воздействию, что грозит гибелью растительности и живым микроорганизмам. Восстановление же лесного покрова может занимать десятки лет [30, 31].

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Щеглова Е. Г., Нестеренко Ю. М., Шабаев В. М. Лесные пожары и их роль в формировании и развитии лесных биоценозов в пойменных лесах степной зоны // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. — 2013. — № 2. — С. 8-13.

2. Кузнецов Г. В., Барановский Н. В. Прогноз возникновения лесных пожаров и их экологических последствий. — Новосибирск : Изд-во СО РАН, 2009. — 301 с.

3. ТретьяковН. Н. Лесные пожары и энтомофауна: негативные экологические последствия неизбежны // Прикладная энтомология. — 2011. — № 4. — С. 26-30.

4. Коган Р. М., Панина О. Ю. Исследование влияния лесных пожаров на почвы широколиственных лесов (на примере Еврейской автономной области) // Региональные проблемы. —2010. —№ 1.

— С. 67-70.

5. AlvarezR., ValbuenaL., CalvoL. Effect ofhigh temperatures on seed germination and seedling survival in three pine species (Pinus pinaster, P. sylvestris and P. nigra) // International Journal of Wildland Fire.

— 2007. — Vol. 16. — P. 63-70.

6. Garcia-Corona R., Benito E., de Bias E., Varela M.E. Effects of heating in some soil physical properties related to its hydrological behaviour in two North — Western Spanish soils // International Journal of Wildland Fire. —2004. — Vol. 13. — P. 195-199.

7. Горбунова Ю. С., Девятова Т. А. Изменение химического состава чернозема, выщелоченного под влиянием пирогенного воздействия // Вестник Воронежского государственного университета. Серия: Химия. Биология. Фармация. — 2013. — № 1. — С. 9-14.

8. CertiniG. Effects offire on properties of forest soils: areview // Oecologia.—Vol. 143.—P. 1-10.

9. Матвеев А. М., Матвеева Т. А. Роль пирогенного фактора в лесообразовательном процессе // Фундаментальные исследования. — 2013. — № 4, ч. 4. — С. 914-918.

10. Барановский Н. В. Теплофизические аспекты прогностического моделирования лесной пожарной опасности : дис. ... д-ра физ.-мат. наук. — Томск : ТПУ, 2012. — 436 с.

11. Барановский Н. В., Кузнецов Г. В., Нагорнова Т. А., Гвоздяков Д. В. Новая концепция оценки экологических последствий лесных пожаров, в частности при их влиянии на почвы // Современные проблемы науки и образования. —2013. —№ 6. URL: http://www.science-education.ru/113-10844 (дата обращения: 12.03.2014 г.).

12. IPCC Climate Change (2007) Synthesis Report. Summary for Policymakers. URL : http://www.ipcc.ch (дата обращения: 25.10.2013 г.).

13. Mihalakakou G. On estimating soil surface temperature profiles // Energy Build. — 2002. —Vol. 34.

— P. 251-259.

14. Macadam A. Effects of prescribed fire on forest soils. B. C. Min. For. Research Report 89001-PR. — Australia : Victoria, 1989.

15. DeBanoL.F.,NearyD. G.,FfolliottP.F. Fire's effects on ecosystems.—New York: Wiley, 1998. — 333p.

16. Чудновский А. Ф. Теплофизика почв. — М. : Наука, 1976. — 352 с.

17. Барановский Н. В., ТойчуевР. М., ОлалейеА. О. Математическое моделирование теплопереноса в слое почвы при воздействии очага лесного пожара // Современные проблемы науки и образования. — 2013. — № 4. — С. 317.

18. Oliveira L. A., Viegas D. X, Raimundo A. M. Numerical predictions on the soil thermal effect under surface fire conditions // International Journal of Wildland Fire. — 1997. — Vol. 7. — P. 51-63.

19. Ebenezer K. Enninful, David A. Torvi. A variable property heat transfer model for predicting soil temperature profiles during simulated wildland fire conditions // International Journal of Wildland Fire. — 2008. — Vol. 17. — P. 205-213.

20. Global Earth Observation System of Systems. Official page. URL: https://www.earthobservations.org/ geoss.shtml (дата обращения: 10.03.2014 г.).

21. Об утверждении Положения о Единой государственной системе экологического мониторинга: приказ от 09.02.95 г.№ 49.—М.: Мин-во охраны окружающей среды и природных ресурсов РФ, 1995.

22. Кречетова Е. А., ИофисМ.А. Организация комплексного геоэкологического мониторинга // Научный вестник Московского государственного горного университета. —2011. —№9. — С. 48-53.

23. Busse M., Hubbert K., Fiddler G., Shestak C., Powers R. Lethal soil temperatures during burning of masticated forest residues // International Journal of Wildland Fire. — 2005. — Vol. 14. — P. 267-276.

24. Кузнецов Г. В., Барановский Н. В. Пространственная постановка и численное исследование задачи о зажигании слоя лесного горючего материала нагретой до высоких температур частицей // Бутлеровские сообщения. — 2010. — Т. 22, № 12. — С. 30-37.

25. Самарский А. А., ВабищевичП. Н. Аддитивные схемы для задач математической физики. —М.: Наука, 2001. —320 c.

26. Барановский Н. В. Ландшафтное распараллеливание и прогноз лесной пожарной опасности // Сибирский журнал вычислительной математики. — 2007. — Т. 10, № 2. — С. 141-152.

27. Богданов А. В., Корхов В. В., МареевВ. В., Станкова Е. Н. Архитектуры и топологии многопроцессорных вычислительных систем. Курс лекций : учебное пособие. — М. : ИНТУИТ.РУ "Интернет-Университет Информационных Технологий", 2004. — 176 с.

28. Барановский Н. В. Экспериментальное исследование процесса зажигания в режиме тления растительного горючего материала в результате действия сфокусированного солнечного излучения // Пожаровзрывобезопасность. — 2012. — Т. 21, № 12. — С. 17-21.

29. ЦайЮ. Т., ЛипинаЛ. А. Защита людей от воздействия опасных факторов лесного пожара при выполнении лесопожарных работ // Лесные и степные пожары: возникновение, распространение, тушение и экологические последствия : матер. 4-й Междунар. конф. — Томск : Изд-во Томского ун-та, 2001. —С. 157-159.

30. Ушатин И. П., Мамонов ДМ.Динамика лесовосстановительных процессов на гарях в центральной лесостепи // Воронежская государственная лесотехническая академия. — 2012. — № 3. — С. 59-69.

31. Il'icheva Yu. N., Ignat'ev L. A., Artymuk S. Yu. The effect of forest fires and clearing of fire-destroyed stands on pedoecological conditions of natural forest regeneration // Contemporary Problems of Ecology. — 2011. — Vol. 4, No. 6. — P. 634-640.

Материал поступил в редакцию 20 марта 2014 г.

DEVELOPMENT PROSPECTS OF MATHEMATICAL SIMULATION OF HEAT MASS TRANSFER PROCESSES IN THE SOIL LAYERS AS A TOOL OF REMOTE SENSING OF FOREST FIRE IMPACT

BARANOVSKIY N. V., Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Associate Professor of Theoretical and Industrial Heating Engineering Department, Institute of Power Engineering, National Research Tomsk Polytechnic University

NI A. E., Student of Theoretical and Industrial Heating Engineering Department, Institute of Power Engineering, National Research Tomsk Polytechnic University

: English

ABSTRACT

The fire from ecological positions is spontaneous, uncontrollable spreading of fire which harms to all surrounding (plants, animal, microorganisms etc.). To problems of studying of forest fires every year it is given more and more attention as they cause a huge damage to environment and economy.

Till now after forest fires basically soil scientists were engaged in research of a condition of soils. For an estimation of a condition of soils carry out the physical and chemical analysis of tests of the soil taken after a fire. Also for research of influence of forest fire on environment natural experiment is made. The fire of different intensity by a controllable burning out is for this purpose modeled. Such kinds of research demands considerable expenses of means and highly skilled experts in case of modeling of a real fire. The methodology of prognostic modeling of forest fire danger is earlier developed. The obtained results can be used as entrance data for systems of an estimation, monitoring and forecasting of ecological consequences of forest fires.

The work purpose is creation of the new generalised concept of an estimation of influence of damaging factors of forest fires on environment, in particular on soil microbic communities as tool of remote research of a condition of pyrogenic soils.

The analysis of existing mathematical models of heat transfer process in soils is carried out at influence of forest fires. It is established, that within the limits of these models all spectrum of significant factors is not described yet at influence of forest fires on soils. Development before the developed models will allow to use them in ecological monitoring systems. As there is a prospect of creation of uniform system of the monitoring aimed at a prediction and neutralisation of harmful influences on soils and microorganisms at forest fires.

Keywords: mathematical simulation; heat and mass transfer; forest fire; monitoring; soil.

REFERENCES

1. ShcheglovaE. G.,Nesterenko Yu. M., Shabaev V. M. Lesnyyepozharyiikhrolv formirovanii i razvitii lesnykh biotsenozov v poymennykh lesakh stepnoy zony [Forest fires and their role in the formation and development of forest biocenoses in flood forests of the steppe zone]. Izvestiya Orenburgskogo gosu-darstvennogo agrarnogo universiteta—Proceedings of the Orenburg State Agrarian University, 2013, no. 2, pp. 8-13.

2. Kuznetsov G. V., Baranovskiy N. V. Prognoz vozniknoveniya lesnykh pozharov i ikh ekologicheskikh posledstviy [Forecast of forest fire occurrence and their ecological consequences]. Novosibirsk, Siberian Branch of the Russian Academy of Science Publ., 2009. 301 p.

3. Tretyakov N. N. Lesnyye pozhary i entomofauna: negativnyye ekologicheskiye posledstviya neizbezh-ny [Forest fires and entomofauna: negative environmental impacts are unavoidable]. Prikladnaya ento-mologiya — Insectology, 2011, no. 4, pp. 26-30.

4. Kogan R. M., Panina O. Yu. Issledovaniye vliyaniya lesnykh pozharov na pochvy shirokolistvennykh lesov (na primere Yevreyskoy avtonomnoy oblasti) [Investigation of forest fires influence on the soils in deciduous woods (on the example of the Jewish autonomous region)]. Regionalnyye problemy—Regional Problems, 2010, no. 1, pp. 67-70.

5. Alvarez R., Valbuena L., Calvo L. Effect of high temperatures on seed germination and seedling survival in three pine species (Pinus pinaster, P. sylvestris and P. nigra). International Journal of Wildland Fire, 2007, vol. 16, pp. 63-70.

6. Garcia-CoronaR., Benito E.,deBlasE., VarelaM. E. Effects ofheating in some soil physical properties related to its hydrological behaviour in two North — Western Spanish soils. International Journal of Wildland Fire, 2004, vol. 13, pp. 195-199.

7. Gorbunova Yu. S., Devyatova T. A. Izmeneniye khimicheskogo sostava chernozema, vyshchelochen-nogo pod vliyaniyem pirogennogo vozdeystviya [The change chemical composition of chernozem leaching under pyrogenic influence]. Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya: Khimiya. Biologiya. Farmatsiya — Proceedings of the Voronezh State University. Series: Chemistry. Biology. Pharmacy, 2013, no. 1, pp. 9-14.

8. Certini G. Effects of fire on properties of forest soils: a review. Oecologia, vol. 143, pp. 1-10.

9. Matveev A. M., Matveeva T. A. Rol pirogennogo faktora v lesoobrazovatelnom protsesse [The role of the pyrogenic factor are established in the process of forest-forming]. Fundamentalnyye issledovaniya — Fundamental Researches, 2013, no. 4, part 4, pp. 914-918.

10. Baranovskiy N. V. Teplofizicheskiye aspekty prognosticheskogo modelirovaniya lesnoy pozharnoy opasnosti. Dis. ... d-ra fiz.-mat. nauk [Thermophysical aspects of prognostic modelling of forest fire danger. Dr. phys. and math. sci. diss.]. Tomsk, Tomsk Polytechnic University Publ., 2012. 436 p.

11. BaranovskiyN. V., Kuznetsov G. V., NagornovaT. A., Gvozdyakov D. V. Novayakontseptsiyaotsen-ki ekologicheskikh posledstviy lesnykh pozharov, v chastnosti pri ikh vliyanii na pochvy [New concept of an estimation of forest fires ecological consequences, in particular at their influence on soils]. Sovre-mennyye problemy nauki i obrazovaniya — Modern Problems of Science and Education, 2013, no. 6. Available at: http://www.science-education.ru/113-10844 (Accessed 12 March 2014).

12. IPCC Climate Change (2007) Synthesis Report. Summary for Policymakers. Available at: http://www.ipcc.ch (Accessed 25 November 2013).

13. Mihalakakou G. On estimating soil surface temperature profiles. Energy Build, 2002, vol. 34, pp. 251-259.

14. Macadam A. Effects of prescribedfire on forest soils. B. C. Min. For. Research Report 89001-PR. Australia, Victoria, 1989.

15. DeBano L. F., Neary D. G., Ffolliott P. F. Fire's effects on ecosystems. New York, Wiley, 1998.333 p.

16. Chudnovskiy A. F. Teplofizikapochv [Soil thermopysics]. Moscow, Nauka Publ., 1976. 352 p.

17. Baranovskiy N. V., Toychuev R. M., Olaleye A. O. Matematicheskoye modelirovaniye teploperenosa v sloye pochvy pri vozdeystvii ochaga lesnogo pozhara [Mathematical modelling of heat transfer in soil layer at influence of the forest fire centre]. Sovremennyyeproblemy nauki i obrazovaniya — Modern Problems of Science and Education, 2013, no. 4, p. 317.

18. Oliveira L. A., Viegas D. X, Raimundo A. M. Numerical predictions on the soil thermal effect under surface fire conditions. International Journal of Wildland Fire, 1997, vol. 7, pp. 51-63.

19. Ebenezer K. Enninful, David A. Torvi. A variable property heat transfer model for predicting soil temperature profiles during simulated wildland fire conditions. International Journal of Wildland Fire, 2008, vol. 17, pp. 205-213.

20. Global Earth Observation System of Systems. Official page. Available at: https://www.earthobserva-tions.org/geoss.shtml (Accessed 20 March 2014).

21. About the Position statement about Uniform state system of ecological monitoring. The order on 9 February 1995 No. 49. Moscow, the Ministry of preservation of the environment and natural resources of the RF Publ., 1995. (in Russian).

22. Krechetova E. A., Iofis M. A. Organizatsiya kompleksnogo geoekologicheskogo monitoringa [Creating a comprehensive geo-ecological monitoring]. Nauchnyy vestnik Moskovskogo gosudarstvennogo gornogo universiteta — Scientific Bulletin of the Moscow State Mining University, 2011, no. 9, pp. 48-53.

23. Busse M., Hubbert K., Fiddler G., Shestak C., Powers R. Lethal soil temperatures during burning of masticated forest residues. International Journal of Wildland Fire, 2005, vol. 14, pp. 267-276.

24. Kuznetsov G. V., Baranovskiy N. V. Prostranstvennaya postanovka i chislennoye issledovaniye zada-chi o zazhiganii sloya lesnogo goryuchego materiala nagretoy do vysokikh temperatur chastitsey [Spatial statement and numerical research of a problem about ignition of forest fuel layer by heated up to high temperatures particle]. Butlerovskiye soobshcheniya — Butlerov Communications, 2010, vol. 22, no. 12, pp. 30-37.

25. Samarskiy A. А, Vabishchevich P. N. Additivnyye skhemy dlya zadach matematicheskoy fiziki [Additive schemes for problems of mathematical physics]. Мoscow, Nauka Publ., 2001. 320 p.

26. Baranovskiy N. V. Landshaftnoye rasparallelivaniye i prognoz lesnoy pozharnoy opasnosti [Landscape parallelization and forecast of forest fire danger]. Sibirskiy zhurnal vychislitelnoy matematiki — Siberian Journal of Numerical Mathematics, 2007, vol. 10, no. 2, pp. 141-152.

27. Bogdanov A. V, Korkhov V. V., Mareev V. V., Stankova E. N. Arkhitektury i topologii mnogoprotses-sornykh vychislitelnykh sistem. Kurs lektsiy: uchebnoye posobiye [Architecture and topology of multiprocessing computing systems. A course of lectures. Manual]. Moscow, INTUIT.RU "Internet University of Information Technologies" Publ., 2004. 176 p.

28. Baranovskiy N. V. Eksperimentalnoye issledovaniye protsessa zazhiganiya v rezhime tleniya rastitel-nogo goryuchego materiala v rezultate deystviya sfokusirovannogo solnechnogo izlucheniya [Experimental research of ignition process in a mode of decay of a vegetative combustible material as a result of action of the focused sunlight]. Pozharovzryvobezopasnost—Fire and Explosion Safety, 2012, vol. 21, no. 12, pp. 17-21.

29. Tsaj Yu. T., Lipina L. A. Zashchita lyudey ot vozdeystviya opasnykh faktorov lesnogo pozhara pri vy-polnenii lesopozharnykh rabot [Protection of people from influence of dangerous factors of forest fire at forest fire works execution]. Lesnyye i stepnyyepozhary: vozniknoveniye, rasprostraneniye, tusheniye i ekologicheskiyeposledstviya: materialy 4-y mezhdunarodnoy konferentsii [Forest and steppe fires: occurrence, distribution, suppression and ecological consequences. Materials of 4th International Conference]. Tomsk, Publishing House of Tomsk University, 2001, pp. 157-159.

30. Ushatin I. P., Mamonov D. M. Dinamika lesovosstanovitelnykh protsessov na garyakh v tsentralnoy lesostepi [Dynamics of reforestation processes on burnings in the central forest-steppe]. Voronezhskaya gosudarstvennaya lesotekhnicheskaya akademiya — Voronezh State Timber Academy, 2012, no. 3, pp. 59-69.

31. Il'icheva Yu. N., Ignat'ev L. A., Artymuk S. Yu. The effect of forest fires and clearing of fire-destroyed stands on pedoecological conditions of natural forest regeneration. Contemporary Problems of Ecology, 2011, vol. 4, no. 6, pp. 634-640.

Издательство «П0ЖНАУКА»

Предлагает вашему вниманию

Прогноз,

-к л>,

S

W

Л. П. Пилюгин ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ПОСЛЕДСТВИЙ ВНУТРЕННИХ АВАРИЙНЫХ ВЗРЫВОВ

Настоящая книга посвящена проблеме прогнозирования последствий внутренних взрывов газо-, паро- и пылевоздушных горючих смесей (ГС), образующихся при аварийных ситуациях на взрывоопасных производствах. В книге материал излагается применительно к дефлаграционным взрывам, которые обычно имеют место при горении ГС на этих производствах.

В качестве основных показателей при прогнозировании последствий аварийных взрывов ГС рассматриваются ожидаемый характер и объем разрушений строительных конструкций в здании (сооружении), в котором происходит аварийный взрыв.

Книга продолжает исследования автора в области проектирования зданий взрывоопасных производств и оценки надежности строительных конструкций (на основе метода преобразования рядов распределения случайных величин).

С использованием методов теории вероятностей разработаны методики: определения характеристик взрывной нагрузки как случайной величины; оценки вероятностей разрушения конструкций, характера и объема разрушений в здании при внутреннем аварийном взрыве. Приведенные методики сопровождаются примерами расчетов для зданий различных объемно-планировочных решений.

121352, г. Москва, а/я 43;

тел./факс: (495) 228-09-03; e-mail: mail@firepress.ru