Методологические основы прогнозирования динамики и последствий чрезвычайных лесопожарных ситуаций

В последние десятилетия человечество вдруг осознало насколько опасным для его существования стал окружающий мир. Выделяют следующие виды опасностей: природные, техногенные, комбинированные (природно-техногенные и техногенно — природные), биолого-социальные, а также вызванные применением современных средств поражения.

Подсчитано, что на Земле ежегодно возникает 5−6 миллионов пожаров, примерно 100 ООО гроз, около 10 ООО наводнений, тысячи землетрясений, оползней, ураганов, тайфунов, сотни извержений вулканов, тропических циклонов /1/.

За последние двадцать лет только природные катаклизмы лишили жизни -3 миллиона человек (то есть в среднем от стихийных бедствий ежегодно гибнет около 150 тысяч человек). По данным ООН, почти миллиард землян или же каждый четвертый-пятый житель планеты испытал на себе последствия стихийных бедствий.

Большой ущерб наносят природные пожары. К их числу относятся: лесные пожары, пожары степных и хлебных массивов, подземные пожары горючих ископаемых /2/. Огонь в лесу, как природный фактор, существовал во все времена, и сложилось более или менее устойчивое равновесие в крупных экологических системах. В последние десятилетия на огромных территориях лесных площадей преобладающее значение приобрели антропогенные, связанные с человеком и его деятельностью источники огня. Природное равновесие при этом резко нарушается.

Лесные пожары в мире являются серьезной проблемой, прежде всего, для России, США, Канады, Австралии и ряда других стран Америки, Европы, Азии, Африки. Чрезвычайные лесопожарные ситуации ежегодно происходят на территории нашей страны. На их долю в Российской Федерации приходится в среднем около 24% от всех ЧС природного характера /3/.

Таким образом, лесные пожары являются одной из основных природных опасностей характерных как для нашей страны, так и для большого числа государств мира.

Обеспечение защиты населения, объектов экономики, окружающей природной среды от лесных пожаров в различных природно-экономических условиях Российской Федерации требует соответствующих систем противопожарного устройства лесов, всесторонней подготовки сил и средств, предназначенных для тушения лесных пожаров, разработки новых оптимальных способов и средств борьбы с различными видами пожаров и вариантов применения сил и средств, прогнозирования возможных затрат на ликвидацию лесных пожаров и ущерба от них, проведения превентивных (предупредительных) мероприятий, исследования современных возможностей влияния на условия возникновения и развития источников ЧЛС.

Важнейшим условием успешной борьбы с лесными пожарамиисточниками чрезвычайных лесопожарных ситуаций — становится прогнозирование динамики и последствий ЧЛС с целью научного обоснования решений, принимаемых органами управления (от федерального до локального уровней).

Принятие решений при организации борьбы с поражающими факторами источников ЧЛС связано со множеством неопределенностей, не позволяющих заранее «угадать» будущую ситуацию (состояние процесса). Поэтому основной задачей научного прогнозирования является распознавание тенденции, логики развития прогнозируемого процесса, что и приводит в конечном итоге к уменьшению влияния неопределенности будущей ситуации на результаты принимаемых сегодня решений.

Современный этап развития прогностики характеризуется широким использованием математических методов исследования. Разработано большое количество общих методов прогнозирования различных процессов, явлений, событий. Они могут дополняться частными методами прогнозирования, более глубоко учитывающими физическую сущность прогнозируемых процессов, что может иметь важное прикладное значение и позволит существенно дополнить методологический аппарат прогнозирования.

Как бы ни были совершенны математические методы исследования, они принесут мало пользы, если будут использованы неточные исходные данные. Поэтому для эффективного функционирования системы прогнозирования ЧЛС необходима современная система мониторинга исследуемых процессов.

Конечной задачей научного прогнозирования является обеспечение органов управления и лиц, принимающих решения, наиболее точной информацией о том, что может произойти в будущем и выработка рекомендаций по снижению риска возникновения ЧЛС и смягчению их последствий.

Таким образом, гармоничное сочетание методов исследования, точных исходных данных, логический анализ результатов прогнозирования, трактовка прогноза позволяют решать сложные задачи борьбы с поражающими факторами источников ЧЛС. Следует отметить важное место, которое занимает ЛПР в общей схеме борьбы с лесными пожарами. Именно оно определяет тот или иной вариант реагирования на ЧЛС.

Существующая сегодня ситуация в области прогнозирования чрезвычайных ситуаций в целом и чрезвычайных лесопожарных ситуаций, в частности, свидетельствует о ряде теоретических пробелов в подходах к исследованию процессов прогнозирования ЧС. Это объясняется в большей степени сравнительно небольшим сроком целенаправленных исследований в этой области.

В рамках данной диссертационной работы остановимся на задачах и в целом проблеме прогнозирования чрезвычайных лесопожарных ситуаций. Возникновение источника ЧЛС, его развитие и воздействие поражающих факторов на окружающую природную среду, населенные пункты и объекты экономики приводит к необходимости выделения ряда самостоятельных, но тесно связанных между собой аспектов исследования основных процессов.

Анализ существа проблемы прогнозирования ЧЛС позволяет к числу таких аспектов отнести: физическийэкономическийсобственно прогнозныйкомплексный.

Существо физического аспекта проблемы заключается в необходимости глубокого, всестороннего изучения и логического анализа сущности физических процессов возникновения и развития источника ЧЛС с последующим моделированием исследуемых процессов.

Экономический аспект предполагает, наряду с исследованием физических процессов, исследование и моделирование процессов (факторов), характеризующих ущерб при ЧЛС со включением затрат на ликвидацию ЧЛС.

Прогнозный аспект проблемы, в свою очередь, предполагает исследование возможностей использования того или иного методического аппарата прогнозирования, его адаптации или разработки новых методов, моделей, методик, построение систем прогнозирования.

Комплексный аспект при исследовании вопросов прогнозирования ЧЛС предполагает совместное использование результатов исследования в вышеуказанных аспектах, т. е. в физическом, экономическом и прогнозном для обоснования управленческих решений.

Известно, что под прогнозированием природных пожаров, к числу которых относятся и лесные пожары, понимается определение вероятности возникновения и динамики развития природных пожаров с оценкой вероятных неблагоприятных последствий. В свою очередь, под прогнозированием ЧС понимается опережающее отражение вероятности возникновения и развития чрезвычайной ситуации на основе анализа возможных причин ее возникновения, ее источника в прошлом и настоящем /4/. Прогнозирование может носить долгосрочный, среднесрочный, краткосрочный или оперативный характер.

В разделе 1 диссертации показано, что прогнозирование ЧЛС не тождественно прогнозированию опасных природных процессов (явлений), к которым относятся лесные пожары. 4JIC можно рассматривать как неблагоприятное последствие лесного пожара. Иначе говоря, источником 4JIC являются лесные пожары (лесной пожар). Более подробный анализ этих взаимосвязей представлен в разделе 1 диссертации.

Как известно, под методологией прогнозирования понимается совокупность методов, способов и систем прогнозирования /5/.

Под методологическими основами прогнозирования динамики и последствий 4JIC, как показано в подразделе 1.1 диссертации, будем понимать область знаний об основных методахспособахупорядоченной совокупности моделей и методиктехнических средствах, предназначенных для прогнозирования динамики и последствий чрезвычайных лесопожарных ситуаций.

Разработка методологических основ прогнозирования динамики и последствий 4JIC представляет собой чрезвычайно сложную крупную комплексную научную проблему.

К настоящему времени имеется большое количество работ, посвященных тем или иным аспектам проблемы прогнозирования лесных пожаров, построению математических моделей физико-химических процессов горения лесных горючих материалов, распространения и развития лесных пожаров на неоднородной территории лесного фонда с прогнозом их контуров и ряда характеристик, необходимых для организации тушения как событий в системе охраны леса. Целостный комплекс согласованных моделей пригодных для оперативного прогнозирования потребностей в силах и средствах для ликвидации различных видов лесных пожаров и вызываемых ими ЧЛС впервые создан автором в процессе диссертационных исследований и описан в работах автора /6−32/ и в работах с участием автора /33−37/.

К наиболее важным в области ЛИИ следует отнести труды отечественных ученых: И. С. Мелехова, В. Г. Нестерова, Н. П. Курбатского, Г. П. Телицына, A.M. Гришина, Г. А. Доррера, Э. Н. Валендика, М. Г. Червонного, Л. А. Суханова,.

Э.В. Конева, Моисеева H.A., Е. С. Арцыбашева, П. А. Мокеева, А. И. Суханова, П. П. Васильева, С.И. Душа-Гудыма и ряда других. Из зарубежных выделяются научные труды Г. Байрама, И. Ван-Вагнера, Р. Ротермела, В. Франдсена, Д. Дэвиса, А. Линдермута и ряда других. Более подробный анализ работ выполнен автором и приведен в Итоговом отчете по НИР, принятой заказчиком (МЧС России)/33/и работах/6,7/.

В области оценки последствий чрезвычаных лесопожарных ситуаций проведено недостаточное количество исследований. Нет общепринятых подходов. В большинстве из них последствия определяются как прямой экономический ущерб от потерь древесины. Выделяется работа H.A. Алексеева /40/, в которой предлагается комплексный учет составляющих ущерба по ретроспективным данным. Рассматривается экономический и социально-экологический виды ущерба. Нормативные документы МПР России (действующие и разрабатываемые), в частности, «Инструкция по определению ущерба, причиняемого лесными пожарами» /41/, также рассматривают совокупность составляющих ущерба, но носят пока незавершенный характер относительно ущерба от повреждения лесным пожаром ресурсов побочного и прижизненного пользования, ущерба от вреда, причиняемого лесными пожарами окружающей природной среде и ряд других. Но наиболее существенным недостатком работ в указанной области является то, что модели, описанные в них не являются динамическими позволяют оценивать ущерб лишь по факту. Кроме того, в работе H.A. Алексеева /40/ при моделировании предполагается полное уничтожение древостоя на площади, пройденной огнем, что далеко не всегда бывает на практике. Таким образом, с помощью имеющихся моделей прогнозировать ущерб невозможно. А, следовательно, и использование указанных моделей в оперативном контуре управления весьма ограничено.

В существующих работах решаются вопросы оценки ущерба от лесных пожаров. Оценке и прогнозированию ущерба при чрезвычайных лесопожар пых ситуациях посвящен ряд работ автора или работ с его участием /10−39/.

Следует отметить также, что отсутствует ряд основополагающих понятий теоретического плана. Нет четкой общепринятой градации между понятиями «лесной пожар» и «чрезвычайная лесопожарная ситуация», нет однозначного подхода к толкованию динамики и последствий лесных пожаров и ЧЛС, нет градаций ущерба при ЧЛС.

Современное состояние теоретической базы прогнозирования свидетельствует об отсутствии четких единых теоретических основ прогнозирования ЧЛС. Что считать прогнозированием ЧЛС? Какой методологический аппарат применить для прогнозирования тех или иных процессов в области лесопожарного прогнозирования? Какой должна быть система прогнозирования ЧЛС?

Прикладная значимость ответов на эти вопросы, как было показано выше, весьма высока. Отсутствие единых методологических основ прогнозирования динамики и последствий ЧЛС не позволяет или существенно затрудняет целенаправленно и скоординировано планировать и осуществлять комплексы превентивных мероприятий, применение сил и средств РСЧС для борьбы с такими чрезвычайными ситуациями. Для предотвращения людских потерь, снижения ущерба населению, окружающей природной среде и объектам экономики необходимо создать научную базу, включающую согласованный комплекс методических подходов, математических моделей и методик, позволяющих прогнозировать всю цепочку событий в лесопожарной обстановке, начиная от прогнозирования очагов лесных пожаровпрогнозирования их динамики и последствийпрогнозирования в целом ЛПО с разработкой соответствующих критериев ее опасности. Такая методологическая база должна позволять оценивать возможный ущерб при ЧЛС в их динамике и на основе учета прогнозируемых динамики и ущерба при ЧЛС, а также всего комплекса влияющих факторов позволять принимать обоснованные управленческие решения на всех уровнях. Вместе с тем, должны быть учтены реальные и перспективные возможности получения, сбора и обработки мониторинговых и прогностических данных. Все это делает весьма актуальной крупную научную проблему, имеющую важное хозяйственное значение по созданию методологических основ прогнозирования динамики и последствий чрезвычайных лесопожарных ситуаций на основе комплексного анализа и учета влияющих факторов, а также разработки новых согласованных математических моделей прогнозирования указанных процессов в интересах предупреждения чрезвычайных лесопожарных ситуаций и смягчения их последствий.

Направлениями исследований в рамках настоящей работы являются процессы прогнозирования динамики чрезвычайных лесопожарных ситуаций, включающие: прогнозирование затрат на ликвидацию ЧЛС и прогнозирование последствий чрезвычайных лесопожарных ситуаций, как составных частей прогнозирования лесопожарной обстановки и ее опасности.

Объектом исследования в работе является: прогнозирование динамики и последствий чрезвычайных лесопожарных ситуаций, а предметом исследования — методы, способы и системы прогнозирования чрезвычайных лесопожарных ситуаций.

Целью проводимых исследований является: повышение защищенности окружающей природной среды, населения и объектов экономики при угрозе возникновения и возникновении чрезвычайных лесопожарных ситуаций.

Диссертационные исследования проводились в следующих рамках: при прогнозировании динамики ЧЛС рассматривается распространение поражающих факторов источника ЧЛС по элементам окружающей природной среды, не затрагивая вопросы их воздействия и распространения по объектам социальной и техногенной сфер (что само по себе является совокупностью крупных научных проблем и задач, решение которых изложено в большом количестве работ ученых и коллективов ВНИИ ПО МЧС России и ВНИИ ГОЧС.

МЧС России и ряда других) — ввиду сложности и неоднозначности определения косвенного ущерба в условиях рыночной экономики при исследовании процесса прогнозирования последствий ЧЛС в рамках данной диссертационной работы рассматривается прямой ущерб при таких ЧСпрямой ущерб при ЧЛС рассматривается без учета ущерба населенным пунктам и населению, государственным производственным (включая военные) и коммерческим предприятиям, организациям, учреждениям, что является совокупностью самостоятельных крупных научных проблемлесоторфяные пожары не рассматриваются, так как прогнозирование их динамики и последствий представляет собой самостоятельную научную проблему.

Для достижения указанной в работе цели диссертационного исследования решены следующие задачи: разработан основной понятийный аппарат в области прогнозирования чрезвычайных лесопожарных ситуацийосуществлена классификация источников чрезвычайных лесопожарных ситуаций по признаку общности тактики борьбы с нимиобоснована совокупность методических подходов к прогнозированию ЧЛС, прогнозированию динамики и последствий ЧЛС, к прогнозированию ЛПОобоснована классификация прогнозов ЧЛС по уровнямобоснована классификация ущерба при ЧЛС по масштабамсоздан комплекс согласованных математических моделей прогнозирования потребностей в силах и средствах для ликвидации источников чрезвычайных лесопожарных ситуаций с учетом динамики процессов и оптимальной тактики действий необходимых сил ЧС (далее — комплекс математических моделей прогнозирования потребностей в силах и средствах) — создана математическая модель прогнозирования экономических, эколо гических и социальных последствий чрезвычайных лесопожарных ситуаций и общего прямого ущерба с учетом использования необходимых сил ЧС (далеематематическая модель прогнозирования последствий ЧЛС) — разработаны критерии опасности лесопожарной обстановки на федеральном и региональном уровняхсоздана вербальная математическая модель принятия управленческих решений по ликвидации чрезвычайных лесопожарных ситуацийобоснованы состав и общие требования к системе прогнозирования чрезвычайных лесопожарных ситуацийна основе созданного автором методического подхода, обоснован и разработан типовой перечень мероприятий по предупреждению ЧЛС и смягчению их последствий для различных режимов деятельности РСЧСдля органов управления РСЧС подготовлены и обоснованы практические рекомендации по оперативному принятию управленческих решений с использованием разработанных автором: методики прогнозирования потребностей в силах и средствах для ликвидации наиболее опасных верховых беглых и устойчивых лесных пожаров сильной и средней интенсивностиисточников чрезвычайных лесопожарных ситуаций с учетом динамики процессов и оптимальной тактики действий необходимых сил ЧС и методики экспресс — оценки ущерба от лесных пожаров с использованием данных космической съемкиисследованы теоретические возможности снижения класса пожарной опасности погодных условий в интересах предупреждения и смягчения последствий чрезвычайных лесопожарных ситуаций и проведена многократная натурная экспериментальная проверка этих возможностей при использовании наиболее эффективных, экологически чистых и малозатратных электрофизических методов и средств воздействия на атмосферные процессы в различных географических условиях (в нашей стране и за рубежом).

При проведении исследований использовался разработанный автором метод комплексного ориентированного прогнозирования чрезвычайных лесопожарных ситуаций /14,20,28,34,36/. Разрабатываемая методология базируется на этом частном методе прогнозирования, представляющем собой часть методологических основ прогнозирования динамики и последствий ЧЛС.

Методической и теоретической основой работы является системный анализ содержания проблемы прогнозирования ЧЛС, совокупность методов анализа и синтеза при исследовании основных процессов. При проведении исследований также применялись, помимо метода комплексного ориентированного прогнозирования чрезвычайных лесопожарных ситуаций, методы теории вероятностей, математической статистики, булевой алгебры (алгебры логики), распознавания образов, экспертных оценок, экстраполяции, математического моделирования, теории исследования операций, теории управления, теории поиска объектов, экономико-математического моделирования, организации банков данных, элементы искусственного интеллекта.

На защиту диссертации выносятся следующие научные результаты: комплекс согласованных математических моделей прогнозирования потребностей в силах и средствах для ликвидации источников чрезвычайных лесопожарных ситуаций с учетом динамики процессов и оптимальной тактики действий необходимых сил ЧСматематическая модель прогнозирования экономических, экологических и социальных последствий чрезвычайных лесопожарных ситуаций и общего прямого ущерба с учетом использования необходимых сил ЧС и включением затрат на ликвидацию ЧЛСкритерии опасности лесопожарной обстановки для федерального и регионального уровней управлениявербальная математическая модель принятия управленческих решений по ликвидации чрезвычайных лесопожарных ситуацийрезультаты исследования возможностей снижения класса пожарной опасности погодных условий на базе электрофизических методов воздействия на атмосферные процессы в интересах предупреждения и смягчения последствий чрезвычайных лесопожарных ситуаций.

Научная новизна результатов, выносимых на защиту диссертации заключается в том, что автором впервые: разработан комплекс согласованных математических моделей прогнозирования потребностей в силах и средствах для ликвидации источников чрезвычайных лесопожарных ситуаций с учетом динамики процессов и оптимальной тактики действий необходимых сил ЧСсоздана математическая модель прогнозирования экономических, экологических и социальных последствий чрезвычайных лесопожарных ситуаций, вызванных различными видами лесных пожаров, и общего прямого ущерба с учетом использования необходимых сил ЧС и включением затрат на ликвидацию ЧЛСразработаны критерии опасности лесопожарной обстановки для федерального и регионального уровнейсоздана вербальная математическая модель принятия управленческих решений по ликвидации чрезвычайных лесопожарных ситуацийобоснованы теоретические возможности снижения класса пожарной опасности погодных условий в интересах предупреждения и смягчения последствий чрезвычайных лесопожарных ситуаций и проведена многократная натурная экспериментальная проверка этих возможностей при использовании наиболее эффективных, экологически чистых и малозатратных электрофизических методов и средств воздействия на атмосферные процессы в различных географических условиях.

Полученные результаты исследований позволили создать систему обобщенных знаний, являющихся методологическими основами прогнозирования динамики и последствий ЧЛС.

Достоверность научных результатов исследований подтверждается совпадением прогнозных данных, полученных в результате расчетов с использованием созданного научно-методического аппарата с мониторинговыми данными при решении ряда практических задач организациями различных министерств и ведомств, о чем имеются соответствующие акты реализации Главного управления информационных систем Федерального агентства правительственной связи и информации при Президенте Российской Федерации, Департамента войск гражданской обороны и спасательных формирований и 151 Центра управления в кризисных ситуациях МЧС России, Российского государственного проектно-изыскательского института «Росгипролес» и ряд других, а также протоколы проведения натурных экспериментов.

Научная значимость результатов проведенных исследований заключается в том, что: обоснованная совокупность методов, способов, математических моделей и технических средств по их реализации может послужить научно — методической основой создания системы информационно-аналитической поддержки управленческих решений по ликвидации ЧЛСсозданная в ходе исследований совокупность методических подходов: к прогнозированию ЧЛС, к прогнозированию динамики и последствий ЧЛС, к прогнозированию ЛПО, к построению системы прогнозирования ЧЛС, к разработке мероприятий по предупреждению ЧЛС и смягчению их последствийа также математический аппарат прогнозирования динамики и последствий ЧЛС, могут рассматриваться как теоретическая основа для проведения дальнейших исследований в области лесопожарного прогнозированияразработанные критерии опасности лесопожарной обстановки могут использоваться для создания математических моделей прогнозирования лесопожарной обстановки (часть таких моделей создана и описана автором в работах /21,24/- методологические основы прогнозирования динамики и последствий ЧЛС являются научно-методической базой для разработки учебнометодической литературы для органов РСЧС и специалистов, занимающихся борьбой с лесными пожарами и вызываемыми ими ЧЛСобоснованные возможности снижения КПО в интересах предупреждения и смягчения последствий чрезвычайных лесопожарных ситуаций при использовании способов и средств, базирующихся на электрофизических методах воздействия на атмосферные процессы позволяют проводить научные исследования по созданию эффективных способов и средств предупреждения и ликвидации ЧЛС, созданию эффективной, экологически чистой и малозатратной системы предупреждения и борьбы с ЧЛС.

Практическая значимость результатов исследований состоит в том, что разработанные при проведении диссертационных исследований: методологические основы прогнозирования динамики и последствий чрезвычайных лесопожарных ситуаций позволяют научно обосновывать управленческие решения по ликвидации ЧЛС и при их реализации повышать защищенность населения, объектов экономики и окружающей природной среды в чрезвычайных лесопожарных ситуацияхкомплекс математических моделей прогнозирования потребностей в силах и средствах и согласованная с ним математическая модель прогнозирования последствий ЧЛС могут послужить методической основой системы информационно-аналитической поддержки управленческих решений по ликвидации ЧЛС, планированию и осуществлению комплексов мероприятий по предупреждению ЧЛС в интересах повышения безопасности в таких ЧСкомплекс математических моделей прогнозирования потребностей в силах и средствах позволяет: оперативно (при использовании современных средств ЭВТ) рассчитывать объемы работ по тушению различных видов лесных пожаров на различных интервалах упрежденияоценивать достаточность имеющихся сил и средствпрогнозировать потребности в силах и средствах (в том числе, дополнительных) — выбирать оптимальный по тому или иному критерию вариант реагирования на ЧЛСматематическая модель прогнозирования последствий ЧЛС может быть использована для оперативных: оценки величины фактического ущерба при ЧЛС, в том числе и затрат на их ликвидациюпрогнозирования величины возможного ущерба при таких ЧС и затрат на их ликвидацию на различных интервалах упреждения и, тем самым, для выбора и обоснования вариантов реагирования на ЧЛСи принятия обоснованных управленческих решений по ликвидации ЧЛСсостав и общие требования к построению системы прогнозирования чрезвычайных лесопожарных ситуаций, обоснованные в диссертации, могут быть положены в основу создания большой технической системы — системы прогнозирования ЧЛСтиповой перечень мероприятий по предупреждению чрезвычайных лесопожарных ситуаций и смягчению их последствий для различных режимов деятельности РСЧС может быть положен в основу осуществления структурными звеньями системы РСЧС мероприятий по предупреждению ЧЛС и смягчению их последствийприменение методики прогнозирования потребностей в силах и средствах для ликвидации верховых беглых и устойчивых лесных пожаров сильной и средней интенсивности — источников чрезвычайных лесопожарных ситуаций с учетом динамики процессов и оптимальной тактики действий необходимых сил ЧС и методики экспресс — оценки ущерба от лесных пожаров с использованием данных космической съемки позволяет органам управления РСЧС оперативно принимать обоснованные управленческие решения по ликвидации ЧЛС в условиях ограниченного времени и объема исходных данныхофициально запатентованный новый перспективный экологически чистый, малозатратный способ и средства предупреждения ЧЛС на базе электрофизических методов воздействия на атмосферные процессы прошли многократную натурную экспериментальную проверку в различных географических условиях, показали свою эффективность и могут быть использованы для предупреждения возникновения и развития источников ЧЛС.

Диссертация состоит из введенияшести разделовзаключениясписка использованной литературы и приложений.

1. МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ДИНАМИКИ ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ ЛЕСОПОЖАРНЫХ СИТУАЦИЙ.