رشته سنجش از دور و سیستم اطلاعات جغرافیایی – منابع آب و خاک

عنوان:

شبیه­سازی گسترش آتش­سوزی با استفاده از مدل

شبیه­ساز سطح آتش (FARSITE)

 (مطالعه موردی: جنگلهای شهرستان نکا)

اساتید راهنما:

دکتر علی­اکبر متکان – دکتر علیرضا شکیبا

استاد مشاور

مهندس بابک میرباقری

برای رعایت حریم خصوصی نام نگارنده پایان نامه درج نمی شود

(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود است)

تکه هایی از متن پایان نامه به عنوان نمونه :

(ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل است)

فهرست مطالب:

1) فصل اول: کلیات تحقیق …………………………………………………………………………2

1-1) مقدمه……………………………………………………………………………………….. 2

1-2) بیان مسئله و ضرورت تحقیق……………………………………………………………… 4

1-3) سؤال تحقیق………………………………………………………………………………… 5

1-4) اهداف تحقیق……………………………………………………………………………….. 5

1-5) ساختار پایان نامه…………………………………………………………………………… 6

2) فصل دوم: پیشینه تحقیقاتی و منطقه مورد مطالعه…………………………………………8

2-1) مقدمه    …………………………………………………………………………………….. 8

2-1-1) پهنه­بندی عرصه­های طبیعی از نظر ریسک آتش­سوزی…………………………… 8

2-1-2) تحقیقات انجام شده در زمینه­ شبیه­سازی رفتار و گسترش آتش­سوزی………11

2-1-2-1) استفاده از سلول­های خودکار به منظور شبیه­سازی آتش­سوزی…………. 12

2-1-2-2) استفاده از مدل FARSITE به منظور شبیه­سازی آتش­سوزی………….. 14

2-2) منطقه مورد مطالعه………………………………………………………………………. 15

2-2-1) پوشش گیاهی……………………………………………………………………… 16

3) فصل سوم: چهارچوب نظری تحقیق…………………………………………………………20

3-1) مقدمه    ………………………………………………………………………………….. 20

3-2) آتش­سوزی………………………………………………………………………………… 20

3-2-1) انواع آتش­سوزی……………………………………………………………………. 21

3-2-1-1) آتش­سوزی زمینی (داخل خاک)………………………………………….. 22

3-2-1-2) آتش­سوزی سطحی…………………………………………………………. 22

3-2-1-3) آتش­سوزی تاجی……………………………………………………………. 22

3-2-1-4)آتش­سوزی تنه­ای……………………………………………………………. 23

3-3) مدلسازی رفتار آتش………………………………………………………………………. 22

3-4) سیستم­های شبیه­سازی رفتار آتش……………………………………………………… 23

3-4-1) مدل­های پیش بینی آتش سوزی و طبقه­بندی آنها  ……………………………. 23

3-4-1-1) طبقه­بندی بر مبنای مدلسازی جریان گرمایی……………………………. 25

3-4-1-1-1) مدل­های فیزیکی (تئوریکی)………………………………………… 25

3-4-1-1-2) مدل­های نیمه­تجربی (نیمه فیزیکی)……………………………….. 25

3-4-1-1-3) مدل‌های آماری (تجربی)……………………………………………. 26

3-4-1-1-4) مدل‌های احتمالی……………………………………………………. 27

3-4-1-2) طبقه­بندی مدل­های آتش­سوزی براساس متغیرهای مورد مطالعه………. 27

3-4-1-3) طبقه­بندی بر اساس سیستم فیزیکی مدل شده………………………….. 27

3-4-1-3-1) مدل‌های پیش­بینی آتش­سوزی­های سطحی……………………….. 28

3-4-1-3-2) مدل‌های پیش­بینی آتش­سوزی‌های تاجی…………………………. 28

3-4-1-3-3) مدل‌های پیش­بینی آتش­سوزی زمینی……………………………… 29

3-4-1-3-4) مدل‌های پیش­بینی آتش­سوزی‌های نقطه­ای………………………. 29

3-4-2) تکنیک­های شبیه­سازی آتش……………………………………………………… 28

3-4-2-1) سلول­های خودکار…………………………………………………………… 30

3-4-2-2)    انتشار موج بیضوی………………………………………………………… 31

3-4-2-2-1)مدل FARSITE……………………………………………………… 31

3-4-3) تکنیک انتشار FARSITE………………………………………………………… 31

3-4-4) مدل رفتار آتش در FARSITE………………………………………………….. 35

3-4-5) پارامترهای تأثیرگذار………………………………………………………………. 35

3-4-5-1)توپوگرافی…………………………………………………………………….. 37

3-4-5-2)پوشش گیاهی………………………………………………………………… 38

3-4-5-2-1)میزان تاج پوشش……………………………………………………… 38

3-4-5-2-2)ارتفاع توده جنگل…………………………………………………….. 38

3-4-5-2-3)مدل ماده سوختنی…………………………………………………… 39

3-4-5-3)   شرایط آب و هوایی……………………………………………………….. 41

3-4-5-3-1) دما و رطوبت نسبی………………………………………………….. 41

این مطلب را هم بخوانید :

3-4-5-3-2) باد…………………………………………………………………….. 41

3-5) جمع­بندی…………………………………………………………………………………. 43

4) فصل چهارم: مواد و روش­ها………………………………………………………………….45

4-1) مقدمه:…………………………………………………………………………………….. 45

4-2) داده­ها……………………………………………………………………………………… 46

4-2-1) توپوگرافی…………………………………………………………………………… 46

4-2-2) آب و هوا……………………………………………………………………………. 48

4-2-3) تاج پوشش منطقه…………………………………………………………………. 48

4-2-4) پراکنش گونه­های درختی…………………………………………………………. 50

4-2-5) موانع گسترش آتش­سوزی………………………………………………………… 51

4-2-6) نرم افزار­های مورد استفاده………………………………………………………… 52

4-3) روش تحقیق………………………………………………………………………………. 52

4-3-1) انتخاب مدل ماده سوختنی……………………………………………………….. 52

4-3-2) مدلسازی جریان باد……………………………………………………………….. 54

4-3-3) ارتفاع توده جنگل………………………………………………………………….. 55

4-3-4) شبیه­سازی با استفاده از مدل FARSITE……………………………………….

4-4) سناریوهای مختلف شبیه­سازی گسترش آتش­سوزی…………………………….. 57

4-5) روش ارزیابی دقت………………………………………………………………………… 57

4-6) پهنه­بندی از نظر وسعت گسترش آتش ………………………………………………… 58

 

5) فصل پنجم: نتایج و بحث  ……………………………………………………………………… 60

5-1) مقدمه……………………………………………………………………………………… 60

5-2) اجرای اولیه مدل در شرایط و سناریوهای مختلف …………………………………….. 60

5-2-1) شبیه­سازی در شرایط یکسان محیطی…………………………………………… 61

5-2-2) شبیه­سازی در شرایط محیطی مختلف و ماده سوختنی یکسان……………….. 63

5-2-3) شبیه­سازی در شرایط کاملاً مختلف محیطی ……………………………………. 65

5-3) شبیه­سازی آتش­سوزی رخ داده در منطقه مورد مطالعه در آذر ماه 1389 …………. 67

5-4) پهنه­بندی از نظر خطر گسترش آتش (وسعت آتش­سوزی) …………………………..71

6) فصل ششم: جمع­بندی و پیشنهادات …………………………………………………….81

6-1) جمع­بندی…………………………………………………………………………………. 81

6-2) پیشنهادات ……………………………………………………………………………….. 82

چکیده:

یکی از معضلات پیش­روی مدیریت مراتع و جنگل­ها در نواحی شمالی کشور، آتش­سوزی­هایی می­باشد که خسارت­های زیست محیطی و مالی سنگینی را تحمیل می­کند. مدیریت ریسک آتش­سوزی در ارتباط با اقدامات پیشگیرانه می­تواند عرصه طبیعی را از گزند بسیاری از زیان­های ناشی از آتش­سوزی محافظت کند. مساحتی از عرصه­های طبیعی که در نتیجه شروع آتش­سوزی ممکن است دچار حریق شود موضوعی است که کمتر به آن توجه شده است. بنابراین تحقیق حاضر تلاش دارد روش جدیدی را در زمینه پهنه­بندی عرصه­های طبیعی از نظر خطر گسترش و وسعت آتش­سوزی ارائه کند. به منظور شبیه­سازی نرخ گسترش و مساحت دچار آتش­سوزی در این تحقیق از مدل FARSITE که یک مدل برداری بررسی رفتار و گسترش آتش به شمار می­رود، استفاده شد. مدل ماده سوختنی به عنوان یکی از ارکان اصلی در شبیه­سازی با توجه به شرایط پوشش گیاهی منطقه تعیین گردید. تغییرات محلی سرعت و جهت باد که در نتیجه شرایط توپوگرافی منطقه حادث می­شود، مدلسازی و در FARSITE مورد استفاده قرار گرفت. همچنین به منظور ارزیابی مدل FARSITE در شبیه­سازی گسترش آتش­سوزی در منطقه مورد مطالعه، از یک مورد آتش­سوزی که در منطقه به وقوع پیوست، استفاده گردید که دقت بدست آمده با استفاده از شاخص کاپا برابر 42 درصد می­باشد. مقایسه و تحلیل آتش­سوزی شبیه­ سازی شده با آتش­سوزی واقعی، نشان می­دهد مدل FARSITE قابلیت شبیه­سازی آتش­سوزی­های بالقوه را در عرصه­های طبیعی منطقه دارا می­ باشد. بنابراین فرایند پهنه­بندی دربرگیرنده شبیه­سازی­های متعددی از گسترش آتش­سوزی­های سطحی بالقوه می­باشد. مقایسه نتیجه نهایی پهنه­ بندی با سوابق آتش­سوزی­های موجود حکایت از سازگاری اینگونه نقشه­ ها با واقعیت موجود دارد.

فصل اول: کلیات تحقیق

1-1- مقدمه

منابع طبیعی به عنوان ثروت هر جامعه و امانتی برای آیندگان به شمار می‌رود. کسانی که از این ثروت و موهبت الهی استفاده می‌کنند موظفند که از آن به طور صحیح و اصولی بهره برداری نموده و آباد و سرسبز به نسل بعد از خود تحویل نمایند. زیرا امروزه ثابت شده است که منابع طبیعی بستر حیات کلیه موجودات زنده بوده و آبادانی و سرسبزی آن نشانه پیشرفت جوامع و زمینه ساز توسعه پایدار می‌باشد.

جنگل‌ها و مراتع نیز به عنوان بخشی از منابع طبیعی و همچنین مطرح بودنشان به عنوان مهمترین منابع تجدید شونده، اگر مورد بی­مهری انسان­ها قرار نگیرند و انسان­ها زمینه تضعیف و یا نابودی آنها را فراهم نکنند، هیچگاه به اتمام نمی‌رسند. در مورد تأثیرات مستقیم و غیر مستقیم عرصه­های جنگلی و مرتعی می‌توان به تولید و حفظ خاک، تولید فرآورده­های صنعتی و دارویی، تغذیه آبهای زیرزمینی، تولید اکسیژن، جلوگیری از سیل، ارزش­های تفرجگاهی، حفظ گونه­های جانوری و حیات وحش و … اشاره نمود که انسان و سایر موجودات از آن بهره‌مند می‌شوند.

با این حال عوامل مختلفی در زمینه تخریب جنگل نقش دارند که از جمله آنها می‌توان به قطع بی­رویه درختان، تبدیل جنگل به زمین زراعی، چرای مفرط دام، آفات و بیماریها و آتش­سوزی اشاره نمود. در این میان آتش­سوزی از یک حساسیت خاصی نسبت به سایر عوامل تخریب کننده برخوردار می‌باشد  چرا که حتی یک آتش­سوزی محدود هم می‌تواند خسارات قابل ملاحظه­ای را موجب گردد.

سالانه سطح زیادی از جنگل‌های دنیا دچار حریق می‌شوند که این حریق نه تنها باعث نابودی پوشش گیاهی در منطقه حریق می‌شوند بلکه باعث اختلال در فرایندهای هیدرولوژیکی، افزایش فرسایش خاک و رواناب تولیدی این مناطق می‌شود.

بنابراین تعیین نواحی با ریسک بالای آتش­سوزی و همچنین شناسایی و پیش­بینی رفتار و حرکات آتش­سوزی‌های بالقوه و بالفعل به منظور جلوگیری از آتش­سوزی‌های مهیب احتمالی و گسترش آن در نواحی مستعد، کاملاٌ لازم و ضروری به نظر می­رسد، که این کار با استفاده از روش­های تجربی و میدانی، کاری دشوار و هزینه­بر می‌باشد. به همین دلیل استفاده از روش­ها و تکنولوژی­های نوین می‌تواند جایگزین مناسبی برای روش­های سنتی بشمار رود. از جمله اینها می توان به سامانه­های اطلاعات جغرافیایی و تکنولوژی­های سنجش از دور اشاره کرد.

در همین راستا توسعه سامانه­های اطلاعات جغرافیایی کمک بسیار بزرگی به پیش­بینی و مدل­سازی رفتار و گسترش آتش­سوزی‌های عرصه­های طبیعی نموده است. زیرا همانگونه که پیداست، آتش­سوزی در جنگل­ها علاوه بر تأثیرپذیری از تراکم پوشش گیاهی، با عوامل دیگری نظیر رطوبت، ارتفاع، تیپ پوشش، شیب دامنه، نزدیکی به شهرها، روستاها و جاده­ها مرتبط است که همه این عوامل را می­توان به سهولت در سامانه اطلاعات جغرافیایی مدلسازی نمود. همچنین در صورت وجود اطلاعات جامع و کافی از عوامل تأثیرگذار، می­توان با استفاده از روش­های تحلیل مکانی در محیط GIS نسبت به تعیین نواحی پرخطر و طبقه بندی این مناطق از منظر میزان ریسک­پذیری در برابر گسترش آتش اقدام نمود.

تغییرات زمانی و مکانی گسترش و رفتار آتش می‌تواند با استفاده از مدل‌های فیزیکی، نیمه فیزیکی و تجربی توسعه یافته در طی سال­های اخیر، پیش­بینی شود. از جمله این مدل‌ها، می­توان به مدل شبیه­ساز سطح آتش (FARSITE[1]) اشاره نمود که در واقع یک مدل نیمه فیزیکی در زمینه مدلسازی رفتار و حرکت آتش می‌باشد.

FARSITE یک مدل GIS مبنای شبیه­ساز دو بعدی گسترش آتش است که توسط سازمان جنگل­ها و کشاورزی ایالات متحده آمریکا و اساساً برای برنامه ریزی و مدیریت آتش­سوزی­های عرصه­های طبیعی طراحی و توسعه داده شد(Finney, 2004). این مدل قادر است حرکت و رفتار آتش­ را در عرصه محیطی موردنظر محاسبه و گسترش جبهه آتش را در طول زمان و با در نظر گرفتن تغییرات شرایط آب و هوایی در زمان و مکان تعیین نماید. این مدل از اطلاعات مکانی مربوط به توپوگرافی، مواد اشتعال پذیر، به همراه وضعیت آب و هوایی منطقه استفاده می‌کند.

از چند دیدگاه می­توان از این مدل بهره جست (گزمه، 1391):

1- برای آموزش آتش­نشانان قبل از آتش­سوزی و استفاده از شبیه­سازی کامپیوتری برای درک بهتر رفتار آتش. متأسفانه بارها شاهد این بوده ایم که آتش­نشانان و جنگل­بانان در دام حریق گرفتار شده­اند، تنها به این دلیل که اطلاعی از جهت و نحوه گسترش آتش­سوزی نداشتند. با داشتن اطلاعات کافی در این زمینه، احتیاط های لازم و موارد ایمنی به خوبی به امداد رسانان آموزش داده خواهد شد.

2- برای اختصاص نیروها و امکانات در زمان و مکان مناسب. مدیران و برنامه­ریزان جنگل­ها و مراتع، با در دست داشتن مدلی مناسب و کارا، قطعاً در هنگام آتش­سوزی بهترین عملکرد و رفتار را در مورد آتش­سوزی­های مهیب خواهند داشت.

3- پهنه­بندی منطقه از نظر وسعت حریق. در دسترس بودن اینگونه نقشه­ها،  به مدیران امر در زمینه شناسایی نواحی پرخطر از نظر احتمال و وسعت آتش­سوزی یاری رسانده و در انجام عملیات اطفاء حریق کمک شایانی می­رساند.

2-1- بیان مسئله و ضرورت تحقیق

جنگل­ها یکی از فرم­های حیاتی است که تحت تاثیر عوامل محیطی قادر به ادامه حیات به طور مستقیم می‌باشد. با این وجود، عوامل مخرب طبیعی و مصنوعی می‌توانند بر روند طبیعی آن تاثیر مثبت یا منفی گذاشته و باعث ایجاد تغییراتی در این اکوسیستم پویا و خود تنظیم گردند که یکی از این عوامل، پدیده آتش­سوزی می‌باشد (بخشنده و مهاجر، 1390).

آتش سوزی جنگل­ها و مراتع نه تنها از دیدگاه زیست محیطی بلکه از نظر اقتصادی، اجتماعی و امنیتی نیز یکی از اصلی‌ترین نگرانی­ها در بسیاری از نقاط جهان( Silvia, et al., 2010)  و نیز به عنوان یکی