Введение
Лесные пожары наносят экологический, социальный и экономический ущерб [4]. Важное значение имеет оценка и прогнозирование экологических последствий лесных пожаров, так как их влияние многосторонне: на локальную погоду и глобальные климатические процессы, растительность и животный мир, атмосферу и почву, и на человека [4]. Построение новых поколений климатических моделей [3] целесообразно с учетом влияния лесных пожаров на экологию регионов в частности и всей планеты в целом.
Ранее разработана методология прогностического моделирования лесной пожарной опасности [2]. Полученные результаты могут быть использованы в качестве входных данных для систем оценки, мониторинга и прогнозирования экологических последствий лесных пожаров.
Цель исследования – разработка новой обобщенной концепции оценки влияния поражающих факторов лесных пожаров на окружающую среду, в частности на почвенные микробные сообщества.
Задачи исследования:
1) анализ публикаций по тематике проекта,
2) разработка комплекса необходимых требований к новой системе оценки экологических последствий лесных пожаров,
3) разработка обобщенной структуры системы оценки и прогноза экологических последствий лесных пожаров,
4) разработка структуры модуля оценки поражающих факторов лесного пожара на почвы,
5) разработка последовательного плана проведения исследований с целью создания новой системы оценки экологических последствий лесных пожаров.
Предпроектное исследование
Последнее столетие горение биомассы и изменение использования земли привели глобально к увеличению концентрации CO2 в атмосфере почти на 30% и глобальной температуры приблизительно на 0.6 °C [7]. В результате большинства исследований делается вывод, что температура почвы как функция времени, местоположения и глубины будет тоже меняться [10]. Перспективна разработка математических моделей, которые связывают температуру почвы с другими параметрами, например температурой воздушной среды (в том числе в экстремальных условиях – при лесных пожарах). Лесные почвы могут быть биологически, химически и физически подвергнуты влиянию лесных пожаров. Основное воздействие пожаров на почвы определяется интенсивностью пожара и, как следствие, температурой самой почвы. Непосредственное влияние пожара – потеря органического вещества при его сгорании, увеличение температуры почвы, уменьшение влагосодержания, увеличение pH-фактора почвы, большая подверженность эрозии и оползням [9]. Лесные пожары могут также вызвать серьезное нарушение динамики экосистемы из-за изменений в количестве питательных веществ и других элементов, так же как их процессов рециркуляции [8].
Основные методы исследований
Исследования влияния повышенной температуры на почвы планируется выполнить с привлечением технологии математического моделирования и физического эксперимента на специально оборудованных стендах, а также посредством микробиологических исследований.
1. Математически процесс переноса тепла и массы в окружающей среде и очаге лесного пожара описывается с помощью уравнений теплопроводности и диффузии [5] с соответствующими начальными и граничными условиями. Эти уравнения математической физики (даже в трехмерном случае) могут быть успешно решены конечно-разностным методом. Для решения многомерных уравнений математической физики используется локально-одномерный метод [6]. Как правило, задачи прогноза лесной пожарной опасности и оценки экологических последствий требуют больших вычислительных ресурсов. В этом случае для решения поставленных задач может быть адаптирован подход ландшафтного распараллеливания [1] на многопроцессорных вычислительных системах.
2. Важным инструментом в решении задач теории лесной пожарной опасности и оценки экологических последствий является физическое моделирование. В процессе разработки теории лесной пожарной опасности созданы уникальные установки по моделированию воздействия источников локального нагрева на слои ЛГМ. На основе этих установок может быть создано оборудование для исследования теплопереноса в природных слоистых средах типа почвы.
3. Микробиологические исследования в рамках настоящей концепции выделены в отдельный блок исследований.
Необходимые требования к новой системе
Результаты предпроектного исследования показывают, что создание в обозримой перспективе отечественной системы оценки, мониторинга и прогноза экологических последствий лесных пожаров, обладающей конкурентно привлекательными качествами, потребует привлечения современных информационно-вычислительных технологий и физически-содержательных моделей и вероятностных критериев. Основными требованиями, которые необходимо выполнить на пути создания такой системы для оценки экологических последствий лесных пожаров, являются следующие.
- Наличие государственной концепции создания и развития отечественной системы оценки экологических последствий лесных пожаров.
- Наличие физико-математических моделей тепломассопереноса в слоистой структуре почвы при внешних воздействиях очагов лесных пожаров.
- Наличие сети метеостанций с возможностью измерения температуры почвы на конкретной территории.
- Наличие физико-математических моделей учета антропогенной нагрузки на лесопокрытые территории.
- Наличие физически и математически обоснованного критерия оценки уровня лесной пожарной опасности.
- Наличие базы исходных данных для моделирования теплофизических и физико-химических процессов, протекающих в слое почвы при возникновении лесных пожаров.
- Методика должна быть реализована в виде программного комплекса, позволяющего осуществлять прогноз экологических последствий лесных пожаров в режиме, опережающем реальное время развития процесса.
- Методика прогноза лесной пожарной опасности и ее программная реализация должны обладать возможностью модернизации и обновления отдельных моделей и подсистем.
- Наличие ГОСТа не на конкретную методику со всеми фиксированными компонентами, а на спецификацию соответствия методики определенным требованиям.
- Наличие стандартов, спецификаций на файлы входной, промежуточной и выходной информации в системе оценки, мониторинга и прогноза экологических последствий лесных пожаров.
- Наличие технологий, позволяющих потребителям оперативно получать оценочную и прогнозную информацию.
- Наличие технологий и методов, позволяющих отслеживать степень достоверности получаемых прогнозов.
- Наличие соответствующим образом подготовленных специалистов, способных обслуживать систему.
- Доступность понимания прогнозной информации для лиц, принимающих управленческие решения (возможно, не имеющих специальной физико-математической подготовки).
Обобщенная структура системы
К основным поражающим факторам лесного пожара относят физико-химические (повышенная температура воздуха окружающей среды, световое и тепловое излучение, наличие в дыме угарного газа и углекислоты, горящих частиц лесного горючего материала); психофизические (нервно-психологические и физические нагрузки) [4]. На рис. 1 представлена обобщенная структура системы оценки экологических последствий лесных пожаров.
Рис. 1. Обобщенная структура системы оценки экологических последствий лесных пожаров
На рисунке 2 представлена структура подсистемы оценки, мониторинга и прогноза экологических последствий лесных пожаров при их влиянии на почвы.
Рис. 2. Структура модуля оценки влияния лесных пожаров на почвы
Структурированный план реализации концепции
Для реализации настоящей концепции в части оценки, мониторинга и прогнозирования экологических последствий лесных пожаров в плане влияния на почвы следует выполнить, как минимум, следующие этапы исследований:
1) разработка спецификаций на методику оценки влияния лесных пожаров на почвы;
2) разработка физических моделей воздействия очагов лесных пожаров на почвы;
3) разработка математических моделей влияния очагов лесных пожаров на почвы с учетом основных физических процессов, протекающих в слоистой структуре почвы;
4) создание конечного программного продукта – системы оценки влияния лесных пожаров на почвы с использованием геоинформационных и спутниковых технологий и подходов эколого-математического мониторинга природных систем;
5) разработка геопортала, посредством интерфейса которого оценочная и прогнозная информация будет доставляться конечному пользователю;
6) систематизация файловой структуры программного продукта для его интеграции с другими информационно-вычислительными системами.
Заключение
Экологические последствия лесных пожаров многообразны, и их прогнозирование имеет важное народно-хозяйственное значение. В частности, прогнозирование влияния лесных пожаров на почвы. В настоящей статье, которая открывает цикл публикаций по данной тематике, разработана обобщенная концепция по оценке экологических последствий лесных пожаров. Также рассматривается частный случай – оценка влияния тепловых режимов природных пожаров на почвы. Развитие этой концепции на основе методов численного моделирования будет способствовать более глубокому пониманию влияния поражающих факторов лесного пожара на окружающую среду и минимизации экономического и экологического ущерба.
Работа выполнена при финансовой поддержке гранта Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 – 2013 годы (мероприятие 1.5). Соглашение № 14.B37.21.1979.
Рецензенты:
Немова Т.Н., д.т.н., профессор, Томский государственный архитектурно-строительный университет, г. Томск.
Шеремет М.А., д.ф.-м.н., профессор, Национальный исследовательский Томский государственный университет, г. Томск.