ПРИКАЗ
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РФ ПО ОХРАНЕ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
5 марта 1997 г.
N 90
(Д)
Приложение В
(обязательное)
Физико-математическая модель и методика расчета текущих
выбросов вредных веществ в атмосферу при горении торфяников
К отдельному типу лесных пожаров относятся почвенные и торфяные
пожары, которые возникают под влиянием заглубления горения ЛГМ при
низовых лесных пожарах. Под влиянием нагрева от фронта низового
лесного пожара и притока окислителя из окружающей среды высушивается,
гидролизуется, а затем загорается подстилка - слой полуразложившихся
листвы, хвои, травы и тонких веточек. Плотность подстилки в абсолютно
сухом состоянии изменяется в пределах от 30 до 300 кг/куб.м, что выше,
чем плотность опада. Влагосодержание подстилки тоже выше, чем у
напочвенного покрова и по данным /15/ изменяется, как правило, в
пределах от 470% до 560%. Поэтому подстилка высыхает значительно
медленнее, чем напочвенный покров, и лишь в очень сухую погоду
достигает минимального значения - 14%. Если под подстилкой расположен
слой продуктов неполного разложения растительных материалов,
называемых торфом, то процесс заглубления горения может продолжаться и
может возникнуть торфяной пожар.
По условиям образования различают низинный, переходный и верховой
торфы. Низинный торф залегает на глубине 1,6-3,5 м и имеет степень
разложения 26-31%, зольность 6-12% и влажность в естественном
состоянии 86-92%, а верховой - глубину залегания 1,6-4,4 м, степень
разложения 18-46%, зольность 2,7-4% и влажность 89-93%. Под степенью
разложения понимают отношение массы гумуса (разложившейся части
органики) ко всей массе торфа. Низинный торф образуется на болотах в
результате грунтового питания болот водой, а верховой - при
поступлении воды из атмосферы. Влагосодержание торфов существенно
больше влагосодержания подстилки и составляет от 2500 до 3070%. С
увеличением степени разложения его влагосодержание уменьшается. Как и
у лесных горючих материалов, основными горючими элементами у торфов
являются углерод (52-56% от общей массы) и водород (5-6% от общей
массы), кроме того, в составе торфа имеется от 30% до 40% атомов
кислорода, связанного в молекулах химических веществ, из которых
состоит торф. Среднее значение величины теплотворной способности торфа
равно 5500 ккал/кг.
При нагревании торф высушивается, затем происходит его пиролиз с
образованием газообразных горючих компонентов и кокса и, если в зоне
нагрева имеется окислитель, то происходит воспламенение и последующее
горение торфа. Из наблюдений следует, что горение торфа в естественных
условиях после его заглубления под слой почвы в условиях избыточного
влагосодержания и недостатка кислорода происходит в режиме тления.
Линейная скорость распространения фронта торфяного пожара составляет в
среднем 7 мм/час. Горение носит диффузионный характер, то есть
лимитируется поступлением окислителя.
Максимальная температура горения изменяется в пределах
623К=<Т(г)=<673К. Фронт торфяного пожара неоднороден, то есть горение
носит очаговый характер. В результате горения образуются продукты
полного (СО(2), Н(2) О и пепел), неполного окисления (СО) и пиролиза
торфа - метан (СН(4)), водород (Н(2)), сажа, дым. Пепел имеет белый
цвет, рыхлую структуру и отваливается на вертикальных участках. В
процессе горения торфа первоначально плоская, поверхность фронта
горения может принимать форму параболоида вращения. В связи с тем, что
горение при торфяных пожарах носит подпочвенный характер, его очень
трудно обнаружить. Над поверхностью почвы при пожаре на торфянике
стелется синеватый дымок (угарный газ - газообразный продукт неполного
горения торфа в толстых слоях имеет синеватый цвет). В отличие от
низового лесного пожара, процессы переноса массы, энергии и количества
движения имеют существенно меньшую скорость, чем при низовых пожарах.
В частности, течение газа на торфяных пожарах принимает характер
просачивания газа через поры, называемое фильтрацией, что, в конечном
счете, существенно замедляет скорость поступления окислителя к фронту
торфяного пожара и предопределяет малую скорость его распространения.
Таким образом, общая схема физико-химических процессов при лесных
пожарах, приведенная на рис.3.3, сохраняет свою силу и для пожаров на
торфяниках, но, в отличие от низового и верхового лесных пожаров, роль
излучения при передаче тепловой энергии из зоны горения торфяного
пожара мало по сравнению с передачей энергии путем теплопроводности и
фильтрации продуктов горения. Другим отличием является то, что фронт
горения представляет собой поверхность, положение которой в
пространстве определяется расположением торфяной залежи и приходом
кислорода из приземного слоя атмосферы. Поскольку горение при торфяных
пожарах имеет диффузионный характер, то фронт горения можно
отождествлять с поверхностью, расположенной внутри торфяной залежи, на
которой температура Т = Т(г), где Т(г) температура горения, а
плотность диффузионного потока кислорода q(1) = q(1:), где q(1:) -
значение q, соответствующее Т = Т(г).
Пусть поверхность горения S(г), плотность торфа в торфяной залежи
ро(т) и скорость нормального распространения горения омега(n) по
торфянику известны.
Тогда для массовой скорости выброса альфа - поллютанта и тепла в
атмосферу имеем уравнение и начальные условия:
dМ(альфа)
--------- = интеграл интеграл К(альфа) К ро(Т) омега(n) ds,
dt S(г)
|
альфа = 1 ..... N, М(альфа)| = 0. (В.1)
|
t=0
dQ
-- = интеграл интеграл q К(альфа) К(омега(n)) ро(t) ds,
dt S(г)
|
Q| = Q(o), (В.2)
|t=0
где К(альфа) - удельный выброс альфа - поллютанта в атмосферу;
К - коэффициент полноты сгорания;
N - общее количество поллютантов, возникающих при торфяном
пожаре.
Если считать, что поверхность горения - плоскость,
перпендикулярная вектору силы тяжести, а К(альфа), ро(Т) и омега(n) не
зависят от координаты точки внутри торфяной залежи, то уравнения
(В.1), (В.2) упрощаются и принимают вид:
dМ(альфа)
-------- = К К(альфа) ро(Т) омега(n) S(г),
dt
|
М(альфа)| = 0, (В.3)
|t=0
dQ
-- = q K(альфа) К омега(n) ро(Т) S(г).
dt
|
Q| = Q(0), (В.4)
|t=0
Значение полноты сгорания К в (В.3) и (В.4) определяется по
формуле (А.10), где величина предельного влагосодержания W(*) = 30.
Значения удельного выброса (коэффициента генерации) К(альфа)
даются в таблице Г.1 приложения Г.
Если считать, что все величины в правых частях (В.3), (В.4) не
зависят от времени, то интегрируя (В.3), (В.4) по времени с учетом
начального условия, получаем значение выброса для любого
альфаполлютанта и тепла:
М(альфа) = К К(альфа) ро(Т) омега(n) S(г) t, (В.5)
Q = q К(альфа) 0К омега(n) ро(Т) S(г) t. (В.6)
Выражение для скорости горения омега(n) имеет вид:
омега(n) = омега(0) (1 - W/W(*)). (В.7)
Здесь омега(0) = 0.002 мм/с, W и W(*) - влагосодержание и
предельное влагосодержание торфа.
Если известна масса торфяной залежи М(0), то, пользуясь
определением М(альфа), из (В.5), (В.6) получаем:
М = М(0) - ро(Т) S(г) омега(n) t, (В.8)
где М - текущая масса торфа в торфяной залежи.
Очевидно, что в момент окончания горения М=0 и из этого условия
находим время горения:
t(г) = М(0)/ро(г) S(г) омега(n) (В.9)
Подставляя (В.9) в (В.8), легко находим итоговый выброс
альфаполлютанта при сгорании всей торфяной залежи:
М(альфа) (t(Г)) = К К(альфа) М(0). (В.10)
Формулы (В.8) и (В.10) однозначно определяют текущий и итоговый
выброс альфа- поллютанта.
Приложение Г
(обязательное)
Понятие о максимальной модели леса. База данных для моделей
выбросов загрязняющих веществ при лесных пожарах
Очевидно, что величина выбросов поллютантов в атмосферу зависит
от типа лесного пожара, запаса и типа лесного горючего материала и его
влагосодержания, типа лесных фитоценозов, метеоусловий, рельефа
местности и ряда других условий. Для оценки сверху величины выбросов
поллютантов в атмосферу при возгорании лесных фитоценозов
целесообразно иметь так называемую максимальную модель леса.
Под максимальной моделью леса будем понимать гипотетический
лесной массив, в котором запас лесных горючих материалов для каждого
из ярусов леса максимален, а их влагосодержание минимально. Очевидно,
что при горении такого лесного массива температура горения и
интенсивность пожара (количество тепловой энергии, выделившейся на
единицу длины кромки пожара) будут максимальны, чем и объясняется
название - максимальная модель леса. Как правило, при лесных пожарах
сгорают тонкие (до 7 мм в диаметре) веточки, хвоинки (в хвойных лесах)
и листья (в лиственных). На основании данных о запасе лесных горючих
материалов для различных ярусов леса и теплотворной способности, а
также вышеизложенного, в качестве максимальной модели хвойного леса
предлагается следующая совокупность ярусов гипотетического леса:
1. Ярус мхов, лишайников с включениями из опавших хвоинок и
тонких веточек (нулевой слой). Высота его составляет 15 см, плотность
ро = 20 кг/куб.м, запас ЛГМ m(0)= 3,0 кг/кв.м, теплотворная
способность q = 19446 кДж/кг, влагосодержание W = 8%.
2. Первый ярус леса- травы и кустарники. Высота слоя 2 м,
плотность ЛГМ в этом слое ро(с) =0,8 кг/куб.м, запас ЛГМ в первом
ярусе m(0)= 1,6 кг/кв.м, теплотворная способность q = 17808 кДж/кг,
влагосодержание W = 80%.
3. Второй ярус леса - подрост - представляет собой совокупность
деревьев высотой до 6 м. Высота слоя h(2) = 6 м, толщина дельта(2) = 5
м, то есть нижняя граница полога подроста (полог подроста совокупность
крон молодых деревьев) находится в первом ярусе леса (первый и второй
ярусы частично перекрываются). Плотность слоя ро(с) = 0,4 кг/куб.м,
запас ЛГМ m(o)= 2,0 кг/кв.м, теплотворная способность q = 21949
кДж/кг,влагосодержание W = 80%.
4. Третий ярус леса - совокупность крон деревьев. Высота
- -
верхней границы полога леса h(3) = 22 м, высота нижней - h(3)=5 м,
-
толщина слоя дельта = h(3) - h(3) = 17 м, то есть второй и третий
ярусы леса частично перекрываются. Плотность слоя ЛГМ в пологе леса
ро(с) = 0,3 кг/куб.м, запас ЛГМ m(з)= 5,1 кг/кв.м, теплотворная
способность q = 21949 кДж/кг, содержание воды W = 90%.
Используя лесотаксационные описания лесных массивов, информацию о
вертикально-фракционной структуре леса, данные о запасе ЛГМ, можно
построить максимальные модели леса для каждого региона страны.
Кроме данных о запасе лесных горючих материалов, для расчета
М(альфа) необходимо знать величины К и К(альфа) для каждого типа
лесного пожара.
Для определения М(альфа) необходимо знать величины W(*) и К. Эти
данные приведены в таблице Г.1.
Таким образом, располагая данными о типе лесного фитоценоза, типе
лесного пожара, данными о запасе ЛГМ и его влагосодержании,
приведенными выше, можно оценить выбросы поллютантов в атмосферу в
результате горения ЛГМ при различных лесных пожарах.
Следует отметить, что в областных управлениях лесами и на
областных базах авиационной охраны лесов ведутся карточки учета лесных
пожаров, образец которой представлен ниже.
Располагая информацией из этой карточки учета, а в ней даны тип
пожара и размер выгоревшей площади, можно легко рассчитать итоговые
выбросы загрязняющих веществ и дать оценку величины ущерба в
результате попадания выбросов поллютантов в атмосферу.
Таблица Г.1.
Значения коэффициентов эмиссии для различных
типов лесных пожаров
------------------------------------------------------------------------
| Название поллютанта и его | К(альфа) для различных лесных |
| формула | пожаров |
| |-----------------------------------|
| | низовой | пожар на | повальный |
| | | торфянике | верховой |
------------------------------------------------------------------------
Оксид углерода СО 0.135 0.135 0.135
Диоксид углерода СО(2) 0.094 0.094 0.094
Оксиды азота NO(х) 0.000405 0.000405 0.000405
Сажа С 0.0062 0.011 0.0014
Дым (ультрадисперсные
частицы SiO(2)) 0.0345 0.055 0.014
Метан СН(4) 0.075 0.075 0.075
Непредельные углеводороды 0.011 0.011 0.011
Приложение N 5
авиабаза к приказу по Центральной авиабазе
авиаотделение от " ___ " _______ 199 __ года N 59
Карточка учета лесного пожара N
Принадл.лесн.фонда _____ Лесхоз __________ Леснич-во ____________
Квартал (урочище)_______ Тип леса ________ га Район прим.сил ____
Дата обнаружения _______ Площ.обнар. _____ Способ обнаруж. ______
Причина пожара _________ Азимут и раст. __ Ширина _______________
и долгота ______________ Дата ликвидац. __ Площ.ликвидац. _______
лесная _________________ га, нелесная ____ га, в т.ч. верх.___ га
подземный ______________ га
-----------------------------------------------------------------------
| число, | Площадь в га | Характеристика | Вид пожара |
| месяц |------------------------------| | |
| | лесная | нелесная | в том | | |
| | | | числе | | |
| | | | верховой | | |
|----------------------------------------------------------------------
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
-----------------------------------------------------------------------
----------------------------------------------------------------------
Состояние или | Работает | Треб. | Налет |
причина | людей тех.средств | дополнительно |------------|
неосмотра |-------------------------| | тип | час. |
| тип группы | тип | | ВС | мин. |
| количество | количество | | | |
---------------------------------------------------------------------|
7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 |
----------------------------------------------------------------------
Рис. 1.1 - Карточка учета лесного пожара |