Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Структура и механизм функционирования системы охраны леса от пожаров

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

Содержание диссертации, доктора сельскохозяйственных наук, Коровин, Георгий Николаевич

Актуальность проблемы. Сохранение и рациональное использование лесов как стабилизатора крупномасштабных биосферных процессов и источника множества сырьевых ресурсов - необходимое условие обеспечения экологической безопасности и устойчивого социально-экономического развития нашей страны и всего мирового сообщества. Среди множества природных и антропогенных факторов, определяющих состояние и динамику лесного фонда России, доминирующую роль играют лесные пожары. Оказывая разрушающее воздействие на флору и фауну, вызывая повреждение органического слоя почвы и ее эрозию, нарушение гидрологического режима территорий и загрязнение атмосферы продуктами горения, лесные пожары в то же время относятся к факторам сохранения естественной динамики многих типов лесных экосистем, их продуктивности и биологического разнообразия.

Лесопожарная политика в нашей стране до последнего времени традиционно сводилась к активной борьбе с огнем на всей доступной для этого территории лесного фонда. Она сопровождалась постепенным наращиванием ресурсов лесопожарных служб и увеличением ассигнований на охрану лесов даже в условиях дефицита государственного бюджета и остаточного принципа финансирования лесного хозяйства. Обременительность для федерального бюджета растущих затрат на охрану лесов в условиях кризисного состояния экономики, отсутствие статистически значимого снижения горимости лесов за последние несколько десятилетий резко обострили проблему научного обоснования требуемого уровня их противопожарной защиты и рационального использования ресурсов, выделяемых на борьбу с огнем.

Осознание сложности экологической роли огня, невозможности и нецелесообразности его полного исключения из жизни леса, повлекло собой признание необходимости перехода от политики активной оорьбы с огнем к политике управления лесными пожарами. Такой пе-шд сопряжен с решением целого ряда проблем в области научной рганизации и управления охраной лесов, мониторинга лесных пожа-~ ов, оценки масштабов их воздействия на состояние и динамику лес-лого фонда, его экологический и ресурсный потенциал.

Сложность организационной и функциональной структуры существующей системы охраны леса от пожаров (СОЛП), стохастический характер условий и результатов борьбы с огнем практически исключает возможность обоснования оптимальных стратегий ее развития и управления лесными пожарами на основе натурных экспериментов. Решение этих проблем методами системного анализа и экономико-математического моделирования неразрывно связано с оценкой пространственно-временной структуры горимости лесов, построением концептуальной модели СОЛП, разработкой методов обоснования стратегий и режимов ее функционирования.

Формирование гибкой СОЛП, способной адаптироваться к непрерывно изменяющейся лесопожарной обстановке в различных регионах страны возможно только при наличии достаточно развитой системы мониторинга лесных пожаров, обеспечивающей регулярное слежение за условиями и процессами возникновения и развития лесных пожаров, масштабами воздействия огня на лесные экосистемы. Построение концептуальной модели такой системы и обоснование структуры ее геоинформационного обеспечения является одним из важнейших аспектов лесопожарной проблемы в России.

Цели и задачи исследований. Целью исследований являлась оценка горимости лесов и масштабов воздействия огня на лесные экосистемы, разработка методов обоснования структуры, параметров и режимов функционирования СОЛП.

Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи:

1. Оценка пространственно-временного распределения лесных пожаров, построение статистических моделей горимости лесов, разработка методов воспроизведения условий и процессов возникновения лесных пожаров.

2. Разработка методов оценки масштабов воздействия лесных пожаров на структуру и динамику лесного фонда, его ресурсно-экологический потенциал.

3. Анализ структуры и механизма функционирования СОЛП, построение ее концептуальной модели, разработка общей схемы экономико-математического моделирования.

4. Анализ и моделирование процессов обнаружения, обслуживания и локализации лесных пожаров, оптимизация технологических схем и режимов функционирования лесопожарных служб.

5. Разработка методов обоснования оптимальных стратегий и распределение ресурсов СОЛП.

6. Разработка методов оценки результатов функционирования и эффективности СОЛП, своевременности ликвидации лесных пожаров и размеров предотвращенного ущерба.

7. Обоснование интегрированной системы мониторинга лесных пожаров, организационной и функциональной структуры ее геоинформационного обеспечения.

Научная новизна.

1. Выявлены общие закономерности пространственно-временного распределения лесных пожаров, обусловленные сезонной и суточной цикличностью природных процессов, а также локальные особенности в структуре горимости лесов, связанные с изменчивостью рельефа местности, структуры лесного фонда и степени его хозяйственного освоения. Построены статистические модели горимости лесов, отражающие случайный характер процессов возникновения и развития лесных пожаров, их зависимость от природно-экономических условий и географических координат местности.

2. Исследовано влияние горимости лесов на структуру и динамику лесного фонда, его ресурсный и экологический потенциал. Разработаны методы оценки масштабов воздействия лесных пожаров на породно-возрастную структуру лесов, допустимые размеры устойчивого лесопользования и объемы годичного депонирования углерода лесной растительностью. Получены приближенные оценки масштабов пожарных и послепожарных эмиссий с территории лесного фонда.

3. Построена общая схема экономико-математического моделирования СОЛП, разработана методология выбора оптимальных стратегий и распределения ресурсов этой системы, основанная на соизмерении ожидаемых затрат и результатов ее функционирования. Предложены методы обоснования технологических схем и режимов работы лесопожарных служб, базирующиеся на моделировании процессов обнаружения, обслуживания и локализации лесных пожаров.

4. Разработана концептуальная схема интегрированной системы мониторинга лесных пожаров, базирующейся на комплексном использовании наземных, авиационных и космических средств и методов наблюдения. Обоснована организационная и функциональная структура геоинформационного обеспечения этой системы, сформулированы общие требования к базам данных, программным и техническим средствам их обработки.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Основные характеристики и статистические модели временной и пространственной структуры горимости лесов, отражающие общие закономерности процессов возникновения и развития лесных пожаров: длительности и сроков наступления пожароопасных сезонов, сезонной и суточной динамики числа и площади лесных пожаров, их пространственного распределения в границах охраняемой территории лесного фонда. Методы воспроизведения горимости лесов и условий функционирования структурных подразделений СОЛП на локальном и региональном уровнях.

2. Методы оценки масштабов возмущающих воздействий лесных пожаров на структуру и динамику лесного фонда, его ресурсно-экологический потенциал. Выявленные зависимости породно-возрастной структуры лесов, допустимых размеров устойчивого лесопользования и масштабов годичного депонирования углерода лесной растительностью от уровня горимости лесов. Приближенные оценки ежегодных объемов пожарных и послепожарных эмиссий углерода с территории лесного фонда России.

3. Общая схема экономико-математического моделирования СОЛП, методы выбора оптимальных стратегий и распределения ресурсов этой системы, обоснования тактических параметров и режимов работы лесопожарных служб: структуры и состава самолетно-вертолетного парка авиалесоохраны, численности и состава авиапожарной службы; режимов авиапатрулирования и графиков дежурства на пожарных наблюдательных вышках; количества и дислокации наблюдательных вышек и пожарно-технических станций, числа дежурных команд на станциях.

4. Методы оценки своевременности обнаружения, обслуживания и локализации лесных пожаров, результатов функционирования и эффективности СОЛП. Модели процессов обслуживания и локализации лесных пожаров, оценки предельных площадей и периметров пожаров к началу тушения.

5. Концептуальная схема интегрированной системы мониторинга лесных пожаров, организационная и функциональная структура геоинформационного обеспечения этой системы. Логическая структура и содержание основных компонентов геоинформационной системы мониторинга лесных пожаров федерального уровня.

Практическое значение работы. Статистические модели гори-мости лесов, отражающие общие закономерности пространственно-временного распределения лесных пожаров и основанные на них методы обоснования структуры, параметров и режимов функционирования СОЛП нашли применение при решении широкого круга задач в области научной организации и управления охраной лесов: разработки генеральных планов и проектов противопожарного устройства лесов, перспективного и текущего планирования авиационной и наземной охраны, диспетчеризации работы лесопожарных служб.

С использованием указанного инструментария осуществлена разработка пакета нормативных материалов по охране лесов от пожаров: нормативы маршрутных и площадных нагрузок на воздушные суда при выполнении авиалесоохранных работ, нормативы обеспеченности структурных подразделений авиалесоохраны пожарными командами, предельные площади и периметры лесных пожаров к началу тушения, оптимальные расписания патрульных полетов [17,47, 51].

Разработанные методы выбора оптимальных стратегий СОЛП и распределения ее ресурсов являются полезным инструментарием для районирования территории лесного фонда по уровню противопожарной защиты лесов с учетом их горимости, относительной ценности насаждений и реальных ограничений на общий объем выделяемых бюджетных ассигнований.

Выявленные зависимости допустимых размеров устойчивого лесопользования и объемов депонирования углерода лесной растительностью от уровня горимости лесов дают возможность более объективно оценивать масштабы лесопожарной проблемы в стране. Они доказывают необходимость учета воздействия лесных пожаров на величину расчетной лесосеки в регионах с высокой горимостью лесов. Полученные оценки объемов пожарных и послепожарных эмиссий углерода позволяют определить вклад лесных пожаров в углеродный баланс атмосферы.

Интеграция наземных, авиационных и космических средств и методов наблюдения за лесными пожарами, организация сопряженной обработки данных дистанционного зондирования, фактологической и картографической информации позволяет обеспечить систематическое слежение за лесопожарной обстановкой практически на всей территории лесного фонда. Она дает возможность существенно повысить оперативность и полноту получаемой информации, обоснованность принимаемых решений по управлению пожарами. Логическая структура интегрированной системы слежения за лесными пожарами, организационная и функциональная структура ее геоинформационного обеспечения реализуется в рамках ГИС мониторинга лесных пожаров федерального уровня.

Апробация работы. Результаты исследований и основные теоретические положения диссертационной работы представлены на многочисленных международных, всесоюзных, всероссийских и региональных конференциях, совещаниях и симпозиумах, в том числе: Международных симпозиумах стран-членов СЭВ по использованию ЭВМ и математических методов в лесном хозяйстве (1973, 1977); Международной конференции «Пожары в экосистемах Севера Евразии» (Красноярск, 1993); Международном конгрессе ЮФЮ (Тампере, Финляндия, 1995); Совещании по Международной гео-сферно-биосферной программе (IGBP) «Изучение северной Евразии (Тсукуба, Япония, 1995); Конференциях Международной научной исследовательской организации по бореальным лесам (IBFRA, 1994, 1996); Международном семинаре «Лесные пожары и глобальные изменения» (Шушенское, 1996); II Международной конференции по лесным пожарам (Ванкувер, Канада, 1997); Всесоюзном научно-техническом совещании по механике реагирующих сред (Красноярск, 1988); Всероссийской научно-технической конференции «Охрана лесных экосистем и рациональное использование лесных ресурсов (Москва, 1994); Второй Всероссийской научно-технической конференции «Защита населения и территорий при чрезвычайных ситуациях в мирное и военное время, как составная часть национальной безопасности России» (Москва, 1997); Международной конференции «Укрепление Российской экономики и политики в области изменения климата» (Москва, 1997) и др.

Публикации: автором опубликовано более 80 научных работ, по теме диссертации - более 60 работ, в том числе 2 монографии.

Содержание и результаты исследований

1. Структура горимости лесов

1.1. Объекты и методика исследований.

Основными объектами исследований являлись совокупность лесных пожаров, возникающих и действующих на территории лесного фонда, и сам лесной фонд, подвергающийся воздействию огня.

Методика исследований базировалась на том, что структура горимости лесов формируется под совместным влиянием климатических и лесорастительных условий, комплекса природных и антропогенных факторов. В основе ее формирования лежит процесс рандомизации, заключающийся в суммировании всех случайно действующих факторов и приводящий к тому, что основные параметры горимости лесов, включая количество лесных пожаров и охватываемую огнем площадь на каждом участке территорий за определенный период времени, имеют характер случайных величин.

Основными источниками информации о лесных пожарах служили материалы учета горимости лесов службой государственной лесной охраны и экспериментальные данные, полученные в результате специальных наблюдений и измерений. Исходная информация о лесном фонде, как объекте воздействия лесных пожаров, включала в себя материалы государственных учетов лесов и специальных обследований гарей и погибших насаждений, а также экспериментальные данные о фитомассе и продуктивности лесных экосистем [А.И. Уткин и др., 1994].

Проблема накопления и систематизации информации о горимости лесов решалась путем создания компьютерной базы данных о 422 тыс. лесных пожарах на активно охраняемой территории за период с 1969 по 1996 годы, а также за счет использования компьютерных баз данных государственных учетов лесов (ГУЛ) по состоянию на 01.01.1988 и 01.01.1993 г.г. Наряду с этим для оценки пространственной и временной структуры горимости использовались результаты более 2,5 тысяч замеров скорости распространения огня, выполненных на действующих лесных пожарах.

Исследование пространственно-временного распределения лесных пожаров базировалось на трех основных гипотезах: 1) о возможности представления неоднородной пространственной структуры горимости лесов в виде совокупности однородных в вероятностном смысле мезоструюур; 2) о возможности выделения во временной структуре горимости лесов интервалов квазистационарности; 3) о существовании специфических особенностей в структуре горимости лесов, связанных с локальной изменчивостью рельефа местности, структуры лесного фонда, уровня развития промышленной и социальной инфраструктуры.

Возможность выделения в сложной пространственной структуре горимости лесов относительно однородных мезоструктур вытекает из подчиненности природно-экономических факторов, формирующих эту структуру, определенным пространственным закономерностям. Наличие такой подчиненности подтверждается результатами большого количества исследований по лесопожарному районированию (И.С. Мелехов, 1946; A.M. Стародумов, 1956; Г.А. Мокеев, 1961, 1962; С.И. Душа-Гудым, 1978; М.А. Шешуков, 1982; М.А. Софронов, 1977, 1979; B.J. Stocks and А.Т. Simard, 1993 и др.).

Возможность выделения в нестационарной временной структуре горимости лесов интервалов квазистационарности следует из цикличности природных процессов, наличия сезонной и суточной периодичности в процессах возникновения и развития лесных пожаров. Последнее отмечается в работах целого ряда отечественных и зарубежных исследователей в области лесной пирологии (И.С.Мелехов, 1947, 1979; А.А.Корчагин, 1954; Н.П.Курбатский,1960; P.Kourtz,1974 и др.).

Временная структура горимости лесов характеризовалась сроками наступления и длительностью пожароопасных сезонов, внутрисе-зонной и внутрисуточной динамикой числа и площади лесных пожаров. Ее исследование включало в себя оценку изменчивости числа и площади лесных пожаров, анализ и выделение периодических (детерминированных) составляющих сезонного и суточного хода горимости, построение и анализ временных рядов, их корреляционных и спектральных функций, построение моделей, описывающих наблюдаемые временные ряды, оценку параметров этих моделей и проверку их адекватности фактическим данным.

Пространственная структура горимости лесов характеризовалась распределением числа и площади лесных пожаров по охраняемой территории, а также по расстоянию до населенных пунктов и путей транспорта. Ее исследование осуществлялось путем построения и статистического анализа цифровых карт территориального распределения числа и площади лесных пожаров. Анализ цифровых карт горимости лесов включал в себя оценку степени концентрации лесных пожаров по территории, построение пространственных корреляционных функций и анализ пространственной корреляционной структуры распределения лесных пожаров.

1.2. Временная структура горимости лесов.

Сроки наступления и длительность пожароопасных сезонов. Анализ временной структуры горимости лесов базировался на представлении о пожароопасном сезоне, как части года, в течение которой угроза возникновения лесных пожаров, их развития и нанесения ущерба достаточно велика, чтобы оправдать организованную борьбу с огнем. Границы пожароопасных сезонов определялись как 2,5 и 97,5 процентам распределения лесных пожаров по календарным датам.

Обработка многолетних (1969-1995 г.г.) данных о лесных пожарах показала, что сроки наступления и длительность пожароопасных сезонов могут быть представлены в виде нормально распределенных случайных величин, с параметрами распределения, зависящими от географической широты местности. Средние значения сроков наступления и длительности пожароопасных сезонов вполне согласуются при этом с границами пожароопасных сезонов, установленными при разработке схемы лесопожарных поясов (И.С.Мелехов, 1946; Г.А.Мокеев, 1964).

Выборочное среднее значение длительности пожароопасных сезонов монотонно убывает с ростом географической широты местности от 210-215 дней в южных широтных поясах до 85-90 дней в северных районах страны. Выборочная дисперсия длительности пожароопасного сезона варьирует в достаточно широких пределах, не проявляя сколько-нибудь выраженных тенденций к убыванию или возрастанию с изменением географической широты местности.

С учетом полученных зависимостей длительность пожароопасного сезона как функция географической широты местности может быть представлена в виде: где: ф - географическая широта местности, град.; £ф - длительность пожароопасного сезона на широте <р°, в днях; с, - среднеквадратиче-ское отклонение длительности сезона, а/» 12,0; т - число календарных дней в году.

Л (1)

Р05СИЙС государств и&лиет

Аналогичное уравнение для даты наступления пожароопасного сезона имеет вид: где: с!ф - дата наступления пожароопасного сезона на широте ф; с^ -среднеквадратическое отклонение случайной величины (I, (аа«8,0).

Локальные особенности в рельефе местности, лесорастительных и климатических условиях могут приводить к статистически значимым отклонениям сроков наступления и длительности пожароопасных сезонов в отдельных регионах страны. В этом случае достаточно ограничиваться оценкой выборочных средних и выборочных дисперсий указанных случайных величин и подстановкой их в формулу нормального распределения [37].

При моделировании конкретных пожароопасных сезонов необходимо учитывать наличие отрицательной корреляции между датой его наступления и длительностью. Наиболее тесная связь между ними наблюдается в северных широтах (64°-72°).

Изменчивость числа и площади лесных пожаров. Оценка изменчивости основных компонент горимости лесов осуществлялась методом дисперсионного анализа. Общая дисперсия каждой компоненты горимости разлагалась на межсезонную, междумесячную и межсуточные составляющие. Такое разложение осуществлялось на уровне клеток географической сетки, широтных поясов и всей активно охраняемой территории лесного фонда, а также на уровне различных административно-территориальных и производственно-территориальных единиц.

Анализ составляющих эмпирической дисперсии показывает, что с увеличением дробности деления территории возрастает роль межсуточной изменчивости числа возникающих пожаров и соответственно снижается доля неопределенности, связанной с междумесячной и межсезонной изменчивостью. В масштабах всей территории лесного фонда на межсуточную составляющую приходится менее 1/3, на уровне широтных поясов - более половины, а на уровне клеток географической сетки - до 9/10 общей дисперсии числа лесных пожаров. Это означает, что учет межсезонной и междумесячной динамики числа лесных пожаров важен при прогнозировании горимости лесов на больших территориях (в целом по стране, крупным регионам), где вклад сезонного хода горимости в общую изменчивость числа пожаров достаточно велик- На уровне структурных подразделений системы охраны леса (лесхозов, авиаотделений, авиазвеньев) основная роль принадлежит межсуточной изменчивости числа пожаров. Она является объектом краткосрочного прогнозирования и должна основываться на учете текущих условий возникновения пожаров.

Изменчивость во времени величины охватываемой огнем площади существенно выше, чем числа лесных пожаров. Коэффициент вариации сезонной площади пожаров в масштабах всей активно охраняемой территории составляет около 70%, а на уровне регионов и структурных подразделений системы охраны он достигает нескольких сотен процентов, что исключает возможность прогнозирования данной компоненты горимости лесов без учета условий и эффективности функционирования лесопожарных служб.

Динамика числа лесных пожаров. Анализ временных рядов суточного, декадного и месячного числа лесных пожаров показывает наличие во всех широтных поясах явно выраженного сезонного хода горимости лесов, свидетельствующего о нестационарности процессов возникновения пожаров. Специфический характер этих рядов в каждом широтном поясе является показателем пространственной неоднородности исследуемого поля горимости лесов. Временные ряды средних значений суточного и декадного числа пожаров имеют сходный характер и отличается наличием высокочастотных колебаний в динамике суточного числа пожаров.

В южных широтных поясах наблюдаются двухмодальные распределения декадного и суточного числа пожаров (рис. 1.1). Первый пик горимости приходится на весенние, а второй на осенние месяцы. Амплитуда первого пика в 2-3 раза превышает амплитуду второго и почти на порядок превышает средние значения декадного и суточного числа пожаров в остальные периоды сезона. Пики горимости в этих широтных поясах совпадают со сроками начала и окончания вегетационного периода, а также с месяцами минимальной влагообеспечен-ности.

С увеличением географической широты местности наблюдается тенденция к постепенному сближению пиков горимости и уменьшению их амплитуды, переходу к унимодальному распределению числа

Пгс. 1.1. Динамика декадного числа лесных пожаров по широтным поясам пожаров по периодам сезона. В северных широтных поясах имеют место унимодальные распределения декадного и суточного числа пожаров. Пик горимости лесов здесь приходится на летние месяцы и приурочен к середине вегетационного периода.

Графики выборочных автокорреляционных функций, вычисленные по исходным временным рядам декадного и суточного числа пожаров имеют периодический характер с длительностью основного периода равной длительности пожароопасного сезона в каждом широтном поясе. На графиках автокорреляционных функций для южных широтных поясов имеют место локальные колебания, сдвинутые по фазе на половину длительности основного периода. Их амплитуда значительно меньше таковой для основных (низкочастотных) колебаний и уменьшается с ростом географической широты местности. Автокорреляционные функции отфильтрованных временных рядов декадного и суточного числа пожаров (после удаления периодической составляющей) имеют во всех широтных поясах экспоненциальный характер.

Результаты анализа выборочных автокорреляционных функций и автоспектров временных рядов декадного и суточного числа лесных пожаров в различных широтных поясах свидетельствуют, что наиболее содержательной моделью этих рядов является выражение:

0(1) + ах(1)у(1) (3) где: уф - марковский случайный процесс с корреляционной функцией в виде е0^; - детерминированная периодическая составляющая; сгх(0 -дисперсия случайного процесса, х(1); т- временной лаг.

Данный тип модели пригоден для описания динамики числа пожаров в масштабах широтных поясов и крупных регионов страны. Для описания динамики числа пожаров в границах структурных подразделений СОЛП необходим другой тип модели, учитывающей динамику пожарной опасности в лесах по условиям погоды. Число пожаров, возникающих в день с каждым классом пожарной опасности в лесу по условиям погоды, рассматривается как случайная величина, для описания которой используется один из следующих теоретических законов распределения: Пуассона; Пуассона-Линдли; отрицательное биноминальное распределение.

Отрицательное биноминальное распределение и распределение Пуассона-Линдли имеет место в тех случаях, когда эмпирическая дисперсия больше эмпирического среднего настолько, что гипотеза об адекватности закона Пуассона отвергается. Случай, когда эмпирическая дисперсия меньше выборочно среднего, встречается, как правило, только при очень низкой горимости лесов, когда среднее число загораний в день на территории структурного подразделения системы охраны леса меньше 0,1. Пуассоновское распределение дает при этом достаточную точность приближения, а в остальных случаях оно оказывается неадекватным выборочным распределениям из-за сильного варьирования суточного числа пожаров. Наилучшее приближение дает, как правило, отрицательное биноминальное распределение, параметры которого оцениваются методом моментов через выборочное среднее и дисперсию суточного числа пожаров.

Важной особенностью динамики суточного числа пожаров является стабильность отношений средних значений этой случайной величины в дни с различными классами пожарной опасности. Число пожаров в день со средней пожарной опасностью вдове выше, чем в день с низкой и вдвое ниже, чем в день с высокой или чрезвычайной пожарной опасностью. Стабильность отношений этих показателей сохраняется при использовании различных шкал пожарной опасности, однако численные значения коэффициентов пропорциональности могут при этом существенно меняться.

Для воспроизведения динамики суточного числа пожаров по каждому структурному подразделению СОЛП необходимо формирование случайной последовательности классов пожарной опасности и случайного числа загораний в день с каждым классом. Для периодов стационарной горимости последовательность классов пожарной опасности порождается однородной марковской цепью с постоянными вероятностями переходов. Структура матрицы переходных вероятностей и численные значения ее элементов зависят от типа используемых показателей и шкал пожарной опасности в лесу по условиям погоды.

Полученные методом максимального правдоподобия оценки вероятности переходов и стандартных отклонений свидетельствуют о возможности построения обобщенных матриц переходных вероятностей для совокупности структурных подразделений системы охраны леса в пределах каждого региона или широтного пояса [37].

Существенные трудности возникают при моделировании горимости лесов для группы смежных структурных подразделений. В этом случае наряду с матрицей переходных вероятностей, характеризующей горимость одного из структурных подразделений системы охраны леса, должны находиться матрицы условных вероятностей (частот) для состояний марковской цепи по другим структурным подразделениям.

Распределение времени возникновения пожара в течение суток. Общий характер динамики влагосодержания лесных горючих материалов и количества источников огня (Мелехов И.С., 1944; Курбат-ский Н.П., 1960) дает основание предполагать, что распределение времени возникновения пожаров в течение суток является унимодальным, с пиком приходящимся на послеполуденные часы и дисперсией, пропорциональной долготе дня.

Построение выборочных распределений времени возникновения пожаров в течение суток, подбор адекватных их теоретических законов и оценка параметров теоретических распределений базировались на данных учета времени обнаружения пожаров и оценке длительности их распространения до обнаружения. Длительность распространения пожаров до обнаружения оценивалась по их площадям в момент регистрации, лесорастительным и погодным условиям их развития.

Она рассчитывалась с помощью модели контуров пожара и уравнений множественной регрессии для скорости распространения его основных тактических элементов [1,2,3]. Площади пожаров в момент обнаружения, типы лесорастительных условий, а также необходимые для расчета скорости распространения огня значения скорости ветра и класса пожарной опасности в лесу по условиям погоды брались из банка данных о лесных пожарах [18]. В целях исключения больших погрешностей в расчет включались пожары, обнаруженные на малых (до 1 га) площадях, длительность пламенного горения которых не превышала 2-3 ч.

Выборочные распределения времени возникновения пожаров в течение суток строились применительно к различным широтным поясам и периодам с разной длительностью светлого времени суток. Сравнение выборочных распределений, относящихся к различным широтным поясам, но одинаковым по долготе дня периодам пожароопасного сезона, подтверждает возможность отнесение их к одним и тем же генеральным совокупностям.

Практически для всех комбинаций широтных поясов и градаций долготы дня получены унимодальные распределения времени возникновения пожаров с небольшой левосторонней асимметрией. Среднее значение времени возникновения пожара находится в интервале от 13 до 14 ч. местного времени, а его дисперсия является функцией долготы дня. Она монотонно возрастает от 4 до 9 с увеличением долготы дня от 10 до 24 ч.

Подбор теоретических законов распределения показал, что удовлетворительное приближение дают нормальное и бета-распределение. Параметры этих распределений являются функциями долготы дня и могут определяться по календарной дате и географической широте местности. Бета-распределение следует брать сосредоточенным на интервале от б до 22 ч., а оставшемуся времени приписывать нулевую вероятность возникновения пожаров. Для целей статистического моделирования процессов возникновения пожаров и обоснования режимов наблюдения за ними это не имеет большого значения, поскольку фактическая частота загораний в ночные часы весьма незначительна.

1.3. Пространственная структура горимости.

Основными целями изучения пространственной структуры гори-мости лесов являлись выявление основных закономерностей распределения пожаров по территории лесного фонда и получение количественных оценок их пространственного распределения для обоснования системы мониторинга лесных пожаров и управления огнем в лесу. Первая цель достигалась путем построения и анализа карт горимости лесов на активно охраняемой территории лесного фонда, а также построения и анализа распределений лесных пожаров по расстоянию до населенных пунктов и путей транспорта. Для достижения второй цели строились ретроспективные характеристики горимости лесов и находились параметры ее статистических моделей, отражающих общие закономерности пространственного распределения лесных пожаров.

Визуальный анализ карт горимости лесов за предшествующий многолетний период свидетельствует о крайне неравномерном распределении числа и площади лесных пожаров по территории лесного фонда, наличии явно выраженных скоплений пожаров (зон высокой и чрезвычайной горимости). Число таких зон и их размеры сравнительно невелики, однако, на их долю приходится, как правило, основная часть пройденной огнем площади и нанесенного огнем ущерба лесным экосистемам. При случайном размещении этих зон по территории лесного фонда периодичность их появления в различных регионах страны существенно различна.

Формальная схема анализа степени концентрации лесных пожаров заключалась в разбиении активно охраняемой территории лесного фонда на непересекающиеся участки, суммировании числа и площади пожаров возникших на каждом участке за фиксированный период времени, построение упорядоченных по убыванию рядов чисел и их частичных сумм, характеризующих долю территории и соответствующий ей процент числа и площади лесных пожаров. Результат анализа таких распределений свидетельствуют, что около 90% ежегодно регистрируемых лесных пожаров приходится на 45-50% активно охраняемой территории лесного фонда, а такой же процент ежегодно охватываемой огнем площади сосредотачивается на 5-15% этой территории. Показатели пространственной концентрации числа и площади лесных пожаров достаточно стабильны во времени, что имеет важное значение для организации системы охраны леса.

Высокая степень пространственной концентрации охватываемой огнем площади обусловлена тем, что подавляющая ее часть приходится на долю небольшого числа крупных лесных пожаров, выходящих из-под контроля СОЛП. Распределение числа и площади лесных пожаров по классам их размерности показывает, что на долю 1-2% наиболее крупных (более 1000 га) пожаров приходится около 75% ежегодно охватываемой огнем площади. Эти пожары развиваются, как правило, в регионах страны с экстремальными погодными условиями (в периоды высокой и чрезвычайной пожарной опасности в лесу), создавая пиковые нагрузки в системе охраны леса. Несмотря на локальный временной и пространственный характер пиковых нагрузок именно они определяют результаты функционирования СОЛП и масштабы воздействия огня на лесные экосистемы.

Анализ карт горимости лесов свидетельствует также о явно выраженной приуроченности пожаров к населенным пунктам и путям транспорта. Распределение числа пожаров по расстоянию до населенных пунктов и путей транспорта носит экспоненциальных характер, что обусловлено убыванием количества источников огня антропогенного происхождения по мере удаления от объектов инфраструктуры. Параметры этих распределений зависят от численности населения, плотности транспортной сети и должны оцениваться применительно к конкретным регионам страны и структурным подразделениям СОЛП.

Для статистического моделирования пространственного распределения лесных пожаров с высоким уровнем концентрации наиболее удобным оказывается распределение Парето. Его параметр может оцениваться по выборочным данным с помощью приближенного метода максимального правдоподобия или методом приравнивания выборочных и теоретических квантилей. Проверка соответствия эмпирических и теоретических распределений для пройденной огнем площади и числа пожаров дает в большинстве случаев удовлетворительные результаты.

Теснота связи между показателями горимости на разных участках территории оценивалась с помощью пространственных корреляционных функций. Степень убывания этих функций с ростом расстояния характеризует ослабление статистической зависимости между показателями горимости. Характерной особенностью плоских автокорреляционных функций числа и площади пожаров явилось отсутствие статистически значимой зависимости между показателями горимости после фильтрации данных.

Результаты анализа временной и пространственной структуры горимости лесов подтверждают наличие общих закономерностей в процессах возникновения и развития лесных пожаров и локальных особенностей в их пространственно-временном распределении [37].

Предложенные статистические модели и методы оценки параметров этих моделей позволяют воспроизводить горимость лесов в границах структурных подразделений СОЛП, регионов и всей активно охраняемой территории лесного фонда [8, 17, 30, 35, 62]. Отсутствие данных о лесных пожарах на неохраняемой и эпизодически охраняемой территории лесного фонда исключает возможность корректной оценки не только структуры, но и масштабов горимости лесов на этой территории. Приближенная оценка площадей пожаров и их пространственного распределения находилась косвенным методом по данным площадей гарей и погибших насаждений в материалах государственных учетов лесов. Анализ горимости этих территорий базировался на гипотезе о стабильности соотношений площадей гарей и ежегодно охватываемых огнем площадей лесного фонда и равенстве этих соотношений для охраняемых и не охраняемых территорий. Полученные таким образом оценки охватываемой огнем площади свидетельствуют о высокой горимости лесов на неконтролируемых территориях и необходимости мониторинга лесных пожаров на всей территории лесного фонда [63]. Уязвимость лесных экосистем в северных районах страны, их огромная экологическая роль обусловливают необходимость учета горимости этих лесов и масштабов воздействия огня при выработке рациональных стратегий управления лесными ресурсами и устойчивого лесопользования.

2. Основы выбора оптимальных стратегий и распределения ресурсов СОЛП

2.1. Организационная структура и механизм функционирования СОЛП

Совокупность структурных подразделений и служб авиационной и наземной охраны лесов, осуществляющих комплекс мероприятий по профилактике, обнаружению и тушению лесных пожаров, а также нештатных формирований и ресурсов, привлекаемых для борьбы с огнем в условиях высокой и чрезвычайной горимости лесов, рассматривается как сложная динамическая система, организационная структура и механизм функционирования которой формировались в процессе ее развития (Серебренников П.П., Матренинский В.В, 1937, 1940; Анцышкин СЛ., 1952, 1957; Червонный М.Г., 1974, 1981; Ще-тинский Е.А., 1973, 1993 и др.). Сложность и иерархический характер этой системы, неоднородность ее основных элементов, их рассредо-точенность по охраняемой территории лесного фонда обусловили необходимость декомпозиции этой системы на относительно самостоятельные части, построения их моделей и схемы сопряжения между ними.

Существенные различия в организационной структуре и режимах функционирования штатных лесопожарных служб и нештатных формирований позволили выделить в СОЛП регулярную часть, образующую ядро этой системы, и резервную (нерегулярную) часть, вводимую в действие при выходе лесных пожаров из-под контроля ее регулярной части [51]. По типу применяемых средств и методов обнаружения и тушения лесных пожаров, уровню специализации, в составе регулярной части СОЛП выделяются две подсистемы: авиационная и наземная. Первая из них представляет собой стационарную сеть авиаотделений, авиазвеньев и региональных авиабаз с приданными им воздушными судами, авиапожарными командами, средствами пожаротушения, связи и транспорта, а вторая - сеть наземных пожарно-технических (пожарно-химических) станций и наблюдательных пунктов (вышек, мачт) с приданными им наземными командами, средствами пожаротушения, связи и транспорта.

Рассредоточенность основных элементов СОЛП по территории лесного фонда и наличие у большинства этих элементов собственных зон обслуживания обусловили необходимость районирования (зонирования) охраняемой территории по типам задействованных на ней сил и средств борьбы с огнем. Условно выделяются три типа зон обнаружения и аналогичных им зон тушения лесных пожаров: авиационная, наземная и авианаземная (зона совместного действия). В зависимости от типа решаемых задач такое зонирование осуществляется на уровне первичных структурных подразделений СОЛП (лесхозы, авиаотделения) регионов (административных областей, региональных авиабаз) и всей активно охраняемой территории лесного фонда.

Механизм функционирования СОЛП характеризуется технологическими схемами и режимами работы ее структурных элементов. Технологические схемы работы структурных подразделений авиале-соохраны определяют состав и порядок выполнения процедур воздушного патрулирования лесов, обнаружения пожаров, доставки и высадки авиапожарных команд, их возвращения к местам постоянного базирования, а режимы работ - периодичность авиапатрулирования и расписание полетов, уровень обеспеченности авиапожарными командами и воздушными судами. В качестве управляемых параметров подсистемы авиационной охраны лесов рассматривались кратность и расписание патрульных полетов, состав и структура самолетно-вертолетного парка, численность и состав авиапожарных команд [24].

Технологические схемы работы структурных подразделений наземной охраны характеризуются составом и порядком выполнения операций по несению дозорно-сторожевой службы, обнаружению и тушению лесных пожаров наземными средствами, а режимы работ -графиками дежурства на наблюдательных пунктах и пожарно-технических станциях, уровнем обеспеченности наземными командами и средствами их доставки к лесным пожарам. В качестве регулируемых параметров наземной охраны рассматривались: степень охвата территории зонами действия (обслуживания) пожарно-технических станций и наблюдательных вышек, уровень обеспеченности наземными пожарными командами, графики дежурства на вышках и станциях.

В качестве управляемых параметров резервной части СОЛП рассматривались состав и количество вводимых в действие нештатных ресурсов для тушения крупных лесных пожаров. В пределах каждого региона общее количество таких ресурсов и скорость их наращивания считаются условно постоянными величинами [30].

Введение Диссертация по сельскому хозяйству, на тему "Структура и механизм функционирования системы охраны леса от пожаров"

В условиях резкого варьирования горимости лесов по территории лесного фонда и периодам пожароопасных сезонов механическое наращивание ресурсов каждого структурного подразделения СОЛП до уровня, соответствующего условиям высокой и чрезвычайной горимости практически нереально и малоэффективно. Этим условиям в наибольшей степени отвечает гибкая СОЛП, способная объективно оценивать складывающуюся лесопожарную обстановку в каждом регионе страны и адаптироваться к ней путем регулирования своей структуры, режимов работы и количества вводимых в действие ресурсов [30, 35, 38].

Задачи обоснования уровня противопожарной защиты лесов и распределения ресурсов системы охраны решаются как задачи поиска оптимальных стратегий поведения этой системы, т. е. поиска значений управляющих параметров при различных типах условий функционирования лесопожарных служб в каждом регионе страны.

2.2. Задачи выбора оптимальных стратегий и распределения ресурсов системы охраны леса

Оптимальным с экономической точки зрения является уровень охраны, обеспечивающий минимум убытков, слагающихся из затрат на борьбу с пожарами и наносимого огнем ущерба. Для его обоснования необходима модель, связывающая затраты на охрану лесов с величиной ожидаемого ущерба от лесных пожаров. Несовершенство существующих методов оценки ущерба, наличие неисчисляемых в стоимостном выражении составляющих ущерба исключает возможность практической реализации данного подхода к обоснованию оптимального уровня охраны. Использование неполной суммы ущерба приводит в данном случае к мнимой экономии средств за счет искусственного поддержания низких затрат на противопожарную защиту лесов.

Другой подход к обоснованию уровня охраны базируется на обратной зависимости между расходами на профилактику, обнаружение, оперативное обслуживание пожаров и затратами на их тушение. Постановка задачи в этом случае осуществляется на основе минимизации суммарных затрат, связанных с содержанием лесопожарных служб и тушением всех возникающих пожаров. Недостатком данного подхода является относительная независимость получаемых результатов решения задачи, в т. ч. и затрат на функционирование СОЛП от наносимого пожарами ущерба [45].

Выбор оптимальных стратегий СОЛП. Особенностями оптимизационных расчетов в условиях неопределенности, вызванной случайным характером процессов возникновения и распространения лесных пожаров, является несуществование, как правило, единственного варианта, наивыгоднейшего при всех условиях функционирования

СОЛП, и заметное влияние на результаты оптимизации затрат, связанных с адаптацией вариантов к возможным условиям функционирования. Перечисленные особенности приводят к тому, что в процессе планирования охраны должны определяться не оптимальные параметры, а оптимальные стратегии системы, т. е. правила ее функционирования. Последние могут быть представлены в виде инструкций, регламентирующих режимы работы лесопожарных служб при различных условиях их функционирования.

Реализация каждого режима работы СОЛП связана с использованием определенного количества ресурсов, а соответственно и некоторой суммой затрат на содержание этих ресурсов и выполнение работ по профилактике, обнаружению и тушению лесных пожаров. Каждому режиму работы СОЛП при конкретных условиях функционирования соответствуют определенные показатели своевременности обнаружения, обслуживания и локализации лесных пожаров, а следовательно и определенная величина охватываемой огнем площади лесного фонда. По заданному набору режимов работы и известному количеству реализаций каждого режима может быть найдена общая сумма затрат на реализацию данной инструкции и ожидаемые размеры охватываемой огнем площади в том или ином регионе страны. Задача выбора оптимальных стратегий СОЛП сводится в этом случае к выбору для каждого региона такого набора режимов работы (инструкций), при которых в рамках заданных ограничений на общие размеры выделяемых ассигнований достигается минимум охватываемой огнем площади или относительного ущерба от лесных пожаров [24,27,30].

Задача выбора оптимальных стратегий и распределения ресурсов системы охраны леса формулируется следующим образом:

Найти вектор {Rk, Rk° }f=1 и набор инструкций Хк }£,, , для которых e(Z«/*) = e(2>4S4 * ,,*,(©,))) -> min

Ri+E(Zt(Ri,at ,xt(0t)))£Rt, к el:K (4) j^Äj, R?> о, к e.kK где: К - число рассматриваемых регионов; Л - ресурсы системы охраны леса; Лк - ресурсы, выделяемые ¿-тому региону; Нк° - постоянная составляющая ресурсов, обеспечивающая функционирование лесопо-жарных служб в ¿-том регионе; х=хк(&к) - инструкция, регламентирующая режимы функционирования системы охраны леса в ¿-том регионе; {хк)к^еХ - набор инструкций, регламентирующих режимы работы системы охраны леса; 2к (/?", ш к, хк(а>к)) • суммарные затраты на охрану лесов ¿-того региона при выборе инструкции хм и реализации условий а>к] Бк (Як ,а> к ,хк{а>к)) - площадь пожаров в ¿-том регионе при выборе инструкции Хк и реализации условий а>к \ X к -относительный ущерб от лесных пожаров на единицу пройденной огнем площади ¿-того региона; ик - относительный ущерб от лесных пожаров в ¿-том регионе.

Как следует из постановки задач, для ее решения необходимо иметь три основных алгоритма: определения результатов функционирования СОЛП (охватываемой огнем площади); определения затрат на функционирование этой системы; выбора оптимальных стратегий функционирования СОЛП на основе соизмерения затрат и результатов.

Схема моделирования СОЛП. Оценка ожидаемых результатов работы региональных СОЛП и ожидаемых затрат на охрану лесов осуществляется в результате моделирования условий и процессов функционирования этой системы. Используются два типа моделей, описывающих эти условия и процессы: имитационные и аналитические. Выбор типов моделей определяется масштабами и типом решаемых задач, способом декомпозиции СОЛП.

Общая схема моделирования СОЛП включает в себя следующие основные блоки: воспроизведения условий функционирования структурных подразделений СОЛП; адаптации (настройки) системы к текущим условиям ее функционирования; моделирования процессов обнаружения и оперативного обслуживания лесных пожаров; моделирования процессов тушения лесных пожаров; оценки ожидаемых результатов функционирования СОЛП; оценки ожидаемых затрат на охрану лесов от пожаров.

Блок воспроизведения условий функционирования СОЛП обеспечивает моделирование процессов возникновения лесных пожаров и условий борьбы с огнем. В рамках этого блока осуществляется формирование последовательности дней пожароопасного сезона и соответствующих этим дням значений классов пожарной опасности в лесу по условиям погоды и скоростей ветра, числа возникающих пожаров, их пространственных и временных координат. В зависимости от типа используемых моделей часть указанных параметров (класс пожарной опасности, скорость ветра, число пожаров) воспроизводятся либо фактическими временными рядами за предшествующие пожароопасные сезоны, либо моделируются как случайные величины с известными законами распределения. Остальные параметры этих временных рядов (пространственные координаты лесных пожаров, моменты их возникновения) моделируются как независимые случайные величины, законы распределения которых подобраны в результате анализа гори-мости лесов. Воспроизведение фактических временных рядов возможно при этом только для тех регионов, по которым сформированы архивные базы данных о лесных пожарах и метеоусловиях за предшествующий многолетний период.

Блок адаптации СОЛП к текущим условиям ее функционирования обеспечивает выбор режимов работы лесопожарных служб соответствующих этим условиям и расчет потребности в ресурсах для реализации выбранных режимов работы. Назначение режимов работы осуществляется в соответствии с задаваемыми системе решающими правилами в форме таблиц, каждая строка которых соответствует определенному типу условий функционирования (класс пожарной опасности, скорость ветра), а каждый столбец - определенному режиму работ, т. е. набору значений управляемых параметров системы (кратность и расписание патрульных полетов, уровень обеспеченности авиационными и наземными пожарными командами, доля активизируемых пожарно-технических станций и вышек).

Расчет потребности в ресурсах для реализации выбранных режимов работы осуществляется на этапе подготовки нормативно-справочной информации к задаче и включает в себя определение необходимого количества воздушных судов, авиационных и наземных пожарных команд, числа активизируемых наблюдательных вышек и станций. Оценка потребности в этих ресурсах производится на основе нормативов обеспеченности пожарными командами, построенных в результате оптимизации технологических схем и режима работы авиационной и наземной охраны.

Блок моделирования процессов обнаружения и обслуживания лесных пожаров обеспечивает расчет длительности их распространения до начала тушения и оценку показателей своевременности ликвидации пожаров. СОЛП рассматривается при этом как многоканальная система массового обслуживания со случайным пространственным и временным распределением заявок. Оценка показателей своевременности обслуживания и ликвидации пожаров осуществляется в результате имитации работы структурных подразделений авиационной и наземной охраны [12, 15, 17] или расчетов по упрощенным аналитическим моделям процессов обнаружения и обслуживания лесных пожаров [35, 45]. Своевременно обслуженными считаются те пожары, площади которых к началу тушения или к началу горимости следующего дня не превышают возможности задействованных на пожаре сил и средств борьбы с огнем.

Блок оценки результатов функционирования СОЛП обеспечивает расчет длительности распространения лесных пожаров до ликвидации и общую пройденную огнем площадь за пожароопасный сезон. Длительность тушения и площади своевременно обслуженных пожаров определяются с использованием математической модели процесса их локализации [23, 25, 33]. Аналогичные характеристики пожаров, выходящих из-под контроля оперативных сил и средств борьбы с огнем находятся по данным учета горимости лесов каждого региона за предшествующий многолетний период.

Блок оценки затрат на охрану лесов обеспечивает расчет ожидаемых расходов на содержание лесопожарных служб и проведение комплекса мероприятий по профилактике, обнаружению и тушению лесных пожаров. Необходимые для расчета показатели, характеризующие трудовые и материальные ресурсы СОЛП и объемы выполняемых работ, кроме профилактики пожаров, формируются в предыдущих блоках, а стоимость ресурсов и услуг определяется по действующим тарифам [43]. В блоках оценки ожидаемых затрат и результатов функционирования системы охраны леса формируется вся необходимая для выбора оптимальных стратегий информация.

Алгоритм выбора оптимальных стратегий. Для решения задачи выбора оптимальных стратегий и распределения ресурсов системы охраны при известных значениях затрат и ущерба от лесных пожаров для каждой из множества допустимых инструкций по каждому региону страны использовались два алгоритма, один из которых базировался на методе целочисленного, а другой - на методе динамического программирования [30, 51]. Для реализации второго метода потребовалась разработка специальной программы, а решение задачи методом целочисленного программирования осуществлялось с использованием существующего пакета прикладных программ и выполнялось в два этапа. На первом из них находилось множество оптимальных планов каждого региона, соответствующих различным уровням его финансирования, на втором этапе решалась задача распределения выделяемых на охрану лесов по регионам страны. Апробация моделей проводилась применительно к авиационной охране лесов, как специализированной лесопожарной службе, финансирование которой централизовано и осуществляется отдельно от финансирования службы наземной охраны, функционирующей в составе лесхозов.

Анализ результатов моделирования подтвердил принципиальную возможность использования предложенного подхода для обоснования дифференцированных по регионам страны режимов функционирования авиалесоохраны и соответствующих им затрат на противопожарную защиту лесов, отвечающих реальным ограничениям на общую сумму выделяемых авиалесоохране ассигнований. Численные эксперименты показали, что основными параметрами, определяющими затраты на авиационную охрану лесов и результаты работы по борьбе с огнем, являются кратность (периодичность) патрулирования и уровень обеспеченности пожарными командами. При высоком (0,95) уровне обеспеченности командами повышение уровня противопожарной защиты лесов достигается прежде всего за счет увеличения кратности авиапатрулирования в дни с высокой и чрезвычайной пожарной опасностью в лесах по условиям погоды.

Результаты численных экспериментов выявили также, что показатели своевременности ликвидации пожаров для фиксированного типа условий (класса пожарной опасности) определяются только режимом работы в дни с данным типом условий и практически не зависят от режимов работы при других типах условий. Это обстоятельство позволяет существенно упростить имитационную модель и сократить объемы вычислительных работ.

3. Обоснование тактических параметров СОЛП

Выбор оптимальных стратегий функционирования СОЛП целесообразно осуществлять при оптимальных или близким к ним значениях тактических параметров этой системы. Обоснование таких параметров применительно к структурным подразделениям авиалесоохра-ны включает в себя построение оптимальных расписаний патрульных полетов, определение оптимальных маршрутных и площадных нагрузок на воздушные суда, обоснование структуры и численности авиапожарных команд. Применительно к службе наземной охраны лесов решаются задачи построения графиков дежурств на наблюдательных пунктах и пожарно-технических станциях, оптимального размещения этих пунктов и станций, обоснования количества и дислокации пожарных команд.

3.1. Обоснование тактических параметров авиалесоохраны Оптимизация режимов авиапатрулирования. Целью оптимизации являлось повышение оперативности обнаружения лесных пожаров при фиксированных значениях кратности авиапатрулирования (числа облетов патрульных маршрутов в день). В силу случайного характера процесса возникновения пожаров длительность их распространения до обнаружения рассматривалась как случайная величина, функция распределения которой зависит от периодичности и времени выполнения облетов патрульных маршрутов.

Сформулированы две задачи составления оптимального расписания полетов, использующие в качестве целевой функции минимум математического ожидания времени распространения пожара до обнаружения и максимум вероятности своевременного обнаружения лесных пожаров.

1. Е-задача. Определить такой детерминированный вектор S - {Sj} *=1, для которого выполняется условие

Er fe, Tj,s)=t Jf5/ n,s)f{i, 7?) dt d min (5) j=l о -V'Vv при ограничениях

Si*bt

Sa + L/v<bз где: S - время начала7-того облета; S = {Sy} - расписание патрульных полетов; т - кратность авиапатрулирования; Щх) • математическое ожидание случайной величины х; r(^,tj,S) - длительность распространения пожара до обнаружения; L - протяженность патрульного маршрута; V - путевая скорость патрульного борта; / (£,77) - совместная плотность распределения координат пожара на маршруте % и времени его возникновения в течение суток Г|; Ь/, Ьз - допустимое время начала и окончания патрульных полетов; ¿2 - допустимый интервал времени между очередными облетами.

Длительность распространения пожара до обнаружения определяется при этом из соотношения: г, , щ, 5)= SJ + ф - /7, + фйт]<8^ф,] = 2,т 2. (ХгУзадача. Найти такой детерминированный вектор 5 = {5у} , для которого выполняется условие: где: ()(г) - вероятность обнаружения пожара за время не более г после его возникновения.

Решение указанных задач осуществлялось методами динамического программирования. Время возникновения пожара в течение суток рассматривалось как нормально распределенная случайная величина с параметрами распределения, зависящими от долготы дня. Координаты пожара на маршруте рассматривались как равномерно распределенная случайная величина.

Анализ результатов численных экспериментов показал, что среднее значение длительности распространения пожаров асимптотически

-падает с ростом кратности авиапатрулирования и с достаточной для практики точностью может быть найдено из соотношения:

6) и

6(2) =1|/ ? ) ^ тах (7) при ограничениях: йт + ф<Ь3 г. «(1,04)-' г,«'1 (8) где: г,, тт - среднее значение длительности распространения пожаров до обнаружения при одно и /и-кратном авиапатрулировании соответственно.

С повышением кратности авиапатрулирования вероятность своевременного обнаружения лесных пожаров асимптотически приближается к единице и может быть найдена из соотношения: <2тЩ = (1,04)-' [1 - (I - а (2))-] (9) где: Ql(Z),Qm(Z) - вероятность обнаружения пожара за время не более г при одно- и от-кратном авиапатрулировании соответственно.

Характер полученных зависимостей свидетельствует о постепенном снижении эффекта от повышения кратности авиапатрулирования как в отношении длительности распространения пожаров до обнаружения, так и вероятности их своевременного обнаружения.

Сравнение полученных теоретических распределений длительности распространения пожаров до обнаружения при различных кратностях патрулирования с соответствующими эмпирическими распределениями, построенными по данным учета горимости лесов показало, что оперативность обнаружения пожаров по учетным данным превышает теоретическую. Последнее обусловлено обнаружением части пожаров общественностью и наземной лесной охраной, а также наличием систематических ошибок в определении площадей пожаров визуальным методом.

Обоснование самолетно-вертолетного парка авиалесоохраны. Состав и структура самолетно-вертолетного парка для выполнения работ по авиационной охране лесов определяется размерами обслуживаемой территории, количеством возникающих на ней пожаров, технологическими схемами и режимами работ структурных подразделений авиалесоохраны и нормативными маршрутными и площадными нагрузками на воздушные суда. Технологические схемы и режимы работ, наиболее пригодные в каждом регионе типы воздушных судов устанавливаются экспертным путем с учетом природно-экономических условий, наличия инфраструктуры и других трудно формализуемых факторов.

Рассмотрены три наиболее распространенные технологические схемы работ по обнаружению и обслуживанию лесных пожаров: патрульная, патрульно-транспортная и патрульная с дежурным вертолетом [12, 15]. Первая из них реализуется в структурных подразделениях без активных сил и средств борьбы с огнем и ориентирована только на обнаружение лесных пожаров. Вторая и третья технологические схемы реализуются в структурных подразделениях авиалесоохраны с активными силами и средствами пожаротушения. При патрульно-транспортной схеме работ все операции по обнаружению и обслуживанию лесных пожаров производятся одним и тем же воздушным судном, а при схеме с дежурным вертолетом патрульные и транспортные операции осуществляются различными воздушными судами.

Нормативные нагрузки на воздушные суда, выполняющие патрульные и патрульно-транспортные операции, определяются через предельные значения протяженности маршрутов и размеров охраняемой территории, при которых с заданной вероятностью (Ро>0,95) обеспечивается требуемый режим полетов по обнаружению и борьбе с лесными пожарами.

Задача выбора предельной маршрутной нагрузки на суда, выполняющие патрульные и патрульно-транспортные операции формулируется следующим образом: Найти величину:

X -> шах при ограничениях: (10) с1{Ь,р) = Р {¿у"1 + (г, + шт(гу,А)г2 Ра

0) = Р+(г+£)г, +|>т(г/,*)г2 ^¿Р« где: I - протяженность патрульного маршрута; V - путевая скорость патрульного облета; г} - число пожаров, обнаруженных при у-том вылете; - число действующих пожаров, осмотренных приу-том вылете; шт(г/,к) - число обслуживаемых пожаров приу'-том вылете; к - грузоподъемность воздушного судна по числу команд; г/ -средняя продолжительность осмотра пожара; г? - средняя продолжительность обслуживания пожара (высадка команды); /3 - максимальная продолжительность полета воздушного судна без дозаправки топливом; в - дневная санитарная норма экипажа; Ра- требуемая вероятность выполнения т установленных режимов работы; - количество обнаруженных 1 за день пожаров; - количество осмотренных за день дейстм вующих пожаров.

Первое неравенство накладывает ограничения на продолжительность одного облета, а второе - ограничения на дневной налет часов. Вероятностный характер этих ограничений обусловлен учетом числа обнаруженных, осмотренных и обслуженных пожаров, каждое из которых является случайной величиной.

Предельная площадь зоны обслуживания патрульным бортом определяется соотношением

Р = 2»;Я£. (И) где: г] - коэффициент полезности патрульного маршрута; Я - радиус обзора с патрульного борта; ^ - площадь зоны обслуживания патрульного борта.

Нормативные нагрузки на дежурный борт, выполняющий транспортные операции, определяются через допустимый радиус зоны обслуживания, обеспечивающий возможность выполнения установленных режимов работы с вероятностью не менее заданной. Задача обоснования предельного радиуса зоны обслуживания формулируется следующим образом: Найти

Л -> шах, при котором (12)

У' > 01 > Ра . 0< £< Я где: V • путевая скорость воздушного судна; т - средняя продолжительность высадки команды; т - количество обслуженных за день пожаров.

Указанные задачи решались двумя методами: а) имитационного моделирования процессов обнаружения и обслуживания пожаров пат-рульно-транспортными и дежурными бортами; б) с помощью аналитических моделей, описывающих эти процессы с рядом допущений, упрощающих построение этих моделей.

Р тг-12

Полученные в результате решения указанных задач предельные значения протяженности патрульных маршрутов, радиусов обслуживания и соответствующим им площадей зон обслуживания утверждены в качестве нормативных, (Нормативы по площадным нагрузкам на летательные аппараты при выполнении авиалесоохранных работ. М.: 1978).

Обоснование структуры и состава самолетно-вертолетного парка авиалесоохраны включает в себя следующие процедуры: построение временных рядов суточного числа возникающих и действующих лесных пожаров по всем структурным подразделениям системы охраны леса; оценку выборочных средних и дисперсии суточного числа пожаров в периоды низкой, средней и высокой горимости лесов; назначение технологических схем и режимов работы структурных подразделений в каждый из указанных периодов; выбор типов воздушных судов для выполнения патрульных, патрульно-трансиортных и транспортных операций; расчет нормативной потребности в воздушных судах всех типов для каждого типа периода и режима работы; обобщение результатов расчетов на уровне региональных авиабаз и системы авиалесоохраны. Изложенный подход реализован в специальном комплексе программ расчета структуры и состава самолетно-вертолетного парка авиалесоохраны [51].

Обоснование численности и состава авиапожарной службы. Численность авиапожарной службы определяется количеством возникающих пожаров, требуемой оперативностью их обслуживания и длительностью пребывания команд на пожарах, а ее состав - структурой и составом самолетно-вертолетного парка, степенью взаимозаменяемости парашютно-пожарных и десантных команд. Требуемый уровень оперативности обслуживания пожаров и структура самолетно-вертолетного парка рассматриваются в качестве внешних параметров данной задачи. Количество возникающих лесных пожаров и затраты времени на их тушение устанавливаются в результате анализа гори-мости лесов и длительности тушения пожаров в предшествующие пожароопасные сезоны.

Задача обоснования численности авиапожарной службы сводится к определению количества авиапожарных команд, необходимых для обеспечения требуемого уровня оперативности обслуживания лесных пожаров. Ее решение осуществлялось в результате моделирования работы структурных подразделений авиалесоохраны как многоканальных систем массового обслуживания с отказами. Входящий поток заявок на обслуживание задавался при этом временными рядами суточного числа возникающих и действующих лесных пожаров для периодов низкой, средней и высокой горимости лесов. Интенсивность процесса обслуживания пожаров авиацией характеризовалась выборочными распределениями пожаров по числу высаженных: к ним групп и длительности пребывания этих групп на пожарах. В процессе моделирования определялось минимальное число групп, при котором вероятность отсутствия свободной команды в момент обнаружения пожара не превышает допустимого значения.

Полученные в результате моделирования оценки потребности в командах соответствующие вероятности отказа Р„<0,05 используются в качестве нормативов для планирования численности авиапожарных служб на уровне первичных структурных подразделений авиалесоох-раны [17, 51]. Для обоснования численности авиапожарных служб на уровне регионов введен показатель маневренности авиапожарных команд.

Постоянная численность авиапожарной службы устанавливается применительно к условиям средней горимости лесов. Нехватка команд в периоды высокой и чрезвычайной горимости должна покрываться за счет маневрирования командами как внутри регионов, так и между регионами.

Задача маневрирования авиапожарными командами формулируется следующим образом [45]: максимизировать

Н[{1{(),{X,}} = 11.

1 >=1 при ограничениях (13)

1еЪщ уе!:«; к п Ш

Ху >0; I е 1 :т ; ] е 1:п; 0, £,/, ( е1:т; / е 1 :п где: т - число регионов, участвующих в маневрировании; п - число периодов в пожароопасном сезоне; щ - случайная величина, принимающая значения ге {0,1,2,3}: г=3 - высокая горимость, г=2 - средняя горимость; г=\ низкая горимость; г=0 отсутствие пожаров; Рц, - вероятность события {щ=г) в 1-том регионе и ./-том периоде; Л, - число пожарных команд в /-том регионе; $ - площадь лесного фонда ¡-того района; Щхц) - уровень обеспеченности пожаров командами для условий горимости типа г при наличии х команд в г'-том регионе и у'-том периоде.

Неизвестными задачи являются: - число команд, перебрасываемых из региона к в регион / ву-том периоде; Ху - число команд, которые будут находиться в »'-том регионе в ./-том периоде.

Для повышения уровня обеспеченности командами и маневрирования ими по территории лесного фонда целесообразно резервирование ресурсов по мере роста численности авиапожарной службы. Обоснование уровня резервирования авиапожарных команд по регионам страны и в целом по системе авиалесоохраны рассматривается в настоящее время как одна из наиболее актуальных проблем организации и управления охраной лесов.

3.2. Обоснование тактических параметров наземной охраны В качестве подсистемы наземного обнаружения и оперативного тушения лесных пожаров рассматривается сеть наземных наблюдательных пунктов (вышек) и пожарно-технических станций с приданными им пожарными командами, средствами тушения, связи и транспорта. Ее обоснование включает в себя определение необходимого количества наблюдательных вышек и пожарно-технических станций, обоснование их дислокации и режимов работы, определение необходимого количества и дислокации наземных команд.

Обоснование количества и дислокации наблюдательных вышек. Задача обоснования стационарной сети наблюдательных вышек на территории одного или нескольких лесхозов, являющихся первичными структурными подразделениями наземной службы охраны леса, решалась путем оптимального размещения последовательно возрастающего числа таких вышек и построения графика зависимости степени охвата территории наблюдением от количества вышек [12, 15, 22]. При произвольном выборе координат каждой вышки задача их оптимального размещения формулируется следующим образом: Найти набор точек В=(В], ., Вр . Вт) на плоскости такой, что

В,~>тах (14) где: £> (ВРК) - круг с центром в точке 5; и радиуса 2?; т - количество размещаемых вышек; А = {а¡} "м - множество элементарных участков контролируемой территории; 81 - площадь /-того элементарного участка.

При фиксированном наборе возможных мест установки вышек задача их оптимального размещения решается с учетом дополнительного ограничения:

В;еС=(Сь.,Сь. Ск) где: С - набор координат возможных мест установки вышек.

При установке вышек на территории районов наземной охраны с авиапатрулированием задача их оптимального размещения решается с учетом относительной загораемости участков охраняемой территории [7, 12]. В качестве критерия оптимальности используется не максимальная степень охвата наблюдением, а максимальная вероятность возникновения пожара в зоне действия размещаемых вышек: Ф5>, ->шах (15) где: Р, - вероятность пожара в «-том участке, если он возникает на охраняемой территории.

В рамках изложенных подходов к решению задач оптимального размещения вышек не предусмотрено проверки условия видимости каждой точки территории как минимум с двух наблюдательных пунктов, обеспечивающего возможность точного определения координат возникающих пожаров. Требуемое перекрытие зон обзора достигается за счет использования фиктивного радиуса видимости, равного половине фактического. Допустимая при этом погрешность в оценке эффективности обнаружения оказывается соизмеримой с варьированием фактической дальности видимости.

Оптимизация режимов дежурства на вышках. Длительность распространения пожара до обнаружения с наблюдательных вышек рассматривалась как случайная величина, функция распределения которой определяется распределением времени возникновения лесных пожаров, длительностью и формирования дымовой колонки и режимом дежурства на этих вышках. Построение функций распределения длительности распространения пожара до обнаружения осуществлялось для двух типов режима работы вышек: а) непрерывного наблюдения и б) периодического наблюдения.

Режим непрерывного наблюдения, осуществляемый в светлое время суток или в период наиболее вероятного возникновения пожаров, задается временем начала и окончания дежурства на вышках, а режим периодического наблюдения - кратностью осмотра территории, временем начала каждого осмотра и его продолжительностью.

При визуальном обнаружении пожара по дымовой колонке функция распределения длительности его распространения до регистрации с вышек, работающих в режиме непрерывного наблюдения имеет вид: О, I < А

Fr(t)=P{y<t) = jf(0)da> + ¡f(a>)dta,A<t<ir-e+A (16) т-t r-t-t+Л

1, t>r-e+А где: у - длительность распространения пожара до обнаружения; А -длительность распространения пожара до формирования дымовой колонки; 1=(Т/с-Тц) - длительность периода наблюдения с вышек в течение суток; ТН,ТК - время начала и окончания дежурства на вышках; г - длительность суток; cd' - время возникновения пожара в течение суток; ф-со'+Л - время появления дымовой колонки; /(<и) - плотность распределения случайной величины ф; f/(ß> + 7»; 0 < й> < г -До + Тк-тУ, т-Тк«а<т Оптимизация режима непрерывного наблюдения с вышек сводится к решению одной из двух задач: обоснованию времени начала (окончания) наблюдения, обеспечивающего при заданной продолжительности дежурства минимум математического ожидания длительности распространения пожара до обнаружения; обоснованию минимального по длительности периода дежурства, обеспечивающего заданную вероятность обнаружения пожара сразу после образования дымовой колонки.

Задача обоснования оптимального времени наблюдения с вышек сформулирована в виде:

Найти Тн, для которых выполняется условие: г-«

Еу/(б),е,Тк)= \{v-i-o})f{(o)do} ~>min о при ограничениях (17)

Тк<й2 где: длительность распространения пожара от образования дымовой колонки до обнаружения; Еу/ - математическое ожидание случайной величины у/.

Решение данной задачи при различных значениях долготы дня и продолжительности дежурства обеспечивает возможность построения графиков зависимости оптимальных сроков наблюдения от указанных параметров и использования последних в качестве нормативной базы для назначения сроков дежурства на вышках работающих в режиме непрерывного наблюдения.

Задача обоснования минимальных периодов наблюдения формулируется следующим образом:

Найти:

1~{Тк-Тн)->тюа при условиях (18)

Р {т~е<,ю<т}<а г, тк<аг где: а - допустимая вероятность возникновения пожара вне периода наблюдения с вышек.

При работе наблюдательных вышек в режиме периодических осмотров территории задачи составления оптимальных распределений дежурства решаются аналогично задачам составления оптимальных расписаний полетов при нулевой протяженности патрульного маршрута:

Полученные результаты позволяют оценивать эффективность функционирования системы обнаружения, включающей как наземные, так и воздушные средства обнаружения. При независимой работе воздушных патрулей и наблюдательных вышек функция распределения длительности распространения пожаров до обнаружения этой системой определяется из соотношения: Р{у<(} = [1 -(1 -Р('>(()) (1 ~Р™(1))]Р0 + Р<!>(1) (1 -/у где: Р/ *) - функция распределения длительности распространения пожаров до обнаружения; Рг(1)( I), () - функция распределения длительности распространения пожаров авиацией и наблюдательными вышками соответственно; Р0 - вероятность возникновения пожара в зоне действия вышек.

Таким образом, при известных режимах работы воздушных патрулей и наблюдательных вышек и степени охвата территории зонами их действия показатели своевременности обнаружения пожаров могут находиться теоретически и использоваться при оценке стратегических параметров СОЛП [12, 50].

Обоснование количества и дислокации пожарно-технических станций. Задача обоснования числа пожарно-технический станций и их дислокации рассматривалась применительно к двум ситуациям: для случая полного охвата территории объекта зонами обслуживания станций и для случая частичного охвата этой территории. В первом из них задача решается путем оптимального размещения последовательно возрастающего числа станций по критерию минимума математического времени следования команд к лесным пожарам, а во втором случае - по критерию максимума вероятности своевременного прибытия команд к пожарам.

При размещении станций по критерию минимума времени следования задача формулируется следующим образом:

Найти набор мест базирования к станций {bj ,.,bJt) еВ , такой что

Е(£>*) = У* Р, min tu min

ШФ) J при условиях (19)

D eD; к € l,m-l где: Л = (а,,., я,,., a„) - множество участков лесного фонда на территории объекта; В = (bl,.,br,.,bm) - множество пунктов возможного базирования станций; £>= {bh, } - возможный вариант размещения станций D € D; I(D) - множество пунктов базирования, соответствующих варианту D; D - множество всех возможных вариантов размещения к станций в т пунктах; Л - вероятность пожара в /-том участке при возникновении его на территории объекта; Ц - время следования команды от пункта базирования й, до /-того участка.

При размещении станций по критерию максимума вероятности своевременного прибытия команд к лесным пожарам задача формулируется так:

Найти набор мест базирования к станций {Ьь,.,Ь,} еВ , такой что при условиях (20)

О еО,к е \,т-\ где:

1, шт (у < Г б/(£>) о, шт (у>Т

1чГ(В) где: Т- допустимое время следования команды к пожару.

Задача оптимального размещения пожарно-технических станций решались путем последовательного перебора возможных вариантов их размещения [12], а также методами ветвей и границ (Абрамова Л.Л., Степанова Н.Ю., 1986). Одновременно с выбором мест базирования алгоритмы решения задачи включили выделение зон обслуживания станций, определение вероятности пожара в каждой из этих зон при его возникновении на территории объекта и построение эмпирических распределений времени следования к лесным пожарам от каждой станции.

Обоснование числа дежурных команд. Расчет необходимого числа дежурных команд на станциях осуществлялся в результате имитационного моделирования их работы как систем массового обслуживания с отказами при последовательном увеличении числа каналов (пожарных команд). Моделирование работы станции проводилось методом проводки заявок. Число команд на станции считалось достаточным, если вероятность своевременного обслуживания пожаров, возникающих на закрепленной за ней территории достигает заданной величины или увеличение числа команд не приводит к статистически значимому повышению вероятности их своевременного обслуживания [12].

Результаты моделирования работы станции при каждом фиксированном числе команд включали в себя: долю своевременно обслуживаемых пожаров, выборочные распределения длительности распространения пожаров от обнаружения до начала тушения и времени ожидания начала обслуживания из-за отсутствия свободных команд на станциях [22].

Наличие выборочных распределений длительности распространения пожаров до обнаружения соответствующих различному количеству размещаемых наблюдательных вышек, времени следования к лесным пожарам при различном количестве размещаемых пожарно-технических станций, а также времени ожидания начала обслуживания при различном количестве пожарных команд на станциях позволяет переходить к построению выборочных распределений длительности распространения лесных пожаров от обнаружения до начала тушения при различных комбинациях числа вышек, станций и пожарных команд. При известных средних значениях затрат на содержание и функционирование вышки, станции и пожарной команды задача выбор наилучшей комбинации может быть сформулирована как задача минимизации длительности распространения пожара до начала тушения при заданных ограничениях на затраты или задача минимизации затрат при заданных требованиях к длительности распространения пожаров до начала тушения [12].

4. Оценка результатов функционирования СОЛП

Результаты функционирования СОЛП рассматриваются в двух аспектах: как совокупность нежелательных последствий, которые удалось предотвратить или устранить в процессе ее функционирования; как совокупность фактически имевших место нежелательных последствий, предотвратить или устранить которые не удалось. В первом случае оценивается величина предотвращенного ущерба от лесных пожаров и сохраненной от огня площади лесного фонда, а во втором - фактическая величина пройденной огнем площади и нанесенный им ущерб. Отсутствие кадастровой оценки лесов, недостаточная изученность последствий лесных пожаров и наличие неисчисляемых в стоимостном выражении составляющих ущерба обуславливает необходимость использования при оценке результатов функционирования СОЛП натуральных показателей или неполной суммы ущерба в стоимостном выражении [21,34].

Разработка методов учета результатов функционирования СОЛП осуществлялась с учетом специфических особенностей этой системы: вероятностного характера условий, а соответственно и результатов работы лесопожарных служб; невозможности прямого (непосредственного) измерения этих результатов; наличием тесной зависимости между объемами работ по борьбе с огнем, величиной наносимого им ущерба и своевременностью обнаружения и локализации лесных пожаров. В качестве основных показателей, характеризующих результаты функционирования СОЛП рассматривались поэтому математическое ожидание предотвращенного ущерба от пожаров и вероятность своевременной ликвидации лесных пожаров.

4.1. Оценка сохраненной от огня площади

Величина предотвращенного ущерба в натуральном выражении определялась как разность между потенциальной площадью пожаров при отсутствии организованной борьбы с огнем и их фактической площади за соответствующий пожароопасный сезон. Величина предотвращенного ущерба в стоимостном выражении находилась через сохраненную от огня площадь лесов и фактический ущерб от лесных пожаров на единицу пройденной огнем площади в каждом регионе страны или структурном подразделении СОЛП по данным отчетности лесопожарных служб за соответствующий пожароопасный сезон.

Естественным условием ликвидации пожара при отсутствии организованной борьбы с огнем считается выпадение осадков, увлажняющих лесные горючие материалы до критического состояния, исключающего возможность распространения огня. Дни с такими осадками разбивают пожароопасный сезон на бездождные периоды, внутри которых существует потенциальная возможность распространения огня. Потенциальная длительность распространения каждого пожара до локализации осадками определяется как разность между датой его возникновения и датой окончания соответствующего бездождного периода.

Оценка потенциальной площади пожара с известным периодом его распространения связана с прогнозом его динамики на достаточно продолжительном временном интервале. Неоднородность пространственного распределения лесных горючих материалов и нестационарность атмосферных процессов практически исключают возможность прогнозирования такой динамики с помощью аналитических моделей, основанных на физических законах тепло- и массообмена (Гришин A.M., 1981; Доррер Г.А., 1984 и др.) и крайне ограничивают возможность использования доя этой цели имитационных моделей, предъявляющих жесткие требования к информационному обеспечению.

Простейшим способом оценки потенциальной площади пожара является расчет по уравнению регрессии, связывающему среднюю величину пройденной огнем площади с длительностью распространения пожара до локализации. Численные значения коэффициентов регрессии определяются методом наименьших квадратов по данным статистической отчетности о лесных пожарах в конкретном регионе за предшествующие пожароопасные сезоны. Наряду с уравнением регрессии может использоваться вектор значений S(t), при t-0,1,2 . Г, где 5(0 - средняя площадь пожаров, ликвидированной на t -тый день после возникновения. Вектор S(t) для каждого региона страны строится по данным статистики лесных пожаров за предшествующие пожароопасные сезоны. При наличии систематических погрешностей в учете площадей лесных пожаров более надежные результаты дает использование эмпирико-статистической модели скорости распространения огня [1] и уравнения контура лесного пожара [2,3] или простейших аналитических моделей процесса горения (Rothermel, 1972) и контуров пожаров (Доррер Г.А., 1979).

Полученные изложенными способами оценки потенциальных площадей пожаров определяют наиболее вероятный диапазон их возможных значений. Разность между потенциальным и фактическими площадями пожаров определяет соответственно наиболее вероятный диапазон возможных значений сохраненной от огня площади в результате функционирования СОЛП [32, 34,41,48].

Недостатком данного подхода к оценке результатов борьбы с пожарами нужно считать игнорирование профилактических мероприятий, направленных на снижение числа возникающих пожаров, а также естественных и искусственных препятствий, ограничивающих возможность распространения огня. Определенные возражения вызывает сопоставление потенциальной площади пожаров, как случайной величины, с фактически пройденной огнем площадью. Последнее возражение снимается при оценке сохраненной от огня как разности между потенциальной площадью пожаров при отсутствии организованной борьбы с огнем и ожидаемой площадью пожаров при наличии такой борьбы.

Результаты расчетов общей сохраненной от огня площади показывают, что ее основная часть приходится ежегодно на регионы с высокой и чрезвычайной горимостью лесов, где по абсолютной величине она, как правило, значительно (на порядок) превосходит фактическую площадь пожаров [34]. Это означает, что общие результаты функционирования системы охраны леса определяются эффективностью ее работы в условиях пиковых нагрузок, имеющих локальный временной и пространственный характер. Оценка эффективности работы лесо-пожарных служб по фактически пройденной огнем площади, без учета напряженности пожароопасных периодов и сезонов в таких условиях является некорректной.

4.2. Оценка своевременности обнаружения, обслуживания и локализации лесных пожаров.

Перечисленные показатели определяются в результате построения соответствующих им функций распределения длительности распространения пожаров до обнаружения, начала тушения и локализации с помощью аналитических или имитационных моделей этих процессов при заданных технологических схемах и режимах работы ле-сопожарных служб.

Длительность распространения пожара от возникновения до начала тушения (у) рассматривается как сумма двух случайных величин - продолжительности его распространения от возникновения до обнаружения (а) и длительности распространения от обнаружения до начала тушения (¡5). Ее функция распределения находится в виде свертки двух функций распределения: г (О = Р{у = а + р<г} = Ра(0*/г,(<) где: /^(0 = Р{а < /} - функция распределения случайной величины а; Р{р </}- функция распределения случайной величины Д

Функция распределения длительности распространения пожаров до обнаружения авиацией строится при оптимизации расписания патрульных полетов для различных кратностей авиапатрулирования, а функция распределения длительности распространения пожаров до обнаружения с вышек РаН)(0 - при оптимизации режимов дежурства на этих вышках. При совместной работе воздушных патрулей и наблюдательных вышек длительность обнаружения пожара принимается равной минимальной из этих величин.

Функция распределения длительности распространения пожаров от обнаружения до начала тушения авиацией Рра>(1) строились при оптимизации маршрутных и площадных нагрузок на воздушные суда при различных технологических схемах и режимах работы. Для приближенной оценки показателей своевременности обслуживания пожаров авиацией получены аналитические выражения функции распределения длительности распространения пожаров до обнаружения авиацией Ра(() применительно к основным технологическим схемам работы воздушных судов.

Для патрульно-транспортной схемы работ в условиях полной обеспеченности пожарными командами функция распределения длительности распространения пожара от обнаружения до высадки к нему команды имеет вид: (21) 11= I 1 ~ 'о где: <рг„(1) - функция распределения длительности распространения пожара от обнаружения до высадки команды при условии обнаружения п пожаров; г - грузоподъемность воздушного судна по числу команд; Р„ - вероятность обнаружения на маршруте п пожаров.

При равномерном распределении пожаров по маршруту функция распределения <р[ (/) может быть представлена в виде:

22)

О, если I <тх и-[(и-1) г'1] п

--11

Г, 2 Г < Г, + Т2 и-[(л -1) Г"1] + + + п п

1, если Г > г, + т2 + ЬУ'^

М т *2 ■ где: г/, т2 - продолжительность посадки и высадки команды; [*] - целая часть числа х; Ь - протяженность патрульного маршрута; V - путевая скорость воздушного судна.

Аналогичные соотношения для Ра(() получены для патрульной схемы и схемы с дежурным оборотом [51], позволяющие получить приближенные оценки показателей своевременности обслуживания пожаров авиацией.

Функции распределения длительности распространения пожаров от обнаружения до начала тушения силами и средствами наземной охраны строились при оптимизации размещения пожарно-техничес-ких станций и обосновании числа пожарных команд на станциях. Наличие локальных особенностей в пространственном распределении пожаров и структуре транспортной сети каждого региона не позволило получить обобщенные аналитические выражения для показателей своевременности обслуживания пожаров наземными силами и средствами.

4.3. Оценка допустимых сроков распространения пожара до начала тушения

Определение допустимых площадей и периметров пожаров к началу тушения, а также соответствующих им допустимых сроков распространения пожаров осуществляется в результате совместного решения уравнений, описывающих динамику пожара и процесс подавления огня или создания заградительных полос. При распространении пожара по однородным горючим материалам в стационарных условиях внешней среды его динамика в полярной системе координат описывалась уравнениями:

L. al ' de

1- 1 i+WJ

23) dt /"'(l + (r/r')2) где: r(e)-v0Xr(6) - радиальная скорость распространения пожара; х/Ф rr , К0)

- индикатриса радиальнои скорости для ветра. При этом г = . d9

При непосредственном тушении пожара с постоянной скоростью и одним центром локализации динамика его конечной границы в полярной системе координат имеет вид: dR(0,t) = Л cosa;

L = (24) d9 Л sinar где: Л - скорость тушения кромки пожара; а - угол между направлением движения и нормалью к кромке пожара.

При косвенном методе тушения пожара путем создания заградительного пояса перед кромкой огня уравнение локализационной кривой записывается в виде: г (в, i) =т0 +а(в) где: а(в) - расстояние от кромки пожара до заградительной полосы; F(d,t) - радиус вектор, описывающий контур пожара.

Полученное из этих уравнений выражение для длительности тушения пожара имеет вид: в' вта\<1в (25)

Д< = (Щ)А-') \ |ехр| |/(0')<М' где:

-(г/Л)(г'/г) + ф + (гЧг)г~(г/Л )2 ята =-5—■—^-.

1 + (г'/г)2

Общая пройденная огнем площадь определяется уравнением: в+к

5 = |Л2<6>) ¿(0) = Е.\вй) { ехр 2 У {в

V в„ с№ (26)

Рассмотрены две тактики тушения пожара охватом с фронта и охватом с тыла. В результате расчета длительности тушения пожаров при двух тактиках тушения, различных значениях скорости распространения огня и производительности работ получены справочные таблицы предельных площадей и периметров пожара и соответствующих им длительностей тушения, необходимые для оценки своевременности обслуживания пожаров [47, 51].

Анализ полученных результатов показал, что тушение пожара охватом с фронта значительно эффективнее тактики охваты с тыла, когда фронт пожара распространяется в 3 и более раз быстрее, чем тыл. Для скоростей остановки огня, в 5 и более раз превышающих скорость распространения фронта пожара, ни тактика тушения, ни форма пожара не имеют существенного значения.

Использование косвенного метода тушения пожара не приводит к значительному увеличению длительности тушения и пройденной огнем площади по сравнению с непосредственным подавлением кромки. Анализ чувствительности решения показывает наличие оптимального расстояния от кромки пожара до места прокладки заградительной полосы, при котором длительность тушения и пройденная огнем площадь становятся минимальными. С учетом этих особенностей справочные таблицы допустимых площадей и периметров пожаров к началу тушения построены применительно к методу непосредственного подавления кромки и тактике охвата с фронта.

Пожары, локализованные в процессе начальной атаки, относятся к категории своевременно ликвидированных. К этой же категории относятся пожары, локализация которых осуществлена в вечерние или утренние часы (к началу периода горимости следующего дня), когда скорость распространения огня и интенсивность горения резко падают из-за снижения скорости ветра и повышения относительной влажности воздуха.

Пожары, не локализованные в период начальной атаки и к началу горимости следующего дня, считаются вышедшими из-под контроля авиационных сил и средств борьбы с огнем и рассматриваются как заявки на их дополнительное обслуживание наземными силами и средствами пожаротушения. В тех случаях, когда скорость наращивания дополнительных сил и средств ниже скорости нарастания объемов работ по локализации пожара, последний считается вышедшим из-под контроля системы охраны леса.

Длительность тушения и площадь своевременно локализованных пожаров определяются по справочным таблицам, а длительность тушения и площадь вышедших из-под контроля пожаров - как случайная величина, выборочная функция распределения которой строится по данным лесопожарной статистики.

5. Оценка масштабов воздействия пожаров на ресурсноэкологический потенциал лесов

Оценка воздействия пожаров на породно-возрастную структуру лесов и их ресурсно-экологический потенциал осуществлялась в результате моделирования динамики лесного фонда и обоснования допустимых размеров устойчивого лесопользования с учетом разрушительного воздействия огня на лесные экосистемы и лесообразователь-ных процессов на гарях. Рассматривались два типа динамики лесного фонда - антропогенная и естественная. Естественная динамика лесного фонда, т. е. изменение во времени структуры лесных земель и породно-возрастной структуры лесов рассматривались как результат биологических процессов роста и развития насаждений при наличии возмущающих воздействий лесных пожаров и других природных факторов. Антропогенная динамика лесного фонда моделировалась с учетом не только возмущающих, но и управляющих воздействий, включающих рубки главного пользования, мероприятия по воспроизводству и охране лесных ресурсов.

Оценка воздействия лесных пожаров на ресурсный потенциал лесов осуществлялась путем построения траекторий максимально допустимых размеров неистощительного лесопользования. В силу регионального характера проблем охраны, использования и воспроизводства лесных ресурсов, задачи моделирования динамики лесного фонда и оценки ресурсного потенциала лесов решались на уровне природно-территориальных комплексов, в качестве которых рассматривались экорегионы, как относительно замкнутые природно-экологические системы.

Воздействие лесных пожаров на углеродный баланс атмосферы условно разделено на 2 типа: прямое и косвенное. Прямое воздействие определяется двумя типами процессов: физико-химическим процессом «быстрого» выделения углерода при горении органических материалов («пожарные эмиссии») и биологическим процессом медленного высвобождения углерода в результате деструкции и гниения погибшей от огня, но не сгоревшей лесной растительности («послепо-жарные эмиссии»). Косвенное влияние лесных пожаров заключается в изменении объемов депонирования углерода лесной растительностью под воздействием огня на возрастную и породную структуру лесов.

5.1. Схема моделирования динамики лесного фонда

Лесной фонд региона рассматривается как совокупность природ-но-хозяйственных единиц (хозсекций), относительно однородных в лесоводственном и хозяйственном отношении. Однородность в лесо-водственном отношении достигалась путем включения в состав каждой хозсекции участков лесного фонда с одинаковым типом рельефа, одной лесообразующей породой и одной группой продуктивности. Однородность в хозяйственном отношении обеспечивалась за счет включения в состав каждой хозсекции участков лесного фонда с одинаковым режимом лесопользования: одним способом и возрастом рубки главного пользования.

Состояние лесного фонда в каждый момент (период) времени характеризовалось распределением его площади по хозсекциям и группам (ступеням) возраста, а также средними запасами древостоев каждой хозсекции и ступени возраста. Его исходное состояние устанавливалось по данным ГУЛ с помощью специального алгоритма выделения хозсекций, учитывающего распределение лесного фонда по категориям земель, группам и категориям защитности лесов, преобладающим породам и группам возраста.

Состояние лесного фонда в каждый последующий период времени находилось как функция его состояния в предшествующем периоде, биологических процессов роста насаждений и их естественной сукцессии, а также комплекса управляющих и возмущающих воздействий в текущем периоде времени (рис. 5.1). Стохастический по своей природе процесс роста и развития насаждений описывался в первом приближении как детерминированный, а зависящие от случайных факторов параметры этого процесса задавались их математическими ожиданиями.

НАЧАЛЬНОЕ СОСТОЯНИЕ ЛЕСНОГО ФОНДА К Л

УПРАВЛЯЮЩИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ

РУБКИ МЕРОПРИЯТИЯ ПО ВОСПРОИЗВОДСТВУ ЛЕСНЫХ РЕСУРСОВ МЕРОПРИЯТИЯ ПО ОХРАНЕ И ЗАЩИТЕ ЛЕСОВ г

ПРОЦЕССЫ РОСТА И ЕСТЕСТВЕННОЙ СУКЦЕССИИ ДРЕВОСТОЕВ

ВОЗМУЩАЮЩИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ X*

ПРОГНОЗИРУЕМОЕ СОСТОЯНИЕ ЛЕСНОГО ФОНДА

Я^ФІ^.Х,) X, = (X*, Х^, X,, X, )

РАЗМЕРЫ И СТРУКТУРА ЛЕСОПОЛЬЗОВАНИЯ

Мі

ЛЕСНЫЕ ПОЖАРЫ

ВРЕДНЫЕ НАСЕКОМЫЕ И БОЛЕЗНИ ЛЕСА

ДРУГИЕ ПРИРОДНЫЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ

Рис. 5.1. Общая схема моделирования динамики лесного фонда

Процессы роста насаждений характеризуются изменением во времени возрастной структуры и средних запасов древостоев. Они описывались кривыми динамики средних запасов, как функции биологического возраста древостоев. Процессы естественной сукцессии характеризуются изменением во времени породно-возрастной структуры древостоев. Они описывались матрицами смены преобладающих пород и изменения возраста насаждений в процессе их роста и развития.

Возмущающие воздействия лесных пожаров, вредных насекомых и болезней леса, других биотических и абиотических факторов характеризовались повреждением и разрушением части насаждений, переходом их в непокрытые лесом площади. Они описывались матрицами гибели насаждений от возмущающих воздействий, отражающими масштабы разрушений и породно-возрастную структуру погибших древостоев. Частичные повреждения насаждений, не приводящие к их гибели, игнорировались из-за сложности и недостаточной изученности последствий лесных пожаров, а также значительного варьирования структуры и масштабов возмущающих воздействий.

Комплекс управляющий воздействий включал в себя рубки главного (сплошные, выборочные, постепенные) и промежуточного (проходные, прореживания, реконструктивные) пользования, мероприятия по охране и воспроизводству лесных ресурсов. Каждый тип

--------------рубок и лесохозяйственных мероприятий задавался в модели режимом его проведения и характером воздействия на лесные экосистемы.

Режимы лесопользования формировались на основе региональных правил рубок главного пользования и наставлений по рубкам ухода. Они регламентируют возраста рубок, их интенсивность и повторяемость. Результатом рубок является полное или частичное изъятие запасов древесины, изменение преобладающей породы и возраста древостоев на пройденных рубками площадях.

Режимы воспроизводства лесных ресурсов формировались с учетом естественной возобновительной способности насаждений в различных лесорастительных зонах, породного состава и состояния жизнеспособного подроста. Они регламентируют соотношение масштабов естественного и искусственного лесовосстановления, породный состав и сроки создания лесных культур. Результатом их проведения является переход определенной части не покрытых лесом площадей в покрытые лесом с требуемой породной структурой насаждений.

Противопожарные мероприятия и мероприятия по защите лесов от вредителей и болезней рассматривались в едином комплексе. Он характеризовался уровнем охраны лесов, отражающим относительные масштабы гибели древостоев и перехода покрытых лесом земель в не покрытые лесом площади (гари и погибшие древостой). Уровень охраны рассматривался в качестве внешнего (регулируемого) параметра модели и задавался с учетом фактической горимости лесов.

Прогноз динамики лесного фонда осуществлялся применительно к различным стратегиям управления лесами, каждая из которых задавалась определенным набором управляющих воздействий, т. е. режимами использования и воспроизводства лесных ресурсов, уровнем охраны лесов. Каждой стратегии управления лесами соответствует при этом определенная траектория развития лесного фонда и определенная траектория лесопользования. Задача оценки ресурсного потенциала лесов формулировалась как задача построения траектории максимально допустимого устойчивого лесопользования, отвечающей системе экологических и экономических требований.

Экологические требования к динамике лесного фонда задавались системой ограничений, обеспечивающих поддержание породного многообразия и приемлемой породной структуры лесов, а также допустимую долю искусственных насаждений в лесном фонде региона. Экономические требования задавались системой ограничений, обеспечивающих неубывание объемов главного пользования в будущем и неухудшение породной структуры лесозаготовок.

Задача оценки ресурсного потенциала лесов при фиксированном уровне охраны лесов решалась как задача математического программирования с использованием в качестве целевой функции суммарных запасов изымаемой древесины.

Найти:

МАХ .%,) (27) при:

5,+1=Ф(5„Д,*Д X е[0, Г-1] 5(сЙ, ( е [О, Т\ иг,(х,)<>1Ум{хм), 1ф,Т-2) Щ'(х,)<Щ{х(хм), { е[0, Т* -2] где: Р(х0,хг.хг|) - суммарный запас изымаемой древесины; х, - вектор площадей рубок в /-том периоде; Б, = - матрица породно-возрастной структуры лесного фонда; - площадь насаждений /-той хозсекции /-той группы возраста в ¿-том периоде; А - вектор возмущающих воздействий в /-том периоде; О - множество состояния лесного фонда, отвечающих экологическим требованиям; ¥,(х,) - общий запас древесины, изымаемый в /-том периоде; Щх(х,) - изымаемый запас древесины /-той группы пород (хозяйственно-ценных) в /-том периоде.

Задача прогноза динамики лесного фонда и оценки ресурсного потенциала лесов на оборот рубки с шагом в 20 лет решались по базовым (тестовым) экорегионам Сибири и Дальнего Востока с высокой горимостыо лесов. В качестве тестовых использовались экорегионы 11045 (Ангарский южнотаежный) и 11082 (Нижнеамурский горный среднетаежный), находящиеся соответственно на территории Красноярского и Хабаровского краев. Результаты решения указанных задач включали в себя: распределение площадей и запасов древостоев по преобладающим породам и классам возраста на каждом шаге прогнозного периода; динамику площадей искусственного и естественного возобновления на не покрытых лесом площадях; динамику площадей необлесившихся вырубок, гарей и погибших насаждений; распре-----------------деление максимально допустимых площадей рубок и вырубаемых запасов по преобладающим породам и способам рубки на каждом шаге прогнозного периода.

5.2. Оценка воздействия пожаров на ресурсный потенциал лесов

Влияние горимости лесов на их ресурсный потенциал оценивалось путем построения траекторий максимально допустимого неис-тощительного лесопользования при различных масштабах возмущающих воздействий.

Анализ полученных результатов показывает, что каждому уровню охраны лесов соответствует собственная траектория максимально допустимого лесопользования, характеризующая возможные объемы изъятия лесных ресурсов.

С ростом масштабов гибели древостоев от 0 до 1,0 % площади лесного фонда в год максимально допустимые размеры устойчивого лесопользования сокращаются в 2-3 раза (рис. 5.2). При одинаковых масштабах гибели древостоев влияние лесных пожаров на допустимые размеры лесопользования в зоне южной тайги меньше, чем в зонах средней и северной тайги меньше. Указанные различия обусловлены разными темпами лесообразовательных процессов на гарях и соответственно разными масштабами накапливаемых обезлесенных площадей. Лесокультурное освоение гарей может вести лишь к частичной компенсации снижения допустимых размеров лесопользования за счет возмущающих воздействий лесных пожаров.

При существующем уровне охраны лесов Сибири и Дальнего Востока, где накопленные площади гарей и погибших насаждений в несколько раз превышают накопленные площади необлесившихся лесосек (вырубок) оценка ресурсного потенциала лесов без учета их горимости является некорректной и приводит к существенному завышению допустимых размеров неистощительного лесопользования. Учет горимости лесов необходим не только при обосновании максимально допустимых размеров лесопользования, но и при оценке его товарной структуры. Такая необходимость вызывается негативным воздействием пожаров на породную структуру лесного фонда, а соответственно и товарную структуру заготавливаемой древесины.

Надежность полученных результатов определяется адекватностью построенной модели динамики лесного фонда реальным динамическим процессам в лесах Сибири и Дальнего Востока, качеством используемой исходной и нормативно-справочной информации. Недостаточная изученность значительной части территории лесного фонда Сибири и Дальнего Востока, а также лесообразовательных процессов на этой территории обуславливает приближенный характер полученных оценок и необходимость дальнейшего совершенствования информационного обеспечения прогнозных расчетов. Важным направлением развития методического подхода к прогнозированию динамики лесного фонда является учет нестационарности возмущающих воздействий лесных пожаров и замена детерминированных моделей динамических процессов в лесах на стохастические модели этих процессов.

5.3. Оценка масштабов пожарных и послепожарных эмиссий углерода

Масштабы пожарных эмиссий углерода определяется массой сгорающих органических материалов и их химическим составом. Многообразие условий возникновения и развития лесных пожаров, резкое варьирование состава и запасов лесных горючих материалов, а также степени участия различных ярусов лесных сообществ в процессе горения исключают возможность точного определения общей массы сгорающих органических веществ.

Приближенная оценка массы сгорающих органических материалов производилась на основе анализа горимости лесов и степени воздействия огня на лесные экосистемы. Процедура такой оценки включала в себя: определение величины и структуры ежегодно охватываемой огнем площади лесного фонда; оценку запасов лесных горючих материалов (ЛГМ) и их удельных расходов на единицу пройденной огнем площади; определение общей массы сгорающих органических веществ.

В связи с отсутствием регулярного учета лесных пожаров на неохраняемой территории лесного фонда общая величина ежегодно охватываемой огнем площади оценивалась через общую площадь гарей и погибших насаждений по данным государственного учета лесов и ежегодную площадь пожаров на активно охраняемой территории лесного фонда. При одинаковом соотношении между площадями гарей и площадями пожаров на активно охраняемой и всей территории лесного фонда общая ежегодно охватываемая огнем площадь оценивается величиной от 2,0 до 5,5 млн. га [63,64].

Структура поврежденных и разрушенных древостоев устанавливалась по данным учета горимости лесов и характеризовалась соотношением площадей верховых, низовых и подземных (почвенных) пожаров. Удельные запасы лесных горючих материалов определялись по каждой из 4 групп, выделенных с учетом их роли в распространении огня и пространственного размещения: воздушные, наземные, почвенные и диффузно распределенные.

Оценки удельных запасов ЛГМ базировались на экспериментальных данных, полученных целым рядом исследований в различных природно-климатических зонах и лесорастительных условиях (Курбатский Н.П., 1970; Молчанов В.П., 1960; Молчанов A.A., 1971; Вонский C.B., 1957; Шешуков М.А., 1973, 1983; Арцыбашев Е.С., 1974; Софронов М.А., Волокитина A.B., 1983; Фуряев В.В., 1976, 1980).

Удельная масса сгорающих органических материалов определялась через удельные запасы ЛГМ каждой группы и степени их участия при верховых, низовых и подземных пожарах. Общая масса сгорающих органических материалов находилась соответственно через площади пожаров каждого вида и удельную массу сгорающих ЛГМ,

Масштабы пожарных эмиссий определялись через общую массу сгорающих органических материалов и содержание углерода в ней. При содержании углерода, равном половине фитомассы лесной растительности, его пожарные эмиссии оцениваются от 14,0 до 40,0 Мт. год"1. Только 2-3% этого количества приходится на Европейско-Уральскую часть страны, а остальные 97-98% - на районы Сибири и Дальнего Востока.

Масштабы послепожарных эмиссий определяются массой после-пожарного отпада, содержанием углерода в нем и скоростью (продолжительностью) процесса деструкции древесины.

Масса отмирающей от воздействия верховых пожаров лесной растительности находилась через надземную фитомассу хвойных насаждений, наиболее подверженных пожарам данного вида и массу сгорающих воздушных, и наземных ЛГМ. Величина послепожарного отпада составляла при этом от 85 до 90% допожарной фитомассы.

Масса отмершей растительности на площадях, пройденных низовыми пожарами, определялась через надземную фитомассу древосто-ев основных лесообразующих пород и долю пирогенного отпада деревьев по запасу. При относительно равномерном распределении низовых пожаров по интенсивности горения, осредненный по всем регионам и лесообразующим породам, послепожарный отпад оценивался величиной от 20,0 до 25,0% наличного запаса древостоев.

Масса отмершей растительности на площадях, пройденных подземными пожарами, определялась через надземную фитомассу насаждений, произрастающих на избыточно увлажненных почвах, Вся не-сгоревшая надземная фитомасса таких насаждений, пройденных подземных пожарами, полностью включалась в состав послепожарного отпада.

Полученные оценки массы отмирающей от воздействия огня лесной растительности показывают, что при верховых и низовых пожарах, на долю которых приходится до 98-99% общей пройденной огнем площади, масса послепожарного отпада по Российской Федерации превышает массу сгорающих материалов. Общая масса послепожарного отпада оценивается величиной от 40,0 до 105,0 Мт. год"1, из них только 2-3% в Европейско-Уральской части страны, остальные 9798% отпада - в Сибири и на Дальнем Востоке. Масса углерода содержащегося в годичном послепожарном отпаде составляет в целом по Российской Федерации от 20,0 до 52,5 Мт.

Период биологической деструкции отмершей древесной растительности существенным образом зависит от породного состава, раз-------------меров древесного субстрата, его контакта с поверхностью почвы и гидротермического режима конкретного региона. Величина ежегодной потери массы крупных древесных остатков в южной тайге в 2-3 раза больше, чем в лесотундре. Длительность периодов деструкции отмершей древесины может достигать 40-50 лет в зонах южной и средней тайги и 80-100 лет в зоне северной тайги и лесотундры (Harmon et al., 1986).

При постоянном уровне горимости лесов, независимо от скорости деструкции древесины и древесных остатков, ежегодные масштабы послепожарных эмиссий должны быть постоянной величиной, близкой по количеству углерода в годичном послепожарном отпаде (20,052,5 Мт. год"1). В результате лесообразовательных процессов на гарях, начиная с некоторого момента времени, высвобождение углерода в процессе деструкции отпада будет компенсироваться процессом депонирования таких же или больших объемов углерода, формирующимся на гарях молодняками. При периоде лесовосстановления гарей, составляющем 1/2-1/3 периода деструкции, чистые послепожарные эмиссии углерода оцениваются величинами от 10,0 до 27,0 Мт. год"1.

5.4. Общие масштабы воздействия лесных пожаров на углеродный баланс

Общий объем ежегодных пожарных и послепожарных эмиссий углерода оценивается величиной от 34,0 до 92,5 Мт. год V, что составляет от 13 до 35% его годичного депонирования лесной растительностью на территории Российской Федерации и свидетельствует об исключительной актуальности проблемы охраны лесов Сибири и Дальнего Востока.

Известно, что размеры годичного депонирования углерода лесной растительностью определяются скоростью накопления фитомассы лесных экосистем, и, прежде всего, скоростью накопления запасов древесины на корню (Исаев A.C. и др., 1993, 1994). Последняя находится как разность между текущим приростом по запасу и отпадом и является функцией возраста и породной структуры древостоев. Максимум депонирования приходится при этом на период наибольшего накопления запасов фитомассы, а его минимум - на период стабилизации запасов древостоев при достижении ими возраста естественной спелости.

Анализ результатов моделирования естественной динамики лесного фонда при нулевой горимости лесов показывает, что размеры годичного депонирования углерода лесной растительностью постепенно снижаются вместе с падением доли молодняков и неспелых древостоев и асимптотически приближаются к постоянной величине, соответствующей стационарному состоянию лесного фонда при отсутствии лесных пожаров (рис. 5.3). Динамика депонирования углерода при наличии горимости определяется при этом исходным состоянием лесного фонда, уровнем горимости и динамикой породно-возрастной структуры лесов, соответствующей этому уровню горимости.

Рис. 5.3. Динамика депонирования углерода лесной растительностью при различных уровнях горимости лесов.

Экорегион 11045

Годы прогнозного периода

Результаты моделирования естественной динамики лесного фонда при различных уровнях горимости лесов показывают, что размеры годичного депонирования углерода лесной растительностью растут вместе с ростом горимости. При повышении горимости лесов от 0 до 1% ежегодно разрушаемой огнем площади древостоев, размеры годичного депонирования углерода возрастают в 2-3 раза (рис. 5.4).

Определенное влияние на масштабы депонирования углерода оказывает изменение породной структуры лесов, обусловленное различной устойчивостью основных лесообразующих пород к воздействию огня и особенностью лесообразовательных процессов на гарях с различными типами условий местопроизрастания. Степень такого влияния определяется направленностью и масштабами смен преобладающих пород, различиями в динамике накопления ими запасов древесины.

Сопоставление масштабов годичного депонирования углерода лесной растительностью тестовых экорегионов с размерами его суммарных эмиссий подтверждает гипотезу о их взаимной компенсации при условии стационарности процессов гибели (разрушения) древостоев, лесообразовательных процессов на гарях и других категориях не покрытых лесом площадей.

Таким образом, эмиссии углерода от лесных пожаров в определенной степени могут компенсироваться повышением размеров голичного депонирования углерода лесной растительностью за счет изменения породно-возрастной структуры лесов в результате воздействия огня на лесные экосистемы. Компенсация пожарных эмиссий углерода возможна при этом только с большим временным лагом, измеряемым десятками и сотнями лет.

6. Концептуальная схема интегрированной системы мониторинга лесных пожаров

6.1. Структура интегрированной системы мониторинга лесных пожаров Интегрированная система мониторинга лесных пожаров, как совокупность средств и методов сбора, хранения и обработки данных о пирологическом состоянии лесов, условиях и процессах возникновения и развития пожаров, масштабах воздействия огня на лесные экосистемы, рассматриваются в качестве неотъемлемой компоненты существующей СОЛП. Ее организационная и функциональная структура должна соотвествовать трехуровневой структуре управления охраной лесов (локальный, региональный и федеральный уровни), наличию двух типов лесопожарных служб (авиационная и наземная службы) и трех типов средств и методов наблюдения за лесными пожарами - наземных, авиационных и космических (рис. 6.1),

Средства наземного и воздушного наблюдения, включающие стационарные наблюдательные пункты, наземные и воздушные патрули, персонал лесной охраны, несущий дозорно-сторожевую службу, функционируют в составе наземной и авиационной охраны лесов. Космические средства наблюдения за лесными пожарами, включающие метеорологические спутники (Метеор, NOAA и др.) и космические системы дистанционного зондирования («Ресурс», Spot, Landsat и др.), функционируют автономно и представляют собой внешние по отношению к системе охраны леса источники информации. Процесс формирования интегрированной системы мониторинга лесных пожаров рассматривается как процесс создания в структуре федерального и региональных лесопожарных центров (центров диспетчерского управления) компьютеризированных систем сбора, хранения и обработки данных наземных, воздушных и космических наблюдений, их анализа и интерпретации с целью геоинформационной поддержки принимаемых управленческих решений на федеральном, региональном

Рис. 6.1. Организационная структура ГИС мониторинга лесных пожаров. и локальном уровнях [55, 58, 59]. Важнейшим аспектом этого процесса является включение космической компоненты мониторинга лесных пожаров, организационная и функциональная структура которой являлась предметом специальных исследований в нашей стране (Арцыбашев Е.С. и др., 1977, 1985; Сухих В.И., 1979; Исаев А.С, Сухих В.И., 1986; Арпохов Ю.П. и др., 1987) т за рубежом (Е^-Ка^сЫсе, 1993; В.тоскв, О.К.СаЬооп, 1995,1996; е1. а!.).

Геоинформационная система мониторинга лесных пожаров (ГИС МЛП) федерального уровня ориентирована на информационную поддержку процессов принятия решений в высшем звене управления, ответственном за формирование научно-технической политики в области охраны лесов, выработку оптимальных стратегий и распределение ресурсов, выделяемых на борьбу с огнем, координацию деятельности региональных служб авиационной и наземной охраны лесов и организацию межрегионального маневрирования ресурсами лесопожарных служб. Принимаемые в ней стратегические решения базируются, как правило, на агрегированной информации о горимости лесов, природ-но-экономических условиях и ресурсах системы охраны в различных регионах страны и зонах чрезвычайной горимости лесов.

ГИС МЛП регионального уровня предназначены для информационной поддержки принятия решений в среднем звене управления, ответственном за планирование охраны лесов и оперативное управление лесопожарными службами, координацию деятельности авиационной и наземной служб, организацию тушения крупных пожаров и маневрирование ресурсами внутри регионов. Для принятия в них тактических решений необходима, как правило, детальная информация об условиях и процессах возникновения и развития лесных пожаров, состоянии и дислокации ресурсов лесопожарных служб в разрезе административных районов, структурных подразделений авиационной и наземной охраны лесов.

С учетом характера решаемых задач и необходимости согласования решений, принимаемых на федеральном и региональном уровне в составе интегрированной системы мониторинга лесных пожаров условно выделяется пять функциональных подсистем: идентификации и прогнозирования лесопожарной обстановки; мониторинга процессов возникновения и развития лесных пожаров; мониторинга процессов обнаружения и тушения лесных пожаров; оценки масштабов и последствий воздействия огня на лесные экосистемы; информационной поддержки управленческих решений [55, 58].

Подсистема идентификации и прогнозирования лесопожарной обстановки объединяет комплекс функциональных задач, обеспечивающий: определение границ снежного покрова и сроков наступления пожароопасного сезона; оценку и прогноз пожарной опасности в лесу по условиям погоды; определение границ ресурсной облачности для искусственного вызывания осадков; определение границ грозовой облачности; формирование и ведение баз метеоданных; построения и хранения обзорных изображений с метеорологических спутников Земли.

В состав подсистемы мониторинга процессов возникновения и развития лесных пожаров включается комплекс функциональных задач, осуществляющий: регистрацию возникающих пожаров; контроль состояния и динамики действующих лесных пожаров; формирование и ведение баз данных о лесных пожарах; формирование и хранение файлов с космическими изображениями районов действия крупных лесных пожаров; построение карт горимости и формирование статистической отчетности о лесных пожарах.

Основными функциональными задачами подсистемы мониторинга процессов обнаружения и тушения лесных пожаров являются: учет состояния и дислокации ресурсов лесопожарных служб; учет объемов выполненных работ и затрат на их проведение; оценка своевременности обнаружения, обслуживания и локализации лесных пожаров; формирование статистической отчетности о ходе тушения лесных пожаров.

Подсистема оценки масштабов воздействия и последствий лесных пожаров объединяет комплекс задач, обеспечивающий: определение пройденной огнем площади и степени нарушенности лесного покрова; оценку площадей гарей и их состояния; определение размеров эмиссий углерода от лесных пожаров; оценку сохраненной от огня площади лесного фонда.

В подсистему информационной поддержки управленческих решений входят функциональные задачи, связанные с планированием охраны лесов и оперативным управлением работой лесопожарных служб: выбора оптимальных стратегий и распределения ресурсов системы охраны леса, обоснования состава самолетно-вертолетного парка авиалесоохраны и численности авиапожарной службы, назначения технологических схем и режимов работы лесопожарных служб, маневрирования силами и средствами пожаротушения.

Значительная часть функциональных задач мониторинга лесных пожаров уже реализуется в рамках существующей системы управления охраной лесов с использованием данных наземных и воздушных наблюдения. Приоритетным направлением формирования интегрированной системы мониторинга признается поэтому активное включение в нее космических средств и методов наблюдения за лесными пожарами, создание геоинформационных систем федерального и регионального уровней, обеспечивающих сопряженную обработку фактологической и картографической информации, данных дистанционного зондирования лесов.

6.2. ГИС МЛП федерального уровня

На основании результатов обследования существующей системы управления системой охраны лесов разработаны общие требования к основным компонентам ГИС мониторинга лесных пожаров федерального уровня, обоснован состав баз данных этой системы, необходимых для решения функциональных задач.

Банк данных ГИС МЛП федерального уровня формируется как совокупность атрибутивных данных, цифровых карт и космических изображений. К категории атрибутивных относятся данные о лесных пожарах; о погодных условиях; о лесном фонде; о ресурсах лесопо-жарных служб; нормативно-справочные данные. Фактическая информация о лесных пожарах представлена базами данных трех типов: с интегральными характеристиками горимости лесов по регионам страны (субъектам Российской Федерации); со статическими характеристиками всех зарегистрированных лесных пожаров; с динамическими характеристиками крупных лесных пожаров.

Базы данных с интегральными характеристиками горимости лесов и динамическими характеристиками крупных лесных пожаров формируются на основе оперативной информации, ежедневно поступающей из региональных лесопожарных центров (региональных управлений лесами, региональных авиабаз), а базы данных со статическими характеристиками - на основе актов о лесных пожарах, составляемых в первичных структурных подразделениях СОЛП.

Фактологическая информация о погодных условиях включает результаты наблюдений сети наземных метеостанций, прогнозы погоды, а также соответствующие им фактические и прогнозные значения показателей и классов пожарной опасности в лесах. Она формируется на основе оперативной метеоинформации и прогнозов погоды, ежедневно поступающих из Гидрометцентра России.

Фактологическая информация о лесном фонде содержит данные ГУЛ и экспериментальные данные по фитомассе и продуктивности лесных экосистем. База данных ГУЛ включает сведения о распределении лесного фонда по категориям земель, группам и категориям защитности лесов, преобладающим породам и группам возраста дре-востоев. База данных о фитомассе и продуктивности лесных экосистем содержит результаты полевых наблюдений и измерений, связанных с оценкой запасов и фракционного состава фитомассы и детрита на 1700 тестовых участках.

Фактологическая информация о ресурсах лесопожарных служб включает сведения о самолетно-вертолетном парке авиалесоохраны, численности наземных и авиационных лесопожарных служб, средствах пожаротушения, связи и транспорта. Она формируется на основании данных региональных и федерального лесопожарных центров о структуре и дислокации материально-технических и людских ресурсов, их состоянии и перемещениях.

Нормативно-справочная информация ГИС МЛП состоит из справочников структурных подразделений авиационной и наземной охраны лесов, регламентации работы ЛПС, нормативов для оценки потребности в ресурсах, характеристик лесопожарного оборудования, транспортных средств и средств связи, параметров моделей для решения функциональных задач мониторинга лесных пожаров.

Картографическая составляющая банка данных ГИС МЛП федерального уровня включает цифровые карты следующих основных типов: топографическую основу; административно-территориальное и производственно-территориальное деление территории лесного фонда; природно-климатическое и лесорастительное районирование.

-Топографическая основа ГИС МЛП формируется из базовых цифровых карт двух масштабных уровней - обзорного и обзорно-топографического. Базовая карта обзорного уровня соответствует по содержательной нагрузке и степени генерализации масштабу 1:8000000 и включает изображения речной сети, крупных водоемов, основных железных и автомобильных дорог, крупных населенных пунктов, а также географической сетки координат. Базовая карта обзорно-топографического уровня, сформированная на основе цифровой карты Мира масштаба 1:1 000 000 содержит следующие слои: гидрографию, рельеф, дорожную сеть, населенные пункты, аэродромы и коммуникации.

Цифровые карты административно-территориального деления содержат изображения границ субъектов Российской Федерации и административных районов, названия соответствующих территориальных образований. Цифровые карты производственно-территориального деления территории представлены изображениями границ структурных подразделений авиационной (авиаотделения, авиабазы) и наземной (лесхозы) охраны, а также местами размещения пожарно-технических станций, наблюдательных вышек, резервных складов и т.д. Цифровые карты природно-экономического и лесорастительного районирования содержат границы экорегионов, лесорастительных зон, границы охраняемой территории лесного фонда.

Данные дистанционного зондирования представлены обзорными цифровыми изображениями облачного покрова и цифровыми изображениями районов действия крупных лесных пожаров, получаемыми с помощью радиометра AVHRR, установленного на спутниках NOAA, а также цифровыми изображениями отдельных районов с крупными лесными пожарами и гарями, получаемыми с космических систем дистанционного зондирования типа Ресурс и Spot.

Обзорные изображения облачного покрова на всей территорией лесного фонда формируются путем загрубления и автоматической фрагментации данных, ежедневно получаемых с приемных станций HRPT, расположенных в Европейской и Азиатской частях страны, их географической привязки и преобразования в картографическую проекцию.

Цифровые изображения районов действия крупных пожаров формируются без загрубления данных, получаемых с приемных станций HRPT, для ограниченного количества районов с малой облачностью, высокой и чрезвычайной горимостью лесов. Для выделения и анализа крупных гарей накапливаются цифровые изображения, получаемые как с метеорологических спутников Земли, так и космических систем дистанционного зондирования лесов типа Ресурс в видимой и ближайшей к нему инфракрасной области спектра.

В результате анализа возможностей существующих спутниковых систем и опыта практического применения данных дистанционного зондирования в охране лесов (Арцыбашев Е.С. и др., 1997; Бурцева А.И., Тищенко А.П., 1983; Артюхин Ю.П. и др., 1987; Жирин В.М., Сухих В.И., 1980; Исаев A.C., Сухих В.И. и др. 1991 и др.) определено место существующих космических средств и методов наблюдения в системе мониторинга лесных пожаров и их роль в решении функциональных задач ГИС МЛП федерального уровня.

В рамках подсистемы идентификации и прогнозирования лесо-пожарной обстановки данные дистанционного зондирования с метеорологических спутников используются для оценки погодной ситуации на территории лесного фонда и зон чрезвычайной горимости лесов, дешифрирования и картирования снежного покрова, выделения районов с наличием грозовой и развитой конвективной облачности. К числу наиболее актуальных задач данной подсистемы, решаемых с использованием космических изображений, относятся оценка пожарной опасности в лесах для районов с редкой сетью наземных метеорологических станций и выявление массовых лесных пожаров в зонах активной грозовой деятельности.

В рамках подсистемы мониторинга процессов возникновения и развития лесных пожаров ГИС МЛП федерального уровня цифровые изображения с метеорологических спутников Земли применяются для дешифрирования и регистрации крупных лесных пожаров, оценки параметров действующих пожаров в районах с высокой и чрезвычайной горимостью лесов, контроля за их динамикой. Задачи раннего обнаружения лесных пожаров относятся к региональному уровню и не рассматриваются в составе ГИС федерального уровня.

Оценка параметрбв и контроль динамики крупных лесных пожаров достигается в результате обработки последовательности спутниковых изображений, выделения контуров этих пожаров и нанесения их на цифровую карту с последующим определением, направления и скорости распространения огня, величины пройденной им площади.

Определение масштабов воздействия огня на лесные экосистемы и последствий лесных пожаров базируется на оценке анализа после-пожарной структуры лесных земель и степени повреждения древосто-ев по космическим изображениям среднего разрешения, сравнении их с допожарной структурой лесных земель и породно-возрастной структурой лесов, восстанавливаемой по материалам лесоинвентаризации. Процедура обработки космических изображений включает в себя: дешифрирование контуров пожарищ и выделение в пределах этих контуров границ гарей и других категорий не покрытых лесом площадей; выделение границ участков сохранившихся древостоев с различной степенью повреждения, нанесение контуров пожарищ, гарей и участков с разной степенью повреждения древостоев на планово-картографические материалы.

Контроль динамики гарей и поврежденных огнем насаждений связан с регулярной оценкой структуры и состояния пройденных огнем площадей по космическим снимкам среднего и высокого разрешения и выявления изменений в породно-возрастной структуре сохранившихся древостоев, а также вновь формирующихся на гарях насаждений. По выявленным изменениям в структуре и состоянии пройденных пожарами площадей оценивается динамика запасов стволовой древесины и фитомассы лесной растительности, масштабы эмиссии углерода от лесных пожаров и размеры его годичного депонирования лесными экосистемами.

С учетом результатов обследования существующей системы управления охраной лесов определены общие требования к программно-техническому обеспечению ГИС МЛП федерального уровня и коммуникационным сетям для сбора данных и взаимодействия с пользователями этой системы. В качестве интегрирующей операционной среды, отвечающей этим требованиям, выбрана операционная система OS Windows NT, обладающая достаточным уровнем сетевых возможностей, надежными средствами управления и администрирования сетью, развитыми средствами защиты данных. В качестве базовых прикладных программных средств геоинформационной системы рекомендованы: программное средство создания картографических покрытий и анализа пространственных данных pcARC/INFO; программная среда конечного пользователя pcARCVIEW; программная среда анализа данных дистанционного зондирования ERDAS IMAGINE.

Внешние коммуникативные возможности обеспечиваются подключением комплекса технических и программных средств СОЛП к глобальной коммуникационной сети InterNet. Соответствующий задачам интегрированной обработки космических изображений, цифровых карт и фактологической информации уровень аппаратных возможностей обеспечивается использованием персональных компьютеров на базе архитектуры Intel.

В соответствии с указанными требованиями совместными усилиями МИЛ РАЕН, ИКИ РАН и Центральной базы авиационной охраны лесов разработан и передан в опытную эксплуатацию пусковой комплекс ГИС МЛП федерального уровня, обеспечивающий оценку и прогноз пожарной опасности в лесу по условиям погоды, мониторинг горимости лесов по регионам страны, формирование электронных карт горимости лесов и пожарной опасности в лесах по условиям погоды, формирование обзорных изображений облачного покрова с метеорологических спутников Земли и фрагментов спутниковых изображений зон высокой и чрезвычайной горимости лесов. В рамках этого комплекса осуществляется построение и хранение картографических покрытий, баз данных о лесных пожарах и погодных условиях, архивов обзорных спутниковых изображений облачности и фрагментов спутниковых изображений зон высокой и чрезвычайной горимости лесов. Результаты опытной эксплуатации подтверждают обоснованность предложенной концепции интегрированной системы мониторинга лесных пожаров, необходимость дальнейшего развития ГИС

МЛП федерального уровня и создания ГИС МЛП регионального и локального уровней.

Выводы

1. Исследована статистическая структура горимости лесов, формирующаяся под совокупным влиянием комплекса климатических и лесорастительных условий и других природно-экономических факторов. Выявлены общие закономерности и локальные особенности пространственно-временного распределения лесных пожаров, обусловленные сезонной и суточной цикличностью природных процессов, изменчивостью рельефа местности, структуры лесного фонда и степени его хозяйственного освоения.

С учетом стохастического характера процессов возникновения и развития лесных пожаров разработаны статистические модели гори-мости лесов: длительности и сроков наступления пожароопасных сезонов, сезонной и суточной динамики числа и площади лесных пожаров, их пространственного распределения.

2. В результате анализа структуры и механизма функционирования СОЛП выявлены специфические особенности этой системы: стохастический характер условий и результатов ее работы, резкое колебание нагрузок и нестационарность режимов функционирования системы; обусловленность результатов борьбы с огнем эффективностью работы системы при пиковых нагрузках; локальный характер пиковых нагрузок в пространственном и временном отношениях. Обоснована необходимость формирования адаптивной системы охраны леса и управления лесными пожарами, способной регулировать свою структуру, параметры и режимы функционирования в соответствии со складывающейся в каждом регионе страны лесопожарной ситуацией, эффективно защищать лесные ресурсы от разрушительного воздействия стихийных пожаров и целенаправленно использовать огонь как полезный инструмент для решения широкого круга лесохозяйствен-ных задач.

3. Предложена концепция и общая схема экономико-математического моделирования СОЛП, включающая следующие основные блоки: воспроизведения горимости лесов и условий функционирования лесопожарных служб; адаптации системы к текущим условиям ее функционирования; моделирования процессов обнаружения и оперативного обслуживания пожаров; моделирования процессов тушения лесных пожаров; оценки результатов функционирования СОЛП; оценки затрат на охрану лесов; выбора оптимальных стратегий и распределения ресурсов СОЛП. Построены модели процессов обнаружения, обслуживания и локализации лесных пожаров, необходимые для реализации этой концепции и схемы экономико-математического моделирования СОЛП.

4. Разработаны методические подходы к обоснованию оптимальных стратегий СОЛП, тактических параметров и режимов функционирования ее структурных подразделений. Осуществлена апробация этих подходов при составлении генпланов и проектов противопожарного устройства лесов, перспективном и текущем планировании работ по авиационной охране лесов, разработки нормативной базы СОЛП. Показана возможность использования предложенного инструментария для районирования территории лесного фонда по уровню противопожарной защиты лесов.

5. Разработана общая схема и методика моделирования динамики лесного фонда и оценка его ресурсно-экологического потенциала с учетом возмущающих воздействий лесных пожаров. В результате прогнозных расчетов по тестовым регионам получены количественные оценки влияния горимости лесов на допустимые размеры устойчивого лесопользования. Установлено, что с ростом горимости лесов от 0 до 1% максимально допустимые размеры лесопользования снижаются в 2 и более раза, и что определение расчетных лесосек без учета воздействия лесных пожаров приводит к существенному завышению допустимых размеров лесопользования в районах с высокой горимостью лесов.

Получены приближенные оценки масштабов пожарных и после-пожарных эмиссий с территории лесного фонда, достигающих в сумме от 10 до 35% общих размеров годичного депонирования углерода лесной растительностью. Установлено, что в результате воздействия пожаров на породно-возрастную структуру древостоев, рост горимости лесов сопровождается существенным увеличением размеров годичного депонирования углерода.

6. Показана необходимость и возможность использования космических средств и методов наблюдения за лесными пожарами для объективной оценки масштабов лесопожарной проблемы в стране и эффективного управления охраной лесов. Предложена концептуальная модель интегрированной системы мониторинга лесных пожаров, охватывающей всю территорию лесного фонда и включающей в качестве обязательной компоненты космические средства и методы наблюдения, как важные источники информации о горимости лесов и масштабах воздействия огня на лесные экосистемы.

Дано обоснование организационной и функциональной структуры интегрированной системы лесопожарного мониторинга, состава ее геоинформационного обеспечения. Сформулированы общие требования к базам данных, программным и техническим средствам ГИС мониторинга лесных пожаров федерального уровня. Определено место и роль данных дистанционного зондирования в рамках этой ГИС.

Концепция интегрированной системы мониторинга, требования к ее организационной и функциональной структуре, информационному обеспечению реализуются в процессе разработки ГИС МЛП, как неотъемлемой компоненты СОЛП, создаваемой в структуре Федеральной службы лесного хозяйства.

Основные положения диссертационной работы опубликованы:

1. Коровин Г.Н. Исследование низовых пожаров в сосняках // Р. ж. "Лесн. хоз-во. 1967, N2. С. 23-25.

2. Коровин Г.Н. Особенности расчета периметров низовых лесных пожаров // Сб. научно-исслед. работ по лесн. хоз-ву, Вып. XI, Л.: ЛенНИИЛХ, 1969. С. 330-345.

3. Коровин Г.Н. Методика расчета некоторых параметров низовых лесных пожаров // Там же. Вып. XII, Л.: ЛенНИИЛХ, 1969. С.244-262.

4. Мошкалев А.Г., Смирнова A.A. Коровин Г.Н. Применение вычислительной техники и математических методов в лесном хозяйстве. М.: ЦБНТИлесхоз, 1969. 50 с.

5. Коровин Г.Н. Модель низового лесного пожара в установившемся режиме развития и расчет ее параметров на ЭВМ "Проминь" // "ЭВМ и математические методы в лесном хозяйстве". Л.: ЛенНИИЛХ, 1969. С.24-35.

6. Коровин Г.Н. О расчете систем обнаружения и тушения лесных пожаров на ЭВМ. И "Лесн. хоз-во", 1970. №7. С. 56-58.

7. Грищман З.М., Коровин Г.Н. Оптимальное размещение пожар-но-хими-ческих станций // В сб. программ обработки лесохозяйствен-ной информации на ЭВМ «Минск-22». JL: ЛенНИИЛХ, 1971. С. 22-37.

8. Коровин Г.Н., Логинова Н.С. Расчет оптимального расписания патрульных полетов // Там же. С. 45-65.

9. Логинова Н.С., Коровин Г.Н. Расчет относительной загораемо-сти участков охраняемой территории // Там же. С. 65-72.

10. Коровин Г.Н. Использование математических методов и ЭВМ для расчета систем обнаружения и тушения лесных пожаров // В сб. «Доклады специалистов-участников международного симпозиума стран-членов СЭВ по использованию ЭВМ и математических методов в лесном хозяйстве, г. Пушкино, 1972. С. 89-99.

11. Коровин Г.Н. Применение ЭВМ при планировании охраны лесов от пожаров // «Школа передового опыта ВДНХ. Доклады и сообщения». М.: В/О «Леспроект», 1973. С. 84-88.

12. Коровин Г.Н., Логинова Н.С., Покрывайло В.Д., Горовая E.H., Поломина З.С. Алгоритм и программы расчета оперативных систем обнаружения и тушения лесных пожаров на ЭВМ. Л.: ЛенНИИЛХ, 1974. 88 с.

13. Коровин Г.Н., Добротворский М.М. АСУ охраны: задачи, принципы, перспективы. // Лесн. хоз-во», 1974. №8. С. 78-81.

14. Бочков И.М., Бурневский Ю.И., Мошкалев А.Г., Коровин Г.Н., Побирченко Д.А. Математическое обеспечение и применение ЭВМ в лесоустройстве и лесном хозяйстве. М.: ЦБНТИ Гослесхоза СССР, 1974. 34 с.

15. Коровин Г.Н., Логинова Н.С., Добротворский М.М. Расчет оперативных систем обнаружения и тушения лесных пожаров на ЭВМ «Минск-22», Л.: ЛенНИИЛХ, 1974. 54 с.

16. Коровин Г.Н. Состояние и перспективы работ по созданию АСУ охраны лесов // Материалы совещания на базе тематической выставки ВДНХ, М.: 1975.

17. Коровин Г.Н., Добротворский М.М., Логинова Н.С., Горовая E.H., Козлов В.К. Расчет оперативных систем обнаружения и тушения лесных пожаров на ЭВМ. Расчет потребности в пожарных командах для авиационной охраны лесов. Л.: ЛенНИИЛХ, 1976.48 с.

18. Покрывайло В.Д., Коровин Г.Н., Солодовникова Н.И., Поло-мина З.С. Организация и использование банка данных о лесных пожарах на базе ЭВМ ЕС-1020. Л.: ЛенНИИЛХ, 1976. 60 с.

19.Коровин Г.Н. ЭВМ в управлении охраной лесов от пожаров // «Совершенствование методов лесоустройства и ведения лесного хозяйства», Л.: ЛДНТП, 1977. С. 62-65.

20. Коровин Г.Н., Самусенко И.Ф., Поломина З.С., Гришман З.М., Вонский С.М., Жданко В.А. Оценка пожарной опасности в лесу и расчет параметров лесных пожаров на ЭВМ. Л.: ЛенНИИЛХ, 1977. 64 с.

21. Коровин Г.Н., Добротворский М.М. Автоматизация управления охраной лесов от пожаров. Л.: ЛенНИИЛХ, 1977.48 с.

22. Коровин Г.Н. Проектирование противопожарных мероприятий при лесоустройстве // Доклады советских специалистов-участников совещания стран-членов СЭВ «Использование ЭВМ ЕС «Ряд» в лесном хозяйстве», Л.: В/О «Леспроект», 1977. С. 24-36.

23. Альбини Ф.А., Коровин Г.Н., Горовая E.H. Математический анализ процесса тушения лесного пожара// Лесные пожары и борьба— с ними, Л.: ЛенНИИЛХ, 1978. С. 61-78.

24. Коровин Г.Н., Абрамов Л.М. О системном подходе к планированию охраны лесов от пожаров // Там же. С. 104-120.

25. F.A. Albini, G.N. Korovin, E.N. Gorovaja. Mathematical analysis of forest fire supression. USDA Forest Service, Research Paper INT. 207. 1978/20 p.

26. Коровин Г.Н., Гришман З.М. К вопросу о статистической структуре поля летних осадков // Общая климатология. 1978. Вып. 404. С. 87-90.

27. Коровин Г.Н. Проблемы экономико-математического моделирования и оптимизации охраны лесов от пожаров // Горение и пожары в лесу. Тез. докл. и сообщений Первого Всесоюзн. научно-техн.совещ. Красноярск, ИЛИД СО АН СССР, 1978. С. 20-23.

28. Горовая E.H., Коровин Г.Н. Математическое моделирование процессов распространения и тушения лесных пожаров // Там же.С. 56-57.

29. Коровин Г.Н., Смирнов Н.П. ЭВМ в лесном хозяйстве // Повышение производительности таежных лесов. Л.: ЛенНИИЛХ, 1978. С. 117-124.

30. Коровин Г.Н., Абрамов Л.М., Левина Г.Г. Проблемы моделирования и оптимизации охраны лесов от пожаров // Экономико-математическое моделирование лесохозяйственных мероприятий, Л.: ЛенНИИЛХ, 1980. С. 3-18.

31. Горовая E.H., Коровин Г.Н. Имитационная модель лесного пожара // Экономико-математическое моделирование лесохозяйст-венных мероприятий, JI.: ЛенНИИЛХ, 1980. С. 31-42.

32. Могилевер О.М., Коровин Г.Н., Козлова O.A. Оценка напряженности пожароопасных периодов и результатов функционирования системы охраны леса // Там же. С. 83-101.

33. Горовая E.H., Коровин Г.Н. Математическое моделирование процессов распространения и тушения лесных пожаров // Горение и пожары в лесу: Материалы Первого Всесоюзн. совещ. Часть II. Красноярск, ИЛИД СО АН СССР, 1979. С. 38-53.

34. Могилевер О.М., Коровин Г.Н., Козлова O.A. Оценка результатов функционирования региональных систем охраны леса на ЭВМ. Л.: ЛенНИИЛХ, 1982, 60 с.

35. Коровин Г.Н., Абрамов Л.М., Левина Г.Г. Экономико-математическое моделирование авиалесоохраны. Л.: ЛенНИИЛХ, 1982,57 с.

36. Коровин Г.Н., Горовая E.H. Математическая модель процесса тушения крупных лесных пожаров // Горение и пожары в лесу: Тез. докл. межреспубликанской конференции 9-11 октября, г.Красноярск, Красноярск, ИЛИД СО АН СССР, 1984.

37. Коровин Г.Н., Покрывайло В.Д., Солодовникова Н.И. Анализ и моделирование статистической структуры поля горимости лесов (временная структура горимости лесов). Л.: ЛенНИИЛХ, 1984. 64 с.

38. Коровин Г.Н. Автоматизация управления охраной лесов от пожаров. // Лесн. хоз-во. 1984. №5. С. 55-57.

39. Коровин Г.Н., Горовая E.H. Математическая модель процесса тушения крупных лесных пожаров // Методы и средства борьбы с лесными пожарами. Сб. научн. трудов ВНИИПОМлесхоз, Красноярск,. 1984. С. 87-97.

40. Коровин Г.Н., Криволапое Г.Д., Нога Л.Г. Некоторые особенности возникновения лесных пожаров от молний Н Применение авиации в лесном хозяйстве. Тр. ГосНИИГА. М.-1984. Вып.223. С.156-161.

41. Коровин Г.Н., Могилевер О.М. К методике оценки экономической эффективности охраны лесов от пожаров // Современные методы профилактики, обнаружения и тушения лесных пожаров. Тез. докл. участников Всесоюзного научно-техн. совещания 8-9 апреля 1985, Петрозаводск. 1985. С. 101-103.

42. Коровин Г.Н. Имитационная модель лесного пожара // Там же. С.92-94.

43. Коровин Г.Н., Абрамов Л.М., Могилевер О.М., Левина Г.С. К методике планирования затрат авиационной охраны лесов // В сб. Лесные пожары и борьба с ними. Л.: ЛенНИИЛХ, 1986. С.139-153.

44. Коровин Г.Н., Покрывайло В.Д., Гришман З.М., Латышев В.М., Самусенко И.Ф. и др. Основные направления развития и совершенствования системы оценки и прогноза пожарной опасности // В сб. Лесные пожары и борьба с ними. Л.: ЛенНИИЛХ, 1986. С.18-31.

45. Абрамов Л.М., Коровин Г.Н., Левина Г.С., Сидоров А.Л. Проблемы оптимального планирования системы охраны лесов от пожаров // В кн. Внутризаводское, региональное и отраслевое планирование и управление. Л.: изд. ЛГУ (применение математики в экономике).

1986. С. 218-221. j Ц——--

--46. Коровин Г.Н. Проблемы совершенствования системы охраны леса от пожаров. // Лесн. хоз-во, 1987. №5. С. 58-62.

47. Коровин Г.Н. Таблицы предельных площадей и периметров лесных пожаров к началу тушения, скоростей распространения и локализации пожаров. Временные нормативы на выполнение работ по тушению лесных пожаров. М.: Гослесхоз СССР, 1986. С. 12-19.

48. Коровин Г.Н., Шур Ю.З. Оценка ожидаемых результатов работы авиалесоохраны // В сб. Методы и средства борьбы с лесными пожарами. М.: ВНИИЛМ, 1986. С. 95-101.

49. Горовая E.H., Коровин Г.Н. Расчет допустимой площади пожара к началу тушения // Лесные пожары и борьба с ними. Пушкино: ВНИИЛМ, 1987. С.170-176.

50. Щедрин А.Г., Коровин Г.Н. Эффективность обнаружения лесных пожаров авиационными и наземными средствами в системе охраны природы. // Охрана окружающей среды и пути экономии лесо-сырьевых ресурсов на предприятиях лесного комплекса в свете решений XXVIII съезда КПСС: Материалы конф. 22-23 января. Л.: ЛДНТП, 1988. С. 52-55.

51. Коровин Г.Н., Андреев H.A. Авиационная охрана лесов М.: Агпромиздат, 1988.223 с.

52. Коровин Г.Н., Покрывайло В.Д. Результаты и перспективы развития АСУ охраны лесов от пожаров // Интенсификация производственных процессов в отраслях лесного комплекса с использованием комплексной механизации и средств вычислительной техники: Материалы научно-технического семинара 23-24 сентября. Л.: ЛДНТП, 1988. С. 22-24.

53. Коровин Г.Н., Горовая Е.Н. Об оценке потенциальной производительности работ при тушении лесных пожаров // Тезисы докладов краевого совещания-семинара по механике реагирующих сред. Красноярск. 1988. С 114-115.

54. Коровин Г.Н. Лесам - надежную охрану.// Лесн. хоз-во. 1989. №4. С.2-6.

55. Коровин Г.Н. Барталев С.А., Ершов Д.В., Романович Э.А. Состояние и перспективы разработки геоинформационной системы мониторинга лесных пожаров. // Материалы первой конференции пользователей ARC/INFO. Голицыне, 18-21 октября. 1994. С. 100-111.

56. Коровин Г.Н., Карпов Э.А. Модель динамики лесного фонда в задачах оптимизации лесопользования // Проблемы мониторинга и моделирования динамики лесных экосистем. М.: «Эколес», 1995.

С.140-156.

57. Коровин Г.Н., Барталев С.А. Структура географической информационной системы по лесам России // Информационные системы в науке - 95. Под ред. Журавлева Ю.И. и др. М.: Фазис, 1995. С. 55-56.

58. Korovin G.N. Problems of forest management in Russia. Water, Air and Soil Pollution, 1995. Vol. 82 N.l-2. P.13-23.

59. Korovin G.N., Isaev A.S. Geoinformation systems for the Russian forest resource-ecological potential. IGBP - Northen Eurasia study. Open Meeting at Tsukuba. Nov.28-Dec.01. 1995. P.31.

60. Korovin G.N., Sukhinin A.I., B.J. Stocks, D.R. Cahoon, J.G. Goldammer. Forest Fire Occurrence in Russia and Canada: Ground, Aerial and Satellite Measurements carying for the Forest Research in a Changing World.// IUFRO XX World Congress, 6-12 August 1995, Tampere, Finland. 1995. P.87.

61. Korovin G.N., Romanovich E.N. Forest fire season inl994 in Russia.// Int/ Forest Fire News. 1995. №14. P. 3-9.

62. Исаев A.C., Коровин Г.Н., Сухих В.И., Титов А.И., Уткин А.И., Голуб А.А., Замолодчиков Д.Г., Пряжников А.А. Экологические проблемы поглощения углекислого газа посредством лесовосстанов-ления и лесоразведения в России. М.: Центр экологической политики России. 1995.155 с.

63. Korovin G.N. Analysis of the Distribution of Forest Fires in Russia. //Fire in Ecosystems of Boreal Eurasia. J.G.Goldammer and V.V.Furyaev (eds.), Kluwer Acad. Publ. 1996. P. 112-128.

64. Исаев A.C., Коровин Г.Н. Депонирование углерода в лесах России. //Углерод в биогеоценозах: Чтения памяти академика В.Н. Сукачева, XV. - Москва, 1997. С. 59-98.

65. Коровин Г.Н., Исаев A.C. Охрана лесов от пожаров как важнейший элемент национальной безопасности.// Вторая Всероссийская научно-практическая конференция "Защита населения и территорий при чрезвычайных ситуациях в мирное и военное время как составная часть национальной безопасности России". Тезисы докладов и выступлений. 26-27 мая 1997 г. Москва. С. 91-95.