Математическое моделирование теплового воздействия низового лесного пожара на фрагмент корневой системы дерева

В ходе работы были созданы математические модели теплопереноса в
системах корень-почва-ЛГМ-воздух и корень-почва-ЛГМ. Данные модели могут
быть использованы для геоэкологического мониторинга лесных массивов,
позволяя оценивать потенциальный ущерб корневой системе древостоев и
прогнозировать их отпад.
В качестве объекта исследования был выбран отдельный корень сосны
сибирской, как характерного представителя флоры Сибири. Данная древесная
порода имеет поверхностную корневую систему, большая часть корней которой
расположена у поверхности и уходит вглубь до 3 метров. Этот факт, а также
наличие большого количества смол в древесине делают корневую систему сосны
сибирской чрезвычайно уязвимой для теплового воздействия низового лесного
пожара.
Численное исследование разработанных моделей проводилось при
помощи метода конечных разностей на языке высоко уровня Pascal.
В ходе численного исследования одномерной редуцированной модели
изучался процесс кондуктивного теплопереноса в системе корень-почва-ЛГМ-
воздух. Были получены распределения температуры при воздействии очага
возгорания, температурой 1073 К в различные моменты времени: 300с, 600с,
900с, 1200с. Было установлено, что смертельная для камбия температура
достигается только на глубине до 0,08 м.
В ходе численного исследования двумерной редуцированной модели
изучался процесс кондуктивного теплопереноса в системе корень-почва-ЛГМ-
воздух при движении фронта пламени низового лесного пожара. Максимальная
температура фронта пламени составляла 1073 К. В результате были получены
распределения характерные распределения температуры, анализируя которые
можно сделать следующие выводы: при скоростях движения фронта пожара,
находящихся в диапазоне от 0,1 до 0,5 м/с летальная для камбия температура 54
ºС достигается только на глубине до 0,01 м, небольшая величина глубины
прогрева имеет две причины: существенный отвод тепла слоем окружающего
воздух и коротким временем прямого воздействия очага пламени от 1 до 5 с.
В ходе численного исследования двумерной модели изучался процесс
кондуктивного и конвективного теплопереноса в системе корень-почва-ЛГМ
при движении фронта пламени низового лесного пожара. Максимальная
температура фронта пламени составляла 1073 К. В результате были получены
характерные распределения температуры при скоростях движения фронта
пламени 0,1 и 0,5 м/с и температурах окружающего воздуха 15 и 25 ºС.
Анализируя полученные распределения можно сделать вывод о том, что
скорость движения фронта пламени оказывает намного более существенное
влияние на максимальную глубину прогрева, чем температура окружающей
среды. Максимальная глубина прогрева до летальной для камбия температуры
54 ºС наблюдалась при скорости 0,1 м/с и температуре воздуха 25 ºС и составляла
0,008 м. Температура корня, расположенного на глубине 0,02 м, не превышала
32 ºС. В результате исследования также были получены зависимости
максимальной опасной глубины залегания корня, при которой возможно
достижение температуры камбия 54 ºС и повреждение корня, от скорости
движения фронта пламени пожара. Анализируя данные зависимости можно
сделать вывод том, что опасная глубина залегания начинает резко увеличиваться
при скоростях движения фронта пламени меньше 0,1 м/с. При скорости 0,01 м/с
она составляет уже 0,032 м, а при 0,001 м/с 0,072 м. Данные скорости движения
фронта пламени характерны для устойчивого низового лесного пожара,
развивающегося при средних и высоких запасах лесных горючих материалов.
Такое количество ЛГМ образовывается в местах лесозаготовки, соответственно
можно сделать вывод о том, что массивы сосны сибирской, распложенные возле
мест заготовки леса, имеют высокие шансы серьезных повреждений корневой
системы и последующего отпада в случае возникновения пожара.
Полученные данные качественно и количественно соответствуют
проведенным натурным исследованиям, приведенным в таблице 6.
Сравнивая данные исследований двумерной задачи с учетом конвекции и
без нее можно прийти к выводу о том, что конвективный теплоперенос вносит
существенный вклад в процесс теплопереноса, отводя теплоту от области
решения. Максимальная глубина прогрева до летальной температуры при
одинаковой скорости движения фронта пламени 0,1 м/с составила 10 см при
исследовании модели, не учитывающей конвективный теплоперенос, и 3,2 см
при исследовании учитывающей.
Таблица 6 – зависимость максимальной температуры почвы от типа горения
Макс. Температура, °С, при глубине почвы, см
Тип горения
0 1 2,5 5 10
Горение слабой
интенсивности для 500 75 45 40 30
сниженных запасов ЛГМ
Горение порубочных 400 – 90 70 50
остатков (средний запас)
Горение порубочных 550 90 – 75 –
остатков (большой запас)
Горение валов горючих 830 – 260 100 60
материалов или куч бревен

Данные, полученные в результате численного исследования
математических моделей теплопереноса, могут быть использованы в системах
ГИС по борьбе с лесными пожарами для прогнозирования отпада древостоев,
подверженных воздействию низового лесного пожара.