Šírenie lesného požiaru

Táto stránka bola vypracovaná za účelom popisu simulácie šírenia lesného požiaru.

Názov simulácie: Šírenie lesného požiaru

Predmet: 4IT495 Simulace systémů

Semester: LS 2022/2023

Autor: Adam Klima, klia11 (vše username), AdamKlima (simulace.info username)

Modelovací nástroj: NetLogo

Definícia problému

Lesné požiare sú závažným problémom v mnohých regiónoch po celom svete, spôsobujú ničenie biotopov, stratu biodiverzity a ohrozujú ľudské životy a majetok. V roku 2022 bolo zaznamenaných 68 988 lesných požiarov, ktoré dohromady poškodili plochu o veľkosti 7.6 miliónov akrov. Takmer 85% lesných požiarov je spôsobených ľudským zavinením. Zvyšok predstavujú prírodné príčiny ako napríklad blesky alebo vulkanická aktivita. Po vzniku takéhoto nekontrolovaného požiaru je šírenie ovplyvňované faktormi ako sú: vietor, vlhkosť vzduchu, podiel živej a mŕtvej (vyschnutej) vegetácie, sklon terénu a hustota zalesnenia.

Cieľ

Simulácia má za cieľ priblížiť/predpovedať risk vzniku veľkoplošného požiaru a následne určiť rýchlosť šírenia, ktorému by takýto lesný požiar odpovedal na základe faktorov spomínaných v predchádzajúcom odstavci.

Metóda

Simulácia je implementovaná ako agentná simulácia. Stromy (vegetácia) predstavujú agentov, na ktoré vplývajú faktory ovplyvňujúce pravdepodobnosť a rýchlosť šírenia požiaru.

Model

Simulácia sa odohráva na ploche o rozmeroch 50x50 patchov. Je uzavretá po stranách a simuluje šírenie požiaru smerom z ľavej strany doprava.

Obrázok 1 – pohľad na celé používateľské rozhranie

Obrázok 1 predstavuje zalesnenú oblasť. Stromy (agenti) môžu nadobudnúť nasledovné farby, ktoré znamenajú iný stav a správanie:

• Zelená: predstavuje živé stromy (dlhší čas horenia)
• Šedá: predstavuje mŕtve/vyschnuté stromy (kratší čas horenia)
• Tmavo červená: stromy zasiahnuté požiarom (bez potenciálu ďalšieho šírenia)
• Svetlo červená: stromy zasiahnuté požiarom (s potenciálom ďalšieho šírenia) - zobrazené na obrázku číslo 2

Obrázok 2 – znázornenie rieky a všetkých farebných stavov stromov

Obrázok 2 predstavuje variantu simulácie s riekou, ktorá slúži ako prekážka pre šírenie požiaru. Rieka v závislosti na jej šírke a na intenzite/rýchlosti šírenia požiaru má možnosť zastaviť/nezastaviť šírenie požiaru. Nové prvky oproti obrázku 1 znázorňujú:

• Modrá: znázorňuje rieku (ak sa používateľ rozhodne zahrnúť rieku, tak je vždy umiestnená do stredu plochy a je možné upravovať jej šírku)
• Svetlo červená: stromy zasiahnuté požiarom (s potenciálom ďalšieho šírenia)

Agenti

Simulácia zahŕňa jeden druh agentov – stromy/vegetácia. Títo agenti môžu mať stav: živý, mŕtvy (suchý strom), zasiahnutý ohňom s potenciálom šírenia a zasiahnutý ohňom bez potenciálu šírenia. Podiel živých a mŕtvych stromov, ich hustota a rieka (áno/nie + šírka) sa určuje na začiatku simulácie. Zvyšné faktory nie sú vizuálne znázornené na ploche, no ovplyvňujú pravdepodobnosť a rýchlosť šírenia požiaru. Požiar začína po celej vertikálnej dĺžke z ľavej strany plochy a na základe pôsobenia faktorov postupuje/nepostupuje smerom doprava (požiar sa môže šíriť všetkými smermi, no primárne z ľava doprava).

Faktory/parametre

Nasledujúce nastaviteľné parametre vplývajú na pravdepodobnosť a rýchlosť šírenia požiaru:

• Density: hustota zalesnenia plochy ovplyvňuje pravdepodobnosť a rýchlosť šírenia požiaru. Čím hustejšia populácia stromov, tým vyššia pravdepodobnosť šírenia a rýchlosti požiaru.
• percent-live: Percentuálny podiel živej vegetácie, ktorý sa odvádza od faktoru Density. Živé stromy majú nižšiu pravdepodobnosť šírenia požiaru a horia pomalšie ako mŕtve stromy.
• time-burn-live: počet tikov počas ktorých je zasiahnutý živý strom svetlo červený (čiže má potenciál šíriť oheň na iné stromy), po uplynutí tohto času sa mení na tmavo červený a nešíri oheň ďalej.
• time-burn-dead: počet tikov počas ktorých je zasiahnutý mŕtvy strom svetlo červený (nastavená hodnota by mala byť nižšia ako na slidery time-burn-live).
• probability-spread-live: pravdepodobnosť šírenia požiaru živých stromov
• probability-spread-dead: pravdepodobnosť šírenia požiaru mŕtvych stromov (hodnota by mala byť väčšia ako živé stromy)
• radius-of-fire-spread: Rádius, ktorý predstavuje dosah ohňa. V prípade súhry faktorov sa rádius zvyšuje, čo znamená väčšiu pravdepodobnosť šírenia a vyššiu rýchlosť požiaru
• wind-speed: rýchlosť vetra (v km/h). Čím silnejší vietor, tým väčšia pravdepodobnosť a rýchlosť šírenia požiaru. Na každých pridaných 10 km/h k rýchlosti vetra, približne 10% zvýšenie rýchlosti šírenia požiaru.
• humidity: relatívna vlhkosť vzduchu, ktorá ovplyvňuje pravdepodobnosť a rýchlosť šírenia požiaru. Čím vyššia vlhkosť, tým menšia pravdepodobnosť a rýchlosť šírenia.
• terrain-slope: uhol, ktorý reprezentuje uhol sklonu terénu (na celej ploche). Oheň sa šíri rýchlejšie smerom do kopca (až 2x zvýšenie rýchlosti a pravdepodobnosti šírenia pri každých + 10°). Smerom dole z kopca je šírenie naopak spomalené.
• river?: switch, ktorý určuje prítomnosť rieky (áno/nie).
• river-width: určuje šírku rieky. Ohľadne chovania rieky nebolo nájdené dostatočné množstvo dôveryhodných informácií, keďže je to dosť premenlivý faktor, ktorý je ťažko predpovedať. Každopádne v tejto simulácií pokiaľ je šírenie požiaru intenzívne, môže požiar prekonať aj stredne veľkú rieku a pokračovať v šírení na druhom brehu.

Výstupné metriky

Výstupné metriky sú zobrazené na obrázku 1 na pravej strane:

• Graf Percent burned: vertikálna osa určuje percento poškodenej/zasiahnutej plochy požiarom a horizontálna osa znázorňuje čas (v tikoch) počas ktorého sa požiar šíril na simulovanej ploche.
• Fire-speed: v prípade že sa oheň dostane z ľavej strany až na druhú stranu, tak fire-speed vypíše tik v ktorom k tomu došlo. (0 – oheň nedošiel na druhú stranu, ak je číslo väčšie ako nula tak čím nižšie číslo, tým vyššia rýchlosť šírenia požiaru).
• Percent burned: pomer stromov zasiahnutých požiarom k pôvodným stromom pred začiatkom požiaru (v percentách).
• probability-to-side: V prípade stlačenia tlačidla “simulate“ sa simuluje šírenie požiaru (toľko krát koľko je vybratých na slidery num-simulate) a výsledná hodnota v rozmedzí 0 – 1 predstavuje pravdepodobnosť zasiahnutia pravej strany požiarom.

Výsledky

Simulácie popísané v tejto časti budú rozdelené podľa zaradenia do lesného biomu. Druhy, ktoré boli simulované sú tropický les (tropické podnebie), severný les (subpolárne podnebie), listnatý les (mierne podnebie) a krovinatý les (subtropické podnebie). Určené hodnoty faktorov pri každej simulácií majú odrážať typický stav daného biomu.

Poznámka: pri každej simulácií bola použitá rovnaká hodnota pre nasledujúce parametre: probability-spread-live (14%), probability-spread-dead (33%), radius-of-fire-spread (1.00), time-burn-live (10), time-burn-dead (4), percent-live (70%) Tieto hodnoty po odskúšaní prinášali najkonzistnejšie výsledky.

Výsledky nasledujúcich prípadov predstavujú priemernú hodnotu dosiahnutú po prevedení simulácie 20x.

Tropický les

Príkladom pre hodnoty parametrov bol Amazonský tropický les.

Podstatným faktorom v prípade tropického lesa je relatívna vlhkosť ovzdušia, tá bola pri simulácií nastavená na 88%, keďže to je bežná hodnota počas monzúnového obdobia. Čo sa týka rýchlosti vetra, tak tá bola nastavená na 5 km/h, keďže tropické lesy väčšinou nemajú silný vietor. Uhol sklonu terénu bol nastavený na 0 – rovina. Hustota zalesnenia bola 75% -vysoká hustota zalesnenia.

Obrázok 3 – tropický les

Obrázok 3 predstavuje priemerný výsledok simulácie v prípade tropického lesa. Požiarom zasiahnutý podiel zo všetkých stromov pred začiatkom simulácie predstavoval v priemere 9%. Napriek veľkej hustote stromov, ktorá by zvyšovala riziko šírenia ohňa, je to silno limitované veľkou relatívnou vlhkosťou vzduchu. Pravdepodobnosť že požiar prejde z ľavej strany plochy až na pravú bola 0%. Rýchlosť šírenia bola pomalá. (keďže výsledná rýchlosť sa počíta ako prvý “dotyk“ požiaru pravej strany tak nie je možné definovať priemernú rýchlosť v tikoch, ale len na základe pozorovania priebehu simulácie)

Výsledný verdikt za daných podmienok je malé riziko vzniku rozsiahleho požiaru vďaka vysokej vlhkosti. Najväčší vplyv na veľkoplošné šírenie požiaru v tropickom lese predstavoval stúpajúci terén. Silnejší vietor by vplýval na šírenie a rýchlosť v menšej miere ako stúpajúci terén.

Severný les

Príkladom pre hodnoty parametrov boli Kanadské lesy severozápadného teritória.

Vlhkosť sa v letných mesiacoch pohybuje v priemere okolo 61%. Vietor je v týchto oblastiach premenlivý, pre účely simulácie bol určený na 12 km/h. Sklon v tomto prípade hrá podstatnú úlohu, keďže tieto oblasti sú často hornaté. Simulácia pracovala so sklonom 10°. Tieto lesy sú podobne ako tropické lesy husto zarastené stromami (70%). Do simulácie bola zahrnutá aj malá rieka (9).

Obrázok 4 – severný les

Obrázok 4 predstavuje priemerný výsledok simulácie v prípade severného lesa. Požiarom zasiahnutý podiel zo všetkých stromov pred začiatkom simulácie predstavoval v priemere 98.2%. Veľká hustota stromov spolu so stúpajúcim svahom a vetrom o sile 12 km/h prispela k veľmi závažnému šíreniu požiaru, ako aj vysokej dosiahnutej rýchlosti (v priemere 130 tikov pre dosiahnutie pravej strany). Relatívne malá rieka (9) nepredstavovala významnú prekážku pre požiar a bola prekonaná pri každom spustení simulácie – pravdepodobnosť dosiahnutia pravej strany bola 100% pri daných faktoroch.

Výsledný verdikt za daných podmienok je veľmi vysoké riziko vzniku rozsiahleho požiaru vďaka kombinácií hustota/sklon svahu/vietor. Šírenie by bolo spomalené v prípade klesajúceho svahu, no intenzita požiaru by už bola pravdepodobne privysoká na jeho úplne zastavenie. Vlhkosť v tomto prípade nebola dostatočne vysoká pre spomalenie/zastavenie požiaru.

Listnatý les

Príkladom pre hodnoty parametrov boli listnaté lesy v Pennsylvánii (USA).

Vlhkosť sa v letných mesiacoch pohybuje v priemere okolo 71%. Vietor je v týchto oblastiach premenlivý, pre účely simulácie bol určený na 10 km/h. Sklon pre simuláciu bol určený na hodnotu 0°. Hustota bola nastavená na 62%.

Obrázok 5 – listnatý les

Obrázok 5 predstavuje priemerný výsledok simulácie v prípade listnatého lesa. Požiarom zasiahnutý podiel zo všetkých stromov pred začiatkom simulácie predstavoval v priemere 52.81%. Priemerná rýchlosť šírenia požiaru bola 430 tikov, čo je podstatne pomalšie ako v prípade severného lesu. Pravdepodobnosť, že požiar prekoná celú plochu až k pravej strane bola 57.1%.

Výsledný verdikt za daných podmienok je stredné riziko vzniku rozsiahleho požiaru. Ako v predošlom prípade, kombinácia hustota/sklon svahu/vietor má veľký vplyv na šírenie a rýchlosť požiaru, no oproti severnému lesu je riziko menšie.

Krovinatý les

Príkladom pre hodnoty parametrov boli krovinaté lesy vo vnútrozemí Západnej Austrálie.

V období sucha je priemerná relatívna vlhkosť vzduchu približne 20%. V dôsledku rovinatého terénu je toto prostredie náchylné na silnejší vietor, ktorý bol pre účely simulácie nastavený na 20 km/h. Sklon terénu bol určený na 0°. Hustota zalesnenia bola nastavená na 62%.

Obrázok 6 – krovinový les

Obrázok 6 predstavuje priemerný výsledok simulácie v prípade krovinového lesa. Požiarom zasiahnutý podiel zo všetkých stromov pred začiatkom simulácie predstavoval v priemere 85.51%. Priemerná rýchlosť šírenia požiaru bola 210 tikov, čo je pomerne rýchle šírenie vzhľadom na menšiu hustotu zalesnenia. Pravdepodobnosť, že požiar prekoná celú plochu až k pravej strane bola 93.3%.

Výsledný verdikt za daných podmienok je vysoké riziko vzniku rozsiahleho požiaru. Veľmi nízka vlhkosť v kombinácií s mierne silným/silným vetrom má veľký vplyv na riziko šírenia a rýchlosť požiaru. Veľké riziko nezmenšuje výrazným spôsobom ani prítomnosť rovinatého terénu s menšou hustotou zalesnenia.

Záver

Lesný biom s najnižšou pravdepodobnosťou vzniku a šírenia veľkoplošného lesného požiaru bol tropický les. Naopak najväčšie riziko platilo pre prípad severného lesu. Treba poznamenať že veľmi vysoké riziko a rýchlosť šírenia požiaru pre severný les nastalo aj z dôvodu určeného stúpania terénu 10°.

Z pozorovania výsledkov simulácií je možné určiť že najviac ohrozujúce faktory boli kombinácia vysokej hustoty zalesnenia spolu so stúpajúcim terénom a nízkou/stredne vysokou vlhkosťou ovzdušia. Vietor vplýval vo väčšej miere na výslednú rýchlosť požiaru než na riziko veľkoplošného šírenia. V prípade zahrnutia rieky do simulácie, nemôže byť výsledok braný ako presná reprezentácia reality, keďže nie je podložený reálnymi zdrojmi. Pri zmenšenom podiely živých stromov v simulácií nedochádzalo k výraznej zmene výsledku oproti prípadom s nastaveným 70% živým podielom stromov.

Faktor, ktorý je možné ovplyvniť ľudskou činnosťou v rámci prevencie je hustota zalesnenia. V rizikových oblastiach by mohlo dôjsť k odstráneniu mŕtvych stromov, čím by sa zmenšila hustota stromov a riziko vzniku šírenia veľkoplošného lesného požiaru. No vzhľadom na rozsiahle plochy a všeobecne zlú dostupnosť lesov je to náročné na účinné prevedenie. Z toho dôvodu je veľmi pravdepodobné že lesné požiare budú aj naďalej predstavovať veľké riziko v náchylných oblastiach po celom svete.

Kód modelu

Media:Klia11_sirenie_lesneho_poziaru.nlogo