vatra.fesb.hr

Eksperimentalni Web portal protupožarne zaštite Splitsko - dalmatinaske županije ...

  • Povećaj slova
  • Resetiraj
  • Smanji slova

Simulacijski modeli

autori: Prof.dr.sc. Darko Stipaničev, dr.sc. Ljiljana Šerić, Marin Bugarić, dipl.ing.- Fakultet elektrotehnike, strojarstva i brodogradnje Sveučilišta u Splitu

I na kraju par riječi o simulacijskim modelima. Simulacijski modeli nisu novi način modeliranja širenja šumskog požara. Simulacijski modeli su pokušaj da se teorijsko i empirijsko znanje o ponašanju požara raslinja dovede u oblik pogodan za praktičnu primjenu. Simulacijski modeli koriste bilo koju grupu prethodnih modela, štoviše najčešće povezuju više modela i postupaka, sa ciljem izgradnje upotrebljivog simulacije širenja šumskog požara.  I naš program  MOPP – MOdeliranja Propagacije Požara je simulacijski model koji koristi kombinaciju Rothermelovog modela i celularne automate.


Modeli koji spadaju u grupu fizikalnih i empirijskih modela računaju fizikalne parametre u liniji širenja požara. Na primjer Rothermelov model računa brzinu širenja i količinu oslobođene energije u jednodimenzionalnoj liniji širenja požara preko terena homogene vegetacije. Slika 2.3.11. prikazuje rezultate Rothermelovog modela s osnovnim parametrima širenja požara za različite brzine vjetra i travnatu podlogu prosječne količine gorive materije po jedinici površine travnatih kategorija od 0.744 kg/m2.



Slika2.3.11. Brzina širenja požarne fronte za travnatu vegetaciju


Parametri u tablicama su slijedeći:
a)    Midflame Wind Speed - ulazna brzina vjetra na polovici visine plamena u smjeru najvećeg nagiba terena  prije korekcije za nagnutost terena u  km/h
b)    Rate of Spead – Brzina širenja požarne fronte u m/min
c)    Heat per Unit Area – Toplinska energija po jedinici površine u kJ/ m2 – ovo je mjera količine energije koju gorivo predaje okolini, a dobije se tako da se od toplinske moći gorive materije oduzme dio energije koja se potroši na isušivanje. Ne ovisi o brzini i smjeru vjetra i nagibu terena, ali ovisi o tipu goriva i količini vlage u njemu.
d)    Fireline Intensity – Intenzitet požarne fronte – toplinska energija koja se oslobodi u jedinici vremena (toplinska snage) po 1 m gorive materije na početku požarne fronte u kW/m


e)    Flame Leghth – Duljina plamena u m (vidi Sl.6.38)
f)    Reaction Intensity – Intenzitet reakcije – toplinska energija koja se oslobodi u jedinici vremena (toplinska snaga) po jedinici horizontalne površine požarne fronte u kW/ m2 -  ne ovisi o brzini i smjeru vjetra i nagibu terena.
g)    Spread Distance -  Udaljenost koju bi vatra prešla za 1 sat u m.


Za neku drugu vegetaciju i neku drugu brzinu puhanja vjetra Rothermelov model daje naravno drugačije vrijednosti. Međutim požar se neširi pravocrtno preko terena homogene vegetacije. Požar je vremensko – prostorna pojava koja se šire preko tro-dimenzionalnog terena. Pitanje je sada na koji način povezati ove rezultate dobivene simuliranjem i na kraju konstruirati grafički prikaz širenja požarne fronte preko cijelog terena.


U praktično korištenim simulatorima prisutna su dva osnovna načina:
•    geometrijsko modeliranje, uglavnom temeljeno na Huygensovom valnom principu, i
•    rasterska simulacija, temeljena na različitim rasterskim tehnikama.


Kod geometrijskog modeliranja temeljenog na Huygensovom principu valne fronte svaka točka na požarnoj fronti postaje izvor novog požarnog vala. Konačan val je rezultat superpozicije svih pojedinačnih valova. Kod rasterskih metoda prostor po kojem se požar širi je diskretiziran, podijeljen na mala pojedinačna područja. Požar se s nekog elementa koji se upalio širi na elementarne površine u njegovom susjedstvu, naravno ako su ispunjeni uvjeti širenja. Tipična rasterska metoda su celularni automati.

 

Hygensov princip valne fronte


Huygensov princip valne fronte originalno je bio predložen za opis propagacije valova svijetlosti, ali su ga Anderson, Catchpole, deMestre i Parkes  1982. [Anderson,D.,Catchpole,E.,deMestre,N.,andParkes,T. Modelling the spread of grass fires, Journal of Australian Mathematics Society, Series B, 23: 451–466. 1982.] predložio za modeliranje širenja požarne fronte. Najjednostavnije kazano, svaka točka na požarnoj fronti postaje izvor novog požara koji se širi pod utjecajem vjetra, konfiguracije terena i vegetacije. Teorija pretpostavlja da se nove vatre na požarnoj fronti pale bez međusobnih interakcija, a da je novi oblik požarne fronte nakon vremena Δt rezultat superpozicije svih novo nastalih požarnih elemenata.


Ovaj model (koji se danas najviše koristi) pretpostavio je eliptički model širenja vatre, a duža os elipse je postavljena u smjeru puhanja vjetra. Geometrijski parametri svake elipse određuju su iz proračunatih vrijednosti brzine širenja požarne fronte (ROS – Rate of Spead).


U obzir se uzimaju čeona, bočna i povratna širenja požara.


Omjer dužine/širine elipse (b/a) određen je isključivo brzinom puhanja vjetra [Anderson, H.E., Predicting Wind-Driven Wild land Fire Size and Shape, US Department of Agriculture, Forest Service, Research Paper INT-305, Feb. 1983.]. U situaciji bez vjetra od točke zapaljenja požar će se širiti kružno na sve strane, pa će omjer b/a biti jednak 1, a udaljenost c od mjesta najveće širine elipse do izvora novog požarnog vala biti će jednaka 0. Vjetar postavlja elipsu u smjer svog puhanja i izdužuje je, a izvor novog požarnog vala se premješta  prema stražnjem dijelu elipse. Situaciju ilustrira slijedeća slika:

Slika 2.3.12. Formiranje elipse pod utjecajem vjetra i/ili nagiba padine

Naglasimo da je utjecaj nagiba  padine je identičan utjecaju puhanja vjetra (dualnost vjetra i nagiba), pa se utjecaj nagiba i vjetra vektorski zbrajaju:

 

Slika 2.3.13. Vektorsko zbrajanje utjecaja vjetra i padine

Empirijska formula nastala na temelju 139 pokusa koje je napravio Wallace Fons na gorivu od borovih iglica još 1939. godine [Anderson, H.E., Predicting Wind-Driven Wild land Fire Size and Shape, US Department of Agriculture, Forest Service, Research Paper INT-305, Feb. 1983.] daje i brojčane vrijednosti za omjer dužine/širine elipse uz brzinu vjetra v u km/h na polovici visine plamena:


(d+c)/b = 1 + 0.8 v


s tim da elipsa koja se u  ovim radovima spominje nije toliko pravilna već je više izdužena prema smjeru širenja požara kako prikazuje slika:

Slika 2.3.14. Nepravilne elipse za koje je izvedena empirijska formula veze između odnosa dužine i širine elipse i brzine puhanja vjetra

Godine 1983. Hall Anderson je krenuo od ovog modela i dodatno ga razradio korigirajući oblik elipse i empirijske formule. Oblik njegovih elipsa za različite brzine vjetra također prikazuje slika 2.3.14.

Slika 2.3.15. shematski prikazuje konačnu primjenu eliptičkog modela vatre i  Hygensovog principa valne fronte na formiranje nove požarne fronte u vremenu t + Δt.

 


Slika 2.3.15. Ilustracija formiranja nove valne fronte u vremenu t + Δt


Ilustriran je jednostavni slučaj homogenog goriva i vjetra iz smjera zapada koji prikazuje strelica. Kako je gorivo homogeno i vjetra konstantnog smjera i brzine, sve su elipse iste. Nova požarna fronta dobije se tangencijalnom krivuljom koja spaja susjedne elipse. Usporedba formiranja požarne fronte u homogenom gorivu i nehomogenom gorivu sastavljenom od područja s različitim tipovima goriva prikazana je na slici 2.3.16.

Slika 2.3.16. Usporedba formiranja požarne fronte u situaciji homogenog goriva (A) i nehomogenog goriva (B)

Eliptičkim modelom požarne fronte osim brzine širenja požara dobije se  i oblik područja zahvaćenog požarom. Pojednostavljeni matematički model eliptičkog širenja vatre koji podrazumijeva pravilne elipse (slika 2.3.12) za situaciju bez vjetra je:

gdje su:
v - brzina širenja vatre, konstantna na cijelom području elipse
t – vrijeme proteklo od trenutka paljenja
φ – parametar koji se interpretira kao polarna koordinata od x osi i koji poprima vrijednosti od  0° do 360 °

Kada uzmemo u obzir uzmemo i efekt vjetra dobijemo:

gdje su f, g i h parametara  koji ovise o smjeru i brzini puhanja vjetra. Ako su f = h = 1 i g = 0 dobije se situacija bez vjetra

Oblik područja je eliptički s poluosima atf i ath koje se s vremenom povećavaju, a fokus elipse se pod utjecajem vjetra pomiče. Ovaj efekt možemo primijetiti ako napišemo jednadžbu elipse u katerzijevim koordinatnom sustavu:

Dodatna korist eliptičkog modela je ta što nam dopušta jednostavno proširenje Byramovim parametrom intenziteta vatre (eng. fire intensity). Ovaj je parametar različit po opsegu fronte požara, a računa se formulom:

I = H w (v/60)  [kW / m]

gdje su:

H - toplina zapaljenja goriva [kJ/kg]
w - masa goriva potrošena po jedinici površine [kg/m2]
v- brzina širenja vatre [m/s]

Hygensov princip valne fronte i eliptički model širenja šumskog požara koristi se u do danas dva najzatupljenija simulatora: američkom programu FARSITE i kanadskom programu PROMETHEUS.


FARSITE (Fire Area Simulator) je alat za simuliranje vremenskog i prostornog ponašanja vatre u uvjetima heterogenog terena, goriva i vremenskih uvjeta. FARSITE spada u dvo-dimenzionalne modele ponašanja i širenja požara vatre, a temelji se na Rothermelovom modelu i programu BEHAVE za proračun osnovnih parametara gorenja. U simulacijskom dijelu i proširenju na 2-D prostor FARSITE koristi  Huygensov princip propagacije valova i eliptični model širenja vatre. FARSITE je desktop aplikacija na MS Windows platformi. Rezultati proračuna mogu se grafički i numerički prikazati ili predati vanjskim GIS aplikacijama. FARSITE se u velikoj mjeri naslanja na GIS podloge o vegetaciji, topografiji terena meteorološkim uvjetima. Za pokretanje FARSITA neophodno je imati 5 rasterskih grupa podatak u GRASS ASCII ili ARC/GRID ASCII formatu i to: elevaciju (visine), nagib, smjer nagiba (aspekt), te gorivo i pokrov (tipovi vegetacije sa svojstvima u odnosu na gorivost).

Slika 2.3.17. prikazuje izgled ekrana programa FARSITE s 3D prikazom požarne fronte, a slika 2.3.18 prikazuje jednu od simulaciju požara na Kornatima koji smo mi napravili u FARSITE programu tijekom analize kornatskog slučaja.

Slika 2.3.17 Izgled ekrana programa FARSITE sa 3D prikazom požarne fronte

Slika 2.3.18 Jedna od simulacija kornatskog požara u programu FARSITE napravljena na u Centru za istraživanje požara otvorenog prostora FESB-a Sveučilišta u Splitu

I na kraju slika 2.3.19 prikazuje dobru integraciju rezultata programa FARSITE u GIS program.

Slika 2.3.19 Simulacija širenja požara otvorenog prostora proračunata programom FARSITE  integrirana u GIS podlogu

Kanadski program PROMETHEUS punim nazivom Canadian Wildland Fire Growth Model Prometheus, temelji se na Canadian Fire Behaviour Prediction (FBP) System-u. a u 2-D dijelu koristi istu metodu Huygensov princip propagacije valova i eliptični model širenja vatre. Iako je prije svega prilagođen kanadskoj vegetaciji dozvoljava izmjene parametara vegetacijskih kategorija i njihovih parametara u odnosu na gorivost. Slika2.3.20. prikazuje tipičnu simulaciju u programu PROMETHEUS.

Slika 2.3.20 Kanadski program za simulaciju širenja požara PROMETHEUS

Rasterska simulacija

Rasterska simulacija širenje vatre promatra na rasterskoj rešetki sastavljenoj od elementarnih čestica – stanica koje mogu biti u stanjima ne gorenja, gorenja i izgorenosti. Metoda je pogodnija za simulaciju širenja požara na područjima heterogene vegetacije. U osnovi radi se o postupku vrlo sličnom celularnim automatima s tim da se dodaje prvi dio u kojem se za svaku od stanica najprije računa brzina širenja požara (ROS), a nakon toga se analizira mogućnost propagacije požara u susjedne stanice. Kod rasterske simulacije obično se uzimaju sljedeće pretpostavke:


•    Rothermelov model modelira brzinu propagacije požara (ROS).
•    Vegetacija je homogena unutar svake stanice.
•    Postoji 8 neovisnih smjerova vjetra i mogućeg gibanja požara (gore, dolje, lijevo, desno, gore lijevo, gore desno, dolje lijevo i dolje desno).
•    Nema nagiba unutar stanice. Nagib se javlja samo u prelazu sa stanice na stanicu.
•    Samo stanice u kojima je vatra već ugašena ili u kojima nema vegetacije nisu područje kojim se vatra može širiti.
•    U svakom vremenskom koraku vatra iz jedne ćelije može se širiti samo u jednu od susjednih 8 ćelija.


Simulacijski program MOPP razvijen na FESB-u i korišten kao eksperimentalni sustav simulacije požara za Splitsko – dalmatinsku županiju upravo upada u ovu grupu. MOPP je razvjen u suradnji s Državnim hidrometeorološkim zavodom (DHMZ). Meteorološki podaci i rezultati proračuna prognostičkog modela ALADIN koji računa DHMZ automatski se podižu s meteorološkog poslužitelja DHMZ-a, ali postoji i mogućnost unošenja lokalnih meteoroloških podataka.

Spomenimo samo to da je i portugalski nacionalni simulacijski  program FireStation ima istu koncepciju, a FESB ima dobru suradnju s prof.Viegasom, koji je jedan od autora ovog programa, pa se u budućnosti očekuje i zajednička suradnja na razvoju pojedinih modula. Slika 2.3.21 prikazuje rezultat portugalskog programa za modeliranje širenja požara FireStation kod modeliranja velikog požar iz 2001. u mjestu Trémoa. Rezultati simulacije su se dobro poklapali s događanjima na terenu.



Slika 2.3.21 Simulacija širenja velikog požara otvorenog prostorau Portugalu iz 2001. programom FireStation u 16:00, 16:30, 17:00, 17:45, 18:15 i 22:23


Isto tako slika 2.3.22 prikazuje simulaciju kornatskog požara u simulatoru FireStation. I ova se simulacija poklapa s vremenima dolaska požarne fronte do pojedine točke, ali za razliku od našeg simulatora FireStation nije predvidio brže širenje požarne fronte po sjevernoj strani otoka.


Slika 2.3.22 Širenja kornatskog požara portugalskim simulatorom FireStation


Usporedbe radi slika 2.3.23 prikazuje rezultate simulacije istog požara programom MOPP koji detaljno obrađujemo u nastavku.


Slika 2.3.23 Simulacija širenja kornatskog požara simulatorom MOPP

 

Usporedba različitih simulacijskih modela


Tablica na slici 2.3.24. prikazuje odličnu usporedbu različitih simulacijskih modela. Više-manje svi se naslanjaju na BEHAVE, odnosno Rothermelov model.


Slika 2.3.24 Usporedba različitih simulacijskih programa koji se danas  koriste

 

Od ovih simulacijskih modela u  mediteranskim uvjetima testiran je samo FARSITE i FireStation.

Usporedba FESB-ovog simulacijskog modela MOPP u u odnosu na ostale svjetske simulacijske modele:


Naziv: MOPPMOdeliranje Propagacije Požara (engleski naziv iForestFire Spread)

Komponente
Predikcijski model: Fizikalno – statistički (kvazi-empirijski) (BEHAVE)
Simulacijska tehnika: Celularni automati
Namjena: Simulirati širenje požara malog i srednjeg intenziteta na hrvatskoj obali i otocima

Ulaz:
GIS:
- standarne/vlastite vegetacijske kategorije (tipovi goriva)
- elevacija (visine),
- nagib,
- smjer nagiba (aspekt),       
Meteorologija:
- smjer vjetra,
- brzina vjetra,
- relativna vlažnost,
- vlažnost goriva (ako postoji),
- temperatura,
- padaline,
- kanadski indeks vlažnosti goriva.

Izlaz:
- karta smjera i brzine vjetra,
- linije požarne fronte u različitim vremenskim trenucima
- intenzitet požarne fronte (u planu),
- visina plamena (u planu).

Platforma i program:
- Cloude Combuting aplikacija (WIS - Web Information System) što znači da se svi proračuni odvijaju na poslužitelju (Linux poslužitelj), a korisnik sustavu pristupa sa bilo koje lokacije koja ima širokopojasni pristup Internetu koristeći standardni Web preglednik.
- Sustav je integriran sa dostupnim Web kartografskim 2-D i 3-D prikazima (2- D: Google Maps, Bing Maps, 3-D: Google Earth)

Više o MOPP-u u posebnom dijelu.

>>> MOPP simulator

 

GTranslate

Croatian English French German Italian Portuguese Russian Spanish

Statistika

Članova : 2
Sadržaj : 71
Web Linkovi : 2
Posjete Sadržajima : 777139

Locations of visitors to this page
 

Kratko o portalu

Web portal protupožarne zaštite Splitsko - dalmatinske županije centralno je mjesto je s kojeg se pristupa svim modulima informacisjkog sustava integralne protupožarne zaštite Splitsko - dalmatinske županije. Portal održava Fakultet elektrotehnike, strojarstva i brodogradnje Sveučilišta u Splitu u okviru aktivnosti Centra za istraživanje požara otvorenog prostora - http://cipop.fesb.hr. Sve funkcionalnosti portala biti će vidljive samo ako koristite Mozilla Firefox koji se može besplatno skinuti na Web stranici Mozille.