CC BY
24
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ПРОИЗВОДСТВА ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ
УДК 504.3.054:656.11 МЕТОДИКА ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ОПАСНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ТОРФЯНЫХ ПОЖАРОВ НА УЧАСТНИКОВ ТРАНСПОРТНОГО ПРОЦЕССА
АВТОМАГИСТРАЛЕЙ
В.Д. Тимофеев1, Е.С. Кобелев2, В.Н. Ложкин3
ФГБОУВО «Санкт-Петербургскийуниверситет ГПСМЧС России», 196105, Россия, Санкт-Петербург, Московский проспект, д. 149,
В работе приводится описание чрезвычайно опасных ситуаций, возникающих на автомагистралях, попадающих в зону влияния торфяного пожара. На основе анализа моделирования загрязнения воздуха, обосновывается расчетная методика прогнозирования эмиссии токсичных веществ с поверхности торфяника.
Ключевые слова: автомагистраль, торфяной пожар, смог, угарный газ, опасное загрязнение воздуха, транспортный коллапс, моделирование
A TECHNIQUE FOR PREDICTING THE HAZARDOUS EFFECT OF PEAT FIRES ON PARTICIPANTS IN THE TRANSPORT PROCESS OF MOTORWAYS
V.D. Timofeev, E.S. Kobelev, V.N. Lozhkin
Saint-Petersburg University of State Fire Service ofEMERCOM of Russia The paper describes emergencies occurring on roads situated in the areas exposed to peat-bog fires. The paper analyses modeling approaches for the assessment of air pollution from different sources and describes a calculation method for the estimation and the forecast of emission of toxic substances from peat-bog fires and their subsequent transfer (diffusion) to the roads.
Keywords: road, peat-bog fire, smog, carbon monoxide, dangerous air pollution, traffic collapse, modeling.
Введение. В обеспечении безопасности развития регионов России [1] особое внимание уделяется профилактике лесных, в частности, торфяных пожаров, на основе прогнозирования последствий их негативного воздействия. Горение торфа происходит под землей без открытого огня при недостатке кислорода с обильным выделением угарного газа (СО), мелкодисперсных частиц РМ25 и РМ10. Если торфяной пожар развивается в окрестности автомагистрали, то смог затрудняет дыхание, уменьшает видимость, приводит к чрезвычайной ситуации - транспортному коллапсу. Такая ЧС наблюдалась зимой в течение длительного времени с 26.10.15 г. по 07.01.16 г. в Усольском районе Иркутской области при горении торфяников вблизи федеральной автомагистрали «Сибирь» на общей площади более 25 га.
Методологическое обеспечение мониторинга и прогнозирования ЧС подобного типа сдерживается недостаточной изученностью физического механизма переноса и распространения опасных веществ при торфяном пожаре, невозможностью проведения измерений на горящих торфяниках из-за опасности провала исследователей в горящую подземную лаву, отсутствием экспериментально-расчетных методик для оценки чрезвычайных воздействий от торфяного пожара, учитывающих одновременно влияние вредных веществ на организм человека, уменьшение дальности видимости, вследствие задымления трассы и, как следствия, -повышения риска ДТП. Все это не позволяет прогнозировать и объективно оценивать чрезвычайно опасные ситуации на дорогах в окрестности горящих торфяников.
1 Тимофеев Владимир Дмитриевич - капитан внутренней службы, начальник 3 курса факультета инженерно-технического, СПбУГПС МЧС России, тел. +7 (812) 369-55-18, е-mail: timofeev-v-d@yandex.ru;
2Кобелев Евгений Сергеевич - старший сержант внутренней службы, старшина 3 курса факультета инженерно-технического, СПбУГПС МЧС России, тел. +7 (812) 369-55-18, е-mail: evgenser1997@gmai.com
3Ложкин Владимир Николаевич - доктор технических наук, профессор, профессор кафедры пожарной, аварийно-спасательной техники и автомобильного хозяйства СПбУ ГПС МЧС России, тел. +7 (812) 369-55-18, е-mail: vnlojkin@yandex.ru
Характеристика транспортного коллапса в Усольском районе Иркутской области, как объекта характерной ЧС. Транспортный коллапс проявлялся в следующих конкретных чрезвычайных явлениях. Движение на трассе «встало». По обеим сторонам опасного участка дежурили автомобили ДПС. Движение было организованно только большегрузного транспорта группами со скоростью 5 км/ч в колоннах по 8-12 машин с сопровождением после десятиминутного инструктажа инспекторов ГИБДД. Остальные автомобили осуществляли движение через объезд по дороге Большая Елань-Тельма.
Для тушения был создан штаб на месте ЧС, привлечены силы и средства Иркутского гарнизона ПО, группировка сил территориальной подсистемы РСЧС. Было пробурено две скважины для обеспечения водой.
С 21.12.2015 по 07.01.2016 был веден режим чрезвычайной ситуации на территории Белореченского МО, Тельминского МО, Железнодорожного МО, Большееланского МО, Новожилкинского МО. Остановить горение удалось только благодаря погоде. Пожар был потушен в результате смешивания верхних слоев мерзлого грунта, тлеющего торфа и снега.
Аналитическая модель прогнозирования процессов образования, эмиссии, диффузии и воздействия ЗВ в окрестности автомагистрали. На рис. 1 представлена блок-схема реализации разработанного комплексного информационного процесса расчетного прогнозирования чрезвычайно опасного воздействия торфяного пожара в окрестности автомагистрали.
1)Данные о выделении ЗВ при горении торфа
2)Параметры Торфяника, как источника ЗВ
ч.
6)Физическая и математическая модель эмиссии ЗВ от торфяника (г/с) ЗВ торфяником
3)Геоинформа ционные данные местности
8)Решения уравнения атмосферной диффузии ЗВ
4)Данные о характере и физических свойствах пожара
5)Характерист ики климата, метеорологии
7)Обоснование физической и математической моделей диффузии ЗВ
13)Разработка компенсирующих мероприятий для ослабления негативного воздействия торфяного пожара (химическое загрязнение воздуха, ДТП)
-
Рисунок 1 - Блок-схема алгоритма прогнозирования чрезвычайно опасного воздействия торфяного пожара на участников дорожного движения (химическое загрязнение воздуха и
ДТП)
По данным выделения ЗВ при горении кам местности (3), сведениям о характере и фи-торфа (1), параметрам торфяника, как источни- зических свойствах пожара (4), климатических ка ЗВ (2), геоинформационным характеристи- и метеорологических условиях миграции пол-
лютантов уточняются физическая и математическая модели ЧС (6).
Процесс диффузии ЗВ (7) с учетом неблагоприятных метеорологических условий, способствующих развитию ЧС (5), моделируется дифференциальным уравнением атмосферной диффузии (К-теория), которое решается методом, предложенным Берляндом, при помощи программы ЭКОЛОГ фирмы Интеграл (8). По расчетным данным на основе ГИС строится карта концентраций ЗВ на автомагистрали и прилегающих населенных пунктах (9). Определяются превышения ПДКмр ЗВ (11).
По модели влияния концентрации смога на дальность видимости (10) производятся оценки дальности видимости на участках автомагистрали, попадающих в зону влияния торфяного пожара, с последующим построением карт риска возникновения ДТП (12).
Исходные данные, обоснование модели и результаты численных оценок.
1)Данные о выделении ЗВ при горении
торфа.
Данные о количественном составе ЗВ, выделяющихся при горении торфа, получались экспериментально путем сжигания навесок торфа
Таблица 1 - Состав и удельная масса продуктов горения торфа
4) Данные о источнике и характере горения.
Тип источника - площадной, совокупность точечных, не организованный);
тип горения (открытое, подземное) -определяется визуально, экспертным путем;
температура в очаге пожара - определяется экспериментально.
5)Данные неблагоприятных метеорологических условий, способствующих развитию ЧС.
Метеорологические условия, характерные для данной территории: скорость ветра, температура, коэффициент стратификации -определяются исходя из условий ЧС, расположения пожара относительно автомагистрали и населенных пунктов, времени года.
6) Оценка интенсивности выброса ЗВ торфяным пожаром.
Скорость выхода продуктов горения определяется по формуле: 5 • Н • р • в
М =
■•0,41 , г/с,
T
(2)
Наименование вещества Удельный выход поллютан-та
СО, г/кг СО2, г/кг NxOy, г/кг акролеин, г/кг
торф 410 120 1,7 1,4
2)Параметры торфяного пожара как источника ЗВ.
Площадь пожара определяется измерениями на местности
S = 0,8- а • Ь, (1)
где: а - длина очага пожара; b - ширина очага пожара; 0,8 - коэффициент, учитывающий неровность границ очага пожара.
Тип торфа и мощность его залегания определяется по данным геологических исследований.
3)Геоинформационные данные местности
Определение местоположения очага
пожара и ландшафта окружающей территории осуществляется с помощью онлайн ГИС-сервисов (Google карты, Яндекс - карты)
Где: 8 - площадь очага возгорания торфяника; Н - глубина торфяной залежи; р - плотность
торфа; В - безразмерный коэффициент, показывающий долю сгоревшего торфа (от 0 до 1); Т - время горения торфа;
7) Обоснование модели диффузии ЗВ в окрестности автомагистрали.
Для реальных условий протекания процесса горения торфяного пожара и переноса ВВ в окрестности автомагистрали, целесообразно учитывать турбулентные потоки, когда количество движения переносится макрообъёмами воздушных масс с выделением средних значений концентраций ВВ и пульсационных отклонений от них наряду со средними величинами и флуктуациями скоростей движения воздуха [2]. Переходя от уравнения диффузии для мгновенных концентраций к уравнению турбулентной диффузии для средних значений концентраций, получается формализация изменения средних значений концентраций по уравнению:
д q д q д q д q
--ъ u--ъ v--ъ w-
д t дх ду д z
д х
д q дх ду
д д q
~k, + -z
ду д z д z
д д q
к _--а q
(3)
где: х и у - оси расположенные в горизонтальной плоскости; z - ось по вертикали; ^ - время; и, V, w - составляющие средней скорости перемещения ВВ соответственно по направлению осей х, у, z; кх, ку, kz - горизонтальные и вертикальная составляющие коэффициента обмена; а - коэффициент, определяющий изменение
д
к
концентрации за счёт вероятного химического превращения примеси.
Для решения конкретной задачи торфяного пожара уравнение (3) можно существенно упростить. В установившемся режиме можно
принять ^ = о. Если ось ориентировать в
51
направлении ветра, то у = 0. Вертикальные движения в атмосфере над однородной подстилающей поверхностью окажутся сравнительно малыми и могут не учитываться. Будем считать ось г направленной вверх, поэтому для тяжелых частиц, имеющих собственную скорость осаждения w (со знаком «-»), - равной этой скорости, а для лёгких фракций, не имеющих собственной скорости осаждения, принять w = 0.
При наличии ветра можно пренебречь членом, учитывающим диффузию по оси х, поскольку в этом направлении диффузионный поток окажется значительно меньшим конвективного. Таким образом, для установившейся диффузии в условиях горизонтальной однородной местности после отмеченных упрощений уравнение (2) приобретает вид:
5 д 5 д 5
и-+ V-= — к
5 д
5
к
5 д
5 х
5 z 5 z 5 z 5у 5у
■ - ад .
(4)
ид = М 5(у )5 (z - Н ) , при X = 0, (5) где М - выброс вещества от источника в единицу времени.
По определению, 5-функция удовлетворяет соотношению
ь
| р(%)5(% - а)й% = <р(а), при значе-
а
ниях а, попадающих в интервал (а, Ь) и
ь
| р (% )5 (% - а ^% = 0 , 5 - при других
а
значенияха. Здесь р(%) - некоторая произвольная функция.
Граничные условия на бесконечном удалении от источника принимаем в соответствии с вероятным предположением о том, что тогда концентрация убывает до нуля:
Я — 0
д — 0
при
г —
да
да
(6) (7)
В уравнении (3) для ВВ, не имеющей собственной скорости осаждения ^ = 0), второй член в левой части исчезнет. При отсутствии химического метаболизма ВВ, например угарного газа (а =0), исчезнет и последний член правой части. При наличии в атмосфере вертикальных течений член приобретет другое физическое толкование, - поскольку включает вертикальную составляющую скорости движения. При холмистом рельефе направление ветра окажется не горизонтальным и потребуется учитывать член
5 5 а
—К .
5 х 5 х
Уравнение (4) имеет первый порядок по переменной х и второй порядок по переменным у и г. М. Е. Берлянд предложил в качестве начального условия принимать известный конвективный поток ВВ, поступающего от источника в атмосферу, и для описания точечного источника (а торфяной пожар можно стилизовать совокупностью точечных равномерно распределенных источников) вводить 5-функцию[3]. Это условие для точечного источника, расположенного в точке х = 0, у = 0, и г = Н, записывается как:
пРи |У|
При формулировке граничного условия на подстилающей поверхности необходимо выделить случаи, когда ВВ распространяются над поверхностью, поглощающей их (например, если в окрестности автомагистрали окажется водная поверхность), и поэтому концентрация ВВ непосредственно у её поверхности будет равна нулю
д — 0 при г — 0. (8) Будем предполагать относительно слабое взаимодействие ВВ с поверхностью почвы. То есть, попав на поверхность почвы, ВВ может не накапливаться на ней, а с турбулентными вихрями покидать ее. Принимаем также, что средний турбулентный поток ВВ у земной поверхности мал, то есть
к
5 д 5 z
= 0 при г = 0.
(9)
При исследовании переноса ВВ в атмосфере важно определить момент времени, по достижении которого процесс диффузии приобретает стационарный характер. Будем использовать для изменения концентрации ВВ от «мгновенного источника» уравнение с другими обозначениями:
5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 -+ и-+ V-= — к2-+-к2-, (10)
5 / 5 х 5 z 5 z 5 z 5у 5у
с граничными условиями:
5 в
к -= 0 „
z gz при г = 0,
8 = 0 при г — да и I у I —^ да.
+
Для мгновенного источника мощностью М в точке х = 0, у = 0, и z = Н в качестве начального условия примем:
5 = М 5( х )5( у )5( г - Н ) при I = 0. (11) Источник вредных выбросов можно в общем случае рассматривать как источник конечного времени действия. Используя принцип суперпозиции и полагая для упрощения скорость ветра и постоянной, получим, что к моменту времени ^ концентрация от источника, действующего в течение периода будет определяться соотношением:
Ти
5 =| д (г - $ , у, . )5[х - и (г - $ . (12)
о
Из этого соотношения в силу свойств 5-функции следует, что
5 = д С —, у, г 1 для г > — ^ и ) и
(13)
] = о . Отсюда, -
При этом д удовлетворяет уравнению для установившегося состояния (4) при
стационарный режим
I* 1. = о
достигается в случае торфяного пожара при
.г
/ > — . Как правило, время наблюдения ( после
и
начала действия источника больше времени, необходимого для прохождения примеси до точки наблюдения (измерения), определяемого
х
соотношением . Поэтому достаточно огра-
и
ничиться получением решения для установившегося режима [4].
8)Решение дифференциального уравнение атмосферной диффузии методом Берлянда при помощи программы ЭКОЛОГ
Из структуры уравнений атмосферной диффузии следует, что при фиксированных параметрах источника сохраняющейся примеси ЗВ изменение концентрации ее в атмосфере над торфяником при его горении определяется турбулентным обменом и скоростью ветра. При прогнозе загрязнения воздуха в окрестности автомагистрали основной интерес представляет определение ожидаемых концентраций у поверхности, в «жизнедеятельном» слое атмосферы.
В этой связи, при «стилизации» объекта торфяного пожара в геометрическую форму площадного источника модель расчета полей концентраций можно свести к упрощенной эм-
пирической формуле, полученной сотрудниками ГГО им А.И. Воейкова на основе многолетних исследований и применяемой в действующем нормативном документе ОНД-86 [5]: АМРтп г] Н2(У_АТУ 3 • (14)
где: См - концентрация ВВ, г/м3; М- мощность источника загрязнения, г/с; ДТ- разность температур, 0С; ^ - безразмерный коэффициент, учитывающий скорость оседания загрязняющих веществ в атмосфере; А - коэффициент, зависящий от температурной стратификации атмосферы, ; V - расход газовоздушной смеси, выделяемой с поверхности торфяника (м3/с); коэффициенты т и п выражаются интерполяционными формулами; ^ - коэффициент, зависящий от скорости осаждения ВВ .
9) Результаты расчетных оценок загрязнения воздуха на автомагистрали и в населенных пунктах ее окрестности в долях ПДКМР.
На рис. 2, в качестве примера, показаны изолинии превышения концентраций СО в долях ПДКМР в окрестности автомагистрали «Сибирь» во время, ранее упомянутого, транспортного коллапса.
0337 Углерод оксид 5000 ЮООО
ЮООО 15000
.............1
О 0,05 0,10 0.20 0,30 0.40 0,50 0,60 0,70 0.00 0,00 1 1,50
Рисунок 2 - Расчетный прогноз загрязнения СО торфяного пожара в окрестности федеральной трассы «Сибирь» (в долях ПДКмр)
10)Расчет дальности видимости по концентрации взвешенных дымовых частиц. Расчет по формуле Траберта [6]
аг
(15)
ния торфяного пожара и построение карты риска ДТП.
Расчет дальности видимости в условиях задымления сводится к определению «видимого горизонта». На протяжении всего периода горения задымление на автомагистралях, попадающих в зону торфяного пожара, изменяется соответственно концентрации взвешенных дымовых частиц в атмосфере. С уменьшением дальности видимости увеличивается риск ДТП.
Численные оценки опасного воздействия торфяного пожара на транспортный процесс по разработанной методике.
Пример 1. Расчет значений концентраций для реальных условий ЧС в Иркутской области.
Исходные данные ЧС.
Тип источника загрязнения - совокупность точечных источников («дымовых гейзеров») Площадь очага горения - 25 га. Отдаленность от автомагистрали - 2,5км. Время года - зима Скорость ветра - 5 м/с Диапазон температур - -10 - -20С Коэффициент стратификации для данной территории - 180
Скорость выхода газо-воздушной смеси - 5м/с Мощности выброса: СО - 115 г/с; РМ2,5 - 15 г/с; РМ10 - 20 г/с
Таблица 3 - Сравнительный анализ полученных результатов с реальными измерениями службами Росгидромета во время ЧС
п. Тельма п. Железнодорожный ФАД Р-255 «Сибирь» 1820 км ФАД Р-255 «Сибирь» 1822 км ФАД Р-255 «Сибирь» 1824 км
Значения измерений СО службами Росгидромета, мг/м3 0,5 0,6 0,6 0,7 0,7
Значения концентраций СО, полученных при расчетах для реальных условий ЧС, мг/м3 0,56 1,22 1,73 1,57 1,31
Значения концентраций РМ2,5, полученных при расчетах для реальных условий ЧС, мг/м3 0,1 0,21 0,3 0,27 0,23
Значения концентраций РМ10, полученных при расчетах для реальных условиий ЧС, мг/м3 0,15 0,32 0,45 0,41 0,34
Полученные значения концентрации СО измеренных на местности объясняется тем, что
были сопоставлены со значениями реальных расчет сделан в предположении неблагоприят-
измерений службами Росгидромета. Отличие в ного (для рассеивания) направления ветра. большую сторону расчетных результатов от
где: Ьу - дальность видимости; а1 - размерная константа; - сумма площадей поперечных сечений частиц аэрозоля, содержащихся в единице объема воздуха.
Формула (15) с учетом обоснованных допущений приводится к виду
Ьу=а — • г , (16)
ч
где а -размерная константа. д (мг/м3) - массовая концентрация аэрозоля в воздухе, р(г/см3) -плотность частиц аэрозоля.
11)Действующие ПДКмр ЗВ на автомагистрали и в населенных пунктах ее окрестности (табл. 2)
Таблица 2 - ПДКмр идля ЗВ, выделяющихся при горении торфа
№ п/ п Наименование вещества ПДК (мг/м3)
Максимальная разовая Среднесуточная Среднегодовая
1 Угарный газ СО 5,0 3,0 -
2 Взвешен-
ные части- 0,3 0,06 0,04
цы РМю
3 Взвешен-
ные части- 0,16 0,035 0,025
цы РМ2.5
12)Расчет дальности видимости на участках автомагистрали, попадающих в зону влия-
Пример 2. Расчет значений концентраций для гипотетического неблагоприятного развития ЧС в Иркутской области.
Тип источника загрязнения - совокупность точечных источников («дымовых гейзеров»)
Площадь очага горения - 25 га. Отдаленность от автомагистрали - 2,5
км.
Время года - зима Скорость ветра - 2,2 м/с Диапазон температур - -10 - -20 С Коэффициент стратификации - 250 Скорость выхода газо-воздушной смеси
- 5 м/с
Мощности выброса: СО - 115 г/с; РМ2,5 - 15 г/с; РМ10 - 20г/с
Таблица 4 - Сравнительный анализ полученных результатов с реальными измерениями службами Росгидромета при неблагоприятном развитии ЧС
п. Тельма п. Железнодорожный ФАД Р-255 «Сибирь» 1820 км ФАД Р-255 «Сибирь» 1822 км ФАД Р-255 «Сибирь» 1824 км
Значения концентраций СО, 3,17 6,09 8,15 7,47 6,47
полученных при расчетах для НМУ, мг/м3
Значения концентраций 0,71 1,37 1,83 1,68 1,46
РМ2,5, полученных при расчетах для НМУ, мг/м3
Значения концентраций 0,79 1,57 2,04 1,87 1,62
РМ10, полученных при расчетах для НМУ, мг/м3
Анализ данных таблиц 3 и 4 свидетельствует о том, что при неблагоприятном развитии ЧС опасность последствия торфяного пожара для участников дорожного движения может возрасти в несколько раз.
Во время ЧС дальность видимости составляла, в среднем, 50-100 м, а временами уменьшалась до 5 м. Движение по трассе полностью останавливалось, особенно в утреннее и вечернее время, когда задымленность усугублялась густым туманом. Во время ЧС на трассе «СИБИРЬ» произошло ДТП с единовременным участием 13-ти автомобилей. Всего за время ЧС
Вывод.
Разработанная методика и данные, полученные на ее основе в настоящем исследовании, могут быть использованы при прокладке автомагистралей в заболоченных регионах страны.
Литература
1. Доклад Министра РФ по делам ГО и ЧС В. А. Пучкова «О долгосрочных перспективах развития системы МЧС России (МЧС-2030)», рассмотренный 30.10.2012 г. на заседании Экспертного совета МЧС
России [Электронный ресурс] : http://www.region-60.ru/novosti/zhizn/6556029/
2. Берлянд М. Е. Современные проблемы атмосферной диффузии и загрязнения атмосферы, Л.: Гидрометеоиздат, 1975. - 448с.
3. Берлянд М. Е., Генихович Е. Л., Оникул Р. И. Моделирование загрязнения атмосферы выбросами из низких и холодных источников. - Метеорология и гидрология. - 1990. - № 5. - С. 5-16.
4. Lozhkina O. V., Lozhkin V. N. Estimation of road transport related air pollution in Saint Petersburg using European and Russian calculation models / Journal Contents lists available at ScienceDirect «Transportation Research Part D», № 36, 2015. - p. 178-189, journal homepage: www.elsevier.com/ locate/t.
4. Общесоюзный нормативный документ «Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий». - Л.: Гидрометеоиздат, 1987. - 93с.
5. Оникул Р.И., Яковлева Е.А. О расчете дальности видимости при существенном антропогенном аэрозольном загрязнении воздуха у земной поверхности. - Вопросы охраны атмосферы от загрязнения: Информационный бюллетень. -СПб: НПК «Атмосфера», 2010. - №1-2(41-42) - 143-164с.
6. Evidence growing of air pollution's link to heart disease, death. American Heart Association. May 10, 2010.
