SYMULACJA ROZPRZESTRZENIANIA POśARÓW LASÓW SIMULATING THE SPREAD OF FOREST FIRES

Transkrypt

1 poŝar lasu, symulacja SZAJEWSKA Anna 1 SYMULACJA ROZPRZESTRZENIANIA POśARÓW LASÓW W pracy przdstawiono środowisko komputrow przznaczon do symulacji poŝarów lasów. W 004 roku w Polsc wdroŝony został systm lśnj mapy numrycznj, który w połączniu z krótkotrminową cyfrową mapą pogody umoŝliwia dostarczni nizbędnych danych wjściowych do symulacji komputrowj. Za pomocą opracowango programu, moŝna przprowadzać symulacj w zminnych warunkach środowiskowych na róŝnych obszarach lśnych. Wynik pracy zapwnia dostępność narzędzia wspomagającgo podjmowani dcyzji oraz umoŝliwia szacowani strat w warunkach podwyŝszongo ryzyka zagroŝnim poŝaru lasu. Opracowany program posiada takŝ wymiar dukacyjny i szkolniowy dla studntów, analityków oraz słuŝb bzpiczństwa poŝarowgo. SIMULATING THE SPREAD OF FOREST FIRES Th articl prsnts th computr nvironmnt dsignd to simulat a forst fir. In 004 Poland has implmntd systm of numric maps of forsts, which, in combination with a digital wathr forcast map can provid th ncssary input for computr simulation for a mathmatical modl. With th aid of th dvlopd program, simulations undr variabl conditions can b carrid out within diffrnt forst aras. Th outcoms of th papr provids accssibility of a tool supporting th dcision making procss and assssing th damags in th high risk conditions of a forst fir. This work has also an ducational valu to analysts, studnts and fir scurity srvics. 1. WSTĘP Pomimo rozwiniętych tchnik numrycznych i duŝych moŝliwości obliczniowych komputrów, problm prognozowania obszaru powirzchni spalonj podczas poŝaru lasu, ni został rozwiązany. Przyczyną takigo stanu rzczy jst róŝnorodność środowiska, gatunków, wiku drzwostanu oraz wilu innych czynników dotyczących dango obszaru. Istnij jdnak moŝliwość prognozowania przbigu poŝaru i obszaru powirzchni spalonj w oparciu o punkt zapalny i aktualn dan pogodow i topograficzn. 1 Szkoła Główna SłuŜby PoŜarniczj, Wydział InŜynirii Bzpiczństwa PoŜarowgo, Warszawa; ul. J. Słowackigo 5/54. Tl , ania.szajwska@gmail.com

2 361 Anna SZAJEWSKA Opracowywanych jst wil programów komputrowych dotyczących symulacji poŝarów lasów. Jdnak ni moŝna, zaadoptować ich do polskich warunków, gdyŝ dotyczą on główni wilkoobszarowych poŝarów lasów, któr w Polsc występują bardzo rzadko. Problmm stanowi równiŝ to, Ŝ aplikacj opracowywan są głowni dla konkrtnych warunków panujących na danym trni, uwzględniając warunki topograficzn i matriał palny. W 004 roku w Polsc wdroŝono systm lśnj mapy numrycznj, który w połączniu z krótkotrminową cyfrową mapą pogody umoŝliwia dostarczni nizbędnych danych wjściowych do symulacji komputrowj [5]. Opracowywany program komputrowy do polskich warunków, dotyczy śrdnij wilkości poŝarów lasów typu ściółkowgo.. METODYKA Do opracowania symulacji komputrowj wykorzystano cyfrow mapy lasów oraz prognozę pogody w postaci numrycznj. Na rys.1 przdstawiono id działania symulacji poŝaru lasu w postaci diagramu przpływu danych. Rys. 1.Diagram przpływu danych..1 Wyznaczani prędkości rozprzstrzniania się ognia Przyjmuj się, Ŝ w homognicznym środowisku, przy bzwitrznj pogodzi, poŝar przybira kształt okręgu. Natomiast, gdy wij jdnolity wiatr, przybira kształt lipsy

3 SYMULACJA ROZPRZESTRZENIANIA POśARÓW LASÓW 3613 [1,, 3, 4, 5] (rys.3). Przystępna intrprtacja matmatyczna i łatwość obsługi w zakrsi danych wjściowych przyczyniły się do ogólngo przyjęcia takigo kształtu dla komputrowych modli symulacji poŝarów lasów. Przyjęty modl zgodny z zasadą Huygnsa najlpij odwzorowuj rzczywistość przy załoŝniu nizminnych warunków. Pomimo, Ŝ kirunk wiatru w rzczywistości moŝ się zminiać, to przy odpowidnio małym intrwal czasowym kroku symulacji, zminność wiatru ma marginaln znaczni. Przjści z warunków bzwitrznych do warunków z czynnikim wiatru przdstawiono na rys.. P źródło ognia dla warunków bzwitrznych K punkt dojścia ognia dla zadango czasu t I źródło ognia dla warunków witrznych DB t - odlgłość, jaką pokona ogiń w przciwnym kirunku do wiatru a, b, c współczynniki lipsy Rys.. Transformacja prędkości rozprzstrzniania się ognia w zalŝności od wktora prędkości wiatru do układu przstrznngo Wyznaczni prędkości rozprzstrzniania ognia umoŝliwia zastosowani wzoru [1]. V gdzi: V p - prędkość rozprzstrzniania ognia a, b, c współczynniki lipsy p = b b ( c cos Φ + a ) cos Φ + a NalŜy zaznaczyć, Ŝ symulacja dotyczy poŝaru ściółkowgo, który znacząco przwaŝa w rzczywistych akcjach gaśniczych na trni Polski. Sposób wyznaczania współczynników lipsy opracowany został dla tgo typu poŝaru. sin Φ (1)

4 3614 Anna SZAJEWSKA. Zastosowani modlu automatu komórkowgo Do wykonania programu symulacji poŝaru lasu wykorzystano modl automatu komórkowgo. Przznacznim modlu automatu komórkowgo jst środowisko htrogniczn. Las w modlu matmatycznym przdstawiony jst w postaci dwuwymiarowj siatki hksagonalnych klastrów. KaŜdy klastr zajmują drzwa i ściółka lśna, któr z punktu widznia modlu stanowią paliwo. Faktyczna ilość paliwa jst zalŝna m.in. od typu lasu i podłoŝa występującgo na obszarz dango klastra pobrango z cyfrowj mapy lasów. KaŜdy klastr przylga bokami w przstrzni dwuwymiarowj do szściu sąsiadów i moŝ oddziaływać na swoich sąsiadów (rys. 3). Rys. 3. ŚciŜki przjść pomiędzy hksagonami z jdngo punktu zapalngo w warunkach witrznych W kaŝdym kroku symulacji uaktualnian są dan pogodow. Stan klastra w chwili t+1 zalŝy od stanu wszystkich szściu sąsiadów w chwili t i moŝn być wyraŝony wzorm funkcji przjścia []: t+ 1 t t t t t t t S0 = F( S0, S1 ( a), S( b), S3( c), S4( d), S5( ), S6( f )) () gdzi: S 1..S 6 sąsidzi komórki S 0 a..f poszczgóln boki hksagonu Hksagony do modlowania poŝarów lasów zostały zastosowan z powodznim w modlu rozprzstrzniania się ognia Rothmla [6]. W przyjętym synchronicznym modlu, zakłada się, Ŝ kaŝdy automat posiada poza danymi o matrial palnym, szść zminnych do przchowywania wartości typu rzczywistgo. Od chwili dojścia ognia do środka hksagonu następuj rozprzstrzniani się ognia w sposób kspansywny na pozostał boki klastra, zgodni z modlm rozprzstrzniania się ognia w danych warunkach topograficznych i panujących warunków mtorologicznych w danj chwili. Jśli ogiń dochodzi z kilku boków jdnoczśni wówczas wktory prędkości są sumowan

5 SYMULACJA ROZPRZESTRZENIANIA POśARÓW LASÓW 3615 a następni po dotarciu do środka hksagonu następuj propagacja na koljnych sąsiadów. Na rys. 4 przdstawiono idę działania funkcji przjścia hksagonu. Rys. 4. Ida działania funkcji przjścia hksagonu Oblicznia wartości rzczywistych dokonywan są w dyskrtnym czasi z intrwałm t. JŜli w czasi t długość wktora będzi większa od połowy krótszj przkątnj klastra i nastąpi przpłnini, to w koljnj itracji zgromadzony nadmiar zostani przkazany do sąsiada. Po przkazaniu nadmiaru, w komórc zapamiętywany jst całkowity czas dojścia poŝaru do krawędzi komórki. Przd wykonanim symulacji nalŝy ustalić rozmiar klastra. Podczas skalowania, rozmiar klastra powinin być tak dobrany, aby w jdnym kroku symulacyjnym ni następowało przpłnini dla nowo zapalonj komórki. Zbyt mał klastry zwiększają złoŝoność obliczniową. Wpływa to nikorzystni na czas wykonania symulacji. Wyniki symulacji wyświtlan są w postaci graficznj (rys.5).

6 3616 Anna SZAJEWSKA Rys.5. Widok kranu symulacji komputrowj poŝaru lasu przy zminnym kirunku wiatru.3 Prognoza pogody Z względu na swoją spcyfikę, program posiada moŝliwość uruchamiania w warunkach trnowych. Problmm było odbirani prognozy pogody w mijscach bz dostępu do intrntu i zasięgu tlfonii cyfrowj. Nidogodność tą rozwiązano poprzz zastosowani modmu satlitarngo Orbcomm (rys.6.). Rozwiązani jst korzystn z uwagi na wykluczni środków łączności wątpliwych w przypadku np. klęsk Ŝywiołowych. Rys.6. Modm satlitarny Zastosowani dookulnj antny prętowj zapwnia łączność z satlitami orbitalnymi z czasm zwłoki 0..5 minut na południu i minut na północy polski (zalŝni od aktualngo ustawinia satlit, rys. 11).

7 SYMULACJA ROZPRZESTRZENIANIA POśARÓW LASÓW WNIOSKI Praca ma m.in. wymiar dukacyjny i szkolniowy dla studntów, analityków i słuŝb bzpiczństwa poŝarowgo i cywilngo. Za pomocą opracowango programu, moŝna przprowadzać symulacj w zminnych warunkach środowiskowych na róŝnych obszarach lśnych. Na podstawi wyników symulacji moŝna oszacować obszar powirzchni spalonj, zapotrzbowani na wodę i środki gaśnicz dla róŝnych warunków pogodowych, z uwzględninim obciąŝnia ogniowgo dango trnu oraz wyznaczyć najszybszą drogę dojścia poŝaru. Przdstawiony modl automatu komórkowgo zastosowany został w oprogramowaniu komputrowym. Aplikację opracowano przy uŝyciu narzędzia programistyczngo RAD zawirającgo pakit kompilatora Dlhi. Za pomocą opracowango programu, moŝna przprowadzać symulacj w zminnych warunkach przy zminiającj się pogodzi. 4. BIBLIOGRAFIA [1] Lops A.M.G.: Cruz M.G., Vigas D.X., FirSsation an intgratd softwar systm for th numrical simulation of fir sprad on complx topography. Enviromnntal Modlling and Softwar, 00, 17, str [] McAlpin R.S.: Tmporal variations in lliptical forst fir shaps. Canadian Journal Rsarch,1989, 19, str [3] Pastor E., Zárat L., Planas E., Arnaldos J.: Mathmatical modls and calculation systms for th study of wildland fir bhavior. Progrss in Enrgy and Combustion Scinc 003,9 str [4] Richards G.D.: Th proprtis of lliptical fir growth for tim dpndnt ful and mtorogical conditions. Combustoin Scinc Tchnology, 1993, 9 str [5] Wilr K.: Ochrona lasów przd poŝarami. Cntrum Informacyjn Lasów państwowych, Warszawa 007. [6] Zhang Youngzhong, Z-.D. Fng, Han Tao, Wu Liyu, Li Kgong, Duan Xin,: Simulating Wildfir Sprading Procsss In A Spatially Htrognus Landspacaps Using An Improvd Cllular automatom Modl /04/$0.00(C) 004 IEEE