Разработка методов оценки воздействия лесного пожара на воздушную среду населенных территорий

brief description

Введение...5

Глава 1 Актуальность проблемы лесных пожаров...10

1.1 Общее описание лесов Хабаровского края...10

1.2 Лесные пожары...14

1.3 Влияние пожаров на функционирование региона...16

1.3.1 Ущерб от лесных пожаров на глобальном и локальном уровне...17

1.3.2 Основные подходы к определению ущербов от лесных пожаров...19

1.4 Система показателей для комплексной оценки опасности лесных пожаров ...21

Выводы...25

Глава 2 Пожарная ситуация 1998 года в Хабаровском крае...27

2.1 Актуальность данных о ситуации 1998 года для исследования...27

2.2 Характеристика пожароопасного периода...28

2.3 Структурирование и преобразование данных о лесных пожарах...32

2.4 Статистический анализ характеристик лесных пожаров 1998 года...36

ч 2.4.1 Расстояние от городской территории...36

'' 2.4.2 Анализ расположения пожаров относительно розы ветров...37

2.4.3 Анализ распределения пожаров по площади...38

2.4.4 Анализ распределения пожаров по месяцам пожароопасного периода...43 Выводы...46

Глава 3 Метод оценки воздействия лесного пожара на воздушную среду населенных

территорий и его реализация на примере лесных пожаров 1998 года...47

3.1 Метод оценки воздействия лесного пожара на воздушную среду населенных территорий...47

3.2 Основные элементы моделирования...50

3.3 Описание реализации модели загрязнения воздушной среды выбросами лесных пожаров...51

3.3.1 Первый этап-анализ состава выбросов лесного пожара...51

3.3.2 Второй этап-определение параметров источников...56

3.3.3 Третий этап-формирование таблиц параметров...70

. 3.3.4 Четвертый этап-расчет полей концентраций загрязняющих веществ на

исследуемой территории...73

Выводы...77

Глава 4 Качественная и количественная оценка загрязнения воздушной среды населенных территорий в период лесных пожаров...79

4.1 Анализ загрязнения по данным замеров...79

4.2 Анализ загрязнения по данным моделирования...83

4.2.1 Сопоставление данных замеров и моделирования...84

4.2.2 Анализ загрязнения по исследуемым веществам...86

4.2.3 Анализ по территориальному распределению загрязнения...88

4.2.4 Анализ вкладов источников...94

4.3 Количественная оценка уровня загрязнения в период лесных пожаров...94

4.4 Качественная оценка опасности загрязнения воздуха на основе анализа заболеваемости населения до и после 1998 года...96

Выводы...107

Глава 5 Нейросетевое моделирование распределения загрязняющих веществ в воздушной среде и его применение в экологическом мониторинге...109

5.1 Этапы экологического мониторинга...109

5.2 Реализация модуля для визуализации пожарной ситуации...111

5.3 Моделирование распределения полей концентраций загрязняющих веществ на основе искусственных нейронных сетей...113

5.3.1 Основные элементы искусственных нейронных сетей...113

5.3.2 Построение нейросетевой модели распределения полей концентраций...115

5.3.3 Обучение нейросетевой модели...118

5.3.4 Моделирование значений концентраций между контрольными точками и получение прогнозных оценок...120

5.3.5 Определение степени влияния входных параметров на моделирование распределения концентраций...121

5.3.6 Программная реализация нейросетевой модели...124

Выводы...126

Заключение...128

Список используемых источников...133

Приложения...141

Приложение 1. Данные о лесных пожарах 1998 г...141

Карта-схема поквартального деления Комсомольского лесхоза...142

Отчет о пожарах, на территории патрулирования Комсомольского

авиаотделения охраны лесов...145

Данные о пожарах в Комсомольском лесхозе...165

Приложение 2. Мощности выброса лесных пожаров по основным

ингредиентам...171

Приложение 3. Результаты вариантов расчетов...176

Приложение 4. Данные о показателях заболеваемости населения г.Ком
Введение

ВВЕДЕНИЕ

Проблема негативных воздействий человека на окружающую природную среду, ее деградации, защиты от загрязнений является одной из глобальных проблем современности. Лесные пожары, оставаясь одним из мощных природных факторов, влияющих на глобальные изменения окружающей среды, сегодня в большинстве случаев возникают по вине человека. Следы этого явления можно найти на каждом континенте. Хорошо известны своими катастрофическими последствиями пожары последних лет в США, Мексике, Австралии, России. В Хабаровском крае крупные лесные пожары регистрируются каждые 10 лет (1968, 1978, 1988 гг.), а катастрофических масштабов достигают в среднем раз в 22 года (1954,1976,1998 гг.).

Тепловые и дымовые выбросы обширных лесных пожаров меняют динамику атмосферы, процессы циркуляции воздушных масс, и тем самым, погодные условия в отдельных регионах. Особенности рельефа ряда населенных мест края, расположенных в долинах и межгорных котловинах, обуславливают застойные явления воздушных масс, устойчивую направленность ветров, длительные периоды безветрия, что усиливает воздействие интенсивной и длительной задымленности от лесных пожаров, создавая серьезные угрозы для здоровья населения.

При оценке последствий лесных пожаров учитываются, прежде всего, масштабы прямого ущерба: непосредственная угроза жизни людей, объектам техносферы, природным объектам, находящимся в зоне пожара, ценность и объемы поврежденной древесины, угроза сохранению биоразнообразия. В то же время косвенный ущерб от пожара, обусловленный ухудшением состояния здоровья населения, вызванного длительной задымленностью, и снижающий эффективность деятельности всех отраслей промышленности, может оказаться больше по своей величине и значимости. Для крупных промышленных центров с высоким индексом загрязнения атмосферы косвенный ущерб от воздействия длительной задымленности приобретает особое значение.

Учет таких ущербов затруднен отсутствием приемлемых методов и средств для оценки воздействия лесного пожара на уровень загрязнения атмосферы населенных территорий.

По сравнению с другими компонентами геосферы атмосфера имеет ряд присущих только ей особенностей - высокую подвижность, изменчивость составляющих ее элементов и своеобразие молекулярных реакций. Загрязнение атмосферного воздуха — это постоянно действующий общепризнанный фактор, оказывающий отрицательное воздействие на здоровье горожан. Для определения соответствия качества воздушной среды городов установленным нормативам используются методы измерений и расчетов.

Измерения позволяют дать оценку уровня загрязнения применительно к здоровью человека путем сопоставления с санитарно-гигиеническими нормативами (для атмосферного

5

воздуха - это предельно допустимые концентрации (ПДК) вредных веществ). Наблюдение за состоянием воздушной среды ведет служба Росгидромета на стационарных постах, соответствующих характерным точкам города. Такие точки отражают ситуацию в районах города со сходными источниками загрязнения (зона влияния предприятий, зона влияния автомагистралей и т.д.).

Расчетные методы дают представление о значениях концентраций в зоне влияния промышленных предприятий, при соблюдении ими нормативов предельно допустимых выбросов (ПДВ) и возникновении неблагоприятных для рассеивания примесей в атмосфере погодных условий в рассматриваемом районе города.

В случае задымленности воздушной среды города, вызванной выбросами от лесных пожаров метрологические и расчетные методы оценки уровня загрязнения, разработанные для стандартных городских источников загрязнения, становятся неприемлемьми. Это обусловлено постоянным изменением во времени параметров исследуемого источника, наличием различных вероятностей скорости распространения, направления развития и масштаба лесного пожара, а значит постоянным изменением во времени и в пространстве распределения концентраций загрязняющих веществ. В таких условиях затруднительно выделить характерные зоны или точки со сходными условиями, поэтому данные замеров на стационарных постах становятся малоинформативными. Для г. Комсомольска-на-Амуре с населением около 286 тысяч человек ситуация осложнена еще и тем, что все посты наблюдений размещены лишь в одном из двух, практических равных по населенности округов города. Расчетные данные в зоне влияния предприятий могут быть использованы только как данные о фоновом загрязнении в соответствующих районах.

Для разработки планов превентивных мероприятий, адекватных размерам возможного прямого и косвенного ущерба, требуется наличие эффективных методов и средств оценки характера и уровня воздействия лесных пожаров на воздушную среду населенных территорий с учетом изменения распределения концентраций загрязняющих веществ в местах пребывания различных групп населения.

Наиболее перспективный подход к решению подобных задач - сочетание инструментальных измерений концентраций загрязняющих веществ в отдельных точках и методов моделирования распределения загрязнения на всей исследуемой территории. Такой подход позволит определять тенденцию изменения уровня загрязнения и степень опасности ситуации в режиме краткосрочных и среднесрочных прогнозов. Применение теории искусственных нейронных сетей в качестве математического аппарата для моделирования даст возможность реализовать модель распределения загрязняющих веществ в атмосферном воздухе, использующую данные замеров (мониторинговых наблюдений) в определенных точках для восстановления значений концентраций на площадке, ограниченной этими точками.

6

Для оценки уровня загрязнения, сформированного выбросами лесных пожаров необходима разработка применимых на практике методов и средств, которые бы позволяли:

- получать распределение концентраций на территории города с учетом их изменения во времени;

- оценивать эквивалентные уровни загрязнения;

- определять тенденцию возможного изменения уровня загрязнения в ближайшее время.

Наличие таких оценок даст возможность выполнения всестороннего и многофакторного анализа всех аспектов зависимости между количественными и качественными характеристиками задымленности, с одной стороны, и видом и скоростью ответной реакции населения на предъявленное воздействие, с другой. А также позволит определять размеры косвенных ущербов от лесных пожаров, обусловленных ухудшением здоровья населения и повысить эффективность мероприятий по борьбе с пожарами и защите населения.

Целью работы является разработка методов для анализа и комплексной оценки воздействия лесного пожара, учитывающих изменение качества воздушной среды населенных мест под влиянием лесных пожаров, и степень опасности ситуации в режиме ретроспективной оценки и прогноза.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе определены следующие задачи:

1. Разработать систему показателей, позволяющую повысить адекватность определения уровня опасности лесных пожаров, учитывая воздействие продуктов горения на качество воздуха населенных мест и изменение показателей заболеваемости населения.

2. Исследовать ситуацию с лесными пожарами в районе г. Комсомольск-на-Амуре в мае-октябре 1998г. на основе сбора, структурирования и анализа исходной информации о пожарах, данных о замерах концентраций загрязняющих веществ и значениях метеорологических показателей на стационарных постах, данных о показателях заболеваемости населения города.

3. Разработать информационную модель для расчета полей концентраций в зоне задымления лесного пожара на примере пожарной ситуации 1998г. с использованием методик расчета рассеивания загрязняющих веществ в атмосфере.

4. Разработать математическую модель на основе искусственных нейронных сетей (ИНС), позволяющую исследовать и прогнозировать распределение концентраций загрязняющих веществ на местности между заданными контрольными точками и оценивать значимость факторов, влияющих на распределение концентраций на исследуемой территории.

5. Разработать метод оценки воздействия лесных пожаров на воздушную среду населенных территорий, основанный на моделировании распределения загрязняющих веществ, и дать качественную и количественную оценку загрязнения воздуха на примере лесопожарно-го периода 1998 г.

Основное содержание диссертационной работы, посвященное описанию решения поставленных задач, изложено в пяти главах. По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ.

В первой главе дано общее описание лесов Хабаровского края и их роли в функционировании региона. Приводится характеристика лесного фонда края, и в частности Комсомольского района по видам древесных пород и запасам древесины, а также другим видам растительных и животных ресурсов дальневосточных лесов. Лесные ресурсы региона широко используются, на их добыче и переработке базируется лесной комплекс, который традиционно является одним из ключевых для экономики Хабаровского края. Анализируется ситуации с лесными пожарами в Хабаровском крае. «Годы пожаров» имеют определенную периодичность: лесные пожары достигают катастрофических масштабов (300 - 400 тысяч га) раз в 22 года, а пожары уровнем ниже возникают каждые 10 лет. Рассмотрены основные причины выхода пожарной ситуации из-под контроля (несвоевременные или недостаточные меры тушения пожаров, позднее обнаружение, отсутствие современных технологий и достаточных средств для их ликвидации и т. п.). Последняя часть главы посвящена вопросам влияния пожаров на функционирование региона, включающим как локальные и глобальные ущербы, так и экономические проблемы, последствия, порождаемые лесными пожарами.

Во второй главе дана характеристика пожароопасного сезона 1998 г. в Хабаровском крае. Рассмотрен комплекс причин, сформировавший чрезвычайно высокие показатели го-римости: всего в крае возникло 1279 лесных пожаров, на общей площади 2,1 млн.га. Описана сформированная база данных, содержащая информацию о более чем 300-ах лесных пожарах в четырех лесхозах: Комсомольском, Уктурском, Гурском и Нижне-Тамбовском, на основе данных отчета Комсомольского-на-Амуре авиаотделения Дальневосточной базы авиалесоох-раны. Выполнен статистический анализ характеристик лесных пожаров по следующим параметрам: расстояние от городской черты, расположение относительно розы ветров, распределение по величине площади пожара, распределение по времени горения.

В третьей главе предлагается метод оценки воздействия лесного пожара на воздушную среду населенных территорий.

Описано построение предлагаемой автором информационной модели пожарной ситуации 1998 г. для исследования загрязнения воздуха г. Комсомольск-на-Амуре. Лесной пожар рассмотрен как источник загрязнения атмосферы с изменяющимися параметрами. Основное внимание уделено вопросам конкретной реализации предложенных идей. Описан

8

принцип перехода от статических моделей, описанных в традиционных методах расчета рассеивания и реализованных в стандартизованных программных продуктах, к динамическим моделям, пригодным для описания чрезвычайных ситуаций, связанных с продолжительными лесными пожарами. Анализируется состав дымов и газов лесных пожаров. Приводятся результаты расчета для каждого лесного пожара мощностей выброса ко всей продолжительности горения пожара по расширенному списку из 11 веществ, также был рассчитан общий валовый выброс всех источников и выполнен анализ валового выброса по месяцам и по составу, входящих загрязняющих веществ. Рассмотрено формирование таблиц параметров, отражающих изменение моделируемой ситуации во времени и пространстве. Всего было заполнено 67 вариантов исходных статических моделей для расчета. Выполнен расчет полей концентраций выбросов лесных пожаров.

В четвертой главе дана количественная и качественная оценка уровня загрязнения. Дано обоснование достоверности полученных результатов путем сравнения с данными замеров на городских постах Росгидромета в рассматриваемый период июль-август 1998 г. В четвертой части выполнен анализ полученных результатов в 67-ми вариантах расчета, каждый из которых представлял собой поверхность, состоящую из совокупности точек в узлах расчетной площадки 64 на 46 км с шагом 1 км, покрывающей территорию города и ближайших окрестностей, отражающих характер загрязнения на территории г. Комсомольск-на-Амуре по 11-ти веществам в исследуемый момент времени. Анализ выполнен по отдельным веществам, по территориальному распределению загрязнения, по вкладам источников, выявлены районы города, где концентрация достигала наибольших значений чаще всего. Дана оценка уровня загрязнения, которая соотнесена с анализом заболеваемости населения города в период с 1994 - 2003 гг. Основное внимание уделено динамике показателей заболеваемости различных групп населения, что позволяет сделать выводы о сроках проявления влиянии задымленности на здоровье.

В пятой главе выполнено моделирование распределения полей концентраций ЗВ на основе нейросетевого подхода, позволяющей применять разработанный метод оценки воздействия ЛП на воздушную среду и решать задачи прогнозирования в условиях неполноты и неточности информации. Анализируются преимущества и недостатки, ограничения использования предложенных подходов к анализу загрязнения атмосферы над населенными территориями лесными пожарами. На основе анализа рекомендуются области наиболее эффективного применения рассматриваемых моделей.

Глава 1. Актуальность проблемы лесных пожаров

1.1 Общее описание лесов Хабаровского края

Общая площадь Хабаровского края составляет 78,8 млн. га, из них непосредственно покрытых лесом земель - 52,3 млн. га, что составляет 66,4% территории. В крае сосредоточены огромные запасы древесины: на его долю приходится 34% лесопокрытой площади Дальнего Востока и около 40% запасов древесины. Общий запас древесины составляет 5 млрд.м3, в том числе спелых и перестойных насаждений 3 млрд.м3 [76]. Лесные земли края, хотя они в значительной степени освоены, все еще сохраняют естественный характер. Распределение лесного фонда по видам древесных пород [70] представлено в таблице 1.1

Таблица 1.1

Хвойные Лиственные Кустарники Всего

сосна и кедр ель и пихта лиственница всего

Распределение покрытых лесом земель по преобладанию древесных пород, млн. га 1,7 8,5 25,2 35,4 6,3 5,6 47,3

Распределение запаса древесины по преобладанию древесных пород, млн. м 239 1430 2603 4272 490 231 4993

Средний запас древесины по преобладанию древесных пород, м /га 144 167 103 121 78 41 106

На долю хвойных пород приходится около 86% лесов края, среди них: лиственничников - 53%, пихтово-еловых лесов - 18%, кедровостланичников - 11,5% [6].

Несмотря на то, что по имеющимся данным, 90% лесных ресурсов считаются эксплуатационными, доступными для автотранспорта являются только около 20% лесных земель, а что касается остальных 80% - то сюда можно добраться только воздушным транспортом. Для наглядности, следует сказать, что по площади продуктивные леса края равны Финляндии, Швеции и Норвегии, вместе взятым [14].

Леса Хабаровского края представлены в зонах тайги (хвойных лесов) и смешанных хвойно-широколиственных лесов (Согласно геоботаническому районированию растительности Дальнего Востока по Б.П. Колесникову [44,45]).

10

Зона тайги в северной части края представлена средней подзоной хвойных лесов -здесь преобладают пихтово-еловые, лиственничные и сосновые леса. Основными видами лесопользования в этих районах являются охота, рыбная ловля, сбор ягод и грибов, хозяйственное значение лесов ограничено из-за их труднодоступности. Леса центральной части относятся к подзоне южной тайги, и включают еловые и лиственничные леса, являясь основной лесосырьевой зоной, которая чаще всего подвергается лесным пожарам.

Зона хвойно-широколиственных лесов занимает южную и центральную часть края и представлена северной подзоной, включающей кедровые и широколиственные леса с участием ели и пихты. Она подвергается воздействиям циклонов, приходящих с юго-востока. Пожароопасный период обычно длится здесь до конца октября.

Контроль и организацию лесопользования осуществляет Хабаровское управление лесами, которое является структурным подразделением Рослесхоза в Хабаровске и координирует работу 42 лесхозов и 160 лесничеств.

В центральной части Хабаровского края располагается Комсомольский район, с административным центром в г. Комсомольск-на-Амуре. Более 80% территории района занято лесами, состав которых разнообразен по составу благодаря соседству зоны тайги и кедрово-широколиственных лесов. Характеристики запасов древесины в районе приводится в таблицах 1.2-1.4 [90]

Таблица 1,2 Распределение запасов древесины

Показатели Комсомольский район

Площадь лесов, тыс. га

Общая 2 455,5 1 728,2 832,9 711,8 70

Лесопокрытая

Спелых и перестойных, в т.ч. хвойных

Процент лесистости

Запасы древесины, млн. м3

ВСЕГО: в т. ч. спелых в т. ч. хвойных 250,2 161,8 143,2

11

Таблица 1.3

[У

Площадь лесного фонда и структура запасов древесины по лесхозам

Лесхозы Общая площадь лесного фонда, тыс. га Процент породы деревьев в составе запасов древесины

Хвои ные Твердолист-венные Мягколиствен-ные

Комсомольский 259 83,3 — 16,7

Гурский 666 76,6 5,9 17,5

Уктурский 803 83,3 11,1 16,7

Нижне-Тамбовский 1001 85,6 7,3 7,3

Таблица 1.4

Концентрация запасов древесины

Лесхозы Концентрация запасов, м3 на га, покрытых лесом Хозяйственное значение лесов

1 группа 2 группа 3 группа

Комсомольский 70-100 Орехопромысло-вая зона Эксплуатационное

Гурский 70-100 ti — __!!__

Уктурский 150-250 — - __II__

Нижне-тамбовский 150-250 Заповедное — И

Структурные подразделения лесопользователей на территории Комсомольского района представлены в таблице 1.5.

Таблица 1.5

Лесхоз Лесничество Площадь, га

Комсомольский 343976

Городское

Галичное

Бокторское

Хурбинское

12

Продолжение таблицы 1.5

Лесхоз Лесничество Площадь, га

Гурский 70000

Картельское

Даппинское

Пиванское

Снеженское

Селихинское

Мачтовое

Уктурский 802630

Уктурское

Джаурское

Гурское

Нижне- 460243

Тамбовский Нижнетамбовское

Ильинское

Ягодное

Леса края богаты недревесными растительным ресурсам - это орех кедровый и стла-никовый, брусника, голубика, грибы - запасы которых оцениваются в 84 тыс.т, что занимает второе место по дальневосточному региону. А также лекарственные растения, 253 вида из которых, распространены широко. Многочисленны животные ресурсы дальневосточных лесов, только охотничьих животных около 130 видов, среди которых, ценнейший промысловый зверек - соболь, составляющий 81,5% пушных заготовок. Велик перечень редких видов животных, охраняемых и занесенных в Красные книги, многие виды являются эндемиками.

Дальневосточные леса имеют особо большое значение, так как выступают главным стабилизатором экосистем региона, играют ведущую роль в охране водных ресурсов и сохранении почвенного покрова. Это крайне важно для защиты уникальных дальневосточных нерестилищ лососевых рыб - ценнейшего природного ресурса.

Второй аспект значимости природных ресурсов края - экономический. Лесные ресурсы региона широко используются, на их добыче и переработке базируется лесной комплекс, который составляет значительный сектор экономической, социальной и экологической активности на Дальнем Востоке. Традиционно являясь одним из ключевых для экономики Хабаровского края, лесной комплекс обеспечивает своей продукцией и услугами работу многих

13

отраслей региона, прежде всего строительства и транспорта. На него приходится значитель-¦^ ная доля экспортных поставок региона: в 1993 г. на лесные товары приходилось 20% дальне-

восточного экспорта, а в Хабаровском крае в 1994 г. лесные продукты составили 56% экспорта [70].

Структура лесного комплекса Дальнего Востока типична для сырьевого района. Традиционно наиболее развито лесозаготовительное производство, нацеленное на добычу качественного и экономически эффективного (по текущей оценке) сырья, почти всегда в ущерб состоянию лесосырьевой базы. Это явно противоречит стратегическим целям развития комплекса и экологическим требованиям. В конце 1980-х гг. и вплоть до 1991 г. региональный лесной комплекс давал 10% товарной продукции промышленности, в нем было занято 12% всего трудоспособного населения и 13% промышленно-производственного персонала. К 1994 г. доля лесного комплекса упала до 4,9% промышленной продукции региона и он был максимально представлен в структуре промышленности Хабаровского края (8,5%). Заготовка и переработка древесины - основные отрасли хозяйства Комсомольского района, по размерам заготовки древесины район занимает третье место в крае [70].

1.2 Лесные пожары

(у- Для всего Дальнего Востока, и для Хабаровского края, в частности, лесные пожары

характерное явление. Это обусловлено следующими факторами: с одной стороны, близостью к лесам населенных пунктов и интенсивным использованием лесных территорий, что влечет большое количество возгораний по вине человека; с другой стороны, расположением большинства лесных массивов в отдаленных районах, куда затруднена доставка средств тушения и людей, именно в таких районах огонь охватывает десятки тысяч гектаров и пожар действует до нескольких месяцев. По оценкам экспертов только 15 - 30% причин возникновения пожаров - молнии и другие природные факторы, а 70 - 85% — действие человека.

Контроль за лесными пожарами возложен на лесное хозяйство и его отряды специализированной авиационной охраны. Сотрудники авиалесоохраны должны с воздуха обнаружить пожар, при необходимости вызвать парашютистов для тушения. В то время, когда осуществлялось полноценное бюджетное финансирование лесного хозяйства, оно могло контролировать пожарную обстановку в крае, но и тогда ситуация выходила из-под контроля, если количество возгорании намного превосходило средние показатели. В нынешней экономической ситуации при сокращении бюджетного финансирования пожарный контроль был г«*^ значительно ослаблен и возможность превентивного управления ситуацией практически от-

сутствовала. Ежедневное патрулирование лесной территории стало «непозволительной рос-

14

кошью». Авиалесоохрана вылетала на уже действующие пожары, а эти задержки приводили t**v к разрастанию пожаров на сотни гектаров. Системы грозопеленгации и спутникового мони-

торинга позволяют с большой вероятностью обнаружить лишь крупные пожары - более 100 га, а такие пожары практически невозможно потушить силами группы парашютистов.

Тем не менее, на территории края достаточно широко применяют системы мониторинга лесных пожаров, не только для обнаружения очагов, но и для оперативной оценки площадей лесных гарей.

В современных методах оперативного мониторинга лесных пожаров широко используются спутниковые системы дистанционного зондирования Земли. На борту каждого спутника находится измерительный комплекс, состоящий из набора сканирующих радиометров различного назначения и разрешения. Наиболее высоким пространственным разрешением из них обладает сканирующий радиометр AVHRR (Advanced Very High Resolution Radiometer), регистрирующий тепловое излучение. Обнаружение пожаров на снимках Земли из космоса возможно благодаря значительной разнице температур земной поверхности (обычно не выше 10° - 25° С) и очага пожара (300° - 900° С), что приводит к разнице в тепловом излучении этих объектов в тысячи раз. Эта особенность позволяет, при съемке тепловой аппаратурой с пространственным разрешением 1 км, обнаружить очаг пожара площадью 100 м2, или зону тления площадью 900 м2, но это при условии отсутствия задымленности и облачности. ¦у Из современных спутников для целей оперативного пожарного мониторинга наиболь-

шее применение нашли спутники серий NOAA (радиометр AVHRR с пространственным разрешением 1100 м и полосой обзора - 3000 км) и EOS (спутники Terra и Aqua с установленным на них радиометром MODIS с пространственным разрешением 250, 500, 1000 м и полосой обзора 2330 км). Каждая из этих спутниковых систем позволяет осуществлять оперативный контроль обширных территорий с получением данных не реже 6 раз в сутки (спутники серии NOAA) и 4 - 6 раз в сутки (спутники серии EOS).

По данным полярных спутников серии NOAA, получаемым на станции приема начиная с 1996 г., в ИКФИА СО РАН ведутся работы по мониторингу лесных пожаров. Процедура оперативного обнаружения активных очагов лесных пожаров по данным одного пролета спутника NOAA составляет не более часа после начала сеанса приема данных. В качестве рабочего алгоритма детектирования очагов используется автоматизированный пороговый алгоритм, позволяющий с высокой вероятностью обнаруживать активные очаги лесных пожаров.

В [75] представлены результаты анализа сопоставления спутниковых данных и по-

^ жарных сводок авиалесохраны, которые показали высокую эффективность системы лесопо-

жарного мониторинга территории Якутии по данным спутников NOAA. Очаги пожаров раз-

15

мером более 100 га обнаруживаются практически всегда. С уменьшением площади очагов на ¦**» вероятность обнаружения начинают заметно влиять облачность, задымленность, неопти-

мальные условия съемок (время, край полосы обзора и т.д.).

Многие исследовательские центры занимаются разработкой и усовершенствованием алгоритмов автоматического определения очагов. Так специалистами ИТЦ СканЭкс в приложении ScanViewer реализован аппарат, позволяющий проводить автоматическое детектирование очагов лесных пожаров по данным радиометра AVHRR, входящего в состав бортового измерительного комплекса ИСЗ серии NOAA. Сочетание алгоритмов автоматического обнаружения с визуальным просмотром изображения и наложением картографической информации составляет основу интерактивной технологии обнаружения и мониторинга лесных пожаров.

Недостаток этих методов, заключается в том, что точно определить можно лишь крупные пожары, как указывалось выше, работники авиалесоохраны не могут справиться с тушением таких пожаров своими силами. В такой ситуации целесообразно интегрировать системы автоматизированного обнаружения пожаров с методами определения приоритетных для тушения пожаров, основанными на использовании моделей, позволяющих оперативно' обрабатывать, анализировать поступающую исходную информацию и на ее основе строить область возникновения «максимальных» последствий при наихудшем развитии ситуации.

V-

1.3 Влияние пожаров на функционирование региона

Воздействие лесных пожаров на окружающую среду и человека обуславливает экономические, экологические и социальные ущербы (рис. 1.1). По масштабу воздействия последствия лесных пожаров можно определить как локальные и глобальные, а по характеру влияния на эффективность деятельности человека - как прямые и косвенные. К прямому ущербу относятся выраженные в стоимостной форме затраты, потери и убытки, обусловленные именно лесным пожаром в данное время и в данном конкретном месте, а к косвенному -потери и убытки, обусловленные вторичными эффектами (например, заболевание вследствие действия задымленности, ухудшение экономических показателей в будущем). Косвенный ущерб, в отличие от прямого, может проявляться через длительный отрезок времени. Подобное структурирование достаточно условно, так как все последствия взаимосвязаны и взаимообусловлены, что усложняет получение адекватных оценок ущерба от лесного пожара в целом.

16

Последствия воздействия лесных пожаров на окружающую среду и человека

—] Экономические h

Потери древесины, в т.ч. повреждение молод-няков, ресурсов побочного лесопользования

Расходы на тушение, расчистку го-рельников и др. восстановительные работы

Убытки других отраслей: прекращение авиа-, ЖД-, автоперевозок, судоходства и др.

_L

Экологические

Загрязнение продуктами горения воздушной среды, водной среды, почв:

- Уничтожение кислорода

- Тепловое загрязнение

- Массовый выброс парниковых газов

- Изменение микроклимата

- Задымление и загазованность атмосферы

Гибель животных и растений

Снижение биоразнообразия

J

Социальные

Гибель и травматизм людей, непосредственно в зоне пожара

Ухудшение психофизиологических показателей населения: физических, эмоциональных, интеллектуальных, репродуктивных, наследственности

Рост заболеваемости населения

Уменьшение продолжительности жизни

I

Изменение качества окружающей среды, качества жизни, эффективности деятельности населения, увеличение экономических рисков

"*¦ Прямое воздействие

" *" Косвенное воздействие

Рис. 1.1. Структура последствий лесных пожаров.

1.3.1 Ущерб от лесных пожаров на глобальном и локальном уровне

Глобальный ущерб проявляется в двух аспектах — это выделение парниковых газов, которое вызывает глобальное потепление, что приводит к изменениям климата, а также утрата биоразнообразия.

Проблемой лесных пожаров занимаются многие зарубежные исследовательские центры и научные группы. Это одно из приоритетных направлений, поддерживаемых правительствами США, Канады, Австралии и Кореи. Исследования в основном посвящены проблеме влияния лесных пожаров на глобальные изменения климата [97,100]. Лесные пожары происходят и в тропиках (влажные тропические леса и саванны), и в умеренной зоне, и в северном лесу, это - действительно глобальное явление. Продукты горения биомассы включают двуокись углерода, угарный газ, метан, окислы азота и взвешенные частицы. Двуокись углерода и метан — основные парниковые газы.

17

Список литературы