Основные требования к созданию гис (географических информационных систем) для решения задач жизнеобеспечения и безопасности критически-важных и потенциально опасных объектов, зданий и сооружений Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

Научно-технические разработки

УДК 630*9

А. В. Пантелеев (ГУ ЮЧС МЧС России по Амурской области)

ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К СОЗДАНИЮ ГИС (ГЕОГРАФИЧЕСКИХ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ) ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЯ И БЕЗОПАСНОСТИ КРИТИЧЕСКИ-ВАЖНЫХ И ПОТЕНЦИАЛЬНО ОПАСНЫХ ОБЪЕКТОВ, ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ

Функциональная структура ГИС мониторинга лесных пожаров определяется перечнем задач учета, тонирования, оперативного регулирования, контроля и анализа, решаемых в рамках общей системы управления мероприятиями по защите населения, объектов и территорий

Постановлением Правительства РФ от 10 января 1999 г. № 35 «Охрана лесов от пожаров на 1999—2005 годы» предусматривается создание целевой программы на предупреждение и ликвидацию лесопожарных чрезвычайных ситуаций.

Для опережения лесных пожаров необходимо использование современных технологий, которыми в настоящее время являются различные программные продукты на разрабатываемые на базе географической информационной системы (ГИС).

Динамика лесных пожаров России за 2000—2005 гг.

Год Показатели

Число лесных пожаров, тыс. Лесная площадь, пройденная пожарами, млн га Ущерб, млрд. руб.

2000 31,3 0,727 1,31

2001 22,7 2,7 4,0

2002 31,0 0,960 1,835

2003 18,0 2,0 3,7

2004 20,9 0,868 2,9

2005 38,0 1,2 3,7

Выработка и обоснование исходных данных по обстановке к решению проблем предупреждения и тушения лесных пожаров и обеспечения безопасности объектов

/. Мероприятия по защите населенных пунктов и объектов от пожаров

Как показывает практика, предупреждение и ограничение распространения пожаров в лесах и на территориях нахождения объектов достигается проведением мероприятий по повышению пожароус-тойчивости лесопарковых зон путем регулирования их состава, санитарных рубок и очистки их от захламленности, а также путем создания на территории лесного фонда системы противопожарных барьеров, ограничивающих распространение возможных пожаров, устройства сети дорог и водоемов, позволяющих быстрее обеспечить их локализацию.

I. 1. Регулирование состава древостоев

Примесьлиственных пород во всех классах возраста и по всем ярусам хвойных древостоев способствует снижению опасности появления и распространения I наиболее разрушительных верховых пожаров, кото-] рые, как правило, охватывают большие площади.

1.2. Санитарные рубки

Отмирающие сухостойные и ветровальные деревья, усиливающие опасность распространения лесных пожаров, вреди телей и болезней леса, подлежат немедленной рубке.

1.3. Очистка мест рубок и ликвидация внелесосечной захламленности

Очистка мест рубок от порубочных остатков является обязательной при всех рубках леса и должна проводиться в соответствии с дейс твующими правилами.

1.4. Создание системы противопожарных барьеров

Создание системы противопожарных барьеров

должно иметь целью разделение пожароопасных хвойных лесных массивов на изолированные друг от друга блоки разной величины.

1.5. Устройство лесных дорог

Все лесные дороги должны строиться таким образом, чтобы они одновременно служили преградами распространению возможных низовых пожаров и опорными линиями при локализации действующих очагов.

1.6. Устройство пожарных водоемов Для эффективного использования (при борьбе с лесными пожарами) средств водного пожаротушения должна проводиться соответствующая подготовка естественных водоисточников (речек, озер и т. п.) и строительство специальных искусственных водоемов.

Таким образом, имея выработанные и обоснованные исходные данные по защите населения, объек-

тов и территорий от лесопожарных чрезвычайных ситуаций, можно эффективно проводить прогнозирование и мониторинг, используя созданную на определенной территории геоинформационную систему, которая будет актуальна при решении задач связанных с контролем, проверкой, анализом, моделированием, программированием и управлением окружающей средой.

Разработка математико-картографической модели возникновения и развития лесных пожаров

2. Обоснование факторов и условий, оказывающих влияние на развитие лесного пожара

Лесные пожары распространяются в результате горения лесных горючих материалов (ЛГМ). Под лесными горючими материалами будем понимать природные углеводородные топлива, к которым относятся тонкие веточки, хвоинки или листья (в кронах деревьев и опавшие на землю), стволы деревьев, а также напочвенный покров (трава, кустарники, мох, лишайник), болотные растения и торф.

Горение в лесу отличается большим разнообразием явлений, каждое из которых представляет собой сложный многостадийный процесс. К основным из них относятся:

• возникновения очага горения;

• распространение фронта горения по горючему материалу;

• сгорание горючего материала и его потухание.

Основным условием для возникновения и поддержания процесса горения является наличие трех компонентов: горючего вещества, окислителя и источника воспламенения. Взаимодействующие друг с другом горючее вещество и кислород составляют горючую систему, а источник воспламенения вызывает в ней реакцию горения. При установившемся режиме источником воспламенения служит зона реакции.

После загорания, то есть возникновения очага пожара, его распространение происходит за счет передачи выделившегося во фронте пожара тепла путем конвекции, кондукции и переноса горящих частиц к свежей порции органической массы, в результате чего происходит ее нагрев, сушка и пиролиз. Затем летучие и конденсированные продукты пиролиза сгорают, что вызывает перемещение фронта пожара с выделением тепла, и процесс повторяется до тех пор, пока в зоне пожара не выгорит весь запас органической массы. Схема процесса горения представлена на рис. 1.

Для прогнозирования развития лесного пожара необходимо знать основные характеристики «горючего»: структуру, запас влажности и теплотворную способ-

Тепло в зоне горешю Г Нагрев лесных горючих материалов Г Суша органической массы

* т

Г орение летучих п конденсированных продуктов гагролта 1 Пиролиз органической массы

Рис. 1. Схема процесса горения при лесном пожаре

ность. Знание этих характеристик имеет большое значение как для понимания процесса возникновения и развития лесных пожаров, так и для разработки приемов профилактики, средств и способов борьбы с ними.

Учет приземного и планетарного пограничных слоев также необходим, так как при лесных пожарах имеет место сильное взаимодействие атмосферы с нагретыми газообразными продуктами горения лесных горючих материалов (рис. 2).

2. 1. Прогнозирование возникновения лесных пожаров с использованием вероятности появления огня в лесном массиве.

Лесной пожар не всегда представляет собой случайное явление. Закономерность возникновения лесных пожаров обусловлена периодически повторяющимися природными факторами, которые подготавливают горючий материал к воспламенению и стимулируют рост числа источников тепла.

Если свести долю всех событий как по месту возникновения, так и по причине загорания в одну таблицу можно определить показатель потенциальной опасности для каждого участка местности и, просуммировав его, получить обобщенный показатель для этого участка. Сумма всех обобщенных показателей равна единице, то есть рассматривается полная группа событий (табл. 1).

Полученный обобщенный показатель может быть использован как показатель, характеризующий местность с точки зрения вероятности возгорания на ней леса.

Анализ обстоятельств возникновения лесных пожаров позволяет определить размеры потенциально опасных зон (рис.З), где возможно возгорание лесного массива. Так, за основу могут быть приняты следующие размеры, представляющие собой радиусы от проектной застройки для:

• городов с населением 500 тыс. чел. и более - 20 км;

• городов с населением от 100 до 500 тыс. чел. - 15 км;

• городов с населением до 100 тыс. чел . - 10 км;

• сельских населенных пунктов - 4 км;

• отдельно стоящих хуторов - 1 км;

• садово-дачных участков — 2 км;

• торфопредприятий - 2 км;

• сельскохозяйственных угодий - 0,2 км;

• транспортных магистралей - 0,3 км;

• промышленных объектов - 1 км;

• зон отдыха - 1,5 км.

Вероятность возникновения лесного пожара можно рассматривать как функцию:

Р„=Г(Рл;Ро),

где Ри - вероятность возникновения пожара;

—[ -.

' 69

Научно-технические разработки

Научно-технические разработки

Рл — вероятность возгорания леса при соответствующих погодных условиях;

Р0 — вероятность появления огня в лесном массиве.

Показателем Рл является комплексный показатель пожарной опасности влесу поусловиям погоды (КП), определяемый по ГОСТ Р 22.1.09-99 «Мониторинг и прогнозирование лесных пожаров».

В качестве показателя Ро предлагается принимать значение обобщенного показателя (Р.ю).

Используя возможности ГИС и принятые ранее размеры опасных зон, можно выделить участки леса с заданными параметрами обобщенного показателя потенциальной опасности.

Строится радиус вокруг города и выделяется лесной массив, попадающий в него. Определяется территория, попадающая соответственно в зону вдоль линии электропередач и автострады. Там, где лесной массив находится на пересечении нескольких зон, значение Р„о определяется как сумма показателей, установленных для данной зоны. Так, для участков линий электропередач и города коэффициент Рпо = 0,7, а для участка с пересечением города, линии электропередач и автострады Р.ю = 0,732.

Возможности геоинформационных систем позволяют автоматизировать процесс присвоения участкам лесного массива соответствующих значений обобщенных показателей Рпо. Таким образом, лесной массив рассматривается не как однородная потенциально опасная среда, а как отдельные участки с

Таблица 1

Значения обобщенного показателя потенциальной опасности (Р„0)

Наименование участка местности Величина Рпо от причин возгорания

Человек Технология. процессы Природные явления Не выясненные причины Обобщенный показатель

Торфопредприятия 0,013 0.00275 0.0005 0,00875 0,025

Сельс кохозя йственные угодья 0,0364 0,0077 0,0014 0,0245 0,07

Садово-дачные участки 0,0546 0,01155 0,0021 0.03675 0.105

Промышленные объекты 0,0156 0,0033 0,0006 0,0105 0,03

Энергомагистрали 0.0208 0.0044 0,0008 0,014 0,04

Терри тории вокруг населенных пунктов 0,3422 0,0724 0.0132 0,2303 0,6581

Участки леса в непосредственной близости от дорог, рек 0,01664 0,0035 0,00064 0,0112 0,032

Зоны отдыха 0,0208 0,0044 0,0008 0,014 0,0472

Сумма 1

о

приземныи

Пограничный

слой

Полог леса

\Л/

Фронт пожара Нижний ярус леса

НЗ

Н2

Н1

Факел

1 Н

4^ ' £ Ч - ТА- •>_ : >

X

Рис. 2. Схема зоны лесного пожара (вид в вертикальной плоскости): Г — граница зоны лесного пожара, 1 — контур лесного пожара, 2 - внутренняя кромка фронта пожара, У — скорость невозмущенного потока на различных высотах, \У— скорость вдува газообразных горючих продуктов горения из фронта пожара в приземный слой атмосферы

Лесной массив с Рпо=0,032+0,066=0,692

Лесной массив с Рпо=0,066

Лесной массив с Рпо=0,04+0,032+0,066=0,732

Рис. 3. Определение участков возможного возгорания лесного массива и присвоение им значений Р„0

установленной вероятностью возникновения на них пожара в зависимости от типа растительности, что значительно сужает объем территории, подверженной проведению предупредительных мероприятий, являющейся важным элементом в работе любого органа управления.

Чем больше величина комплексного показателя, тем меньше показатели влажности лесных горючих материалов.

Имея базу данных о районировании лесного массива по классу пожарной опасности лесных участков и зная комплексный показатель пожарной опасности в лесу по условиям погоды (КП) можно определить территорию возможного возгорания леса, тип пожара и вероятности его возникновения.

Данный подход был положен в основу моделирования лесопожарной обстановки с использованием электронной карты лесного массива и возможностей геоинформационной системы выделять цветом участки с одинаковыми значениями класса пожарной опасности для визуализации сложившейся обстановки.

2.2. Разработка общей математической модели развития лесных пожаров с учетом предельных условий горения

2.2.1. Моделирование процессов распространения низовых лесных пожаров

По наиболее полному определению лесным пожаром называется явление неуправляемого многостадийного горения в открытом пространстве, на покрытой лесом площади, в рамках которого имеют место взаимосвязанные процессы конвективного

и радиационного переноса энергии, нагревания, сушки и пиролиза лесных горючих материалов (ЛГМ), а также горение газообразных и догорание конденсированных продуктов пиролиза Л ГМ.

Для обычных лесных пожаров длина контура пожара увеличивается с ростом времени.

Скорость распространения лесного пожара направлена по нормали к его контуру, поэтому называется нормальной скоростью распространения и определяется формулой:

со

п Л1->0 ’

где Дп — расстояние между двумя точками контура в момент I и И-А1, отсчитываемые по нормали к контуру лесного пожара в момент времени I.

Учет влияния вида ЛГМ. Следует отметить, что го-римость Л ГМ (способность поддерживать горение) зависит от времени года и погоды и прежде всего от влагосодержания ЛГМ:

W =

т - т т„

где т и т() — массы ЛГМ в естественном и абсолютно сухом состоянии соответственно если выполняется неравенство

\У>\¥*,

где XV* — критическое значение влагосодержания Л ГМ, то лесной пожар не распространяется вследствие повышенного влагосодержания.

Учет влияния скорости ветра. Ветер является наиболее динамичным из влияющих на распространение лесных пожаров факторов, поэтому с точки зрения распространения лесных пожаров учет его влияния имеет первостепенное значение.

Для определения скорости ветра в лесу воспользуемся следующей формулой:

V, = N -^ V,,,

где 11( — высота слоя проводников горения;

1-ц — высота верхней границы полога леса;

Уо — скорость ветра на метеостанции при г — Юм, г« = 0,1Ь,;

N - коэффициент пересчета к данным лесорастительным условиям, который при сомкнутости полога 0; 0,2; 0,4; 0,6; 0,8; 1 принимает значения 0,77; 0,62; 0,47; 0,32; 0,165; 0,09 соответственно.

автострада

город

/// Линия / /электропередач

Лесной массив с Рпо=0,04+0,066=0,7

Научно-технические разработки

Научно-технические разработки

Учет влияния направления ветра описывается функцией Г,(ус,а):

где V’ - скорость пульсации в направлении распространения огня, у' составляет приблизительно 1 м/с;

{1+В|Уесо8(х+В.^с при 0<уе<уь В,(а<я/2)= В:(0), В|(а>я/2)=В|(л) 1+[В|(0)ус+В2(уе-у,)]со8а+Вз(уе-У1)+В4ус при у,<ус<у2, а<акр =агсо5((у,-уе)/у') 1+В|(71)уссо§а+ В3(Ус-У1)+В4Уе, при У|<УС<У2, а>акр

а(уссо8а)ь при уе>у2, агсо8(у2/уе)

Учет влияния рельефа местности на естественных растительных покровах описывается функцией Г2((3).

г2(Р)=

(1 -5іп8°)і 1-5ІпА(Р-8°)] при р>8°; І-яіпрпри -18“<р<8°;

=0,7 при р< -18°;

Интенсивность низовых лесных пожаров зависит и от высоты факела пламени во фронте пожара, они бывают слабыми < 0,5 м), средней силы (0,5 м <

< 1,5 м) и сильными (Ал > 1,5 м).

Поскольку с ростом скорости ветра факел пламени отклоняется от вертикали, то более надежными показателем интенсивности горения при низовых пожарах является длина факела пламени.

Высоту факела пламени И,, можно определить при помощи следующей эмпирической формулы:

Ап — к^тюп,

где ып — скорость распространения фронта лесного пожара, м/с;

ш, — запас Л ГМ, кг/м2;

к — эмпирический множитель, равный 10 для

живой хвои, 9 — для опала хвои и 8 — для травяной ветоши (сухой травы) и опада листвы.

При наличии ветра формула переписывается в виде:

Ьп = Ип кЛ* т К0п у

где Ьп — длина факела пламени.

Угол наклона между горизонтальной подстилающей поверхностью и факелом пламени определяется по следующей формуле:

где а — угол между факелом пламени фронта пожара и горизонтальной плоскостью;

Д — ширина фронта пожара;

Ус — невозмущенная скорость ветра на верхней границе слоя Л ГМ ;

g — ускорение силы тяжести.

Для расчета сил и средств организации борьбы с лесными пожарами и оценки нанесенного ими ущерба первостепенное значение имеет такой параметр пожара, как скорость нормального распространения 0)п.

Основные требования к созданию ГИС (географических информационных систем) для решения задач жизнеобеспечения и безопасности критически-важных и потенциально-опасных объектов, зданий и сооружений в результате возникновения и распространения лесных пожаров

Географическиеинформационныесистемы(ГИС) - это аппаратно-программный человеко-машинный комплекс, обеспечивающий сбор, обработку, отображение и распространение пространственно-коорд инированных данных, интеграцию данных и знаний о местности для их эффективного использования при решении задач связанных с контролем, проверкой, анализом, моделированием, программированием и управлением окружающей средой и подчиненными силами. ГИС содержит информацию о пространственных объектах (пространственные данные) в виде их цифровых представлений (векторных, растровых, квадрагомстри-ческих и иных), объединенные в набор слоев, образуя информационную модель местности и обстановки, кроме того ГИС - это программное средство, реализующее технологии ГИС.

При выполнении АСДНР в районе ЧС большая часть информации относится к объектам, для которых важнейшую роль может играть их пространственное положение, форма и взаиморасположение. Принципиальное отличие ГИС от обычных систем управления базами данных (СУБД) заключается в использовании

пространственного взаимоотношения между объектами («что рядом?», «какой путь короче?», «с каким объектом связан или граничит?» и т.д.).

Для решения залач жизнеобеспечения и безопасности необходимо создать гибкую систему охраны территорий объектов, которая оценивает и прогнозирует условия своего функционирования, рс1улирует структуру, параметры и режимы своей работы в зависимости от сложившейся обстановки. Разработанная и используемая в практической деятельности ГИС должна быть направлена прежде всего на решение задач федерального уровня. Последующие этапы должны предполагать реализацию ГИС на региональном и локальном уровнях.

3.1. Основные функциональные задачи и возможности ГИС

ГИС мониторинга жизнеобеспечения и безопасности объектов — это система сбора, хранения, отображения и распространения пространственно-координированных данных о территории, направлении деятельности, конструкции и технических данных объектов и сооружений, условиях возникновения и развития чрезвычайных ситуаций, их воздействии на окружающую природную среду, а также интерпретации и анализа этих данных.

Основное назначение ГИС? — информационная поддержка принятия решений в системе жизнеобеспечения и безопасности.

Функциональная структура ГИС мониторинга лесных пожаров определяется перечнем задач учета, планирования, оперативного регулирования, контроля и анализа, решаемых в рамках общей системы управления мероприятиями по защите населения, объектов и территорий от ландшафтных пожаров. ГИС включает в себя пять подсистем: оценки и прогноза пожарной опасности; мониторинга процессов возникновения и развития лесных пожаров; мониторинга процессов предупреждения, обнаружения и ликвидации лесных пожаров; интеллектуальной поддержки управленческих решений; оценки последствий лесных пожаров и результатов функционирования системы защиты от лесных пожаров.

3.2. Структура информационного обеспечения ГИС Обнаружение и разведка лесных пожаров, контроль за их состоянием до настоящего времени в основном осуществляются визуально по дымовой колонке днем и по пламени в темное время суток. Сочетание визуальных и инструментальных методов, использование космических средств позволит существенно расширить контролируемую территорию лесного фонда, повысить периодичность наблюдения, оперативность обнаружения пожаров, точность определения размеров пройденной огнем площади и наносимого ущерба.

С точки зрения периодичности обновления, информация в ГИС мониторинге лесных пожаров подразделяется на условно постоянную, сезонную и оперативную. Условно постоянные данные обновляются реже одного раза в год. Сезонные данные изменяются один или несколько раз в течение года. Оперативные данные изменяются с частотой один или несколько раз в сутки.

Вся информация накапливается в банке данных, структура которого существенно зависит от рассматриваемого уровня ГИС и образует совокупность атрибутивных данных, цифровых карт и спутниковых изображений. Фактологическая (атрибутивная) составляющая банка данных ГИС включает данные

о лесных пожарах, метеорологические данные, данные о ресурсах службы охраны, данные о лесах и нормативно-справочную информацию.

Картографическая часть банка данных ГИС включает цифровые карты следующих основных типов: топографическая основа, административное деление, производственная организация территории.

Среди действующих в настоящее время космических систем наиболее подходят для оперативного мониторинга ландшафтных пожаров системы низкоорбитальных метеорологических спутников. В первую очередь, это спутники серии МОАА. Основная проблема интегрирования спутниковых данных в ГИС состоит в оперативной доставке данных и результатов их обработки в центр сбора и анализа информации. Эта задача не может быть решена с использованием одной станции приема спутниковых данных (в ее зону видимости попадает не более половины территории России). Поэтому необходимо использовать данные, получаемые в ряде центров приема информации со спутников ЫОАА. Сейчас в России их более десяти. В настоящее время ведется работа с двумя такими центрами в Москве (ИКИ РАН) и Иркутске (ИСЗФ СО РАН).

Поступающая информация предварительно обрабатывается и подфужается в специализированный ГИС-сервер, где происходит автоматическое обновление баз данных и картографических покрытий, дополнение архивов, а также формирование информационных продуктов в виде растровых изображений цифровых карт и таблиц и передача их на \VWW-cepBep. По завершении этих процедур пользователи в Центральной базе авиационной охраны лесов получают доступ по локальной вычислительной сети к оперативным данным в виде ГИС, а пользователи 1 Щегле! — к информационным ‘ продуктам на \VWW-cepBepe.

При применении ГИС-технологий для принятия решения потребуются минимальные временные показатели, что позволит избежать колоссального ущерба, жертв и разрушений.

Заключение

Одним из перспективных направлений обнаружения и ликвидации лесных пожаров в начальный период, дополняющим наземное и авиационное обнаружение, является использование информации, получаемой с современных спутниковых систем. Для этого необходимо создать систему мониторинга лесных пожаров, включающую в себя:

• геоинформационный аппаратно-коммуникационный комплекс;

• программы обработки цифровой спутниковой информации;

• технологию использования спутниковой информации в целях оперативного обнаружения лесных пожаров и слежения за лесопожарной обстановкой на всей территории лесного фонда.

Программой ГИС предусматривается проведение научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по следующим направлениям: профилактика лесных пожаров, совершенствование методов прогноза пожарной опасности в лесах, разработка новых технических средств обнаружения и тушения лесных пожаров, создание автоматизированной системы связи и управления охраной лесов на региональном уровне, совершенствование правовой базы охраны лесов.

Научно-технические разработки