Интегральная по пространству оценка лесной пожарной опасности Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОЖАРОВ

Н. В. Барановский

канд. физ.-мат. наук, старший научный сотрудник НИИ прикладной математики и механики Томского государственного университета

УДК 658.382

ИНТЕГРАЛЬНАЯ ПО ПРОСТРАНСТВУ ОЦЕНКА ЛЕСНОЙ ПОЖАРНОЙ ОПАСНОСТИ

Рассматривается новый детерминированно-вероятностный критерий интегральной оценки лесной пожарной опасности на лесопокрытых территориях масштабом от отдельного квартала до целого государства. Представлены результаты сценарных расчетов вероятности возникновения лесных пожаров на модельных, типичных лесопокрытых территориях. Напряженность лесопожарной обстановки принималась соответствующей Тимирязевскому лесхозу Томской области.

Ключевые слова: лесная пожарная опасность, интегральная оценка, детерминированно-вероятностный критерий.

Введение

Как неоднократно отмечалось, лесные пожары наносят ущерб экологии и экономике государств. В связи с этим прогноз лесной пожарной опасности для нашего государства имеет первостепенное значение, так как на территории России расположены огромные лесопокрытые территории [1]. В аналитическом обзоре [2] представлены последние данные: в России 1807 лесхозов, 7851 лесничество, в каждом лесничестве более 100 кварталов, в каждом квартале может быть около 100 выделов (однородных участков). Ранее были разработаны детерминированно-вероятностные критерии прогноза возникновения лесных пожаров на территории отдельного выдела [3] и на совокупности небольшого числа выделов [4], когда предполагается, что может возникнуть только один пожар на одном выделе из всей совокупности. Однако для принятия управленческих решений на уровне лесхоза, области, федерального округа или всего государства необходима интегральная оценка по пространству лесной пожарной опасности в масштабе от одного квартала до всей территории государства. В данном случае следует обобщить детерминированно-веро-ятностный критерий на случай большого числа пожаров на различных выделах, т.е. для случая, когда пожары на соседних выделах есть совместные события.

Цель исследования — разработать обобщенный детерминированно-вероятностный критерий оценки лесной пожарной опасности на случай крупной

лесопокрытои территории и совместного появления очагов лесных пожаров на различных выделах.

Вероятностный критерий прогноза лесной пожарной опасности

Для оценки вероятности возникновения лесных пожаров на отдельно взятом выделе может быть использована формула, которая учитывает как несовместное [3], так и совместное появление [5] таких факторов, как антропогенная нагрузка и грозовая активность. Предполагается, что возникновения очагов лесных пожаров на различных выделах есть совместные события, причем эти события независимые, т.е. вероятность возникновения лесного пожара на отдельно взятом выделе не зависит от наличия его очагов на соседних выделах. Можно воспользоваться обобщенной теоремоИ о сложении вероятностей [6] и рассчитать вероятность возникновения лесных пожаров на всеи территории по формуле:

P( A) = P U A, 1=2 P( At) -X P( AAj) +

Vi = 1 J i = 1 i<j

+ 2 P(AiAjAi) -... + (-1)"P(A1 A 2... A„), (1)

i < j < k

где Р (А) — вероятность возникновения лесных пожаров на всеи площади рассматриваемои территории;

n

38

ISSN 0869-7493 ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНаСТЬ 2008 ТОМ 17

Р (Л г) — вероятность возникновения лесного пожара на территории г-го выдела; п — число выделов на рассматриваемой лесо-покрытой территории.

Однако вычисление вероятности по формуле (1) сопряжено с большими трудностями. Так как предполагается, что возникновения лесных пожаров на различных выделах есть независимые события, то можно записать вероятность возникновения лесных пожаров на лесопокрытой территории через противоположное событие.

Лг — возникновение лесного пожара на территории г-го выдела (независимое событие), тогда

Л = \\л1

г = 1

РЦ./Л)

возникновение лесных пожаров на

всей лесопокрытой территории, а противополож-

п

ное событие — Л = О Лг. Вероятность противопо-

г = 1

п

ложного события Р(Л) = П Р(Лг). Возвращаемся

=1

к первоначальным событиям, тогда выполняется равенство:

1 - Р(Л) =П (1 - Р(Лг)).

г=1

(2)

В итоге вероятность возникновения лесных пожаров на рассматриваемой территории определится по следующей формуле:

Р( Л) = 1 -П (1 - Р( Л г)).

(3)

г=1

Следует заметить, что разработка более общей формулы, которая учитывала бы зависимость возникновения лесного пожара на одном выделе от наличия очагов пожаров на других выделах, также представляет научный и практический интерес. Возможно, в будущем эта идея будет реализована.

Сценарии лесной пожарной опасности

Предлагается использовать сценарный подход для исследования типичных условий возникновения лесных пожаров, который хорошо себя зарекомендовал при исследовании проблемы прогноза лесной пожарной опасности [3]. Рассмотрим основные сценарии влияния антропогенной нагрузки и грозовой активности, метеоусловий.

Антропогенная нагрузка

Качественно данный сценарий соответствует лесопожарной обстановке в Тимирязевском лесхозе Томской области [7]. На рис. 1 представлены дан-

СР чт пт Дни недели

Рис. 1. Вероятность наличия источников огня в течение недели для различных лесничеств Тимирязевского лесхоза: 1 — Тимирязевское; 2 — Моряковское; 3 — Богородское; 4 — Киреевское; 5 — Жуковское

4 6 8

Время, ч

Рис. 2. Вероятность возникновения лесных пожаров в субботу для отдельно взятого лесничества (обозначение см. рис. 1) и Тимирязевского лесхоза в целом (6) (влияние наличия источников огня)

ные по вероятности наличия источников огня Р (Лу /Л) для различных лесничеств Тимирязевского лесхоза. На рис. 2 показаны вероятности возникновения лесных пожаров Ру в субботу для отдельно взятого лесничества и лесхоза в целом. Таким образом, возможна как дифференцированная оценка уровня лесной пожарной опасности отдельно в каждом лесничестве, так и интегральная по лесхозу в целом.

Грозовая активность

Рассматривается случай совместного действия антропогенной нагрузки и грозовой активности. Считается, что антропогенная нагрузка максимальна. Уровень грозовой активности принимается различным для разных лесничеств Тимирязевского

0869-7493 ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНаСТЬ 2008 ТОМ 17

39

О -Р-'-1-1-Г-.-1-'-1-1-Г-1-1

О 2 4 6 8 10 12

Время, ч

Рис. 3. Вероятность возникновения лесных пожаров в воскресенье для отдельно взятого лесничества (обозначения см. рис. 1) и Тимирязевского лесхоза в целом (6) (уровень грозовои активности)

Время, ч

Рис. 4. Вероятность возникновения лесных пожаров в субботу для отдельно взятого лесничества (обозначения см. рис. 1) и Тимирязевского лесхоза в целом (6 ) (метеоусловия)

лесхоза. Данные по числу днеИ с грозами на территории каждого лесничества приведены ниже:

Тимирязевское.............................20

Моряковское...............................25

Богородское................................27

Киреевское.................................30

Жуковское.................................35

Рассматривается модельныИ вариант, так как в работе [8] представлены средние многолетние данные, а в публикациях [9, 10] приведен интервал изменения количества днеИ с грозами на данноИ территории за последние пять лет.

На рис. 3 представлены данные по вероятности возникновения лесных пожаров для отдельно взятого лесничества и лесхоза в целом. Также, как и в случае с антропогенной нагрузкоИ, будет сделана дифференцированная оценка по лесничеству и интегральная по лесхозу.

В настоящей работе представлен вариант интегральной оценки для пригородного лесхоза. ОсобыИ интерес представляет анализ интегральноИ оценки лесноИ пожарноИ опасности малообжитых раИо-нов, где велик процент лесных пожаров от гроз.

Метеоусловия

Так как рассматривается небольшая по площади территория одного Тимирязевского лесхоза, то покажем влияние метеорологических условиИ на интегральную оценку лесноИ пожарноИ опасности путем варьирования количества выпавших на лесо-

Коэффициент учета осадков [11]

покрытую территорию осадков. В таблице представлены данные по коэффициенту учета осадков кк в зависимости от их количества для вычисления вероятности возникновения лесных пожаров по метеоусловиям.

Для определенности будем считать, что на территориях Тимирязевского, Моряковского, Богородского, Киреевского и Жуковского лесничеств выпало соответственно 0, 0,5, 1,5, 4,0, 15 мм осадков. На рис. 4 показана вероятность возникновения лесных пожаров на территории отдельно взятого лесничества и лесхоза в целом.

Региональный и общегосударственный мониторинг

Представляется целесообразным создать в Рос-сиИскоИ Федерации сеть региональных [12] или об-щегосударственныИ центр лесопожарного мониторинга лесопокрытых территориИ. Может быть построена цепочка отслеживания лесноИ пожарноИ опасности — выдел, квартал, лесничество, лесхоз, раИон, область, федеральныИ округ, государство в целом. Недавно ТомскиИ государственный университет приобрел вычислительный кластер "СуЪепа", которыИ по недавним оценкам является самым мощным суперкомпьютером в ВосточноИ Европе. Таким образом, объединив технические возможности данного суперкомпьютера и теоретические разработки в области ландшафтного распараллеливания [13], ТомскиИ государственный университет

Осадки, мм Нет 0,1-0,9 1,0-2,9 3,0-5,9 6,0-14,9 15,0-19,9 20 и более

к„ 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,1 0

40

0869-7493 ПВЖАРВВЗРЫВВБЕЗВПАСНВСТЬ 2008 ТОМ 17 №6

может претендовать на роль такого общегосударственного центра лесопожарного мониторинга. На первом этапе в масштабах отдельно взятого лесхоза может быть использована информационно-прогностическая система определения вероятности возникновения лесных пожаров [14]. В случае определения термокинетических и теплофизических параметров для лесных горючих материалов (ЛГМ), произрастающих за пределами Российской Федерации, и последующего математического моделирования сушки слоя ЛГМ [15] для вычисления вероятности возникновения лесных пожаров по метеоусловиям, методика может быть применена и в глобальном мониторинге лесных пожаров.

Как и в случае оценки лесной пожарной опасности на территории отдельно взятого выдела, так и при интегральной ее оценке на крупных лесопо-крытых территориях, помимо количественного описания вероятности возникновения лесных пожаров, для практических целей представляется целесообразным использовать качественную характеристику в виде шкал лесной пожарной опасности, когда различным ее уровням поставлены в соответствие конкретные мероприятия служб охраны лесов [16].

Выводы

В настоящей работе представлен новый детер-минированно-вероятностный критерий оценки лесной пожарной опасности на лесопокрытой территории в целом, т.е. интегральный. Открываются широкие перспективы создания региональных или общегосударственного центров лесопожарно-го мониторинга лесопокрытых территорий. Будет целесообразным в будущем провести ретроспективный анализ лесопожарных происшествий на территории, например, Томской области. Однако эта работа потребует привлечения большого объема статистической информации и займет определенное время.

***

Автор выражает благодарность за полезные советы и консультации д-ру физ.-мат. наук, профессору кафедры теории вероятностей и математической статистики факультета прикладной математики Томского государственного университета Александру Федоровичу Терпугову.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Лукьянчиков, Н. Н. Экономика и организация природопользования : учебник для студентов вузов/Н. Н. Лукьянчиков, И. М. Потравный. — Изд. 3-е, перераб. и доп. — М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2007. — 591 с.

2. Исаев, А. С. Экологические проблемы поглощения углекислого газа посредством лесовос-становления и лесоразведения в России: аналитический обзор /А. С. Исаев, Г. Н. Коровин, С. П. Титов [и др.]. — М. : Центр экологической политики, 1995. — 156 с.

3. Барановский, Н. В. Математическое моделирование наиболее вероятных сценариев и условий возникновения лесных пожаров : дис.... канд. физ.-мат. наук/ Н. В. Барановский. — Томск : Томский государственный университет, 2007. — 153 с.

4. Барановский, Н. В. Влияние антропогенной нагрузки и грозовой активности на вероятность возникновения лесных пожаров / Н. В. Барановский // Сибирский экологический журнал. — 2004. — №6. — С. 835-842.

5. Барановский, Н. В. Модель прогноза и мониторинга лесной пожарной опасности/Н. В. Барановский // Экология и промышленность России. — 2008. — №9. — С. 69-71.

6. Назаров, А. А. Теория вероятностей и случайных процессов : учебное пособие /А. А. Назаров, А. Ф. Терпугов. — Томск : Изд-во НТЛ, 2006. — 204 с.

7. Генеральный план противопожарного устройства лесов. Том 1 : пояснительная записка : 5-99.14-17-ПМ / Государственный проектно-изыскательский институт "Росгипролес", Алтайский филиал ; исполн.: Маценко В. В., Соколов А. Я., Калинин С. И., Андриянова Ф. И., Андреева Т. А., Ананьин С. В., Крылов М. Н., Казанцева Л. В. — Барнаул, 1999. — 139 с.

8. Научно-прикладной справочник по климату СССР. Серия 3 : Многолетние данные. Части 1-6. Вып. 20 : Томская, Новосибирская, Кемеровская области и Алтайский край. — СПб. : Гидро-метеоиздат, 1993. — 718 с.

9. Гребнева, Д. А. Радиолокационные характеристики летних гроз / Д. А. Гребнева // Наука и образование : материалы X Всерос. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых. — Томск : Изд-во ТГПУ, 2006. —Т.1. — С. 86-91.

0869-7493 ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ 2008 ТОМ 17

41

10. Ершова, Т. В. Грозы и град в г. Томске и с. Первомайское/Т. В. Ершова, С. Н. Рузавкина// Наука и образование : материалы X Всерос. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых. — Томск : Изд-во ТГПУ, 2006. —Т.1.— С. 106-110.

11. Жданко, В. А. Метод анализа лесопожарных сезонов: практические рекомендации / В. А. Жданко, М. В. Гриценко. — Л. : [б. и.], 1980.

12. Барановский, Н. В. Модель региональной системы прогноза лесной пожарной опасности / Н. В. Барановский, А. М. Гришин, Т. П. Лоскутникова // Труды Междунар. конф. ЕЫУ1В0М15-2002. — Томск : Изд-во ЦНТИ, 2002. — С. 347-352.

13. Барановский, Н. В. Ландшафтное распараллеливание и прогноз лесной пожарной опасности/Н. В. Барановский // Сибирский журнал вычислительной математики. — 2007.—Т. 10, № 2. — С. 141-152.

14. Барановский, Н. В. Информационно-прогностическая система определения вероятности возникновения лесных пожаров/Н. В. Барановский, А. М. Гришин, Т. П. Лоскутникова// Вычислительные технологии. — 2003. — №2. — С. 16-26.

15. Гришин, А. М. Сравнительный анализ простых моделей сушки слоя ЛГМ, включая данные экспериментов и натурных наблюдений/А. М. Гришин, Н. В. Барановский // Инженерно-физический журнал. — 2003. — Т. 76, № 5. — С. 166-169.

16. Щетинский, Е. А. Тушение лесных пожаров: пособие для лесных пожарных / Е. А. Щетинс-кий. — Изд. 3-е, перераб. и доп. — М. : [б. и.], 2002. — 104 с.

Материал поступил в редакцию 01.10.08.

© Барановский Н. В., 2008 г. (тел. +7 (3822) 41-27-89).

42

0869-7493 ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ 2008 ТОМ 17 №6