Прогнозирование и оценка обстановки при лесных пожарах
Лес - это совокупность земли, древесной, кустарниковой и травяной растительности, животных микроорганизмов и других компонентов окружающей среды, биологически взаимосвязанных и влияющих друг на друга в своем развитии.
Россия владеет 22 процентами от общей площади лесов всего мира. Это 1 миллиард 200 миллионов гектаров, или почти две трети территории нашей страны.
Лесные пожары являются основными факторами, определяющими состояние и динамику лесного фонда России, особенно районов Сибири и Дальнего Востока, где площади гарей и погибших насаждений в несколько раз превышают площади необлесившихся вырубок.
На активно охраняемой территории лесного фонда России ежегодно регистрируется от 10 до 35 тыс. лесных пожаров, охватывающих площади от 0,5 до 2,5 млн га. С учетом горимости лесов на неохраняемых и эпизодически охраняемых территориях северных районов Сибири и Дальнего Востока общая величина пройденной огнем площади составляет от 2,0 до 5,5 млн га. В результате сгорания органических материалов с этих площадей ежегодно выделяется от 14 до 40 Мт углерода. Пожары - главный природный фактор гибели лесов России. Лесные пожары стали называть истинным хозяином русского леса.
Основной период действия природных пожаров на территории Российской Федерации - с апреля по октябрь. В конце весны горят леса Приморья, Алтая, Бурятии и Поволжья. Ближе к середине лета огонь перемещается на Северо-Запад России - в Карелию, Ленинградскую, Новгородскую и Псковскую области, а также к Магадану, на Сахалин и в Красноярский край. Осенью территорией огня вновь станут приграничные с Китаем регионы: Бурятия,
Приамурье, Читинская область, а также Хабаровский край. В Сибири и на Дальнем Востоке, по мнению лесоводов, вообще нет лесных участков, не пройденных лесными пожарами за последние сто лет. Огромные площади и слабо развитая дорожная сеть делают последствия лесных пожаров особенно тяжелыми.
Лесной пожар - это неуправляемое (стихийное) горение, распространяющееся по лесной площади.
Лесные пожары принято подразделять на низовые, верховые и подземные (почвенные). В свою очередь низовые и верховые пожары могут быть устойчивыми и беглыми.
Устойчивый низовой пожар распространяется по нижнему ярусу леса (горит напочвенный покров, подлесок, валежник) с малой скоростью (до 0,5 м/мин), охватывая нижние части стволов деревьев и выступающие на поверхность корни.
При беглом низовом пожаре сгорает живой и мертвый напочвенный покров, валежник, самосев леса, хвойный подрост и подлесок, но за счет более благоприятных условий (сухой лес, ветреная погода) такой пожар распространяется с повышенной скоростью (более 1 м/мин) и высотой пламени, обходя места с повышенной влажностью покрова.
Для низового пожара характерна вытянутая форма пожарища с неровной кромкой. Цвет дыма - светло-серый, скорость распространения низовых пожаров против ветра в 6-10 раз меньше, чем по ветру. В ночное время суток скорость распространения пожара меньше, чем днем.
При изменении направления ветра усложняется определение формы пожара - его основных элементов фронта, тыла, флангов. В таких случаях, особенно когда пожар принял большие размеры, возможно окружение огнем людей в лесу. Ориентироваться в обстановке при крупных пожарах можно только с помощью авиационной разведки.
Верховой устойчивый пожар является следующей стадией низового, пламя низового пожара поджигает кроны деревьев, при этом сгорает хвоя, листья, мелкие и более крупные ветви. Переход низового пожара на полог древостоя происходит при сильном ветре, а также в насаждениях с низко опущенными кронами, в разновозрастных насаждениях, или при обильном хвойном подросте (особенно на горных склонах, при распространении огня вверх). Древостой после верхового пожара, как правило, полностью погибает, остаются только обугленные остатки стволов. При верховом устойчивом пожаре огонь распространяется по кронам по мере продвижения кромки низового пожара.
При верховом беглом пожаре, который возникает только при сильном ветре, огонь распространяется по кронам деревьев "скачками", опережая фронт низового пожара. Ветер также разносит горящие ветви, другие мелкие горящие объекты и искры, которые создают новые очаги низовых пожаров на сотни метров впереди основного очага. В ряде случаев огонь "перебрасывается" указанным способом через реки, широкие дороги, безлесные участки и другие кажущиеся рубежи для локализации пожара.
Верховые пожары, выделяя большое количество теплоты, вызывают восходящие потоки продуктов горения и нагретого воздуха и образуют конвективные колонки диаметром в несколько сотен метров. Их поступательное движение совпадает с направлением продвижения фронта пожара. Пламя в середине колонки может подниматься на высоту до 100-120 метров. Конвективная колонка увеличивает приток воздуха в зону пожара и порождает ветер, который усиливает горение.
Форма площади при беглом верховом пожаре вытянутая по направлению ветра. Дым верхового пожара темный.
Подземные (почвенные) пожары возникают на хорошо просохших участках с торфяными почвами или с мощным слоем лесной подстилки (до 20 см и более). Пожар по слою торфа распространяется медленно - до нескольких метров в сутки. Торф и лесная подстилка сгорают на всю глубину сухого слоя или до минеральной (земляной) почвы.
Чаше всего почвенные лесные пожары представляют собой дальнейшую стадию развития низовых. На первой стадии пожара более сухой торфянистый слой выгорает только под деревьями, которые беспорядочно падают, и лесной участок, поврежденный пожаром, выглядит как изрытый. Затем продолжается почвенное воронкообразное горение в глубь торфяного слоя. При ветре горящие частицы торфа и лесной подстилки перебрасываются на соседние участки, способствуя развитию пожара по площади торфопочвы, возникновению низовых пожаров.
К крупным лесным пожарам относят пожары площадью более 200 га в Азиатской части России и более 25 га - в Европейской части России. Крупные пожары чаше всего бывают смешанными - низовыми и верховыми одновременно.
Для возникновения крупных лесных пожаров с переходом в верховые необходимо большое количество действующих очагов (участков) низовых пожаров, сухая жаркая погода (III-V классы пожарной опасности), усиление ветра от умеренного до сильного или штормового.
В таких условиях может происходить слияние многочисленных очагов пожара и образование обширных зон массовых пожаров площадью до сотен тысяч гектаров, создаваться непосредственная угроза уничтожения огнем населенных пунктов и объектов различного назначения, расположенных в лесных массивах или вблизи них.
По многолетним данным, лесные пожары в России по видам распределяются следующим образом: низовые составляют 98% от годового количества пожаров и охватывают 81,4% площади, верховые - 1,5% и охватывают 18,6% площади, почвенные - 0,5%, их площадь 0,02%. В отдельные засушливые годы количество почвенных пожаров возрастает до 2%, но в целом приведенные показатели стабильны.
Почти все крупные пожары возникали и возникают в экстремальных погодных условиях - в засуху.
Засуха - это бездождевой период, достаточно продолжительный для того, чтобы усваиваемая растениями влага в корнеобитаемом слое почвы была исчерпана. Например, критическим условием возникновения крупных пожаров в лесах Сибири и Дальнего Востока являются: весной - 10-дневный период без дождя, летом - 20-дневный, осенью - 30-40-дневный.
В настоящее время аномально жарким в России является каждое второе лето. Если в 90-е годы прошлого столетия повышенная интенсивность пожаров отмечалась раз в три года, то последние шесть лет она наблюдается раз в два года.
Основными поражающими факторами лесных пожаров являются:
теплофизический, проявляющийся в виде пламени, нагрева тепловым потоком, теплового удара, помутнения воздуха;
химический, проявляющийся в виде загрязнения атмосферы, почвы, фунтов, гидросферы.
Критериями чрезвычайной лесопожарной ситуации служат:
наличие крупных лесных пожаров;
количество возникающих в один день и/или одновременно действующих лесных пожаров, превышающее средний многолетний уровень;
наличие лесных пожаров, вышедших из-под контроля лесной охраны.
В лесной пирологии принято классическое определение пожарной опасности - угроза возникновения пожара, выражаемая его вероятностью. Однако в последнее время термин "пожарная опасность" приобретает новое значение в виде угрозы нанесения ущерба в результате деятельности неуправляемых лесных пожаров. Такое определение существенно повышает информативность показателя пожарной опасности, но в то же время требует дополнительных исходных данных.
Пожары ежегодно наносят ущерб лесному хозяйству России в размере 1-5 млрд рублей, обесценивая при этом иногда свыше 200 млн кубометров древесины. Лесные пожары повреждают или уничтожают ценную древесину и пагубно влияют на возобновление ее ресурсов. Лишая почву растительного покрова, они приводят к серьезному и долговременному ухудшению состояния водосборных бассейнов, снижают рекреационную и научную ценность ландшафтов. При этом страдают или гибнут дикие животные, сгорают жилые дома и другие постройки, погибают люди.
Предпосылками чрезвычайной лесопожарной ситуации являются:
малоснежная зима, длительный бездождевой период (15-20 дней) с высокой (выше средней многолетней) среднесуточной температурой воздуха и малой относительной влажностью в начале пожароопасного сезона, когда степень пожарной опасности в лесу по условиям погоды характеризуется IV, V классами пожарной опасности; длительный период с IV, V классами пожарной опасности, атмосферная засуха в любое время пожароопасного сезона;
наличие в лесном фонде бесконтрольных антропогенных источников огня и/или частые грозовые разряды при высокой степени пожарной опасности в лесу по условиям погоды.
Степень пожарной опасности в лесу по условиям погоды определяется по принятому в лесном хозяйстве комплексному показателю В.Г. Нестерова (А), который вычисляется на основе данных о температуре воздуха (в градусах), температуре точки росы (в градусах), количестве выпавших осадков (в миллиметрах) по формуле:
(5.38)
где tвоз - температура воздуха в 12 часов по местному времени, °С; tросы - точка росы в 12 часов по местному времени, °С; n - число дней после последнего дождя.
Общероссийская шкала имеет пять классов пожарной опасности в лесу по условиям погоды (табл. 5.16).
Таблица 5.16
Шкала пожарной опасности в лесу по условиям погоды
|
Класс пожарной опасности по условиям погоды |
Значение комплексного показателя |
Степень пожарной опасности |
|
1 |
До 300 |
|
|
II |
От 301 до 1000 |
Малая |
|
III |
От 1001 до 4000 |
Средняя |
|
IV |
От 4001 до 10 000 |
Высокая |
|
V |
Более 10 000 |
Чрезвычайная |
Для отдельных регионов разработаны региональные шкалы пожарной опасности в лесу по условиям погоды, учитывающие местные особенности и в которых значения комплексного показателя по классам отличаются от значений общероссийской шкалы.
Каждому типу лесного массива соответствует свое значение комплексного показателя K, при котором возможно возгорание лесного массива (табл. 5.17).
Таблица 5.17
Знамения комплексного показателя пожарной опасности, при котором возможно возгорание леса
|
Наименование участка леса |
К |
|
Сосняки - брусничники |
300 |
|
Ельники - брусничники |
500 |
|
Сосняки |
550 |
|
Смешанные |
800 |
|
Лиственные |
900 |
|
Березняки - черничники |
900 |
|
Травяные насаждения |
5000 |
Для России по загораемости может быть выделено три основные группы древесных пород. К первой группе относятся типы лесов, характеризующиеся наибольшей загораемостью (хвойные молодняки, сосняки с наличием соснового подростка), ко второй группе - умеренной загораемости (сосняки, ельники, кедровники), к третьей группе - трудно загорающиеся (березняки, осинники, ольховники и другие лиственные породы).
У распространяющегося лесного низового пожара различают фронт, тыл и фланги, линейные скорости которых в зависимости от скорости ветра Vв, м/с и группы леса по загораемости приведены на рис. 5.2, 5.3.
Рис. 5.2. Зависимость линейной скорости распространения низового пожара от скорости ветра для насаждений первой группы по загораемости (римскими цифрами обозначены классы пожарной опасности погоды)
Приращение периметра пожара ΔΠ (м) за время распространения τ (ч) можно найти по формуле
(5.39)
где Vф - скорость распространения фронта пожара, м/с.
Если начальный периметр пожара П0 (м) известен (задан), то через время с начала пожара τ (ч) периметр будет равен
(5.40)
а площадь пожара S (га) может быть рассчитана по формуле
(5.41)
Доля непригодной к реализации древесины после верхового пожара может быть определена по табл. 5.18.
Рис. 5.3. Зависимость линейной скорости распространения низового пожара от скорости ветра (Ки) для насаждений второй группы по загораемости (римскими цифрами обозначены классы пожарной опасности погоды)
Таблица 5.18
Доля (%) непригодной к реализации древесины по видам после верховых пожаров
|
Вид пожара |
Сосна |
Кедр |
Ель, пихта |
|
Верховой устойчивый |
50 |
30 |
70 |
|
Верховой беглый |
30 |
20 |
60 |
Пример 6. На лесной территории площадью 1000 гас хвойными насаждениями (сосна) установилась жаркая сухая погода с температурой в 12 часов дня tвоз = 25 °С. Принимая, что точка росы равна tросы = 21 °С, определить, через сколько дней после установления жаркой погоды возникает пожароопасная обстановка.
Определить последствия пожара через 24 часа после возникновения, если начальный периметр низового пожара П0 = 10 000 м, а скорость ветра - 4 м/с.
Решение.
1. Из формулы (5.38) с учетом данных табл. 5.17 найдем количество дней, через которое возникает пожароопасная обстановка при условии, что в эти дни tвоз, tросы = const.
Для этого перепишем выражение (5.38):
и решим полученное уравнение относительно п:
Тогда по условиям примера (К= 550 - сосняки)
2. Учитывая, что сосняки относятся к первой группе по загораемости, для скорости ветра Vв = 4 м/с и II класса пожарной опасности (300 < К < 1000 (см. табл. 5.16)), по графику на рис. 5.2, а определяем, что линейная скорость фронта низового пожара равна Vфр ≈ 90м/ч, а линейные скорости распространения флангов Vфл и тыла Vт, определим по графикам на рис. 5.2, б и 5.2, в:
3. Приращение периметра ΔΠ за τ = 24 часа найдем по формуле (5.39)
4. Периметр пожара П через 24 часа после загорания по формуле (5.40) будет равен
5. Площадь пожара через 24 часа после начала будет равна (формула 5.41)
т.е. пожар достигнет границ леса до окончания суток.
6. Определим время, за которое пожар охватит весь лесной массив площадью S0 = 1000 га, используя формулы (5.39) - (5.41), приняв S = S0:
7. Согласно табл. 5.18, в случае возникновения верхового устойчивого пожара 50% леса окажется непригодной к реализации.