Metodologie di simulazione   per incendi boschivi     E. Lorrai, M. Marrocu, L. Massidda,            G. Pagnini e A. Vargi...
SommarioLa fisica del fuocoLa modellazione degli incendi boschivi e metodi di simulazione   I modelli fisico-teorici   I m...
L’incendioLincendio è un fuoco (o combustione) non controllato che sisviluppa senza limitazioni nello spazio e nel tempo d...
L’incendio             4
I fattori ambientaliGli incendi boschivi sono condizionati da tre fattori di naturaambientale   le condizioni meteorologic...
I fattori ambientaliIl combustibile è costituito da tutte le tipologie di vegetazione,ed ogni tipologia è caratterizzata d...
I fattori ambientali                       7
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La modellazione degli incendiLa modellazione degli incendi (Wildfire modeling) cerca diriprodurre il comportamento di un i...
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WFDS simulationwww.nist.gov                                 13
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Modelli semi-empiriciNel corso degli anni sono state sviluppate numerosecorrelazioni sperimentali che permettono una stima...
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Le tecniche di simulazionePer la simulazione degli incendi sono necessarie diversetecniche numeriche, alcune sono ormai co...
Automi cellulariI metodi ad automi cellulari di tipo euleriano si basano su unagriglia regolare di celle quadrate o esagon...
Automi cellulari                   20
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Principio di Huygens                       22
Principio di HuygensIn pratica il metodo impiegato è opposto rispetto agli automicellulari,   Il poligono del fuoco è desc...
FARSITE simulation                     24
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Level set method                   27
Level set methodUna curva chiusa Γ è reappresentata per mezzo di unafunzione ϕ, detta funzione level set                Γ=...
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La ricerca al CRS4Ci siamo concentrati su una applicazione che sia un validostrumento di supporto alla decisione   non dev...
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Fire simulator scheme            Fire front file           For each point          Calculate positionsteps++              ...
Un esempio di applicazione              Incendio di Budoni,              26/08/2004              M. Salis, Fire behaviour ...
Un esempio di applicazioneVento medio diponente(ipotesi di unarotazionelocale delmaestralecausaorografia)Fronte ogni 30su ...
Un esempio di applicazioneVento medio dilibeccio (inaccordo condati rilevati sulposto)Fronte ogni 30su 6.5h disimulazione ...
Un esempio di applicazioneVento medio dilibeccioMascheramentocombustibile(confine sud-est) simulantelintervento deiforesta...
Un esempio di applicazione                             38
Grazie per lattenzione   luca.massidda@crs4.it                           39
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Metodologie di simulazione per incendi boschivi

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Luca Massidda (CRS4)
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Metodologie di simulazione per incendi boschivi

  1. 1. Metodologie di simulazione per incendi boschivi E. Lorrai, M. Marrocu, L. Massidda, G. Pagnini e A. VargiuCRS4, Loc. Piscina Manna, Ed. 1 - 09010 Pula (CA – Italy) luca.massidda@crs4.it
  2. 2. SommarioLa fisica del fuocoLa modellazione degli incendi boschivi e metodi di simulazione I modelli fisico-teorici I modelli semi-empirici e l’accoppiamento con la fisica dell’atmosferaTecniche di simulazione numerica degli incendi Automi cellulari Principio di Huygens Metodo Level SetUn esempio di applicazione 2
  3. 3. L’incendioLincendio è un fuoco (o combustione) non controllato che sisviluppa senza limitazioni nello spazio e nel tempo dandoluogo, ove si estende, a calore, fumo, gas e luce.Affinché avvenga un incendio è necessario che siano presentitre 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 deitre elementi della combustione,questa non può avvenire e - selincendio è già in atto - si determinalestinzione del fuoco. (Wikipedia) 3
  4. 4. L’incendio 4
  5. 5. I fattori ambientaliGli incendi boschivi sono condizionati da tre fattori di naturaambientale le condizioni meteorologiche le caratteristiche della vegetazione l’orografia del terrenoLe condizioni meteorologiche influenzano la propagazione delfuoco sia attraverso il vento che per via dell’umidità. Il ventopredominante incrementa la velocità di propagazione indirezione del vento; una temperatura elevata ed un clima seccofavoriscono la propagazione dell’incendio, al contrario di altivalori di umidità o in caso di precipitazioniLa vegetazione costituisce il combustibile del fuoco, e neinfluenza sia la modalità di propagazione che la velocità 5
  6. 6. I fattori ambientaliIl combustibile è costituito da tutte le tipologie di vegetazione,ed ogni tipologia è caratterizzata da una sua velocità dipropagazione ed una sua modalità. La macchia mediterranea sicomporta diversamente da un bosco di conifere...I fattori topografici intervengono sulle condizioni del vento alsuolo (intensità, direzione, presenza di canyon) e sullecondizioni di umidità del terrenoLa topografia influenza anche direttamente la velocità dipropagazione di un fronte di fiamma (uphill > downhill)Tutti questi fattori agiscono in modo combinato, e in naturadifficilmente si trovano condizioni ideali ed uniformi, dalaboratorio. 6
  7. 7. I fattori ambientali 7
  8. 8. La modellazione degli incendiÈ l’analisi e la simulazione del fenomeno della propagazionedegli incendi boschivi attraversi gli strumenti dell’analisi teorica,della realizzazione di modelli fisici e della simulazione numericasu calcolatore.Lo scopo è quello di capire interpretare e predire ilcomportamento degli incendi, in modo da fornire un ausilio aglioperatori della salvaguardia ambientale, per una più efficacesoppressione 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. 8
  9. 9. La modellazione degli incendiLa modellazione degli incendi (Wildfire modeling) cerca diriprodurre il comportamento di un incendio boschivo sia durantela 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... 9
  10. 10. Metodi di simulazioneLa modellazione degli incendi su calcolatore presenta aspettisimili a tanti altri problemi di fisica computazionaleSi tratta di raggiungere un compromesso tra la qualità deirisultati ottenibili, la disponibilità dei dati, la possibilità dirisolvere il problema sull’hardware a disposizione e la velocitàcon cui sia possibile ottenere il risultato.La complessità computazionale di questo problema è notevole: Meteorology CFD Terrain modelling Flame modelling 100km 100m 100mm 1000km 10km 1km 10m 1m 10mm 10
  11. 11. Modelli “physics based”In letteratura è possibile trovare modelli il fenomenodell’incendio è descritto tramite equazioni di bilancio, di massa,quantità di moto ed energia, formulato con equazioni allederivate parzialiSi tratta di formulazioni CFD con modellistica della combustioneSono in grado di risolvere propagazioni su modelli molto ridottiUna griglia con passo 10cm su un cubo di 100m di lato con 6incognite (velocità, temperatura, parametro di reazione eturbolenza) richiede almeno 24GB di memoria per essererisoltaLa complessità fisica necessaria è in realtà superiore, e aquesta corrisponde un incremento del costo computazionaleQuesto approccio è praticamente inapplicabile ad incendi discala reale 11
  12. 12. Modelli “physics based”Anche questi modelli hanno bisogno di qualcheapprossimazioneLa combustione è un fenomeno estremamente complesso, cheha luogo su scale molto ridotte rispetto a quelle prima descritte,pertanto i modelli di cui sopra devono approssimare i fenomeniche avvengono a scale inferiori a quelle risolte.FIRETEC per esempio non riesce certamente a risolvere ilmiscelamento tra combustibile e comburente, che determina difatto la velocità della reazione e deve applicare delleapprossimazioni sia per la distribuzione della temperatura cheper la velocità della reazioneInoltre la dimensione complessiva di questi modelli è troppopiccola per poter interagire in modo significativo con lamodellazione della atmosfera 12
  13. 13. WFDS simulationwww.nist.gov 13
  14. 14. Modelli semi-empiriciIl problema può essere semplificato trattandolo come unproblema di superficie i modelli per il comportamento del fuoco devono però avere una forte caratterizzazione sperimentale assunzioni molto forti sul meccanismo di propagazioneGli 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 14
  15. 15. Modelli semi-empiriciNel corso degli anni sono state sviluppate numerosecorrelazioni sperimentali che permettono una stima veloce deiparametri fondamentali di un incendio: velocità di propagazione altezza della fiamma Intensità della combustioneEsperimenti di laboratorio permettono di determinare questiparametri in condizioni ideali per un dato tipo di vegetazioneCorrelazioni anch’esse sperimentali permettono di estrapolare ilrisultato per diverse condizioni di vento e pendenza del terreno Rothermel 1972 ROS=R0 1 +φW +φ S 15
  16. 16. Modelli semi-empirici 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 16
  17. 17. WRF-fire simulation 17www.openwfm.org ncar.ucar.edu
  18. 18. Le tecniche di simulazionePer la simulazione degli incendi sono necessarie diversetecniche numeriche, alcune sono ormai consolidate Differenze finite per la modellazione meteo Volumi finiti per la modellazione CFDPer la simulazione della propagazione del fronte di fiamma sullasuperficie del terreno si hanno diverse opzioni Automi cellulari Propagazione di onde Metodo level set 18
  19. 19. Automi cellulariI metodi ad automi cellulari di tipo euleriano si basano su unagriglia 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 acella, una cella può essere o meno bruciata ed una cella chebrucia è una sorgente di ignizione per le celle circostantiPer 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 19
  20. 20. Automi cellulari 20
  21. 21. Propagazione di ondeHuygens considerava ogni punto di un frontedi onda luminosa come sorgente di ondinesecondarie e descriveva il nuovo fronte donda come linviluppo di questeIl fronte di fiamma dellincendio può anche quiessere considerato un poligono, ogni vertice del poligono genera una ondina secondaria il nuovo fronte donda è costituito dai vertici connessi 21
  22. 22. Principio di Huygens 22
  23. 23. Principio di HuygensIn pratica il metodo impiegato è opposto rispetto agli automicellulari, 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 segmentoE usato dal sistema FARSITE (USFS,NPS) e dal sistemaForefire delluniversità di Corte 23
  24. 24. FARSITE simulation 24
  25. 25. Forefire/MesoNH simulationwww.univ-corse.fr 25
  26. 26. Level set methodE una tecnica numerica che permette di descivereefficacemente interfacce e forme, la sua caratteristica principaleè che consente di utilizzare una griglia cartesiana per ladescrizione di curve e superficiConsente di seguire molto facilmente i cambi di forma e ditopologia, ad esempio quando una curva si divide in due parti oquando due curve si unisconoIl metodo è stato utilizzato con successo per la descrizione dicurve e superfici che si deformano nel tempo, come adesempio nella separazione di fasi in un liquido, oppure perdescrivere lesplosione di un airbag.Nel caso degli incendi viene utilizzato in SFIRE e WRF-fire diNCAR 26
  27. 27. Level set method 27
  28. 28. Level set methodUna curva chiusa Γ è reappresentata per mezzo di unafunzione ϕ, detta funzione level set Γ= { x,y φ x,y = 0 }La curva è rappresentata come il “livello zero” della funzione. Ilmetodo opera implicitamente sulla curva Γ attraverso lafunzione ϕ che si assume abbia valore positivo nella regionedelimitata dalla curva e nagativo al di fuori di essaSe la curva si espande in direzione normale con una velocità v,allora la funzione deve soddisfare la seguente espressione ∂φ =v φ ∂tdove | | è la norma euleriana e t rappresenta il tempo. Si trattadi una equazione alle derivate parziali che può essere risoltacon differenze finite su una griglia cartesiana 28
  29. 29. WRF-fire simulation 29
  30. 30. La ricerca al CRS4Ci siamo concentrati su una applicazione che sia un validostrumento 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, più velocemente 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 30
  31. 31. Uno schema di applicazione Fuel Point and type direction Time steps Fire front Fuelmoisture Fire spread Fire Fire GIS library velocity simulator Wind Fire front Slope Google earth 31
  32. 32. Fire spread velocity Fuel Position Direction type Fuelmoisture Fire spread Fire GIS library velocity Wind Data on the point Slope 32
  33. 33. Fire simulator scheme Fire front file For each point Calculate positionsteps++ Fire spread Calculate normal velocity routines Get velocity Update position steps > NS Calculate fire front Fire front file 33
  34. 34. 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 34
  35. 35. Un esempio di applicazioneVento medio diponente(ipotesi di unarotazionelocale delmaestralecausaorografia)Fronte ogni 30su 6.5h disimulazione 35
  36. 36. Un esempio di applicazioneVento medio dilibeccio (inaccordo condati rilevati sulposto)Fronte ogni 30su 6.5h disimulazione 36
  37. 37. Un esempio di applicazioneVento medio dilibeccioMascheramentocombustibile(confine sud-est) simulantelintervento deiforestaliFronte ogni 30su 6.5h disimulazione 37
  38. 38. Un esempio di applicazione 38
  39. 39. Grazie per lattenzione luca.massidda@crs4.it 39

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