CC BY
82
С. В. ГУНДАР, канд. с.-х. наук, доцент, доцент кафедры пожарной тактики и службы, Академия ГПС МЧС России (Россия, 129366, г. Москва, ул. Б. Галушкина, 4) А. Н. ДЕНИСОВ, канд. техн. наук, доцент, профессор кафедры пожарно-строевой и газодымозащитной подготовки, Академия ГПС МЧС России (Россия, 129366, г. Москва, ул. Б. Галушкина, 4; e-mail: [email protected])
УДК 519:614.842
ИНТЕНСИВНОСТЬ ПОДАЧИ ВОДЫ НА ТУШЕНИЕ КРОМКИ НИЗОВЫХ ЛЕСНЫХ ПОЖАРОВ
На основе анализа характеристик горения на опытных участках в сосняках, лиственничниках, на зарастающих гарях и с учетом рекомендаций по определению параметров установок пожаротушения выявлена взаимосвязь высоты пламени и ширины кромки пожара. Аналитически обоснованы расчетные значения нормативной интенсивности подачи воды на тушение кромки низовых лесных пожаров в зависимости от высоты пламени. Предложено нормативную интенсивность на тушение лесных низовых пожаров определять по высоте пламени. Приведен пример расчёта нормативной интенсивности подачи воды на тушение кромки лесного пожара. Для уточнения расчета сил, средств и затрат на пожаротушение кромки низовых пожаров целесообразно продолжить изучение расходов воды на отдельные виды работ по тушению. Ключевые слова: интенсивность подачи воды; низовой пожар; тушение; тепловыделение; недожог; пламя; кромка пожара.
Кромка лесного пожара — полоса горения, непрерывно продвигающаяся по горючему материалу, на которой сгорание основного горючего материала происходит с максимальной для данного пожара плотностью тепловыделения. Основной горючий материал — доминирующий вид горючего материала, который в сочетании с погодными условиями обуславливает определённый вид лесного пожара и его последствия [1].
При рассмотрении интенсивности подачи воды на тушение кромки низовых лесных пожаров были использованы характеристики горения, установленные на опытных участках в сосняках, лиственничниках, на зарастающих гарях [2], и учтены отдельные положения "Руководства по определению параметров автоматических установок пожаротушения тонкораспыленной водой" [3] (далее — Руководство). Согласно этим положениям:
• интенсивность, а также продолжительность подачи воды на тушение являются основными нормативными параметрами устройств, характеризующими их огнетушащую эффективность;
• интенсивность подачи тонкораспыленной воды (ТРВ) должна быть достаточной для поглощения тепла, выделяемого при пожаре;
• скорость выгорания веществ не является физико-химической константой, а зависит от их природы, условий тепло- и массопереноса в зоне пожара;
• разнообразие способов размещения твердых горючих материалов (плотность, высота, равномер-
© Гундар С. В., Денисов А. Н., 2014
ность распределения и т. п.) и условий подачи воды (дисперсность, скорость и направление потока распыленной воды и др.) затрудняют создание универсальной модели для определения требуемых интенсивности и времени орошения, обеспечивающих успешное пожаротушение. Указанные факторы при проведении экспериментов учесть достаточно трудно;
• значения интенсивности подачи воды на тушение каждого вида горючего материала с учетом способа их укладки проверяются экспериментально, путем проведения огневых опытов;
• при испытании устройств распыления ТРВ необходимо использовать способы размещения твердых горючих материалов (ТГМ) и подачи воды, соответствующие реальным условиям их хранения на данном конкретном объекте;
• модельные очаги пожара из ТГМ (или изделия из них) для огневых испытаний должны быть уложены так, как их хранят или используют в реальных условиях (т. е. в штабелях, кипах, рулонах, насыпном виде и т. д.), и иметь сходные физические характеристики (плотность, влажность, температуру, состояние поверхности и т. п.), отличающиеся не более чем на 10 % от характеристик, наблюдаемых в реальных условиях. Авторы данной статьи полагают, что не нарушенный до пожара и лежащий в естественном состоянии на поверхности почвы слой лесных горючих материалов (ЛГМ) отвечает перечисленным условиям. Следует отметить, что этот слой подвергается
периодически послойному увлажнению, высыханию и обновлению. Между ним и почвой происходит постоянный тепло- и массоперенос. Состав, состояние, размещение и степень разложения ЛГМ и т. д. сильно варьируются по территории.
Пример. Характеристики горения и его условий на опытном участке сосняка голубичного [2].
1. Категория участка: сосняк голубичный.
2. Древостой — 7С, 1Л, 10С, 1Б;подрост—С, Л, 10-12 лет, редкий; травяно-кустарниковый ярус — голубика, черника; мохово-лишайниковый ярус — зеленые мхи.
3. Запас сгорающих при пожаре ЛГМ (кг/м2): мохово-лишайниковый покров вместе с опадом, ветошью травы и опавшими сучками диаметром до 1 см — 0,4; подстилка — 0,95; трава и кустарнички, зеленая хвоя и листья подлеска, подроста и древостоя — 0,15; опавшие сучья диаметром от 1 до 5 см — 0,3; валежник диаметром более 5 см — 1,8.
4. Погодные условия во время пожара на опытном участке: температура воздуха — 23 °С; относительная влажность воздуха — 24 %; лесопожар-ный показатель засухи Нестерова — 10964 ед.; скорость ветра на высоте 2 м на открытой местности — 3,8 м/с.
5. Характеристика фронтальной кромки пожара в пределах опытного участка: длина наиболее интенсивно горящей части кромки — 75 м; ширина кромки — 7,0 м; высота пламени — 2,5 м; скорость продвижения кромки — 5,6 м/мин; интенсивность пожара — 80 тыс. ккал/(м-мин) (5582,4 кВт/м).
6. Интенсивность пожара определяли путем учета количества ЛГМ, сгоревшего в единицу времени на единице длины фронта пожара, т. е. путем учета теплоты сгорания_материала т (кВт/м).
Для определения же интенсивности подачи воды на тушение кромки низовых лесных пожаров необходимо знать плотность тепловыделения Ут (кВт/м2), т. е. количество тепла, выделяющееся в единицу времени с единицы площади кромки пожара, которое должно быть поглощено водой при тушении.
У внешней границы кромки интенсивность пожара выше. Здесь горит весь запас ЛГМ; факел пламени, как правило, сплошной, без разрывов. Тонкие горючие элементы — листья, хвоинки, тонкие сучья и пр. — в основном успевают сгореть полностью, в результате чего плотность слоя ЛГМ уменьшается. Расстояние между более крупными горящими элементами увеличивается за счет освобождения пространства при сгорании тонких элементов. Как следствие, процесс взаимного теплообмена становится менее интенсивным. Факел пламени оседает, теряет сплошность и распадается на отдельные мелкие очаги. Появляются места беспламенного горения и прогоревшие участки, число и площадь кото-
рых увеличиваются по мере удаления внешней границы кромки пламени и приближения внутренней.
Средняя скорость выгорания лесной древесины по толщине в зависимости от породы древесины и условий горения колеблется в диапазоне 0,5-1,0 мм/мин [4], поэтому крупные сучья, ветки и т. п. часто не сгорают полностью на кромке пожара. Они либо догорают за пределами кромки, либо остаются в виде головешек на территории, пройденной пожаром.
На кромке пожара горят одновременно как не-разложившиеся сучья, ветки и другие ЛГМ, так и лесные материалы, подвергшиеся в различной степени гниению. Последние обладают другими физико-химическими свойствами (например, более низкой калорийностью), что отражается на характере горения.
Согласно [4] при расстоянии между горящими элементами в лесу более 0,5-1,0 м суммарная плотность теплового потока от зоны горения к горящим поверхностям древесины становится ниже 10-15 кДж/м2. В результате пламенное горение на этом участке прекращается и переходит в режим тления. В зависимости от условий и обстоятельств тление может длиться еще в течение нескольких часов, после чего горение древесины, как правило, прекращается. Именно поэтому горючий материал лесного массива почти никогда не выгорает полностью. Например, в лесных горах на пожарище до 50 % горючего материала остается несгоревшим.
Часто горящие частицы, поднятые с кромки пожара вверх конвективными потоками, перемещаются в горизонтальной плоскости за пределы площади пожара. В зависимости от материала, размера и времени полета частиц они могут или сгореть в воздухе, или выпасть на землю и зажечь напочвенный покров.
Время пребывания ЛГМ и их остатков на кромке пожара т (мин) определяется зависимостью
т = b/v, (1)
где b — ширина кромки пожара, м;
v — скорость распространения кромки пожара,
м/мин.
Подставив значения b и v в зависимость (1), получаем:
т = 7/5,6 = 1,25 мин = 75 с.
Среднее значение количества тепла от сгоревшего ЛГМ на кромке пожара, выделившегося в единицу времени с единицы площади кромки, n (кВт/м2) определяется зависимостью
n = m/b, (2)
где m — интенсивность пожара на его кромке, кВт/м.
Подставив значения т и Ь в зависимость (2), получаем:
п = 5582,4/7 = 797,5 кВт/м2.
Однако для определения плотности тепловыделения, кроме теплоты сгорания запаса ЛГМ на кромке пожара, необходимо знать еще и общий коэффициент недожога — механический и химический.
Механический недожог — эффект, при котором часть ЛГМ не сгорает полностью на кромке пожара, поднимается с кромки пожара вверх конвективными потоками, перемещается в горизонтальной плоскости за пределы площади пожара и догорает за пределом кромки на территории, пройденной пожаром, оставляя на ней часто угли и головешки. Механический недожог для напочвенных растительных материалов при горении в лесу может достигать при критическом запасе почти 100 %.
Химический недожог — эффект, при котором часть продуктов теплового разложения остается не-окисленной. Средняя величина химического недожога для напочвенных растительных материалов при горении в лесу находится в интервале (60 ± 20) % [5].
Нами не найдены математические или другие модели по определению или прогнозированию недожога при лесных пожарах. Каждый участок слоя ЛГМ индивидуален и на конкретное время имеет свою величину недожога. Осадки в лесу выпадают неравномерно и носят "пятнистый" характер. В связи с этим возникают затруднения в определении действительной интенсивности тепловыделения на кромке пожара.
Из литературных источников [2, 6] известно, что плотность тепловыделения на кромке пожара Jт можно оценить по высоте (длине) пламени Н (м). Для тепловыделения на кромке д (кВт/м) предлагается эмпирическая зависимость
д = (13Н)2
(3)
где в качестве тепловой характеристики кромки пожара выступает высота пламени. Высоту пламени можно оценить путем визуального осмотра. Мы полагаем, что зависимость (3) учитывает недожог ЛГМ, поэтому представляется полезной ее адаптация (модернизация) для определения интенсивности подачи воды на тушение кромки пожара путем поглощения тепла, выделенного при пожаре, и расчета сил и средств для пожаротушения.
На рисунке показан пример взаимосвязи высоты пламени Н и ширины кромки пожара Ь. Характеристики Н и Ь получены на 52 пожарах в сосновых и лиственничных лесах и на зарастающих гарях [2]. При 0,6 < Ь < 9 м взаимосвязь этих параметров представлена зависимостью
0 123456789 6, м
Взаимосвязь высоты пламени Н и ширины кромки пожара Ь на опытных участках в сосновых и лиственничных лесах, а также на зарастающих гарях
Подставив зависимость (4) в (3), получим среднее значение плотности тепловыделения на кромке пожара, т. е. среднее значение количества тепла, которое должно быть поглощено водой на кромке пожара при тушении Jт:
(13Н )2,17
J = д =
т Ь 13Н -1,5
(5)
С помощью зависимости (5) определяем Jт, например, при высоте пламени Н = 2 м. Подставив в (5) значения высоты пламени Н, получим:
J = (13 ■ 2)2,17 = 213,9 кВт/м2. т 13 ■ 2 - 1,5 '
Расчетная критическая интенсивность* подачи воды на тушение Jкр (л/(м2-с)), которая обеспечит поглощение тепла, выделяемого при пожаре на его кромке, определяется зависимостью
Jкр= Jт /Q, (6)
где Q—удельный эффект охлаждения воды, кДж/л.
Удельный эффект охлаждения 1 л воды, введенной в факел пламени, при полном ее испарении и нагревании до температуры пламени Q = 4400 кВт/л. Подставив значения плотности тепловыделения Jт
Ь = 3,5Н -1,5.
(4)
* Расчетная критическая интенсивность — минимальное значение интенсивности подачи воды, ниже которого горение не прекращается, как бы долго ни подавалась вода.
и удельного эффекта охлаждения Q в зависимость (6), получим критическую интенсивность J :
Лр = 213,9/4400 = 0,0486 л/(м2-с).
Согласно [2] нормативная интенсивность подачи воды на тушение Лн определяется зависимостью
Лн К3 Лкр, (7)
где Кз — коэффициент запаса, учитывающий особенности использования или хранения горючих материалов или изделий из него в конкретных условиях; Кз = 1,5^2,0 (для лесных пожаров значение Кз не сообщается).
Величину Лкр определяют в серии огневых опытов (не менее 4-5) с различной интенсивностью орошения (от больших к меньшим).
Следовательно, полученные расчетным путем значения нормативной интенсивности подачи воды на тушение кромки лесного пожара требуют экспериментального подтверждения на тушении опытных и реальных лесных пожаров. Такие исследования, об отдельных особенностях которых будет сказано ниже, планируются.
Подставив значения расчетной критической интенсивности Лкр и коэффициента запаса (Кз = 2) в зависимость (7), получим нормативную интенсивность Лн (значение коэффициента запаса при этом принято наибольшим из рекомендованных Руководством [3]):
Лн = 2-0,0486 = 0,0972 л/(м2-с).
Результаты определения нормативной интенсивности подачи воды на тушение низовых лесных пожаров при другой высоте пламени сведены в таблицу.
Данные таблицы показывают наличие зависимости нормативной интенсивности подачи воды нату-шение от высоты пламени: при увеличении высоты нормативная интенсивность возрастает. Так, увеличение высоты в 5 раз (с 0,6 до 3 м) приводит к росту нормативной интенсивности в 2,19 раза (с 0,0654 до 0,1432 л/(м2-с)).
Следовательно, потребность в силах и средствах для пожаротушения и затратах на выполнение работ по тушению будет больше. Полагаем, что высота
Расчетные значения нормативной воды на тушение кромки низовых
интенсивности подачи лесных пожаров
Высота пламени к, м Ширина кромки Ъ, м Плотность тепловыделения на кромке пожара Лт, кВт/м2 Интенсивность подачи воды, л/(м2-с)
критическая Лкр нормативная Лн
1,0 1,9 137,56 0,0313 0,0626
1,5 3,75 168,01 0,0382 0,0764
2,0 5,6 210,07 0,0477 0,0954
2,5 7,45 256,23 0,0582 0,1164
3,0 9,3 304,88 0,0693 0,1386
пламени может служить показателем для определения нормативной интенсивности подачи воды на тушение низовых лесных пожаров. По убеждению авторов [4, 7]:
• нормативная интенсивность подачи воды на тушение лесных пожаров должна быть 0,1 л/(м2 с);
• если превысить интенсивность подачи воды, то резко увеличится толщина слоя воды на протуши-вание поверхности и, соответственно, возрастет скорость ее стекания с протушенных поверхностей, что увеличит потери воды в процессе тушения ТГМ;
• при меньшей интенсивности подачи воды время подачи минимального количества воды (5 л/м2), необходимого для тушения лесного пожара, возрастет и, соответственно, увеличится расход воды на тушение пожара и ее количество, требуемое для завершения процесса тушения;
• кроме того, потери воды возрастают из-за невозможности подачи ее на некоторые открытые поверхности горения, несвоевременности подачи ее на весь очаг горения, пролива части подаваемой воды мимо очага горения и по многим другим причинам;
• из-за потери воды в процессе тушения ее расход на тушение пожара резко возрастает, нередко в 5-10, а иногда и в 20-30 раз.
При таком разбросе экспериментальных данных крайне затруднительно выделить и однозначно определить вклад в расход воды на тушение интенсивности ее подачи, от которой зависит поглощение тепла, выделяемого при пожаре на кромке, или охлаждение уже не горящего слоя материала на кромке.
В то же время в [6] не сообщается о зависимости нормативной интенсивности подачи воды на тушение лесных низовых пожаров от вида горючих материалов, интенсивности пожара, характера тепловыделения и других факторов.
Для снижения необходимости применять водные способы для тушения лесных пожаров рекомендуется максимально использовать имеющиеся в лесу рубежи и преграды, прокладывать заградительные и опорные минерализованные полосы. Непосредственное тушение кромки пожара следует осуществлять в наиболее удобное для этого время (вечер, ночь, утро). Повышать эффективность водного способа тушения необходимо путем создания перед надвигающейся кромкой пожара смоченной водой полосы ЛГМ (на подготовку к горению примыкающего к кромке и еще не горящего материала используется только часть выделяющегося на кромке тепла). Расход воды на создание смоченной заградительной полосы зависит от интенсивности подачи воды на защищаемый слой ЛГМ. На кромке пожара, распро-
странение которой было остановлено, по мере выгорания материала горение слабеет и прекращается.
Каждый из видов интенсивности подачи воды вносит свой вклад в общий расход воды на тушение того или иного лесного низового пожара:
• поглощение тепла, выделяемого при пожаре на его кромке;
• протушивание и охлаждение уже не горящего слоя материала на кромке;
• охлаждение слоя материала на заградительной полосе перед кромкой пожара.
По нашему мнению, для расчета сил, средств и расхода воды на пожаротушение требуется продолжать изучение расхода воды на отдельные виды работ по тушению лесных пожаров. При этом планируется уточнить калькуляцию расходов воды (в абсолютных или долевых показателях), требуемых для тушения кромки лесного низового пожара.
Выводы
Из результатов определения интенсивности подачи воды на тушение кромки лесных низовых пожаров следует, что:
• высота пламени может использоваться для оценки нормативной интенсивности подачи воды на тушение кромки лесных низовых пожаров;
• нормативная интенсивность подачи воды на тушение кромки лесных низовых пожаров повышается при увеличении высоты пламени;
• целесообразно продолжить работы по уточнению калькуляции расходов воды на тушение низовых лесных пожаров, а также по экспериментальной проверке полученных расчетных значений нормативной интенсивности подачи воды на тушение кромки низовых пожаров на опытных и реальных лесных пожарах.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Пешков В. В. Словарь терминов по лесной пирологии. —Хабаровск: ДальНИИЛХ, 2011. — 55 с.
2. Валендик Э. Н., Матвеев П. М., Софронов М. А. Крупные лесные пожары. — М. : Наука, 1979. — 198 с.
3. Руководство по определению параметров автоматических установок пожаротушения тонкораспыленной водой : утв. ФГУ ВНИИПО МЧС России 10.12.2001 г. — М.: ВНИИПО МЧС России, 2004.— 16 с.
4. Софронов М. А., Волокитина А. В., Софронова Т. М.Пожары в горных лесах. — Красноярск : СО РАН, Институт леса им. В. Н. Сукачева, ГОУ ВПО "Красноярский государственный педагогический университет им. В. П. Астафьева", 2008. — 388 с.
5. АбдурагимовИ. М. Новый эффективный способ тушения лесных пожаров. URL : Ы^р://пожар-ное-дело.рф/rubricator (дата обращения: 13.02.2014 г.).
6. Абдурагимов И. М. Проблемы тушения лесных и торфяных пожаров (тепловая теория тушения пожаров твердых горючих материалов на открытых пространствах и внутри зданий и сооружений) // Пожаровзрывобезопасность. — 2012. — Т. 21, № 10. — С. 66-76.
7. Волокитина А. В., Софронов М. А. Классификация и картографирование растительных горючих материалов. — Новосибирск : Изд-во СО РАН, 2002. — 314 с.
Материал поступил в редакцию 14 февраля 2014 г.
= English
FLOW RATE OF WATER TO EXTINGUISH THE EDGE OF THE CREEPING FOREST FIRES
GUNDAR S. V., Candidate of Agricultural Sciences, Docent, Associated Professor of Fire Tactics and Service Department, State Fire Academy of Emercom of Russia (Borisa Galushkina St., 4, Moscow, 129366, Russian Federation)
DENISOV A. N., Candidate of Technical Sciences, Associated Professor of Fire Marching Drill and Gas-Smoke Protection Training Department, State Fire Academy of Emercom of Russia (Borisa Galushkina St., 4, Moscow, 129366, Russian Federation; e-mail address: [email protected])
ABSTRACT
To study the intensity of the water supply for extinguishing of the creeping forest fires edge there were used combustion characteristics (density of heat, heat flow, average rate of burning of forest wood
in thickness, while staying combustible forest materials and residues at the fires edge, unburned carbon ratio: mechanical and chemical) on experimental plots in pine, larch forest, on wild slash areas subject to certain provisions of the Guidelines on the characterization of automatic extinguishing water mist. Graphically it was shown the relationship flame height and width of fires edge on experimental plots in the pine and larch forests and on wild slash areas. Analytically it was calculated standard intensity of the water supply for extinguishing of a forest fires edge, taking into account features of the use or storage of flammable materials, or products in specific circumstances, as well as the critical intensity of the water supply for extinguishing. There are calculated values of the regulatory intensity of water supply for extinguishing of creeping forest fires edge tabulated. All of the above leads to the conclusion that the flame height can serve as an indicator to determine the value of regulatory intensity of the water supply for extinguishing of creeping fire. But in our opinion, to calculate the forces, resources and costs it was required to continue the study of firefighting water flow for specific jobs for fighting forest fires. The study will be continued to clarify the costing of water for extinguishing of the creeping fires edge. By design, the calculation should be absolute or equity indices.
Keywords: intensity of the water supply; creeping fire; extinguishing; heat; incomplete combustion; flame; fires edge.
REFERENCES
1. Peshkov V. V. Slovar terminovpo lesnoy pirologii [Glossary of forest pyrology]. Khabarovsk, DalNIILKh Publ., 2011. 55 p.
2. Valendik E. N., Matveev P. M., SofTonov M. A. Krupnyye lesnyyepozhary [Large forest fires]. Moscow, NaukaPubl., 1979. 198 p.
3. Guidelines for determining the parameters ofautomatic extinguishing water mist. Moscow, All-Russian Research Institute for Fire Protection of Emercom of Russia Publ., 2004. 16 p. (in Russian).
4. SofronovM. A., Volokitina A. V., SofronovaT. M. Pozhary v gornykh lesakh [Fires in the mountain forests]. Krasnoyarsk, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, Institute of Forest V. N. Su-kacheva, HPE "Krasnoyarsk State Pedagogical University V. P. Astafyeva" Publ., 2008. 388 p.
5. Abduragimov I. M. Novyy effektivnyy sposob tusheniya lesnykhpozharov [New effective way to extinguish forest fires]. Available at: http://no«apHoe-Aeno.p^/rubricator (Accessed 13 February 2014).
6. Abduragimov I. M. Problemy tusheniya lesnykh i torfyanykh pozharov (teplovaya teoriya tusheniya pozharov tverdykh goryuchikh materialov na otkrytykh prostranstvakh i vnutri zdaniy i sooruzheniy) [A problem of suppression of forest and peat fires (the thermal theory of suppression of solid combustible material fires on open spaces and inside buildings and constructions). Pozharovzryvobezopasnost — Fire and Explosion Safety, 2012, vol. 21, no. 10, pp. 66-76.
7. Volokitina A. V., Sofronov M. A. Klassifikatsiya i kartografirovaniye rastitelnykh goryuchikh materialov [Classification and mapping of vegetation combustible materials]. Novosibirsk, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences Publ., 2002. 314 p.
