Елена Сергеевна Андреева, доктор географических наук, доцент, профессор кафедры безопасности жизнедеятельности и защиты окружающей среды
344003, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1
Elena S. Andreeva, Dr. Sci. (Geogr.), Associate Professor, Professor of the Department of Life Safety and Environmental Protection
1, Gagarin Sq., Rostov-on-Don, 344003
Галина Александровна Сергеева, кандидат географических наук, доцент кафедры безопасности жизнедеятельности и защиты окружающей среды
344003, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1
Galina A. Sergeeva, Cand. Sci. (Geogr.), Associate Professor of the Department of Life Safety and Environmental Protection
1, Gagarin Sq., Rostov-on-Don, 344003
Ирина Виссарионовна Богданова, кандидат технических наук, доцент кафедры безопасности жизнедеятельности и защиты окружающей среды
344003, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1
Irina V. Bogdanova, Cand. Sci. (Eng.), Associate Professor of the Department of Life Safety and Environmental Protection
1, Gagarin Sq., Rostov-on-Don, 344003
Введение. В научной литературе довольно активно обсуждается тема математического моделирования развития лесных пожаров для прогнозов скорости их распространения и площади, которую они охватят. С точки зрения процессов турбулентности оцениваются потенциальная высота и отклонение столбов огня, дыма, горячего воздуха, разброс частиц горения и рациональные направления гашения огня. Однако известные модели не дают четкого представления о том, как срабатывает турбулентность при переходе пожара с приповерхностного слоя на нестационарный приземный и выше. Иными словами, сложно просчитать переход низового пожара в его более опасную интенсивную форму. Восполнение этого недостатка — актуальная научная и прикладная задача. Цель данной работы — уточнить уравнения математических моделей распространения низовых лесных пожаров для лучшего контроля за этими инцидентами, что в итоге будет способствовать уменьшению рисков и сокращению ущерба от них.
Материалы и методы. Для достижения цели исследования были изучены труды, охватывающие разные подходы, как теоретические, так и прикладныепрогнозирования развития пожаров. В качестве основных приняты работы Д.Л. Лайхтмана, А.С. Гаврилова, П.М. Матвеева. Кроме анализа этих литературных источников, авторы применяли статистические методы обработки информации и использовали возможности математического моделирования.
Результаты исследования. Интерпретирована общепринятая эллиптическая форма контура низового лесного пожара в модели Р. Ротермела. Показаны ее недостатки для прогнозирования пятнистых и интенсивных верховых пожаров. Оценено введение в уравнение таких параметров, как относительная влажность воздуха, уклон местности, шероховатость или вязкость поверхности, особенности горящего вещества. Обозначены виды конвекций, характерных для пятнистого и интенсивного верхового пожара: внутренняя (термическая) и внешняя (механическая). Обоснован отказ от учета приповерхностной турбулентности. Для рассмотрения турбулентности приземных слоев воздуха авторы руководствовались представлениями о нестационарности и соответствующих физических закономерностях. В итоге базовая формула модели Р. Ротермела была дополнена вторым слоем, чтобы можно было прогнозировать развитие пожара от низового к интенсивному верховому. Безразмерный параметр 0,397 заменен коэффициентом турбулентности kz, этот показатель внесен в откорректированное равенство Р. Ротермела и дополнен средним числом Ричардсона, которое показывает зависимость между температурой и скоростью диффузии в соседних слоях. Из этих составляющих была сформирована обновленная формула. В виде таблиц представлены результаты моделирования характерных случаев развития конвективной турбулентности и пожаров (с учетом и без учета турбулентности). Сводные данные позволяют говорить об адекватности модели, созданной в рамках представленной работы.
Обсуждение и заключение. При уточнении полуэмпирической модели Р. Ротермела для нестационарного приземного слоя обосновано введение коэффициента турбулентности. Кроме того, показана необходимость дополнения однослойной модели формулами второго уровня, характеризующими развитие пожара в нестационарном приземном слое. Откорректированная модель должна более эффективно прогнозировать параметры пятнистых и интенсивных верховых пожаров. Перспективны дальнейшие уточнения уравнений полуэмпирических моделей лесных пожаров. Целесообразно продолжить исследования в этом направлении.
Introduction. The scientific literature is actively discussing the topic of mathematical modeling of forest fires development to predict the speed of spread and area covered. From the perspective of turbulent processes, the height and deflection of fire, smoke, and hot air columns, as well as the spread of combustion particles and rational directions for extinguishing the fire, are evaluated. However, existing models do not provide a clear understanding of how turbulence occurs during the transition of a fire from a near-surface to an unsteady surface layer and higher. In other words, calculating the transition from ground fire to its more intense form remains a challenge. Addressing this gap is an urgent scientific and practical task. The aim of this study is to refine the equations of mathematical models for predicting the spread of forest fires, in order to better control these incidents, which will ultimately help reduce risks and damage from them.
Materials and Methods. To achieve this goal, we studied works covering different approaches, both theoretical and practical, devoted to the problem of predicting the development of fires. The works of D.L. Laikhtman, A.S. Gavrilov, and P.M. Matveev were accepted as the main ones. In addition to analyzing these literary sources, the authors applied statistical methods of information processing and used the possibilities of mathematical modeling.
Results. The generally accepted elliptical shape of the contour of a ground forest fire in the R. Rothermel model has been interpreted. Its disadvantages for predicting spot and intense crown fires have been demonstrated. The introduction of parameters such as relative humidity, terrain slope, surface roughness or viscosity, and features of the burning substance into the equation has been evaluated. The types of convection typical of spot and intense crown fires have been indicated: internal (thermal) and external (mechanical). The decision not to consider near-surface turbulence has been justified. To account for surface air layer turbulence, the authors have relied on the concepts of instability and corresponding physical laws. As a result, the basic formula of the R. Rothermel model was supplemented with a second layer so that it was possible to predict the development of a fire from a ground one to an intense crown fire. The dimensionless parameter of 0.397 was replaced by turbulence coefficient kz. This indicator was introduced into the corrected R. Rothermel equation and supplemented with the average Richardson number, which showed the relationship between temperature and the diffusion rate in neighboring layers. From these components, an updated formula has been developed. The results of simulations for typical cases of convective turbulence and fires, with and without turbulence, were presented in tables. Based on the summary data, we could conclude that the model developed within the scope of this work was adequate.
Discussion and Conclusion. When refining the semi-empirical R. Rothermel model for an unsteady surface layer, the introduction of a turbulence coefficient is justified. In addition, it is shown that it is necessary to supplement the single-layer model with second-level formulas characterizing the development of a fire in an unsteady surface layer. The adjusted model should more effectively predict the parameters of spot and intense crown fires. Further refinements of equations for semi-empirical forest fire models are promising, and it is advisable to continue research in this area.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.