Model šíření lesního požáru v podmínkách České republiky

Ing. Roman Berčák

Doctoral thesis

Model of forest fire spreading in the conditions of the Czech Republic

Abstract:

K modelování velikosti lesních požárů a analýze základních požárních charakteristik je nezbytná znalost paliva, které se na povrchu lesní půdy nachází. Samotnému modelování tedy předcházel vývoj palivových modelů. Ve vytipovaných porostech probíhala kvantifikace pozemního paliva, tedy zjišťování množství a struktury pozemního paliva. Jednotlivá měření byla rozdělena do kategorií definovaných věkem porostu, převládající dřevinnou a lesním typem. Na základě zjištěných hodnot z terénního průzkumu byly Analýzou hlavních komponent a Clusterovou analýzou K-průměrů definované kategorie rozděleny do 4 palivových modelů. Pro účely zjištění základních požárních charakteristik byla dále zjišťována hodnota tepelné energie, která se při spalování uvolňuje z jednotlivých částí (segmentů) pozemního paliva. Všechny tyto předchozí výsledky byly následně využity pro dopočítání základních požárních charakteristik (rychlost šíření požáru, intenzita požáru a délka plamene) pomocí kalkulací Rothermelova matematického modelu šíření pozemního požáru (Rothermel 1972). Funkčnost a využitelnost palivových modelů byla následně testována zpětnou analýzou reálných požářišť, kdy na základě vstupních údajů o palivu, meteorologické situaci, topografii byla modelována velikost požáru pomocí kalkulací principu dvojité elipsy (Albini 1976a). V rámci dizertační práce byly identifikovány následující palivové modely. Palivový model PM1 - Traviny s dominantním zastoupením travin na ploše a s vysokou náchylností zapalitelnosti. Model často se vyskytující na otevřených plochách (holinách), případně starých výrazně rozvolněných porostech. Druhým palivovým modelem byl PM2 – Byliny, mechy, který dominuje zejména v borových porostech, případně v dubových porostech na písčitých půdách. Model je identifikován jako středně zapalitelný, nicméně s potenciálem nejvyšší intenzity požáru. Třetím palivovým modelem byl model PM3 – Hrabanka s dominantním zastoupením opadu a hrabanky, vyskytující se převážně na stanovištích smrkových monokultur, případně doubravy středního a vyššího věku. Posledním palivovým modelem byl model PM4 – Neutrální, ve kterém nedominuje žádný ze segmentů pozemního paliva. Vyskytuje se především v mladých smrkových porostech, nebo listnatých porostech středního a vyššího věku. Model se vyskytuje obvykle v místech s vyšší vlhkostí paliva, což podporuje i celkovou nízkou zapalitelnost. Zpětným testováním reálných požářišť byla ověřována použitelnost palivových modelů a využitelnost kalkulací Rothermelova matematického modelu pro účely definování základních požárních charakteristik. Při srovnání velikosti reálných požářišť s hodnotami predikovanými modelem (Rothermel 1972; Albini 1976a) jsme dosáhli hodnoty Pearsonova korelačního koeficientu 0,78 s koeficientem determinace 0,61. Tyto výsledky poukazují na poměrně slušnou spolehlivost modelu, ale zároveň na nutnost další kalibrace palivových modelů zejména pak v oblasti vstupní vlhkosti paliva. Stejně tak závěry doporučují rozšíření palivových modelů pro účely využití na kalamitních plochách. Práce v posledních částech seznamuje se způsobem praktické identifikace palivových modelů a navrhuje možné způsoby využití v rámci zdolávání lesních požárů v podmínkách České republiky, stejně tak využití palivových modelů v dalších prvcích protipožární ochrany lesa.

Abstract:

In order to model the size of forest fires and analyze the basic fire characteristics, knowledge of the fuel on the forest surface is essential. Therefore, the modeling itself was preceded by the development of fuel models. Surface fuel was quantified in the selected stands where the amount and structure of ground fuel were determined. The individual measurements were divided into categories defined by the age of the stand, predominant tree species, and forest "soil" type. Based on the values found from the field research, individual categories were divided into 4 fuel models defined by Principal Component Analysis and Cluster Analysis of K-means. To the possibility of determination the basic fire characteristics, the value of thermal energy, which is released from individual parts (segments) of forest surface fuel during combustion, was also determined in the laboratory. All these previous results were subsequently used to calculate the basic fire characteristics (rate of speed, fireline intensity, and flame length) using the calculations of Rothermel's mathematical model for predicting fire spread in wildland fuels (Rothermel 1972). The functionality and usability of the fuel models were subsequently tested by back-analysis of real fire events. The size of the fires was modeled using calculations described as the double ellipse principle (Albini 1976a) based on input data on the fuel, meteorological situation, and topography. The following fuel models were identified. Fuel model PM1 - Grasses with a dominant representation of grasses, and with high ignitibility potential. A model often found on open areas (clear-cuts) or old, significantly loosened forest stands. The second fuel model was PM2 – Herbs, and mosses, which dominate especially in Scots pine stands, or in oak stands on sandy soils. The model is identified as moderately ignitable, however, with the potential for the highest fireline intensity. The third fuel model was model PM3 – Litter with a dominant representation of litter, occurring mainly in forest stands of Norway spruce monocultures, or oak forests of middle and older age. The last fuel model was the PM4 - Neutral model, where no surface fuel segment dominates. It occurs mainly in young spruce stands, or deciduous stands of medium and older age. The model is usually found in places with a higher fuel moisture content which also supports the overall low ignitability. By backtesting the reliability of fuel models and at the same time verifying the applicability of Rothermel's mathematical model, we achieved a Pearson correlation coefficient of 0.78 with a coefficient of determination of 0.61 by comparing real fire sizes with values predicted by the model (Rothermel 1972; Albini 1976a). These results point to relatively decent reliability but at the same time to the necessity of further calibration of fuel models, especially in the area of fuel moisture. Likewise, the conclusions suggest the possibility of expanding fuel models for the purposes of use in forest disturbance areas. The thesis in the last part introduces the methods of practical identification of fuel models and suggests possible ways of use in forest fire suppression operations in the conditions of the Czech Republic, as well as the use of fuel models in other elements and pillars of protection against forest fires.

Keywords

palivový model, šíření požáru, modelování

Keywords

fuel model, fire spreading, modelling

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 22. 5. 2024

Thesis defence

• Supervisor: prof. Ing. Jaroslav Holuša, Ph.D.
• Reader: Linda Makovická Osvaldová, externi, Jaroslav Škvarenina, externi, Zdeněk Hanuška, externi

Czech University of Life Sciences Prague

Faculty of Forestry and Wood Sciences

Doctoral programme:
Fire Protection of Forest, Timber and Wood-based Materials