Определение дымообразующей способности некоторых групп лесных горючих материалов для решения задач лесопожарного моделирования

 

Брюханов А.В. , Гуляева Е.В. (Центр НИОКР Сибирского филиала Санкт-Петербургского университета ГПС МЧС России, г. Красноярск, РФ)

 

The total damage induced by atmospheric pollution by smoke from wildfires in difficult to evaluate even roughly. Laboratory analysis of smoke producing capability, or smoke production coefficient (SPC) would enable compilation of a comprehensive database on this issue. Our study showed that birch bark produced the greatest smoke amounts: ca. 600 and 1200 m²/kg in flaming and smoldering combustion, respectively.

 

Ежегодно на территории Российской Федерации возникают десятки тысяч лесных, степных и торфяных пожаров, распространяющихся на площади в несколько миллионов гектаров. Только в нашей стране от природных пожаров каждый год гибнет несколько человек, а у сотен людей происходят различные осложнения здоровья от задымления значительной территории. Государство несет колоссальные убытки от сгораемой на корню древесины, ущерба причиняемому населенным пунктов и коммуникаций, расположенных в лесных массивах. Кроме непосредственного убытка от повреждения огнем различных сооружений и конструкций, экономика страны терпит существенные потери и от задымления атмосферы при природных пожарах. Задымленность воздуха от лесных и торфяных пожаров создает большие проблемы в транспортной сфере (особенно в авиации), приводит к потерям мощности при транспортировке электрического тока по ЛЭП, ну и конечно, отрицательно сказывается на самочувствии и здоровье людей, находящихся в задымленном от пожаров районе.

Общий ущерб для окружающей среды от задымления атмосферы, связанного с пожарами, трудно оценить даже приблизительно. Одной из основных причин сложившейся ситуации является недостаточное количество статистических данных о вредном влиянии задымленности воздуха. Это связанно с нехваткой, а иногда и полным отсутствием расчетных данных для различных регионов о количестве и составе эмиссий, выделяемых в атмосферу при лесных, степных и торфяных пожарах.

По данным Всероссийского центра медицины катастроф при пожарах, возникших на территории России в наиболее пожароопасном 2002 году, только по двуокиси углерода нормы ПДК были превышены от 1,5 до 5 раз на протяжении времени от 0,5 до 1,5 месяцев для разных регионов страны. Наиболее тяжелая ситуация наблюдалась при торфяных пожарах в Костромской, Московской, Читинской и Владимирской областях. Так по официальным данным территориального центра медицины катастроф Владимирской области в период пожаров 2002 года на 9% возросло обращений граждан по поводу болезней органов дыхания и на 16% увеличилось число обострений у больных бронхиальной астмой.

Большая часть данных по составу и количеству эмиссий от природных пожаров, встречающихся в литературе получены при полевых исследованиях и являются обобщенными для всего природного комплекса, характеризующего насаждение по основной древесной породе и доминирующему напочвенному покрову (Ward, 1983; Raison, Khanna, Woods, 1985; Radke et. al., 1988; Kasischke, Cristensen, Stocks, 1995; Ivanova, Conard, 1997; Куценогий и др., 1996; Конард, Иванова, 1998; Иванов, Чуркина, 2002). Сложность данных исследований приводит к тому, что детальные наблюдения проводятся довольно редко и не позволяют накопить большую статистическую базу данных по количеству выделяемого дыма для различных видов лесных горючих материалов (ЛГМ).

Второй причиной, не позволяющей объединить различные имеющиеся данные по задымлению от пожаров в природных комплексах, является различие в методике забора проб (высота забора, оборудование и т.д.).

Применение лабораторного метода исследования дымообразующей способности или коэффициента дымообразования (КДО) для различных групп ЛГМ, подобного тому, который используется для определения КДО материалов, применяемых для изготовления стройматериалов и другой продукции для населения (различные полимеры, краски, лаки и т.д.), позволило бы накопить большую базу данных по исследуемому вопросу, пригодную для математического моделирования и анализа.

Моделирование условий распространения дымового шлейфа сложный процесс так в нем задействовано множество различных параметров. Снижение оптической видимости при природных пожарах зависит от множества факторов: интенсивности и режима горения, погодных условий, однако основоположным параметром, от которого зависит степень дымообразующей способности, является тип лесного горючего лесного материала и его запасы на площади очага горения.

В связи с этим целью проводимых нами исследований была оценка возможности применения существующей методики по экспериментальному определению коэффициентов дымообразования твердых веществ и материалов (применяемая преимущественно при сертификации стройматериалов) для расчета КДО лесных горючих материалов.

Коэффициент дымообразования ЛГМ определялся с помощью специальной установки, изготовленной согласно ГОСТ 12.1.044–89 (п.п. 4.18. “Метод экспериментального определения коэффициента дымообразования твердых веществ и материалов”) с усовершенствованной системой сбора и обработки полученных данных.

Фотометрическая система установки по определению КДО состоит из источника и приемника света. Источник света (гелий-неоновый лазер мощностью 2-5 мВт) размещен на верхней стенке камеры измерений, приемник света (фотодиод) расположен в днище камеры. Между источником света и камерой измерений устанавливают защитное кварцевое стекло, нагреваемое электроспиралью до температуры 120-140°С. Фотометрическая система должна обеспечивать измерение светового потока в рабочем диапазоне светопропускания от 2 до 90% с погрешностью не более 10%.

Сбор ЛГМ для проведения экспериментов проводился в близлежащих к г. Красноярска участка (удаленных от города на расстояние в 20-50 км) по методике Н.П. Курбатского (1970). Для опытов по определению КДО выбирались веточки диаметром в 3-4 мм с корой, но без хвои; хвоя, кора древесных пород (кедр, сосна и лиственница) также делилась на пластинки толщиной 3-4 мм (для того, чтобы приравнять к толщине пихтовой и березовой коры). Так как размер лотка для образцов в установке по определению КДО составлял 5х5 см, некоторые виды ЛГМ, превышающие этот размер, разрезались на более мелкие фракции (хвоя кедра, веточки и кора древесных пород).

В ходе проведенных исследований выявлено, что коэффициент дымообразования для исследованных ЛГМ варьировал в пределах от 14 до 1218 единиц (Рис.).

Рисунок – Коэффициент дымообразования при сгорании 1 грамма абсолютно сухого вещества для различных видов ЛГМ

 

Наибольшее выделение количества дыма характерно при сгорании образцов коры березы – около 550 м²/кг для режима пламенного горения и около 1200 м²/кг для режима тления. Если рассматривать коэффициент по группам ЛГМ, то наибольшее количество дыма выделяется при сгорании хвои и коры, а наименьшее – при сгорании мха и травы.

Согласно (п.п. 4.18.) ГОСТ 12.1.044-89 «Пожаровзрывобезопасность веществ и материалов» значение коэффициента дымообразования следует применять для классификации материалов по дымообразующей способности. Различают три группы материалов:

-     с малой дымообразующей способностью — коэффициент дымообразования до 50 м²  кг^-1 включительно;

-     с умеренной дымообразующей способностью — коэффициент дымообразования свыше 50 до 500 м² ·кг^-1 включительно;

-     с высокой дымообразующей способностью — коэффициент дымообразования свыше 500 м² ·кг^-1.

В ходе проведения экспериментов выявлено, что подавляющее большинство исследованных образцов ЛГМ в режиме пламенного горения попадают как в первую и вторую группу КДО, а в режиме тления во вторую и третью группу. Исключение составляет кора березы КДО, которой при режиме пламенного горения в среднем составляет 540 м² ·кг^-1.

В ходе проведенных исследований выявлено, что при беспламенном режиме количество выделяемого дыма для разных групп ЛГМ увеличивается с 28 до 690%, по сравнению с пламенном режимом горения. По нашим данным наименьшее увеличение КДО при пламенном и беспламенном режимах зафиксировано для хвои лиственницы, где было зафиксировано увеличение в 1,28 раза, а наибольшее для листвы березы (6,9 раз).

- для листвы разница – 5,88 раз

- для хвои разница – 4,41 раз

- для коры разница – 1,88 раз

- древесина с корой – 4,12 раз

-для живого напочвенного покрова в 3,51 раз

 

Выводы:

Проведенные нами исследования показали, что существующая методика по экспериментальному определению коэффициентов дымообразования твердых веществ и материалов, применяемая для сертификации стройматериалов, пригодна для расчета КДО лесных горючих материалов. Широкое использование полученных данных в математическом моделировании для решения практических задач при оперативной оценке воздействия природных пожаров возможно лишь при наличии подробных карт ЛГМ и создание густой сети из метеостанций, находящихся друг от друга в радиусе 10-15 км. Все перечисленные меры наряду с использованием методов космического мониторинга позволили бы давать оперативный прогноз о задымленности той или иной части территории страны, подверженной природным пожарам.