CC BY
66
УДК 630*43
ПРИЧИНЫ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ЛЕСНЫХ ТОРФЯНЫХ ПОЖАРОВ И РАЗРАБОТКА НОВОГО СПОСОБА ИХ ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ
А. В. Евграфов, канд. техн. наук, доцент РГАУ-МСХА им. К. А. Тимирязева, 8-916-132-74-07
В статье рассмотрены причины возникновения пожаров на торфяниках, связи между водным режимом торфяных почв и воздушным режимом, раскрыты условия для самовозгорания торфа. Предложен новый способ мониторинга возникновения торфяного пожара.
Ключевые слова: пожар, торф, режим, мониторинг, теплота, комплекс.
Проблема лесных и торфяных пожаров является одной из наиболее сложных и актуальных не только для лесного хозяйства, но и в целом для экономики страны и её населения. Она стала важной составляющей частью более общей проблемы охраны окружающей среды.
Торфяные и лесные пожары, особенно при благоприятных метеорологических и прочих условиях, таких как высокая плюсовая температура воздуха, сильный ветер, малое количество осадков, низкое содержание влаги в почвенном и подпочвенных слоях, низкий уровень грунтовых вод, охватывают большие территории. Такие пожары наносят ущерб лесному фонду, социальной сфере и экономике России, нарушая хозяйственную деятельность, и причи-
няют значительный экологический и экономический ущерб.
Борьба с торфяными пожарами включает в себя профилактические мероприятия, направленные на ограничение возможностей возникновения и распространения пожаров, и мероприятия по своевременному обнаружению возникающих пожаров и их тушению.
Ликвидацию массовых лесных и торфяных пожаров зачастую осложняют труд-нодоступность районов тушения и удаленность их от источников водоснабжения, нерациональность , а порой и невозможность привлечения автотранспорта для доставки воды.
Пожары на торфяниках чаще всего возникают из-за неправильного обращения
Нива Поволжья
№ 2 (11) май 2009
87
с огнем (человеческий фактор), от разрядов молнии или самовозгорания. Торф склонен к самовозгоранию, которое может происходить при температуре воздуха выше +50 °С (летом в средней полосе поверхность почвы может прогреваться до +52... 54 °С). Высокая теплотворность торфа связана с большим содержанием в нем битумов (до 25 %). Горение битумов сопровождается высокой температурой и выделением парообразного парафина, который при встрече с холодными частицами торфа покрывает их водонепроницаемой пленкой. Такие частицы торфа водой не смачиваются. Выпадение обильных осадков не в состоянии остановить торфяные пожары, что требует в свою очередь проведение дорогостоящих мероприятий по их ликвидации. Для тушения торфяных пожаров необходимо не менее 500.600 л воды на 1 м2. Поэтому для тушения крупных торфяных пожаров требуется значительное количество техники с высокой производительностью пожарных насосов. В дальнейшем негативные тенденции будут усиливаться, что приведёт к ухудшению экологической, хозяйственно - экономической и социальной обстановки [1].
Тепловой режим торфяников зависит от их водного режима. Снижение уровня грунтовых вод ведёт к изменению теплофизических характеристик и составляющих теплового баланса почв, повышению температуры поверхности торфа, включая верхний слой, что увеличивает риск возникновения торфяного пожара. При глубоком понижении уровня грунтовых вод температура в слое 10 см может повыситься до 2,5 °С [2].
Водный режим торфяных почв довольно тесно связан с воздушным режимом. Изменение пределов влажности в почве, а также уровня грунтовых вод приводит к изменению объёма свободных пор, заполненных воздухом, изменению воздухопроницаемости почвы и состава почвенного воздуха. Примерно 2/3 производимого почвой углекислого газа приходится на деятельность микроорганизмов, а 1/3 - на деятельность корней растений. Кислород в почву в основном поступает из атмосферы [3]. При понижении уровня грунтовых вод торфяная почва дополнительно насыщается кислородом, что активизирует процессы окисления.
По сравнению с самовозгоранием, при зажигании условия теплоотвода более жёсткие, поэтому зажигание происходит при температурах более высоких, чем самовозгорание. Таким образом, в треугольнике
самовозгорание - зажигание - тление в первую очередь возможно возникновение самовозгорания, если не учитывать антропогенные факторы, такие как искры от механизмов и машин, окурки, костры и другие источники зажигания, которые скорее относятся к общей культуре населения и профилактической работе пожарной и лесной служб. Возможность возникновения зажигания или тления от такого природного источника, как солнечное излучение, наступает во вторую очередь после самовозгорания, и поэтому можно сказать, что при возникновении условий для самовозгорания возможно в дальнейшем зажигание и тление.
Самовозгорание органических материалов возникает по причине окисления их атмосферным воздухом. Окислительные процессы экзотермичны, что сопровождается накоплением теплоты в реагирующей массе и самоускорением процесса.
Окисление твердой поверхности протекает в две стадии. На первой стадии молекулы кислорода сорбируются на поверхности. Затем на второй стадии валентные электроны твёрдого материала образуют с валентными электронами сорбированного кислорода химические связи, происходит спаривание электронов с антипараллель-ными спинами донора и акцептора, им необходимо также преодолеть активационный барьер.
Валентные электроны окисляемого материала находятся по отношению к сорбированному на его поверхности кислороду как бы в потенциальной яме и распределены по уровням энергии по экспоненциальному закону. Для того чтобы валентные электроны окисляемого материала образовали прочные пары с электронами кислорода, им необходимо выйти из этой потенциальной ямы. С верхних энергетических уровней валентные электроны могут переходить к сорбированному на поверхности кислороду с затратой минимальной энергии, что является причиной предрасположенности дисперсных твердых материалов к самовозгоранию.
При саморазогреве тела теплота передаётся в окружающую среду через поверхность площадью ^ . Через эту поверхность в единицу времени отводится количество теплоты 2', которое можно определить из уравнения, полученного И. Ньютоном:
2 = а-¥-АТ , (1)
где а - коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом теплоотдачи Вт м-2 к-1;
АТ - разность температур поверхности тела и окружающей среды.
В естественных условиях охлаждение точек тела происходит с неравномерными скоростями. Критерий неравномерности нагрева р можно определить, используя зависимость [4]
Р =
ате
АТ,,
(2)
где АТ р - разность между температурой поверхности материала и окружающей средой ТЕ - ТОКР; АТЦ - разность между
температурой теплофизического центра нагреваемого материала и окружающей
среды ТЦ - ТокР .
Таким образом, при таких тепловых параметрах создаются условия для самовозгорания, а уменьшение критерия неравномерности нагрева можно принять как предпосылку начала процесса самовозгорания.
Существующие способы мониторинга лесных и торфяных пожаров фиксируют факт возникновения пожара, но не прогнозируют его возникновение. Нами на основании проведённых экспериментальных исследований с учётом вышеизложенных закономерностей было разработано устройство для мониторинга слоя торфа, которое представлено на рисунке. Поступле-
ние сигнала о равенстве температур от термодатчика № 1, расположенного на поверхности торфяной почвы, и термодатчика № 2, расположенного в центре, говорит о создании предпосылки возникновения очага торфяного пожара в месте установки устройства [5].
Указанное устройство может быть размещено на торфяниках в наиболее прогреваемых местах. Количество размещаемых устройств зависит от наблюдаемой площади. Причём термодатчики устанавливают в слое торфа, лишённом капиллярного подпитывания со стороны грунтовых вод. Сигнал о возникновении критических условий для самовозгорания торфяной почвы передаётся через канал радиосвязи в центр наблюдений. Предусмотрена маскировка устройств с целью затруднения их обнаружения посторонними лицами. Каждое устройство снабжается автономными источниками питания.
Традиционным способом мониторинга является использование аппаратуры, работающей в инфракрасной области электромагнитного излучения. Данная аппаратура размещается на борту спутников или самолётов, что позволяет контролировать значительные территории.
Мониторинг пожароопасного состояния торфяников может осуществляться при
Схема устройства для мониторинга состояния торфяника Нива Поволжья № 2 (11) май 2009
помощи комплекса Балтика - 3М. Комплекс размещается на базе автомобиля ЗИЛ-131 и представляет собой телескопические выдвижные мачты высотой 35 м, которые оснащаются телеустановками Балтика - 3М. Такой комплекс дислоцируется на возвышенных участках местности, что позволяет вести наблюдение в радиусе 20 км, и, как правило, используется совместно с наземным патрулированием пожароопасной территории.
Таким образом, предложенное устройство для мониторинга пожароопасных территорий позволяет определить угрозу возникновения торфяного пожара, что позволяет своевременно произвести профилактические мероприятия.
Литература
1. Валендик, Э. Н. Крупные лесные пожары / Э. Н. Валендик, П. М. Матвеев, М. А Сафонов. - М.: Наука, 1979. - 198 с.
2. Маслов, Б. С. Режим грунтовых вод переувлажнённых земель и его регулирование. / Б. С. Маслов. - М.: Колос, 1970. -232 с.
3. Никольский, Ю. Н. Взаимосвязь между водным, газовым, тепловым и пищевым режимами осушаемых земель с грунтовым типом питания / Ю. Н. Никольский // Комплексные мелиорации. - М.: Колос, 1980. -С. 90 - 99.
4. Киселёв, Я. С. Физические модели горения в системе предупреждения пожаров: монография / Я. С. Киселёв. - Санкт-Петербург: Санкт-Петербургский университет МВД России, 2000. - 264 с.
5. Пат. № 67872 Российская Федерация, (51) МПК А62С 3/00, А62С 2/00. Система мониторинга температурного состояния торфяника / Н. Н. Дубенок, А. В. Евграфов; патентообладатель Евграфов А. В.; опубл. 10.11.2007 Бюл. № 31.
