Выбросы ЗВ от лесных пожаров. Методика определения и расчета выбросов загрязняющих веществ от лесных пожаров. 1997

Государственный комитет Российской Федерации по охране окружающей среды

 

 

Методика определения и расчета выбросов загрязняющих веществ от лесных пожаров

 

 

Сведения о документе

 

1 РАЗРАБОТАН Государственным научно-внедренческим предприятием "Огонь и экология" при Томском государственном университете

Разработчики: профессор, доктор ф.-м.н. А.М. Гришин, ст. н. с. А.А. Долгов, ст. н. с. А.Ф. Цимбалюк. Редактор: М. Ю. Булынко

 

2 ВНЕСЕН Управлением государственного экологического контроля Госкомэкологии России.

 

3. ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ приказом Госкомэкологии России № 90 от 5 марта 1997 г.

 

4 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ

 

 

Область применения

 

Настоящая методика устанавливает общие требования к расчету выбросов загрязняющих газообразных и дисперсных веществ в атмосферу при неконтролируемом горении лесных горючих материалов на лесных пожарах различных типов (низовых, верховых и торфяных).

Настоящая методика может использоваться для определения экологического ущерба в результате неконтролируемого горения лесных горючих материалов в открытом пространстве на различных типах подстилающей поверхности.

 

1 Нормативные ссылки

 

В настоящем документе использованы ссылки на следующие официальные издания:

ГОСТ 8.310-78 ГСИ Государственная служба стандартных справочных данных. Основные положения.

ГОСТ 8.417-81 ГСИ Единицы физических величин.

ГОСТ 17.6.1.01-83 Охрана природы. Охрана и защита лесов. Термины и определения. М.: Изд-во Стандартов, 1984.

ГОСТ 2.321-84 ЕСКД Обозначения буквенные.

 

2 Общие положения

 

2.1 Цель методики - расчет итоговых и текущих значений масс выбросов загрязняющих веществ и тепла в атмосферу при неконтролируемом горении лесных горючих материалов в открытом пространстве.

2.2 При ее создании использовались численные значения коэффициентов генерации поллютантов, полученных различными авторами на основе лабораторных экспериментов и анализа последствий реальных пожаров. В тех случаях, если экспериментальные данные отсутствовали, использовались экспертные оценки.

2.3 Горение представляет собой быстро протекающее химическое превращение, сопровождающееся выделением теплоты, света и вредных веществ в атмосферу. Различают организованное (контролируемое) горение в топках паровых котлов и различных двигателях и неконтролируемое горение. При организованном горении соединяется расчетное количество горючего и кислорода. Неконтролируемое горение имеет место при пожарах в открытом пространстве, возникающих в лесах в результате воздействия сухих гроз и неосторожного обращения человеком с огнем (брошенные окурки, непогашенные костры и т. п.) Оно представляет собой сложный физико-химический процесс, на скорость которого влияет не только химическая реакция, но и неконтролируемый приток окислителя из окружающей среды. В результате неконтролируемого горения лесных горючих материалов возникает конвективная колонка - струя нагретых продуктов полного и неполного сгорания топлива, которые выбрасываются благодаря этой колонке в приземный слой атмосферы. Высота конвективной колонки тем больше, чем большее количество тепла выделяется при горении, т.к. основная движущая сила продуктов сгорания - сила Архимеда.

2.4 Исходными данными для методики называют описание предварительного обследования зоны лесного пожара, которое включает:

1) карту-схему района пожара;

2) краткое природно-климатическое описание района, в котором расположен очаг пожара:

3) метеорологические характеристики окружающей среды (температура, скорость ветра, наличие осадков). 

4) запас лесных горючих материалов (ЛГМ);

5) экологическое состояние окружающей среды (фоновые концентрации загрязняющих веществ).

2.5 При расчете выбросов загрязняющих веществ в атмосферу необходимо использовать следующий общий алгоритм:

а) обследование зоны лесного пожара и получение исходных данных (экологического паспорта лесной территории в зоне пожара), в том числе, оценка первоначальной массы М₀ лесных горючих материалов соответствующей площади лесной территории, пройденной огнем;

б) заполнение карточки учета лесного пожара;

в) выбор математической модели для расчета выбросов загрязняющих веществ в атмосферу;

г) численное решение задачи об определении итоговых выбросов загрязняющих веществ;

д) численное решение задачи об определении текущих выбросов загрязняющих веществ, если это необходимо;

е) оценка экологического ущерба от выбросов загрязняющих веществ.

 

3 Определения, обозначения и сокращения

 

В настоящей методике используются следующие термины с соответствующими определениями и обозначениями:

3.1. Лесными горючими материалами (ЛГМ) называются природные углеводородные топлива, к которым относятся тонкие веточки, хвоинки или листья в кронах деревьев и опавшие на землю, а также напочвенный покров (трава, кустарники, мох, лишайник), болотные растения и торф.

3.2. Лесным пожаром называется явление неуправляемого многостадийного горения в открытом пространстве на покрытой лесом площади, в рамках которого имеют место взаимосвязанные процессы конвективного и радиационного переноса энергии, нагревания, сушки и пиролиза лесных горючих материалов (ЛГМ), а также горение газообразных и догорание конденсированных продуктов пиролиза ЛГМ.

3.3. В любой момент времени можно выделить на территории, покрытой лесом, достаточно большой контрольный объем среды - зону пожара, внутри которой параметры состояния среды в результате физико-химических превращений, обусловленных лесным пожаром, отличаются от невозмущенных значений, определяемых погодными условиями и типом растительности. Схема зоны лесного пожара представлена на рис. 3.1, 3.2.

 

 

Рис. 3.1. Схема зоны лесного пожара (вид сверху).

 

 

Рис. 3.2. Схема зоны лесного пожара (вид в вертикальной плоскости).

 

Схема физико-химических процессов в зоне лесного пожара представлена на рис. 3.3 Химический состав газообразных и дисперсных продуктов горения ЛГМ дается в таблице 4.1.

 

Схема физико-химических процессов в приземном слое атмосферы

над зоной лесного пожара

 

Конденсация Н2О			Коагуляция частиц
		Всплытие продуктов горения
	Нагретые газообразные и дисперсные продукты
Выпадение осадков			Сегментация частиц

 

Схема физико-химических процессов во фронте лесного пожара

 

 

Рис. 3.3. Схема физико-химических процессов в зоне лесного пожара

 

3.4. Наиболее сильное изменение параметров состояния среды происходит в некоторой части зоны лесного пожара называемой фронтом пожара, который распространяется с некоторой скоростью по территории покрытой лесом. Эта скорость определяется процессами переноса массы и энергии, а также физико-химическими процессами - сушкой, пиролизом ЛГМ, горением газообразных и конденсированных продуктов пиролиза ЛГМ. Визуально фронт лесного пожара наблюдается в виде светящейся зоны лесного пожара.

3.5. Поверхность 1, отделяющая фронт от несгоревших ЛГМ, называется внешней кромкой фронта лесного пожара. Ее проекцию на подстилающую поверхность будем называть контуром лесного пожара. Очевидно, что последний отделяет ЛГМ, пораженные огнем, от несгоревших материалов. Внешняя кромка, распространяющаяся по ветру, называется передней, а против ветра - задней кромкой. На схеме зоны лесного пожара (рис. 3.1 и 3.2) Г - граница зоны лесного пожара, 1 - контур лесного пожара (рис. 3.1) и внешняя кромка фронта лесного пожара (рис. 3.2), 2 - внутренняя кромка фронта пожара (рис. 3.2) и проекция этой кромки на горизонтальную подстилающую поверхность (рис. 3.1); горизонтальные стрелки на рис. 3.2 обозначают скорость (по величине и направлению) невозмущенного ветра для различных высот, а вертикальные w скорость вдува газообразных и дисперсных горючих продуктов горения из фронта пожара в приземный слой атмосферы.

3.6. Скорость распространения лесного пожара направлена по нормали к контуру лесного пожара, поэтому называется нормальной скоростью распространения и определяется формулой:

(3.1)

где приращение контура пожара по нормали за промежуток времени Dt.

3.7. Поверхность 2 (см. рис. 3.1, 3.2) отделяющая фронт пожара от сгоревших ЛГМ, называется внутренней кромкой лесного пожара. Она может продвигаться как по ветру, так и против ветра и, следовательно, с меньшей скоростью, чем передняя внешняя кромка, которая распространяется в направлении ветра. В результате толщина (ширина) фронта для различных пожаров может меняться в зависимости от времени, скорости ветра и запаса ЛГМ, который мало отличается от невозмущенных значений.

3.8. В зоне лесного пожара имеет место пористо-дисперсная среда, которая называется средой пожара и состоит из сухого органического вещества (объемная доля j₁), воды в связанном с этим веществом состоянии (j₂), конденсированного продукта пиролиза - коксика (j₃), конденсированного продукта горения - золы (j₄), газовой фазы (j₅), включающей в себя компоненты воздуха, и газообразных продуктов пиролиза (j₅), и дисперсных продуктов горения, которые состоят из частиц сажи (объемная доля j₆), и частиц золы (j₇).

3.9. Границей зоны лесного пожара Г называется поверхность, на которой параметры состояния среды (температура, скорость ветра, концентрации компонентов) не отличаются от параметров состояния невозмущенной среды. Очевидно, параметры состояния среды в зоне пожара асимптотически стремятся к невозмущенным значениям. Поэтому для конкретного определения границы зоны пожара необходимо априори определять степень допустимых отличий Е невозмущенных и возмущенных значений параметров состояния на границе зоны пожара Г.

3.10. Выбросом загрязняющий веществ в атмосферу называется поступление за определенное время в воздух или образование в нем физико-химических агентов и веществ, неблагоприятно воздействующих на людей и окружающую среду. Выброс любого вредного вещества a обозначается М_a и измеряется в единицах массы (г, кг, моль). Различают итоговый и текущий выбросы загрязняющих веществ. Итоговым выбросом называется выброс загрязняющих веществ за все время горения. Текущим называется выброс соответствующий рассматриваемому моменту времени, которое меньше чем полное время горения. Поэтому текущий выброс всегда меньше итогового.

3.11. Удельным выбросом (коэффициентом эмиссии) a - вещества при пожаре называется отношение:

[K_a] = кг/кг, a = 1, 2, ..., N, (3.2)

где m_г - масса ЛГМ на единице площади лесной территории, сгоревшая при лесном пожаре;

m_a - масса a-компонента, образованного при горении ЛГМ на той же единице площади лесной территории;

индекс a изменяется от 1 до N, где N - общее число поллютантов (вредных веществ), возникающих при лесном пожаре.

Если известна химическая формула ЛГМ, то при организованном горении можно определить коэффициенты эмиссии с помощью стехиометрии - науки о количественных соотношениях, в которых различные вещества вступают друг с другом в химическую реакцию. Для неконтролируемого горения К_a вместо (3.2) удобнее определять и опытным путем.

3.12. Недожогом ЛГМ называется масса несгоревшего в условиях неконтролируемого горения топлива m_н на единицу площади. Наряду с m_н используется коэффициент недожога, определяемый по формуле

(3.3)

3.13. m₀ - запас ЛГМ в абсолютно сухом состоянии, кг/м².

3.14. Количество сгоревшего ЛГМ m_г можно определить, используя закон сохранения массы

m_г = m₀ - m_н. (3.4)

где m_г измеряется в кг/м².

3.15. Поллютант - вещество, загрязняющее среду обитания. Русский синоним этого слова - загрязнитель. Масса выброса поллютанта a-сорта, возникающего при горении единицы площади растительного покрова ЛГМ, на основании (3.3) и (3.4) определяется по формуле:

m_a = К_a (m₀ - m_н). (3.5)

Величина m_a измеряется в кг/м².

3.16. Выбросом тепла в атмосферу называется количество теплоты Q_п, выделяющееся при горении массы m_г ЛГМ. Выброс тепла в атмосферу определяется по формуле

Q_п = q (m₀ - m_н) (3.6)

Величина Q_п измеряется в Дж/м².

3.17. q - тепловой эффект горения ЛГМ, Дж/кг;

3.18. S_i - площадь лесной территории, пройденная огнем, м²;

3.19. М_н - масса несгоревшего в результате пожара ЛГМ на площади S_i, кг;

3.20. M_г - масса сгоревшего в результате пожара ЛГМ на площади S_i, кг;

3.21. К - коэффициент полноты сгорания, определяющий какая часть исходной массы топлива сгорела при пожаре:

(3.7)

3.22. W - влагосодержание ЛГМ, в процентах;

3.23. W_* - предельное значение влагосодержания, выше которого ЛГМ не горит, в процентах;

3.24. х, у - координаты контура пожара;

3.25. a, b - большая и малая полуоси эллипса, соответствующего контуру пожара;

3.26. х₀, у₀ - координаты центра эллипса;

3.27. V_е - скорость ветра, м/с;

3.28. w_А - скорость распространения фронта пожара по направлению ветра, м/с;

3.29. w_В - скорость распространения фронта пожара против скорости ветра, м/с;

3.30 w_С - скорость распространения фронта пожара перпендикулярно скорости ветра, м/с;

3.31. t - текущее время горения, с;

3.32. t_* - полное время горения ЛГМ, с;

3.33. М_a* - полное значение выбросов поллютантов к моменту времени t_*, кг;

3.34. Q_* - полное значение выбросов тепла к моменту времени t_*, Дж;

3.35. S_г - открытая площадь горения торфяной залежи, через которую происходит выброс поллютантов в атмосферу, м².

 

4 Описание методики расчета итоговых выбросов вредных веществ и тепла при распространении лесных пожаров

 

Работниками региональных авиационных баз охраны и защиты лесов и региональных управлений лесами Федеральной лесной службы России после каждого лесного пожара заполняется карточка учета лесного пожара (см. Приложение Г). В ней указывается тип лесного пожара (низовой, верховой или подземный), выгоревшая площадь и ряд других данных, которые носят служебный характер.

Величина К, как следует из второй формулы (3.7), выражается через коэффициент недожога К_н, который может быть определен в результате осмотра последствий лесного пожара.

Имея карточку лесного пожара и зная К_a и К итоговый выброс массы a-компонента и тепла Q_п для любого типа лесного пожара следует определясь по формуле:

M_ai = S_i K_i K_ai m_30i, Q_пi = q_i k_i m_30i, i = 1, 2, 3. (4.1)

S_i - площадь лесной территории, пройденная огнем.

Q_пi - теплота, выделившаяся при пожаре в Дж.

q_i - тепловой эффект горения ЛГМ в Дж/кг,

индекс i, равный

1 - соответствует параметрам низового лесного пожара;

2 - верховому лесному пожару;

3 - пожару на торфяниках.

Остальные буквенные обозначения имеют тот же смысл, что и в предыдущих формулах.

Количество поллютантов определяется не только скоростью горения и размерами очага горения, но и коэффициентами эмиссии К_a поллютантов, которые зависят от типа растительности и условий горения. В таблице 4.1 приведены К_a.

 

Таблица 4.1

 

Осредненные значения коэффициентов эмиссии К_a

 

Наименование поллютанта	Значение Кa, кг/кг
Оксид углерода (окись углерода)	0.135
Углекислый газ	0.094
Оксид азота	0.000405
Сажа (элементарный углерод) при горении	0.0014
Дым (режим горения)	0.014
Дым (режим тления)	0.055
Сажа при тлении	0.011
Метан	0.075
Другие углеводороды	0.011
Озон	0.001

 

 

Приложение А

(обязательное)

 

Математическая модель и алгоритм расчета текущих выбросов поллютантов в атмосферу для низовых лесных пожаров

 

Довольно часто встречается ситуация, когда пожары продолжаются несколько недель и даже несколько месяцев. В результате возникает задымленность лесных территорий, по причине которой прекращаются авиарейсы на местных авиалиниях и плавание судов по рекам. Поэтому представляет интерес прогноз выбросов поллютантов и тепла для любых моментов времени.

На основании законов сохранения массы и энергии загрязняющих компонентов для определения массы выбросов, теплоты и контура лесного пожара необходимо решать уравнения

(А.1)

(А.2)

(А.3)

с соответствующими начальными условиями

М_a(0) = М_a0, Q(0) = Q₀, j|_t=0 = j_о(х, у). (А.4)

Здесь (А.1)-(А.3) интегро-дифференциальные уравнения для определения Q(t), M_a(t) и контура лесного пожара j = j₀(х, у, t). Решение данной системы интегро-дифференциальных уравнений представляет значительные математические трудности.

В данном приложении дается упрощенная полуэмпирическая математическая модель и методика расчета выбросов от низовых лесных пожаров.

Считается, что очаг лесного пожара представляет собой плоский источник поллютантов, который увеличивается с ростом времени. Примем, что контур лесного пожара в любой момент времени в неподвижной системе координат описывается эллипсом (рис. А.1):

(А.5)

Периметр и площадь этого эллипса определяется по формулам:

(А.6)

(А.7)

Известно, что сухое ЛГМ сгорает почти полностью, т.е. К = 1, а К_н = 0, в то время как при определенном (предельном) влагосодержании W =W_*, процесс горения прекращается, т.е. К = 0, а К_н = 1. Исходя из этих физических соображений, будем считать, что

(А.8)

где W - влагосодержание ЛГМ.

Для низовых лесных пожаров, величина W_* = 0.13, а К ~ 0.5.

Если предположить, что запас m₃ не меняется по периметру контура лесного пожара, а К_a и скорость распространения не зависят от времени, то, разбивая контур на N равных частей и подставляя в (3.7) формулы (А.5) и (А.7), получаем после интегрирования следующие выражения для массы a - загрязняющего компонента:

(А.9)

Здесь w_ni - значения скорости распространения лесного пожара, соответствующее i-ой части периметра эллипса (см. рис. А.1)

 

 

Рис. А.1. Схема разбиения периметра лесного пожара на элементарные части и направление нормальной скорости распространения

 

При выводе (А.9) было учтено, что процесс распространения лесного пожара симметричен относительно оси х.

В общем случае, когда m₃ и w_n несимметричны относительно оси х, необходимо использовать формулу:

(А.10)

где N - число точек по всему периметру контура лесного пожара.

Легко видеть, что выброс загрязняющего компонента в атмосферу растет с ростом времени и скорости распространения по квадратичному закону, а с ростом коэффициентов эмиссии - по линейному закону. Для определения w_n в различных точках контура низового лесного пожара удобно использовать формулу, которая с учетом принятых выше обозначений имеет вид:

(А.11)

(А.12)

(А.13)

(А.14)

где w_n0 - скорость распространения низового пожара на горизонтальной подстилающей поверхности;

V_e - скорость ветра на стандартной высоте;

m₃ - запас лесных горючих материалов на подстилающей поверхности соответствующий скорости распространения w = w_n0 (см. таблицу А.2);

G_г = 0.3;

r₀ - плотность слоя на горизонтальной поверхности, соответствующая скорости распространения w = w_n0 (см таблицу А.2);

n = (0.2 - 0.35) - эмпирический коэффициент;

n' - пульсация скорости ветра (n' ~ 1 м/с):

b - угол наклона к горизонту рельефа местности;

a - угол между направлением скорости распространения фронта пожара и скоростью ветра;

С, D, w_n0, a, b - эмпирические постоянные;

Т₀, W₀ - стандартные начальные температуры горизонтального слоя ЛГМ и влагосодержание соответственно.

Скорость ветра в лесу V_e определяется по формуле:

(А.15)

где h₁ - высота слоя проводников горения;

- высота верхней границы полога леса;

L - эмпирический множитель, который при сомкнутости полога 0; 0.2; 0.4; 0.6; 0.8; 1 принимает значения 0.77; 0.62; 0.47; 0.32: 0.165; 0.09 соответственно.

При отсутствии полога леса вместо и скорости ветра V_em по измерениям на метеостанции для высоты 10 м надо брать = 2 м и скорость ветра по измерениям на высоте 2 м.

Числовые данные для конкретных типов подстилающей поверхности приведены в таблице А.2.

 

Таблица А.2

 

Данные для определения скорости распространения фронта лесного пожара

 

Проводники горения	wn0 м мин	0<Ve<V1		V1<Ve<V2				Ve>V2
		a£	a³	a£arccos				a£arccos
		В1(0) с/м	В1(p) с/м	V1 м/с	B2 с/м	В3 с/м	В4 с/м	V2 м/с	a	b
низовые пожары
Отмершая трава (весна)	0.7	0.52	0.25	1.6	0.63	0.25	0.25	4	0.15	2.5
Вейник:
лето	0.5	0.26	0.13	3.0	0.37	0.12	0.12	8.5	0.15	2.5
осень	0.4	0.90	0.40	1.6	1.10	0.40	0.40
Лишайник Cladonia	0.22	2.40	0.80	1.8	1.20	0.80	0.80	4	0.15	2.5
Мхи:
мох Шребера	0.24	2.00	0.75	1.5	1.55	0.75	0.75	4	-	-
сфагнум	0.24	2.00	0.75	1.5	1.55	0.75	0.75
Опад листвы:
береза	0.18	2.30	1.00	1.7	2.00	1.00	1.00	4	-	-
осина	0.24	1.80	0.75	1.7	1.45	0.75	0.75
Опад хвои (сосна обыкновенная)	0.11	3.00	1.70	1.7	3.50	1.70	1.70	4	-	-
верховые пожары
Хвоя (листья) и тонкие веточки в кронах деревьев (кустарника)	1.35	-	-	-	-	-	-	4	1.00	2.5

 

Таблица А.2

(Продолжение)

 

Данные для определения скорости распространения фронта лесного пожара

 

Проводники горения				r0 кг/м3	G	0£W£W*
	m3 кг/м2	n	кг/м2			W0	C	W*	D×103 K-1
низовые пожары
Отмершая трава (весна)	0.30	0.34	0.15	1-5	0.3	0.13	13	0.18	0.3
Вейник:
лето	0.30	0.20	-	1-5	0.3	0.18	-	-	-
осень	0.50	-	0.10	1		0.13	12.9	0.25	6.3
Лишайник Cladonia	0.10	-	-	4		0.10	7.7	0.2	3.7
Мхи:
мох Шребера	0.25	-	-	12		0.06	29	0.08	14
сфагнум	0.20	-	-	-		-	-	-
Опад листвы:
береза	0.30	0.32	0.20	11	-	0.11	8.8	0.18	4.3
осина	0.30	-	0.20	9	-	0.11	10	0.17	4.8
Опад хвои (сосна обыкновенная)	0.30	0.30	0.10	30	0.33	0.09	7.2	0.13	3.5
верховые пожары
Хвоя (листья) и тонкие веточки в кронах деревьев (кустарника)	-	-	-	-	-	-	-	-	-

 

Примечание. W_* - критическое влагосодержание (при W>W_* горение прекращается); = B₁(p) » B₃, n' - среднее значение пульсаций скорости, равное 1 м/с (по данным киносъемки: Т₀ = 293 - 298 К).

 

Надо сказать, что, если известна выгоревшая площадь А, то, используя (А.7), легко определить время горения:

(А.16)

 

 

Приложение Б

(обязательное)

 

Математическая модель и алгоритм расчета текущих выбросов поллютантов в атмосферу при верховых лесных пожарах

 

Для повальных верховых лесных пожаров справедлива та же общая математическая модель (А.1)-(А.3) для определения выбросов загрязняющих веществ и теплоты, что и в приложении А, если под контуром S понимается контур верхового лесного пожара.

Повальный верховой пожар возникает, если выполняется следующее условие:

h₂ < h_n = , u_¥ > 2.0 м/с, (Б.1)

где h₂ - высота нижней границы полога леса;

k = 1.6 эмпирический коэффициент;

u_¥ - скорость ветра в кронах деревьев.

Скорость распространения верхового лесного пожара в том случае, если направление распространения совпадает с направлением ветра определяется формулой:

(Б.2)

(Б.3)

где a_c - коксовое число;

M₁, M_c - молекулярная и атомная массы кислорода и углерода;

q₅ - теплота сгорания газообразных продуктов пиролиза;

n_г - массовая доля газообразных горючих продуктов пиролиза;

q₂ - теплота испарения связанной воды;

k = 1.6 - эмпирическая постоянная;

q₃ - теплота сгорания коксика;

r₁, r₂, r₃ и r₅ - плотности сухого органического вещества, связанной с ним воды, коксика и воздуха;

a - коэффициент теплообмена полога леса с приземным слоем атмосферы;

l_т - коэффициент турбулентной теплопроводности;

Т₀ - максимальная температура во фронте верхового лесного пожара;

индекс ¥ приписывается величинам для нормальной среды в дали от фронта;

н - начальным значениям параметров состояния в зоне лесного пожара.

Применение формулы (Б.2) возможно только при W < W_*, где W_* - предельное среднее влагосодержание в кронах. При W > W_* верховой пожар не распространяется.

Формулы (Б.2), (Б.3) получены в результате аналитических и численных исследований. При 2 м/с < u_* < 4 м/с, n_г = 0.7, a_с=0.06, 0%<W<90% (W_*=90% - предельное влагосодержание ЛГМ в кронах), 0.15 кг/м³ < rj < 0.3 кг/м³ выражение (Б.3) аппроксимирует результаты численных расчетов с погрешностью, не превышающей 10%.

Для определения контура повального верхового лесного пожара можно использовать ту же формулу (А.5), что и для низовых лесных пожаров с полуосями а_в, b_в и координатой x₀.

(Б.4)

Здесь ось х - направлена в сторону ветра. - скорость верхового лесного пожара, определяемая по формуле (Б.2), - скорость низового лесного пожара, распространяющегося перпендикулярно скорости ветра и определяемая по формуле (А. 12), - скорость низового лесного пожара, который распространяется против скорости ветра (см (1.13)).

Для повального верхового пожара при определении Мa можно использовать ту же методику, что и для низового лесного пожара. Очевидно, что в этом случае сгорает не только напочвенный покров, но и масса ЛГМ в кронах деревьев. Поэтому для определения выбросов при верховых лесных пожарах необходимо использовать формулу:

(Б.5)

В отличие от низового лесного пожара, верховой не распространяется против ветра. Поэтому в формуле (Б.5) суммирование по j ограничивается N_* < N, где N - полное число разбиений для всего эллипса, моделирующего контур низового лесного пожара. Известно, что верховой лесной пожар возникает и распространяется лишь в том случае, когда равновесная скорость ветра в пологе леса в одномерном случае удовлетворяет условию:

u_a > u_a* = 2 м/с. (Б.6)

В двумерном случае это условие принимает вид:

u_na (a_j) > u_a*. (Б.7)

Из условия равенства

u_na (a_j) = u_a* (Б.8)

легко находим предельный угол a_j*, при котором еще имеет место распространения верхового лесного пожара. Этому углу и соответствует значение N_*.

Общее количество поллютантов, выделяющихся при распространении повального верхового лесного пожара равно:

M_a = M_aв + M_aн, (Б.9)

где M_aн - определяется по формуле (А.9), а M_aв - по (Б.5).

Легко видеть, что при повальном лесном пожаре M_a ~ t, как и в случае низового лесного пожара. Площадь повального верхового лесного пожара определяется по формуле:

(Б.10)

Если известна площадь верхового лесного пожара S_в, то время горения легко определить по формуле:

(Б.11)

 

 

Приложение В

(обязательное)

 

Физико-математическая модель и методика расчета текущих выбросов вредных веществ в атмосферу при горении торфяников

 

К отдельному типу лесных пожаров относятся почвенные и торфяные пожары, которые возникают под влиянием заглубления горения ЛГМ при низовых лесных пожарах. Под влиянием нагрева от фронта низового лесного пожара и притока окислителя из окружающей среды высушивается, гидролизуется, а затем загорается подстилка - слой полуразложившихся листвы, хвои, травы и тонких веточек. Плотность подстилки в абсолютно сухом состоянии изменяется в пределах от 30 до 300 кг/м³, что выше, чем плотность опада. Влагосодержание подстилки тоже выше, чем у напочвенного покрова и по данным /15/ изменяется, как правило, в пределах от 470% до 560%. Поэтому подстилка высыхает значительно медленнее, чем напочвенный покров, и лишь в очень сухую погоду достигает минимального значения - 14%. Если под подстилкой расположен слой продуктов неполного разложения растительных материалов, называемых торфом, то процесс заглубления горения может продолжаться и может возникнуть торфяной пожар.

По условиям образования различают низинный, переходный и верховой торфы. Низинный торф залегает на глубине 1,6-3,5 м и имеет степень разложения 26-31%, зольность 6-12% и влажность в естественном состоянии 86-92%, а верховой - глубину залегания 1,6-4,4 м, степень разложения 18-46%, зольность 2,7-4% и влажность 89-93%. Под степенью разложения понимают отношение массы гумуса (разложившейся части органики) ко всей массе торфа. Низинный торф образуется на болотах в результате грунтового питания болот водой, а верховой - при поступлении воды из атмосферы. Влагосодержание торфов существенно больше влагосодержания подстилки и составляет от 2500 до 3070%. С увеличением степени разложения его влагосодержание уменьшается. Как и у лесных горючих материалов, основными горючими элементами у торфов являются углерод (52-56% от общей массы) и водород (5-6% от общей массы), кроме того, в составе торфа имеется от 30% до 40% атомов кислорода, связанного в молекулах химических веществ, из которых состоит торф. Среднее значение величины теплотворной способности торфа равно 5500 ккал/кг.

При нагревании торф высушивается, затем происходит его пиролиз с образованием газообразных горючих компонентов и кокса и, если в зоне нагрева имеется окислитель, то происходит воспламенение и последующее горение торфа. Из наблюдений следует, что горение торфа в естественных условиях после его заглубления под слой почвы в условиях избыточного влагосодержания и недостатка кислорода происходит в режиме тления. Линейная скорость распространения фронта торфяного пожара составляет в среднем 7 мм/час. Горение носит диффузионный характер, то есть лимитируется поступлением окислителя.

Максимальная температура горения изменяется в пределах 623 K £ T₁ £ 673 К. Фронт торфяного пожара неоднороден, то есть горение носит очаговый характер. В результате горения образуются продукты полного (СО₂, H₂О и пепел), неполного окисления (СО) и пиролиза торфа - метан (CН₄), водород (Н₂), сажа, дым. Пепел имеет белый цвет, рыхлую структуру и отваливается на вертикальных участках. В процессе горения торфа, первоначально плоская, поверхность фронта горения может принимать форму параболоида вращения. В связи с тем, что горение при торфяных пожарах носит подпочвенный характер, его очень трудно обнаружить. Над поверхностью почвы при пожаре на торфянике стелется синеватый дымок (угарный газ - газообразный продукт неполного горения торфа в толстых слоях имеет синеватый цвет). В отличие от низового лесного пожара, процессы переноса массы, энергии и количества движения имеют существенно меньшую скорость, чем при низовых пожарах. В частности, течение газа на торфяных пожарах принимает характер просачивания газа через поры, называемое фильтрацией, что, в конечном счете, существенно замедляет скорость поступления окислителя к фронту торфяного пожара и предопределяет малую скорость его распространения.

Таким образом, общая схема физико-химических процессов при лесных пожарах, приведенная на рис. 3.3, сохраняет свою силу и для пожаров на торфяниках, но, в отличие от низового и верхового лесных пожаров, роль излучения при передаче тепловой энергии из зоны горения торфяного пожара мало по сравнению с передачей энергии путем теплопроводности и фильтрации продуктов горения. Другим отличием является то, что фронт горения представляет собой поверхность, положение которой в пространстве определяется расположением торфяной залежи и приходом кислорода из приземного слоя атмосферы. Поскольку горение при торфяных пожарах имеет диффузионный характер, то фронт горения можно отождествлять с поверхностью, расположенной внутри торфяной залежи, на которой температура Т = T_г, где Т_г - температура горения, а плотность диффузионного потока кислорода q₁ = q_1;, где q_1; - значение q соответствующее Т = Т_г.

Пусть поверхность горения S_г, плотность торфа в торфяной залежи r_т и скорость нормального распространения горения w_n по торфянику известны.

Тогда для массовой скорости выброса a - поллютанта и тепла в атмосферу имеем уравнение и начальные условия:

(B.1)

(В.2)

где K_a - удельный выброс a - поллютанта в атмосферу;

К - коэффициент полноты сгорания;

N - общее количество поллютантов, возникающих при торфяном пожаре.

Если считать, что поверхность горения - плоскость, перпендикулярная вектору силы тяжести, а К_a, r_т и w_n не зависят от координаты точки внутри торфяной залежи, то уравнения (B.1), (B.2) упрощаются и принимают вид:

(В.3)

(В.4)

Значение полноты сгорания К в (В.3) и (В.4) определяется по формуле (А.10), где величина предельного влагосодержания W_* = 30.

Значения удельного выброса (коэффициента генерации) К_a даются в таблице Г.1 приложения Г.

Если считать, что все величины в правых частях (В.3), (В.4) не зависят от времени, то интегрируя (В.3), (В.4) по времени с учетом начального условия, получаем значение выброса для любого a - поллютанта и тепла:

М_a = K K_a r_т w_n S_г t, (B.5)

Q = q K_a K w_n r_т S_г t. (B.6)

Выражение для скорости горения w_n имеет вид:

w_n = w₀ (1 - W/W_*). (B.7)

Здесь w₀ = 0.002 мм/с, W и W_* - влагосодержание и предельное влагосодержание торфа.

Если известна масса торфяной залежи М₀, то, пользуясь определением М_a, из (В.5), (В.6) получаем:

M = M₀ - r_т S_г w_n t. (B.8)

где М - текущая масса торфа в торфяной залежи.

Очевидно, что в момент окончания горения М=0 и из этого условия находим время горения:

t_г = М₀/r_т S_г w_n (В.9)

Подставляя (В.9) в (В.8), легко находим итоговый выброс a - поллютанта при сгорании всей торфяной залежи:

M_a(t_г) = K K_a M₀. (B.10)

Формулы (В.8) и (В.10) однозначно определяют текущий и итоговый выброс a - поллютанта.

 

 

 

Приложение Г

(обязательное)

 

Понятие о максимальной модели леса. База данных для моделей выбросов загрязняющих веществ при лесных пожарах

 

Очевидно, что величина выбросов поллютантов в атмосферу зависит от типа лесного пожара, запаса и типа лесного горючего материала и его влагосодержания, типа лесных фитоценозов, метеоусловий, рельефа местности и ряда других условий. Для оценки сверху величины выбросов поллютантов в атмосферу при возгорании лесных фитоценозов целесообразно иметь так называемую максимальную модель леса.

Под максимальной моделью леса будем понимать гипотетический лесной массив, в котором запас лесных горючих материалов для каждого из ярусов леса максимален, а их влагосодержание минимально. Очевидно, что при горении такого лесного массива температура горения и интенсивность пожара (количество тепловой энергии, выделившейся на единицу длины кромки пожара) будут максимальны, чем и объясняется название - максимальная модель леса. Как правило, при лесных пожарах сгорают тонкие (до 7 мм в диаметре) веточки, хвоинки (в хвойных лесах) и листья (в лиственных). На основании данных о запасе лесных горючих материалов для различных ярусов леса и теплотворной способности, а также вышеизложенного, в качестве максимальной модели хвойного леса предлагается следующая совокупность ярусов гипотетического леса:

1. Ярус мхов, лишайников с включениями из опавших хвоинок и тонких веточек (нулевой слой). Высота его составляет 15 см, плотность r=20 кг/м³, запас ЛГМ m₀=3,0 кг/м², теплотворная способность q= 19446 кДж/кг, влагосодержание W=8%.

2. Первый ярус леса - травы и кустарники. Высота слоя 2 м, плотность ЛГМ в этом слое r_с=0.8 кг/м³, запас ЛГМ в первом ярусе m₀=1.6 кг/м², теплотворная способность q=17808 кДж/кг, влагосодержание W=80%.

3. Второй ярус леса - подрост - представляет собой совокупность деревьев высотой до 6 м. Высота слоя h₂ = 6 м, толщина D₂ = 5 м, то есть нижняя граница полога подроста (полог подроста - совокупность крон молодых деревьев) находится в первом ярусе леса (первый и второй ярусы частично перекрываются). Плотность слоя r_с = 0.4 кг/м³, запас ЛГМ m₀ = 2 кг/м², теплотворная способность q = 21949 кДж/кг, влагосодержание W = 80%.

4. Третий ярус леса - совокупность крон деревьев. Высота верхней границы полога леса = 22 м, высота нижней - h₃ = 5 м, толщина слоя D = - h₃ = 17 м, то есть второй и третий ярусы леса частично перекрываются. Плотность слоя ЛГМ в пологе леса r_с = 0.3 кг/м³, запас ЛГМ m₃ = 5,1 кг/м², теплотворная способность q = 21949 кДж/кг, содержание воды W = 90%.

Используя лесотаксационные описания лесных массивов, информацию о вертикально-фракционной структуре леса, данные о запасе ЛГМ, можно построить максимальные модели леса для каждого региона страны.

Кроме данных о запасе лесных горючих материалов, для расчета М_a необходимо знать величины К и К_a для каждого типа лесного пожара.

Для определения М_a необходимо знать величины W_* и К_a. Эти данные приведены ранее и в таблице Г.1.

Таким образом, располагая данными о типе лесного фитоценоза, типе лесного пожара, данными о запасе ЛГМ и его влагосодержании, приведенными выше, можно оценить выбросы поллютантов в атмосферу в результате горения ЛГМ при различных лесных пожарах.

Следует отметить, что в областных управлениях лесами и на областных базах авиационной охраны лесов ведутся карточки учета лесных пожаров, образец которой представлен ниже.

Располагая информацией из этой карточки учета, а в ней даны тип пожара и размер выгоревшей площади, можно легко рассчитать итоговые выбросы загрязняющих веществ и дать оценку величины ущерба в результате попадания выбросов поллютантов в атмосферу.

 

Таблица Г.1

 

Значения коэффициентов эмиссии для различных типов лесных пожаров

 

Название поллютанта и его формула	Кa для различных лесных пожаров
	низовой	пожар на торфянике	повальный верховой
Оксид углерода СО	0.135	0.135	0.135
Диоксид углерода CO2	0.094	0.094	0.094
Оксиды азота NOx	0.000405	0.000405	0.000405
Сажа С	0.0062	0.011	0.0014
Дым (ультрадисперсные частицы SiO2)	0.0345	0.055	0.014
Метан СН4	0.075	0.075	0.075
Непредельные углеводороды	0.011	0.011	0.011
Озон	0.001	0.001	0.001

 

 

________________________ авиабаза ___________________ авиаотделение

Приложение № 5 к приказу по Центральной авиабазе от "__" _______________ 199_ г. № 59

 

Карточка учета лесного пожара №

 

Принадл. лесн. фонда ____________ Лесхоз _______________ Леснич-во _________________

Квартал (урочище) _______________ Тип леса _____________ га Район прим. сил _________

Дата обнаружения _______________ Площ. обнар. __________ Способ обнаруж. __________

Причина пожара ________________ Азимут и раст. __________ Ширина _________________

и долгота ______________________ Дата ликвидац. _________ Площ. ликвидац. ___________

лесная _________________________ га, нелесная ___________ га, в т. ч. верх. _____________

подземный _____________________ га

 

Число, месяц	Площадь в га			Характеристика	Вид пожара	Состояние или причина неосмотра	Работает		Треб. дополнительно	Налет
							людей	тех. средств
	лесная	нелесная	в том числе верховой				тип группы, количество	тип, количество		тип ВС	час, мин

 

Рис. Г.1 - Карточка учета лесного пожара

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

Область применения

Нормативные ссылки

Общие положения

Определения, обозначения и сокращения

Описание методики расчета итоговых выбросов вредных веществ при лесных пожарах

Приложение А (обязательное). Математическая модель и алгоритм расчета текущих выбросов поллютантов в атмосферу для низовых лесных пожаров

Приложение Б (обязательное). Математическая модель и алгоритм расчета текущих выбросов поллютантов в атмосферу при верховых лесных пожарах

Приложение В (обязательное). Физико-математическая модель и методика расчета текущих выбросов в атмосферу при горении торфяников

Приложение Г (обязательное). Понятие о максимальной модели леса. База данных для моделей выбросов загрязняющих веществ при лесных пожарах