В настоящее время в мире ежегодно регистрируется около 7 млн. лесных пожаров. Каждый год в огне пожаров погибают около 70 тыс. человек. Россия, как по количеству пожаров, так и по числу человеческих жертв занимает одно из первых мест в мире. Ежегодно в нашей стране при пожарах гибнут от 15 до 18 тыс. человек, а экономический ущерб составляет 11 миллиардов рублей. Особенно сложная ситуация наблюдается в регионах Сибири и Дальнего Востока, где показатели обстановки с пожарами превышают средние по России более чем в 1,5 раза, а число погибших при пожарах на 10 тыс. человек превышает в 4-5 раз показатели ряда областей европейской части страны.

Основную часть природных пожаров составляют пожары в лесах. В отличие от обстановки с пожарами в населённых пунктах, в последние годы наметилась тенденция увеличения количества лесных пожаров. Так, в России в 2000 году зарегистрировано 18,9 тыс. пожаров, в 2001 году - 20,9 тыс. пожаров, а в 2002 году уже 34,3 тыс. пожаров. Лесные пожары охватывают площади от нескольких сотен до нескольких миллионов гектаров в год и оказывают разрушительное воздействие на окружающую среду.

В зависимости от того, где распространяется огонь, пожары делятся на низовые, верховые и подземные [15].

При низовом пожаре сгорают лесная подстилка, мхи, травы, опавшие на землю ветки и т.п., подрост и подлесок. Скорость движения пожара по ветру 0,25-5 км/ч. Высота пламени до 2,5 метров. Температура горения около 700C (иногда выше).

Низовые пожары бывают беглые и устойчивые [16]:

· При беглом низовом пожаре сгорает верхняя часть напочвенного покрова, подрост и подлесок. Такой пожар распространяется с большой скоростью, обходя места с повышенной влажностью, поэтому часть площади остаётся незатронутой огнём. Беглые пожары распространяются в основном весной, когда просыхает лишь самый верхний слой мелких горючих материалов.

· Устойчивые низовые пожары распространяются медленно, при этом полностью выгорают живой и мёртвый надпочечный покровы, сильно обгорают корни и кора деревьев, полностью сгорают подрост и подлесок. Устойчивые пожары возникают преимущественно с середины лета.

Верховой лесной пожар охватывает листья, хвою, ветви и всю крону, может охватить (в случае повального пожара) травяно-моховой покров почвы и подрост. Скорость распространения составляет от 5 до 30 км/ч. Температура - от 900 до 1200C. Верховые пожары развиваются обычно при засушливой ветреной погоде из низового пожара в насаждениях с низко опущенными кронами, в разновозрастных насаждениях, а также при обильном хвойном подросте. Верховой пожар - это обычно завершающая стадия лесного пожара. Область распространения имеет яйцевидно-вытянутую форму. Верховые пожары, как и низовые, могут быть беглыми (ураганными) и устойчивыми (повальными):

· Ураганный пожар распространяется со скоростью от семи до тридцати километров в час. Возникают при сильном ветре. Опасны высокой скоростью распространения.

· При повальном верховом пожаре огонь движется сплошной стеной от надпочвенного покрова до крон деревьев со скоростью до 8 км/ч. При повальном пожаре лес выгорает полностью.

При верховых пожарах образуется большая масса искр из горящих ветвей и хвои, летящих перед фронтом пожара и создающих низовые пожары за несколько десятков, а в случае ураганного пожара иногда за несколько сотен метров от основного очага.

Подземные (почвенные) пожары в лесу чаще всего связаны с возгоранием торфа, которое становится возможным в результате осушения болот. Распространяются со скоростью до одного километра в сутки. Подземные пожары могут быть малозаметны и проникать на глубину до нескольких метров, вследствие чего представляют дополнительную опасность и крайне плохо поддаются тушению (торф может гореть без доступа воздуха и даже под водой). Для тушения таких пожаров необходима дополнительная разведка.

По силе низовые пожары делятся на:

· Слабый низовой пожар. Скорость распространения не превышает одного метра в минуту, высота составляет до 0,5 метра.

· Средний низовой пожар. Скорость распространения от одного до трёх метров в минуту, высота - до полутора метра.

· Сильный низовой пожар. Скорость распространения свыше трёх метров в минуту, высота - больше полутора метра.

По силе верховые пожары делятся на:

· Слабый верховой пожар. Скорость распространения до трёх метров в минуту.

· Средний верховой пожар. Скорость распространения до ста метров в минуту.

· Сильный верховой пожар. Скорость распространения свыше ста метров в минуту.

Сила почвенного пожара определяется по глубине выгорания:

· Слабый почвенный пожар. Глубина прогорания не превышает 25 см.

· Средний почвенный пожар. Глубина прогорания - 25-50 см.

· Сильный почвенный пожар. Глубина прогорания составляет более 50 см.

Оценка пожаров по площади:

· Загорание. Огнём охвачено 0,1-2 гектара.

· Малый. Огнём охвачено 2-20 га.

· Средний. Огнём охвачено 20-200 га.

· Крупный. Огнём охвачено 200-2000 га.

· Катастрофический. Огнём охвачено более 2000 гектаров.

Средняя продолжительность крупных лесных пожаров 10-15 суток при выгорающей площади 450-500 гектаров.

Решение лесопожарной проблемы связано с решением целого ряда организационных и технических проблем и, в первую очередь, с проведением противопожарных и профилактических работ, проводимых в плановом порядке и направленных на предупреждение возникновения, распространения и развития лесных пожаров.

Мероприятия по предупреждению распространения лесных пожаров предусматривают осуществления ряда лесоводческих мероприятий (санитарные рубки, очистка мест рубок леса и др.), а также проведение специальных мероприятий по созданию системы противопожарных барьеров в лесу и строительству различных противопожарных объектов.

Необходимо помнить, что лес становится негоримым, если очистить его от сухости и валежника, устранить подлесок, проложить 2-3 минерализованных полосы с расстоянием между ними 50-60 м, а надпочвенный покров между ними периодически выжигать.

При тушении лесных пожаров используются следующие способы и технические средства:

· Захлёстывание огня по кромке пожара ветками;

· Засыпка кромки пожара грунтом;

· Прокладка на пути распространения пожара заградительных и минерализованных полос (канав);

· Пуск отжига (встречного низового и верхового огня);

· Тушение горящей кромки водой;

· Применение химических веществ;

· Искусственное вызывание осадков из облаков.

Заградительной называют полосу местности, с поверхности которой удалены лесные насаждения и горючие материалы, минерализованной - полосу местности, с которой удалены также и травяная растительность, лесная подстилка вплоть до минерального слоя почвы.

Выбор способов и технических средств для тушения пожаров зависит от вида, силы и скорости распространения пожара, природной обстановки, наличия сил и средств пожаротушения и намеченных приемов тушения.

Одним из способов борьбы с лесными пожарами является отжиг - искусственно вызванный контролируемый огонь, направленный в сторону пожара.

Пуск отжига производится от имеющихся на лесной площади рубежей (дорог, троп, ручьев, минерализованных полос и др.), а при отсутствии таких преград от опорных полос, специально проложенных с помощью взрывчатых веществ, техники или растворов химических веществ. Ширина опорных полос 0,3-0,5 м и более. Перед началом отжига срезают и убирают в сторону подросток и подлесок. Молодняк хвойных пород сваливают вершинами в сторону пожара, валежник и сухостой перебрасывают через полосу и оттаскивают от нее вглубь, чтобы после пуска отжига предотвратить переход огня на кроны деревьев за полосой.

Для зажигания надпочвенного покрова при пуске отжига используются специальные зажигательные аппараты или подручные средства. Пуск отжига следует производить против фронта пожара на расстоянии 10-100 м, а при верховых пожарах - на расстоянии 100-200 м.

Наиболее целесообразным временем проведения работ по остановке пожаров является вечер и раннее утро.

Возможность возникновения лесных пожаров определяется степенью пожарной опасности.

Существующие методики оценки лесопожарной обстановки позволяют определить площадь и периметр зоны возможных пожаров в регионе.

Время развития пожаров определяется временем прибытия сил и средств ликвидации пожара в зону лесного пожара.

лесная пожарная опасность

Существуют несколько методик оценки лесной пожарной опасности. Известные зарубежные системы оценки пожарной опасности, такие как канадская система CFFDRS (Canadian Forest Fire Danger Rating System) [3] национальная система США NFDRS (National Fire Dander Rating System) основаны на анализе многолетних статистических данных о возникновении пожаров. Система CFFDS начала разрабатывать с 1960-х годов Канадской Лесной Службой (Canadian Forest Service, CFS). Надо сказать, что Канадская и Американская методики очень похожи друг на друга в своей структуре, в подходах и принципах построения индекса пожарной опасности. Поэтому обе они обладают схожими как достоинствами, так и недостатками. Например, отсутствие физически содержательного смысла величин, фигурирующих в методиках, отсутствие размерности у некоторых величин и относительность оценки пожарной опасности. При построении оценки пожарной опасности используется огромное количество таблиц и поправок, полученных на основе эмпирических данных, а поэтому область применения этих методик ограничивается только лесами этих стран и зонами с идентичным климатом, структурой лесов, населенностью территории и пр.

В настоящее время в России прогнозирование пожарной опасности в лесу производится с помощью оценки пожарной опасности по условиям погоды в соответствии с показателем В.Г. Нестерова. При этом учитывается коэффициент пожарной опасности по шкале И.С. Мелехова.

Также ведутся работы по созданию общих физико-математических моделей лесных, степных и торфяных пожаров. В последнее время развивается физико-математическая теория катастроф. В рамках этих исследований были проведены многолетние экспериментальные исследования в лабораторных и натурных условиях. Были созданы сначала физическая модель лесных пожаров (совокупность причинно-следственных связей, объясняющая все известные экспериментальные данные), а затем общая математическая модель лесных пожаров. В этих рамках можно осуществлять математическое моделирование возникновения, распространения, тушения и экологических последствий лесных пожаров. Разработка общих математических моделей природных пожаров позволила создать физико-математическую теорию этих явлений. Недостатком общих постановок является обилие эмпирических констант и функций и большое количество нелинейных дифференциальных уравнений в частных производных. Поэтому создание научно обоснованной системы прогноза пожарной опасности с учетом метеорологических факторов (скорость ветра, солнечное излучение, температура воздуха и почвы, относительная влажность воздуха), антропогенной (костры, преднамеренные поджоги, искры от транспорта и т.д.) и природной (пожары от молний при сухих грозах) нагрузок, физических процессов (сушка растительных горючих материалов, теплообмен слоя растительных горючих материалов с окружающей средой), происходящих в слое растительного горючего материала, продолжает оставаться актуальной задачей.

В то же время на практике обычно применяют эмпирический индекс Нестерова, достоинством которого является простота и достаточно хорошее качество прогноза в пределах территории, по которой проводился статистический анализ лесных пожаров.

В связи с этим тема дипломного проекта, посвященного разработке системы управления средствами пожаротушения, основанной на прогнозе лесной пожарной опасности с использованием индекса Нестерова, является актуальной и имеющей большое значение для охраны и защиты лесов от пожаров.

Объектом исследования дипломного проектирования является конкретная природная катастрофа - возникновение лесных пожаров.

Целью работы является разработка геоинформационной системы прогноза лесной пожарной опасности, в рамках которой учитываются природные и метеорологические факторы, влияющие на возникновение лесных пожаров.

Поэтому основными задачами дипломного проектирования явились:

1. Проведение обзора современного состояния разрабатываемой проблемы;

2. Разработка методики прогноза лесной пожарной опасности;

3. Сбор данных для системы прогноза лесной пожарной опасности;

4. Разработка геоинформационной системы и программного обеспечения для системы прогноза лесной пожарной опасности.

Значимость проекта для практики состоит в том, что будет начата разработка геоинформационной системы управления средствами пожаротушения на основе прогноза лесной пожарной опасности, которая позволяет предсказывать наиболее вероятное место возникновения лесных пожаров. Зная места с наиболее вероятным возникновением пожара, можно заранее подготовить силы и средства для его тушения, что позволит сохранить огромные финансовые средства и человеческие жизни. Наконец, зная вероятность возникновения пожара, можно оценить объем работ по ликвидации пожаров на всей территории, для которой даётся прогноз, что позволит оперативно принимать управленческие решения при возникновении чрезвычайных ситуаций. Выбранные средства и методы разработки нацелены на создание системы оптимальной для управления средствами пожаротушения на местном уровне.

2. Современные методики прогноза лесной пожарной опасности и их реализации