О СОЗДАНИИ СИСТЕМЫ ПРОГНОЗА ТОРФЯНОЙ ПОЖАРНОЙ ОПАСНОСТИ Текст научной статьи по специальности «Математика»

Фильков А. И.

О СОЗДАНИИ СИСТЕМЫ ПРОГНОЗА ТОРФЯНОЙ ПОЖАРНОЙ ОПАСНОСТИ

Приводится обзор существующих в России и за рубежом методик и моделей воспламеняемости торфяных залежей и даётся их оценка. Предлагается физически обоснованная детерминировано-вероятностная система прогноза пожаров на торфяниках, учитывающая все известные причины, вызывающие возникновение торфяных пожаров, а также метеорологическую информацию и характеристики напочвенного покрова.

Ключевые слова: торфяные пожары, влаго-содержание, вероятность, прогноз, природные и антропогенные причины.

Fil'kov A.

ABOUT DEVELOPMENT OF PEAT FIRE DANGER PREDICTING SYSTEM

The analysis and evaluation of peat deposit ignition models available in Russia and abroad are was made. A physically based deterministic and probabilistic technique of predicting peatbog fires taking into account all known causes of peat fires, meteorological information and peat characteristics is offered.

Keywords: peat fires, moisture content, probability, prediction, nature and anthropogenic factors.

Торф покрывает около 3 % площади суши, а его запасы в мире составляют более 400 млн гектаров [1]. Торф в качестве топлива и для нужд сельского хозяйства добывают уже длительное время. Но у этого полезного ископаемого есть свой минус - торфяной пожар. Лето 2010 года наглядно показало, что торфяные пожары могут стать национальной катастрофой. Одна из причин этого - отсутствие какой-либо системы прогноза пожаров на торфяниках. Проведённый анализ показал, что данной проблемой занимаются недостаточно и лишь единичные работы посвящены исследованию проблемы вос-

пламенения торфов и разработке методик их прогноза [2-6].

Например, работа Уильяма Франд-сена [2] посвящена исследованию зажигательного потенциала органических почв. В рамках исследования предела воспламенения и горения в виде тления автором были проведены тестовые зажигания образцов органической почвы, собранных на участках, подверженных природным пожарам, на территории США. Знание доли неорганической составляющей и влагосодержания органических почв позволяет осуществлять управление с помощью определения вероятности воспламенения в виде тления. Зная вероятности воспламенения, можно определить, где необходимо проводить заблаговременные контролируемые отжиги и предупредительные работы, препятствующие возникновению пожара. Полученные вероятностные выражения имеют большую практическую ценность и должны быть использованы для разработки новых методик прогноза вероятности возникновения почвенных и торфяных пожаров.

В работе [3] утверждается, что наиболее точно пожароопасность может быть оценена вероятностью появления открытых источников огня и балансом влаги в напочвенном покрове. В рамках этого предлагается эмпирическая модель для определения запаса влаги в любой день пожароопасного периода, учитывающая первоначальную влажность напочвенного покрова, удельное испарение, поглощённую солнечную радиацию, величину выпавших осадков и сток осадков, не задержанных напочвенным покровом, в почву. К сожалению, данная модель построена на основе наблюдений, как и любая эмпирическая модель, и носит оценочный

характер. Кроме того, авторы не учитывают вероятность появления источников огня, определяемую природными и антропогенными факторами.

Работа [4] посвящена выявлению зависимости готовности торфа к воспламенению и распространению горения, в ней предложена формула для её определения. Природная пожароопасность определяется в основном двумя показателями: влажностью W и скоростью ветра V. Другие входящие в выражение параметры имеют для данного вида торфа постоянные значения. Данная работа имеет аналогичные недостатки, что и предыдущая.

Ряд работ посвящён саморазогреванию и самовозгоранию торфа на полях добычи. Для определения показателя пожарной опасности требуется большой массив информации, получить которую довольно трудно. В связи с этим, в работе [1] была предложена упрощённая методика определения пожарной опасности на торфяных полях, в соответствии с которой в период устойчивой засушливой погоды опасность пожара можно определить, используя величины психрометрической разности А^, °С, и скорости ветра V, м/с, в 15 часов местного (солнечного) времени. Необходимо отметить, что данная классификация не учитывает зависимость саморазогревания и самовозгорания от многих факторов различной природы. Статистические методы объективно отражают поведение торфа при хранении в текущем сезоне. Однако они имеют существенные ограничения при распространении их результатов на предстоящий сезон в связи с возможным изменением свойств торфяных залежей и условий производства и хранения торфа. Позже были разработаны новые классификации торфа по склонности к саморазогреванию и самовозгоранию.

При разработке другого метода прогнозирования учитывалось, что на процессы саморазогревания и самовозгорания оказывают большое влияние следующие

основные факторы: природно-генетические, метеорологические, технологические, температура торфа в штабеле [5]. Решение об отнесении торфа к опасной или малоопасной категории определяется из системы неравенств эмпирического характера. Неравенства базируются на прогностических коэффициентах, определение которых неоднозначно.

Моделирование сложного процесса саморазогревания торфа в штабеле проведено В. М. Шпынёвым [6]. В своей работе автор использует имитационное моделирование для реализации сложного динамического процесса. Цель моделирования - выявление интенсивности процесса саморазогревания торфа в штабелях в зависимости от внешних факторов для установления данных о температуре в штабеле в любой момент времени. К сожалению, данная работа посвящена только одному из факторов, являющемуся причиной возникновения торфяных пожаров.

Таким образом, из вышеизложенного следует, что в настоящее время исследователями предлагаются модели и методики, учитывающие один или несколько факторов, влияющих на пожарную опасность торфяников, и игнорируется вся совокупность причин. Следовательно, необходимо разрабатывать физически обоснованные детерминировано-вероятностные модели прогноза торфяной пожарной опасности, учитывающие все факторы, влияющие на возникновение пожаров на торфяниках.

СВОЙСТВА ТОРФА И ПРИЧИНЫ ВОЗГОРАНИЯ

Аля разработки системы торфяной пожарной опасности необходимо выяснить основные пирологиче-ские особенности торфа и причины его возгорания. Для болота характерно отложение на поверхности почвы неполно разложившегося органического вещества,

превращающегося в дальнейшем в торф. Физические свойства торфа зависят от степени разложения (отношение массы гумуса (разложившейся части органики) ко всей массе торфа), дисперсности твёрдой части, оцениваемой удельной поверхностью. В естественном залегании торф содержит до 88-96 % воды, имеет пористость до 96-97 %. Слаборазложившийся торф в сухом состоянии имеет низкую плотность - до 300 кг/м3. Торф поглощает и удерживает значительные количества влаги, катионов металлов (особенно тяжёлых). Максимальная теплота сгорания составляет 24 МДж/кг.

Повышенная пожарная опасность торфа обусловлена его пористой структурой, малой плотностью и наличием в составе до 40 % кислорода, что позволяет развиваться процессам горения в скоплениях и залежах скрыто, практически без доступа воздуха. В сухом состоянии торф характеризуется плохой смачиваемостью, что усложняет ликвидацию пожаров и загораний. К показателям пожарной опасности относят также параметры, характеризующие теплофизические свойства торфа. Значение коэффициента теплопроводности торфа изменяется от 0,1 до 0,5 Вт/м-К, практически не зависит от вида торфа и степени разложения и определяется плотностью, влажностью, газонасыщенностью, пористостью. Удельная теплоёмкость сухого торфа составляет 1,96 кДж/кг-К. Торф со степенью разложения 30 % не горит при влагосодержании более 69 %.

Согласно [1, 4, 6], основными причинами торфяных пожаров являются: самовозгорание торфа; «сухие грозы» (удары молний без последующего ливня); антропогенные источники (искры, возникающие при работе техники, неосторожное обращение с огнём и др.).

Самовозгорание торфа - это воспламенение торфа из-за его окисления кис-

лородом воздуха. При этом не обязателен приток тепла извне. В процессе участвуют микроорганизмы, продукты жизнедеятельности которых накапливаются в анаэробных условиях и приводят к постепенному прогреванию массы торфа до 60-65 °С. При последующем повышении температуры торф превращается в полукокс, склонный к спонтанному самовозгоранию под действием кислорода воздуха. Нужно отметить, что способность к самовоспламенению, в основном, имеет торф на полях добычи, в процессе его хранения. Как правило, торф имеет свойство к самовозгоранию, если его влажность меньше 28-30 %. Степень пожароопасности также зависит от ботанического состава торфа и степени его разложения.

Значительный процент возгораний наблюдается также из-за грозовой активности, в частности, «сухих гроз». При этом пожары от молний могут быть труднодоступными из-за их удалённости от объектов инфраструктуры.

Развитие торфяных пожаров обусловлено комплексом климатических, метеорологических, топографических и рядом других факторов. К их числу можно отнести также продолжительность засушливого периода, интенсивность солнечной радиации, время суток, температуру воздуха, влажность, структуру и уплотнённость торфяной залежи, степень разложения торфа, направление и скорость ветра, рельеф местности, наличие преград огню, уровень стояния грунтовых вод.

Так, продолжительность засушливого периода оказывает существенное влияние на характер развития пожаров на торфяных месторождениях. Крупные пожары наиболее часто возникают в периоды с мая по сентябрь, когда устанавливается засушливая погода. При этом происходит интенсивное иссушение торфяного пласта и понижение уровня стояния

В СОСТАВЕ ОРГАНИЧЕСКОй ЧАСТИ ТОРФА ПЯТЬ

основных элементов:

С - 54-63 %; О - 34-36 %; Н - 5,8-6,6 %; N - 1,5-2,6 %; S - 0,2-0,5 %

грунтовых вод. Проходящие кратковременные дожди несколько увлажняют почву, но не настолько, чтобы восполнить потери при испарении влаги. Обычно крупные торфяные пожары возникают не раньше, чем на 4-5 день устойчивого засушливого периода.

Влага выпавшего после продолжительной засухи дождя очень медленно проникает в толщу торфа. Поэтому он горит и в очень сырую осеннюю погоду и даже под снегом, когда напочвенный покров сильно увлажняется и гореть не может. Точнее, торф не горит, а тлеет.

Одним из путей решения задачи раннего предупреждения торфяных пожаров является использование математических моделей для прогнозирования возможных состояний лесоболотных ландшафтов, определения участков с наибольшей степенью пожароопасности, вероятность возникновения торфяного пожара в которых будет определяться двумя факторами: готовностью торфа к возгоранию, распространению горения и источниками огня. Готовность торфа к воспламенению и распространению горения по поверхности определяется влажностью его верхнего слоя в момент воспламенения, а процесс заглубления пожара внутрь торфяной залежи и переход его в так называемую подземную форму зависит от распределения влажности торфа по глубине залежи.

Существующие методики определения пожарной опасности учитывают этот параметр эмпирически в обобщённом виде для всего торфяного массива. Однако влажность торфа в залежи распределена неравномерно, является функцией пространственных координат и изменяется динамически в зависимости от внешних условий. Зная распределение влажности по территории торфяного массива, можно выделить зоны повышенного пожарного риска. Информация такого

рода может быть использована при организации системы мониторинга торфяных пожаров. Наиболее эффективным способом получения информации о пространственном распределении влаги в обоих случаях является метод математического моделирования.

МЕТОДИКА ПРОГНОЗА ПОЖАРОВ НА ТОРФЯНИКАХ

В работе [7] утверждается, что возникновение природного пожара носит вероятностный характер и зависит не только от погодных условий и грозовой активности, но и от уровня антропогенной нагрузки, скорости ветра, влагосодержания горючих материалов и реакционной способности этих материалов. Был предложен общий вид детерми-нировано-вероятностной модели прогноза лесных пожаров, уточнение и проверка которой были проведены в [8]. Для обоснования предлагаемой модели авторами был проведён ретроспективный анализ с учётом конкретных метеоусловий и антропогенной нагрузки на леса за 5 лет, и было показано, что предложенная модель более точно прогнозирует вероятность появления лесных пожаров на рассматриваемой территории, чем существующий в настоящее время в России ГОСТ Р 22.1.09-99.

Для разработки предлагаемой модели прогноза пожаров на торфяниках используется подход, представленный в [7]. В качестве достаточных условий невоспламенения слоя торфа будем считать

W.. > W.*,

. I*'

где WjJ - текущее влагосодержание слоя торфа на .-м выделе в .-й временной интер-вал;Ж* - критическое влагосодержание

слоя торфа на У-м выделе, при котором торф не воспламеняется и пожар не возникает.

Согласно проведённому обзору [1-7], все причины, вызывающие возгорание торфяников, можно разделить на две группы: природные (Л1) и антропогенные (А2). Самовозгорание вынесли в антропогенную группу - несмотря на то что оно происходит в результате жизнедеятельности микроорганизмов, оно возникает только в штабелях фрезерного торфа на полях добычи. Эти причины в совокупности определяют пожароопас-ность торфа, характеризующую потенциальную возможность возникновения и развития пожаров.

Основными характеристиками предлагаемой модели являются:

- отрезок времени в рамках которого изучается явление зажигания торфяников (обычно это промежуток с мая по сентябрь);

- выдел, под которым понимают У-й участок с конкретным типом торфа.

Общее число всех видов торфяной пожарной опасности на рассматриваемом

У-м выделе для заданного времени ^ равно

2

Д (0 = £Ц»(0, где Д„(0 - число опас-

Л=1

ностей Ап вида на том же выделе (п = 1 соответствует зажиганию торфа от молний, п = 2 - по антропогенным причинам).

Вероятность появления конкретного вида пожарной опасности определяется по формуле:

Р,п(Ап, О

(1)

Из анализа (1) следует, что Рп(Ап,0 < 1 по определению, а вероятность возникновения пожаров от всех видов опасности на У-м выделе равна

п=1

Л=1

т

Наряду с независимыми друг от друга причинами возникновения торфяных пожаров необходимо учитывать тот факт, что торф, влагосодержание которого больше критического, не горит. Кроме того, пожар не возникнет, если на У-м выделе отсутствует горючий материал. Поэтому необходимо ввести величину вероятности того, что в момент времени ^ влагосодержание слоя торфа меньше критического

0 при УУу > УУ^

ж.. , (3)

1--— при

где значение РУ(0,0 = 0 соответствует случаю, когда на -й площади нет торфа (поверхность дорог, рек и озер) или на слой торфа выпали осадки, в результате чего Щ ^ > Wr Видим, что по определению величина РУ(0,0 < 1.

Величина влагосодержания Щ определяется с помощью математической модели сушки слоя торфа, Щ* берётся из литературных данных.

Представляет интерес количественная теория прогнозирования лесных пожаров, вызываемых молниями [9]. Основу её составляет соотношение:

Р(Ш.) = Р(т, \Ь) Р(Д

(4)

где Р^П \Ь) - вероятность возникновения лесного пожара при ударе молнии; Р(Ь) -вероятность появления молнии. Воспользовавшись данным подходом, а также учитывая предложенную физическую модель возникновения торфяных пожаров (см. рисунок), уравнения (1)-(4) и теорему умножения вероятностей, получаем следующее выражение для вероятности возникновения торфяных пожаров на У-м выделе в момент времени /":

р, (0=¿^ (рр I (с'0, (5)

Л=1

Физическая модель возникновения торфяных пожаров

где Р (Ап,/) - вероятность появления конкретной антропогенной и природной пожарной опасности п-го типа в момент времени /, достаточной для зажигания слоя торфа; Р|П(Р^| Ап,/) - вероятность возникновения пожара вследствие действия антропогенной и природной пожарной опасности п-го типа в тот же момент времени /; Р/С,/") - вероятность готовности воспламенения.

Распишем формулу (5) по видам пожарной опасности:

В работе [9] для прогнозирования лесных пожаров, вызванных молниями, предложено определение вероятности появления молний через соответствующие частоты. Данный подход был использован для нахождения величин:

Р^Ш)^, (6)

где - количество дней для ¡-го выдела, когда были «сухие грозы»; МА1 - количество дней пожароопасных сезонов для -го выдела с антропогенной нагрузкой, достаточной для зажигания торфа; Л^,. - количество пожаров вследствие молний (п = 1) или антропогенных причин (п = 2) соответственно; - общее количество дней пожароопасных сезонов для -го выдела за некоторый период времени; NFQ¡ - общее количество пожаров для -го выдела за некоторый период времени. Из выражения (6) очевидно, что величины Рп(Ап,/), P¡n(PF| Ап,/) меньше единицы.

Вероятность возникновения пожара вследствие самовозгорания будет рассчитываться только для тех выделов, которые находятся на территории торфяных разработок. Так как статистические данные по Л^,. в лесхозах отсутствуют, воспользуемся статистическими данными работы [10] для определения показателя пожароопасной посещаемости лесов вблизи населённого пункта Р.2(А2,/). Для выявления пожарной опасности в результате самовозгорания торфа предлагается использовать метод, изложенный в [6].

Таким образом, зная текущее значение влагосодержания W¡) и статистическую информацию о выделе, можно

рассчитать вероятность возникновения торфяного пожара для прогнозируемого промежутка времени.

На следующем этапе данной работы планируется проведение ретроспективной проверки предложенной модели

на полевом стационаре «Васюганский» Томской области для промежутка времени не менее 5 лет с учётом реальной метеорологической информации, а также статистической информации о произошедших пожарах.

ЛИТЕРАТУРА

1. Чулюков М. А., Чайков В. И. Торфяные пожары и меры борьбы с ними. - М.: Недра, 1969.

2. Frandsen W. H. Ignition Probability of Organic Soils // Can. J. For. Res. - 1997. - № 27. - P. 1471-1477.

3. Лиштван И. И., Базин Е. Т., Косое В. И. Физические процессы в торфяных залежах. -Мн.: Наука и техника, 1989.

4. Малков Л. М, Козлов В. А, Гублер Е. В. Комплексная оценка склонности фрезерного торфа к саморазогреванию и самовозгоранию // Торфяная промышленность. - 1983. - № 8. - С. 18-21.

5. Технологические регламенты на складирование и хранение фрезерного торфа. - Л., 1966.

6. Шпынёв В. М. Влияние внешних факторов на саморазогревание торфа // Торфяная промышленность. - 1983. - № 12. - C. 19-20.

7. Гришин А. М. Моделирование и прогноз катастроф. Ч. 1. - Томск: Изд-во Томского ун-та, 2003.

8. Гришин А. М, Фильков А. И. Ретроспективный анализ системы прогноза лесной пожарной опасности // Экологические системы и приборы. -2005. - № 8. - С. 23-25.

9. Smeyer J., Franklin R. Model for the Prediction of Lightning-caused Forest Fires // Milwaukee Symp. Automat Contr. Milwaukee's. Wiac. 1974. New York, 1974. PP. 203-208.

10. Андреев Ю. А., Ларченко Г. Ф. Социально-психологические аспекты рекреационных посещений леса и возникновение пожаров // Лесные пожары и борьба с ними. - М.: ВНИИЛМ, 1987. -С. 251-263.