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

Выбросы ЗВ от лесных пожаров => Методика определения и расчета выбросов загрязняющих веществ от лесных пожаров. Сведения о документе. 4 введен впервые....

 
Пожарная безопасность - главная
Написать нам
ГОСТы, документы

 

Пожарная безопасность ->  Методики ->  Выбросы ЗВ от лесных пожаров -> 
1
2
3
4
5
текст целиком
 

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

 

Теплота сгорания ЛГМ

 

 

 

Прогрев ЛГМ

 

 

 

 

Сгорание продуктов пиролиза

 

Пиролиз ЛГМ

 

Сушка ЛГМ

 

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 Мa 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:

[Ka] = кг/кг, a = 1, 2, ..., N, (3.2)

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

ma - 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 Кa вместо (3.2) удобнее определять и опытным путем.

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

(3.3)

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

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

mг = m0 - mн. (3.4)

где mг 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:

ma = Кa (m0 - mн). (3.5)

Величина ma измеряется в кг/м2.

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

Qп = q (m0 - mн) (3.6)

Величина Qп измеряется в Дж/м2.

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

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

3.19. Мн - масса несгоревшего в результате пожара ЛГМ на площади Si, кг;

3.20. Mг - масса сгоревшего в результате пожара ЛГМ на площади Si, 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. Vе - скорость ветра, м/с;

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

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

3.30 wС - 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. Мa* - полное значение выбросов поллютантов к моменту времени t*, кг;

3.34. Q* - полное значение выбросов тепла к моменту времени t*, Дж;

3.35. Sг - 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 Кн, который может быть определен в результате осмотра последствий лесного пожара.

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

Mai = Si Ki Kai m30i, Qпi = qi ki m30i, i = 1, 2, 3. (4.1)

Si - площадь лесной территории, пройденная огнем.

Qпi - теплота, выделившаяся при пожаре в Дж.

qi - 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 Кa поллютантов, которые зависят от типа растительности и условий горения. В таблице 4.1 приведены Кa.

 

Таблица 4.1

 

Осредненные значения коэффициентов эмиссии Кa

 

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

Мa(0) = Мa0, Q(0) = Q0, j|t=0 = jо(х, у). (А.4)

Здесь (А.1)-(А.3) интегро-дифференциальные уравнения для определения Q(t), Ma(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 Кн = 0, в то время как при определенном (предельном) влагосодержании W =W*, процесс горения прекращается, т.е. К = 0, а Кн = 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 Кa 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 wni - 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 wn 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 wn 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 wn0 - скорость распространения низового пожара на горизонтальной подстилающей поверхности;

Ve - скорость ветра на стандартной высоте;

m3 - запас лесных горючих материалов на подстилающей поверхности соответствующий скорости распространения w = wn0 (см. таблицу А.2);

Gг = 0.3;

r0 - плотность слоя на горизонтальной поверхности, соответствующая скорости распространения w = wn0 (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, wn0, a, b - эмпирические постоянные;

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

Скорость ветра в лесу Ve 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 Vem 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.

 

1
2
3
4
5
текст целиком

 

Краткое содержание:

Методика определения и расчета выбросов загрязняющих веществ от лесных пожаров

Сведения о документе

4 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ

Область применения

1 Нормативные ссылки

2 Общие положения

3 Определения, обозначения и сокращения

Схема физико-химических процессов в приземном слое атмосферы

над зоной лесного пожара

Схема физико-химических процессов во фронте лесного пожара

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

Таблица 4.1

Осредненные значения коэффициентов эмиссии Кa

Приложение А

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

Таблица А.2

Данные для определения скорости распространения фронта лесного пожара

Таблица А.2

Данные для определения скорости распространения фронта лесного пожара

Приложение Б

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

Приложение В

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

Приложение Г

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

Таблица Г.1

Значения коэффициентов эмиссии для различных типов лесных пожаров

Карточка учета лесного пожара №

СОДЕРЖАНИЕ

Рейтинг@Mail.ru