CC BY
60
УДК 630.43
ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ ЛЕСНЫХ ПОЖАРОВ И ВОЗМОЖНОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ ЕГО НА ДРЕВОСТОЙ
Э.Н. Валендик, И.В. Косов
Институт леса им. В.Н.Сукачева СО РАН 660036 Красноярск, Академгородок, 50; e-mail: kosov-iv@ksc.krasn.ru
Приводятся результаты исследова ний теплового излучения при лесных пожарах разного вида и влияние его на кроны и стволы хвойных пород. Установлены расстояния, на котором тепловое излучение приводит к гибели почек в кронах хвойных и поражает пр икамбиальную зону стволов.
Ключевые слова: лесной пожар, тепловое излучение, интенсивность горения, температ ура пламени
This paper discusses the results of a study of heat radiated from forest fires of various types and its impact on conifer tree crowns and stems. The investigation permitted to de termine the crown-to-ground distances, at which fire heat flux was lethal to buds in conifer crowns and damaged the near-cambium tree stem zone.
Key words: forest fire, thermal radiation, combustion rate, flame temperature
ВВЕДЕНИЕ
Тепловое излучение лесного пожара - это электромагнитное излучение инфракрасного диапазона, испускаемое пламенем и горящими углями. Падая на поверхность предмета, излучение поглощается его поверхностью и преобразуется в тепловую энергию, вследствие чего температура предм ета (вещества и пр.) повышается (Амосов, 1958).
Доля теплового излучения в тепловом балансе лесного пожара, в зависимости от его вида и инте н-сивности, находится в пределах 10-40% (Валендик и др.,2006; Гришин и др., 1984; Грузин, 1983; Зигель, Хауэлл, 1975; Исаков, 1977). При верховых пожарах на долю теплового излучения приходится до 90% от общего тепла пожара (Сухинин, Конев, 1972; Anderson, Rothermal, 1965).
Поток теплового излучения в ряде случаев зн а-чительно влияет на скорость распространения п о-жара при ветре или движении вверх по склону. В этих случаях пламя наклонено к поверхности земли и лучистый тепловой поток интенсивно подсушивает горючие материалы перед кромкой пожара и тем самым увеличивает скорость его воспламен е-ния. В случаях, когда пламя находило сь бы перпендикулярно поверхности земли. Например, при по д-лесно-кустарниковых пожарах образуется большое вертикальное пламя и поток излучения воспламен я-ет подрост хвойных, а также нагревает стволы до повреждения камбия, что иногда приводит к гибели дерева.
Теплового излучения оказывает значительное отрицательное воздействие на людей при тушении пожаров ручными средствами, когда пожарные в ы-нуждены работать в нескольких метрах от горящей кромки пожара.
Воздействие теплового излучения от кромки пожара становится болезненным для незащище н-ной кожи при интенсивности излучения более 2 кВт/м2 (Braun, 1980). Уровень излучения в 12 кВт/м2 причиняет ожог моментально (Cohen, 2004).
Если пожарный полностью облачен в спецодежду из ткани плотностью 200 г/м2, он может получить ожог второй степени приблизительно через 90 с е-кунд (Fang, 1969). Измерения потока теплового излучения на пожарах очень сложно и бол ьшую часть экспериментальных данных с оставляют расчетные и лабораторные исследования.
Так при слабой интенсивности горения с высотой пламени 0,3 м тепловое излучение на рассто я-нии 0,6 м от горящей кромки составляет 0,4 кВт/м 2. С увеличением пламени до 1,2 м интенсивность излучения на расстоянии 1,8 м составляет 4,6 кВт/м2 (Green, 1969), а это уже существенное препятствие для пожарных.
По некоторым расчетам, пламя лесного п ожара высотой 2 м должно создавать радиационный поток на расстоянии 6 м от кромки 60 кВт/м2 (King, 1966).
По данным экспериментальных исследований параметров верхового пожара было установл ено, что интенсивность излучения на расстоянии 10 м от пожара может достигать 80 кВт/м2, а на расстоянии 40 м интенсивность снижается до 20 кВ/м 2 (McCarter, 1965).
Ван Вагнер (Anderson, 1965) объясняет выс окую интенсивность радиационного потока на ве р-ховых пожарах тем, что на их долю приходится до 90% тепла общего теплового потока п ожара.
Некоторые авторы считают, что при отсутс твии ветра излучение факела пламени не играет сущес т-венной роли в теплообмене и доминирует лишь излучение горящих углей (Anderson, Rothermal, 1965; Stoll, Greene, 1959; Tassios, Packham, 1964). Вместе с тем, при распространении пламени по слою сосновой хвои в ветровом тоннеле роль изл учения факела пламени возрастает (Thomas, 1964). Это дало возможность предположить (Сухинин, Конев, 1972; Anderson, Rothermal, 1965), что увеличение скорости горения при ветре зависит от п о-вышения теплового излучения пламени.
Поток теплового излучения при верховых пож арах во всех случаях зажигает кроны деревьев и явл я-
ется основным фактором распространения г орения по кронам. Процесс этот очень интенсивный и каких-либо мер для его прекращения еще не найдено. Нас интересует тепловое излучение при низ овых пожарах в разных зонах его воздействия на структурные элементы насаждения и доступность туш ения.
В связи с этим целью наших исследований является выделение зоны воздействия потока тепл о-вого излучения на структурные элементы дерева в насаждениях разного класса возраста, а также пр е-дельные условия тушения кромки низовых п ожаров без специальной защиты пожарных от тепл ового излучения горящей кромки.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
В связи с поставленной целью объекты гор ения подбирали по двум критериям: наличие выс окого пламени и горение углей.
В соответствии с этим положением измерение мощности теплового излучения проводили на низ о-вых пожарах средней силы в сосняке лишайниково -зеленомошном, на валежных пожарах на захламленной вырубке в пихтарнике ме лкотравно-зеленомошном и в усохшем после повреждения шелкопрядом древостое пихтарника мелк отравно-зеленомошного (табл. 1).
Таблица 1 - Характеристики экспериментальных участков
Тип леса Состав древостоя Возраст, лет Вид ЛГМ Запас ЛГМ
Сосняк лишайниково-зеленомошный 10С+Лц 180 Лишайник, подстилка, мох, опад 4,0 кг/м2
Вырубка в пихтарнике ме лкотравно-зеленомошном — — Порубочные остатки 120 т/га
Пихтарник мелкотравно -зеленомошный (усохший на 100%) сухостой — Опад, валеж, сухостой 180 м3/га 50 м3/га
На вырубке основным горючим материалом я в-лялись порубочные остатки разных размеров и ча стично оставшиеся проводники горения.
На участке «шелкопрядника» основным горючим материалом были сухостойные деревья, вале ж-ник и опад из мелких веток, а также подстилка.
Участки, во всех случаях, были отграничены от лесных массивов минерализованными полосами, и площадь участков была в пределах от 1-6 га.
Перед каждым экспериментом проводились измерения метеорологических условий (темпер а-туры и относительной влажности воздуха, скор ости и направления ветра). Учитывали запас и вл а-госодержание напочвенных горючих матери алов, так как их параметры влияют на скорость распр о-странения, высоту пламени и интенсивность гор е-ния.
В ходе опытов определяли температуру плам е-ни, скорость движения горящей кромки, тепл овое излучение пламени.
Тепловое излучение измеряли в трех точках, на высоте 0,5, 1,0, 1,5 м над уровнем земли, в завис и-мости от высоты пламени, с помощью калориме т-ров. Калориметр представляет собой плоский ме д-ный цилиндр 0 20 мм и толщиной 4 мм. Внутрь калориметра вделывается хромель -алюмелевая
термопара диметром 0,3 мм. Для увеличения поглощающей способности рабочая (торцева я) поверхность калориметра зачерняется сажей. Калор и-метр помещается в цилиндр из фторопласта и для
удобства пользования крепится на защитном щите.
Щит с калориметрами во время измерения у с-танавливали в направлении максимального предп о-лагаемого потока те плового излучения, с учетом исключения воздействия конвективных потоков, что достигалось его установкой в тылу или на флангах пожара.
Величину плотности теплового излучения ра с-считывали в предположении равномерного н агрева всей поверхности калориметра (Van Wagner, 1967):
і=W
tS ,
(1)
где Ш - энергия потока теплового излучения, Дж; 5 - площадь воспринимающей поверхности, м2;
? - время измерения, с.
Ш = т ■ С ■ (Т2-Т,), (2)
где m - масса калориметра, кг;
C - теплоемкость меди, Дж/ кг;
(Т2-Тг) - максимальный разогрев, °С.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
При проведении эксперимента фиксировались параметры горения (табл. 2, 3).
Таблица 2 - Плотность потока теплового излучения в зависимости от вида пожара и параметров гор ения
Тип леса Вид пожара Высота пламени (max), м Температура пламени, °С Ширина кромки, м Скорость распространения, м/мин Максимальная мощность излучения, кВт/м2
Сосняк лишайниково-зеленомошный вапочвенный 1,5 600-700 0,5-1 0,3-1,7 28
Вырубка валежный 3,5 800-1000 4-5 1,0-1,5 130
Шелкопрядник валежно- стволовой 6 700-1000 3-6 1,5-1,8 208
Из таблицы 2 видно, что с увеличением скор ости горения увеличивается ширина зоны пламенн ого горения, но уменьшается степень прогорания горючего материала и образование горящих углей,
что сказывается на величине теплового п отока.
По данным таблицы 3 можно проследить зав и-симость величины теплового излучения от параметров горения.
Таблица 3 - Характеристика параметров горения в сосняке лишайниково -зеленомошном
Опыт №1 №2 №3
Расстояние от кромки, м 2 2 2 2 2 2 2 4 4
Тепловое излучение, кВт/м2 4,3 8,7 5,2 11,9 8,2 15,2 10,4 10,8 4,3
Высота пламени, м 0,4 0,3 0,7 0,5 0,3
Скорость горения, м/мин 1,7 1,3 0,3
Ширина кромки, м 1 0,7 0,5
При проведении экспериментов в сосняке ли-шайниково-зеленомошном максимальные значения потока теплового излучения отмечены на рассто я-нии от кромки горения 2 м, при высоте плам ени -0,3 м, скорости горения - 0,3 м/мин, ширине кром-
ки - 0,5 м — 21,7 кВт/м . Температура пламени колебалась от 600 до 1000°С.
В таблице 4 приведены параметры горения на трех летней вырубке в пихтарнике мелкотравно-зеленомошном.
Таблица 4 - Характеристика параметров горения на вырубке
Расстояние от кромки, м 2 2 2 3 4 5 6 7 9
Тепловое излучение, кВт/м2 26 26 39 124 26 113 52 45,5 26
Высота пламени, м 0,5 1 1,5 3,5 1,5 3,5 3 3,5 3
Ширина кромки, м 5 5 5 5 4 4 5 5 4
Данные позволяют сравнить изменение потока теплового излучения в зависимости от удаленн ости точки измерения, по опытам с высотой пламени -3-3,5 м (рис.1).
Расстояние, м
Рисунок 1 - Плотность теплового излучения в зависимости от расстояния до горящей кромки п ожара
При проведении экспериментов на вырубке максимальные значения потока теплового излуч е-ния отмечены на расстоянии от кромки горения 3 м, при высоте пламени - 3,5 м, ширине кромки - 5 м
— 130 кВт/м . Температура пламени колебалась от 800 до 1000°С. Характеристики параметров горения при валежном пожаре пр иведены в таблице 5.
Опыты, проведенные в шелкопряднике, позв о-ляют сравнить изменение потока теплового излуч е-ния в зависимости от высоты пламени на одинак о-вом расстоянии от фронта пламени, по опытам с шириной кромки — 4-6 м. Полученная зависимость представлена на рисунке 2.
Высота пламени, м
Рисунок 2 - Плотность теплового излучения в зависимости от высоты пламени
Таблица 5 - Характеристика параметров горения в «шелк опряднике»
Расстояние от кромки, м 2 2 2 2 2 2 4 4 4 6 10
Тепловое излучение, кВт/м2 52 78 95 84 104 147 37 65 27 17 57
Высота пламени, м 2 2,5 3 4,5 5 6 2,5 4 2,5 2,5 5
Ширина кромки, м 5 4 5 5 5 6 5 5 3 3 6
Максимальные значения потока теплового излучения отмечены на расстоянии от кромки гор е-ния 2 м, при высоте пламени - 6 м, ширине кромки -5 м — 208 кВт/м2. Температура пламени колебалась от 700 до 1000°С.
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Существенное влияние теплового излучения на древостой в основном происходит при подле снокустарниковых пожарах, когда пламя верт икально и
достигает высоты 2-3 метра. В этом случае максимальный тепловой поток направлен по горизонтали к древостою и поражает кроны хвойного подроста, сжигая хвою, либо перегревая хвою и почки, что также приводит к гибели деревьев I и II классов возраста. В тоже время, деревья III и IV классов возрас-
та получают только ожоги, что не приводит к их г и-бели, но снижает сортность деловой древес ины.
В таблице 6 приведены расчеты теплового потока и температуры на поверхности ствола дер ева в зависимости от высоты пламени и времени его н а-грева.
Таблица 6 - Расчет нагрева поверхности ствола дерева от теплового излучения на ра сстоянии 4 м, с градацией по высоте пламени
2 Время нагрева, с
10 20 З0 40 50 60 Высота пламени, м
26 66 86 101 11З 124 1З4 0,5
З9 90 119 141 159 176 191 1,5
78 159 217 262 299 ЗЗ2 З62 2,5
1З0 252 З49 42З 485 540 589 З,5
208 З92 546 664 764 851 9З1 6
Расчет температуры производится по формуле З
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИИ СПИСОК
q •т 1
1
% • X • c • p 4
(З)
где А - коэффициент поглощения; q -тепловое излучение, Вт/м2; р - плотность, кг/м3;
X - теплопроводность, Вт/м; с - удельная теплоемкость, Дж/кг;
То - начальная температура, °С; х - время, за которое происходит нагрев, с.
Из таблицы следует, что уже при высоте пламени 0,5 м у деревьев стоящих на расстоянии 4 м температура на поверхности почек и хвои может достигать 134°С. При такой температуре почки погибают в кроне хвойных деревьев. Тепловой поток от пламени более 3 м создает на поверхности ств о-лов температуру около 600°С и в этом случае дер е-вья диаметром от 16 см и более получают ожог камбиальной зоны с образованием подсушин. Деревья меньшего диаметра, получающие круговой ожог по диаметру ствола при такой температуре гибнут (Van Wagner, 1968).
ВЫВОДЫ
Анализ динамики потока теплового излучения на валежных и валежно-стволовых пожарах показал, что его мощность зависит от вида пожара, высоты пламени и мощности излучения горящих углей.
Выявлена зависимость плотности теплового излучения от расстояния до кромки пожара и у становлено, что тепловое излучение на валежных и валежно-стволовых пожарах близко по значению к излучению при верховых пож арах на расстоянии 10 м.
Установлено, что тепловое излучение может нагревать до летальной температуры почки в кр о-не хвойных деревьев и оставлять подсушины на стволах диаметром от 16см и более, а деревья меньших диаметров могут гибнуть при круговом ожоге камбия ствола.
Амосов, Г.А. Некоторые особенности горения при лесных пожарах / Г.А. Амосов. - Л.,: ЛенНИИЛХ. -1958.- 29.
Валендик, Э.Н. Влияние пожаров на устойчивость хво й-ных пород / Э.Н. Валендик, А.И. Сухинин, И.В.Косов. - Красноярск , 2006. - 96 с.
Гришин, М.А. Теплофизика лесных пожаров / М.А. Гришин, А.Д. Грузин, В.Г. Зверев. - ИТФ СО АН СССР, Новосибирск, 1984. - С. 38-75.
Грузин, А.Д. Аэродинамика и сопряжённый тепломассо-перенос в приземном слое атмосферы при рас про-странении лесных пожаров / А.Д. Грузин: автореф. дисс.... канд. ф-м. наук, Томск, ТГУ, 1983, 23.
Зигель, Р. Теплообмен излучением / Р. Зигель, Д. Хауэлл -М.: «Мир», 1975, 936.
Исаков, Р.В. Прогнозирование лесных пожаров / Р.В. Исаков. - Красноярск: ИЛиД СО АН СССР, 1977. -С. 100-107
Сухинин, А.И. Вопросы лесной пирологии /А.И. Сухи-нин, Э.В. Конев. - Красноярск, 1972. - С. 7-51.
Anderson, H.E. Tenth symposium (international) on combustion / H.E. Anderson, R.S. Rothermal // The Combustion Institute, Pittsburgh, 1965, 1009-1019
Braun, E. Measurement of the protective value of apparel fabrics in a fire environment / E. Braun, D. Cobb, V.B. Cobble, J.F. Krasny, R.D.Peacock // Journal of Consumer Product Flammability, 1980. -7:15725.
Cohen, J.D. Canadian Journal of Forest Research, / J.D. Cohen 8, 34, 2004, 1616-1626.
Fang, J.B., Steward F.R., «Combustion and flame», / J.B. Fang, F.R. Steward. - 1969, 13. -№4. Р. 392-398.
Green, L.R., Schinike H.E., Guides for fuelbreaks in the Sie r-ra Nevada mixed-conifer type, Berkeley, / L.R. Green , H.E. Schinike - CA: U.S. Department of Agriculture, Forest Service, Pacific Southwest Forest and Range E x-periment Station, 1971,14.
King, A.R. The efficiency of rural firefighters, Melbourne / A.R. King // Commonwealth Scientific And Industrial Research Organization, Chemical Research Laborat ories, Technical Paper No.4, 1966, 12.
McCarter, R.J. «Pyrodynamics» / R.J. McCarter, A. Broido. -1965.-v. №1. - Р. 65-85.
Stoll, A.M. Journal of Applied Physiology / A.M. Stoll, L.C. Greene. -1959 - 14. - Р. 373-382.
Tassios, S. National Center for Rural Fire Research, technical paper no. 1. / S. Tassios, D. Packham // Research Institute, Forestry and Timber Bureau: Canberra, ACT, Au s-tralia, 1964, 3.
Thomas, P.H. The contribution of flame radiation to fire spread in forest, Joint fire research org. / P.H. Thomas
Fire research note, № 594, Fire res. Station, Boreham Wood, Great Britain, 1965.
Van Wagner, C.E., Calculation on forest fire spread by flame radiation, Forestry branch departmental publication / C.E. Van Wagner // Queen’s printer and controller of
stationary, Ottawa, 1967. - № 1185. - 17 p.
Van Wagner C.E., Fire behaviour mechanisms in a Red Pine Plantation:field and laboratory evidence, Forestry branch departmental publication / C.E. Van Wagner // Queen’s printer and controller of stationary, 1968. - №1229.- 30 p.
Поступила в редакцию 7 декабря 2007 г. Принята к печати 16 мая 2008 г.
