Реферат. Реферат по дисциплине Математическое моделирование лесных экосистем
 Скачать 50.33 Kb.
|
|
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «ПОВОЛЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» Кафедра лесоводства и лесоустройства РЕФЕРАТ по дисциплине «Математическое моделирование лесных экосистем» на тему: «Применение математического моделирования для прогнозирования лесных пожаров и борьбы с ними» Выполнил обучающийся гр. ЛСДм-11 Копылов С. А. (Ф.И.О.) Проверил доцент с уч. степенью кандидата наук Власова Н.А. (должность, Ф.И.О., подпись) Дата защиты _____________________ Оценка _________________________ Йошкар-Ола 2022 г Содержание Введение………………………………………………………………….3 Основная часть………………………………………………………..4 2.1Актуальность работы…………………………………………………..4 2.2. Категории лесных пожаров…………………………………………..6 2.3. Исследователи математических моделей…………………………...7 2.4. Математическая модель Р. Ротермела………………………………...8 3. Заключение…………………………………………………………………10 Список литературы…………………………………………………….11 Введение Лес является национальным богатством нашей страны. Лес является хранителем генетического разнообразия биосферы, обогащает кислородом атмосферу, является главным источником формирования климата, сохраняет и повышает плодородие почвы, регулирует и очищает водное пространство, основной элемент из реакционного потенциала, лес – это среда для жизни людей, является сырьевыми базами лесных и лесоперерабатывающих промышленностей. Для этого охрана леса от пожаров является не только проблемой защиты окружающей среды, но и имеет огромное самостоятельное значение. Ущерб от пожаров является катастрофическим для человечества, биосферы и атмосферы, и эта проблема является актуальной, так как человек постоянно сталкивается с пожарами. Так же страдает экономика от лесных пожаров, ущербы могут доходить до миллиардов рублей в год. Это стихия приводит к гибели людей, уничтожению жилья, и оказывает негативное влияние на здоровье людей. Основная часть Актуальность темы. Леса и степи представляет собой национальное богатство народов нашей Родины. Площадь, покрытая лесом, составляет 1254 млн. га, или 22,5% от площади и 23,9% от запаса древесины лесов всего мира. Лесные и степные пожары играют важную роль в формировании и поддержке лесных и степных биогеоценозов. Известно как положительное, так и отрицательное их влияние на них. Очень важно уметь предвидеть их возникновение и оценивать возможности их распространения. Наибольшее значение имеет прогноз низовых пожаров, поскольку более 80 % всех пожаров растительности-низовые, практически все верховые пожары развиваются из низовых. В результате лесных и степных пожаров в атмосферу выбрасывается большое количество газообразных и дисперсных продуктов пиролиза и горения лесных и степных горючих материалов (ЛГМ и СГМ), что загрязняет ее. Кроме того, лесные и степные пожары способствуют увеличению содержания углекислого газа в атмосфере, что содействует глобальному потеплению. Важность и актуальность проблемы этих природных пожаров еще более возрастает в последнее время в связи с усилением хозяйственной деятельности человека в лесах и степях. Именно вследствие роста антропогенной нагрузки каждый год наблюдается многочисленные лесные пожары на Дальнем Востоке, в Прибайкалье, Красноярском крае и Западной Сибири, а также степные пожары в Саратовской, Оренбургской, Омской областях и на территории Казахстана. Низовые лесные пожары составляют абсолютное большинство от числа всех пожаров в лесу. Они имеют место не только в тайге, но и в лесостепях, и в тундре. Причины загораний могут быть как природные (так называемые сухие грозы), так и связанные с деятельностью людей (непотушенные спички, окурки, охотничьи пыжи из тлеющих материалов; выхлопные газы и искры от двигателей работающих машин и механизмов; тлеющий шлак, выбрасываемый из железнодорожных пассажирских вагонов; непогашенные костры и т.д.). Нередко низовые лесные пожары, как и степные, переходят в крупные лесные пожары. Как известно, лес очищает и оздоравливает атмосферу, обогащая ее кислородом. Поэтому охрана леса от пожаров, будучи частью более общей проблемы -защиты окружающей среды, в тоже время имеет важное самостоятельное значение. Поэтому математическому и физическому моделированию этих лесных пожаров уделялось и уделяется большое внимание. . Степные пожары случались и до хозяйственного освоения степей человеком (от удара молнии), а в последнее время стали обычным явлением. Сухая трава загорается, а начавшийся пожар быстро расширяет фронт горения и идет полосой в несколько десятков километров ширины со 4 скоростью автомашины (до 25 км/ ч). При этом погибает много животных, которые не успели спрятаться в норы или убежать от огня. Ширина волны фронта горения при его высоте 2 - 3 м составляет не более метра - полутора, и сразу за прошедшим огнем остается полоса черной земли, на которой лишь кое- где догорают и тлеют дерновинки степных растений. В понижениях, на пырейных лугах среди степи огонь при таком пожаре стоит часами. При степных пожарах гибнут молодые деревца, поэтому степные пожары приостанавливают наступление леса на степь. Очень часто степные пожары, начинаясь на территории соседних государств (Казахстан, Монголия), переходят государственную границу и продолжаются уже на территории Российской Федерации. Поэтому исследование этого природного явления должно носить международный характер, но, к сожалению, физико- математическому исследованию степных пожаров, уделяется мало внимания. Сегодня нужен подход к проблеме массовых природных пожаров по принципу: «Предупредить пожар в 15 раз дешевле, чем ликвидировать его последствия». Необходимо создание единой системы мониторинга и прогнозирования возникновения природных чрезвычайных ситуаций, существующей и работающей в едином информационном пространстве для обеспечения всесторонней оценки и повышения качества прогноза. Это позволит разработать возможные сценарии (модели возникновения и развития экстремальной обстановки) и обосновать наиболее эффективные способы и меры борьбы с природными пожарами что, несомненно, приведет к снижению масштабов последствий природных пожаров. Устранение данных проблем позволит эффективно снижать риск и смягчать последствия массовых природных пожаров. Поэтому, прежде чем создать систему прогнозирования возникновения природных чрезвычайных ситуаций, необходимо исследовать основные характеристики и закономерности, и параметры этих явлений. Для оптимизации борьбы с лесными пожарами, повышения качества управленческих решений требуется прогноз динамики развития пожаров. Такой прогноз может быть получен при проведении математического моделирования лесных пожаров. Моделирование, прогнозирование развития и оценка последствий лесных пожаров являются важными и актуальными научными задачами, решение которых востребовано государством [10]. Так как экспериментально изучить лесной пожар невозможно, потому что это дорогостояще, и нельзя провести полное физическое моделирование этого явления, то рассматриваются другие возможные пути исследования, а именно теоритические методы исследований. На помощь приходит математическое моделирование, которое описывает положение в котором находится биогеоценоз и приземный слой атмосферы [4]. Проблеме лесных пожаров отведено много статей и литературы. Исследования лесных пожаров ведутся учёными довольно давно. В настоящее время сформировано самостоятельное научное направление – лесная пирология. Это наука о природе лесных пожаров, их влиянии на лесную среду, наносимом ущербе, разработке мер по их предупреждению и борьбе с лесными пожарами, использовании положительной роли огня в лесном хозяйстве. На самом деле лесные пожары приносят не только вред лесному фитоценозу. В некоторых работах говорится о повышении плодородия почвы после пожара и говорится, что пожар повышает разнообразие видов в экосистемах. За последние десятилетия достигнут немалый прогресс в этом вопросе, но горимость лесов в ряде районов страны остается все еще высокой. Для успешного решения проблемы требуется дальнейшее совершенствование методов борьбы с лесными пожарами. Категории лесных пожаров. Специалисты выделяют такие фундаментальные категории пожаров в лесных массивах, как: низовые, верховые и подземные. Данные лесные пожары могут перерасти в сложные или ландшафтные, если огонь перейдет на такие субъекты лесного массива, как: древесный полог, кроны деревьев, нижний уровень лесного насаждения [1–8]. Низовые пожары в лесных массивах составляют порядка 95% от всех случаев возникновения пожаров. Поэтому всесторонний анализ особенностей построения математических моделей (в ретроспективе и современных) для более точного прогнозирования лесных пожаров, и прежде всего — низовых лесных пожаров, является актуальной задачей для МЧС России. Основной их характеристикой является распределение огня по большой площади приземистого слоя. При пожарах данного типа уничтожаются различные растения, а также такие вегетативные фрагменты, как: подстилка нижнего яруса леса, трава, опавшие листья, ветви, кора стволов деревьев и другие. Главным образом, низовые пожары в лесных массивах, особенно беглые, случаются в тот весенний промежуток времени, когда происходят горение травы, оставшейся с прошлого года, лесного опада, верхней части растений и растительных остатков, а также повреждение коры стволов деревьев, наземных частей корней, древесного полога. Территория, которую покрывал пожар, обладает пятнистой формой, в то время как области с достаточно влажным покрытием не затрагиваются огнем вовсе. Скорость продвижения пожара достаточно большая, достигает 3–5 м/мин и зависит главным образом от скорости ветра. При пожаре данного типа доминирует пламенный вид горения. Также есть вероятность того, что пожар может перетечь в верховой, особенно в хвойных частях лесного массива, если они имеют низкую крону. Число низовых пожаров в лесных массивах сильно возрастает в тот момент, когда напочвенный покров полностью просыхает. При устойчивом лесном пожаре огонь может распространиться глубже, при этом напочвенный слой, пни, ветви и т. д. сгорают до основания. Территории, на которых произошел этот пожар, отличаются тотальным сгоранием лесного подроста и напочвенного покрова. Кора стволов, а также корни деревьев сгорают, при этом наносится огромный ущерб участкам лесного массива, наблюдаются прекращение роста части деревьев и их гибель. Существует вероятность перехода этих пожаров в верховые на новых лесных участках, а также на территориях с несколькими ярусами. Если данный пожар произойдет на торфяных почвах, он может перейти в подземный вид пожара. Скорость распространения огня при низовом лесном пожаре может достигать 3м/мин. Выделяют два типа низовых лесных пожаров: устойчивые и беглые. Ущерб лесным насаждениям, а также иные разрушительные последствия данных пожаров сильно различаются. Поскольку скорость, с которой происходит продвижение этих видов лесных пожаров, варьируется, для их устранения требуется применять разные методы борьбы. Для того чтобы устранить источник горения беглого лесного пожара, довольно часто требуется лишь подавить огонь вдоль его контура распространения. Однако для устойчивого лесного пожара данная фаза является только первым, далеко не самым сложным этапом ликвидации. Поскольку зачастую низовой лесной пожар возникает вследствие воспламенения напочвенного покрова, в подавляющем числе случаев устойчивый лесной пожар является вторым этапом беглого пожара. В связи с этим каждый низовой пожар происходит от беглого. Устойчивый лесной пожар возникает лишь при условии наличия возможности валежа начать и продолжить горение. В действительности довольно часто можно наблюдать неоднократное прохождение огня по ранее пройденной территории. Первоначально происходит выгорание внешнего слоя напочвенного покрова, вследствие чего он теряет влагу, а также получает доступ к кислороду и воспламеняется слой под ним, далее начинается пожар в нижележащих слоях. Низовые пожары в лесных массивах так же, как и верховые, обладают тылом, флангами, фронтом, очевидной кромкой. Удлиненная, образуемая огнем фигура с кривой кромкой обычно является характерной для низового лесного пожара, наряду с этим дым обладает сероватым цветом. Существует вероятность перехода низовых лесных пожаров в крупные пожары при условии преодоления огнем огромных участков; если территория имеет наземную лесную охрану, данная площадь составляет 20 га, при наличии авиаохраны — 200 га. Из числа моделей, обеспечивающих информационное снабжение и аналитическую помощь при принятии стратегических решений ликвидации пирологической угрозы, модели, связанные с динамикой пожаров в лесных массивах, обладают наибольшей сложностью и значимостью. Исследователи математических моделей Усилиями отечественных и зарубежных учёных, таких как И.С.Мелехов, Н.П.Курбатский, Г.И.Коровин, В.Г.Нестеров, Г.А.Амосов и другие, накоплен большой фактический материал о природе лесных пожаров. В последние годы появились исследования, посвящённые детальному выяснению физических закономерностей процесса горения. Значительный вклад в математическое моделирование лесных пожаров произошел с появлением цикла работ в Томском государственном университете, выполненных под научным руководством А.М. Гришина. Предложенная А.М. Гришиным общая математическая модель лесных пожаров, учитывающая законы сохранения массы, импульса, энергии, а также физико-химические процессы, описывает процессы возникновения и развития горения во всех ярусах леса. Сформулировал новую концепцию борьбы с лесными пожарами путём относительно малых энергетических воздействий на фронт пожара. Изучение условий возникновения верховых лесных пожаров в результате зажигания крон деревьев от низовых лесных пожаров является также актуальным вопросом, и в связи с такой практической значимостью данная тематика активно развивалась. Так математическому моделированию возникновения верховых лесных пожаров посвящены работы Wan Wagner, R.C. Rothermel и M.E. Alexander. Эти модели строятся на основах пользования 4 физических параметров и экспериментальных данных во время изучения условий возникновений зажиганий на нижних пологах леса от очагов низовых лесных пожаров, и также распространении верховых лесных пожаров. Объект исследования – верховой лесной пожар, физико-химические закономерности процессов горения, системные связи и закономерности возникновения, развития и прекращения пожара; предмет исследования – математическое моделирование верхового лесного пожара. Практическая значимость результатов ВКР – исследование может стать основой для разработки новых способов борьбы с лесными пожарами, будет способствовать разработке новых методик по профилактике и борьбе с данным явлением. Математическая модель Р. Ротермела Математическая модель Ротермела, построенная на фундаментальном физическом законе сохранения энергии, который был выведен из достижений большого количества трудов Франдсена, вышла в свет в 1972 году. Продвижение пожаров в лесных массивах Ротермел описал таким образом: P = P0 (1 + k(U) + k(S)), (1) где: P—скорость продвижения пожара лесного массива; P0 — плотность пласта горючих веществ; k(U) — величина частичек вегетативной возгораемой материи; k(S) — скорость полного прогорания вегетативного горючего. Эта экспериментальная модель не оперирует современными теоретические основами, которые связаны с течением горения, а базируется на выводах, составленных из суммирования огромного числа практических данных, полученных вследствие проведения реальных полевых апробаций. Экспериментальная модель Ротермела входит в число чрезвычайно результативных зарубежных математических моделей, специализирующихся на вычислении скорости продвижения пламени по напочвенному покрову при низовых лесных пожарах. Также необходимо обратить внимание на существенные недостатки экспериментальной модели Ротермела, которые присутствуют, даже несмотря на повсеместное ее использование. При использовании исходной одномерной математической модели в качестве конечного результата можно вычислить скорость продвижения фронта пожара в лесном массиве, сонаправленную с ветром. Экспериментальная модель не отвечает на вопрос о том, насколько высоко абсолютное значение скорости продвижения огня в сторону флангов или тыла лесного пожара. Разработка модели распространения лесных пожаров необходима для расширения возможностей систем поддержки принятия решений, повышения качества планирования противопожарных мероприятий, эффективности действий по ликвидации чрезвычайных ситуаций в лесах. Заключение Учесть в математической модели все особенности распространения пожара сложно. При распространении лесного пожара возникают препятствия, нарушающие непрерывность фронта горения (дороги, реки, противопожарные разрывы). Кроме того, горючие свойства растительности могут меняться на протяжении участка леса, а также во времени. Существуют внешние факторы, приводящие к различию скорости распространения фронта пожара на различных участках (ветер, рельеф). Оригинальная модель является одномерной, а результатом ее применения является число — скорость распространения фронта пожара в направлении ветра. Модель вообще не отвечает на вопрос, какова скорость фронта пожара в направлениях флангов и против ветра. В разработанных позднее программных системах реализованы разные подходы, которые часто являются интуитивными и не содержат должных обоснований. Для примера отметим, как в модели Ротермела учитывается влияние ветра. Как отмечено выше, широко применяемая модель Ротермела одномерна, ее результатом является прогноз скорости распространения фронта пожара в направлении ветра. Таким образом, модель процесса распространения огня в лесном фонде представляет собой комбинацию эмпирических, статистических и теоретических способов описания характеристик слоя Л ГМ и лесных пожаров. Формулировка общей математической модели лесных пожаров ставит много новых задач как перед теоретиками, так и перед экспериментаторами. Наиболее важная из них - создание единой системы мониторинга и прогнозирования возникновения природных чрезвычайных ситуаций, существующей и работающей в едином информационном пространстве для обеспечения всесторонней оценки и повышения качества прогноза. Это позволит разработать возможные сценарии (модели возникновения и развития экстремальной обстановки) и обосновать наиболее эффективные способы и меры борьбы с природными пожарами что, несомненно, приведет к снижению масштабов последствий природных пожаров. Решение данных проблем позволит эффективно снижать риск и смягчать последствия массовых природных пожаров. Список литературы Гришин А.М. Математическое моделирование лесных пожаров и новые способы борьбы с ними. Новосибирск: Наука, 1992. Pastor E. et al. Mathematical models and calculation systems for the study of wildland fire behaviour // Progress in Energy and Combustion Science. 2003. V. 29. P. 139–153. McArthur A.G. Weather and grassland fire behaviour. – Commonwealth of Australia: Forestry Research Institute, Leaflet № 100, 1966. Rothermel R.C. A Mathematical model for Predicting Fire Spread in Wildland Fuels. – USDA Forest Service. Res. Pap. INT-115, 1972. Баровик Д.В. Таранчук В.Б. Состояние проблемы и результаты компьютерного прогнозирования распространения лесных пожаров // Вестник БГУ. Сер. 1. Физика. Математика. Информатика. 2011. № 3. С. 78–84. Коровин Г.Н. Методика расчета некоторых параметров низовых лесных пожаров / Сборник научных трудов Л.: ЛенНИИЛХ, 1969. - В. XII. - С. 244—262. Rothermel, R.C. A mathematical model for fire spread predictions in wildland fuels\ R.C. Rothermel \\ USDA Forest Service, Res.Paper INT-115. Ogden 1972 Баровик Д.В. Таранчук В.Б. Адаптация модели Ротермела для реализации в программном комплексе прогноза распространения лесных пожаров // Научный интернет журн. Технологии техносферной безопасности. 2011. № 6 Подрезов Ю.В. Диссертация на соискание ученой степени доктора сельскохозяйственных наук на тему: «Методологические основы прогнозирования динамики и последствий чрезвычайных лесопожарных ситуаций». Московский государственный университет леса, 2005. 395с. ЖУРНАЛ: Витебский государственный университет им. П.М. Машерова. https://translated.turbopages.org/proxy_u/en-ru.ru.68542bb9-62348fe6-aa75f397-74722d776562/https/en.wikipedia.org/wiki/Wildfire_Modeling |