CC BY
86
УДК 630.43:004.942 Н.А. Терентьева, Т.Н. Иванилова
ОЦЕНКА ПОТЕНЦИАЛЬНЫХ УЩЕРБОВ ОТ ЛЕСНЫХ ПОЖАРОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ ВЕРОЯТНОСТНО-МНОЖЕСТВЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
В статье рассматривается подход, использующий вероятностно-множественное моделирование в оценке возможных ущербов от лесных пожаров.
Ключевые слова: лесные пожары, вероятностно-множественная модель, ущерб, вероятности, среднемерное множество, м-контур, пирологическая однородность.
N.A.Terentyeva, T.N. Ivanilova ESTIMATION OF POTENTIAL DAMAGES FROM FOREST FIRES WITH APPLICATION OF PROBABLITY-SET MODELING
The approach that uses the probability-set modeling to estimate potential forest fire damages is considered in the article.
Key wоrds: forest-fires, probability-set model, damage, probabilities, average set, M- contour, pyrological homogeneity.
Введение
Основным фактором негативных последствий лесных пожаров является причиненный ими ущерб. По виду воздействия лесных пожаров на окружающую среду и человека различают экономические, экологические и социальные ущербы. По характеру влияния на эффективность деятельности человека последствия от лесных пожаров можно определить как прямые и косвенные. К прямому ущербу относятся выраженные в стоимостной форме затраты, потери и убытки, обусловленные именно лесным пожаром в данное время и в данном конкретном месте, а к косвенному - потери и убытки, обусловленные вторичными эффектами.
Для разработки планов мероприятий по ликвидации лесных пожаров требуется наличие средств оценки характера и уровня воздействия горения на исследуемую территорию к определенному моменту времени.
В данной работе представлено использование вероятностно-множественного моделирования для оценивания прямых ущербов от лесного пожара.
Оценка ущербов. В соответствии с инструкцией по определению ущерба, причиняемого лесными пожарами (утвержденной Приказом Рослесхоза от 3 апреля 1998 г. № 53), суммарный ущерб от лесного пожара включает следующие составляющие [1]:
- стоимость потерь древесины на корню в средневозрастных, приспевающих, спелых и перестойных насаждениях;
- ущерб от повреждения молодняков естественного и искусственного происхождения;
- ущерб от повреждения ресурсов побочного лесопользования;
- расходы на тушение лесных пожаров, расчистку горельников и пр.;
- стоимость сгоревших объектов и готовой продукции в лесу;
- ущерб от снижения почвозащитных, санитарно-гигиенических, водоохранных и других средообразующих функций леса;
- ущерб от загрязнения воздушной среды продуктами горения;
- ущерб от гибели животных и растений, включая занесенных в Красную книгу Российской Федерации;
- другие потери.
В расчетах ущерба от лесного пожара используются действующие региональные ставки лесных податей, лесотаксационные и экономические нормативы.
Таким образом, для определения ущербов важно знать объем, качество, количество древесины на выгоревшей территории, объем возможных затрат для планирования мероприятий по ликвидации пожара. Перечисленные характеристики требуют знаний о поведении пожара к определенному моменту времени. К числу параметров поведения лесного пожара относятся: контур лесного пожара, его периметр, выгоревшая площадь, рассчитанные в заданный момент времени. Методы вероятностно-множественного моделирования позволяют рассчитать эти параметры.
Выбор математической модели. Очевидно, что возникновение и развитие лесного пожара подвержено влиянию множества случайных взаимодействующих факторов. Не могут быть точно предсказаны изменения атмосферных явлений, весьма относительна точность измерения используемых в моделях параметров, практически невозможно в числовых выражениях записать степень взаимодействия различных лесопирологических характеристик. С другой стороны, для практических мероприятий при тушении пожара желательно знать, с какой вероятностью огонь достигнет отдельных участков территории. Это особенно важно для населенных пунктов, ценных участков леса, инженерных коммуникаций и т.п. Поэтому есть смысл рассматривать вероятностное направление в моделировании распространения лесного пожара.
Такой подход используется в вероятностно-множественной модели пространственного распространения лесных пожаров [2]. Модель позволяет прогнозировать среднее геометрическое состояние пожара, множественные отклонения от средней формы, вероятности достижения и захвата огнем участков леса.
Распространение пожара на каждый дискретный момент времени моделируется с помощью поля вероятностей локального распространения из любой точки, принадлежащей зафиксированной лесопирологической однородности, и нескольких направлений распространения. Эти вероятности идентифицируются при помощи информации, полученной на основе оперативных данных о реальном лесном пожаре, или преобразуются из данных о скорости движения кромки пожара, рассчитанной с помощью других моделей [3]. Располагая вероятностным заданием распространения горения, моделируется средний контур пожара в произвольный момент времени.
Этапы моделирования распространения лесного пожара можно кратко записать следующими положениями:
1. Имея в качестве начальных условий карту участка, разделенную на пирологические однородности (участки, на которых горение происходит одинаково), очаг пожара, наборы вероятностей воспламенения и распространения, по правилам статистического моделирования вычисляются N реализаций случайных множеств в момент времени I
2. Используя N реализаций случайных конечных множеств в каждый момент t проводится усреднение по правилам среднемерного моделирования. Результатом является среднемерное множество, характеризующее средний м-контур лесного пожара в момент I M-контур - подмножество лесной территории, пройденной и захваченной огнем к данному моменту времени.
Модель позволяет прогнозировать среднее геометрическое состояние пожара, множественные отклонения от среднего, а также числовые характеристики - такие, как выгоревшая площадь, периметр м-контура.
Диаграмма IDEF. Результат проектирования процесса определения ущербов представлен на рисунке 1.
На диаграмме декомпозиции показано, что расчет ущербов от лесных пожаров состоит из двух частей: процессов подготовки исходных данных и моделирования контуров горения программным средством и расчета стоимости ущербов, выполняемого специалистом на основе данных (контуров горения, площади выгоревшей территории и статистических характеристик контуров горения), полученных посредством моделирования [4,5].
Рис. 1. Диаграмма декомпозиции процесса «Оценка ущербов от лесных пожаров»
Программная реализация. В работе была произведена автоматизация процесса моделирования контура горения: на вход подаются карты однородностей, вероятности возгорания (предполагается, что они уже рассчитаны) и данные о метеоусловиях, а результатом расчетов являются площадь охваченной огнем территории и координаты точек контуров пожара, которые далее используются специалистами для дальнейших расчетов.
Для решения задачи прогнозирования контура низового пожара в среде Delphi 7.0 было разработано программное средство, позволяющее с использованием вероятностно-множественной модели и набора входных данных предположить, каким образом пожар будет развиваться через определенный временной промежуток.
Программа состоит из следующих основных блоков:
- процедуры ввода начальных данных из графических файлов с лесопирологическими однородностями (в растровом или GIS-формате);
- процедуры работы с начальными данными: их быстрое редактирование посредством
пользовательского интерфейса, задание очагов возгорания, времени моделирования, метеоданных, шага контура и др.;
- процедуры расчета вероятностей загорания определенной точки;
- процедура расчета контуров для заданных начальных данных и вывода их на карту.
Перед началом моделирования пользователь определяет исходные данные - т.е. начальные условия, для которых требуется рассчитать контуры пожара.
Предполагается, что вероятности воспламенения для однородностей уже предварительно рассчитаны и заданы для данной карты, однако пользователь может вводить и свои значения (из диапазона [0...1]), если требуется изучить поведение пожара на различных модельных примерах при других условиях среды.
Из факторов среды учитываются направление ветра и скорость ветра, на основе значений которых рассчитываются эллиптические индикатрисы скорости фронта пожара:
((?)= 1 -ф> ,
1 - е(м)со$( (р>
где £(ф) - относительная скорость фронта лесного пожара и одна из составляющих вероятностей распространения;
в^> — эксцентриситет эллипса, зависящий от скорости ветра w;
Ф - угол между направлением распространения горения из активной точки и направлением ветра.
Для моделируемых пожаров задаются очаги, которые могут быть произвольной формы и любого количества. Их добавление производится путем свободного рисования пиксельными линиями прямо по исходной карте.
По окончании расчета пользователь получает среднемерный вероятный контур охваченной пожаром территории, ее площадь и периметр, а также возможное отклонение от контура.
Пример работы программного средства приведен на рисунке 2.
Рис. 2. Окно программы
В разработанной программе были смоделированы типичные пространственные формы распространения фронтов лесных пожаров, что позволяет сделать вывод о возможности производить оценку ущербов от горения любого характера.
Заключение
Таким образом, возможно использование вероятностно-множественного моделирования для расчета ущербов при наличии реальных исходных данных и восстановленных вероятностей для данной территории.
Разработанное программное средство предполагается использовать в качестве одного из модулей программного комплекса, предназначенного для предприятий авиалесоохраны [6]. В этом комплексе на основе информации из ИСДМ-Рослесхоз о реальных лесных пожарах будет производиться восстановление вероятностей для той или иной местности с использованием результатов вычислений других моделей, далее посредством рассматриваемой модели будет осуществляться прогноз вероятного распространения горения и его последствий.
Литература
1. Инструкция по определению ущерба, причиняемого лесными пожарами: утв. приказом Рослесхоза 3 апр. 1998 г. № 53.
2. Иванилова Т.Н., Крайченкова О.Н. Компьютерная обучающая лесопирологическая система // Вестн. СибГТУ. - Красноярск: Изд-во СибГТУ, 2000. - С. 131-136.
3. Доррер Г.А. Динамика лесных пожаров. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2008. - 404с.
4. Арцыбашев Е.С. Лесные пожары и борьба с ними. - М.: Лесн. пром-сть, 1974. - 152с.
5. Усеня В.В. Лесные пожары, последствия и борьба с ними. - Гомель: Изд-во ИЛ НАН Беларуси, 2002. - 206с.
6. Орловский С.Н. Лесные и торфяные пожары, практика их тушения в условиях Сибири: учеб. пособие. -Красноярск: Изд-во КрасГАУ, 2003. - 163с.
