Выбросы ЗВ от лесных пожаров 
Приложение б. Математическая модель и алгоритм расчета текущих выбросов... Выбросы ЗВ от лесных пожаров 
Приложение б. Математическая модель и алгоритм расчета текущих выбросов...

Выбросы ЗВ от лесных пожаров => Приложение б. Математическая модель и алгоритм расчета текущих выбросов поллютантов в атмосферу при верховых лесных...

 
Пожарная безопасность - главная
Написать нам
ГОСТы, документы

 

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

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 < hn = , 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 ac - коксовое число;

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

q5 - теплота сгорания газообразных продуктов пиролиза;

nг - 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;

lт - 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, nг = 0.7, aс=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 ав, bв 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:

ua > ua* = 2 м/с. (Б.6)

В двумерном случае это условие принимает вид:

una (aj) > ua*. (Б.7)

Из условия равенства

una (aj) = ua* (Б.8)

легко находим предельный угол aj*, 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:

Ma = Maв + Maн, (Б.9)

где Maн - определяется по формуле (А.9), а Maв - по (Б.5).

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

(Б.10)

Если известна площадь верхового лесного пожара Sв, 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 = Tг, где Тг - температура горения, а плотность диффузионного потока кислорода q1 = q1;, где q1; - значение q соответствующее Т = Тг.

Пусть поверхность горения Sг, плотность торфа в торфяной залежи rт и скорость нормального распространения горения wn по торфянику известны.

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

(B.1)

(В.2)

где Ka - 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 Кa, rт и wn 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) Кa 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:

Мa = K Ka rт wn Sг t, (B.5)

Q = q Ka K wn rт Sг t. (B.6)

Выражение для скорости горения wn имеет вид:

wn = 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 Мa, из (В.5), (В.6) получаем:

M = M0 - rт Sг wn 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:

tг = М0/rт Sг wn (В.9)

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

Ma(tг) = K Ka 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 rс=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 rс = 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 rс = 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 Мa необходимо знать величины К и Кa для каждого типа лесного пожара.

Для определения Мa необходимо знать величины W* и Кa. 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

 

 

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