Кулик В

Гидрологический прогноз лесных пожаров и их предотвращение

В.Кулик

Гидрологический прогноз лесных пожаров и их предотвращение

Лесные пожары наносят существенный вред окружающей природной среде: они прерывают естественный процесс лесовозобновления и почвообразования; продукты горения смываются в реки, загрязняют их и представляют серьезную угрозу экологии; в результате пожаров гибнут массивы ценных древесных пород. Поэтому прогнозирование лесных пожаров и борьба с ними экономически и экологически целесообразны.

Лесные пожары могут возникнуть почти в любое время года. Даже во время осенних дождей - от молнии. Сырой лес не будет гореть так, как сухой, но он будет гореть. Однако, интенсивность таких лесных пожаров, как правило, очень мала, такие пожары не представляют большой опасности; они уменьшают количество накопленного топлива и, следовательно, в некотором смысле предотвращают более опасные, интенсивные пожары. С этой целью часто планируют искусственные пожары, которые при должном контроле являются эффективным средством предотвращения сильных пожаров. Эти искусственные пожары называются "сжиганием для снижения имеющегося топлива" по терминологии Люка и Макартура [8], Чени [4], О'Лафлина и др.[7].

Обычно методы прогнозирования пожарной опасности лесов имеют метеорологическую основу. В данной статье предлагается гидрологический способ их прогнозирования, основанный на использовании данных сети гидрологических станций.

В общепринятых методиках в качестве основных используются следующие предикторы: скорость и направление ветра, которые определяют скорость распространения фронта огня и позволяют взять огонь "под контроль"; количество горючего материала, которое должно быть точно спрогнозировано; сухость топлива, влияющая на интенсивность пожара.

Для оценки потенциальной горимости лесов применяются так называемые индексы пожароопасности. В Канаде и Австралии, например, они определяются на основе ежедневных данных об осадках, температуре и влажности, в США - данных о длительности дождя. Как указывают Ван Вагнер [11] и Тернер [10], при этом не существует общепризнанных международных стандартов для их вычисления. Их отсутствие само по себе является лучшим доказательством низкой точности таких индексов.

Прогнозирование пожарной опасности в лесах Приморского края осуществляется ГМЦ Приморского УГМС также по условиям погоды. Метод основан на учете комплексного показателя (КП) пожарной опасности в лесах, который определяется как сумма произведений температуры воздуха на разность между значениями температуры воздуха и температуры точки росы [2]. В зависимости от накопленной суммы температур устанавливается класс пожарной опасности, в соответствии с которым регламентируется работа лесопожарных служб. Расчет величины КП был усовершенствован Л.И. Сверловой [3] путем учета скорости ветра и разработки шкалы "сбрасывания" показателя КП в зависимости от количества выпавших осадков. Выявление очагов возгорания и тушение лесных пожаров в Приморском крае осуществляются Приморской базой авиационной охраны лесов. Эффективность ее работы в значительной мере зависит от качества и заблаговременности прогнозов пожарной опасности в лесах.

Идея, которая стоит за любым метеорологическим индексом влагосодержания лесов, - это "суммирование" осадков и испарения за определенное время. Понятно, что ошибка в определении суточных осадков может быть фатальной не только для индекса данного дня, но и для последующей череды дней, по которым осуществляется суммирование. Эта черта индексов также хорошо известна специалистам по пожаротушению лесов. Например, Тернер [10, стр. 12] замечает, что "единственный день беззаботного наблюдения может очень повлиять на погодные индексы пожароопасности". Кроме того, (из-за неравномерного распределения летних осадков по площади) прогноз опасности лесного пожара по выбранному индексу оправдывается только для территории в районе метеостанции

Исходя из здравого смысла и аналогии с техникой прогноза гидрографа паводка по осадкам, можно выдвинуть гипотезу о том, что величина речного стока может быть индикатором насыщенности влагой водосбора и, следовательно, степени влажности топлива для пожара [1, 5, 6]. Согласно этой гипотезе лесной пожар произойдет с наибольшей вероятностью тогда, когда расход воды в реке будет ниже некоторого определенного критического значения. Это хорошая мысль, но она не работает сама по себе должным образом. Установлено, что накануне больших пожаров наблюдается, как правило, низкий уровень воды, но бывают случаи, когда расходы воды в реке не так уж и малы. Перед катастрофическим пожаром расход воды становится гораздо меньше, чем обычно. Но это не значит, что он может очень сильно отличаться от расхода в другие годы. А на некоторых реках во время засушливых периодов сток вообще отсутствует.

Из этих примеров следует, что для оценки влажности топлива необходимо рассматривать не только величину минимального стока, но, очевидно, и характерные особенности кривых спада гидрографов стока. Для этой цели можно анализировать кривые спада на полулогарифмической клетчатке, на которой они представляются, как правило, в виде прямой линии. На водосборах со сложной гидрогеологической структурой кривые спада обычно слегка вогнуты и могут быть представлены несколькими прямыми линиями.

При длительной засухе кривые спада становятся более крутыми, чем обычно. При этом вогнутая форма кривой может смениться на выпуклую. Обычно кривые спада прерываются небольшими дождями или моросью. В этом случае бывает трудно проанализировать кривизну линии спада, но величина интенсивности спада может быть измерена в интервалах между дождями. Сток внезапно может прекратить уменьшаться и будет держаться на некотором маленьком значении, несмотря на сухую погоду. Это говорит о том, что основной сток иссяк и продолжается только глубокий родниковый сток и разгрузка артезианских вод. Это означает начало критически огнеопасного периода. Сезон дождей, прерывающий засуху, обычно облегчает положение и приносит какое-то облегчение, - а так ли это? К сожалению, из-за неравномерного характера осадков в течение сухого периода трудно оценить эффект такого дождя на основе метеорологических данных. Однако существуют простые способы определения окончания критической опасности пожара. Если после дождя расход воды восстанавливается и убывает с обычной скоростью, то непосредственная угроза большого пожара миновала. Крутой спад и возврат к величине стока до дождя означает, что дождь не дал результатов.

Можно выделить две группы предикторов, определяющих пожароопасность лесов.

А. Ранние предикторы: 1) низкий сток воды; 2) быстрый спад гидрографа стока; 3) изменение кривой спада от вогнутой формы к выпуклой.

В. Поздние предикторы: 1) стабилизация спада до величины глубокого стока; 2) резкий спад после промежуточных небольших дождей; 3) выпуклая форма кривой спада после промежуточных дождей; 4) резкая стабилизация спада к глубокому стоку спустя несколько дней после небольшого дождя.

Появление этих последних предикторов означает, что вероятность лесного пожара увеличивается.

Использование математических приемов анализа условий возникновения пожаров бесспорно повысит точность прогностической модели. Но и предлагаемый метод прогноза привлекателен своей простотой и ясностью и может быть реализован с помощью несложной компьютерной техники. Для выпуска прогноза необходимо иметь гидрограф стока, построенный на полулогарифмической клетчатке, где хорошо будет видно, что произойдет с кривыми спада до начала сильного пожара.

Рассмотрим возможности предотвращения лесных пожаров на основе информации об их гидрологическом прогнозировании. Прежде подчеркнем основные преимущества гидрологического метода прогноза по сравнению с метеорологичским. Во-первых, данные по спаду обычно более точны, более представительны для всего водосбора, чем метеорологические измерения по ограниченному числу станций. Метеорологическая станция обычно контролирует погодные условия только в ее окрестности. Гидрологические данные в замыкающем створе характеризуют погоду по водосбору в среднем, нивелируя ее случайные пространственные колебания. Во-вторых, исключается необходимость определять самый "трудный" метеорологический элемент - испарение. В-третьих, если в какой-то день происходит ошибка в оценке интенсивности спада гидрографа стока, то она никак не влияет на определение величины спада в последующие дни. Очевидные преимущества гидрологического метода не означают, однако, что используемые метеорологические индексы и прочая техника прогноза должны быть упразднены и забыты. Гидрологическая техника только дополняет их.

Интенсивность спада гидрографа показывает емкость водоносных горизонтов и их способность подпитывать верхние слои почвы за счет капилярного поднятия. Так как деревья могут получать воду из нижних почвенных горизонтов, то они могут пережить даже экстремальную засуху. Но когда эти внешние резервы истощаются, лес засыхает. Такое состояние описано в литературе о лесных пожарах Люком [5] как особенно провоцирующее их возникновение. Никакие погодные изменения, кроме сильного ливня, не смогут спасти положение. Повышение влажности воздуха, уменьшение скорости ветра, даже морось в течение нескольких дней могут только отсрочить возникновение пожара, но не исключить его. На водосборе просто нет запасов воды.

В описанной ситуации опасность пожара гораздо больше, чем экстремальная и можно предложить ввести новую категорию в рейтинге пожарной опасности как "критическую". Этот термин используется в медицине для описания состояния между жизнью и смертью. Критическая пожароопасность начинается, когда: 1) состояние, описываемое обычной техникой пожароопасности, оценивается как экстремальное; 2) гидрологические предикторы (сток и графики кривых спада ) такие же, если не хуже, чем до предыдущего "экстремального" пожара.

Более точный и заблаговременный прогноз всегда повышает нашу способность предотвратить любую беду. Однако трудно убедить людей соблюдать осторожность все время. Даже если и существуют средства активного предотвращения катострофического пожара, невозможно, чтобы люди часто пользовались ими. Предупреждение об "экстремальной" пожаоропасности передаются почти каждый год в течение лета. Как видно из данных архивных материалов вероятность появления критической пожаропасности составляет 1 раз в 20 лет. Использование активных методов предотвращения пожаров каждое лето при "экстремальной" пожароопасности - слишком дорогое и не эффективное мероприятие. Но 1 раз за 20 лет - это можно позволить.

Наиболее очевидный путь активных мер - вызвать искусственно дождь. Но эта мера не эффективна в период засухи. Положение меняется, если мы заблаговременно знаем, что водные ресурсы водосбора скоро истощатся и что есть несколько недель для принятия активных мер для предотвращения большого пожара. В течение этих недель могут пройти небольшие ливни или грозы и в эти дождливые дни возможна эффективная обработка облаков. Целью такой обработки является не увеличение количества осадков на большой площади, а просто перенацеливание дождя на водосбор. Это может быть сделано с помощью известной техники провоцирования "преждевременного" ливня, когда облака проходят над намеченной целью - водосбором, где начинаются пожары.

Когда засуха не прерывается ливнем или нет подходящих облаков для его стимулирования, преднамеренный пал может быть альтернативным методом для уменьшения опасности сильного пожара. Располагая несколькими неделями для маневра можно всегда выбрать день, когда погода подходит для пала и не вызовет неуправляемое распространение огня. Положительный опыт управляемого пожара существует во многих странах.

Понятно, что эффективность методов тушения и предупреждения лесных пожаров в значительной мере определяется точностью и заблаговременностью методов прогноза пожароопасности. Техника предлагаемых прогнозов может быть усовершенствована путем одновременного учета в модели характеристик минимального стока и погодных условий. Возможно распространение данного метода на другие на новые водосборы, где за период наблюдений не было пожаров, на основе гидрологической аналогии и использования статистических методов анализа.

Простейший графический метод прогнозирования

1= суммированое испарение, мм ;

2= расход, м3/с;

3= сток, мм/ час;

4= суммированые осадки, мм .

--------------------------------------------------------------

1969. Водосбор = 671 км2, 30 километров SSW от столицы Австралии,евкалипт.

--------------------------------------------------------------

45 градусов = рецессия во время ХОЛОДНЫХ периодов.

--------------------------------------------------------------

Вертикальные маштабы должны быть одинаковы во все годы.

--------------------------------------------------------------

1972 Каждое лето - много малых пожаров. Пожар > 1 км2, когда Q < 0.1 м3/с + рецессия > 45 градусов.

--------------------------------------------------------------

1973. 1969-1973: кумулятивное испарение = 2 * кумулятивные осадки.

--------------------------------------------------------------

1974. кумулятивное испарение < 2 * кумулятивные осадки.

Проблема базы данных Meteo: "отрицательный дождь" ( 1974 , октябрь). Следовательно, ошибка в ежедневном Meteo индексе пожароопасности.

--------------------------------------------------------------

1975 Малые пожары . Дефект данных по Meteo: испарение.

--------------------------------------------------------------

1976. Проблема с данными по Meteo (как в 1972, 1973, 1975).

--------------------------------------------------------------

1977. Q < 0.1 м3/с не дает пожар, если рецессия = 45 градусов (сравните с 1972).

---------------------------------------------------------------

1978. 1978, февраль: Q < 0.1 м3/с, но рецессия вогнута. Малые пожары.

--------------------------------------------------------------

1979. кумулятивное испарение > 2 * кумулятивные осадки. Meteo дает "extreme". Паника. Малые пожары.

--------------------------------------------------------------

1980. кумулятивное испарение > 2 * кумулятивные осадки, но рецессия вогнута. Малые пожары.

--------------------------------------------------------------

1981. кумулятивное испарение > 2 * кумулятивные осадки. Малые пожары.

----------------------------------------------------------------------

1982. Все еще была возможность для предотвращения. В действительности, ничего не было сделано.

.

--------------------------------------------------------------

1983. Январь, 1983: сгорело приблизительно 58 км2 + 300 км2 (Corin Creek + Gudgenby River);

пожар очень высокой интенсивности; попытки контролировать пожар были только отчасти успешны, пожар продолжался (рецессия - крутая после промежуточных дождей).

--------------------------------------------------------------

В заключение подчеркнем чем техника гидрологического метода прогноза пожаров отличается от стандартных методов:

1) она прогнозирует пожары не по административным или географическим районам, а по водосборам;

2) она позволяет прогнозировать опасность пожара заблаговременно и определяет время, необходимое для проведения превентивных мероприятий;

3) она исключает ложные сигналы тревоги;

4) она более точная и простая, так как использует гидрологические данные, которые более представительны, чем метеорологические данные;

5) она меньше зависит от ошибочных наблюдений;

6) она менее зависит от стохастической природы летних дождей и других метеорологических элементов;

7) она "автоматически" принимает во внимание тот факт, что какая-то часть осадков "теряется" в виде стока;

8) она проще, чем любой другой метод и легко может применяться организациями по борьбе с огнем и фермерами. Сейчас этим пользователям доступен только региональный крупномасштабный прогноз пожароопасности.

При большом числе достоинств у гидрологического метода есть лишь один недостаток - возможность его применения только на водосборах, где проводятся измерения расходов воды.

Литература

1. В. Кулик, С.А. Лобанов. Гидрологический прогноз лесных пожаров и их предотвращение. Экологическии вестник Приморья, 2002.

2. Методические указания по прогнозированию пожарной опасности в лесах по условиям погоды. - М: Гидрометеоиздат, 1975, 15 с.

3. Сверлова Л.И. Метод оценки пожарной опасности в лесах по условиям погоды с учетом поясов атмосферной засушливости и сезонов года. - Хабаровск: ДВ УГМС, 2000, 46 с.

4. Cheney, N.P. (1976) Bushfire disasters in Australia 1945-1975, Australian Forestry, 39,No.4, pp. 245-268. See also:

http://www.bbm.csiro.au/vesta/

5. S. Lobanov, V. Kulik . GLOBAL CHANGE--RISK ASSESSMENT AND REAL TIME HYDROLOGICAL FORECASTING OF FOREST CONFLAGRATIONS FOR WATER MANAGEMENT. Abstracts: International Union of Geodesy and Geophysics General Assembly, IUGG 2003, Sapporo, Japan, June 30-July 11, 2003. Amicus Number 000024796217 .

See also: http://hydrologist.narod.ru/hydrology/sapporo-abstract.txt

6. S. Lobanov, V. Kulik . HYDROLOGICAL FORECAST OF FOREST CONFLAGRATIONS. XXXI Congress of International Association of Hydraulic Engineering and Research, Seoul, Korea, 2005; paper PAHR05-0014.

See also: http://hydrologist.narod.ru/hydrology/

7. O'Loughin, E.M., Cheney, N.P. and Burns, J. (1982) The Bushranger Experiment: hydrological response of eucalypt catchment to fire. First Nat. Symp. for Hydrol., Melbourne, pp. 132-138. See also:

http://www.nps.gov/gis/metadata/sagu/sagu_rxburns.html

http://www.prescribed-fire.org/state.html

8. Luke, R.H., McArthur, A.G. (1978) Bushfires in Australia. Australian Government Publishing Service, Canberra. See also:

http://life.csu.edu.au/hazards/3WildFires.html

9. The Gudgenby fire - 9 January 1983. Operative report of ACT fire brigade unit. Canberra 1983, 37p. See also:

http://www.esb.act.gov.au/esb.htm

10. Turner, J.A. (1978) Weather in Canada forest fire danger system: a user guide to national standards and practice, Canada 39pp. See also:

http://www.nofc.forestry.ca/fire/

11. Van Wagner. (1975) A comparison of the Canadian and American forest fire danger rating system. Information Report PS-X-59, Patawana Forest Experimental Station, Chalk River, Ontario, Canada, 19pp. See also:

http://www.nps.gov/seki/fire/links.htm

Content

Кулик В
Гидрологический прогноз лесных пожаров и их предотвращение