وزارت علوم، تحقیقات و فناوری
دانشگاه شهید بهشتی
دانشکده علوم زمین
گروه آموزشی سنجش از دور و GIS
پایان نامه جهت اخذ درجه کارشناسی ارشد MSc
رشته سنجش از دور و سیستم اطلاعات جغرافیایی – منابع آب و خاک
عنوان:
شبیه سازی گسترش آتش سوزی با بهره گرفتن از مدل
شبیه ساز سطح آتش (FARSITE)
(مطالعه موردی: جنگلهای شهرستان نکا)
اساتید راهنما:
دکتر علیاکبر متکان – دکتر علیرضا شکیبا
استاد مشاور
مهندس بابک میرباقری
نیم سال دوم تحصیلی 92-91
(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)
چکیده
یکی از معضلات پیشروی مدیریت مراتع و جنگلها در نواحی شمالی کشور، آتشسوزیهایی میباشد که خسارتهای زیست محیطی و مالی سنگینی را تحمیل می کند. مدیریت ریسک آتشسوزی در ارتباط با اقدامات پیشگیرانه می تواند 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 پهنه بندی 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 می شود، 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 بهره گرفتن از شاخص کاپا برابر 42 درصد میباشد. مقایسه و تحلیل آتشسوزی شبیهسازی شده با آتشسوزی واقعی، نشان میدهد مدل FARSITE قابلیت شبیهسازی آتشسوزیهای بالقوه را در عرصههای طبیعی منطقه دارا میباشد. بنابراین فرایند پهنه بندی دربرگیرنده شبیهسازیهای متعددی از گسترش آتشسوزیهای سطحی بالقوه میباشد. مقایسه نتیجه نهایی پهنه بندی با سوابق آتشسوزیهای موجود حکایت از سازگاری اینگونه نقشهها با واقعیت موجود دارد.
کلمات کلیدی: جنگل، آتشسوزی، مدل ماده سوختنی، FARSITE، شهرستان نکا
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) پهنه بندی 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 طبقه بندی آنها ……………………………. 23
3-4-1-1) طبقه بندی 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) طبقه بندی مدلهای آتشسوزی براساس متغیرهای مورد مطالعه………. 27
3-4-1-3) طبقه بندی بر اساس سیستم فیزیکی مدل شده………………………….. 27
3-4-1-3-1) مدلهای پیش بینی آتشسوزیهای سطحی……………………….. 28
3-4-1-3-2) مدلهای پیش بینی آتشسوزیهای تاجی…………………………. 28
3-4-1-3-3) مدلهای پیش بینی آتشسوزی زمینی……………………………… 29
3-4-1-3-4) مدلهای پیش بینی 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
3-4-5-3-2) باد…………………………………………………………………….. 41
3-5) جمعبندی…………………………………………………………………………………. 43
4) فصل چهارم: مواد و روشها 45
4-1) مقدمه:…………………………………………………………………………………….. 45
4-2) داده ها……………………………………………………………………………………… 46
4-2-1) توپوگرافی…………………………………………………………………………… 46
4-2-2) آب و هوا……………………………………………………………………………. 48
4-2-3) تاج پوشش منطقه…………………………………………………………………. 48
4-2-4) پراکنش گونه های 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 بهره گرفتن از مدل FARSITE………………………………………. 56
4-4) سناریوهای مختلف شبیهسازی گسترش آتشسوزی 57
4-5) روش ارزیابی دقت………………………………………………………………………… 57
4-6) پهنه بندی 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) پهنه بندی از نظر خطر گسترش آتش (وسعت آتشسوزی) 71
6) فصل ششم: جمعبندی و پیشنهادات 81
6-1) جمعبندی…………………………………………………………………………………. 81
6-2) پیشنهادات………………………………………………………………………………… 82
شکل 2‑1) موقعیت منطقه مورد مطالعه…………………………………………………………………. 16
شکل 3‑1) شبکه های سلولی در مدل انتشار سلولی……………………………………………………… 29
شکل 3‑2) انتشار بیضی شکل آتش در طی آتشسوزیهای تجویزی در یک شرایط یکسان محیطی (Salis,2007) 32
شکل 3‑3) تفسیر اصول Huygen با بهره گرفتن از امواج بیضی شکل. الف) شرایط محیطی همگن ب) شرایط محلی ناهمگن (Finney, 1998) 33
شکل 3‑4) انتشار موج بیضوی برای هر ورتکس؛ a: معادل 2/1 محور فرعی b: معادل 2/1 محور اصلی و c مربوط به فاصله نقطه آتش تا مرکز بیضی آتش میباشد. (Finney, 2004)………………………………………………………………….. 34
شکل 3‑5) تبدیل سطح آتش از یک صفحه افقی به یک صفحه منطبق بر سطح زمین………………… 35
شکل 3‑6) مثلث پارامترهای محیطی تأثیرگذار بر آتش (Countryman, 1972)…………………… 36
شکل 3‑7) ارتفاع توده جنگل…………………………………………………………………………….. 38
شکل 3‑8) الگوی روزانه دما و رطوبت نسبی با بهره گرفتن از مقادیر حداکثر و حداقل برای پنج روز…….. 40
شکل 3‑9) طول، ارتفاع و زاویه زبانه آتش به همراه نقش باد و شیب بر روی آنها………………………. 41
شکل 4‑1) نمودار انجام مراحل تحقیق…………………………………………………………………… 45
شکل 4‑2) نقشه طبقات ارتقاعی منطقه مورد مطالعه…………………………………………………… 46
شکل 4‑3) نقشه شیب منطقه مورد مطالعه……………………………………………………………… 47
شکل 4‑4) نقشه جهت شیب منطقه مورد مطالعه………………………………………………………. 47
شکل 4‑5) موقعیت ایستگاههای سینوپتیک در مجاورت منطقه مورد مطالعه………………………….. 48
شکل 4‑6) نقشه میزان تاج پوشش منطقه مورد مطالعه………………………………………………… 49
شکل 4‑7) پراکنش گونه های درختی در منطقه مورد مطالعه…………………………………………… 50
شکل 4‑8) راه ها و رودخانهها و پهنههای روستایی منطقه مورد مطالعه……………………………….. 51
شکل 4‑9) پراکنش مدلهای ماده سوختنی در منطقه مورد مطالعه…………………………………… 53
شکل 4‑10) شبیهسازی سرعت و جهت باد……………………………………………………………… 55
شکل 4‑11) تأثیر تاج پوشش و ارتفاع توده جنگل بر کاهش سرعت باد……………………………….. 56
شکل 5‑1 ( نحوه گسترش جبهه آتش در شرایط یکسان محیطی………………………………………. 62
شکل 5‑2 (گسترش سطح آتشسوزی نسبت به زمان در شرایط محیطی یکسان……………………… 63
شکل 5‑3 ( نحوه گسترش جبهه آتش در شرایط ماده سوختنی یکسان……………………………….. 64
شکل 5‑4 ( نحوه گسترش جبهه آتش در شرایط ماده سوختنی مختلف……………………………….. 66
شکل 5‑5 ( شبیهسازی آتشسوزی رخ داده در آذر 1389…………………………………………….. 69
شکل 5‑6) آتشسوزی شبیهسازی شده و آتشسوزی موجود (منحنیهای گسترش آتش)…………… 70
شکل 5‑7) پراکنش نقاط آتشسوزی تصادفی در منطقه………………………………………………… 74
شکل 5‑8) نمونههای شبیهسازی شده از آتشسوزیهای بالقوه………………………………………… 75
شکل 5‑9 ( پهنه بندی از نظر خطر گسترش آتش……………………………………………………….. 76
شکل 5‑10) نقش مدل ماده سوختنی درتعیین نقشه پهنه بندی………………………………………. 78
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 فرآورده های صنعتی و دارویی، تغذیه آبهای زیرزمینی، تولید اکسیژن، جلوگیری از سیل، ارزشهای تفرجگاهی، حفظ گونه های 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 پیش بینی 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 بهره گرفتن 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 پیش بینی 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 بهره گرفتن 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 بهره گرفتن از مدلهای فیزیکی، نیمه فیزیکی و تجربی توسعه یافته در طی سالهای اخیر، پیش بینی 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):
- 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 شده اند، 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.
- برای اختصاص نیروها و امکانات در زمان و مکان مناسب. مدیران و برنامه ریزان 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.
- پهنه بندی 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.
تعداد صفحه : 102
قیمت :14700 تومان
