CC BY
78
30
ВЕСШК МДПУ імя I. П. ШАМЯК1НА
УДК [502.2:620.267]:614.841.42
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПИРОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ РАДИОАКТИВНОГО ЛЕСНОГО ПОЖАРА НА ОСНОВЕ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
А. А. Дворник
научный сотрудник ГНУ «Институт радиобиологии НАН Беларуси»
В статье описывается метод расчета пирологических параметров лесных пожаров на загрязненных территориях. Приводится интерфейс программы, разработанной для автоматизации математических расчетов, а также принцип ее работы. Выполнена проверка достоверности полученных результатов.
Ключевые слова: лесные пожары, моделирование, дымовые аэрозоли.
Введение
Проблемам моделирования низовых лесных пожаров было уделено много внимания по всему миру, начиная со второй половины прошлого столетия. Построен ряд моделей, состоящих из систем уравнений, включающих параметры окружающей среды, рельефа местности и климатических условий, лесного горючего материала и позволяющих оценить скорость распространения пожара, интенсивность тепловыделения в зоне фронта горения, геометрию выгоревшей площади.
Научные исследования, посвященные изучению характеристик лесных пожаров и атмосферного переноса загрязняющих веществ с дымовыми выбросами, проводятся в различных научных организациях стран СНГ. Основные из них: Томский государственный университет (Гришин А. М. и др.), Санкт-Петербургский НИИ лесного хозяйства (Арцыбашев Е. С., Гусев В. Г. и др.), ВНИИЛМ (Душа-Гудым С. И. и др.), Украинский НИИ сельхозрадиологии (Кашпаров В. А. идр.), Национальный университет биоресурсов Украины (Зибцев С. В. и др.), ИРЭП НАН Беларуси (Молодых В. Г.), Институт леса НАН Беларуси (Усеня В. В., Дворник А. М. и др.).
Радиоактивные продукты сгорания (РПС) лесных горючих материалов (ЛГМ) и радиоактивные дымовые аэрозоли являются открытыми источниками ионизирующего излучения и представляют опасность для участников пожаротушения. Концентрация радионуклидов в составе РПС может превышать в 5-10 раз таковую в составе ЛГМ.
Дымовые аэрозоли также являются одним из основных продуктов горения ЛГМ. При горении ЛГМ в условиях радиоактивного загрязнения дым является переносчиком радионуклидов, а также потенциальным источником вторичного загрязнения территории. Радиоактивные аэрозоли воздействуют на людей, находящихся не только в зоне его распространения, но и в зонах, расположенных далеко от очага пожара.
Исследование лесных пожаров в зонах радиоактивного загрязнения и перенос радионуклидов с дымовой эмиссией является трудной научной задачей. Эго связано, прежде всего, с многофакторностью и сложностью изучаемого явления. Экспериментальные исследования пожаров значительно усложнены трудоемкостью измерения пирологических параметров в естественных условиях и скорости осаждения радиоактивных примесей из дымового облака на больших расстояниях от очага пожара. Поэтому одним из эффективных инструментов получения данных о радиационной опасности лесных пожаров является математическое моделирование.
Таким образом, целью настоящей работы является оценка пирологических параметров лесных пожаров на загрязненных территориях на основе экспериментальных данных и модельных расчетов.
Материалы и методы. Получение первичных данных осуществлялось при помощи устройства для сжигания твердых веществ (далее дымовая камера), а также переносной ФВУ ПУ-ЗЭ/12 [1]. Отбор аэрозолей начинают при достижении в камере сгорания рабочей температуры в 500° С. Суммарный расход воздуха для ФВУ составлял не менее 200 л/мин. При работе с дымовыми аэрозолями используются аналитические фильтры АФА-ВП-10,
БІЯЛАГІЧНЫЯ НАВУКІ
31
выполненные из перхлорвинила. Рабочая поверхность 10 см2, при среднем диаметре пор 1,5 мкм; максимальная рабочая температура +60° С. По окончании отбора фильтры извлекаются из держателей и помещаются в полиэтиленовые пакеты с соответствующей маркировкой (шифр образца, дата и время отбора) и отправляются на анализ.
Образцы золы отбирают из зольника, а недожег с колосниковой решетки дымовой камеры. По причине высокой остаточной температуры, образцы РПС помещаются в стеклянные сосуды с завинчивающейся крышкой. Каждый сосуд маркируется. Все указанные виды проб упаковываются и отправляются на анализ.
Измерения проводились в соответствии с принятыми методическими рекомендациями [2] с использованием гамма-спектрометра производства CANBERRA Packard (США) с коаксиальным полупроводниковым детектором Ge(Li) расширенного энергетического диапазона. Диапазон измерения энергий у-излучения - 40-10000 кэВ. Относительная эффективность регистрации спектра для энергии 1,33 МэВ - 22,4%. Относительная ошибка измерения удельной активности 137Cs в пробах составляет от 5 до 10% в зависимости от активности образца.
Моделирование. Предлагаемая математическая модель построена по модульному принципу. Передача параметров между модулями осуществляется по согласованному интерфейсу. Некоторые из модельных модулей разработаны непосредственно автором данной работы, модули моделей других исследовательских групп [3], [4]. В качестве вводных параметров выбирались данные собственных экспериментов, а также из литературных источников и справочников [5]. Исходя из вышеизложенного, предлагается концептуальная модель FORESTFIRE для описания переноса радионуклидов с дымом лесных пожаров и расчета пирологических характеристик лесных пожаров. Схема модели показана на рисунке 1.
Исходными данными для количественной оценки пирологических параметров являются:
• краткая характеристика лесных насаждений (тип леса, возраст древостоя);
• плотность радиоактивного загрязнения ЛГМ;
• площадь, пройденная низовым пожаром;
• метеорологические условия (скорость ветра, влажность).
На основе исходных данных, при помощи модуля определяются удельный (wn) и суммарный выход РПС (Wsum), коэффициент полноты сгорания ЛГМ к; скорость распространения фронта пожара v, выход и объемная активность дымовых аэрозолей.
Значения удельного (т/га) и суммарного выхода РПС (т) определяются по формулам (1) и (2):
Исходные данные
• Характеристика леса
• запас ЛГМ
• Площадь пожара
• Сила ветра
• Плотность загрязнения ЛГМ
Пирологические характеристики
• Удельный и суммарный выход РПС '
• Полнота сгорания ЛГМ
• Скорость распространения пожара ■+
• Выход и об. активность аэрозолей
Параметры переноса радионуклидов и их осаждение
Статистическая модель Гаусса
Рисунок 1 - Принципиальная схема модели FORESTFIRE
wn = М ■ Wq/шо,
(1)
PT/um Wn ' 5-
sum
(2)
где w0 - запас ЛГМ, т/га;
т0 - навеска ЛГМ, взятая для отжига, кг; М- масса недожега, кг;
S - площадь, пройденная огнем, га.
32
ВЕСШК МДПУ імя I. П. ШАМЯК1НА
Особенностью определения удельного выхода РПС по формуле (1) является наличие экспериментально определяемого параметра Шо. Его значение колеблется в пределах 0,2-0,5 кг. Само значение удельного выхода РПС нормируется на запас ЛГМ конкретного типа леса.
Важным количественным показателем, при оценке степени выгорания ЛЕМ, является коэффициент полноты сгорания К. Это безразмерная величина, обозначающая отношение массы ЛГМ, сгоревшей на единице площади, к величине запаса ЛГМ [6]:
К = —, (3)
"о
где Юг - масса ЛГМ, сгоревшей на единице площади, кг/м2;
Шо - величина запаса ЛГМ, кг/м2.
Для прогнозных расчетов скорости распространения фронта лесного пожара была выбрана упрощенная математическая модель, основанная на полиноминальной модели Г. Н. Коровина [7]. Расчетная формула для расчета распространения кромки пожара приведена ниже.
v = ехрУра^ + a2U + а3Мх + a4U2 + а5Мх + a6UMx + 0,069у), (4)
где v - скорость распространения фронта лесного пожара, м/мин;
U - скорость ветра на ближайшей метеостанции, м/с;
Мх - влажность ЛГМ, отн. ед.; у - крутизна склона, %.
Численные значения а, ,, табулированы для различных типов леса. Для сосняка мшистого в условиях местопроизрастания А2 коэффициенты а, ,, приведены в таблице 1.
Таблица 1 - Численные значения расчетных коэффициентов для сосняка мшистого
Коэффициент Сосняк мшистый
ai -0,2519
^2 0,0963
а3 -2,658
а4 -0,00052
а5 -4,795
Зб -0,003
Объемная активность является ключевым параметром при оценке активности дымовых аэрозолей, образовавшихся при сгорании ЛГМ на определенном участке, пройденном пожаром. Активность аэрозолей, образовавшихся при низовом пожаре площадью в 1 м2 А, измеряется в Бк/м3 • м2 и может быть использована для расчета суммарной активности дымовых аэрозолей. Суммарная активность дымовых аэрозолей Asum в Бк/м3 с учетом площади, пройденной пожаром, может быть вьиислена по формуле, имеющей следующий вид:
Asum А ' />, (5)
где S - площадь, пройденная низовым пожаром, м2 (га).
Результаты исследования и их обсуждение
Анализ данных по радиоактивному загрязнению РПС позволяет доподлинно утверждать, что распределение удельной активности в ЛГМ, золе и недожеге подчиняется общеизвестным закономерностям, доказанным в многочисленных исследованиях [3], [4]. Так, наибольшее содержание 137Cs зафиксировано в золе. Несколько меньше удельная активность в недожеге, что объясняется наличием несгоревших частей ЛГМ. Данные рисунка 2 показывают, что удельная активность золы превышает удельную активность ЛГМ в 2-3 раза, что связано, в первую очередь, с эффектом концентрации радионуклидов в РПС. Превышение удельной активности недожега по отношению к удельной активности ЛГМ составляет 1,5-2 раза.
БІЯЛАГІЧНЫЯ НАВУКІ
33
Рисунок 2 - Распределение удельной активности в ЛГМ, золе и недожеге для пяти опытных отжигов
В ходе эксперимента с дымовой камерой были получены актуальные данные об активности дымовых аэрозолей. В таблице 2 приведены некоторые параметры работы дымовой камеры, а также значения объемной активности дымовых выбросов. Время экспозиции подбиралось опытным путем с учетом интенсивности задымления и рассеяния дымовых выбросов. Превышать десятиминутный лимит не рекомендовано в соответствии с инструкцией по эксплуатации пробоотборного устройства ПУ-ЗЭ/12.
Таблица 2 - Параметры проведения огневого эксперимента в дымовой камере
№ отжига Условия отбора (степень задымленности) Время экспозиции, мин Объемная активность, Бк/м3 Рабочая температура, °С
1 Сильная 10,05 0,319 ±0,022 455
2 Сильная 6,01 0,733 ±0,051 477,5
3 Сильная 5Д 0,235 ± 0,025 552,5
4 Сильная 7,33 0,279 ± 0,035 587,5
5 Слабая 10,03 0,038 ± 0,005 782,5
Как показывают данные таблицы 2, объемная активность дымовых аэрозолей варьирует в широких пределах. Так, максимальная концентрация 137Cs в дымовом облаке, при отборе в условиях максимальной задымленности, составила 0,733 ± 0,051 Бк/м3. При отборе в условиях разреженного дымового облака - 0,038 ± 0,005 Бк/м3.
Зачастую на показатель объемной активности дымовых аэрозолей оказывает влияние целый ряд факторов: удельная активность ЛГМ, интенсивность горения пламени, степень задымленности и длительность отбора. Поэтому при проведении опытов в дымовой камере исследователь обязан контролировать изменение тех или иных факторов и вносить соответствующие поправки.
По данным независимых исследований [8], при низовых устойчивых пожарах сгорает от 44 до 94% запаса ЛГМ наземной группы. Коэффициент полноты сгорания в опытах с дымовой камерой составил в среднем 83 ± 1,6%. Значительное влияние на полноту сгорания горючих материалов оказывают их пирологические свойства, вид и интенсивность пожара, которые в свою очередь зависят от количества ЛГМ и их состояния [9], [10]. Коэффициенты полноты сгорания ЛГМ для пяти опытов приведены в таблице 3. Полученные данные были использованы для калибровки модели.
34
ВЕСНІК МДПУ імя I. П. ШАМЖІНА
Таблица 3 - Коэффициенты полноты сгорания ЛГМ
Номер опыта 1 2 3 4 5 Среднее значение
сОг/соо,% 84 78 82 82 88 83 ± 1,6
Для автоматизации расчетов модель должна быть реализована в виде приложения. На настоящем этапе исследований реализацию в виде приложения получила лишь часть модели, позволяющая вести расчет параметров загрязнения РПС и дымовых аэрозолей и некоторых других показателей. Программа написана в среде объектно-ориентированного программирования Delphi под ОС Windows. Интерфейс программы представлен на рисунках 3 и 4. Программа FORESTFIRE использует ограниченный набор входных данных, основанных как на практических экспериментах, проведенных в лаборатории, так и на анализе справочной информации, баз данных системы мониторинга пожарной обстановки в лесхозах Гомельской области.
Программа спроектирована таким образом, что пользователь не может работать с двумя анализами одновременно. Диалоговое окно, представленное на рисунке 3, предлагает ввести входные данные и выбрать параметры для вывода. Вывод информации осуществляется в последнем окне, представленном на рисунке 4. В нем же пользователь может сохранить результаты анализа, вернуться в текущий анализ и изменить интересующие параметры либо открыть сохраненные ранее данные для сравнения.
Использование приложения в завершенном виде предполагает:
• работу с модулями модели: расчет пирологических параметров, расчет параметров переноса радионуклидов с дымовой эмиссией;
• доступ к информационно-справочным материалам.
I' Нл>|М
ВЫБЕРИТЕ АНАЛИЗ Расчет параметров пожара
Вернуться в главное меню
В>од№е дат**ье , Гаоа*>втры выводя
У-мтьеотъ корагтерист'м г*:а Пфдечреі /еінх і участка "Viueia I »
ІС. ВЮУЦЫІ
Паздетрь горю-*нк материалов
Запас ГГМ кг/н2 J |
Плотность
мпяшт» ГТГ
лгм, KbjHi _______________I
Влажность,
р.а
Дян^Ь'С u и неодим* Vi
Ппоиадьпо:*аса, га о,?
Сс. скорость ветра ма оосзте 10 и, л/с
- д**«д»ыые ПарамтрмеьАода
■ роду' лораютч ЛГМ / Уд. выгод РПС Едитащы
( • т/га
Сутастй вы<од РПС ■/ Потота сгсрагьт
Д|»цич»г. . .Ц. у,*
у Оорог т» pacrjjocrpi «*»**> фронта т»>*ара, м/ь«*
У'ытьеать крутизну
склона IX) _________
Пь.і.у-» rp*. 4»^» <*..•> У»*..пп
4 Уд еы*од дьиоеьн «зрозочеи, «т/<
у Об а»тм©г«гтьдыи1»ы- азроюпейс г*тон площади по*арв. бг/н)
Расгч»теть
Рисунок 3 - Интерфейс программы FORESTFIRE. Диалоговые окна ввода данных и выбора параметров вывода
БІЯЛАГІЧНЫЯ НАВУКІ
35
і hilRX-sUlts
Сохранить...
Открыть анализ
Вернуться в анализ
Рисунок 4 - Интерфейс программы FORESTFIRE.
Окно вывода расчетной информации
Валидация модели проводилась по двум направлениям. Во-первых, сравнение рассчитанных по модели FORESTFIRE параметров с авторскими экспериментальными данными. Во-вторых, сравнение модельных данных с результатами расчетов по методике независимых исследователей (С. И. Душа-Гудым, ВНИИХлесхоза, Россия) [6]. Для сравнения был выбран показатель удельного выхода РПС. Результаты сравнительного анализа приведены на рисунке 5.
о
0,7
0,6
0,5
0,4
п 0,3
Л
X
X
§
ч
0,2
0,1
А
Ч
—*
♦ =»Ч 'Г1*»ПИМРНТ
Ра :четные данные по независимс й методике
М >дель
2,436
2,822 2,294
Запас Л ГМ, кг/м2
2,517
2,412
Рисунок 5 - Сравнение показателей удельного выхода РПС при различных уровнях запаса ЛГМ
Результаты F-теста по двум независимым группам данных показывают несущественные расхождения между параметрами. Так, фактическое значение критерия F в группе данных «модель -эксперимент» составил 10,53, при критическом значении 15,97 (р = 0,01). Показатель F в группе данных «модель - независимые расчеты» равен 5,018, при критическом значении 15,97 (р = 0,01). В обеих группах данных фактически полученные значения критерия F не превышали
36
ВЕСНІК МДПУ імя I. П. ШАМЯКІНА
установленного критического уровня при р = 0,01, т. е. данные достоверно не отличаются друг от друга.
Таким образом, результаты расчетов модели удовлетворительно согласуются с экспериментальными данными других независимых лабораторий.
Выводы
• получены актуальные данные о содержании 137Cs в РПС и дымовых аэрозолях на основе лабораторного эксперимента. Удельная активность золы превышает удельную активность ЛГМ в 2-3 раза, что связано, в первую очередь, с эффектом концентрации радионуклидов в РПС. Превышение удельной активности недожега по отношению к удельной активности ЛГМ составляет 1,5-2 раза. Максимальная концентрация 137Cs в дымовом облаке, при отборе в условиях максимальной задымленности, составила 0,733 ± 0,051 Бк/м3;
• описан метод расчета пирологических характеристик с использованием модуля математической модели FORESTFIRE;
• на основе экспериментальных и расчетных данных сделана оценка параметров математической модели и выполнена проверка достоверности модели FORESTFIRE.
Литература
1. Дворник, А. А. Устройство для сжигания твердых материалов и отбора проб для анализа веществ, находящихся в дыме/ А. М. Дворник, А. А. Дворник // Патент на полезную модель № 8964 РБ. Опубл от 28.02.2013. - 5 с.
2. Методика выполнения измерений на гамма-спектрометре МВИ. МН 3421-2010. - Минск: БелГИМ, 2010 - 35 с.
3. Гусев, Н. Г. Радиоактивные выбросы в атмосфере / Н. Г. Гусев, В. А. Беляев. - М. : Энергоатомиздат, 1986. - 224 с.
4. Душа-Гудым, С. И. Радиоактивные лесные пожары : справочное пособие / С. И. Душа-Гудым. -М. : ВНИИЦлесресурс, 1999. - 160 с.
5. Гусев, В. Г. Физико-математические модели распространения пожаров и противопожарные барьеры в сосновых лесах / В. Г. Гусев. - СПб. : ФГУ «СПбНИИЛХ», 2005. - 200 с.
6. Методика оценки и расчета выхода загрязненных радионуклидами продуктов горения при лесных пожарах. - М. : ВНИИЛМ, 2002 - 36 с.
7. Коровин, Г. Н. Методика расчета некоторых параметров низовых лесных пожаров / Г. Н. Коровин// Справочник научно-иследовательских работ по лесному хозяйству. - 1969. - Выл. XII.
8. Усеня, В. В. Лесные пожары, последствия и борьба с ними / В. В. Усеня. - Гомель : ИЛ НАН Беларуси, 2002. - 206 с.
9. Амосов, Г. А. Некоторые особенности горения при лесных пожарах / Г. А. Амосов. - Л. : ЛенНИИЛХ, 1958. - 30 с.
10. Волокитина, А. В. Классификация растительных горючих материалов / А. В. Волокитина, М. А. Сафронов // Лесоведение. - 1996. - № 3. - С. 38^14.
Summary
The method of calculating the pyrological parameters of forest fires in contaminated by radionuclides regions is described in the article. Program interface designed for the automation of mathematical calculations is presented, as well as how it works. Validation of the results is performed in the paper.
Key words', forest fires, modeling, fume aerosols.
Поступила e редакцию 04.11.13
