(обязательное)
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:
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.
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:
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:
Если известна площадь верхового лесного пожара Sв, то время горения легко определить по формуле:
(обязательное)
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:
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:
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.
(обязательное)
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.
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 |
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
Краткое содержание:
Методика определения и расчета выбросов загрязняющих веществ от лесных пожаров
3 Определения, обозначения и сокращения
Схема физико-химических процессов в приземном слое атмосферы
Схема физико-химических процессов во фронте лесного пожара