Приказ Госкомэкологии России от 05.03.1997 № 90
Актуально на 09.11.2026.
Как цитировать: Приказ Госкомэкологии России от 05.03.1997 N 90. 90. 05.03.1997. https://bukva.ai/docs/prikaz-90-1997-goskomekologiya-rossii
«Об утверждении Методик расчета выбросов загрязняющих веществ в атмосферу»
(вместе с «Методикой расчета выбросов от источников горения при разливе нефти и нефтепродуктов», «Методикой определения и расчета выбросов загрязняющих веществ от лесных пожаров»)
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ОХРАНЕ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
ПРИКАЗ от 5 марта 1997 г. № 90
ОБ УТВЕРЖДЕНИИ МЕТОДИК РАСЧЕТА ВЫБРОСОВ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ В АТМОСФЕРУ
С целью обеспечения единого подхода к расчету выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух приказываю:
Утвердить Методику расчета выбросов от источников горения при разливе нефти и нефтепродуктов (Приложение 1), Методику определения и расчета выбросов загрязняющих веществ от лесных пожаров (Приложение 2).
Председатель В. И. Данилов-ДАНИЛЬЯН
Приложение 1 к Приказу Государственного комитета Российской Федерации по охране окружающей среды от 5 марта 1997 г. № 90
МЕТОДИКА РАСЧЕТА ВЫБРОСОВ ОТ ИСТОЧНИКОВ ГОРЕНИЯ ПРИ РАЗЛИВЕ НЕФТИ И НЕФТЕПРОДУКТОВ
Настоящая Методика устанавливает общие требования к расчету выбросов вредных газообразных и дисперсных веществ в атмосферу при горении нефти и нефтепродуктов, разлитых на различных типах подстилающих поверхностей (вода; инертная почва с буграми и впадинами; почва, покрытая растительностью, в том числе и лесной; болото).
Настоящая Методика может использоваться для определения экологического ущерба в результате неконтролируемого горения нефти и нефтепродуктов, разлитых на различных типах подстилающих поверхностей.
В настоящем документе использованы ссылки на следующие официальные издания:
ГОСТ 8.310-78. ГСИ. Государственная служба стандартных справочных данных. Основные положения.
ГОСТ 8.417-81. ГСИ. Единицы физических величин.
ГОСТ 2.321-84. ЕСКД. Обозначения буквенные.
2.1. Цель Методики — расчет итоговых и текущих значений масс выбросов загрязняющих веществ и тепла в атмосферу при неконтролируемом горении нефти и нефтепродуктов в открытом пространстве на различных типах подстилающей поверхности.
2.2. При создании настоящего документа использовались численные значения коэффициентов генерации поллютантов, полученных различными авторами на основе лабораторных экспериментов и анализа последствий реальных пожаров. В том случае, если экспериментальные данные отсутствовали, использовались экспертные оценки.
2.3. Горение представляет собой быстро протекающее химическое превращение, сопровождающееся выделением теплоты, света и вредных веществ в атмосферу. Различают организованное (контролируемое) горение в топках паровых котлов и различных двигателях и неконтролируемое горение. При организованном горении соединяется расчетное количество Н и НП и кислорода. Неконтролируемое горение имеет место при пожарах в открытом пространстве, возникающих в результате аварий на нефтебазах и нефтехимических производствах или на трубопроводах. Оно представляет собой сложный физико-химический процесс, на скорость которого влияет не только химическая реакция, но и неконтролируемый приток окислителя из окружающей среды.
В результате неконтролируемого горения разлитой нефти и нефтепродуктов возникает конвективная колонка — струя нагретых продуктов полного и неполного сгорания топлива, которые выбрасываются благодаря этой колонке в приземный слой атмосферы. Высота конвективной колонки тем больше, чем большее количество тепла выделяется при горении, т.к. основная движущая сила продуктов сгорания — сила Архимеда. Очаг пожара имеет сложную структуру и включает в себя зону пиролиза углеводородного топлива, зону догорания газообразных и конденсированных продуктов пиролиза. Горение нефти и нефтепродуктов происходит при постоянном давлении и имеет диффузионный характер, т.е. лимитируется поступлением кислорода благодаря подсосу воздуха из окружающей среды. Любой пожар имеет начало, стадию квазистационарного горения и стадию потухания, когда горение прекращается из-за сгорания разлитой нефти, в результате чего устанавливается новое термодинамическое равновесие.
2.4 Исходными данными для Методики называют описание предварительного обследования зоны аварии, которое включает:
-
краткое природно-климатическое описание района, в котором расположен очаг пожара;
-
метеорологические характеристики окружающей среды (температура, скорость ветра, наличие осадков);
-
экологическое состояние окружающей среды (фоновые концентрации загрязняющих веществ).
2.5 При расчете выбросов загрязняющих веществ в атмосферу необходимо использовать следующий общий алгоритм:
а) обследование места аварии и получение исходных данных (экологического паспорта зоны аварии), в том числе оценка массы М0 нефти и нефтепродуктов, разлитых на поверхности;
б) выбор типа подстилающей поверхности;
в) выбор математической модели для расчета выбросов вредных веществ в атмосферу;
г) численное решение задачи об определении итоговых выбросов загрязняющих веществ;
д) численное решение задачи об определении текущих выбросов загрязняющих веществ, если это необходимо;
е) оценка экологического ущерба от выбросов загрязняющих веществ.
3. Определения, обозначения и сокращения
В настоящей Методике используются следующие термины с соответствующими определениями и обозначениями:
3.1. Методика расчета выбросов представляет собой совокупность определений, физических и математических моделей и алгоритмов, позволяющих найти массу выбросов вредных веществ в атмосферу в результате горения нефти и нефтепродуктов для различных исходных данных.
3.2. Физической моделью явления или среды называется описание основных причинно-следственных связей, объясняющих исследуемое явление или структуру среды. Она создается на основе наблюдений, экспериментальных исследований и известных в естественных науках законов природы. С использованием физической модели строится математическая модель выбросов вредных продуктов горения в атмосферу.
3.3. Математической моделью явления или среды называется совокупность математических уравнений, адекватно отражающих физическую модель явления или структуру среды, которые получены на основе законов природы в результате удержания существенных (родовых) и отбрасывания несущественных признаков исследуемого явления или среды, что позволяет понимать сущность явления или структуру среды и достаточно точно прогнозировать основные характеристики исследуемого явления.
3.4. Масштаб экологической катастрофы при разливе нефти (Н) и нефтепродуктов (НП) характеризуется начальной массой М0 нефти или нефтепродуктов, оказавшейся выброшенной в результате аварии в окружающую среду, и площадью территории, покрытой ими, — S0. Эти величины получают эксперты в результате обследования территории, на которой произошла экологическая катастрофа.
3.5. Растительными горючими материалами (РГМ) называются природные углеводородные топлива, к которым относятся тонкие веточки, хвоинки или листья в кронах деревьев и опавшие на землю, а также напочвенный покров (трава, кустарники, мох, лишайник).
3.6. Выбросом загрязняющих веществ в атмосферу называется поступление за определенное время в воздух или образование в нем физико-химических агентов и веществ, неблагоприятно воздействующих на людей и окружающую среду. Выброс любого вредного вещества \alpha обозначается M_{\alpha} и измеряется в единицах массы (г, кг, моль).
3.7 Удельным выбросом (коэффициентом эмиссии) \alpha - \text{вещества} называется отношение:
\text{К}_{\alpha} = \text{М}_{\alpha}/\text{М}_{\text{г}}, (3.1)
где Мг — масса сгоревшей нефти или нефтепродукта.
Если известна химическая формула Н и НП, то при организованном горении можно определить коэффициенты эмиссии с помощью стехиометрии — науки о количественных соотношениях, в которых различные вещества вступают друг с другом в химическую реакцию. Для неконтролируемого горения \text{К}_{\alpha} можно определить только опытным путем.
3.8. Недожогом Н и НП называется масса несгоревшего в условиях неконтролируемого горения топлива Мн. Величина Мн измеряется в кг. Известно, например, что если неконтролируемое горение имеет место на водной подстилающей поверхности, то на поверхности воды остается слой нефти толщиной 2 мм.
3.9 Количество сгоревшего углеводородного топлива Мг можно определить, используя закон сохранения массы:
3.10. При аварии трубопровода, фонтане нефти на нефтепромыслах, аварии танкера или поезда с железнодорожными цистернами Н и НП топливо разливается по поверхности, называемой подстилающей. Существуют четыре типа подстилающей поверхности:
-
почва, покрытая растительностью, которая, впитывая Н и НП, сгорает вместе с углеводородным топливом;
-
болота, которые представляют совокупность живых болотных растений, отмерших растений, а также свободной и связанной в растениях воды.
3.11. Поллютант — вещество, загрязняющее среду обитания. Русский синоним этого слова — загрязнитель. Масса выброса поллютанта \alpha - \text{сорта}, возникающего при горении Н и НП, на основании (3.1) и (3.2) определяется по формуле:
M_{\alpha} = \text{К}_{\alpha}(\text{М}_{0} - \text{М}_{\text{н}}). (3.3)
Величина M_{\alpha} измеряется в кг.
3.12. Выбросом тепла в атмосферу называется количество теплоты Q, выделяющееся при горении массы Мг Н и НП. Выброс тепла в атмосферу определяется по формуле:
Q = q(\text{М}_{0} - \text{М}_{\text{н}}). (3.4)
3.13. М0 - масса нефти или нефтепродукта, разлитых на поверхности в результате аварии, т.
3.14. Q — количество тепла, выброшенного в атмосферу в результате горения нефти или нефтепродуктов, кДж.
3.15. q — тепловой эффект горения нефти или нефтепродукта, кДж/кг.
3.16. S0 — площадь территории, покрытая разлитыми нефтью или нефтепродуктами, м2.
3.17. \rho_{0} — плотность нефти или нефтепродукта, кг/м3.
3.18. h — толщина слоя нефти или нефтепродукта, разлитых на поверхности, мм.
3.19. h* — величина критической толщины слоя нефти или нефтепродукта, ниже которой горение прекращается, мм.
3.20. \varphi — пористость почвы ( \varphi = Vп / V, Vп — объем пор в единице объема пористой среды; V — объем пористой среды).
3.21. Мн — масса не сгоревшего в результате пожара нефтепродукта или нефти, кг.
3.22. Мг — масса сгоревшего в результате пожара нефтепродукта или нефти, кг.
3.23. К — коэффициент полноты сгорания нефти или нефтепродукта, определяющий, какая часть исходной массы топлива сгорела при пожаре:
3.24. m — запас лесных горючих материалов, кг/м2.
3.25 W — влагосодержание лесных горючих материалов в процентах.
3.26. W* — предельное значение влагосодержания, выше которого ЛГМ не горит, в процентах.
3.27 Кв — доля площади болота, занятая водой.
3.28 W' — влагосодержание грунта.
3.29. x, y — координаты контура нефтяного пожара — кривой на подстилающей поверхности, которая охватывает зону горения и отделяет ее от остальной части подстилающей поверхности.
3.30. a, b — большая и малая полуоси эллипса, соответствующего контуру пожара.
3.31. x0, y0 — координаты центра эллипса.
3.32 Vе — скорость ветра, м/с.
3.33. \omega_{n} — скорость распространения пламени по нормали к контуру нефтяного пожара, м/с.
3.34. \theta — угол между скоростью распространения пламени по нормали к контуру и направлением ветра.
3.35. \omega_{\text{А}} — скорость распространения фронта пожара по направлению ветра, м/с.
3.36. \omega_{\text{В}} — скорость распространения фронта пожара против скорости ветра, м/с.
3.37. \omega_{\text{С}} — скорость распространения фронта пожара перпендикулярно скорости ветра, м/с.
3.38. \omega_{Z} — линейная скорость послойного сгорания нефти, м/с.
3.39. \omega_{z0};\omega_{z\infty} — линейная скорость послойного сгорания нефти при нулевой и предельно большой скорости ветра, м/с.
3.40. t — текущее время горения, с.
3.41 F* — площадь нефтяного пятна, м2.
3.42. М* — масса несгоревших нефтепродуктов в момент времени окончания горения t*, кг.
3.43. t* — полное время горения нефти или нефтепродуктов, с.
3.44 Мг* — полная масса нефти, выгоревшая к моменту времени t*, кг.
3.45. M_{\alpha*} — полное значение выбросов поллютантов к моменту времени t*, кг.
3.46 Q* — полное значение выбросов тепла к моменту времени t*, кДж.
3.48. ri — радиус основания лунки, м.
3.49. \alpha_{i} — полураствор угла при вершине лунки, град.
4. Описание методики расчета итоговых выбросов вредных веществ и тепла в атмосферу при горении топлива на водной поверхности
Известно, что Н и НП обладают меньшей плотностью, чем вода, они не растворяются в воде и при аварии растекаются на водной поверхности. Особенностью горения нефти на водной поверхности является то, что на ней остается слой топлива h*, который не сгорает. Величина h* зависит от сорта Н и НП.
Для массы недожога Мн в этом случае следует использовать формулу:
\text{М}_{\text{н}} = \rho_{0}S_{0}h_{*}. (4.1)
\text{К}_{\text{н}} = \frac{\text{М}_{\text{н}}}{\text{М}_{0}} . (4.2)
Тогда коэффициент полноты сгорания равен:
\text{К } = \frac{\text{М}_{0} - \text{М}_{\text{н}}}{\text{М}_{0}} = 1 - \text{К}_{\text{н}}. (4.3)
Очевидно, что по определению 0 < Кн < 1 и 0 < К < 1. Для водной поверхности:
\text{К } = 1 - \frac{\rho_{0}S_{0}h_{*}}{\text{М}_{0}} . (4.4)
Зная К, получим расчетные формулы для выброса поллютантов и тепла при горении топлива на водной подстилающей поверхности:
M_{\alpha} = \text{КК}_{\alpha}\text{М}_{0},\alpha = 1...N;Q = qKM_{0}. (4.5)
Конкретные значения \text{К}_{\alpha} приведены в таблице 4.1.
КОЭФФИЦИЕНТЫ ЭМИССИИ ПОЛЛЮТАНТОВ ПРИ ГОРЕНИИ Н И НП И ЛГМ
5. Описание методики расчета итоговых выбросов вредных веществ при горении топлива на инертной почве
Инертная почва характеризуется количеством микровпадин и впитыванием Н и НП в почву в результате фильтрации. Например, скорость фильтрации для песчаной почвы Wф = 0,000065 м/с, а для глинистой Wф = 0,00001 м/с.
Для инертной почвы для определения величины Кн предлагается следующая формула:
\text{К}_{\text{н}} = \varphi W',0<\varphi<1,0<W'<1. (5.1)
При разливе нефти на инертной почве горение сосредотачивается в микровпадинах. Пусть на обследованной местности обнаружено n микровпадин. Тогда для каждой отдельной впадины i имеем следующие формулы для определения выбросов вредных веществ и тепла:
M_{\alpha,i} = K_{i}K_{\alpha,i}M_{0,i},Q_{i} = qK_{i}M_{0,i},\alpha = 1...N,i = 1...n, (5.2)
где индекс i приписывается характеристикам i-й впадины.
В целом для всей территории имеем следующие формулы:
M_{\alpha} = \sum_{i = 1}^{n} K_{i}K_{\alpha,i}M_{0,i},Q = q \sum_{i = 1}^{n} K_{i}M_{0,i}. (5.3)
Здесь и выше коэффициенты полноты сгорания Кi определяются эмпирически, в результате обследования местности после пожара. Следует отметить, что для песчаной почвы значения Кi при прочих равных условиях меньше, чем для глинистой, т.к. песчаная почва имеет большую пористость и проницаемость. Поэтому для нее более значительная часть нефти впитывается в почву и не сгорает, а для глинистой и каменистой почвы имеет место обратный эффект.
6. Описание методики расчета итоговых выбросов вредных веществ при горении топлива на почве, покрытой растительностью
Если почва покрыта растительностью (трава, лишайник Cladonia, мох, кустарник) или отмершими частями растений (опад хвойных и лиственных деревьев, подстилка торф), то наряду с нефтепродуктами сгорают и растительные материалы.
Для сухой почвы, покрытой напочвенным покровом (трава, опад хвои, опад листьев и др.), считается, что имеет место полное сгорание и нефти и растительности. Тогда:
Лесные горючие материалы можно рассматривать как своеобразное углеводородное топливо с известными коэффициентами эмиссии, элементарным составом, химической формулой и тепловым эффектом.
Слой растительности характеризуется типом, запасом растительных горючих материалов (РГМ) m (кг/м2) и влагосодержанием W в %. В обычных условиях при влагосодержании W > W*, где W* — предельное значение влагосодержания, выше которого ЛГМ не горит. Однако РГМ, смоченный нефтью, бензином или керосином, сгорает даже при W > W*. Поэтому для расчета выбросов поллютантов и тепла при горении ЛГМ необходимо использовать формулы, аналогичные выражениям 5.2:
M_{\alpha}^{(p)} = \sum_{i = 1}^{n_{1}} K_{i}^{(p)}K_{\alpha(,i)}^{p}S_{0,i}m_{i},Q^{(p)} = \sum_{i = 1}^{n_{1}} q_{i}^{(p)}K_{i}^{(p)}S_{0,i}m_{i}. (6.2)
S0,i — площади, занятые растительностью, в м2;
mi — запас ЛГМ на i-й площади в кг/м2;
n1 — общее количество участков лесной (степной) растительности на обследуемой территории;
q_{i}^{(p)} — значения тепловых эффектов для разных типов ЛГМ в кДж/кг.
Если слой растительности сплошным образом покрывает обследуемую территорию, где имеет место разлив нефти, то формулы (6.2) можно упростить:
M_{\alpha}^{(p)} = K^{(p)}K_{\alpha}^{(p)}S_{0}m,Q^{(p)} = q^{(p)}K^{(p)}S_{0}m. (6.3)
К(р), K_{\alpha}^{(p)} , q(р) — средние значения упомянутых выше коэффициентов;
m — средний запас ЛГМ в кг/м2.
При совместном горении нефтепродуктов и ЛГМ выражения для выбросов вредных веществ и тепла принимают вид:
M_{\alpha,\Sigma} = M_{\alpha} + M_{\alpha}^{(p)},\alpha = 1...N,Q_{\Sigma} = Q + Q^{(p)}. (6.4)
M_{\alpha,\Sigma} и Q_{\Sigma} — суммарные итоговые выбросы вредных веществ и теплоты;
N = N0 + Nр — полное количество поллютантов, соответствующее одновременному горению нефтепродуктов и ЛГМ;
N0 Nр — количество поллютантов от горения нефти и растительности соответственно;
M_{\alpha} и Q определяются по формуле (5.3).
7. Описание методики расчета выбросов поллютантов при горении нефти и нефтепродуктов, разлитых на болоте
Для болота коэффициент недожога определяется по формуле:
(7.1)kb — коэффициент водности болота, т.е. доля его поверхности, занятая водой;
\text{К}_{\text{н},\text{в}} = \rho h_{*}S_{0}/M_{0} — коэффициент недожога для водной поверхности, определяемый по формуле (4.4);
В — область болота, покрытая водой.
Расчеты выбросов вредных веществ и тепла, согласно физико-математической модели выбросов при неконтролируемом горении нефти и нефтепродуктов, на болоте предполагают априорное знание величин удельных выбросов (коэффициентов эмиссии) вредных веществ и удельных теплот сгорания Н и НП (нефть, бензин, дизельное топливо) и растительных горючих материалов (РГМ).
В продуктах горения Н и НП, помимо безопасных соединений, таких как вода и углекислый газ, присутствуют значительные концентрации вредных веществ. К ним относятся сернистый и серный ангидриды, сероводород, окислы азота и углерода, сажа, синильная и органические кислоты, предельные и циклические углеводороды, формальдегид и 3,4бенз(а)пирен.
Поскольку предлагаемая методика предназначена для расчета выбросов при горении Н и НП, разлитых на болоте, то необходимо знать величину удельных выбросов при горении РГМ. В результате частичного или полного сгорания РГМ происходит дополнительный вклад массы поллютантов в сумму выбросов при горении Н и НП. Продукты горения растительных материалов (мох, торф, трава, кустарники, а также деревья хвойных и лиственных пород) включают в себя, помимо продуктов горения, присущих Н и НП, дым — дисперсные частицы зольного остатка, состоящего, в основном, из окиси кремния.
Запас РГМ может быть значительным, и, соответственно, выбросы поллютантов при его горении вносят большой вклад в общие выбросы загрязняющих веществ в результате горения Н и НП. Поэтому игнорирование вклада продуктов горения РГМ в общую массу выбросов при горении нефти и нефтепродуктов приведет к значительному занижению величины экологического ущерба.
Значения удельных выбросов при горении Н и НП и ЛГМ приведены в таблице 4.1.
Будем считать для определенности, что kb — доля территории болота, покрытая водой, а (1 — kb) — кочками, на которых произрастает мох сфагнум и другая болотная растительность. Тогда для расчета выбросов вредных веществ и тепла M_{\alpha} и Q необходимо использовать формулы:
M_{\alpha} = (M_{0} - M_{\text{н}})\text{К}_{\alpha}k_{b}S_{0},Q = q(M_{0} - M_{\text{н}})k_{b}S_{0},
а для определения M_{\alpha}^{(p)} , Q(р) — выражения:
M_{\alpha}^{(p)} = K^{(p)}K_{\alpha}^{(p)}S_{0}m(1 - k_{b}),Q^{(p)} = q^{(p)}K^{(p)}S_{0}(1 - k_{b}). (7.3)
S0 — площадь, на которой разлита нефть на болоте;
kb — доля этой площади, соответствующая водной поверхности;
К(р) — коэффициент полноты сгорания растительности на болоте;
m0 — запас растительности в кочках на болоте, кг/м2;
K_{\alpha}^{(p)} — удельные выбросы вредных веществ при горении растительности;
М0 — масса нефти, разлитой на болоте;
M_{\text{н}} = \rho h_{*}k_{b}S_{0} — масса недогоревшей нефти на болоте;
h* — предельная высота слоя нефти, при которой нефть еще горит на водной поверхности болота.
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ДЛЯ РАСЧЕТА ТЕКУЩИХ ВЫБРОСОВ ПОЛЛЮТАНТОВ ПРИ ГОРЕНИИ НЕФТИ НА ПОВЕРХНОСТИ ВОДЫ
Известно, что при крупных авариях (горение нефти при аварии танкеров, горение нефти при ее разливе в результате разрыва нефтепровода, горение нефти на нефтепромыслах) возникает необходимость определения выбросов вредных веществ в текущий момент времени. При организации тушения очага пожара это необходимо и для прогноза масштабов экологического бедствия и оценки времени горения. В данном разделе для тех же типов подстилающих поверхностей даются формулы для изменения массы выбросов поллютантов при изменении времени. Весь процесс горения и выбросов поллютантов разбивается на стадию формирования очага пожара и стадию догорания нефти и нефтепродуктов. В данном разделе приводятся формулы для расчета выбросов поллютантов типичных динамических режимов горения нефти и нефтепродуктов на поверхности воды.
При разливе нефти на водной поверхности образуется нефтяное пятно, по форме напоминающее эллипс, большая полуось которого ориентирована в направлении ветра. Поэтому площадь горения представляет собой площадь эллипса:
\frac{(x - x_{0})}{a^{2}} + \frac{y^{2}}{b^{2}} = 1;S = \pi ab. (А.1)
x и y — координаты контура (см. рис. 4 — не приводится);
направление оси x совпадает с направлением ветра Ve;
a = 1/2(\omega_{A} + \omega_{B})t,b = \omega_{C}t — большая и малая полуоси эллипса;
x_{0} = 1/2(\omega_{A} + \omega_{B})t, y = 0 — координаты центра эллипса;
\omega_{A} — скорость распространения фронта горения по направлению ветра;
\omega_{B} — скорость распространения фронта пожара против скорости ветра;
\omega_{C} — скорость распространения горения перпендикулярно скорости ветра.
Вид эллипса, отграничивающего площадь горения, представлен на рис. А.1, где:
0 — точка, где произошло зажигание нефти или нефтепродуктов;
\zeta,\eta — подвижная система координат, связанная с центром эллипса (x, 0);
A, B, C, D — характерные точки контура нефтяного пожара.
Рис. А.1. Вид контура, отграничивающего площадь горения нефти или нефтепродуктов, разлитых на водной поверхности
В табл. А.1 дана зависимость \omega_{n} от скорости ветра. Эти данные для нефти можно аппроксимировать формулой:
\omega_{n} = \omega_{0} + (\omega_{\infty} - \omega_{0})[1 - exp( - \beta V_{e}cos\theta)], (А.2)
где \omega_{0} = 0,025 м/с, \omega_{\infty} = 0,61 м/с, \beta = 0,045 — эмпирические постоянные.
В общем случае величины \omega_{0},\omega_{\infty},\beta зависят от сорта нефти и вида нефтепродукта, от влагосодержания W горючего и от угла \Theta между скоростью распространения пламени по нормали к контуру и вектором скорости ветра Vе. Следуя аналогии между распространением нефтяного пожара и лесного пожара, будем считать, что при \theta = \pi/2 и 3\pi/2 величина \omega_{n} = \omega_{0}.
Наряду с распространением пламени по площади пятна разлитой нефти имеет место ее послойное вертикальное сгорание. Линейную скорость послойного сгорания можно рассчитать по формуле:
\omega_{z} = \omega_{z0} + (\omega_{z\infty} - \omega_{z0})[1 - exp( - \beta_{z}V_{e})], (А.3)
где \omega_{z0}\text{и }\omega_{z\infty} — линейные скорости послойного сгорания нефти и нефтепродуктов при нулевой и предельно большой скорости ветра, а \beta — эмпирическая постоянная.
В табл. А.1 даны значения упомянутых выше эмпирических постоянных.
ВЛИЯНИЕ СКОРОСТИ ВЕТРА НА ЛИНЕЙНУЮ СКОРОСТЬ ПОСЛОЙНОГО ВЫГОРАНИЯ НЕФТИ И НЕФТЕПРОДУКТОВ
| Вид горючего | \beta_{z}, сек./м | \omega_{z0}, м/с | \omega_{z\infty}, м/с |
|---|---|---|---|
| Дизельное топливо | 0.1 | 0.0000475 | 0.0001762 |
| Тракторный керосин | 0.1 | 0.0000333 | 0.0001299 |
| Автомобильный бензин | 0.1 | 0.0000650 | 0.0002925 |
Для мазута линейная скорость выгорания не меняется при изменении скорости ветра от 0 до 2,8 м/с и составляет 0,0000166 м/с.
Скорость послойного горения сильно зависит от влажности нефти или нефтепродукта. В частности мазут сгорает только тогда, когда его влажность не превышает 0,7%, а нефть — при влажности, не превышающей 10%.
Следует отметить, что скорость распространения нефтяного пожара \omega_{n} значительно превышает скорость послойного сгорания \omega_{z}. Например, при скорости ветра 2 м/с для нефти \omega/\omega_{z} = 9. Скорость распространения \omega известна только для нефти. Однако известно, что линейная скорость горения нефтепродуктов растет с убыванием массы нефтепродукта. Поэтому можно для определения \omega_{z0}\text{и }\omega_{z\infty} в формуле (А.2) использовать простые соотношения:
\omega_{0i} = \frac{\omega_{0H}\rho_{H}}{\rho_{i}} ,\omega_{\infty i} = \frac{\omega_{\infty H}\rho_{H}}{\rho_{i}} , (А.4)
где индексы Н и i соответствуют нефти и рассматриваемому нефтепродукту.
Для определения \omega_{0z}\text{и }\omega_{\infty z} имеем аналогичные формулы:
\omega_{z0i} = \frac{\omega_{0zH}\rho_{H}}{\rho_{i}} ,\omega_{\infty zi} = \frac{\omega_{\infty zH}\rho_{H}}{\rho_{i}} , (А.5)
Зная площадь горения и скорость послойного сгорания, легко определяем массовую скорость сгорания нефти или нефтепродукта:
\frac{dM}{dt} = - \pi ab\omega_{z}\rho_{s};M|_{t = 0} = M_{0}, (А.6)
где \rho_{s} — плотность нефти или нефтепродукта, а М0 — величина выброса нефти или нефтепродукта на подстилающую водную поверхность (количество разлитой нефти или нефтепродукта).
Уравнение (А.6) представляет собой закон сохранения массы разлитой нефти или нефтепродукта при их горении на водной подстилающей поверхности. Решая это уравнение, найдем массу Мг сгоревшей к моменту времени t нефти или нефтепродукта:
M_{\text{г}} = \text{М}_{0} - \text{М } = \pi\rho_{s} \int_{0}^{t} ab\omega_{z}dt. (А.7)
Зная текущие значения Мг и коэффициенты эмиссии K_{\alpha} различных поллютантов при горении нефти и нефтепродуктов, легко находим текущий выброс каждого поллютанта в отдельности и выброс тепла Q в атмосферу:
M_{\alpha} = M_{\text{г}}K_{\alpha},Q = qM_{\text{г}}, (А.8)
где q — тепловой эффект горения нефти или нефтепродукта.
Надо сказать, что площадь горения не может превысить площади нефтяного пятна. Совокупность формул (А.1) - (А.8) является упрощенной математической моделью для расчета выбросов поллютантов и тепловой энергии в атмосферу.
Поскольку \rho_{s},\omega_{A},\omega_{B},\omega_{C},\omega_{z} можно с с удовлетворительной степенью точности считать постоянными величинами, то величина Мг легко определяется в результате интегрирования правой части (А.6):
\text{М}_{\text{г}} = \text{М}_{0} - \text{М } = \frac{1}{6} \pi\rho_{s}\omega_{z}(\omega_{A} + \omega_{B})\omega_{C}t^{3}. (А.9)
С помощью формулы (А.9) и таблиц значений K_{\alpha} находят выбросы для любых поллютантов и теплоты в любой момент времени:
\text{М}_{\alpha} = \frac{K_{\alpha}}{6} \pi\rho_{s}\omega_{z}(\omega_{A} + \omega_{B})\omega_{C}t^{3},Q = \frac{q}{6} \pi\rho_{s}\omega_{z}(\omega_{A} + \omega_{B})\omega_{C}t^{3}. (А.10)
Легко видеть, что Мг, M_{\alpha} и Q растут с ростом \omega_{A},\omega_{B},\omega_{C},\omega_{z} по линейному закону, а с ростом времени — по степенному (кубическому) закону.
Следует отметить, что кубический закон горения реализуется только для первых моментов времени (t < t1), когда имеет место распространение пламени по поверхности разлитой нефти. Значение времени t1, при котором пламя охватывает всю площадь разлитой нефти, легко получается, если известна площадь нефтяного пятна F*:
t_{1} = \sqrt{\frac{2F_{*}}{\pi(\omega_{A} + \omega_{B})\omega_{C}} .} (А.11)
При выводе этой формулы, так же, как и при выводе формул (А.9) - (А.10), считалось, что \omega_{A},\omega_{B},\omega_{C} не зависят от времени.
Подставляя (А.11) в (А.9), (А.10), получим значения:
\text{М}_{1\text{г}} = \text{М}_{\text{г}}(t_{1}) = \frac{1}{3} \rho_{s}\omega_{z}t_{1}f_{*}; (А.12)
\text{М}_{1\alpha} = \text{М}_{\alpha}(t_{1}) = \frac{1}{3} K_{\alpha}\rho_{s}\omega_{z}t_{1}f_{*}; (А.13)
Q_{1} = Q(t_{1}) = \frac{1}{3} q\rho_{s}\omega_{z}t_{1}f_{*}. (А.14)
При (t > t1) распространение фронта нефтяного пожара прекращается и имеет место вторая стадия процесса — режим догорания нефтяной пленки с послойной скоростью сгорания \omega_{z}.
Известно, что нефть и нефтепродукты не сгорают полностью и на водной поверхности остается пленка толщиной h = h* = 2 мм. Пусть площадь пятна в момент окончания горения известна и равна F*, тогда масса несгоревшего горючего М* равна:
M_{*} = \rho_{s}h_{*}F_{*}. (А.15)
Полная масса топлива, сгоревшая к моменту t = t* прекращения горения, равна:
M_{\text{г}}(t_{*}) = M_{0} - M_{*}. (А.16)
Интегрируя (А.6) с учетом того, что при t > t1 величина \pi ab = F_{*} = const, получаем, используя (А.12) в качестве начального условия:
\text{М}_{\text{г}} = \text{М}_{1\text{г}} + \rho_{s}\omega_{z}F_{*}(t - t_{1}),t \geq t_{1}. (А.17)
Выражения для выбросов поллютантов и тепла при t > t1 имеют вид:
\text{М}_{1\alpha} = [\text{М}_{1\text{г}} + \rho_{s}\omega_{z}F_{*}(t - t_{1})]K_{\alpha}, (А.18)
Q_{\alpha} = [\text{М}_{1\text{г}} + \rho_{s}\omega_{z}F_{*}(t - t_{1})]q. (А.19)
Величина времени, в течение которого длится второй период горения, легко определяется по формуле:
t_{2} = \frac{M_{0} - M_{1\text{г}} - M_{*}}{\rho_{s}\omega_{z}F_{*}} . (А.20)
Полное время горения определяется по формуле:
Подставляя (А.11) и (А.20) в формулу (А.21), получаем полное время горения:
t_{*} = \sqrt{\frac{2F_{*}}{\pi(\omega_{A} + \omega_{B})\omega_{C}}} + \frac{M_{0} - M_{1\text{г}} - M_{*}}{\rho_{s}\omega_{z}F_{*}} . (А.22)
По определению Мг* имеем следующее выражение для полной массы нефти, выгоревшей к моменту t*:
M_{\text{г}*} = M_{0} - M_{*} = M_{0} - \rho_{s}h_{*}F_{*}. (А.23)
Зная Мг*, легко находим полное значение выбросов поллютантов и теплоты к моменту прекращения горения:
M_{\alpha*} = (M_{0} - M_{*})K_{\alpha} = (M_{0} - \rho_{s}h_{*}F_{*})K_{\alpha}; (А.24)
Q_{*} = (M_{0} - \rho_{s}h_{*}F_{*})q. (А.25)
При подсчете Q* необходимо знать величину q. Для ее определения следует использовать формулу Д.И. Менделеева:
q = 4,19[81Cр — 246Hр — 26(Oр — Sр) — 6Wр], (А.26)
q — низшая теплота сгорания в кДж/кг;
величины Cр, Hр, Oр, Sр, Wр характеризуют элементарное содержание в % углерода, водорода, кислорода, серы и влаги;
верхний индекс р означает, что проценты берутся к рабочей массе горючего.
Таким образом, аналитические формулы (А.10), (А.18) - (А.19) позволяют получить конкретные текущие значения выбросов поллютантов и теплоты в приземный слой атмосферы, если известны М0, h*, F*, \rho_{s},K_{\alpha}.
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ И АЛГОРИТМ РАСЧЕТА ТЕКУЩИХ ВЫБРОСОВ ПРИ ГОРЕНИИ НЕФТИ И НЕФТЕПРОДУКТОВ НА ИНЕРТНОЙ ПОЧВЕ
При горении нефти и нефтепродуктов, разлитых на инертной почве, необходимо учитывать впадины и возвышенности. Очевидно, что нефть и нефтепродукты сосредотачиваются во впадинах. Пусть количество впадин равно N, а количество горючего в любой из них — Мгi. Тогда для любого отдельного очага горения имеем следующее выражение для выбросов поллютантов и тепла:
M_{\alpha i} = M_{\text{г}i}K_{\alpha},Q_{i} = qM_{\text{г}i.} (Б.1)
Общее количество поллютантов и теплоты, выброшенных в атмосферу:
M_{\alpha}^{(\text{г})} = K_{\alpha} \sum_{i = 1}^{N} M_{\text{г}i},Q^{(\text{г})} = q \sum_{i = 1}^{N} M_{\text{г}i}. (Б.2)
Разлитая на почве нефть скапливается в отдельных лужах (впадинах) и при зажигании горит в них так же, как и на водной подстилающей поверхности (п. 4.2). Лунка имеет форму конуса с высотой hi, радиусом ri и полураствором угла \alpha_{i} при вершине. Кроме того, поскольку почва смачивается нефтепродуктами, то горение слоя нефти в лунке происходит до самого конца. Рассмотрим горение нефтепродуктов в i-й лунке.
Скорость их сгорания определяется решением дифференциального уравнения сохранения массы нефтепродукта:
\frac{dM_{i}}{dt} = - \rho_{i}\pi r_{i}^{2}\omega_{z}. (Б.3)
Величину Мi можно определить по формуле:
M_{i} = \rho_{i} \frac{\pi r_{i}^{3}}{3} ctg\alpha_{i}. (Б.5)
r_{i} = [\frac{3M_{i}}{\pi\rho_{i}ctg\alpha_{i}}]^{1/3}. (Б.6)
Подставляя (Б.6) в (Б.3) и интегрируя по t, получим величину текущей массы нефтепродукта в i-й лунке:
M_{i} = [M_{i0}^{1/3} - \frac{\rho_{i}\pi\omega_{zi}}{3} (\frac{3}{\pi\rho_{i}ctg\alpha_{i}})^{2/3}t]^{3}. (Б.7)
Очевидно, что время горения в i-й лунке равно:
t_{i\text{г}} = \frac{3^{1/3}M_{i0}^{1/3}(ctg\alpha_{i})^{2/3}}{\rho_{i}^{1/3}\pi^{1/3}\omega_{zi}} . (Б.8)
Величина массы топлива, сгоревшего к моменту времени t, равна:
M_{\text{г}i} = (M_{i0} - M_{i}) = M_{i0} - [M_{i0}^{1/3} - \frac{\rho_{i}\pi\omega_{zi}}{3} (\frac{3}{\pi\rho_{i}ctg\alpha_{i}})^{2/3}t]^{3}. (Б.9)
Зная коэффициенты эмиссии K_{\alpha}, получаем выражение для выброса \alpha - \text{поллютанта} из i-й лунки в любой момент времени:
M_{\alpha i} = (M_{i0} - M_{i})K_{\alpha} = \{M_{i0} - [M_{i0}^{1/3} - \frac{\rho_{i}\pi\omega_{zi}}{3} (\frac{3}{\pi\rho_{i}ctg\alpha_{i}})^{2/3}t]^{3}\}K_{\alpha}. (Б.10)
Суммируя выбросы \alpha - \text{компонента} по всем лункам, получаем:
M_{\alpha} = \sum_{i = 1}^{N} M_{\alpha i} = \sum_{i = 1}^{N} K_{\alpha}\{M_{i0} - [M_{i0}^{1/3} - \frac{\rho_{i}\pi\omega_{zi}}{3} (\frac{3}{\pi\rho_{i}ctg\alpha_{i}})^{2/3}t]^{3}\}. (Б.11)
Подставляя в (Б.11) выражение (Б.8), находим суммарный выброс \alpha - \text{компонента}:
M_{\alpha*} = \sum_{i = 1}^{N} K_{\alpha}M_{i0}. (Б.12)
Выброс тепла от горения нефтепродуктов во всех лунках определяется по формуле:
Q = \sum_{i = 1}^{N} qM_{\text{г}i}. (Б.13)
К моменту прекращения горения нефтепродуктов в атмосферу выбрасывается следующее количество тепла:
Q_{*} = \sum_{i = 1}^{N} qM_{i0}. (Б.14)
Таким образом, с помощью формул (Б.11) - (Б.14) удается получить как выбросы поллютантов, так и выбросы тепла.
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ И МЕТОДИКА ДЛЯ РАСЧЕТА ТЕКУЩИХ ВЫБРОСОВ ПОЛЛЮТАНТОВ ПРИ ГОРЕНИИ НЕФТЕПРОДУКТОВ, РАЗЛИТЫХ НА РАСТИТЕЛЬНОМ ПОКРОВЕ
Если почва покрыта растительностью (трава, лишайник Cladonia, мох, кустарник) или отмершими частями растений (опад хвойных и лиственных деревьев), то выбросы поллютантов будут обусловлены не только горением нефти, но и сгоранием растительного напочвенного покрова. Поэтому для определения выбросов поллютантов и тепла имеют место формулы:
M_{\alpha} = M_{\alpha}^{(\text{г})} + M_{\alpha}^{(p)},Q = Q^{(\text{г})} + Q^{(\text{р})}. (В.1)
Здесь M_{\alpha}^{(p)},Q_{\alpha}^{(p)} — выбросы \alpha - \text{поллютанта} и тепловой энергии, обусловленные горением растительных горючих материалов.
Следует считать, что распространение сложного пожара осуществляется с линейной скоростью, присущей распространению пламени по разлитому нефтепродукту. Тогда форма контура горения определяется с использованием формул (А.1), (А.2). Допускается, что скорости распространения фронта пожара и выгорания напочвенного покрова, смоченного нефтью или нефтепродуктами, определяются линейной скоростью распространения и линейной скоростью выгорания нефтепродукта. Тогда законы сохранения массы нефтепродукта и лесного горючего материала (ЛГМ) принимают вид:
\frac{dM_{2}}{dt} = - \pi ab\omega_{z}\rho_{2},M_{2}(0) = M_{02}; (В.1)
\frac{dM_{1}}{dt} = \pi ab\omega_{z}\rho_{1},M_{1}(0) = M_{01}. (В.2)
М1 - текущая масса нефти на подстилающей поверхности;
М2 - текущая масса растительности.
Интегрируя (В.1), получают выражение для масс нефтепродуктов и ЛГМ, сгоревших к моменту времени t на стадии распространения пожара:
M_{\text{г}1} = \frac{\pi}{6} \rho_{1}\omega_{z}(\omega_{A} + \omega_{B})\omega_{C}t^{3},0<t<t_{1}, (В.3)
M_{\text{г}2} = \frac{\pi}{6} \rho_{2}\omega_{z}(\omega_{A} + \omega_{B})\omega_{C}t^{3},0<t<t_{1}. (В.4)
Выбросы поллютантов для 0 < t < t1 при горении нефтепродуктов и ЛГМ определяются по формулам:
M_{\alpha 1} = \frac{\pi K_{\alpha}}{6} \rho_{1}\omega_{z}(\omega_{A} + \omega_{B})\omega_{C}t^{3},0<t<t_{1}, (В.5)
M_{\alpha 2} = \frac{\pi K_{\alpha}}{6} \rho_{2}\omega_{z}(\omega_{A} + \omega_{B})\omega_{C}t^{3},0<t<t_{1}. (В.6)
Общая масса \alpha - \text{поллютанта} при 0 < t < t1:
M_{\alpha} = M_{\alpha 1} + M_{\alpha 2}. (В.7)
Общее количество тепла, выбрасываемого в атмосферу при 0 < t < t1, равно:
Q = \frac{\pi}{6} (q_{1}\rho_{1} + q_{2}\rho_{2})\omega_{z}(\omega_{A} + \omega_{B})\omega_{C}t^{3}. (В.8)
Следует отметить, что так же, как и при горении нефти, разлитой по водной поверхности, при t > t1 имеет место режим догорания. Однако, в отличие от упомянутого выше случая, будем предполагать, что имеет место полное сгорание ЛГМ, смоченных нефтепродуктами.
Время t1 легко определить по формуле (А.11), а для определения масс нефтепродукта и ЛГМ, сгоревших к моменту времени t, где t1 < t < t*, имеем следующие формулы:
M_{1\text{г}} = M_{11} + \rho_{1}\omega_{z}F_{*}(t - t_{1}); (В.9)
M_{2\text{г}} = M_{21} + \rho_{2}\omega_{z}F_{*}(t - t_{1}). (В.10)
Здесь М11 = М1г(t1), М21 = М2г(t1) — массы нефтепродуктов и ЛГМ, сгоревших к моменту времени t1.
Величина времени, в течение которого длится второй период (период догорания), определяется выражением:
t_{2} = \frac{M_{10} + M_{20} + M_{11} + M_{21}}{(\rho_{1} + \rho_{2})\omega_{z}F_{*}} . (В.11)
Выражение для выбросов поллютантов и теплоты для момента времени во втором периоде горения имеет вид:
M_{1\alpha} = M_{1\text{г}}K_{1\alpha},Q_{1} = M_{1\text{г}}q_{1}; (В.12)
M_{2\alpha} = M_{2\text{г}}K_{2\alpha},Q_{2} = M_{2\text{г}}q_{2}. (В.13)
Полное время горения определяется по формуле:
где t1, t2 определяются по формулам (А.11) и (В.11).
С учетом допущения о полном сгорании масс нефтепродуктов и ЛГМ за время t* имеем:
Таким образом, с помощью формул (В.6) - (В.15) полностью решается вопрос о расчете выбросов в любой момент времени на временном интервале 0 < t < t*.
Приложение 2 к Приказу Государственного комитета Российской Федерации по охране окружающей среды от 5 марта 1997 г. № 90
МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ И РАСЧЕТА ВЫБРОСОВ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ ОТ ЛЕСНЫХ ПОЖАРОВ
Настоящая Методика устанавливает общие требования к расчету выбросов загрязняющих газообразных и дисперсных веществ в атмосферу при неконтролируемом горении лесных горючих материалов на лесных пожарах различных типов (низовых, верховых и торфяных).
Настоящая Методика может использоваться для определения экологического ущерба в результате неконтролируемого горения лесных горючих материалов в открытом пространстве на различных типах подстилающей поверхности.
В настоящем документе использованы ссылки на следующие официальные издания:
ГОСТ 8.310-78. ГСИ. Государственная служба стандартных справочных данных. Основные положения.
ГОСТ 8.417-81. ГСИ. Единицы физических величин.
ГОСТ 17.6.1.01-83. Охрана природы. Охрана и защита лесов. Термины и определения. М.: Изд-во стандартов, 1984.
ГОСТ 2.321-84. ЕСКД. Обозначения буквенные.
2.1. Цель Методики — расчет итоговых и текущих значений масс выбросов загрязняющих веществ и тепла в атмосферу при неконтролируемом горении лесных горючих материалов в открытом пространстве.
2.2. При ее создании использовались численные значения коэффициентов генерации поллютантов, полученных различными авторами на основе лабораторных экспериментов и анализа последствий реальных пожаров. В тех случаях, если экспериментальные данные отсутствовали, использовались экспертные оценки.
2.3. Горение представляет собой быстро протекающее химическое превращение, сопровождающееся выделением теплоты, света и вредных веществ в атмосферу. Различают организованное (контролируемое) горение в топках паровых котлов и различных двигателях и неконтролируемое горение. При организованном горении соединяется расчетное количество горючего и кислорода. Неконтролируемое горение имеет место при пожарах в открытом пространстве, возникающих в лесах в результате воздействия сухих гроз и неосторожного обращения человека с огнем (брошенные окурки, непогашенные костры и т.п.). Оно представляет собой сложный физико-химический процесс, на скорость которого влияет не только химическая реакция, но и неконтролируемый приток окислителя из окружающей среды. В результате неконтролируемого горения лесных горючих материалов возникает конвективная колонка — струя нагретых продуктов полного и неполного сгорания топлива, которые выбрасываются благодаря этой колонке в приземный слой атмосферы. Высота конвективной колонки тем больше, чем большее количество тепла выделяется при горении, т.к. основная движущая сила продуктов сгорания — сила Архимеда.
2.4. Исходными данными для Методики называют описание предварительного обследования зоны лесного пожара, которое включает:
-
краткое природно-климатическое описание района, в котором расположен очаг пожара;
-
метеорологические характеристики окружающей среды (температура, скорость ветра, наличие осадков);
-
экологическое состояние окружающей среды (фоновые концентрации загрязняющих веществ).
2.5 При расчете выбросов загрязняющих веществ в атмосферу необходимо использовать следующий общий алгоритм:
а) обследование зоны лесного пожара и получение исходных данных (экологического паспорта лесной территории в зоне пожара), в том числе оценка первоначальной массы М лесных горючих 0 материалов соответствующей площади лесной территории, пройденной огнем;
б) заполнение карточки учета лесного пожара;
в) выбор математической модели для расчета выбросов загрязняющих веществ в атмосферу;
г) численное решение задачи об определении итоговых выбросов загрязняющих веществ;
д) численное решение задачи об определении текущих выбросов загрязняющих веществ, если это необходимо;
е) оценка экологического ущерба от выбросов загрязняющих веществ.
3. Определения, обозначения и сокращения
В настоящей Методике используются следующие термины с соответствующими определениями и обозначениями:
3.1. Лесными горючими материалами (ЛГМ) называются природные углеводородные топлива, к которым относятся тонкие веточки, хвоинки или листья в кронах деревьев и опавшие на землю, а также напочвенный покров (трава, кустарники, мох, лишайник), болотные растения и торф.
3.2. Лесным пожаром называется явление неуправляемого многостадийного горения в открытом пространстве на покрытой лесом площади, в рамках которого имеют место взаимосвязанные процессы конвективного и радиационного переноса энергии, нагревания, сушки и пиролиза лесных горючих материалов (ЛГМ), а также горение газообразных и догорание конденсированных продуктов пиролиза ЛГМ.
3.3. В любой момент времени можно выделить на территории, покрытой лесом, достаточно большой контрольный объем среды — зону пожара, внутри которой параметры состояния среды в результате физико-химических превращений, обусловленных лесным пожаром, отличаются от невозмущенных значений, определяемых погодными условиями и типом растительности. Схема зоны лесного пожара представлена на рис. 3.1, 3.2.
Рис. 3.1. Схема зоны лесного пожара (вид сверху)
Рис. 3.2. Схема зоны лесного пожара (вид в вертикальной плоскости)
Схема физико-химических процессов в зоне лесного пожара представлена на рис. 3.3. Химический состав газообразных и дисперсных продуктов горения ЛГМ дается в таблице 4.1.
Схема физико-химических процессов в приземном слое атмосферы над зоной лесного пожара
Схема физико-химических процессов во фронте лесного пожара
Рис. 3.3. Схема физико-химических процессов в зоне лесного пожара
3.4. Наиболее сильное изменение параметров состояния среды происходит в некоторой части зоны лесного пожара, называемой фронтом пожара, который распространяется с некоторой скоростью по территории, покрытой лесом. Эта скорость определяется процессами переноса массы и энергии, а также физико-химическими процессами — сушкой, пиролизом ЛГМ, горением газообразных и конденсированных продуктов пиролиза ЛГМ. Визуально фронт лесного пожара наблюдается в виде светящейся зоны лесного пожара.
3.5. Поверхность 1, отделяющая фронт от несгоревших ЛГМ, называется внешней кромкой фронта лесного пожара. Ее проекцию на подстилающую поверхность будем называть контуром лесного пожара. Очевидно, что последний отделяет ЛГМ, пораженные огнем, от несгоревших материалов. Внешняя кромка, распространяющаяся по ветру, называется передней, а против ветра — задней кромкой. На схеме зоны лесного пожара (рис. 3.1 и 3.2) Г — граница зоны лесного пожара, 1 — контур лесного пожара (рис. 3.1) и внешняя кромка фронта лесного пожара (рис. 3.2), 2 — внутренняя кромка фронта пожара (рис. 3.2) и проекция этой кромки на горизонтальную подстилающую поверхность (рис. 3.1); горизонтальные стрелки на рис. 3.2 обозначают скорость (по величине и направлению) невозмущенного ветра для различных высот, а вертикальные w — скорость вдува газообразных и дисперсных горючих продуктов горения из фронта пожара в приземный слой атмосферы.
3.6. Скорость распространения лесного пожара направлена по нормали к контуру лесного пожара, поэтому называется нормальной скоростью распространения и определяется формулой:
\omega_{n} = lim \frac{\Delta_{n}^{\text{г}}}{\Delta t} , (3.1)
где \Delta_{n}^{\text{г}} — приращение контура пожара по нормали за промежуток времени \Delta t.
3.7. Поверхность 2 (рис. 3.1, 3.2), отделяющая фронт пожара от сгоревших ЛГМ, называется внутренней кромкой лесного пожара. Она может продвигаться как по ветру, так и против ветра и, следовательно, с меньшей скоростью, чем передняя внешняя кромка, которая распространяется в направлении ветра. В результате толщина (ширина) фронта для различных пожаров может меняться в зависимости от времени, скорости ветра и запаса ЛГМ, который мало отличается от невозмущенных значений.
3.8. В зоне лесного пожара имеет место пористо-дисперсная среда, которая называется средой пожара и состоит из сухого органического вещества (объемная доля \varphi_{1}), воды в связанном с этим веществом состоянии (\varphi_{2}), конденсированного продукта пиролиза — коксика (\varphi_{3}), конденсированного продукта горения — золы (\varphi_{4}), газовой фазы (\varphi_{5}), включающей в себя компоненты воздуха и газообразных продуктов пиролиза (\varphi_{5}), и дисперсных продуктов горения, которые состоят из частиц сажи (объемная доля \varphi_{6}), и частиц золы (\varphi_{7}).
3.9. Границей зоны лесного пожара Г называется поверхность, на которой параметры состояния среды (температура, скорость ветра, концентрации компонентов) не отличаются от параметров состояния невозмущенной среды. Очевидно, параметры состояния среды в зоне пожара асимптотически стремятся к невозмущенным значениям. Поэтому для конкретного определения границы зоны пожара необходимо априори определять степень допустимых отличий Е невозмущенных и возмущенных значений параметров состояния на границе зоны пожара Г.
3.10. Выбросом загрязняющих веществ в атмосферу называется поступление за определенное время в воздух или образование в нем физико-химических агентов и веществ, неблагоприятно воздействующих на людей и окружающую среду. Выброс любого вредного вещества \alpha обозначается M_{\alpha} и измеряется в единицах массы (г, кг, моль). Различают итоговый и текущий выбросы загрязняющих веществ. Итоговым выбросом называется выброс загрязняющих веществ за все время горения. Текущим называется выброс, соответствующий рассматриваемому моменту времени, которое меньше, чем полное время горения. Поэтому текущий выброс всегда меньше итогового.
3.11 Удельным выбросом (коэффициентом эмиссии) \alpha - \text{вещества} при пожаре называется отношение:
K_{\alpha} = \frac{m_{\alpha}}{m_{\text{г}}} ,[K_{\alpha}] = \text{кг }/\text{кг},\alpha = 1,2,...,N. (3.2)
где: mг — масса ЛГМ на единице площади лесной территории, сгоревшая при лесном пожаре;
m_{\alpha} — масса \alpha - \text{компонента}, образованного при горении ЛГМ на той же единице площади лесной территории;
индекс \alpha изменяется от 1 до N, где N — общее число поллютантов (вредных веществ), возникающих при лесном пожаре.
Если известна химическая формула ЛГМ, то при организованном горении можно определить коэффициенты эмиссии с помощью стехиометрии — науки о количественных соотношениях, в которых различные вещества вступают друг с другом в химическую реакцию. Для неконтролируемого горения K_{\alpha} вместо (3.2) удобнее определять и опытным путем.
3.12. Недожогом ЛГМ называется масса не сгоревшего в условиях неконтролируемого горения топлива mн на единицу площади. Наряду с mн используется коэффициент недожога, определяемый по формуле:
\text{К}_{\text{н}} = \frac{m_{\text{н}}}{m_{0}} . (3.3)
3.13. m0 — запас ЛГМ в абсолютно сухом состоянии, кг/м2.
3.14 Количество сгоревшего ЛГМ mг можно определить, используя закон сохранения массы:
3.15. Поллютант — вещество, загрязняющее среду обитания. Русский синоним этого слова — загрязнитель. Масса выброса поллютанта \alpha - \text{сорта}, возникающего при горении единицы площади растительного покрова ЛГМ, на основании (3.3) и (3.4) определяется по формуле:
m_{\alpha} = \text{К}_{\alpha}(m_{0} - m_{\text{н}}). (3.5)
Величина m_{\alpha} измеряется в кг/м2.
3.16. Выбросом тепла в атмосферу называется количество теплоты Qп, выделяющееся при горении массы mг ЛГМ. Выброс тепла в атмосферу определяется по формуле:
Величина Qп измеряется в Дж/м2.
3.17. q — тепловой эффект горения ЛГМ, Дж/кг.
3.18 Si — площадь лесной территории, пройденная огнем, м2.
3.19. Мн — масса не сгоревших в результате пожара ЛГМ на площади Si, кг.
3.20 Мг — масса сгоревших в результате пожара ЛГМ на площади Si, кг.
3.21 К — коэффициент полноты сгорания, определяющий, какая часть исходной массы топлива сгорела при пожаре:
\text{К } = \frac{m_{\text{г}}}{m_{0}} ,\text{К } = 1 - \text{К}_{\text{н}}. (3.7)
3.22 W — влагосодержание ЛГМ в процентах.
3.23. W* — предельное значение влагосодержания, выше которого ЛГМ не горят, в процентах.
3.24. x, y — координаты контура пожара.
3.25. a, b — большая и малая полуоси эллипса, соответствующего контуру пожара.
3.26. x0, y0 — координаты центра эллипса.
3.27 Vе скорость ветра, м/с.
3.28. \omega_{\text{А}} — скорость распространения фронта пожара по направлению ветра, м/с.
3.29. \omega_{\text{В}} — скорость распространения фронта пожара против скорости ветра, м/с.
3.30. \omega_{\text{С}} — скорость распространения фронта пожара перпендикулярно скорости ветра, м/с.
3.31. t — текущее время горения, с.
3.32. t* — полное время горения ЛГМ, с.
3.33. \text{М}_{\alpha*} — полное значение выбросов поллютантов к моменту времени t*, кг.
3.34 Q* — полное значение выбросов тепла к моменту времени t*, Дж.
3.35. Sг — открытая площадь горения торфяной залежи, через которую происходит выброс поллютантов в атмосферу, м2.
4. Описание методики расчета итоговых выбросов вредных веществ и тепла при распространении лесных пожаров
Работниками региональных авиационных баз охраны и защиты лесов и региональных управлений лесами Федеральной лесной службы России после каждого лесного пожара заполняется карточка учета лесного пожара (см. Приложение Г). В ней указывается тип лесного пожара (низовой, верховой или подземный), выгоревшая площадь и ряд других данных, которые носят служебный характер.
Величина К, как следует из второй формулы (3.7), выражается через коэффициент недожога Кн, который может быть определен в результате осмотра последствий лесного пожара.
Имея карточку лесного пожара и зная \text{К}_{\alpha} и К, итоговый выброс массы \alpha - \text{компонента} и тепла Qn для любого типа лесного пожара, следует определять по формуле:
M_{\alpha i} = S_{i}K_{i}K_{\alpha i}m_{30i};Q_{\text{п}i} = q_{i}k_{i}m_{30i},i = 1,2,3. (4.1)
Si — площадь лесной территории, пройденная огнем;
Qпi — теплота, выделившаяся при пожаре, в Дж;
qi — тепловой эффект горения ЛГМ в Дж/кг;
1 — соответствует параметрам низового лесного пожара;
Остальные буквенные обозначения имеют тот же смысл, что и в предыдущих формулах.
Количество поллютантов определяется не только скоростью горения и размерами очага горения, но и коэффициентами эмиссии \text{К}_{\alpha} поллютантов, которые зависят от типа растительности и условий горения. В таблице 4.1 приведены \text{К}_{\alpha}.
ОСРЕДНЕННЫЕ ЗНАЧЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТОВ ЭМИССИИ K_{\alpha}
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ И АЛГОРИТМ РАСЧЕТА ТЕКУЩИХ ВЫБРОСОВ ПОЛЛЮТАНТОВ В АТМОСФЕРУ ДЛЯ НИЗОВЫХ ЛЕСНЫХ ПОЖАРОВ
Довольно часто встречается ситуация, когда пожары продолжаются несколько недель и даже несколько месяцев. В результате возникает задымленность лесных территорий, по причине которой прекращаются авиарейсы на местных авиалиниях и плавание судов по рекам. Поэтому представляет интерес прогноз выбросов поллютантов и тепла для любых моментов времени.
На основании законов сохранения массы и энергии загрязняющих компонентов для определения массы выбросов, теплоты и контура лесного пожара необходимо решать уравнения:
\frac{dQ}{dt} = \int_{L} qK\omega_{n}m_{\text{з}}ds; (А.1)
\frac{dM_{\alpha}}{dt} = \int_{L} K_{\alpha}K\omega_{n}m_{\text{з}}ds; (А.2)
\frac{d\varphi}{dt} + \omega_{n}|grad\varphi| = 0, (А.3)
с соответствующими начальными условиями:
M_{\alpha}(0) = M_{\alpha 0},Q(0) = Q_{0},\varphi|_{t = 0} = \varphi_{0}(x,y). (А.4)
Здесь (А.1) - (А.3) - интегро-дифференциальные уравнения для определения Q(t), M_{\alpha}(t) и контура лесного пожара \varphi = \varphi_{0}(x,y,t). Решение данной системы интегро-дифференциальных уравнений представляет значительные математические трудности.
В данном Приложении дается упрощенная полуэмпирическая математическая модель и методика расчета выбросов от низовых лесных пожаров.
Считается, что очаг лесного пожара представляет собой плоский источник поллютантов, который увеличивается с ростом времени. Примем, что контур лесного пожара в любой момент времени в неподвижной системе координат описывается эллипсом (рис. А.1):
\frac{(x - x_{0})^{2}}{a^{2}} + \frac{y^{2}}{b^{2}} = 1,a = \frac{(\omega_{A} + \omega_{B})t}{2} ,b = \omega_{C}t,x_{0} = \frac{(\omega_{A} + \omega_{B})t}{2} . (А.5)
Периметр и площадь этого эллипса определяются по формулам:
L = \pi[1,5(a + b) - \sqrt{ab}]; (А.6)
S = \pi ab = \frac{\pi}{2} (\omega_{A} + \omega_{B})\omega_{C}t^{2}. (А.7)
Известно, что сухие ЛГМ сгорают почти полностью, т.е. К = 1, а Кн = 0, в то время как при определенном (предельном) влагосодержании W = W* прогресс горения прекращается, т.е. К = 0, а Кн = 1. Исходя из этих физических соображений, будем считать, что:
K = \frac{W_{*} - W}{W_{*}} , (А.8)
Для низовых лесных пожаров величина W* = 0,13, а K ~ 0,5.
Если предположить, что запас mз не меняется по периметру контура лесного пожара, а K_{\alpha} и скорость распространения не зависят от времени, то, разбивая контур на № равных частей и подставляя в (3.7) формулы (А.5) и (А.7), получаем после интегрирования следующие выражения для массы \alpha — загрязняющего компонента:
(А.9)Здесь \omega_{ni} — значение скорости распространения лесного пожара, соответствующее i-й части периметра эллипса (рис. А.1).
Рис. А.1. Схема разбиения периметра лесного пожара на элементарные части и направление нормальной скорости распространения
При выводе (А.9) было учтено, что процесс распространения лесного пожара симметричен относительно оси x.
В общем случае, когда mз и \omega_{n} несимметричны относительно оси x, необходимо использовать формулу:
(А.10)где N — число точек по всему периметру контура лесного пожара.
Легко видеть, что выброс загрязняющего компонента в атмосферу растет с ростом времени и скорости распространения по квадратичному закону, а с ростом коэффициентов эмиссии — по линейному закону. Для определения \omega_{n} в различных точках контура низового лесного пожара удобно использовать формулу, которая с учетом принятых выше обозначений имеет вид:
\omega_{n} = \omega_{n0} \frac{f_{1}(\nu_{e},\alpha)(m_{\text{з}}/m_{0})^{n}}{[1 + G_{\text{г}}(\rho - \rho_{0})/\rho_{0}][1 + \text{С }(W - W_{0}) + D(T - T_{0})]/f_{2}(\beta)} , (А.11)
(А.12)
(А.13)
(А.14)где: \omega_{n0} — скорость распространения низового пожара на горизонтальной подстилающей поверхности;
Vе — скорость ветра на стандартной высоте;
mз — запас лесных горючих материалов на подстилающей поверхности, соответствующий скорости распространения \omega = \omega_{n0} (см. таблицу А.2);
\rho_{0} — плотность слоя на горизонтальной поверхности, соответствующая скорости распространения \omega = \omega_{n0} (см. таблицу А.2);
n = (0,2 — 0,35) — эмпирический коэффициент;
\nu' — пульсация скорости ветра ( \nu' ~ 1 м/с);
\beta — угол наклона к горизонту рельефа местности;
\alpha_{\text{г}} — угол между направлением скорости распространения фронта пожара \omega и скоростью ветра;
С, D, \omega_{n0}, a, b — эмпирические постоянные;
Т0, W0 — стандартные начальные температуры горизонтального слоя ЛГМ и влагосодержание соответственно.
Скорость ветра в лесу Vе определяется по формуле:
V_{e} = \Lambda \frac{h_{1}}{\overline{h_{3}}} V_{em}, (А.15)
h1 — высота слоя проводников горения;
\overline{h_{3}} — высота верхней границы полога леса;
\Lambda — эмпирический множитель, который при сомкнутости полога 0; 0,2; 0,4; 0,6; 0,8; 1 принимает значения 0,77; 0,62; 0,47; 0,32; 0,165; 0,09 соответственно.
При отсутствии полога леса вместо \overline{h_{3}} и скорости ветра Vem по измерениям на метеостанции для высоты 10 м надо брать \overline{h_{3}} = 2 м и скорость ветра по измерениям на высоте 2 м.
Числовые данные для конкретных типов подстилающей поверхности приведены в таблице А.2.
ДАННЫЕ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ФРОНТА ЛЕСНОГО ПОЖАРА
ДАННЫЕ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ФРОНТА ЛЕСНОГО ПОЖАРА
Примечание. W* — критическое влагосодержание (при W > W* горение прекращается); \text{В}_{3}^{*} = \text{В}_{1}(\pi) \approx \text{В}_{3},\nu' — среднее значение пульсаций скорости, равное 1 м/с (по данным киносъемки: Т0 = 293 — 298 К).
Надо сказать, что, если известна выгоревшая площадь А, то, используя (А.7), легко определить время горения:
t_{\text{г}} = \sqrt{\frac{2A}{\pi\omega_{C}(\omega_{A} + \omega_{B})}} . (А.16)
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ И АЛГОРИТМ РАСЧЕТА ТЕКУЩИХ ВЫБРОСОВ ПОЛЛЮТАНТОВ В АТМОСФЕРУ ПРИ ВЕРХОВЫХ ЛЕСНЫХ ПОЖАРАХ
Для повальных верховых лесных пожарах справедлива та же общая математическая модель (А.1) - (А.13) для определения выбросов загрязняющих веществ и теплоты, что и в Приложении А, если под контуром S понимается контур верхового лесного пожара.
Повальный верховой пожар возникает, если выполняется следующее условие:
h_{2}<h_{n} = k \sqrt{m_{\text{з}}\omega_{n}} ,u_{\infty}>2,0\text{м }/\text{с}, (Б.1)
h2 — высота нижней границы полога леса;
k = 1,6 — эмпирический коэффициент;
u_{\infty} — скорость ветра в кронах деревьев.
Скорость распространения верхового лесного пожара в том случае, если направление распространения совпадает с направлением ветра, определяется формулой:
\omega = \frac{u_{\infty}[\overline{q} + \sqrt{\overline{q^{2}} +} 8\overline{q}\epsilon(\pi + 1)(\theta_{0} - 1)]}{2\overline{q}(\pi + 1)} ,\pi = \sum_{i = 1}^{4} \frac{\rho_{i}\varphi_{1\text{н}}C_{pi}}{\rho_{5\infty}C_{p5}} ; (Б.2)
(Б.3)М1, Мс — молекулярная и атомная массы кислорода и углерода;
q5 — теплота сгорания газообразных продуктов пиролиза;
\nu_{\text{г}} — массовая доля газообразных горючих продуктов пиролиза;
q2 — теплота испарения связанной воды;
k = 1,6 — эмпирическая постоянная;
q3 — теплота сгорания коксика;
\rho_{1},\rho_{2},\rho_{3},\rho_{5} — плотности сухого органического вещества, связанной с ним воды, коксика и воздуха;
\alpha — коэффициент теплообмена полога леса с приземным слоем атмосферы;
\lambda_{\text{Т}} — коэффициент турбулентной теплопроводности;
Т0 — максимальная температура во фронте верхового лесного пожара;
индекс \infty приписывается величинам для нормальной среды в дали от фронта;
н — начальным значениям параметров состояния в зоне лесного пожара.
При применении формулы (Б.2) возможно, что подкоренное выражение будет отрицательным. Данная ситуация отвечает большим значениям влагосодержания ЛГМ и верховой пожар в этом случае не возникает.
Формулы (Б.2), (Б.3) получены в результате аналитических и численных исследований. При 2 м/с < u* < 4 м/с, \nu_{\text{г}} = 0,7, \alpha_{\text{с}} = 0,06, 0% < W < 85% (W — влагосодержание ЛГМ), 0,15 кг/м3 < \rho\varphi < 0,3 кг/м3 выражение (Б.3) аппроксимирует результаты численных расчетов с погрешностью, не превышающей 10%.
Для определения контура повального верхового лесного пожара можно использовать ту же формулу (А.5), что и для низовых лесных пожаров с полуосями aв, bв и координатой x0.
\text{а}_{\text{в}} = \frac{(\omega_{\text{А}}^{(\text{в})} + \omega_{\text{В}}^{(\text{н})})t}{2} ;b_{\text{в}} = \omega_{\text{С}}^{(\text{н})}t;x_{0} = \frac{(\omega_{\text{А}}^{(\text{в})} - \omega_{\text{В}}^{(\text{н})})t}{2} . (Б.4)
Здесь ось x направлена в сторону ветра;
\omega_{\text{А}}^{(\text{в})} — скорость верхового лесного пожара, определяемая по формуле (Б.2);
\omega_{\text{С}}^{(\text{н})} — скорость низового лесного пожара, распространяющегося перпендикулярно скорости ветра, и определяемая по формуле (А.12);
\omega_{\text{В}}^{(\text{н})} — скорость низового лесного пожара, который распространяется против скорости ветра (см. (1.13)).
Для повального верхового пожара при определении M_{\alpha} можно использовать ту же методику, что и для низового лесного пожара. Очевидно, что в этом случае сгорает не только напочвенный покров, но и масса ЛГМ в кронах деревьев. Поэтому для определения выбросов при верховых лесных пожарах необходимо использовать формулу:
(Б.5)В отличии от низового лесного пожара верховой не распространяется против ветра. Поэтому в формуле (Б.5) суммирование по j ограничивается N* < N, где N — полное число разбиений для всего эллипса, моделирующего контур низового лесного пожара. Известно, что верховой лесной пожар возникает и распространяется лишь в том случае, когда равновесная скорость ветра в пологе леса в одномерном случае удовлетворяет условию:
u_{\alpha}>u_{\alpha*} = 2\text{м }/\text{с}. (Б.6)
В двумерном случае это условие принимает вид:
u_{n\alpha}(\alpha_{j})>u_{\alpha*}. (Б.7)
u_{n\alpha}(\alpha_{j}) = u_{\alpha*} (Б.8)
легко находим предельный угол \alpha_{j*}, при котором еще имеет место распространение верхового лесного пожара. Этому углу и соответствует значение N*.
Общее количество поллютантов, выделяющихся при распространении повального верхового лесного пожара, равно:
M_{\alpha} = M_{\alpha\text{В}} + M_{\alpha\text{Н}}, (Б.9)
где M_{\alpha\text{Н}} определяется по формуле (А.9), а M_{\alpha\text{В}} — по (Б.5).
Легко видеть, что при повальном лесном пожаре M_{\alpha} ~ t, как и в случае низового лесного пожара. Площадь повального верхового лесного пожара определяется по формуле:
\text{А}_{\text{в}} = \frac{\pi}{2} (\omega_{\text{А}}^{(\text{в})} + \omega_{\text{В}}^{(\text{н})})\omega_{\text{С}}^{(\text{н})}t^{2}. (Б.10)
Если известна площадь верхового лесного пожара Sв, то время горения легко определить по формуле:
t_{\text{г}} = \sqrt{\frac{2S_{\text{в}}}{\pi(\omega_{\text{А}}^{(\text{в})} + \omega_{\text{В}}^{(\text{н})})\omega_{\text{С}}^{(\text{н})}}} . (Б.11)
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/м3, 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 623 К <= Т <= 673 К. Фронт торфяного пожара неоднороден, то есть горение г носит очаговый характер. В результате горения образуются продукты полного (CO2, H2O и пепел), неполного окисления (CO) и пиролиза торфа — метан (CH4), водород (H2), 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 мала 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 = Тг, где Тг — температура горения, а плотность диффузионного потока кислорода q1 = q1i, где q1i — значение q, соответствующее Т = Тг.
Пусть поверхность горения Sг, плотность торфа в торфяной залежи \rho_{\text{т}} и скорость нормального распространения горения \omega_{n} по торфянику известны.
Тогда для массовой скорости выброса \alpha - \text{поллютанта} и тепла в атмосферу имеем уравнение и начальные условия:
\frac{dM_{\alpha}}{dt} = \int_{S_{\text{г}}} \int_{S_{\text{г}}} \text{К}_{\alpha}\text{К }\rho_{m}\omega_{n}ds,\alpha = 1,...,N,M_{\alpha}; (В.1)
\frac{dQ}{dt} = \int_{S_{\text{г}}} \int_{S_{\text{г}}} q\text{К}_{\alpha}\text{К}\omega_{n}\rho_{m}ds,Q|_{t = 0} = Q_{0}. (В.2)
\text{К}_{\alpha} — удельный выброс \alpha - \text{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 \text{К}_{\alpha}, \rho_{m} и \omega_{n} не зависят от координаты точки внутри торфяной залежи, то уравнения (В.1), (В.2) упрощаются и принимают вид:
\frac{dM_{\alpha}}{dt} = KK_{\alpha}\rho_{m}\omega_{n}S_{\text{г}},M_{\alpha}|_{t = 0} = 0; (В.3)
\frac{dQ}{dt} = qK_{\alpha}K\omega_{n}\rho_{m}S_{\text{г}},Q|_{t = 0} = Q_{0}. (В.4)
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) \text{К}_{\alpha} 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 \alpha - \text{поллютанта} и тепла:
M_{\alpha} = KK_{\alpha}\rho_{m}\omega_{n}S_{\text{г}}t; (В.5)
Q = qK_{\alpha}K\omega_{n}\rho_{m}S_{\text{г}}t. (В.6)
Выражение для скорости горения \omega_{n} имеет вид:
\omega_{n} = \omega_{0}(1 - W/W_{*}). (В.7)
Здесь \omega_{0} = 0,002 мм/с, W и W* — влагосодержание и предельное влагосодержание торфа.
Если известна масса торфяной залежи M_{0}, то, пользуясь определением M_{\alpha}, из (В.5), (В.6) получаем:
M = M_{0} - \rho_{\text{т}}S_{\text{г}}\omega_{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_{\text{г}} = M_{0}/\rho_{\text{т}}S_{\text{г}}\omega_{n}. (В.9)
Подставляя (В.9) в (В.8), легко находим итоговый выброс \alpha - \text{поллютанта} при сгорании всей торфяной залежи:
M_{\alpha}(t_{\text{г}}) = KK_{\alpha}\text{М}_{0}. (В.10)
Формулы (В.8) и (В.10) однозначно определяют текущий и итоговый выброс \alpha - \text{поллютанта}.
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 \rho = 20 кг/м3, запас ЛГМ m0 = 3,0 кг/м2, 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 \rho_{c} = 0,8 кг/м3, запас ЛГМ в первом ярусе m0 = 1,6 кг/м2, теплотворная способность q = 17808 кДж/кг, влагосодержание W = 80%.
3. Второй ярус леса — подрост — представляет собой совокупность деревьев высотой до 6 м. Высота слоя h2 = 6 м, толщина \Delta_{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 \rho_{c} = 0,4 кг/м3, запас ЛГМ m0 = 2,0 кг/м2, теплотворная способность q = 21949 кДж/кг, влагосодержание W = 80%.
4. Третий ярус леса — совокупность крон деревьев. Высота верхней границы полога леса \overline{h_{3}} = 22 м, высота нижней — h3 = 5 м, толщина слоя дельта = \overline{h_{3}} — h3 = 17 м, то есть второй и третий ярусы леса частично перекрываются. Плотность слоя ЛГМ в пологе леса \rho_{c} = 0,3 кг/м3, запас ЛГМ mз = 5,1 кг/м2, 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 M_{\alpha} необходимо знать величины К и K_{\alpha} для каждого типа лесного пожара.
Для определения M_{\alpha} необходимо знать величины W* и К. Эти данные приведены в таблице Г.1.
ЗНАЧЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТОВ ЭМИССИИ ДЛЯ РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ ЛЕСНЫХ ПОЖАРОВ
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.
Рис. Г.1. Карточка учета лесного пожара