АНАЛИЗ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ДЛЯ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ НИЗОВЫХ ЛЕСНЫХ ПОЖАРОВ Текст научной статьи по специальности «Сельское хозяйство, лесное хозяйство, рыбное хозяйство»

/58 "Civil SecurityTechnology", Vol. 17, 2020, No. 2 (64) УДК 355.58

Safety in emergencies

Анализ математических моделей, используемых для прогнозирования низовых лесных пожаров

ISSN 1996-8493

© Технологии гражданской безопасности, 2020

Р.К. Анойкин

Аннотация

Выполнен всесторонний анализ особенностей построения математических моделей (в ретроспективе и современных) для прогнозирования лесных пожаров и прежде всего — низовых лесных пожаров. Результаты анализа свидетельствуют о необходимости разработки математических моделей, пригодных в системе МЧС России, для борьбы с лесными пожарами.

Ключевые слова: лесной пожар; лесной горючий материал; низовой лесной пожар; площадь лесного пожара; прогнозирование лесных пожаров; чрезвычайная лесопожарная ситуация.

Analysis of Mathematical Models Used for Forest Ground Fires Forecasting

ISSN 1996-8493

© Civil Security Technology, 2020

R. Anoikin

Abstract

Comprehensive analysis of the mathematical models construction features (in retrospect and up-to-date) is performed for forecasting forest fires and above all groundfires. The results indicate the need to develop mathematical models that are suitable in the EMERCOM of Russia for fighting forest fires.

Key words: forest fire; forest combustible material; groundfires; forest fire area; forest fire forecasting; emergency forest fire situation.

22.05.2020

Специалисты выделяют такие фундаментальные категории пожаров в лесных массивах, как: низовые, верховые и подземные. Данные лесные пожары могут перерасти в сложные или ландшафтные, если огонь перейдет на такие субъекты лесного массива, как: древесный полог, кроны деревьев, нижний уровень лесного насаждения [1-8].

Низовые пожары в лесных массивах составляют порядка 95% от всех случаев возникновения пожаров. Поэтому всесторонний анализ особенностей построения математических моделей (в ретроспективе и современных) для более точного прогнозирования лесных пожаров, и прежде всего — низовых лесных пожаров, является актуальной задачей для МЧС России.

Безопасность в чрезвычайных ситуациях «Технологии гражданской безопасности», том 17, 2020, № 2 (64)

Основной их характеристикой является распределение огня по большой площади приземистого слоя. При пожарах данного типа уничтожаются различные растения, а также такие вегетативные фрагменты, как: подстилка нижнего яруса леса, трава, опавшие листья, ветви, кора стволов деревьев и другие.

Главным образом, низовые пожары в лесных массивах, особенно беглые, случаются в тот весенний промежуток времени, когда происходят горение травы, оставшейся с прошлого года, лесного опада, верхней части растений и растительных остатков, а также повреждение коры стволов деревьев, наземных частей корней, древесного полога. Территория, которую покрывал пожар, обладает пятнистой формой, в то время как области с достаточно влажным покрытием не затрагиваются огнем вовсе. Скорость продвижения пожара достаточно большая, достигает 3-5 м/мин и зависит главным образом от скорости ветра. При пожаре данного типа доминирует пламенный вид горения. Также есть вероятность того, что пожар может перетечь в верховой, особенно в хвойных частях лесного массива, если они имеют низкую крону.

Число низовых пожаров в лесных массивах сильно возрастает в тот момент, когда напочвенный покров полностью просыхает. При устойчивом лесном пожаре огонь может распространиться глубже, при этом напочвенный слой, пни, ветви и т.д. сгорают до основания. Территории, на которых произошел этот пожар, отличаются тотальным сгоранием лесного подроста и напочвенного покрова. Кора стволов, а также корни деревьев сгорают, при этом наносится огромный ущерб участкам лесного массива, наблюдаются прекращение роста части деревьев и их гибель. Существует вероятность перехода этих пожаров в верховые на новых лесных участках, а также на территориях с несколькими ярусами. Если данный пожар произойдет на торфяных почвах, он может перейти в подземный вид пожара. Скорость распространения огня при низовом лесном пожаре может достигать 3м/мин.

Выделяют два типа низовых лесных пожаров: устойчивые и беглые. Ущерб лесным насаждениям, а также иные разрушительные последствия данных пожаров сильно различаются. Поскольку скорость, с которой происходит продвижение этих видов лесных пожаров, варьируется, для их устранения требуется применять разные методы борьбы.

Для того чтобы устранить источник горения беглого лесного пожара, довольно часто требуется лишь подавить огонь вдоль его контура распространения. Однако для устойчивого лесного пожара данная фаза является только первым, далеко не самым сложным этапом ликвидации. Поскольку зачастую низовой лесной пожар возникает вследствие воспламенения напочвенного покрова, в подавляющем числе случаев устойчивый лесной пожар является вторым этапом беглого пожара. В связи с этим каждый низовой пожар происходит от беглого. Устойчивый лесной пожар возникает лишь при условии наличия возможности валежа начать и продолжить горение.

В действительности довольно часто можно наблюдать неоднократное прохождение огня по ранее пройденной территории. Первоначально происходит выгорание внешнего слоя напочвенного покрова, вследствие чего он теряет влагу, а также получает доступ к кислороду и воспламеняется слой под ним, далее начинается пожар в нижележащих слоях.

Низовые пожары в лесных массивах так же, как и верховые, обладают тылом, флангами, фронтом, очевидной кромкой. Удлиненная, образуемая огнем фигура с кривой кромкой обычно является характерной для низового лесного пожара, наряду с этим дым обладает сероватым цветом.

Существует вероятность перехода низовых лесных пожаров в крупные пожары при условии преодоления огнем огромных участков; если территория имеет наземную лесную охрану, данная площадь составляет 20 га, при наличии авиаохраны — 200 га.

Из числа моделей, обеспечивающих информационное снабжение и аналитическую помощь при принятии стратегических решений ликвидации пирологической угрозы, модели, связанные с динамикой пожаров в лесных массивах, обладают наибольшей сложностью и значимостью. Существует условное деление этих математических моделей на аналитические и экспериментальные. Данные отличные друг от друга, модели, созданные различными исследователями, показывают движение разных типов пожаров.

Проведя анализ лесных пожаров в 80-х годы прошлого столетия, А. М. Гришин создал аналитическую лесопожарную модель, которая является математической моделью, реагирующей многофазной среды, и показывает древесную дегидратацию, нагревание, пирогенез. Такие основные законы физики, как: законы сохранения вещества, энергии, а также импульса, явились основой этой модели. Использование этой математической модели при исследовании влияния на окружающую территорию беглых верховых пожаров в лесных массивах, являющихся самыми быстрыми с точки зрения продвижения и развития, а также оценки причиняемого ими колоссального материального ущерба, показывает значительную эффективность и высокую корреляцию с реальными последствиями пожара [1].

Математическая модель Р. Ротермела, построенная на фундаментальном физическом законе сохранения энергии, который был выведен из достижений большого количества трудов Франдсена, вышла в свет в 1972 году. Продвижение пожаров в лесных массивах Ротермел описал таким образом:

Р = Р0 (1 + к(Ц) + к(^), (1)

где:

Р — скорость продвижения пожара лесного массива;

Р0 — плотность пласта горючих веществ;

к(и) — величина частичек вегетативной возгораемой материи;

к^ — скорость полного прогорания вегетативного горючего.

/60 "Civil SecurityTechnology", Vol. 17, 2020, No. 2 (64)

Safety in emergencies

Эта экспериментальная модель не оперирует современными теоретические основами, которые связаны с течением горения, а базируется на выводах, составленных из суммирования огромного числа практических данных, полученных вследствие проведения реальных полевых апробаций.

Экспериментальная модель Ротермела входит в число чрезвычайно результативных зарубежных математических моделей, специализирующихся на вычислении скорости продвижения пламени по напочвенному покрову при низовых лесных пожарах.

Также необходимо обратить внимание на существенные недостатки экспериментальной модели Ротермела, которые присутствуют, даже несмотря на повсеместное ее использование. При использовании исходной одномерной математической модели в качестве конечного результата можно вычислить скорость продвижения фронта пожара в лесном массиве, сона-правленную с ветром. Экспериментальная модель не отвечает на вопрос о том, насколько высоко абсолютное значение скорости продвижения огня в сторону флангов или тыла лесного пожара.

С использованием данных экспериментальной модели Ротермела Ван Вагнер допустил возможность того, что ускорение сгорания главным образом является следствием увеличения степени огненного излучения. Модель Ван Вагнера создавалась на основе предположения, в соответствии с которым высокое огненное излучение представляет из себя основной катализатор продвижения и распространения лесных пожаров. Основные параметры, которые подаются на вход этой математической модели: площадная плотность запаса топлива; протяженность огня; количество излучения, которое было поглощено топливом; сила излучения, испускаемого огнем; уклон огня; абсолютная влажность топлива. Уравнение высоты фатального повреждения кроны было рассчитано Ван Вагнером в 1973 году на основе исследований, проведенных в хвойных насаждениях. В этой математической модели значительную долю подающихся на вход параметров невозможно определить заблаговременно [2].

Н. П. Курбатский и Г. П. Телицын предложили математическую модель, идеи которой были схожи с Ван Вагнеровскими математическими моделями. Курбатский выступил с инициативой представить форму ле-сопожарного пламени в качестве фигуры, составляющейся с помощью двух полуэллипсов, которые имеют совпадающую ось.

Математическая модель Ивановой и Курбатского, которая вычисляет скорость распространения низового пожара, является очень удобной для расчета данных по низовым лесным пожарам, имеющих большое практическое значение. Эта модель базируется на анализе огромного числа данных, полученных экспериментальным способом.

Следует особо отметить математическую модель продвижения низового лесного пожара М.А. Соф-ронова. Данная модель является очень удобной для выполнения необходимых вычислений:

Sx = S0 * Dw * Dr * Dф, (2)

где:

S0 — начальная скорость, м/мин;

^^ — показатель влияния ветра;

Dr — показатель влияния влажности воздуха;

Dф — показатель влияния угла наклона местности

[3].

Однако не только скорость ветра и угол наклона местности являются самыми важными показателями этой математической модели, оказывающими влияние на темпы продвижения огня низового пожара, а также существенное влияние оказывает имеющая значительные суточные флуктуации относительная влажность воздуха.

Скорость продвижения кромки низового пожара лесного массива при соблюдении таких условий, как: наличие штиля, нулевой угол наклона местности, 40-процентная относительная влажность воздуха, принимается за начальную скорость пламени.

Результаты проведенных исследований свидетельствуют о многоплановости подхода к прогнозированию динамики лесных пожаров, а также о необходимости разработки математических моделей, пригодных в системе МЧС России для информационно-аналитической поддержки управленческих решений по борьбе с чрезвычайными лесопожарными ситуациями.

Литература

1. Гришин, А. М. Математические модели лесных пожаров. Томск: Изд-во ТГУ, 1981. 278 с.

2. Van Wagner С. E. Effect of slope on fires spreading downhill. / С. E. Van Wagner // Canadian Journal of Forest Research. 1988. Vol. 18. P. 818-820.

3. Софронов М.А. Лесные пожары в горах Южной Сибири. М.: Наука. 1967. 150 с.

4. Подрезов Ю. В. Диссертация на соискание ученой степени доктора сельскохозяйственных наук на тему: «Методологические основы прогнозирования динамики и последствий чрезвычайных лесопожарных ситуаций». Московский государственный университет леса, 2005. 395с.

5. Подрезов Ю. В., Шахраманьян М. А. Методологические основы прогнозирования динамики чрезвычайных лесопожарных ситуаций: Моногр. Изд. первое. М.: ВНИИ ГОЧС, 2001. 266 с.

6. Там же. 246 с.

7. Подрезов Ю. В. Математическое моделирование прогнозирования динамики чрезвычайных лесопожарных ситуаций: Научная сессия МИФИ-2000 // Сб. науч. трудов. В 13-ти т. Т. 5. М.: МИФИ, 2000.

8. Подрезов Ю. В. Методологические основы прогнозирования динамики чрезвычайных лесопожарных ситуаций // Проблемы безопасности при чрезвычайных ситуациях. 2000. Вып. № 3.

Сведения об авторе

Анойкин Роман Константинович: ГБОУ «Инженерно-техническая школа» г. Москвы, учитель информатики; ФГБУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ), соискатель. 121352, Москва, ул. Давыдковская, 7. e-mail: notsuperman@yandex.ru

Information about the author

Anoikin Roman K.: State Budgetary Educational Institution "Engineering School", Moscow, Computer Science Teacher; All-Russian Research Institute for Civil Defense and Emergencies, Applicant.

7 Davydkovskaya, Moscow, 121352, Russia. e-mail: notsuperman@yandex.ru