CC BY
46
БЕЗОПАСНОСТЬ ЗДАНИЙ, СООРУЖЕНИЙ, ОБЪЕКТОВ
Н. В. Барановский
канд. физ.-мат. наук, старший научный сотрудник Обособленного структурного подразделения НИИ прикладной математики и механики Томского государственного университета
УДК 614.84:658.382
СОВМЕСТНОЕ ДЕЙСТВИЕ АНТРОПОГЕННОЙ НАГРУЗКИ И ГРОЗОВОЙ АКТИВНОСТИ И ВЕРОЯТНОСТЬ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ЛЕСНЫХ ПОЖАРОВ
Работа посвящена исследованию основных сценариев по влиянию грозовой активности и антропогенной нагрузки на вероятность возникновения лесных пожаров при их совместном действии. Изучена зависимость лесной пожарной опасности от числа дней с грозами в течение пожароопасного сезона, динамики наземных грозовых разрядов, посещаемости леса населением, наличия источников огня и данных лесопожарной ретроспективы. Напряженность лесопожарной обстановки соответствует Тимирязевскому лесхозу Томской области.
Ключевые слова: прогноз, лесная пожарная опасность, детерминированно-вероятностный критерий, антропогенная нагрузка, грозовая активность.
Введение
Лесные пожары сопровождают развитие нашей планеты очень долгий период [1]. Основной причиной возникновения лесных пожаров были грозы и вулканическая деятельность. В древности было практически невероятным, чтобы пожар произошел более двух раз на одном и том же участке в тысячелетие [2, 3]. В обстановке сегодняшнего дня пожары могут возникать на одном и том же участке и дважды в десять лет [4], подавляющее их большинство ассоциируется с антропогенными причинами. Однако в малообжитых районах лесопокрытой территории очень высок процент пожаров от гроз. Поэтому исследование лесной пожарной опасности с учетом факторов антропогенной нагрузки и грозовой активности является актуальной задачей на пути создания комплексной системы мониторинга и прогноза лесных пожаров.
Цель исследования — сценарное моделирование основных условий возникновения лесных пожаров с учетом антропогенной нагрузки и грозовой активности при условии их совместного появления.
Краткий обзор литературы
Известно, что лесная пожарная опасность зависит от антропогенной нагрузки, грозовой активности, метеорологических параметров и свойств лесного горючего материала (ЛГМ) [5]. Исследованию влияния метеорологических условий на вероят-
ность возникновения лесных пожаров посвящена отдельная статья.
Молния — это электрический разряд, обусловленный разделением на положительные и отрицательные заряды в облаках, которое ведет к разнице порядка 10-100 МВ [6]. Чтобы произошло разделение на заряды, необходимо присутствие воды во всех трех фазах — твердой, жидкой и газообразной [7]. Могут возникать разряды классов облако - облако и облако - земля. Примерно 90 % разрядов облако -земля являются отрицательными, природа остальных 10 % положительных разрядов до конца непонятна [8]. К лесным пожарам могут приводить разряды класса облако - земля, т.е. наземные грозовые разряды [9]. Характеристики энергетики положительных и отрицательных наземных грозовых разрядов различны, эти различия значительны с точки зрения зажигания ЛГМ. В результате подавляющего большинства положительных разрядов вся энергия достигает поверхности за один удар, а для отрицательных разрядов характерен мультиудар [10].
Обширная статистика по наземным грозовым разрядам была собрана в рамках функционирования Национальной сети обнаружения молний в США [11]. Эта система может локализовать большинство наземных грозовых разрядов на территории США и Канады с пространственным разрешением несколько километров и точностью определения во времени 1 мс. В результате работы системы
архивируются данные о полярности удара, его пиковом токе и сложности (единичный или мультиудар) [6]. Это создает определенные предпосылки потенциального использования рассматриваемой системы прогноза лесной пожарной опасности и за рубежом. В нашей стране статистика намного скуднее, но для Красноярского края, например, некоторые данные имеются [12, 13]. Кроме того, и для рассматриваемого Тимирязевского лесхоза данные опубликованы в работах [14, 15].
Необходимость использования оценок наличия источников огня отмечал еще И. С. Мелехов [16]. В работе [17] представлен анализ социально-психологических аспектов рекреационных посещений леса и возникновения лесных пожаров. Было установлено, что с увеличением расстояния от населенного пункта количество посещений и лесных пожаров уменьшается [18, 19].
Вероятностный критерий лесной пожарной опасности
Рассматривается общий случай, когда антропогенная нагрузка и грозовая активность являются совместными событиями. Тогда, следуя основам теории вероятностей [20], формула будет иметь вид:
[Р( А) Р( А//А) Р( ЛП/А/, А) +
+ Р(М) Р(М//М) Р(ЛП/М/, М) -- Р(А) Р( А//А) Р(М) Р(М//М) х х Р(ЛП/А/, А, М/, М)] Р/ (С), (1)
где Р/ — вероятность возникновения лесного пожара для/-го интервала на контролируемой лесной территории;
Р(А) — вероятность антропогенной нагрузки; Р(А//А) — вероятность наличия источников огня в/-й день;
Р/ (ЛП/А/, А) — вероятность возникновения пожара вследствие антропогенной нагрузки;
Р(М) — вероятность возникновения сухих гроз; Р(М/ /М) — вероятность наземного грозового разряда;
Р/ (ЛП/Мр М) — вероятность возникновения лесного пожара от молнии при условии, что сухие грозы могут иметь место на территории выдела;
Р(ЛП/А/, А, М/, М) — вероятность возникновения лесного пожара от совместного действия антропогенной нагрузки и грозовой активности; Р/ (С) — вероятность возникновения пожара по метеоусловиям;
индекс “/ ” соответствует дню пожароопасного сезона.
Для определения всех сомножителей в формуле (1) предлагается применить определение вероятностей через частоту событий и воспользоваться
статистическими данными для конкретного лесхоза [21].
Вероятность возникновения лесных пожаров по метеоусловиям вычисляется с помощью следующей зависимости:
Р / (С) =
I0
\кк
1 - е
-ц ^//?*)
(2)
где кк — коэффициент учета осадков [22];
1/ — текущее время;
?* — время сушки слоя ЛГМ [23];
ноль в правой части соответствует поверхности
озер, рек, дорог, болот;
ц — коэффициент, характеризующий интенсивность нарастания лесной пожарной опасности, в данной работе ц = 3,5. Значение коэффициента выбрано исходя из сценария, что вероятность возникновения лесного пожара по метеоусловиям достигает максимума в момент, когда текущее время совпадает со временем сушки слоя ЛГМ, и сохраняет максимальное значение в последующий период.
Сценарии лесной пожарной опасности
В более ранних работах представлены критерии определения вероятности возникновения лесных пожаров, когда рассматривается сценарий несовместного появления таких событий, как антропогенная нагрузка и грозовая активность [24].
Предлагается использовать сценарный подход для исследования типичных условий возникновения лесных пожаров, который хорошо себя зарекомендовал при исследовании проблемы прогноза лесной пожарной опасности [25]. Рассмотрим основные сценарии по влиянию антропогенной нагрузки и грозовой активности.
Антропогенная нагрузка
Качественно данный сценарий соответствует лесопожарной обстановке в Тимирязевском лесхозе Томской области [26]. В табл.1 представлены данные по вероятности наличия источников огня Р(А//А) для Тимирязевского и Моряковского лес-
Таблица 1. Вероятность наличия источников огня [24]
Наимено- вание День недели
Пн. Вт. Ср. Чт. Пт. Сб. Вс.
лесничества Р(А/ /А)
Тимиря- зевское 0,777 0,694 0,822 0,711 0,694 1,000 0,855
Моря- ковское 0,135 0,054 0,108 0,135 0,027 0,189 0,216
ничеств. На рис. 1, а показаны вероятности возникновения лесных пожаров для различных дней недели (Тимирязевское лесничество). На рис. 1, б представлены вероятности возникновения лесных пожаров для Моряковского лесничества Тимирязевского лесхоза.
Так как рассматривается сценарий совместного появления антропогенной нагрузки и грозовой ак-
Время, ч
Рис. 1. Вероятность возникновения лесных пожаров в зависимости от дня недели на примере Тимирязевского (а) и Моряковского (б) лесничеств Тимирязевского лесхоза
тивности, то мы можем варьировать вероятность антропогенной нагрузки в пределах от 0 до 1. Результаты, демонстрирующие влияние посещаемости лесной территории, приведены на рис. 2. Закономерным результатом является увеличение вероятности возникновения лесного пожара с ростом посещаемости лесопокрытой территории.
Отметим, что адекватным результатом является увеличение веса слагаемого в формуле (1), отвечающего за антропогенную нагрузку, в случае увеличения лесопожарных происшествий по антропогенным причинам в статистике.
Грозовая активность
В табл. 2 приведены значения вероятности наземного грозового разряда, полученные путем обработки данных работы [12].
Уровень грозовой активности варьируется в пределах последних 5 лет — от 20 до 30 дней в течение пожароопасного сезона. На рис. 3 представлены зависимости вероятности возникновения лесных пожаров от числа дней с грозами на протяжении пожароопасного сезона.
Анализ результатов показывает, что учет грозовой активности позволяет адекватным образом оценивать уровень лесной пожарной опасности. В случае, когда в лесхозе в течение пожароопасного сезона случаются происшествия и от антропогенной нагрузки, и от грозовой активности, будет наблюдаться увеличение итоговой вероятности возникновения лесных пожаров от грозовой активности в добавок к вероятности от антропогенных причин.
Таблица 2. Вероятность наземного грозового разряда
Время 00 ч 02 ч 04 ч 06 ч
суток
Р(М] /И) 0,36 0,48 0,52 0,56
ей
&
§
К
§
н
о
0
1 § & я
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
/ / / х / X
/ / . / / / /
I / /’ 90 дней
Г ’ ‘ 60 дней
Г ’ А 30 дней
4 6 8
Время, ч
10
12
&
0,8
0,7-Й
§ °<6 №
я 0,5-1
0
1 0,4 ’
8 0,3-
Є
£ 0,2в ■ 0,1 -
о
§
&
Я
о
• г
20 дней
25 дней
30 дней
4 6 8
Время, ч
10
12
Рис. 2. Вероятность возникновения лесных пожаров в зависимости от посещаемости лесной территории на примере Тимирязевского лесничества (суббота)
Рис. 3. Вероятность возникновения лесных пожаров в зависимости от числа дней с грозами. Антропогенная нагрузка в течение 60 дней пожароопасного сезона (суббота)
Следует отметить, что для прогноза лесной пожарной опасности необходимо использовать данные по наземным грозовым разрядам на 4-6 ч утра, что позволит учитывать максимальное число наземных грозовых разрядов, которые произошли ночью и могли привести к возникновению потенциальных очагов лесных пожаров. Закономерным является результат, когда увеличение в статистике числа лесных пожаров от гроз приводит к увеличению веса слагаемого, отвечающего за грозовую активность.
Выводы
1. Представлены сценарии влияния антропогенной нагрузки (посещаемость и вероятность наличия источников огня) на вероятность возникновения лесных пожаров.
2. Представлены сценарии влияния грозовой активности (число дней с грозами и вероятность наземных грозовых разрядов) на вероятность возникновения лесных пожаров.
3. Показано адекватное влияние данных лесопожарной ретроспективы на вероятность возникновения лесных пожаров.
4. Для качественной характеристики лесной пожарной опасности предлагается использовать шкалы пожарной опасности, когда различным интервалам изменения вероятности возникновения
лесных пожаров поставлены в соответствие конкретные рекомендации [27].
5. Научно-практическая значимость разработанной методики определения вероятности возникновения лесных пожаров велика, так как впервые, в отличие от методик, созданных в США, Канаде, Южной Европе и России, разработан вероятностный критерий лесной пожарной опасности, который учитывает не только метеоданные, но и грозовую активность, уровень антропогенной нагрузки на качественно новом уровне. Пространственная детализация — лесотаксационный выдел.
Таким образом, в настоящей работе проведено сценарное моделирование типичных условий возникновения лесных пожаров. Использование новой формулы для оценки вероятности возникновения лесных пожаров позволит более адекватно прогнозировать лесную пожарную опасность. На основе данных сценариев могут быть разработаны конкретные рекомендации по управлению персоналом лесных пожарных и стратегические планы по управлению лесопожарной обстановкой. В будущем планируется провести ретроспективный анализ лесопожарных происшествий в одном из лесхозов Томской области. В настоящий момент идет сбор статистических данных.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Charles-Dominique, P. Forest perturbations and biodiversity during the last ten thousand years in French Guiana / P. Charles-Dominique, P. Blanc, D. Larpin [et al.] // Acta Oecologica. — 1998. — Vol. 19, No. 3. — P. 295-302.
2. Sanford, R. L. Amazon rain-forestfires/R. L. Sanford, J. Saldarriaga, К. E. Clark [etal.] //Science.
— 1985. — Vol. 227. — P. 53-55.
3. Turcq, B. Amazonia rainforest fires: a lacustrine record of 7000 years / B. Turcq, A. Sifeddine, L. Martin [etal.] //Ambio. — 1998. — Vol. 27. — P. 139-142.
4. Cochrane, M. A. Fire as a large-scale edge effect in Amazonian forests / M. A. Cochrane,
W. F. Laurance // Journal ofTropical Ecology. — 2002. — Vol. 18. — P. 311-325.
5. Гришин, А. М. Моделирование и прогноз катастроф / А. М. Гришин. — Томск : Изд-во
Томск. ун-та, 2002. — 122 с.
6. Latham, D. Lightning and forest fires / D. Latham, E. Williams // Forest Fires: Behavior and Ecological Effects. — Netherlands, Amsterdam : Elsevier, 2001. — P. 375-418.
7. Williams, E. R. The tripole structure of thunderstorms / E. R. Williams // Journal of Geophysical Research. — 1989. — Vol. 94. — P. 13151-13167.
8. Latham, D. J. Lightning flashes from a prescribed fire-induced cloud / D. J. Latham // Journal of Geophyical Research. — 1991. — Vol. 96. — P. 17151-17157.
9. Иванов, В. А. Лесные пожары от гроз на Енисейской равнине : автореф. дис. ... канд. с.-х. наук / В. А. Иванов. — Красноярск : ИЛ СО РАН, 1996. — 23 с.
10. Uman, M. A. Lightning / M. A. Uman. — NewYork : McGraw-Hill, 1969. — 320 p.
11. Cummins, K. L. A combined TOA/MDF technology upgrade of the U. S. national lightning detection network / К. L. Cummins, M. J. Murphy, E. A. Bardo [et al.] // Journal of Geophysical Research. — 1998. — Vol. 103. — P. 9035-9044.
12. Иванов, В. А. Грозоактивность и лесные пожары/В. А. Иванов //Лесные пожары и борьба с
ними. — М. : ВНИИЛМ, 1987. — С. 208-217.
13. Иванов, В. А. Методологические основы классификации лесов Средней Сибири по степени пожарной опасности от гроз : дис. ... д-ра с.-х. наук / В. А. Иванов. — Красноярск : СибГТУ,
2006. — 348 с.
14. Гребнева, Д. А. Радиолокационные характеристики летних гроз / Д. А. Гребнева // Наука и образование : матер. X Всерос. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых. — Томск :
Изд-во ТГПУ, 2006. —Т.1. — С. 86-91.
15. Ершова, Т. В. Грозы и град в г. Томске и с. Первомайское / Т. В. Ершова, С. Н. Рузавкина //
Наука и образование : матер. X Всерос. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых. —
Томск : Изд-во ТГПУ, 2006. —Т.1. — С. 106-110.
16. Мелехов, И. С. Природа леса и лесные пожары/И. С. Мелехов. —Архангельск, 1947.— 60 с.
17. Андреев, Ю. А. Социально-психологические аспекты рекреационных посещений леса и возникновение пожаров /Ю. А. Андреев, Г. Ф. Ларченко//Лесные пожары и борьба с ними.
— М. : ВНИИЛМ, 1987. — С. 251-263.
18. Курбатский, Н. П. Проблема лесных пожаров / Н. П. Курбатский // Возникновение лесных пожаров. — М. : Наука, 1964. — С. 5-60.
19. Меллума, А. Ж. Отдых на природе как природоохранная проблема / А. Ж. Меллума,
Р. X. Рунгуле, И. В. Эмсис. — Рига : Зинатне, 1982. — 144 с.
20. Назаров, А. А. Теория вероятностей и случайных процессов : учеб. пособие /А. А. Назаров,
А. Ф. Терпугов. — Томск : Изд-во НТЛ, 2006. — 204 с.
21. Барановский, Н. В. Прогнозирование количества лесных пожаров / Н. В. Барановский // Пожарная безопасность. — 2007. — №1. — С. 123-127.
22. Жданко, В. А. Метод анализа лесопожарных сезонов : практ. реком. / В. А. Жданко,
М. В. Гриценко. — Л., 1980.
23. 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.
24. 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.
25. Барановский, Н. В. Математическое моделирование наиболее вероятных сценариев и условий возникновения лесных пожаров : дис.... канд. физ.-мат. наук/ Н. В. Барановский. —
Томск : Том. гос. ун-т, 2007. — 153 с.
26. Маценко, В. В. Генеральный план противопожарного устройства лесов : поясн. записка. 5-99.14-17-ПМ. Т. 1 / В. В. Маценко, А. Я. Соколов, С. И. Калинин [и др.]. — Барнаул : Гос. проектно-изыскательский ин-т “Росгипролес”, Алтайский филиал, 1999. — 139 с.
27. Щетинский, Е. А. Тушение лесных пожаров : пособие для лесных пожарных / Е. А. Щетин-ский. — Изд. 3-е, перераб. и доп. — М., 2002. — 104 с.
Материал поступил в редакцию 23.11.08.
©Барановский Н. В., 2009 г. (e-mail: [email protected]).
