Modelización de la propagación y simulación de incendios
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Modelización de la propagación y simulación de incendios
Modelización de la propagación y simulación de incendios forestales en el ámbito de la gestión José Antonio Vega Hidalgo Centro de Investigación Forestal – Lourizán Consellería do Medio Rural e do Mar Xunta de Galicia TIPOS DE MODELOS DE PREDICCIÓN DE COMPORTAMIENTO DEL FUEGO FORESTAL - MODELOS FÍSICOS - MODELOS SEMIEMPÍRICOS - MODELOS EMPÍRICOS MODELOS SEMIEMPÍRICOS DE PREDICCIÓN DE COMPORTAMIENTO DEL FUEGO Se apoyan en los principios físicos básicos pero integran también información experimental, casi siempre para resolver problemas parciales dentro del modelo, que presentan dificultades extremas en su resolución analítica. FLUJO DE INFORMACION EN EL SISTEMA DE PREDICCIÓN DEL COMPORTAMIENTO DEL FUEGO (BEHAVE) PROYECCION DEL FUEGO SOBRE EL MAPA DATOS SUPLEMENTARIOS OBSERVACION ELECCION MODELO COMBUSTIBLE T, HR, HORA ESCALA MAPA DISTANCIA SOBRE EL MAPA TIEMPO DE PROYECCION DISTANCIA DE PROPAGACION MES, SOMBRA, EXPOSICIÓN (ORIENT.) VELOCIDAD PROPAGACION HCFM AREA PENDIENTE (Prog. Fuego 2) OBSERVACION HCFV ELECCION ESTIMACION O CALCULO PERIMETRO PENDIENTE MODELO DE COMPORTAMIENTO DEL FUEGO INTENSIDAD LINEAL FUEGO CALOR UNIDAD DE AREA LONGITUD DE LLAMAS POSIBILIDAD DE CONTROL INTENSIDAD DE REACCION OBSERVACIÓN Y MEDICIÓN DATOS ENTRADA VIENTO DATOS SALIDA INTERPRETACIONES DATOS SALIDA Ventajas y limitaciones del modelo Herramienta muy operativa que ha tenido un gran éxito en todos los países. La posibilidad de construir modelos específicos de combustible amplió su campo de aplicación. Las principales limitaciones provienen de: Considerar el estado estacionario de propagación. Lecho de características uniformes. No considerar más que el fuego de superficie. La humedad de extinción es un concepto mal definido. La combinación de los efectos del viento y pendiente no tiene una justificación sólida. MODELOS EMPÍRICOS DE PREDICCIÓN DE COMPORTAMIENTO DEL FUEGO Ventajas: -Se basan en información recogida en fuegos reales. -Las predicciones suelen ser más ajustadas a la realidad. Inconvenientes: -Los fundamentos físicos de las relaciones obtenidas entre variables no son siempre claros. -En rigor, sus predicciones deben aplicarse sólo en el rango de las variables que fueron medidas por lo que su extrapolación a otros casos es difícil. - En la experimentación en campo no es posible ejercer un control sobre las variables y muchas relaciones pueden quedar oscurecidas por colinealidades entre variables. Se utilizan dos aproximaciones: a) Experimentos en laboratorio (túneles de combustión, túneles de viento, bancos de quema). b) Experimentos en campo. MODELOS DE PROPAGACION DEL FUEGO EN BOSQUES EL MODELO EMPÍRICO DEL FORESTRY CANADA FIRE DANGER GROUP (1992) Desde 1980 y hasta principios de los años noventa, los principales centros de investigación del Servicio Forestal Canadiense desarrollaron una metodología empírica completa para el cálculo de los principales parámetros que determinan el comportamiento de un frente de incendio, basándose en datos de incendios reales y experimentales (Forestry Canada Fire Danger Group, 1992 y Hirsch, 1996). La parte correspondiente a la caracterización de los incendios de superficie se compone básicamente de un conjunto de expresiones para la predicción de la velocidad de propagación y del flujo de calor por metro lineal de frente. Datos necesarios para la utilización del modelo Forestry Canada Fire Danger Group Propiedades del combustible Porcentaje de hierba seca del pastizal Fracción de cabida cubierta de frondosas Indice de disponibilidad de combustible Indice de humedad de los combustibles finos muertos Fracción de cabida cubierta de Abies balsamea seco Fracción de cabida cubierta de coníferas Parámetros medioambientales Velocidad del viento Pendiente Indice de humedad del humus o mantillo Indice de humedad de las capas profundas de suelo o Indice de sequía Símbolo C PH BUI FFMC Unidades % % No dimensional No dimensional PDF % PC Símbolo uw % Unidades m/s Grados No dimensional No dimensional DMC DC Observaciones Meteorológicas Predicción de estado del combustible forestal T del aire HR aire Viento Precipitaciones Viento Indice de la Humedad del combustible fino muerto (FFMC) Predicción del comportamiento del incendio Indice de propagación inicial (ISI) T del aire HR aire Precipitaciones T del aire Precipitaciones Indice de la Humedad del humus (DMC) Indice de Humedad de las capas profundas del suelo (DC) Indice del combustible disponible (BUI) Indice meteorológico de peligro de incendio forestal (FWI) Categorías CONIFERAS Código del tipo de combustible C-1 C-2 C-3 C-4 C-5 C-6 C-7 FRONDOSAS D-1 BOSQUE MIXTO M-1 M-2 M-3 M-4 PASTIZAL RESTOS DE CORTA O-1a O-1b S-1 S-2 S-3 Nombre completo del tipo del combustible Picea mariana masa abierta Picea mariana masa cerrada Masa madura de Pinus banksiana y Pinus contorta Masa inmadura de alta densidad de Pinus banksiana y Pinus contorta Masa madura de Pinus resinosa y Pinus strobus Plantaciones de coníferas sin sotobosque Masas abiertas de Pinus ponderosa y Pseudotsuga menziesii Masas de Populus tremuloides sin hojas Masas mixtas boreales sin hojas Masas mixtas boreales verdes Masa mixtas boreales sin hojas con Abies balsamea muertos. Masa mixtas boreales verdes con Abies balsamea muertos. Herbáceas tumbadas, enmarañadas Herbáceas en pie Restos de corta ligeros de Pinus banksiana y Pinus contorta Restos de carga moderada de Abies y Picea Restos de carga alta , reteniendo el follaje. Cálculo de la componente de velocidad debida al viento y humedad f del combustible fino, muerto RU Cálculo de la componente de velocidad debida a la pendiente RS g ISI Tipo de combustib le (proceso recurrente) RU; con U = 0 Pendiente ISI = f-1 (Rs) US = g-1 (ISI) Cálculo de la velocidad del viento equivalente al efecto pendiente US Composición Vectorial de U y US Módulo del vector UU,S Cálculo de RU,S integrando los efectos de Viento y pendiente FFMC U T, HR, U10, precip. dia anterior f ISI = g (UU, S) MODELOS DE PROPAGACION DEL FUEGO EN PASTOS Cheney, Gould y Catchpole (1993) R (m/s) = 0,4539 U2 0,951 exp (-0,0966 M fp) Ecuación conjunta para pasto y matorral cortado U2 = Velocidad del viento a 2 m (m/s) Mfp = Humedad predicha para el combustible seco (%) por la ecuación de McArthur MKV grassland meter (Noble et al., 1980) Cheney y Gould (1995) encontraron que la velocidad potencial (en estado cuasi estacionario) en pastos secos, Rss, estaba afectada por la anchura efectiva del frente de fuego: Rss = R/ exp [(-0,859-2,03 U2)/W] R = Velocidad del fuego medida en fuegos experimentales, m/s Rss = Velocidad potencial, m/s U2 = Velocidad viento a 2 m, m/s W = anchura efectiva del frente del fuego, m MODELOS DE PROPAGACION DEL FUEGO EN MATORRALES Modelo de Mardsen-Catchpole (1995) Modelo para buttongrass moorlands de Tasmania. Comunidad vegetal dominada por Gymmschoenes sphaerocephalus. R = 0,678 U1,7 1,312 – exp (-0,0243 Mfdecd) (1-exp( -0,116 AGE)) r2 = 0,73 n = 44 R = Velocidad de propagación, m/min U1,7 = Velocidad media del viento a 1,7 m de altura, km/h Mf dec = Humedad del combustible muerto, % AGE = Edad, años Modelo de Catchpole et al. (1998) Modelo de predicción de velocidad en brezal mixto (mixed heathlands) de Australia y Nueva Zelanda. Comunidades de manuka, kanuka heath (Kunzea y Leptospermum) y scrub y Ulex europeaus y pakihi (juncos y helechos de zonas encharcadas). En Australia comprendieron fuegos en heathlands dominados por mezcla de especies: Banksia, Hakea, Allocasuarina y Leptospermum de 0,3 a 3 m Modelo de Catchpole et al. (1998) R = 0,049 U1,21 H 0,54 r2 = 0,70 R = Velocidad de propagación, m/s U1,7 = Velocidad media del viento a 2 m de altura, m/s M = Altura de la vegetación, m Modelo de Fernandes Comunidades del N de Portugal dominadas por E. umbellata C. tridentatum, y Ulex europaeus R = 3,258 U20,958 exp (-0,111 Md) r2=0,65 R = Velocidad de propagación del fuego, m/min U = Velocidad del viento a 1,7 m de altura, m/s Md = Humedad del combustible muerto aéreo,% Modelo de Fernandes R = 1,764 U21,034 exp (-0,062 Md) h 0,816 r2=0,86 R = 7,255 exp(0,092 U2 ) exp (-0,067 Md) h 0,932 r2=0,91 R = Velocidad de propagación del fuego, m/min U = Velocidad del viento a 1,7 m de altura, m/s Md = Humedad del combustible muerto aéreo,% h = Altura de la vegetación, m Modelo de Vega et al. (1998) Formaciones de Ulex sp., C. tridentatum, E. australis, E. umbellata R = 0,249 U1,71,193 H0,658 exp (1,088 s) r2=0,71 R = Velocidad de propagación del fuego, m/min U = Velocidad del viento a 1,7 m de altura, m/s H = Altura del matorral, m s = Pendiente del terreno (ángulo de inclinación), tanto por uno. Modelo de Vega et al. (2000) R = 4,84 U1,71,13 H0,49 exp (0,77 s) R = Velocidad de propagación del fuego, m/min U = Velocidad del viento a 1,7 m de altura, m/s H = Altura del matorral, m s = Pendiente del terreno (ángulo de inclinación), tanto por uno. Modelo de Vega et al. (2001) R = 1,94 (U+es)1,12 cob -0,83 H0,49 R = Velocidad de propagación del fuego, m/min U = Velocidad del viento a 1,7 m de altura, m/s H = Altura del matorral, m s = Pendiente del terreno (ángulo de inclinación), tanto por uno. Cob = Fracción de cobertura de la vegetación en tanto por uno Combinando datos de matorral del N de Portugal y de Galicia R = 1,43 U61,15 exp (0,039 s) r2 = 0,70 R = Velocidad de propagación del fuego, m/min (1,4-27,1 m/min) U = Velocidad del viento a 6 m de altura, m/s H = Altura del matorral, m s = Pendiente del terreno (ángulo de inclinación), tanto por uno. Trabajo de investigación conjunto para el desarrollo de un modelo predictivo de comportamiento del fuego en matorrales para terrenos llanos Centro de Investigaciones Forestales y Ambientales de Lourizán-Xunta de Galicia. Universidad Nueva Gales del Sur- Australia. Universidad de Tras-Os Montes e Alto Douro. Vila RealPortugal Modelo general para matorrales en sitios llanos (2) R=(0.53+0.88 FG) U1.05 exp(-0.035 Md – 0.003 Ml) h0.42 Donde, R = velocidad de propagación (m/min) FG = variable ficticia (dummy) para tipo de matorral, 0 para E. umbellata – Ch. tridentatum, 1 para los otros U = velocidad de viento (m/s) Md = humedad del combustible muerto en pie (%) Ml = humedad del combustible vivo (%) h = altura de la vegetación (cm) FUEGOS DE COPA Fundamentos y Modelos de predicción MODELOS DE INICIACION Van Wagner (1977) Xanthopoulos y Wakimoto (1993) Alexander (1998) Behave MODELOS DE PROPAGACION Farsite Mc Arthur (1967) Nexus Van Wagner (1989) Rothermel (1991) Butler, Finney, Andrews y Albini (2004) Farsite Nexus MODELOS INICIO Y PROPAGACION Forestry Canada Fire Danger Group (1992) Finney (1993) Cruz, Alexander y Wakimoto (2002,2004, 2005) CFIS MODELOS DE INICIACION DE FUEGOS DE COPA Diferentes autores han señalado como los factores más decisivos en el inicio del fuego de copa: •Contenido de humedad foliar de las copas (HFC). •Continuidad vertical entre los estratos superficial y de copa del complejo de combustible. •Carga de combustible disponible para la fase de llamas en el estrato superficial. •Velocidad del viento. EL MODELO SEMIEMPÍRICO DE INICIACION DE INCENDIOS DE COPAS DE VAN WAGNER Mediante expresiones referidas a la intensidad lineal del frente y a la velocidad de propagación, determinó los valores críticos de estos parámetros que indican la aparición de incendios de copas activos y pasivos: I0 = ( C. h . ABC)1,5 = [ 0,01 . (460 + 25,9 HFC). ABC]1,5 I0 = Intensidad lineal crítica del incendio de superficie (kW/m). C = Constante empírica ( adimensional ). h=Calor de ignición de las copas (kJ/kg). HFC = Humedad foliar de las copas (%). ABC = Altura de la base de la copa = Distancia vertical entre la parte superior del estrato de combustible del sotobosque a la base de la copa (m). Humedad foliar de las copas (HFC, %). Longitud de la copa Altura de la masa Combustibles escalera Altura de la base de la copa ABC ( Alexander 1998) * Otro criterio, ya de propagación del fuego de copa, es: R0 = 3/d R0 = Velocidad de propagación crítica de un incendio de superficie (m/min) o mínima velocidad de propagación para un fuego de copas activo. d, Densidad aparente de las copas (kg/m3). El modelo predice que, siendo I y R los valores de la intensidad lineal y de la velocidad de propagación, respectivamente, en un incendio de superficie, cuando I > I0 y R < R0 el fuego pasivo de copas y cuando I > I0 y R > R0 se produce un fuego activo. En resumen, los criterios propuestos por Van Wagner para la iniciación y desarrollo de incendios de copas son: I > I0 R<R0 Incendio pasivo de copas I > I0 R>R0 Incendio activo de copas La principal ventaja es la simplicidad del criterio (sólo dos propiedades de los combustibles son necesarias y una estimación de la intensidad superficial). Justamente, por ser muy operativa ha sido rescatada en la mayor parte de los modelos experimentales subsiguientes: Canadian Forest Fire Behaviour Prediction System (FBP) del Forestry Canada Fire Danger Group (1992) y FARSITE (Finney, 1998) NEXUS (Scott y Reinhardt, 2001) MODELOS DE PROPAGACION DE FUEGOS DE COPA La mayoría de estudios teóricos para la modelización del comportamiento de incendios de copas consideran la radiación como el mecanismo de transferencia de calor más importante. MODELOS DE PROPAGACION Rothermel (1991) Modelo del Canadian Forestry Fire Danger Group (1992) Finney (1993) MODELOS INICIO Y PROPAGACION Cruz, Alexander y Wakimoto (2002,2004,2005) EL MODELO EMPÍRICO DE PROPAGACIÓN DE INCENDIOS DE COPAS DE ROTHERMEL (1991) R Ca = 3,34 . R 10 R 10 = Velocidad de propagación de un incendio de superficie con el modelo de combustible 10 (m/s). Asimismo, propuso una expresión empírica para la velocidad máxima de propagación de los incendios estudiados R Ca max = 1,7 . R Ca R Ca max Velocidad máxima de propagación de un incendio activo de copas (m/s). EL MODELO SEMIEMPÍRICO DE PROPAGACION DE INCENDIOS DE COPAS DEL CANADIAN FORESTRY FIRE DANGER GROUP El procedimiento propuesto por Van Wagner (1989) para el cálculo de las velocidades de propagación en los incendios de copas se representa esquemáticamente de la siguiente forma: Intensidad lineal crítica de un incendio de superficie, I0 Velocidad de propagación crítica de un incendio de superficie, RFI0 Fracción de combustible aéreo consumido, CFB Velocidad de propagación de un incendio pasivo de copas, RCp Velocidad de propagación de un incendio activo de copas, RCa Variables correspondientes al modelo de propagación de incendios de superficie de Fire Danger Group (1992) EL MODELO DE PREDICCION DE INICIO Y PROPAGACION DE INCENDIOS DE COPAS DE FINNEY (1993) Finney (1993) desarrolló una metodología para el cálculo completo de todos los parámetros de comportamiento de los incendios en los que se produce combustión de material aéreo. Dicho método fue pensado para ser integrado directamente en un complejo sistema de simulación, utilizando para ello algunos estudios de fuegos de copas ya descritos. Intensidad lineal crítica de un incendio de superficie, I0 Intensidad lineal Byram de un incendio de superficie, Ib Velocidad de propagación crítica de un incendio de superficie, RF0 Fracción de combustible aéreo consumido, CFB Velocidad de propagación de un incendio activo de copas, RCa Velocidad de propagación de un incendio pasivo de copas, RCp Variables correspondientes al modelo de propagación de incendios de superficie de Rothermel (1972) Operatividad y limitaciones La metodología de Finney (1993) se basa esencialmente en tres de los modelos estudiados. De esta forma, incorpora los aspectos concernientes a la fiabilidad y a las limitaciones, y los engloba con el fin de obtener una aplicación sistemática en el análisis de los incendios de copas. El resultado es un procedimiento aplicable preferentemente a la vegetación norteamericana, ya que parte de los datos obtenidos en la modelización de incendios de superficie de Rothermel, pensada para modelos de combustible clasificados según sus propios criterios. Así, los resultados que se obtienen con otras tipologías de combustible sirven de guía para la estimación de los territorios que son susceptibles de sufrir grandes incendios forestales. MODELO DE PREDICCION DE INICIO Y PROPAGACION DE INCENDIOS DE COPAS EN CONÍFERAS (CRUZ, ALEXANDER Y WAKIMOTO, 2002) Probabilidad de inicio de fuego de copas ( p): p = ef(x) /1 + ef(x) f (x) = 3,397 + 0,370 U10 - 0,664 ABC – 4,354 CCS(C1)- 1,787 CCS (C2) - 0,286 HCFM Siendo, U10, Velocidad del viento medido en el exterior de la masa a 10 m de altura (km/h). ABC, Altura de la base de la copa sobre la parte superior del estrato del combustible del sotobosque (m). CCS, Consunción de combustible del estrato superficial (del sotobosque) HCFM, Humedad del combustible fino muerto estimada por las tablas de Rothermel (1983), (%). En relación al factor CCS: Puesto que esta variable refleja una condición postfuego y existen dificultades a priori, de estimar el combustible disponible para la combustión, el modelo de probabilidad de inicio ha categorizado esta variable usando dos variables de diseño: C1 y C2 de acuerdo a los niveles estimados de consunción de combustible. Para CCS < 1 kg/m2, C1 = 1 y C2 = 0. Cuando 1.0 < CCS < 2.0 kg/m2, C1 = 0 y C2 = 1. Para CCS > 2.0 kg/m2 . C1 = 0 y C2 = 0. Una nueva versión (Cruz et al., 2004) de la probabilidad de ocurrencia de fuego de copas, propone: p = ef(x) /1 + ef(x) f (x) = 4,236 + 0,357 U10 - 0,710 ABC – 4,613 CCS(C1)- 1,856 CCS (C2) - 0,331 HCFM Siendo, U10, Velocidad del viento medido en el exterior de la masa a 10 m de altura (km/h). ABC, Altura de la base de la copa sobre la parte superior del estrato del combustible del sotobosque (m). CCS, Consunción del combustible del estrato superficial (del sotobosque) HCFM, Humedad del combustible fino muerto estimada por las tablas de Rothermel (1983), (%). Modelo de propagación de fuego de copas (CAW) Usa el criterio de Van Wagner (1977) para clasificar los fuegos de copas en activos y pasivos: R0 = 3/d R0, Velocidad crítica mínima del fuego de superficie para que se desarrolle un fuego de copa activo (m/min) d, Densidad aparente de las copas (kg/m3) La ecuación de la velocidad de propagación del fuego de copas activo: R Ca = 11,76 U10 0,86 d 0,18 e (-0,17 HCFM) Siendo, R Ca, velocidad de propagación del fuego activo de copas (m/min) U10, Velocidad del viento medido en el exterior de la masa a 10 m de altura (km/h). d, Densidad aparente de las copas (kg/m3) HCFM, Humedad del combustible fino muerto estimada por las tablas de Rothermel (1983), (%). Para los fuegos de copa pasivos: R Cp = RCa . CAC CAC, el cociente entre R Ca / R0 FARSITE FARSITE Aplica los cálculos de comportamiento del fuego a condiciones ambientales complejas Es un modelo de simulación de propagación de fuego forestal Los combustibles, condiciones atmosféricas y topografía varían espacial y temporalmente Se controla la resolución espacial y temporal de los cálculos Produce mapas de propagación del fuego y su comportamiento USOS DE FARSITE INCENDIOS ACTIVOS • Simulación a corto plazo • Simulación a plazo medio (1 a 3 días) • Simulación a largo plazo INCENDIOS POTENCIALES • Planificación de lucha contra incendios forestales • Análisis de las alternativas de actuación • Planificación para actuaciones sobre los combustibles INCENDIOS PASADOS • Validación y ajustes del programa • Reconstrucción y estudio del incendio USOS DE FARSITE Los modelos de comportamiento del fuego son los mismos que en Behave y CFBPS: -Fuego de superficie: Behave (Rothermel 1972; Albini 1976) -Características de combustibles: Behave (Albini 1976; Anderson 1982; Andrews 1986; Burgan y Rothermel 1984) -Intensidad lineal: Byram -Transición a copas: Van Wagner (1977, 1989, 1993) -Fuego de copas: Rothermel (1991) y Finney (1993) -Diseminación de pavesas: Albini (1979) Humedad del combustible muerto: Nelson (2000). -Fase de rescoldo: Albini y Reinhardt (1995) CONSTRUCCIÓN DE UNA SIMULACIÓN Hace falta contar con los siguientes elementos: - Archivo de escenario; .LCP - Archivo de variables atmosféricas; .WTR - Archivo de vientos: .WND - Archivo de ajuste de Combustibles .ADJ - Archivo de humedad inicial de Combustibles .FMS - Requiere introducir el lugar de inicio del fuego - Hay que introducir la duración que tendrá la simulación - Es necesario establecer parámetros de resolución de tiempo y espacio SIMULACIÓN DEL CRECIMIENTO DEL PERÍMETRO Se basa en la propagación del frente de fuego adquiriendo una forma elíptica debido al efecto del viento y de la pendiente. Se asume que la propagación del frente de fuego sigue el principio de Huygens, de forma que cada punto del perímetro del incendio genera un nuevo fuego que se propaga con forma elíptica, el perímetro del fuego estará formado por las partes más externas de las distintas elipses que se forman en todo el perímetro. OTROS SIMULADORES Algunos modelos físico simplificados pueden incluirse en simuladores. http://forefire.univ-corse.fr/websim/ Universidad de Córcega. Proyecto IDEA. Sólo Córcega OTROS SIMULADORES FIRETEC Full Thin Patches less ground fuel Patches OTROS SIMULADORES FIRETEC Simulación ICFME Linn et al., 2009 OTROS SIMULADORES FIRESTAR Morvan et al., 2009 OTROS SIMULADORES WFDS: Wildland-urban interface Fire Dynamics Simulator OTROS SIMULADORES WFDS: Wildland-urban interface Fire Dynamics Simulator OTROS SIMULADORES WFDS: Wildland-urban interface Fire Dynamics Simulator OTROS SIMULADORES WFDS: Wildland-urban interface Fire Dynamics Simulator OTROS SIMULADORES MUCHAS GRACIAS!!!!!!!
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