Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Система пирологических характеристик и оценок как основа управления пожарами в бореальных лесах

ВАК РФ 06.03.03, Лесоведение и лесоводство, лесные пожары и борьба с ними

Текст научной работыДиссертация по сельскому хозяйству, доктора сельскохозяйственных наук, Софронов, Марк Адрианович, Красноярск

Российская академия наук Сибирское отделение Институт леса им. В.Н.Сукачёва

На правах рукописи

Софронов Марк Адрианович

СИСТЕМА ПИРОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК И ОЦЕНОК КАК ОСНОВА УПРАВЛЕНИЯ ПОЖАРАМИ В БОРЕАЛЬНЫХ ЛЕСАХ

Специальность 06.03.03 лесоведение, лесоводство, лесные пожары и борьба с ними

Диссертация

г- ■> -в вдае научного доклад

на соискание учёйой стеренй)

/

г. Красноярск, 1998

/

Работа выполнена в Институте леса им.В.Н.Сукачёва Сибирского отделения Российской академии наук

Официальные оппоненты:

доктор сельскохозяйственных наук, профессор Е.С.Арцыбашев доктор технических наук, профессор Г.А.Доррер доктор биологических наук В.Н.Седых

■j ,j

Ведущая организация:

Центр по проблемам экологии и продуктивности лесов

Российской академии наук

Защита состоится " й-L " 1998 г в 10 часов

на заседании диссертационного совета Д 002.70.01 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора наук при Институте леса им. В.Н.Сукачёва СО РАН. Ваши отзывы (в двух экземплярах) просим направлять по адресу: 660036, Красноярск, Академгородок, Институт леса СО РАН, ученому секретарю диссертационного совета Факс: (3912) 43-36-86. E-mail: dndr@ifor.krasnoyarsk.su

С диссертацией в виде научного доклада можно ознакомиться в библиотеке Института леса им. В.Н.Сукачёва СО РАН

Диссертация в виде научного доклада 1-а?ослана « ОЪ 1998 г.

Учёный секретарь диссертационного совета кандидат биологических наук й/сЛЛ^

А.Я.Ларионова

/

/ /

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Проблема пожаров растительности (включая лесные пожары) в глобальном масштабе до сих пор остается нерешенной. В мире почти ежегодно бывают крупные вспышки пожаров. Особенно актуальна проблема пожаров в бореальной зоне и, прежде всего, в многолесной России. В последние годы значительно возросла активность пожаров в Сибири в связи с усилением засух и по причине резкого сокращения ассигнований на лесопожарную охрану.

Главные трудности в решении проблемы обусловлены, во-первых, очень неравномерным распределением пожаров в пространстве и во времени; во-вторых, недоступностью многих территорий для наземного транспорта и, в-третьих, способностью отдельных пожаров растительности быстро увеличивать свои размеры, распространяясь на очень большие площади, что делает брак в контролировании пожаров недопустимым в принципе [25]*.

Анализ самой проблемы и мирового опыта лесопожарной охраны убеждает, что решение проблемы возможно только при условии совершенствования и широкого применения методов оценки и прогнозирования пожарной опасности, прогноза поведения пожаров и их возможных последствий. При этом в качестве методологической и методической основы информационной базы для управления пожарами желательно использовать обобщенную и согласованную систему пирологических характеристик и оценок. Эта система должна включать различные характеристики и оценки (включая методы их получения и использования), по которым можно судить о возможности и вероятности загорания растительного покрова, о вероятном характере горения, об условиях распространением горения по территории и о вероятных последствиях горения - в зависимости от погоды и уровня засухи, по периодам сезона и с учетом географических особенностей. Сюда же относятся оценки фактической горимости растительного покрова и ущерба, наносимого :;.<арами.

Пирологические характеристики и оценки являются, по сути, характеристиками растительности, если под растительностью понимать динамичную (в пространстве и во времени) совокупность растений вместе с динамичной средой их обитания (включая в понятие среды как прямые, так и •свенные факторы, в том числе антропогенные). Очевидно, что для практиках целей наиболее важны пирологические характеристики и оценки как ■ дельных небольших участков растительности, так и целых районов.

• гки на забзты. включённые в «Список с тсст автооа...»

Состояние вопроса. Многие разработки, имеющие отношение к пи-рологическим характеристикам и оценкам, выполнялись в разных странах, включая Россию (СССР), параллельно. Причем почти в каждой стране осуществлялся свой оригинальный методический подход в соответствии с географическими, историческими и экономическими условиями, что ограничивает возможности заимствования и обобщение материалов и результатов разработок. Наибольший интерес представляют разработки сложных систем оценок пожарной опасности в лесах и прогноза поведения пожаров, которые включают ряд подсистем и блоков. Так в США с 1972 года существует национальная система NFDRS (National Fire Danger Rating System), содержащая набор блоков по оценкам различных факторов и расчетам серии индексов. С 1989 года в нее вошла подсистема по прогнозу развития верховых пожаров -MET AFIRE System, содержащая блок LASI - Lower Atmospheric Severity Index (Rothermel, 1991). В Канаде используется система CFFDRS (Canadian Forest Fire Danger Rating System). Она состоит из четырех подсистем. Первой была разработана в 1971 году и дополнена в 1984 году подсистема индексной оценки пожарной опасности в лесах по условиям погоды - FWI (Canadian Forest Fire Weather Index System). В 1984 году появилась вторая подсистема -прогноза поведения лесного пожара - FBP (Canadian Forest Fire Behavior Prediction System). Современная ее версия включает оценки запаса сгорающих при пожаре растительных горючих материалов (РГМ), скорость и интенсивность пожара для 18 типовых комплексов РГМ (Fuel Туре), а также модели развития пожаров, в том числе верховых. Третья подсистема - Assessory Fuel Moisture System - оценивает влагосодержание РГМ, отличных от «стандартного» типа, а также показывает динамику влагосодержания: суточную, сезонную, географическую и ландшафтную. Четвертой является подсистема по прогнозированию возникновения лесных пожаров - FOP (Forest Fire Occurrence Prediction System). Она должна прогнозировать количество возникающих пожаров от молний и человека. Эта подсистема еще разрабатывается (Van Vagner, 1987; Stocks and al., 1989; Stocks and Hartley, 1995).

В России (СССР) вопросы, связанные с пирологическими характеристиками и оценками, начали изучаться в предвоенные и послевоенные годы (Мелехов 1947, 1949; Нестеров, 1949; Курбатский, 1954 и др.). Особенно активно проводились пирологические исследования в 60-70-е годы в Сибири и на Дальнем Востоке под общим, а также непосредственным руководством проф. Н.П.Курбатского. Сильная группа пирологов работала в Лен-НИИЛХе (С.М. Вонский, Е.С.Арцыбашев и др.). Акад. И.С.Мелехов руководил пирологами в МЛТИ и АИЛиЛх'е. В настоящее время в связи с труднейшим финансовым положением науки пирологические исследования значительно сократились.

Благодаря трудам И.С.Мелехова, Н.П.Курбатского, В.Г.Нестерова, С.П.Анцышкина, Г.А.Амосова, С.М.Вонского, А.А.Жданко, Е.С.Арцыба-шева, Г.Н.Коровина, Г.П.Телицына, М.А.Шешукова, Э.В.Конева, А.М.Гришина, Э.Н.Валендика, В.В.Фуряева, Г.А.Доррера, А.В.Волокитиной, П.М.Матвеева, Ю.А.Михалева, Н.И.Вялых, А.И.Сухинина, П.А.Цветкова, М.Д.Евдокименко, Г.А.Ивановой и других (включая автора настоящей работы), были изучены для разнообразных географических условий России общие закономерности возникновения и распространения пожаров растительности, частично - их развития и последствий, исследована физика горения многих видов растительных горючих материалов. Накоплен обширный материал по пирологической характеристике типов леса, по связи горимости растительного покрова с климатическими факторами, по природе лесных пожаров в горах юга Сибири, на севере Европейской части, в Забайкалье, на юге Западной Сибири, в Приангарье, на севере Средней Сибири. Развивается классификация растительных горючих материалов и изучается их высыхание, увлажнение и горение в природных условиях, разработаны методы их картографирования и т. д. Сравнительный анализ убеждает, что разработки наших ученых в теоретическом плане во многом совершеннее зарубежных, но по ряду причин велико у нас отставание в деле накопления информации о фактическом поведении пожаров, особенно высоко интенсивных.

Необходимо обратить внимание на то, что информация, относящаяся к пирологическим оценкам и характеристикам, имеет в России на данном этапе, в общем, довольно разнородный, разнокачественный и по некоторым аспектам неполный характер; сами пирологические оценки и характеристики пока не представляют собой единую, цельную, внутренне согласованную и практичную систему, наподобие американской или канадской систем. (Сейчас по инициативе Г.Н.Коровина (1998) формируется «Система охраны лесов от пожаров (СОЛП)», но она посвящена, в основном, организации лесопо-жарной охраны на федеральном уровне).

Целью исследования и являлось создание обобщенной, внутренне согласованной и практичной Системы пирологических характеристик и оценок (СПХиО) для России. Система должна выполнять функцию информационной базы при оценке и прогнозировании пожарной опасности, при прогнозе поведения пожаров и их возможных последствий. Она может входить в качестве подсистемы в СОЛП.

Для достижения указанной цели решалась задача по разработке научных основ для отечественной Системы пирологических характеристик и оценок, а также задача по созданию первого варианта такой Системы путем анализа, систематизации, уточнения, дополнения и согласования существующих понятий, терминов, характеристик и оценок; путем со-

вершенствования существующих и выполнения новых методических разработок с учетом их практической направленности; все это на основе анализа и обобщения базы фактических материалов. Поставленные задачи выполнены.

Защищаемые положения (решенные задачи):

Теоретические и методические основы для системы пирологиче-ских характеристик и оценок (СПХиО), включая:

1) разработку структуры Системы, уточнение, дополнение и систематизацию понятий и терминов (в том числе сложного понятия «пожарная опасность»);

2) подсистему пирологических характеристик и оценок погоды и климата (с выделением пирологических фенопериодов, использованием усовершенствованного лесопожарного показателя засухи и новой единицы -класса засухи, выполняющего функцию связующего элемента в системе понятий и единиц);

3) подсистему характеристик и оценок природной пожарной опасности для однородных участков растительности и для их совокупностей (районов) на основе разработанной классификации растительных горючих материалов и изученного влияния факторов увлажнения и высыхания;

4) подсистему прогноза поведения пожаров, в которой используются установленные характеристики базовой скорости и интенсивности тепловыделения при низовых пожарах, а также переменные коэффициенты влияния факторов (ветра, относительной влажности воздуха, уклона); кроме того, учитывается динамика пирологической расчлененности территории;

5) подсистему характеристик и оценок реальной пожарной опасности: текущей - на основе типовых районных шкал с сопоставимыми классами; средней - на основе карт растительных горючих материалов и карт опасности загораний;

6) подсистему характеристик и оценок фактической горимости и последствий пожаров, с использованием разработанных шкал по оценке горимости и индекса горимости, шкал по оценке степеней повреждения древо-стоев и таблиц по более точному прогнозу послепожарного отпада;

7) пирологическое районирование в качестве разномасштабной географической основы для всей Системы, которое включает: метод районирования, реализацию метода в ранге областей и округов на территории России и исследованные пирологические особенности ряда регионов.

Научная новизна диссертационного исследования заключается в том, что впервые в России осуществлена разработка научных основ обобщенной системы пирологических характеристик и оценок с целью использования ее при решении проблемы лесных пожаров.

В результате исследований при разработке отдельных частей системы:

- введено новое важное понятие «класс засухи» в качестве связующего элемента между многими характеристиками и оценками;

- разработан метод индивидуальной пирологической характеристики участков растительности на основе классификации растительных горючих материалов и оценки условий их высыхания и увлажнения;

- разработана эмпирическая модель скорости распространения низового пожара на основе базовой («штилевой») скорости и коэффициентов независимого влияния факторов;

- экспериментально установлена функциональная зависимость базовой скорости от интенсивности тепловыделения (кВт / кв. м) при пламенном горении напочвенного покрова;

- введено новое понятие - пирологическая расчлененность территории, предложен метод ее оценки;

- разработан способ оценки реальной текущей пожарной опасности для районов по типовым шкалам с классами на абсолютной основе - вероятной плотности действующих пожаров, в результате чего классы впервые стали сопоставимыми в разных районах;

- на основе выявленных закономерностей распределения пожаров по крупности предложен индекс фактической горимости, объединяющий частоту пожаров и их суммарную относительную площадь;

- после многолетних наблюдений на гарях предложен способ прогнозирования отпада в древостоях после низовых пожаров и разработана классификация повреждения древостоев пожарами, удобная для практики;

- разработан метод пирологического районирования путем выделения территорий с однотипной морфоструктурой растительного покрова и выполнена реализация этого районирования в России на уровне областей и округов; дана их общая характеристика:

- исследованы пирологические особенности ряда регионов (горы Южной Сибири, юг Западной Сибири, Средняя Сибирь).

Личный вклад автора. В течение 36 лет автор принимал ежегодно непосредственное участие в качестве ответственного исполнителя полевых исследований в различных районах Западной, Средней и Восточной Сибири, на европейском и сибирском Крайнем Севере, а с 1969 года являлся научным руководителем тем и разделов, лично участвовал в разработке программ и методик исследований, в анализе и обобщении результатов.

Публикации. Основное содержание диссертационной работы и защищаемые положения отражены в трех монографиях и 53 статьях общим объёмом 72 п. л. Кроме того, 27 сообщений по теме опубликовано в материалах и тезисах конференций и совещаний.

Апробация работы. Результаты исследований и основные теоретические положения диссертационной работы представлены на международных, всесоюзных, всероссийских и региональных конференциях, совещаниях и симпозиумах, в том числе: координационных совещаниях по проблеме лесных пожаров, проводившихся в 1971-85 гг. ИЛиД СО АН СССР и ВНИИПОМлесхозом в г. Красноярске; Первом всесоюзном совещании по проблеме районирования лесного фонда СССР (Красноярск, 1977); заседании Техсовета Гослесхоза СССР (Москва, 1981); Межреспубликанской конференции "Горение и пожары в лесу" (Красноярск, 1984); Всесоюзном научно-техническом совещании «Оперативное управление охраной лесов» (Красноярск, 1984); Всесоюзном научно-техническом совещании "Современные методы профилактики, обнаружения и тушения пожаров" (Петрозаводск, 1985); Научно-технической конференции по проблеме лесных и торфяных пожаров в Западной Сибири (Томск, 1985); Координационном совещании Гослесхоза по проблеме охраны лесов (Красноярск, 1987); Всесоюзной конференции "Аэрокосмический мониторинг таёжных лесов" (Красноярск, 1990); Всесоюзной научной конференции «Эколого-географические проблемы сохранения и восстановления лесов Севера» (Архангельск, 1991); Международном конгрессе "Окружающая среда для нас и будущих поколений" (Красноярск, 1993); Международной конференции «Пожары в экосистемах северной Евразии» (Красноярск, 1993); Международной конференции «Лес, окружающая среда и новые технологии в Северной Европе» (Петрозаводск, 1993); Втором азиатско-океанском симпозиуме «Наука о пожарах и пожарных технологиях» (Хабаровск, 1995); Международной конференции «Интеркарто 2: ГИС для изучения и картографирования окружающей среды» (Иркутск,

1996); Международном семинаре (FAO / ЕСЕ): «Лесные пожары и глобальные изменения» (Шушенское, 1996); Международной конференции «Нарушения в бореальных экосистемах: влияние человека и природные процессы» (США, Дулут, 1997); Международном рабочем совещании (GCTE/PAGES/BAHC) «Пространственно-временные характеристики изменений экосистем высоких широт (Сибирский IGBP-трансект) (Красноярск, 1997); Международном семинаре Всемирного банка «Сохранение биологического разнообразия в Российской федерации» (Улан-Удэ,

1997); Международной конференции «Классификация геосистем» (Иркутск, 1997); Региональной конференции по реализации Федеральной программы развития Нижнего Приангарья (Красноярск, 1997); Всероссийской конференции "Проблемы защиты населения и территорий от чрезвычайных ситуаций" (Красноярск, 1997) и др.

Практическая значимость. Создание обобщенной, упорядоченной, внутренне со�