Экология/ 6. Экологический мониторинг

Ивченко О.А.

Саратовский государственный аграрный университет имени Н.И. Вавилова, Россия

Математическое моделирование лесного пожара.

На территории Российской Федерации сохраняются высокий уровень угрозы чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера и тенденция роста количества и масштабов последствий чрезвычайных ситуаций, что заставляет искать новые решения проблемы защиты населения и территорий от чрезвычайных ситуаций, предвидеть будущие угрозы, риски и опасности, развивать методы их прогноза и предупреждения.

Одним из направлений, позволяющих решить эту задачу, в настоящее время стало математическое моделирование и широкое внедрение информационных технологий. Существует огромное количество работ по моделированию горения растительных материалов при пожарах. Каждая из них вносит вклад в развитие теории лесных пожаров, однако моделей, достаточно полно учитывающих весь комплекс процессов в горючем материале и воздухе, не так уж и много.

Самые ранние из известных работ в области моделирования лесных пожаров относятся к 1920-1950 годам (работы Митчелла, Карри, Фонса, Амосова, Дэвиса, Байрама, Вонского, Мелехова, Анцышкина и др.). Каждая из них посвящена исследованию отдельных вопросов, таких, как теплофизические свойства растительных горючих материалов, способы передачи тепла при пожаре и другим. Эти работы положили начало теории лесных пожаров и не могут быть использованы на практике самостоятельно.

В 1960-1970 годы были предприняты попытки изучения механизмов процесса горения и построены соответствующие модели (Линдермут, Байрам, Ван-Вагнер, Теплицын, Томас, Андерсен, Ротермел, Амосов). Однако и они не достаточно целостно описывают процесс распространения лесного пожара.

Только в последние десятилетия появились работы, которые более полно учитывают весь комплекс физико-химических процессов, протекающих в зоне пожара (работы Конева, Гришина), а вследствие развития компьютерной техники появилась возможность использовать такие модели.

Как показывает анализ, все математические модели лесных и торфяных пожаров можно разбить на четыре группы:

1) модели прогноза скорости распространения лесного пожара;

2) модели прогноза контуров лесного пожара;

3) модели прогноза характеристик течения, тепло- массопереноса во фронте и зоне пожара;

4) общие математические модели, в рамках которых могут быть предсказаны все характеристики (скорость распространения, контур лесного пожара, поля температур, концентраций компонентов и скоростей) во фронте и в зоне лесного пожара.

В зависимости от целей моделирования и уровня принимаемых решений можно выделить три уровня моделей: оперативные, тактические и стратегические [1]. Наиболее сложными в вычислительном отношении являются оперативные модели, основанные на трехмерных уравнениях тепло- и массообмена при горении лесного горючего. В качестве примера модели, описывающей процесс горения растительных материалов в пологе леса, можно привести модель А.М. Гришина [2], которая включает в себя систему трехмерных дифференциальных уравнений в частных производных с множеством граничных и начальных условий. Такие уравнения могут быть решены численно с помощью достаточно мощных компьютеров, однако для этого требуется знание большого числа трудно определяемых параметров, что делает применение такой модели в режиме реального времени затруднительным. Эта сложность значительно возрастает при расчете одновременно возникающих в неблагоприятные годы многочисленных пожаров на лесных территориях, особенно вблизи населенных пунктов. Поэтому в настоящее время для управления на тактическом и стратегическом уровне используются упрощенные модели, в значительной мере основанные на спутниковых данных.

Однако развитие средств моделирования и вычислительных технологий открывает возможность использовать точные физически обоснованные модели и в задачах управления пожарной ситуацией на всех указанных уровнях.

Моделирование лесных пожаров позволит определить предельные условия их распространения, при реализации которых горение прекращается. Знание этих условий позволяет разрабатывать новые технологии борьбы с лесными пожарами, то есть предопределяет технический прогресс в области охраны и защиты леса от пожаров.

Прогноз изменения во времени геометрии лесного пожара необходим для разработки и реализации плана борьбы с лесными пожарами. При этом основными потребителями результатов расчетов являются руководители тушения предприятий лесного хозяйства и баз авиационной охраны лесов.

Модель лесного пожара может эффективно использоваться для тренировки пожарных команд по локализации и тушению пожаров, а также для выработки оптимальных стратегий борьбы с огнем применительно к конкретным местным условиям. Модель может также использоваться в учебном процессе в средних специальных и высших учебных заведениях по дисциплинам "Лесная пирология", "Лесное хозяйство", "Методы и средства тушения лесных пожаров", "Охрана окружающей среды" и другим.

В общем, прогнозирование лесных пожаров позволит принимать превентивные организационные и технические меры для уменьшения риска пожара, материальных и людских потерь, а также избежать катастрофических последствий для большинства охраняемых объектов.

Литература:

1. Доррер Г.А. Динамика лесных пожаров. [Текст]/ Г.А. Доррер – Новосибирск, Изд-во СО РАН, 2008. – 404с.

2. Гришин А.М. Моделирование и прогноз катастроф: Учебное пособие. В 2 ч. Ч.2 [Текст]/ А.М. Гришин, - Томск, Изд-во ТГУ,2005.-580с

3. Доррер Г.А. Математические модели динамики лесных пожаров. М.: Лесн. пром-сть, 1979, 161 с.