Здравствуйте, уважаемые читатели!
С Вами Николай Барановский.
Этот выпуск создан при поддержке научного проекта Российского фонда фундаментальных исследований номер 17-29-05093.
Сегодня я бы хотел продолжить нашу тему лесных пожаров. Этот выпуск посвящен лесным горючим материалам.
Наиболее распространенные ЛГМ объединяются в комплексы:
1) Кустистые лишайники и мхи. Оказывают существенное влияние на возникновение и распространение пожаров в случаях, когда они доминируют в живом напочвенном покрове и определяют специфику типа леса. Высока доля их участия в комплексах горючих материалов многих типов леса; обладают большой влагоемкостью; характерны колебания влажности в широких пределах и гигроскопичность; способны быстро высыхать; обладают структурой, способствующей распространению по ним горения.
2) Кустарнички и травы. Напочвенный покров с преобладанием кустарничков и трав распространен в таежной зоне не меньше, чем покров из мхов и лишайников. Он характерен для непокрытых лесом площадей (вырубок и гарей). В Сибири и на Дальнем Востоке покров с преобладанием трав формируется в результате изреживания светлохвойных лесов под влиянием пожаров.
3) Подлесок и подрост. Во многих типах леса образуется густой ярус, имеющий существенное пирологическое значение. Отмечается повышенная пожарная опасность подлеска из можжевельника обыкновенного. Его кусты сгорают с разлетанием множества искр – догорающих хвоинок. Пирологическая роль подлеска еще недостаточно изучена. Курбатский приводит данные о распространении лесов с подлеском и о значении подлеска в возникновении пожаров на основании наблюдений на пожарах и пожарищах.
4) Опад. При изучении природы пожаров опад интересует как составная часть комплекса напочвенных горючих материалов. Наличное количество опада на поверхности почвы определяется соотношением скорости его поступления и скорости превращения в подстилку. В литературе отмечается широкое варьирование количества опада.
5) Подстилка. Подстилкой в почвоведении принято называть верхний горизонт почвы (А0,), состоящий из отмерших частей растений с различной степенью разложения и потерей естественной структуры. В таежной зоне чем выше влажность почвы, тем толще подстилка. Подстилка, увлажненная осадками, длительное время остается влажной и постепенно передает влагу горючим материалам, расположенным на ней. Высыхает подстилка послойно сверху.
6) Торф. Как природный объект горения при пожарах встречается в виде почвенного горизонта в заболоченных и болотных лесах и в виде торфяной залежи, сформированной болотной растительностью. Пожары на болотах существенно отличаются от лесных.
7) Валежник и пни. Валежник – упавшие на поверхность почвы стволы деревьев, отмершие в процессе естественного изреживания древостоя, в результате ветровала, бурелома или снеголома. Отпад деревьев увеличивается после повреждения древостоев пожарами и вредителями. Пни, как горючий материал, характерны для вырубок. При низовых напочвенных пожарах древесина одиночных валежин и пней не сгорает.
8) Полог древостоя. При верховых пожарах в пологе древостоя в основном сгорают хвоя, листья, живые веточки, несущие хвою, и тонкие (до 7 мм) отмершие веточки.
9) Стволы и ветви деревьев составляют большую часть фитомассы лесного биогеоценоза. Однако при пожарах они сгорают очень редко. Иногда полностью сгорают деревца при верховых пожарах в густых сосновых молодняках, возникших на вырубках, сильно захламленных порубочными остатками. В древостоях же старших возрастов на стволах и ветвях сгорают мхи и лишайники, обгорает поверхность корки. Горение может происходить в дуплах стволов с гнилой древесиной. Древостои гибнут от пожаров, но не сгорают.
Большое значение для прогнозирования ЛПО имеют свойства ЛГМ. Для их описания используют так называемые “топливные” модели. Известна достаточно подробная характеристика типов ЛГМ, вовлекаемых в процесс низового лесного пожара. Горючими материалами в лесу служат растения и их остатки различной степени разложения, которые могут гореть при пожарах. Практически к горючим материалам в лесном биогеоценозе относятся все растения, живые и мертвые, а также опад, валежник, подстилка, перегнойный и торфяной горизонты.
В классификации ЛГМ можно рассматривать три уровня:
а) классификация элементарных частей из комплексов ЛГМ, включая отдельные растения из напочвенного покрова, подлеска и подроста, невысокие кустарники, морфологические части деревьев (ветви, сучья, валеж) и т.п.
б) классификация простых комплексов (слоев ЛГМ) внутри биогеоценозов.
в) классификация самих биогеоценозов как сложных комплексов ЛГМ.
В американской национальной системе оценки пожарной опасности (вначале NFDRS-72, затем NFDRS-78) все ЛГМ подразделяются на две крупные категории: мертвые и живые. Считается, что живые растения всегда способны поддерживать свое высокое влагосодержание, в то время как влагосодержание мертвых ЛГМ зависит от процессов их увлажнения и высыхания под влиянием погодных условий. Такое деление справедливо для основной территории США, так как в лесах практически отсутствует мохово-лишайниковый покров. В бореальной зоне России мохово-лишайниковые покровы распространены очень широко, и поэтому американское деление для территории нашего государства является некорректным
Мертвые ЛГМ в США делятся на четыре класса: легкое, среднее, тяжелое и очень тяжелое горючее, в зависимости от величины “временного лага” (time lag). Временной лаг – это период времени, в течение которого происходит потеря двух третей того количества влаги, которое может испариться при стандартных условиях воздушной среды из данного образца (слоя) ЛГМ.
Следует заметить, что временной лаг – это постоянная величина для данного образца (слоя) ЛГМ и не зависит от его влагосодержания. К первому классу относятся ЛГМ со средним временным лагом 1 ч (0–2 ч). Обычно это усохшие травянистые растения и сухие древесные частицы диаметром до 6 мм. Ко второму классу относятся ЛГМ со средним временным лагом 10 ч (от 2 до 20 ч). Обычно это опавшие сучья диаметром от 6 до 25 мм. Остальные классы горючего с точки зрения прогноза возникновения низовых пожаров нас не интересуют и подробно мы их рассматривать не будем. В этой классификации из категории живых ЛГМ исключены все растения и их части диаметром более 6 мм. Следует различать живые ЛГМ, способные активно гореть и поддерживать горение (хвоя, багульник болотный, вереск).
В американской системе классифицируются по временному лагу также и напочвенные слои ЛГМ. К первому классу относится верхний слой опада, толщиной до 6 мм; ко второму классу – слой опада (подстилки) на глубине от 6 до 25 мм; к третьему классу относится слой подстилки, расположенный на глубине от 25 до 100 мм; к четвертому классу относятся слои подстилки, торфа, перегноя, расположенные на глубине от 100 до 300 мм. Скорость высыхания слоев опада и подстилки зависит не только от глубины их расположения, но также от режима их почвенного увлажнения. В американской системе вообще не фигурируют слои из мхов и лишайников.
В канадской системе CFFDRS в качестве эталона для оценки пожарной опасности по условиям погоды выбран трехслойный комплекс ЛГМ, соответствующий напочвенному покрову из зеленого перистого мха с включением в него опадом сосновой хвои при достаточно мощном нижнем слое подстилки. Канадский эталонный комплекс ЛГМ сходен с тем, который использовался при разработке российских лесопожарных показателей засухи. Это покров из зеленых мхов в сосняках на дренированных почвах, состоящий из трех слоев: 1) верхний слой мха толщиной 3 – 4 см, 2) нижний слой мха толщиной 2 – 4 см, 3) слой подстилки толщиной 2.5 – 4.5 см.
Слои ЛГМ классифицируют и по их пространственному расположению в биогеоценозах. Некоторые российские пирологи выделяют три слоя, из которых нас интересует средний (мхи, лишайники, мелкий опад, усохшая трава), так как именно он подвергается действию источников огня. В тоже время, Гришин выделяет целых девять ярусов в структуре лесного массива (с учетом слоя атмосферы).
В канадской классификации ЛГМ тоже делят на три большие группы: 1) почвенные ЛГМ (ground fuels), включая перегной, торф, корни; 2) напочвенные ЛГМ (surface fuels), включая опад листвы, хвои, травы, мелкие кустарники, крупный валеж; 3) кроновое горючее (crown fuels), куда входят ветки с хвоей и листвой и отмершие сучья. В США ЛГМ делят с учетом не только их местоположения в биогеоценозе, но также возможности и характера распространения по ним горения.
В классификации Н.П. Курбатского при делении всех слоев ЛГМ на группы учитывается не только их местоположение в биогеоценозе, но также и выполняемая ими функция при пожаре. Все ЛГМ разделены на три категории: 1) проводники горения, 2) поддерживающие горение, 3) задерживающие горение.
К проводникам горения отнесены ЛГМ, которые образуют непрерывные слои, по которым может распространяться горение. Главным образом, это слои мхов, лишайников и мелких растительных остатков (опад, травяная ветошь, порубочные остатки). По ним распространяется пламенное горение при низовых пожарах.
Кроме того, если запас вегетирующих трав в абсолютно сухом состоянии превосходит запас травяной ветоши, пламенное горение становится невозможным. Главную роль при возникновении и распространении низовых пожаров играют ЛГМ I категории. Эта группа разделена на 11 типов напочвенного покрова в связи с геоботаническими биоморфоциклами. Однако, напочвенные покровы, значительно различающиеся в геоботаническом плане, могут быть однотипны в пирологическом. Позднее данная классификация была усовершенствована посредством выделения 10 пирологических типов мохово-лишайникового и мертвого покровов. Кроме того, свои классификации предлагали Э.В. Конев, А.П. Яковлев и М.А. Шешуков.
Для физико-математического и прогностического моделирования задач теории лесных пожаров, в том числе оценки ЛПО, большое значение имеют теплофизические характеристики слоя ЛГМ, а также термокинетические постоянные процессов сушки и пиролиза ЛГМ. Предпринимались попытки развить теоретически обоснованный подход к классификации ЛГМ и учесть сведения по физическим свойствам и теплотворной способности различных видов ЛГМ. В качестве типичных примеров можно привести результаты наблюдений за пожарным созреванием основных проводников горения в следующих регионах – Ленинградская область, Архангельская область, европейская часть России, Томская область, Горный Алтай, Красноярское Приангарье, Эвенкия, Западный Саян и хр. Танну-Ола в Туве, Красноярская лесостепь, хр. Хамар-Дабан в Бурятии, Читинская область, юго-запад Якутии, юг Хабаровского края.
Как для оценки природной пожарной опасности биогеоценозов, так и для расчетов возможного поведения лесных пожаров необходимы сведения о запасах ЛГМ. Используя карты РГМ можно прогнозировать предотвращение лесных пожаров.
Считается, что заблаговременный отжиг является главным способом защиты объектов от сильных лесных пожаров. Однако не следует забывать о чрезвычайном происшествии в Лос-Аламосе (погибли леса на территории 20000 га, в городе сгорело 500 домов, деятельность Лос-Аламосской национальной лаборатории (LANL) была практически прекращена). Причиной пожаров стали профилактические выжигания остатков сухой прошлогодней растительности. Технологию упреждающего отжига следует использовать в совокупности с прогнозным моделированием и оценкой состояния ЛГМ и РГМ в этот момент.
Определение типов основных проводников горения (ОПГ) может быть выполнено тремя способами.
1) Определение типов ОПГ в выделах через типы леса в таксационных описаниях. Точность определения в этом случае не высока, так как все участки, отнесенные к одному типу леса, автоматически получают типовую (одинаковую) пирологическую характеристику. Но "типичные" участки встречаются нечасто.
2) Определение типов ОПГ также через типы леса, отмеченные в таксационном описании. Но связь между типами ОПГ и типами леса устанавливается в результате специальных полевых исследований.
3) Характеристика выделов по типам ОПГ проводится непосредственно при наземной таксации или при дешифровании аэрофотоснимков.
В настоящее время на основании карт РГМ составляются карты природной пожарной опасности, которые показывают готовность к горению выделов в заданный период сезона при заданном классе засухи. Кроме того, карты РГМ могут использоваться для прогнозирования скорости распространения, интенсивности и поведения пожаров и выбора оптимальной тактики защиты от них. Конечной целью должна стать комплексная программная система, для разработки которой предлагается сочетание трех разных подходов: вычислительно-расчетных алгоритмов, технологии геоинформационных систем и технологии экспертных систем. Преимущества ГИС-технологии для решения задач анализа географически привязанной информации широко известны. Применение технологии экспертных систем обуславливается, во‑первых, направленностью на формирование рекомендаций для лиц, принимающих решения, а во-вторых, информация, на основе которой принимаются решения, во многом носит качественный характер. Используемые величины имеют нечеткую, размытую семантику, а методы, их использующие, являются эмпирическими или эвристическими. Разработана экспертная система, база знаний которой и стратегия нечеткого вывода построены на основе методики по оценке и прогнозированию пожарной опасности с использованием карт РГМ. Можно отметить, что часть лесов возле населенных пунктов нередко располагается не на территории гослесфонда, а на землях бывших колхозов и совхозов. Это обстоятельство осложняет составление карт РГМ и прогнозирование ЛПО.
При подготовке настоящего выпуска были использованы следующие источники:
Баранов Н.М. Влияние сезонного развития травостоя на пожарное созревание лесных участков в горах Хамар-Дабана // Моделирование в охране лесов от пожаров. Красноярск: ИлиД СО АН СССР. 1979. С. 86 – 89.
Валендик Э.Н., Матвеев П.М., Софронов М.А. Крупные лесные пожары. М.:Наука, 1979. 198 С.
Валендик Э.Н., Кисиляхов Е.К., Верховец С.В. Пожарная опасность на вырубках в темнохвойных лесах Красноярского края // Лесное хозяйство. 2003. № 3. С. 36 – 38.
Волокитина А.В., Софронов М.А. Классификация и картографирование растительных горючих материалов. – Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2002. 314 С.
Волокитина А.В. Пирологическая оценка типов леса красноярского приангарья // Лесные пожары и борьба с ними. М.: ВНИИЛМ, 1987. С. 104 – 116.
Волокитина А.В., Ноженкова Л.Ф., Софронов М.А., Назимова Д.И. Прогноз чрезвычайных ситуаций при пожарах растительности вблизи населенных пунктов // Сопряженные задачи механики и экологии: Материалы международной конференции. Томск: Изд-во Том. ун-та, 2000. С. 39 – 48.
Вонский С.М., Жданко В.А. Принципы разработки метеорологических показателей пожарной опасности в лесу. (Методические рекомендации). Л.: ЛенНИИЛХ. 1976. 47 С.
Гаврилова Т.А., Хорошевский В.Ф. Базы знаний интеллектуальных систем: учебное пособие для студентов вузов, обучающихся по направлениям "Прикладная математика и информатика", "Информатика и вычислительная техника" и по специальностям "Прикладная информатика" (по областям), "Прикладная математика и информатика". СПб. и др: Питер. 2001. 382 С
Гришин А.М. Математическое моделирование лесных пожаров и новые способы борьбы с ними. Новосибирск: Наука, 1992. 408 С.
Гришин А.М., Синицын С.П., Акимова И.В. Сравнительный анализ термокинетических постоянных сушки и пиролиза лесных горючих материалов // Физика горения и взрыва. 1991. Т. 27. № 6. С. 17 – 24.
Гришин А.М. Моделирование и прогноз техногенных и экологических катастроф // Математическое и физическое моделирование сопряженных задач механики реагирующих сред и экологии: Избранные доклады международной конференции. Томск: Изд-во Том. ун-та. 2000. С. 64 – 87.
Диченков Н.А. Географичность запасов лесных горючих материалов // Лесохозяйственная информация. 1992. Вып. 257. С. 156 – 160.
Добровольский В.В. География почв с основами почвоведения. Учебник для студ. высш. учеб. заведений. – М.: Гуманит. изд. центр. ВЛАДОС, 2001. 384 С.
Курбатский Н.П. Исследование свойств и количества лесных горючих материалов // Вопросы лесной пирологии. ИлиД СО АН СССР, Красноярск, 1970. С. 5 – 58.
Курбатский Н.П. Терминология лесной пирологии // Вопросы лесной пирологии. Красноярск: ИлиД СО АН СССР. 1972. С. 171 – 231.
Курбатский Н.П. Техника и тактика тушения лесных пожаров. М.: Гослесбумиздат. 1962. 154 С.
Конев Э.В. Физические основы горения растительных материалов. Новосибирск: Наука. Сибирское отд-ние. 1977. 239 С.
Нестеров В.Г. Горимость леса и методы ее определения. М.; Л.: Гослесбумиздат, 1949. 76 С.
Ноженкова Л.Ф. Технология построения экспертных геоинформационных систем принятия решений по предупреждению и ликвидации чрезвычайных ситуаций. Автореф. дис. … д-ра техн. наук. Красноярск, 2001. 41 С.
Софронов М.А. Лесные пожары в горах Алтая // Вопросы лесной пирологии. Красноярск: ИЛиД СО АН СССР. 1970. С. 241 – 272.
Терешков В.И., Вильчик С.И., Ноженкова Л.Ф. Красноярская краевая интегрированная информационно-экспертная система по чрезвычайным ситуациям // Проблемы безопасности при чрезвычайных ситуациях, 1995. Вып. 11. С. 77-83.
Фуряев В.В. Пожары в тайге Кеть-Чулымского междуречья // Вопросы лесной пирологии. Красноярск: ИЛиД СО АН СССР. 1970. С. 273 – 320.
Шешуков М.А., Нешатаев В.В., Найкруг И.Б. Некоторые принципы составления планов противопожарного устройства // Лесное хозяйство. 1973. № 6. С. 48 – 53.
Шешуков М.А. Биоэкологические и зонально-географические основы охраны лесов от пожаров на Дальнем Востоке. Автореф. дисс. … д-ра с.-х. наук. Красноярск. 1988.
Яковлев А.П. Пожароопасность сосновых и лиственничных лесов // Лесные пожары в Якутии и их влияние на природу леса. Новосибирск: Наука. Сибирское отд-ние. 1979. С. 195 – 213.
Alexander M.E., Lawson B.D., Stocks B.J., Van Wagner C.E. User guide to the Canadian Forest Fire Behaviour Prediction System: rate of spread relationships / Canadian Forest Service Fire Danger Group. 1984. 73 P.
Burgan R.E., Rothermel R.C. Behave: fire behaviour prediction and fuel modeling system – fuel subsystem / USDA Forest Service. General Technical Report INT-167. 1984. 126 P.
Canadian Forest Fire Danger Rating System / B.J. Stocks, M.E. Alexander, R.S. McAlpine at all. – Canadian Forestry service, 1987. – 500 P.
Deeming J.E., Burgan K.E., Cohen J.D. The national fire-danger rating system. Ogden, Utah: USDA Forest Service, General Technical report. INT-39. 1978. 66 P.
Van Wagner C.E. Development and structure of the Canadian Forest Fire Weather Index System / Petawawa. Canadian Forest Service. Technical report 35. – Ontario, 1987. 37 P.
