Metodologie di simulazione per incendi boschivi

Metodologie di simulazione per incendi boschivi

E. Lorrai, M. Marrocu, L. Massidda,G. Pagnini e A. Vargiu

CRS4, Loc. Piscina Manna, Ed. 1 - 09010 Pula (CA – Italy)

[email protected]

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Sommario

� La fisica del fuoco

� La modellazione degli incendi boschivi e metodi di simulazione

� I modelli fisico-teorici

� I modelli semi-empirici e l’accoppiamento con la fisica dell’atmosfera

� Tecniche di simulazione numerica degli incendi

� Automi cellulari

� Principio di Huygens

� Metodo Level Set

� Un esempio di applicazione

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L’incendio

� L'incendio è un fuoco (o combustione) non controllato che si sviluppa senza limitazioni nello spazio e nel tempo dando luogo, ove si estende, a calore, fumo, gas e luce.

� Affinché avvenga un incendio è necessario che siano presenti tre elementi fondamentali (le "tre C" o triangolo del fuoco):

� il combustibile

� il comburente (O2)

� Il calore (per l’innesco)

� Se non sono presenti uno o più dei tre elementi della combustione, questa non può avvenire e - se l'incendio è già in atto - si determina l'estinzione del fuoco. (Wikipedia)

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L’incendio

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I fattori ambientali

� Gli incendi boschivi sono condizionati da tre fattori di natura ambientale

� le condizioni meteorologiche

� le caratteristiche della vegetazione

� l’orografia del terreno

� Le condizioni meteorologiche influenzano la propagazione del fuoco sia attraverso il vento che per via dell’umidità. Il vento predominante incrementa la velocità di propagazione in direzione del vento; una temperatura elevata ed un clima secco favoriscono la propagazione dell’incendio, al contrario di alti valori di umidità o in caso di precipitazioni

� La vegetazione costituisce il combustibile del fuoco, e ne influenza sia la modalità di propagazione che la velocità

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� Il combustibile è costituito da tutte le tipologie di vegetazione, ed ogni tipologia è caratterizzata da una sua velocità di propagazione ed una sua modalità. La macchia mediterranea si comporta diversamente da un bosco di conifere...

� I fattori topografici intervengono sulle condizioni del vento alsuolo (intensità, direzione, presenza di canyon) e sulle condizioni di umidità del terreno

� La topografia influenza anche direttamente la velocità di propagazione di un fronte di fiamma (uphill > downhill)

� Tutti questi fattori agiscono in modo combinato, e in natura difficilmente si trovano condizioni ideali ed uniformi, da laboratorio.

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La modellazione degli incendi

� È l’analisi e la simulazione del fenomeno della propagazione degli incendi boschivi attraversi gli strumenti dell’analisi teorica, della realizzazione di modelli fisici e della simulazione numerica su calcolatore.

� Lo scopo è quello di capire interpretare e predire il comportamento degli incendi, in modo da fornire un ausilio agli operatori della salvaguardia ambientale, per una più efficace soppressione degli incendi, e la loro prevenzione e controllo, riducendo i rischi per gli operatori stessi, la popolazione e ilterritorio.

� Ulteriori utilizzi possono essere nella protezione di ecosistemi, di aree urbane, nella definizione di piani di emergenza, e nellapianificazione territoriale.

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La modellazione degli incendi

� La modellazione degli incendi (Wildfire modeling) cerca di riprodurre il comportamento di un incendio boschivo sia durante la sua propagazione, evidenziando ad esempio

� la direzione e velocità di propagazione di un fronte di fiamma,

� la modalità di propagazione,

� il calore prodotto,

� l’altezza delle fiamme...

� sia stimando gli effetti prodotti dal fuoco sul piano ambientale

� la quantità di “combustibile” bruciato,

� la mortalità degli alberi,

� la quantità ceneri disperse in atmosfera...

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Metodi di simulazione

� La modellazione degli incendi su calcolatore presenta aspetti simili a tanti altri problemi di fisica computazionale

� Si tratta di raggiungere un compromesso tra la qualità dei risultati ottenibili, la disponibilità dei dati, la possibilità di risolvere il problema sull’hardware a disposizione e la velocitàcon cui sia possibile ottenere il risultato.

� La complessità computazionale di questo problema è notevole:

Meteorology

Terrain modelling

Flame modelling

CFD

1000km

100km

10km

1km

100m

10m

1m 100mm

10mm

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Modelli “physics based”

� In letteratura è possibile trovare modelli il fenomeno dell’incendio è descritto tramite equazioni di bilancio, di massa, quantità di moto ed energia, formulato con equazioni alle derivate parziali

� Si tratta di formulazioni CFD con modellistica della combustione

� Sono in grado di risolvere propagazioni su modelli molto ridotti

� Una griglia con passo 10cm su un cubo di 100m di lato con 6 incognite (velocità, temperatura, parametro di reazione e turbolenza) richiede almeno 24GB di memoria per essere risolta

� La complessità fisica necessaria è in realtà superiore, e a questa corrisponde un incremento del costo computazionale

� Questo approccio è praticamente inapplicabile ad incendi di scala reale

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Modelli “physics based”

� Anche questi modelli hanno bisogno di qualche approssimazione

� La combustione è un fenomeno estremamente complesso, che ha luogo su scale molto ridotte rispetto a quelle prima descritte, pertanto i modelli di cui sopra devono approssimare i fenomeni che avvengono a scale inferiori a quelle risolte.

� FIRETEC per esempio non riesce certamente a risolvere il miscelamento tra combustibile e comburente, che determina di fatto la velocità della reazione e deve applicare delle approssimazioni sia per la distribuzione della temperatura che per la velocità della reazione

� Inoltre la dimensione complessiva di questi modelli è troppo piccola per poter interagire in modo significativo con la modellazione della atmosfera

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WFDS simulation

www.nist.gov

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Modelli semi-empirici

� Il problema può essere semplificato trattandolo come un problema di superficie

� i modelli per il comportamento del fuoco devono però avere una forte caratterizzazione sperimentale

� assunzioni molto forti sul meccanismo di propagazione

� Gli esempi migliori sono FARSITE e Prometheus:

� Propagazione del fronte di fiamma con il principio di Huygens

� relazioni semi-empiriche per velocità del fronte di fiamma, altezza della fiamma, transizione tra diversi tipi di incendio, calore sviluppato, etc. etc.

� I fattori ambientali costituiscono un input della simulazione

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� Nel corso degli anni sono state sviluppate numerose correlazioni sperimentali che permettono una stima veloce dei parametri fondamentali di un incendio:

� velocità di propagazione

� altezza della fiamma

� Intensità della combustione

� Esperimenti di laboratorio permettono di determinare questi parametri in condizioni ideali per un dato tipo di vegetazione

� Correlazioni anch’esse sperimentali permettono di estrapolare il risultato per diverse condizioni di vento e pendenza del terreno

ROS=R0�1 +φW +φS�Rothermel 1972

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� I modelli semi empirici possono avere diversi livelli di complessità

� I fattori ambientali e in particolare la dinamica dell’atmosfera può essere un input più o meno accurato e avere una interazione con il fuoco

� “fires create their own weather”

� Tra i modelli semi empirici con feedback si hanno WRF-FIRE, SFIRE, Forefire/MesoNH

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WRF-fire simulation

www.openwfm.org ncar.ucar.edu

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Le tecniche di simulazione

� Per la simulazione degli incendi sono necessarie diverse tecniche numeriche, alcune sono ormai consolidate

� Differenze finite per la modellazione meteo

� Volumi finiti per la modellazione CFD

� Per la simulazione della propagazione del fronte di fiamma sullasuperficie del terreno si hanno diverse opzioni

� Automi cellulari

� Propagazione di onde

� Metodo level set

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Automi cellulari

� I metodi ad automi cellulari di tipo euleriano si basano su una griglia regolare di celle quadrate o esagonali, sono molto usatiper simulare diversi fenomeni naturali (Life)

� Nel caso degli incendi il fuoco si propaga sulla griglia da cella a cella, una cella può essere o meno bruciata ed una cella che brucia è una sorgente di ignizione per le celle circostanti

� Per propagare il fronte di fiamma ogni cella

� Cerca tra quelle circostanti secondo pattern definiti,

� Calcola la velocità di propagazione secondo ogni direzione,

� Individua la cella “più vicina” e la accende

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Automi cellulari

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Propagazione di onde

� Huygens considerava ogni punto di un fronte di onda luminosa come sorgente di ondine secondarie e descriveva il nuovo fronte d' onda come l'inviluppo di queste

� Il fronte di fiamma dell'incendio può anche qui essere considerato un poligono,

� ogni vertice del poligono genera una ondina secondaria

� il nuovo fronte d'onda è costituito dai vertici connessi

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Principio di Huygens

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Principio di Huygens

� In pratica il metodo impiegato è opposto rispetto agli automi cellulari,

� Il poligono del fuoco è descritto da una serie di vertici in due dimensioni,

� Per ogni vertice viene calcolata velocità e direzione di propagazione

� I vertici si spostano secondo la velocità calcolata e per un time step fissato

� Se la distanza tra i vertici cresce vengono generati nuovi vertici a metà segmento

� E' usato dal sistema FARSITE (USFS,NPS) e dal sistema Forefire dell'università di Corte

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FARSITE simulation

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Forefire/MesoNH simulation

www.univ-corse.fr

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Level set method

� E' una tecnica numerica che permette di descivere efficacemente interfacce e forme, la sua caratteristica principale è che consente di utilizzare una griglia cartesiana per la descrizione di curve e superfici

� Consente di seguire molto facilmente i cambi di forma e di topologia, ad esempio quando una curva si divide in due parti o quando due curve si uniscono

� Il metodo è stato utilizzato con successo per la descrizione di curve e superfici che si deformano nel tempo, come ad esempio nella separazione di fasi in un liquido, oppure per descrivere l'esplosione di un airbag.

� Nel caso degli incendi viene utilizzato in SFIRE e WRF-fire di NCAR

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Level set method

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Level set method� Una curva chiusa Γ è reappresentata per mezzo di una

funzione ϕ, detta funzione level set

� La curva è rappresentata come il “livello zero” della funzione. Il metodo opera implicitamente sulla curva Γ attraverso la funzione ϕ che si assume abbia valore positivo nella regione delimitata dalla curva e nagativo al di fuori di essa

� Se la curva si espande in direzione normale con una velocità v, allora la funzione deve soddisfare la seguente espressione

� dove | | è la norma euleriana e t rappresenta il tempo. Si tratta di una equazione alle derivate parziali che può essere risolta con differenze finite su una griglia cartesiana

Γ= {�x,y��φ�x,y�= 0}

∂φ

∂ t=v�� φ�

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WRF-fire simulation

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La ricerca al CRS4

� Ci siamo concentrati su una applicazione che sia un valido strumento di supporto alla decisione

� non deve richiedere uno specialista di informatica per il suo utilizzo

� deve permettere allo specialista degli incendi di interpretare facilmente i risultati

� i risultati devono essere forniti velocemente, piùvelocemente del tempo reale del fenomeno

� i risultati possono essere progressivamente raffinati nel tempo, con simulazioni più accurate e dati più precisi

� integrata con i modelli meteo e GIS

� fruibile attraverso una interfaccia web di facile utilizzo

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Fire front

Fire simulator

Google earth

Fire front

Time steps

Fuel type

Fuel moisture

Wind

Slope

Fire spread libraryGIS

Uno schema di applicazione

Point and direction

Fire velocity

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Fire spread velocity

Position DirectionFueltype

Fuelmoisture

Wind

Slope

GIS Fire spread library

Data on the point

Fire velocity

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Fire simulator schemeFire front file

Calculate normal

Calculate position

Get velocity

For each point

Fire spread velocity routines

steps > NS

Update position

Calculate fire front Fire front file

steps++

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Un esempio di applicazione

� Incendio di Budoni, 26/08/2004

� M. Salis, Fire behaviour simulation in mediteranean maquis using Farsite, PhD thesis, Facoltà di Agraria SS

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� Vento medio di ponente (ipotesi di una rotazione locale del maestrale causa orografia)

� Fronte ogni 30' su 6.5h di simulazione

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� Vento medio di libeccio (in accordo con dati rilevati sul posto)


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� Vento medio di libeccio

� Mascheramento combustibile (confine sud-est) simulante l'intervento dei forestali


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Grazie per l'attenzione

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