Современные методики прогноза лесной пожарной опасности и их реализации
Все математические модели лесных пожаров, которые лежат в основе систем оценки лесной пожарной опасности, согласно Веберу [7], могут быть поделены на три группы: эмпирические (статистические), полуэмпирические (полуфизические), физические.
Анализ существующих в России и за рубежом методик прогноза лесной пожарной опасности показывает, что практически все системы оценки лесной пожарной опасности используют либо эмпирические, либо полуэмпирические модели, т.е. имеют под собой слабую физическую основу и, как правило, учитывают только метеоданные. Грозовая активность и антропогенная нагрузка должным образом не учитываются.
Следует отметить канадскую, австралийскую методику оценки пожарной опасности и критерий Нестерова.
Полуэмпирические модели комбинируют методики статистики и физического моделирования. Эти модели характеризуются тем, что они постулируют тепловой поток и тепло, необходимое для зажигания, без строго рассмотрения, как режима передачи тепла, так и механизма поглощения тепла (теплопередача, конвекция или излучение). Различные константы, отвечающие за изменение теплового потока и поглощение, обычно выводятся экспериментально.
В этом разделе рассматриваются структура вышеназванных методик прогноза лесной пожарной опасности и примеры их практической реализации в виде соответствующих программных продуктов.
2.1 Австралийская методика оценки лесной пожарной опасности
В основе системы оценки лесной и луговой пожарной опасности в Австралии широко используются индексы Макартура (Alan McArthur Fire Danger Rating), которые были разработаны и апробированы в юго-восточной Австралии. Показатель лесной пожарной опасности (Forest Fire Danger Meter, FFDM) рассчитывается на основе температуры, относительной влажности, скорости ветра, запаса ЛГМ, наклона поверхности и фактора сухости. Он позволяет предсказывать вероятность возникновения пожара, скорость его распространения, его интенсивность, трудность подавления. На основе индекса FFDM исследовательская группа CSIRO по лесным пожарам разработала компьютерную систему SiroFire (2004) [1] – приложение поддержки принятия решений для PC-компьютера. Работа программы SiroFire изображена на рисунке 1.
Рисунок – Процесс работы SiroFire
2.2 Канадская методика оценки лесной пожарной опасности
Исследования в области эмпирического моделирования в Канаде привели к модели прогноза лесной пожарной опасности (Forest Fire Behavior Prediction, FBP). Это величина вместе с погодным индексом (Forest Fire Weather Index, FWI) входит в состав Канадской системы оценки лесной пожарной опасности (Canadian Forest Fire Danger Rating System, CFFDRS), которая разрабатывается с 1968 года. На рисунке 2 представлена схема, отражающая структуру CFFDRS [2].
Рисунок – Структура CFFDRS
Обозначениям на рисунке 2 соответствуют русские обозначения:
-
INPUTS – входные данные;
-
Risk (lighting and human-caused) – риски, связанные с солнечным излучением и антропогенным воздействием;
-
Weather – данные о погоде;
-
Topography – топографическая карта местности;
-
Fuels – информация о растительных горючих материалах;
-
FWI System – определение погодного индекса;
-
Accessory Fuel Moisture System – определение влажности растительных горючих материалов;
-
FBP System – прогнозирование поведения пожара.
Погодный индекс FWI использует следующие входные данные:
-
Данные о погоде, поставляемые метеостанциями;
-
Метеорологический прогноз;
-
Начальные значения входящих в FWI компонентов, определяемые по специальным методикам.
Подсистема FBP имеет в качестве входных данных:
-
Тип лесных горючих материалов;
-
Скорость и направление ветра;
-
Топографическое описание местности;
-
Расположение солнца;
-
Истекшее время;
-
Точка или линия возгорания;
-
Индексы из системы FWI.
Эта подсистема выдаёт скорость распространения, расход горючих материалов, интенсивность фронта пожара и другую прогнозную информацию. Система CFFDRS является одной из самых разработанных и широко применяющихся схем. Кроме Канады, её адаптировали для своих территорий Новая Зеландия, Фиджи, Мексика, Аляска, Флорида и в странах юго-восточной Азии. Оценки этой системы предприняты недавно в Хорватии, России, Чили и штате Мичиган (США).
Индекс FWI состоит из шести компонентов, которые отражают влияние на поведение пожара таких факторов как влажность растительных горючих материалов и ветер. Структура FWI представлена на рисунке 3.
Рисунок – Структура FWI
Пояснения к обозначениям на рисунке 3 приведены в таблице 1.
Таблица
Пояснения к рисунку 3
Компонент
|
Описание
|
Fine Fuel Moisture Code (FFMC)
|
Числовой индекс содержания влаги в горючих материалах. Является показателем лёгкости возгорания лесных горючих материалов.
|
Duff Moisture Code (DMC)
|
Числовой индекс содержания влаги в лесной подстилке на небольшой глубине.
|
Drought Code (DC)
|
Индекс засухи. Числовой индекс влажности глубоких слоёв почвы.
|
Initial Spread Index (ISI)
|
Числовой индекс ожидаемых темпов распространения огня.
|
Buildup Index (BI)
|
Отражает общее количество топлива, доступного для пожара.
|
Структура подсистемы FBP представлена на рисунке 4.
Рисунок
Подробное описание основных выходных данных FBP представлено в таблице 2.
Таблица
Пояснения к рисунку 4
Название показателя
|
Описание
|
Rate of Spread
|
Скорость распространения – расчётная скорость распространения фронта пожара. Измеряется в метрах в минуту, определяется видом растительных горючих материалов и характеристиками леса.
|
Total Fuel Consumption
|
Общий расход топлива – определяет вес топлива, потребляемого пожаром, как на земле, так и в кронах деревьев. Измеряется в килограммах на квадратный метр, определяется содержанием влаги, поверхностного расхода топлива и скоростью распространения.
|
Head Fire Intensity
|
Интенсивность огня фронта пожара. Позволяет оценить трудность управления пожаром и выбрать соответствующие методы его подавления. Измеряется в киловаттах на метр и зависит от скорости распространения и общего расхода топл.
|
Crown Fraction Burned
|
Доля крон деревьев в составе топлива для пожара.
|
Fire Type
|
Тип пожара. Верховой, низовой – в зависимости от доли крон деревьев в составе топлива для пожара.
|
|
