CC BY
16
УДК 502/504 : 628.11 : 629.7.067.8 К. С. СЕМЕНОВА
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Российский государственный аграрный университет — МСХА имени К. А. Тимирязева», г. Москва
ОБОСНОВАНИЕ ОБЪЕМА ПРОТИВОПОЖАРНОЙ ВОДОПОДАЧИ ПРИ ШЛЮЗОВАНИИ ТОРФЯНИКОВ
Актуальной проблемой является предупреждение пожаров на торфяниках. С целью решения данной проблемы рассматривается богатая осушенными торфяниками Мещерская низменность, а для ее решения предлагается увлажнение с помощью шлюзования каналов осушительной сети до влажности более 0,5 от пористости. Для проверки эффективности данного способа борьбы с пожарами применена двумерная математическая модель, и получены результаты расчетов вариантов шлюзования с подъемом уровня воды в каналах ниже поверхности земли на 0,5 и 0,8 м. Проведено сравнение полученных по модели объемов воды для разных вариантов шлюзования каналов, необходимых для обеспечения противопожарной влажности почвы. Рекомендован оптимальный вариант шлюзования. С помощью модернизированной математической модели А. И. Голованова и Ю. И. Сухарева выполнен расчет показателей шлюзования осушенных болот в Мещерской низменности. Длительность периода расчетов составила 53 года. Рассмотрены несколько вариантов шлюзования с разным подъемом уровней воды в каналах для пяти действующих метеостанций. Результаты расчетов визуализированы путем построения карт изменения показателей шлюзования для Мещерской низменности. Отмечается,что необходима оптимизация показателей шлюзования, так как при значительном подъеме уровня грунтовых вод корневая система подтапливается и растения снижают свою продуктивность, а высокая влажность верхнего слоя торфа препятствует его возгоранию. Высказаны соображения о преимуществе травопольного содержания осушенных торфяников с целью их сохранения как ценных природных объектов и земельных угодий. Оценены объемы дренажного стока и подачи воды в осушительную сеть при разных вариантах шлюзования осушительной сети для лет с разным дефицитом природного увлажнения территории. Результаты позволяют рассчитать объем пруда-накопителя в случае временного недостатка воды в острозасушливые периоды.
Мещерская низменность, противопожарное шлюзование, дефицит увлажнения,
влажность торфяника, шлюзование с подъемом уровня воды в канале, объем
водоподачи.
Введение. Мещерская низменность -обширная равнина в Центральной России. С юга она ограничена рекой Окой, с севера - Клязьмой, с востока реками Судогдой и Колпной. Западная граница равнины доходит до Москвы: парк Сокольники» и национальный парк «Лосиный остров» -остатки лесных массивов равнины.
Мещерская низменность богата болотами, в том числе и выработанными, а также используемыми в сельском хозяйстве. Близость к Москве и к другим городам, задымление которых при торфяных пожарах создает опасность для здоровья и жизни людей, делает проблему предупреждения пожаров весьма актуальной. Характерным для этого был 1972 год, экстремальный (с повторяемостью менее 2 %) по засушливости, дефицит увлажнения, то есть разность между испаряемостью и осадками, для которого составил на разных станциях
(84
от 434 до 608 мм, и превысил примерно в 2,7...3,3 раза норму осадков за теплый период (132...225 мм). В другом, экстремально влажном 1962 году, дефицит сменился избытком влаги и колебался по станциям от -191 до -304 мм. (табл. 1). Амплитуда колебания увлажнения составила от 673 до 827 мм за теплый период 53 лет.
Материал и методы. Для исследования процесса увлажнения корнеобитаемого слоя при разных вариантах шлюзования осушительной сети применена математическая модель А. И. Голованова и Ю. И. Сухарева. Примененная модель была проверена нашими экспериментальными данными [1]. В отличие от других методов расчета она детально описывает процессы влагопе-реноса, учитывает особенности движения влаги при неполном насыщении и влияние растительного покрова.
1' 2016
Таблица 1
Характеристика лет по дефициту увлажнения (мм) за теплый период для станций Павловский Посад, Черусти, Владимир, Тума, Шилово
№№ ряда Павлов. Посад Черусти Владимир Тума Шилово Обеспеченность, % Характеристика года
1 450 434 482 456 608 1,3 самый сухой
2 389 325 365 400 448 3,2
3 314 272 331 321 412 5,1
4 294 262 329 311 371 6,9
5 290 222 302 310 334 8,8
6 238 218 258 305 324 10,7 сухой
7 237 214 251 303 299 12,5
8 225 199 251 298 297 14,4
9 223 198 240 293 290 16,3
10 205 197 226 276 290 18,2
11 198 196 224 268 290 20,0
12 195 190 211 263 283 21,9
13 190 188 196 245 281 23,8
14 174 187 187 233 266 25,7 полусухой
15 174 185 187 232 261 27,5
16 174 161 184 202 254 29,4
17 159 159 170 202 251 31,3
18 159 149 157 201 240 33,1
19 157 145 154 192 239 35,0
20 121 143 145 191 236 36,9
21 114 140 143 187 235 38,8
22 102 133 142 178 223 40,6
23 87 127 141 174 199 42,5
24 81 122 123 174 198 44,4
25 80 121 119 170 188 46,3
26 69 118 118 163 183 48,1
27 58 116 110 163 182 50,0 средний
28 47 108 103 159 178 51,9
29 43 98 99 155 176 53,7
30 37 75 98 143 172 55,6
31 34 69 87 114 150 57,5
32 32 67 79 99 138 59,4
33 28 59 74 92 127 61,2
34 23 57 66 76 120 63,1
35 16 47 63 67 105 65,0
36 1 47 59 66 89 66,9
37 -8 41 56 63 87 68,7
38 -15 37 51 61 83 70,6
39 -19 30 46 52 81 72,5
40 -20 25 43 39 80 74,3 полувлажный
41 -21 25 40 35 62 76,2
42 -27 13 26 27 56 78,1
43 -37 12 24 21 43 80,0
44 -39 1 20 -9 25 81,8
45 -49 -31 12 -13 -12 83,7
46 -61 -35 10 -24 -24 85,6
47 -63 -56 7 -31 -31 87,5
48 -73 -67 3 -47 -34 89,3 влажный
49 -99 -75 -34 -55 -39 91,2
50 -122 -92 -80 -94 -96 93,1
51 -145 -110 -94 -103 -146 94,9
52 -164 -220 -128 -284 -156 96,8
53 -293 -241 -191 -304 -219 98,7 самый влажный
Амплитуда, мм 743 675 673 760 827
При математическом моделировании противопожарного шлюзования в разные по увлажнению годы был применен геосистемный (ландшафтный) подход, позволивший считать болото непременной частью местного водосбора, питание его осуществляется за счет притока с вышележащих склонов и возвышенностей.
Для моделирования противопожарного шлюзования в разные по увлажнению годы необходимо определить водно-
1' 2016
физические свойства торфяной залежи и окружающей болото территории. Для этого обобщены данные [2, 3]. Моделирование велось для низинных торфяников одной древесно-травяной группы и торфяной залежи одного древесно-осокового вида. Характеристики низинных торфяников: плотность 0,2...0,3 т/м3, коэффициент фильтрации 1...2 м/сут, высота капиллярного подъема 0,65.0,9 м, пористость 0,75.0,85 объема, водоотдача 0,08.0,14 относит. ед. [4], степень разложения 30.75 %,
1вб)
зольность 10...30 % на абсолютно сухую почву [5].
Принято, что осушенные торфяники осваиваются для высокопродуктивных кормовых смесей, густой травостой которых обеспечивает пожаростойкость по сравнению с измельченной и иссушенной гидрофобной торфяной массой с плохим впитыванием воды и легко подверженной возгоранию даже от окалины, вылетающей из выхлопных труб двигателей.
Надежность прогноза зависит от длительности периода моделирования, были использованы 53-х летние ряды данных по всем работающим метеостанциям Мещеры.
Предпочтительней прямой счет влажности, так как известные способы расчета шлюзования (С. Ф. Аверьянов, Н. Н. Веригин, Д. А. Манукян и др.) не дают описания влажности, а только напоров в зоне полного насыщения. Использованный при моделировании термодинамический подход позволяет помимо гравитационного рассматривать и другие составляющие потенциала почвенной влаги (каркасный и капиллярный), а, следовательно, вычислять влагосодержание среды [6].
При многолетних прогнозах надо рассчитывать цепочку связанных начальными условиями лет, поэтому надо вводить при расчетах каждый год целиком, в виде гидрологического года, который начинается для данной местности 1 апреля, т.е. с начала теплого периода и до его конца, когда температура воздуха превышает +5 °С, и следующий за ним холодный период со снеговым покровом, когда поступление влаги прекращается, испарение отсутствует, а вода накапливается на поверхности. Учтя по известным формулам испарение с поверхности снега
[7] и используя величины коэффициента поверхностного стока по А. Н. Костякову
[8], можно ориентировочно найти объем поверхностного стока и, следовательно, слой весеннего увлажнения, который и принимается начальным для следующего года. Для использования этого алгоритма счета год разбивается на два периода: теплый, а затем холодный со своими показателями погоды.
Была учтена географическая изменчивость погодных условий, явно проявляющаяся на карте дефицитов
увлажнения теплого периода средняя для 53 лет (рис. 1). Она явилась основой зонирования показателей шлюзования (подъема уровня воды в осушительных каналах или напора в дренах, влажности, глубин грунтовых вод, объема дренажного стока, объема подачи воды для шлюзования и др.). Было рассмотрено три варианта расчета для каждой из 5-ти метеостанций:
1. так называемое «стандартное» осушение с глубиной регулирующей и ограждающей сети, рекомендуемой нормами и правилами, обеспечивающей минимально допустимую норму осушения, которая в засушливые годы создает некоторую переосушку и которая имеет место в практике осушения болот Мещеры. Это явление вызывает необходимость создания осушительно-увлажнительных систем;
2. «мягкое» шлюзование с поддержанием уровней воды в канале на 0,8 м ниже поверхности земли;
3. «решительное» шлюзование с поддержанием уровней воды в канале на 0,5 м ниже поверхности земли.
Рис.1. Изолинии дефицитов увлажнения теплого периода (средние для 53 лет)
В последнем случае уровни грунтовых вод уже заходят в пределы корнеобита-емой зоны, начинают угнетать растения и
снижать продуктивность посевов, но создают гарантированное противопожарное увлажнение поверхностного слоя торфа. По литературным данным многие считают пожаробезопасной влажность верхнего слоя торфа более 0,5...0,6 доли пористости [9, 10]. Глубину систематических дрен принимали равной 1,0.1,2 м, ограждающей сети (ловчих дрен) назначали в пределах 1,2.1,4 м.
Результаты и обсуждение. Результаты прогноза показателей шлюзования приведены в таблице 2. Всего было выполнено 15 прогнозов: для пяти метеостанций и для трех вариантов: без шлю-
Результаты прогноза шлюзования приведены на карте изолиний подачи воды для шлюзования до 0,8 м средние для 53 лет (рис.2). На рис.1 видно направление изменения изолиний дефицитов увлажнения теплого периода: с северо-запада на юго-восток. Это направление
1' 2016
зования; шлюзование с подъемом уровня воды в каналах или напоров в дренах ниже поверхности земли на 0,8 м; аналогичное - ниже на 0,5 м. Из таблицы 3 видно закономерное уменьшение глубины грунтовых вод и увеличение влажности торфа при подъеме уровней в каналах. Так при подъеме уровня воды в канале до 0,8 м и до 0,5 м глубина грунтовых вод уменьшается с 0,85 до 0,60 м, а влажность в слое 0.25 см растет с 0,63 до 0,73 пористости. Последнее особенно важно, так как при этом проходит рубеж опасной противопожарной влажности торфа.
преимущественного движения циклонов и антициклонов. В таком же направлении меняется и подача воды в каналы для подъема уровня грунтовых вод при шлюзовании до 0,8 м (рис. 2). Качественно эти две карты совпадают, потребность воды для шлюзования каналов увеличивается
5
Таблица 2
Результаты прогноза показателей шлюзования (среднемноголетние показатели
за 53 года с 1959 по 2011 гг.)
Дренажный сток, мм
Боковой глуиина Вла^кность,
Станции, Осадки, Испарение, приток, гр. вод, доли Сброс из Сброс Подача Суммар-
варианты мм* мм* мм м пористости система- из ный
** *** **** тических ловчей в дрены
дрен дрены
ПАВЛОВСКИЙ
ПОСАД
Стандартное
осушение 372 353 76 1,10 0,55 214 55 0 269
Шлюзование до
0,8 м 372 360 45 0,83 0,63 341 67 169 239
Шлюзование до
0,5 м 362 364 24 0,58 0,74 439 79 304 214
ЧЕРУСТИ
Стандартное
осушение 344 343 70 1,11 0,55 178 50 0 228
Шлюзование до
0,8 м 344 349 40 0,84 0,63 317 63 177 203
Шлюзование до
0,5 м 334 378 9 0,59 0,73 418 75 313 180
ВЛАДИМИР
Стандартное
осушение 349 365 69 1,14 0,54 165 47 0 212
Шлюзование до
0,8 м 349 373 32 0,84 0,63 313 59 194 178
Шлюзование до
0,5 м 341 378 12 0,59 0,73 414 71 330 155
ТУМА
Стандартное
осушение 340 368 68 1,16 0,53 153 42 0 195
Шлюзование до
0,8 м 340 377 26 0,85 0,62 306 54 206 154
Шлюзование до
0,5 м 331 382 6 0,60 0,73 407 66 343 130
ШИЛОВО
Стандартное
осушение 321 372 65 1,21 0,52 113 37 0 150
Шлюзование до
0,8 м 321 386 12 0,85 0,62 265 50 223 82
Шлюзование до
0,5 м 311 391 -8 0,60 0,73 364 62 358 68
Примечания: * - за теплый период; ** - за год; *** - за период шлюзования; **** -средняя влажность в слое 0.25 см за период шлюзования.
пропорционально дефициту увлажнения.
Рис. 2. Изолинии подачи воды для шлюзования до 0,8 м (средние для 53 лет)
Как видно из таблицы 3 в среднем по влажности году по всем пяти станциям дренажный сток превышает потребность воды для шлюзования с подъемом уровня воды в канале до 0,5 м на 147 мм, а для шлюзования с подъемом уровня воды в канале до 0,8 м - на 169 мм.
По нашему мнению, эффективным является шлюзование с подъемом уровня воды в канале до 0,8 м, для которого необходима подача воды в среднем для всех 5-ти метеостанций в два раза меньше, чем сток с водосбора (таблица 3). В этом варианте обеспечивается влажность 25 см слоя почвы 0,63 доли пористости, тем самым создаются противопожарные условия, возможность выращивать кормовые смеси и густой травостой без переувлажнения почвы.
Сток в сумме превышает требуемую водоподачу, но внутри периода шлюзования может наступать нехватка воды для поддержания нужного уровня в каналах и система может нуждаться в дополнительном пополнении.
Таблица 3
Дренажный сток и подача воды для шлюзования (мм) по станциям в среднем году
(50 % обеспеченности)
Шлюзование с подъемом уровня Шлюзование с подъемом уровня воды
воды в канале до 0,5 м в канале до 0,8 м
Метеостанция сток с подача разность сток с подача разность (5)
водосбора, воды, (2) - (3), водосбора, воды, - (6),
мм мм мм мм мм мм
Павловский Посад 518 304 214 408 169 239
Черусти 493 313 180 380 177 203
Владимир 478 335 143 366 199 167
Тума 473 343 130 360 206 154
Шилово 426 358 68 315 223 82
Среднее по 478 331 147 366 195 169
метеостанциям
Отношение подача/сток 0,69 0,53
В этом случае возникает необходимость в сезонном регулировании стока в виде пруда-накопителя. Объем этого пруда можно определить по известным формулам водохозяйственного расчета водохранилищ.
Выводы
С помощью модернизированной математической модели А. И. Голованова и Ю. И. Сухарева выполнен расчет показателей шлюзования осушенных болот в Мещерской низменности. Длительность периода расчетов - 53 года. Рассмотрены несколько вариантов шлюзования с разным подъемом уровней
воды в каналах для пяти действующих метеостанций. Результаты расчетов визуализированы путем построения карт изменения показателей шлюзования для Мещерской низменности.
Необходима оптимизация показателей шлюзования, так как при значительном подъеме уровня грунтовых вод корневая система подтапливается и растения снижают свою продуктивность, а высокая влажность верхнего слоя торфа препятствует его возгоранию. Высказаны соображения о преимуществе травопольного содержания осушенных торфяников с целью их сохранения как ценных природных
объектов и земельных угодий.
Оценены объемы дренажного стока и подачи воды в осушительную сеть при разных вариантах шлюзования осушительной сети для лет с разным дефицитом природного увлажнения территории. Результаты позволяют рассчитать объем пруда-накопителя в случае временного недостатка воды в острозасушливые периоды.
Библиографический список
1. Семенова К. С. Экспериментальные исследования эффективности противопожарного шлюзования // Природообустройство. - 2015. - № 3. - С. 35-40.
2. Мелиорация земель/ А. И. Голованова [и др.]. - М.: «КолосС», 2011. - 824 с.
3. Козлов А. А. Совершенствование организации использования мелиорированных земель Мещерской низменности:
автореф.....канд. экон. наук: 08.00.05.
- М.: 1979. - 21 с.
4. Рекультивация нарушенных земель / А. И. Голованов, Ф. М. Зимин, В. И. Сметанин. - СПб.: Лань, 2015. - 336 с.
5. Мелиоративное почвоведение / И. И. Плюснин, А. И. Голованов. - М.: Колос, 1983. - 318 с.
6. Математическая модель влаго-переноса в ландшафтных катенах / А.И. Голованов, Ю.И. Сухарев // Природообустройство и рациональное
природопользование - необходимое условие социально-экономического развития России: сб. науч. трудов МГУП. -М.: ФГОУ ВПО МГУП, 2005. - Ч. 2. - С. 12-21.
7. Гидрология и гидрометрия / Е. Е. Овчаров, Н. Н. Захаровская. - Л.: Гидро-метеоиздат, 1986. - 312 с.
8. Природообустройство / А. И. Голованов [и др.]. - М.: КолосС, 2008. - 552 с.
9. Влажность торфа и возникновение пожаров на болотах / Н. П. Ахме-тьева, Е. Е. Лапина, В. В. Кудряшова // Мелиорация и водное хозяйство. - 2014. - № 3 - С. 26-29.
10. Оценка возможности устройства систем двойного регулирования влаж-ностного режима пожароопасных выработанных торфяников на базе осушительной сети/ В. Б. Жезмер, М. А. Волынов, Е.Э. Головинов, С. В. Перегудов // Мелиорация и водное хозяйство. -2015. - № 1 - С. 30-32.
Материал поступил в редакцию 18.08.2015.
Сведения об авторе Семенова Кристина Сергеевна, аспирантка; ФГБОУ ВО РГАУ - МСХА имени К. А. Тимирязева; 127550, г. Москва, ул. Большая Академическая, 44; тел.: +7-929-665-24-33; e-mail: kristi11.05.88@ rambler.ru.
K. S. SEMENOVA
Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education «Russian Timiryazev State Agrarian University», Moscow
SUBSTANTIATION OF THE VOLUME OF FIRE PREVENTION WATER SUPPLY WHEN LOCKING PEAT BOGS
The urgent problem is fire prevention on peat bogs. With the purpose of solution of this problem there is considered the Meshcherskaya lowland which is rich in drained peat bog and for its solution there is proposed moistening by means of channel locking of the drainage system up to the moisture more than 0,5 porosity. For checking the effectiveness of this method of fire control there is used 2-D mathematical model, and were obtained calculations results of locking variants with water level rising in channels lower than the land surface by 0,5 and 0.8 m. There was made a comparison of the received water volumes according to the model for different variants of channels locking which are necessary for ensuring fire preventive moisture of soil. There is recommended an optimal variant of locking. By means of the updated mathematical model of A. I. Golovanov and Yu.I. Sukharev there was fulfilled a calculation of indices of drained peat bogs in the Meshcherskaya lowland. The duration of the calculations period was 53 years. There are considered several variants of locking with different rising of water level in channels for 5 operating weather stations. The results of calculations are visualized by building maps of locking indices changes for the Meshcherskaya lowland. It is noted that optimization of locking indices is needed as under a significant rise of ground water the root system is flooded and plants decrease their productivity, and high moisture content of the peat upper layer prevents
from ignition. Some opinions were expressed about the advantage of grassland content of drained peat bogs with the purpose of their conservation as valuable natural objects and agricultural lands. There were assessed volumes of drained flow and water supply into the drained network under various variants of the drained network locking with a different deficit of natural moistening of the area. The results allow estimating the size of the pond-accumulator in case of a temporary shortage of water during sharply dry periods.
Meshcherskaya lowland, fire-prevention locking, moistening deficit, moisture of peat bog, locking with water level rising in the channel,volume of water supply.
References
1. Semenova K. S. Experimental investigations of theeffectiveness of fire-prevention locking // Environmental engineering. - 2015. - № 3. - P. 35-40.
2. Land reclamation / A. I. Golovanov [and others]. - M.: "KolosS", 2011. - 824 p.
3. Kozlov A. A. Improvement of the arrangement of usage of the reclaimed lands of the Meshcherskaya lowland: author's abstract of the candidate of economic sciences: 08.00.05. - M.: 1979. - 21 p.
4. Recultivation of broken lands / A. I. Golovanov, F. M. Zimin, V. I. Smetanin. -SPb.: Lanj, 2015. - 336 p.
5. Reclamation soil science / I. I. Plyusnin, A. I. Golovanov. - M.: Kolos, 1983. - 318 p.
6. Mathematical model of moisturetransfer in landscape catenas / A. I. Golovanov, Yu. I. Sukharev // Environmental engineering and rational nature management - the necessary condition of the social - economic development of Russia: collection of scientific works of MSUEE. - M.: FSEI
HVE MSUEE, 2005. - P. 2. - P. 12-21.
7. Hydrology and hydrometry / E. E. Ovcharov, N. N. Zakharovskaya. - L.: Hydrometeoizdat, 1986. - 312 p.
8. Environmental engineering / A. I. Golovanov [and others]. - M.: KolosS, 2008. - 552 p.
9. Peat moisture and fire origin on peat bogs / N. P. Akhmetjeva, E. E. Lapina, V. V. Kudryashova // Land reclamation and water economy. - 2014. - № 3 - P. 26-29.
10. Assessment of the possibility of arrangement of systems of double regulation of moisture regime of fire dangerous worked out peat bogs on the basis of the drainage network / V. B. Zhezmer, M. A. Volynov, E. E. Golovinov, S. V. Peregudov // Land reclamation and water economy. - 2015. -№ 1 - P. 30-32.
Received on August 18, 2015.
Information about the authors
Semenova Kristina Sergeevna, post graduate student; FSBEI HE RGAU-MTAA; 127550, Moscow, ul. Boljshaya Academicheskaya, 44; tel.: +7-929-665-2433; e-mail: kristi11.05.88@rambler.ru.
