Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы 8
1.1. Значение лесных и болотных экосистем 8
1.2. Породный состав леса, запас, физико-химические и пожароопасные свойства лесных горючих растительных материалов 11
1.3. Физико-химические и пожароопасные свойства торфа 25
1.4. Виды и характерные особенности лесных и торфяных пожаров 31
1.5. Экологические последствия растительных пожаров 43
1.6. Тушение лесных и торфяных пожаров 53
1.7. Экологическая опасность пожаров и аварий на объектах добычи, переработки, транспортировки и хранения нефти и нефтепродуктов 57
Глава 2. Экспериментальная часть 68
2.1. Выбор методов исследования 68
2.2. Отбор и подготовка к исследованиям проб торфа 70
2.3. Технический анализ торфа 70
2.4. Термический анализ свойств торфа методом ДТА-ДТГ-ТХ 72
2.5. Элементный анализ состава органической части торфа 74
2.6. ИК-спектроскопический анализ торфа 76
2.7. Определение бензапирена методом газожидкостной хроматографии 79
2.8. Определение минерального состава торфа, рН и ионного состава торфяной воды методами потенциометрии, ионной хроматографии, фотометрии, объемного комплексонометрического титрования и пламенной фотометрии 80
2.9. Анализ состава продуктов горения индикаторными трубками 85
2.10. Определение массовой скорости выгорания разлитых на почвах нефтепродуктов 87
2.11. Поглощение торфом воды и водных растворов солей 89
2.12. Поглощение торфом нефтепродуктов и золой с их остатками воды и водных растворов солей 91
Глава 3. Обсуждение результатов эксперимента 93
3.1. Процессы, происходящие в торфе при термической деструкции и горении 93
3.2. Анализ состава органической части торфа 101
3.3. Изменение состава торфа при пожаре по данным ИК-спектров 102
3.4. Токсичность торфяной золы из-за наличия бензапирена 107
3.5. Элементный состав неорганической части торфа 108
3.6. Изменение влажности и плотности торфа при горении 110
3.7. Изменение ионного состава и рН торфяной воды в результате горения торфа 112
3.8. Последствия загрязнения окружающей среды при разливах нефти и нефтепродуктов на почвах и торфяниках 116
3.9. Последствия горения нефти и нефтепродуктов на торфе и почвах 117
3.10. Восстановление нарушенных торфяников после пожаров и аварийных разливов нефтепродуктов 119
3.11. Поглощение торфом и торфяной золой воды и водных растворов солей 124
3.12. Загрязнение атмосферы при горении торфа и других растительных материалов 131
Глава 4. Расчетно-аналитическая часть. Анализ экологических, социальных и экономических последствий растительных пожаров 136
4.1. Анализ динамики лесных и торфяных пожаров в РФ 136
4.2. Определение усредненного запаса (количества) горючих растительных материалов, сгорающих во время пожаров 141
4.3. Определение количества сгорающих растительных материалов за пожароопасный сезон года в РФ 144
4.4. Региональные проблемы лесных и торфяных пожаров: влияние выбросов продуїстов горения при пожарах на здоровье населения и состояние территорий РФ 167
4.5. Определение размера эколого-экономического ущерба от лесных, торфяных и степных пожаров 182
Выводы 192
Литература 194
Приложение. Акты внедрения 220
- Породный состав леса, запас, физико-химические и пожароопасные свойства лесных горючих растительных материалов
- Выбор методов исследования
- Процессы, происходящие в торфе при термической деструкции и горении
Введение к работе
Актуальность, цель и задачи исследований
Актуальность темы. Леса России составляют 22 % лесов мира. Лесной растительностью покрыто 774, 3 млн. га. Кроме того, 26,8 млн. га земель занято древесно-кустарниковой растительностью, 3 млн. га — искусственными лесозащитными насаждениями, 154,2 млн. га - болотами, 123 млн. га - пашней [1, 2]. Торфяные месторождения занимают площадь 64,7 млн. га.
Растительные экосистемы, находящиеся на территории России ввиду своих масштабов оказывают существенное влияние на состояние биосферы, а пожары являются фактором, который способен изменить их экологический потенциал. Только в лесном фонде площадь гарей превышает площадь вырубок почти в 5 раз [3].
Признавая роль лесов и других растительных экосистем как элементов поддержания устойчивости биосферы, сохранения качества среды обитания и сырьевого ресурса экономики, Правительство РФ взяло на себя функции охраны лесов от пожаров.
Однако в условиях дефицита финансирования необходимый уровень противопожарной охраны лесов не обеспечен, несмотря на предпринимаемые меры. Так, программа «Охрана лесов от пожаров» (Постановление Правительства РФ № 620 от 1 июня 1994 г.) не была выполнена ни по одному пункту. Другая Федеральная целевая программа «Охрана лесов от пожаров на 1999-2005 годы» (Постановление Правительства РФ № 35 от 10 января 1999 г.) была закрыта через два года. В новой ФЦП «Экология и природные ресурсы России (2002-2010 годы)» (Постановление Правительства РФ № 860 от 7 декабря 2001 г.), как и в предыдущих, проблема обеспечения охраны лесов от пожаров отмечена как наиболее острая.
За долгие годы благодаря работам А.Н. Баратова, А.Д. Вакурова, Э.Н. Ва-лендика, Ю.А. Гостинцева, А.М. Гришина, СВ. Гундара, Э.В. Конева, Н.П. Ко-пылова, Н.П. Курбатского, И.С. Мелехова, Ю.А. Никитина, В.Ф. Рубцова, A.M. Стародумова, В.П. Удилова, И.Р. Хасанова, С.Г. Цариченко, В.И. Чайкова, М.А. Чулюкова и многих других были получены и внедрены в практику меры, способствующие прогнозированию пожароопасной и экологической обстановки, предупреждению и тушению лесных (ЛП) и торфяных пожаров (ТП). Сложность такого явления как растительные пожары и ряд других причин показывают, что исследования, связанные с термоокислительной деструкцией, горением, воздействием пожаров на окружающую среду (ОС) и их тушением целесообразно продолжить.
События 2002-2003 гг., когда в ряде регионов страны была объявлена чрезвычайная ситуация, показали, насколько может быть велика опасность ЛП и ТП для здоровья населения и экономики страны.
6 февраля 2003 г. Правительство РФ издало Распоряжение № 146-р «Об организации работы по охране лесов от пожаров», направленное на совершенствование системы профилактических противопожарных мероприятий, мониторинга и оперативного тушения ЛП.
Таким образом, охрана лесов была и остается в России одним из приоритетных направлений государственной политики. В этой связи важно представлять текущие и ожидаемые потери от ЛП, связанные с загрязнением и разрушением ОС, здоровьем населения и пожарных. Проблема сохраняет свое значение вследствие прогнозируемых изменений климата, в результате которых частота и площадь пожаров может стать больше. Сами пожары могут стать опаснее, т.к. в процессе горения чаще могут быть вовлечены другие горючие вещества и материалы, например нефть (Н) и нефтепродукты (НП), что связано с расширением ареалов и увеличением объемов добычи, транспортировки и переработки Н в России, большой вероятностью аварий в отрасли.
Цель и задачи работы. Актуальность исследования влияния ЛП и ТП в России с учетом аварийных разливов Н и НП вызвана масштабностью опасных экологических последствий этих событий в последние годы, вероятностью роста в будущем.
Целью работы является определение экологических последствий лесных и торфяных пожаров с учетом влияния погодных условий на их виды и площади.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
1. Экспериментально оценить агрохимический состав торфа после пожара;
2. Экспериментально определить состав продуктов горения торфа;
3. Экспериментально исследовать возможность применения экологически-безопасных водных растворов солей в целях предотвращения торфяных пожаров;
4. По принятым в экологии критериям определить опасность лесных и торфяных пожаров: состав выбросов, санитарные показатели загрязнения воздуха, возможное число заболевших или пострадавших людей, а также эколого- экономический ущерб от загрязнения окружающей среды.
Предметом и объектами исследования выбраны: экологическая обстановка при ЛП, ТП и степных пожарах (СП); состав продуктов горения; агрохимические свойства торфопочв, включая параметры характеризующие их состояние при авариях и пожарах с разливами Н и НП и при поглощении водных растворов солей; социальные и экономические последствия токсичных выбросов продуктов горения при пожарах.
Породный состав леса, запас, физико-химические и пожароопасные свойства лесных горючих растительных материалов
В РФ произрастают примерно 300 видов деревьев и кустарников. От 80 до 90 % покрытых лесом земель заняты лиственницей (38,3 %), сосной (16,6 %), берёзой (13,9 %), елью (11,1 %), кедровой сосной (5,8 %), осиной (2,7 %), пихтой (2,3 %), дубом (1,4 %), реже встречаются клён, ясень, бук, липа, ольха, тополь и др.
На подзолистых почвах господствуют темнохвойная тайга с преобладанием ели, пихты (Европ. часть), кедровой сосны (от Урала и восточнее) и сосновые леса. Кедровые леса также часто являются смешанными (ель, сосна, лиственница, береза) [19, 20]. Пихтовые леса часто смешанные (дуб, ель, липа с препреобладанием пихты). На таёжно-мерзлотных почвах к востоку от Енисея располагается светлохвойная тайга с преобладанием лиственницы. На Дальнем Востоке в тайге преобладают ель и пихта. На юге Дальнего Востока леса состоят из сосны кедровой, пихты, дуба, граба, клёна, ильма и других древесных пород. На Восточно-Европейской равнине расположена подзона смешанных лесов (хвойные породы с примесью березы, осины, широколиственных пород — дуба, клена, липы и др.). Юг лесной зоны Восточно-Европейской равнины занят широколиственными лесами — дубом и липой. Лесостепная зона характеризуется чередованием небольших лесных массивов - дубрав, березняков, осинников на серых лесных почвах и разнотравных луговых степей на выщелоченных или типичных чернозёмах. В степной зоне на черноземах и темно-каштановых почвах преобладают разнотравно-злаковые и злаковые растения.
Лесистость в стране составляет 44-45 %. На одного жителя приходится около 5,4 га леса.
Среди хвойных пород преобладает лиственница - более 50 %, среди мяг-колиственных пород - береза, на втором месте осина. В группе твердолист-венных пород преобладает дуб. Около 55 % дубрав сосредоточено в Европейской части России, остальные - на Дальнем Востоке.
Общий запас древесины в лесах РФ, находящихся в ведении разных министерств, 75-79 млрд. м3, эксплуатационный запас лесов II группы 53 млрд. м3; средне-годичный прирост древесины 855 млн. м3.
Большую часть древесины заготовливают на Северо-западе РФ, в бассейнах рек Сев. Двина, Вычегда и Онега, в южной и центральной Карелии, в зонах железных дорог Вологда — Архангельск и Коноша — Котлас.
Общие запасы древесины Вост. Сибири составляют свыше 38 млрд. м3, т.е. около 50 % всех лесных ресурсов страны. Основное количество древесины приходится на ценные хвойные породы - лиственницу, сосну, кедровую сосну, ель, пихту. В лесозаготовках преобладает сосна (хорошо сплавляется и легко обрабатывается). Основная часть древесины заготовляют в лесах Среднего Приангарья и Красноярского края.
В Приморском и Хабаровском краях распространен кедр, древесину которого используют в лесохимической промышленности для получения скипидара, канифоли, хвойного масла. Важное промышленное значение имеют пихта чёрная, дуб, берёза, тополь, липа и ясень.
В малолесных районах РФ (Центральный, Волго-Вятский, Центральночернозёмный, Поволжский, Северо-Кавказский экономические районы, Псковская, Тверская, Курганская, Оренбургская, Новосибирская области, Алтайский край) роль лесонасаждений постоянно возрастает.
Таким образом, распределение земель, покрытых лесом в разных регионах России различно, также как и состав лесообразующих пород.
В зависимости от типа леса и почв, затененности почвенного покрова в лесу произрастают и другие виды растительности: мхи, лишайники, травы, кустарнички. Отмирая, они вместе с опавшей кроной деревьев образуют опад и подстилку.
В разных типах лесов возникновение и развитие пожаров имеют свои особенности, которые усиливаются под влиянием погодно-климатических условий.
По данным [21, 22] в порядке возрастания огнестойкости древесные породы распределяются примерно следующим образом: хвойные породы — лиственница, сосна, пихта, кедр, ель, кедровый стланик; лиственные породы — дуб, тополь, ольха, рябина, ива, липа, береза, клен, ясень, осина.
Лесные горючие растительные материалы (ГРМ) оказывают влияние на параметры пожара, в том числе состав продуктов горения и другие показатели экологической опасности.
Выбор методов исследования
Анализ данных литературы показывает, что воздействие на качество ОС процессов горения торфа изучено в меньшей мере, чем других растительных материалов. Отчасти это объясняется тем, что частота и площадь ТП значительно меньше ЛП в обычные по условиям погоды периоды.
Глобальное потепление увеличивает вероятность ТП. Поэтому воссоздание общей картины изменения ОС в результате растительных пожаров предполагает оценку вклада в этот процесс пожаров торфа. На наш взгляд, мало внимания было уделено и загрязнению ОС при пожарах разливов Н и НП на лесных и торфяных почвах, хотя эти явления распространены в России.
Исходя из этих предпосылок, экспериментальная часть работы состоит из исследований влияния на ОС процессов горения торфа, аварийных разливов, пожаров Н и НП на торфяных и лесных почвах.
Исследования были проведены при пожарах в Егорьевском районе Московской области (2002 г.), на кафедре процессов горения Академии ГПС МЧС России, в лабораториях ИОХ им. Н.Д. Зелинского РАН, в ИНЭОС РАН, в Аналитическом сертификационном центре АСИЦ ВИМС, в аналитической лаборатории ВИТАХИМ при РХТУ им. Д.И. Менделеева. На пожарах использованы портативные приборы и тест-методы, в лабораторных исследованиях - современные и традиционные методы анализа и приборы.
Автор выражает искреннюю и глубокую благодарность профессору, д.х.н. Л.М. Кустову, к.х.н. В.Д. Ниссенбаум, к.х.н. И.Г. Соломонику, доценту, к.х.н. Н.В. Колычевой, С.А. Шилину, Е.Н. Романцовой, В.А. Васневу за помощь в организации и проведении исследований.
Выбор методов, привлеченных к исследованию экологических последствий пожаров, связан со следующими обстоятельствами:
- сложностью процессов термического разложения и горения ГРМ;
- целесообразностью обеспечения всесторонней оценки экологических последствий пожаров ГРМ, Н и НП за счет использования независимых методов исследования.
При изучении состава торфопочв и торфа использованы:
- методы элементного анализа, ИК-спектроскопии для установления отдельных структурных элементов в химических соединениях в составе торфа;
- группа методов установления ионного состава водорастворимых компонентов торфа (потенциометрия, ионная хроматография);
- методы хроматографии для определения состава продуктов горения и торфяной золы [16].
При изучении свойств торфа при горении и поглощении ПК, воды и др. использованы методы:
- определения влажности, плотности торфа;
- определения сорбционной способности торфа и золы;
- определения массовой скорости горения торфа и разлитых на почву ГЖ;
- термического анализа (ДТА-ДТГ-ТГ), фиксирующие химические и фазовые превращения в торфе с одновременной потерей массы;
- определения агрохимических свойств торфопочв путем контроля за ростом растений.
Содержание отдельных химических элементов, ионов и структурных групп в составе торфа подтверждено несколькими методами, например методами ионометрии и ионной хроматографии или ионометрии и пламенной фотометрии или ИК-спектроскопии и ионометрии.
Помимо экспериментальных в работе выполнены расчетно-аналитические исследования с привлечением собственных результатов, а также данных других авторов. Такой подход обусловлен свойствам объектов и поставленными задачами.
Процессы, происходящие в торфе при термической деструкции и горении
Условия термической деструкции торфа при пожаре и при изучении методом ДТА подобны. Поэтому метод использован для исследования этих процессов.
Деструкция торфа при нагревании до 550-600 С происходит постадийно путем дегидратации, декарбоксилирования, разрушения углерод-углеродных и др. связей с образованием новых соединений и сопровождается небольшими термическими эффектами (табл. 3.1). При этом некоторые реакции, например, изомеризации и карбоциклизации являются экзотермическими, дегидратации и др. - эндотермическими.
В.А. Филимонов и В.Е. Раковский [211] нашли, что при изменении интенсивности нагрева растительных материалов, в том числе торфа и древесины, от 1 до 10 С/мин скорость отдельных процессов деструкции не изменяется.
Входящие в состав торфа гемицелюлозы (ГЦ), целлюлозы (Ц), гуминовые кислоты (ГК), лигнин (Л) разлагаются при нагревании в два этапа: от 140 до 250 С - процесс эндотермичен, после 250 С и на кривых ДТА наблюдается несколько экзотермических пиков (рис. 2.1-2.6).
Сравнивая их дифференциальные кривые (рис. 3.1) с дифференциальной кривой образца торфа из Егорьевского района Московской области (рис. 2.2), видно, что последняя представляет собой совмещенную кривую ДТА ГЦ, Ц, ГК, Л, но отдельные пики накладываются друг на друга.
Эндотермические процессы, характерные для углеводов, наблюдаются в интервале 140-200 С, для глюкозы вблизи 100 С (рис 2.2).
Дифференциальная кривая Ц имеет четкие максимумы в области 95 С. Характерный пик для Л появляется вблизи 400 С (395 С), а у ГК максимум экзотермических процессов приходится на 405 С. Превращения вблизи 400 С, по-видимому, связаны с карбоциклизацией ароматических структур ГК и Л. Процессы, обусловленные разрывом кислородных связей и дегидратацией начинаются вблизи 260 С у ГЦ, после 300 С у ГК, Ц и Л.
Термические эффекты, которые можно было бы связать с термораспадом битумов торфа, не обнаружены.
Интерпретация происхождения пиков на дериватограммах согласуется с точкой зрения В.А. Филимонова и В.Е. Раковского. По их мнению, отсутствие тепловых эффектов, свидетельствующих о разложении битумов, связано с низким значением теплот. У ГЦ деструкция происходит в области 270-320 С, ГК -в интервале температур 300-330 С. По данным других авторов пиролиз ГЦ происходит при 200-260 С, Ц - 240-350 С, а Л - 280-500 С. Какие именно химические превращения происходят в торфах, данных ДТА недостаточно, но их можно получить совмещенным методом ДТА-ДТГ и, привлекая другие методы исследования.
