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-ТГ 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 продуктов 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
- Физико-химические и пожароопасные свойства торфа
- Термический анализ свойств торфа методом ДТА-ДТГ-ТГ
- Изменение состава торфа при пожаре по данным ИК-спектров
- Определение усредненного запаса (количества) горючих растительных материалов, сгорающих во время пожаров
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, A.M. 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.
Физико-химические и пожароопасные свойства торфа
Торф - органическое вещество, образовавшееся в результате отмирания и неполного распада болотных растений в условиях повышенной влажности и ограниченного доступа воздуха [40]. Ежегодный прирост массы торфа колеблется от 1 до 25 мм в год, зависит от вида растений, климатических условий, типа болота и др. Среди растений-торфообразователей - береза, ольха, ива, вереск, голубика, багульник и др. Важнейшими показателями торфа являются степень разложения и зольность. Осушенные торфяные массивы используют как топливо, в сельском хозяйстве, лесоразведении, для производства торфо-крошки на удобрение, как подстилочный материал и компосты [13, 41, 42]. Торф является ценным химическим сырьем. Из торфа получают более ста химических продуктов: краски, удобрения, метиловый и этиловый спирт, фенол, воск, парафины, молочную, уксусную и щавелевую кислоты, стимуляторы роста растений и др.
Из 1 тонны сухого торфа можно получить (в кг): гуминовых кислот - 450, целлюлозы - 150, битумов - 150, воска - 40, парафинов - 20, этанола - 45, уксусной кислоты - 15, щавелевой - 200, аммиака - 1,5-5, дегтя - до 100, дубильных веществ - 50, фенолов - до 20 [5].
От почвенных образований торф отличается содержанием органических соединений: не менее 50 % по отношению к абсолютно сухой массе.
Содержание в торфе продуктов распада растительных тканей, утративших клеточную структуру, называют степенью разложения торфа. Различают слабо-разложившийся (до 20 %), среднеразложившийся (20-35 %) и сильноразложив-шийся (свыше 35 %) торф. По условиям образования и свойствам торф делится на верховой, переходный и низинный.
Основу торфа представляют растительные остатки целлюлозной природы и продукты их распада, которые находятся в равновесии с водными растворами низко- и высокомолекулярных веществ. Неорганическая часть торфа содержит минералы. Гидрофильность торфа обусловлена наличием в его составе соединений, содержащих функциональные группы: СООН, ОН и др., которые способны удерживать влагу. В осушенной торфяной залежи, разрабатываемой фрезерным способом, содержание влаги составляет 78 %, в добытом фрезерном торфе около 40 %. Для удобрений и компостирования используют торф, содержащий около 55 % влаги. Состав неорганических составляющих торфа является результатом водной, воздушной и биогенной миграции химических элементов. В торфе содержится до 40 химических элементов, в том числе: оксиды кремния, алюминия, железа, кальция, магния, натрия, фосфора, серы. Эти вещества определяют агрохимическую ценность торфа. В торфяной подстилке содержится 5-10 % золы этих веществ. Торф является слабокислым соединением (рН 7), что обусловлено наличием свободных кислот (уксусной, муравьиной, щавелевой, молочной и др.). В органической части торфа содержатся бензольные битумы, гуминовые кислоты, целлюлоза, лигнин. В составе битумов находятся предельные и непредельные углеводороды С23-С33, циклические углеводороды С23-С24 и т.д. [40, 43, 44]. Схематически групповой состав торфа представлен на рис. 1.2.
В состав органической части торфа входят пять основных элементов: С — 54-63 %, Н - 5,8-6,6 %, О - 34-36 %, N - 1,5-2,6 %, S - 0,2-0,5 % [5].
Гуминовые кислоты растворимы в щелочах, образуют гуматы. При нейтрализации они выпадают в осадок, из которого выделяют 15 % фульвокислот и 40-50 % гуминовых кислот. Это высокомолекулярные соединения, в составе которых присутствуют ароматические вещества, содержащие фенольный гид-роксил, ацетогруппы, карбонильные и карбоксильные группы, простые эфирные связи. Их молекулярная масса 1300-1500. Элементный состав: 50-70 % С, 4-6 % Н, 25-35 % О [39].
Гуминовые кислоты легко образуют коллоидные растворы, набухают в воде, щелочных растворах. При взаимодействии с углекислыми солями гуминовые кислоты вытесняют углекислоту, образуя соли. Гуматы щелочных металлов растворимы в воде, щелочноземельных металлов - нерастворимы. Растворы гуминовых кислот обладают свойством обменивать ионы металлов. Аммониевые соли гуминовых кислот растворимы в воде и используются в сельском хозяйстве в виде органо-минеральных удобрений, способствующих росту растений [39].
Торф является природным ионообменником-катионитом [45]. Реакция хе-мосорбции на этом катионите протекает по схеме: 2RCOOH + СаС12 = (RCOO)2Ca + 2НС1. Хемосорбция поливалентных металлов приводит к стабилизации структуры и уменьшению коэффициента набухания катионита. Химическая сорбция Fe(II) протекает по механизму комплексообразования с образованием структуры типа: RCOO-Fe-OOCR.
В торфяниках наиболее устойчивые отрицательно заряженные комплексы железа образуются с органическими кислотами типа гуминовых [46]. Вымывающиеся из торфяников подвижные соединения окисного железа попадают в анаэробную зону, где, восстанавливаясь, образуют закисные соединения.
Физические свойства торфа зависят от степени разложения, дисперсности твёрдой части, оцениваемой удельной поверхностью. В естественном залегании торф содержит до 88-96 % воды, имеет пористость до 96-97 %. Слаборазло-жившийся торф в сухом состоянии имеет низкую плотность - до 0,3 кг/м . Торф поглощает и удерживает значительные количества влаги, катионов металлов (особенно тяжёлых). Коэффициент фильтрации торфа изменяется в пределах нескольких порядков [2].
Термический анализ свойств торфа методом ДТА-ДТГ-ТГ
Информацию о физических и химических превращениях, которые протекают в веществе по мере его нагрева и сгорания позволяют получить методы термографии: дифференциально-термического анализа (ДТА), дифференциально-термогравиметрический (ДТГ) и термогравиметрический (ТГ) [199-200].
Исследуемый образец и инертный эталон с известными теплофизическими свойствами помещают в идентичные условия теплообмена с окружающей средой, где изменяется температура по линейному закону. В процессе нагрева между эталоном и образцом устанавливается разность температур, тем большая, чем больше различие их теплоємкостей. Превращения в исследуемом веществе приводят к изменению разницы температур в ту или иную сторону в зависимости от того, эндотермические или экзотермические эти превращения.
Фиксирование изменения веса образца за счет химических и физических превращений одновременно с записью термических эффектов дает более глубокую информацию о процессах, происходящих в веществе.
Образцы торфов, отобранные в Егорьевском районе Московской области летом-осенью 2002 г., были исследованы совмещенным методом ДТА-ДТГ-ТГ.
Анализ образцов проводили на дериватографе «С» фирмы MOM на воздухе в статических условиях, в режиме линейного подъема температуры до 700 С со скоростью 10 С/мин (эталон а-А1203). Эти условия близки к естественным условиям горения во время ЛТП. Эффекты, отраженные на кривых ДТА-ДТГ-ТГ, позволяют судить о характере термоокислительных процессов в торфозалежи до, во время и после горения.
Подготовка образцов. Образцы разминали в ступке до получения однородной пробы. Вес образцов составлял 20-21 мг. Причиной некоторой невоспроизводимости наблюдаемых потерь веса могла быть неоднородность проб. Наблюдаемыми на дериватограммах отклонениями от линейности кривых «Т» следует пренебречь.
На рис. 2.1-2.6 приведены кривые ДТА-ДТГ-ТГ образцов негоревшего, горевшего во время пожара торфа и торфяной золы спустя несколько дней после пожара и через два года после хранения при 25 С.
Содержание углерода и водорода определяли сжиганием пробы торфа в потоке кислорода (ГОСТ 2408.1-88). Образующуюся при сжигании двуокись углерода С02) улавливают насыщенными растворами КОН или NaOH, а воду -концентрированной H2S04 или СаС12. Количество С02 и Н20 определяется по разности масс поглотителей до и после опыта. Содержание углерода (%) в анализируемой пробе рассчитывается по формуле: „ тсо -0,273 ЛЛ , ч С= СОг 100, (2.5) т где mCOj - масса поглощенного СОг; 0,273 - коэффициент пересчета СОг в С; m — масса анализируемой пробы.
При расчете содержания (%) водорода необходимо вычесть из общей массы поглощенной воды количество воды, которое находилось в торфе: Н = mIIO.100 \ m J 0,112, (2.6) где m„ 0- масса поглощенной воды; 0,112 - коэффициент пересчета НгО в Н.
Содержание азота в торфе определяли по методу Кьельдаля (ГОСТ 2408.2-75). Для этого торф обрабатывают концентрированной H2SO4 (плотность 1,84 г/см ) при кипении. Образующийся аммиак улавливают 0,05 М раствором H2S04.
Содержание органической серы определяли путем сжигания в муфельной печи пробы торфа со смесью двух частей MgO и одной части Ыа2СОз- Образующиеся сульфаты магния и натрия выделяют путем кипячения остатка от сжигания в дистиллированной воде. Сульфат-ионы осаждают в виде сернокислого бария, количество которого определяют весовым методом. Общее содержание (%) серы: mRaSO -0,1373 л/ч S = BaS4 100, (2.7) где mBaSO - количество сернокислого бария; 0,1373 - коэффициент пересчета BaSC 4 в S.
Следует отметить, что ни в одном из исследуемых образцов торфа не удалось определить органическую серу. Это свидетельствует о том, что ее содержание ниже предела обнаружения метода.
Результаты элементного анализа торфа приведены в табл. 2.3-2.5.
В основе получения ИК-спектров лежит прямое поглощение света при прохождении через слой вещества [201]. Запись ИК-спектра представляет собой зависимость поглощения света (в %) от частоты волны (в см"1). Количество вещества, необходимое для получения ИК-спектра, составляет 0,5-2 мг [202].
Характеристические валентные колебания определенных структурных элементов молекул (С-Н, О-Н, N-H, С=0, С=С и др.), имеют в различных веществах достаточно постоянную частоту, которая незначительно изменяется при взаимодействии с остальной частью молекулы. ре молекулы и для каждого вещества образуют свой набор полос. Совпадение ИК-спектров исследуемых образцов является доказательством их идентичности [203].
Запись ИК-спектров образцов торфа, отобранных в Егорьевском районе Московской области (2002 г.), проводили на двулучевом ИК-спектрофотометре марки Specord М-80 в виде таблеток с безводным бромидом калия, полученных методом прессования. Во избежание частичного растворения (помутнения) КВг вещество не содержало влаги.
Анализ бенз(а)пирена (БаП) в образцах торфа проводили по стандартной методике Агентства по охране окружающей среды США - USEPA-80100 [204, 205] на хроматографе «КРИСТАЛЛ-ЛЮКС-4000М» с двумя параллельно работающими детекторами: по электронному захвату (ЭЗД) и пламенно-ионизационным (ПИД) на кварцевой капиллярной колонке длиной 50 м, диаметром 0,25 мм. Неподвижная фаза: SE-54, толщина пленки 0,23 мкм. Газ-носитель: водород, средняя линейная скорость газа-носителя 25 мм/с. Вспомогательный газ (азот) подавали со скоростью 0,5 см3/с. Расход воздуха в ПИД со-ставлял 5 см /с. Сброс пробы (деление потока) проводили с объемной скоростью 0,73 см3/с. Время задержки подачи пробы в испаритель (режим «Сплит-лес») - 60 с. Температура в испарителе - 290 С, температура в детекторах -300 С.
Изменение состава торфа при пожаре по данным ИК-спектров
ИК-спектры образцов торфа исходного негоревшего, тлевшего и торфяной золы обладают сложной структурой с множеством полос поглощения (рис. 2.7-2.9), которые часто или проявляется в виде плеча или точки перегиба в огибающей контура полосы.
В таб. 3.6 приведены значения максимумов полос поглощения, наблюдаемых в спектрах торфа.
Основные наблюдаемые группы полос поглощения находятся в области 3800-3000 см"1 - колебания связи в ОН- и NH-rpynnax; 2950, 2915, 2845 см 1 -полосы СН3- и СН2-группы; 1800-1400 см"1 - колебания карбонильных и карбоксильных структур. Различного рода кислородосодержащие, в том числе серо-, фосфорсодержащие соединения поглощают в интервале 1200-900 см"1 и ниже 850 см"1.
При горении торфа существенно снижается (рис. 2.7-2.9) относительная интенсивность валенных колебаний Vas СН в СН3 - (2950 см"1), v СН (2915 см"1) и vs СН (2845 см"1) в СНг алифатических группах [214, 215]. Заметно уменьшается интенсивность ОН-групп (особенно вклад водородносвязанных -ОН с широкими максимумами при 3100, 3280 см"1). Профиль полосы поглощения термически устойчивой NH-группы в негоревшем торфе изменяется, а ее максимум смещается от 3416 см"1 в сторону характерной для наиболее термостойких NH-групп полосы поглощения при 3430 см 1 [216]. Интенсивность широкой полосы поглощения 1626 см"1, в которую может вносить вклад молекулярно-сорбированная вода (с учетом концентрации торфа в прессовках КВг), меняется незначительно. При значительной разнице состава образцов за счет разложения при нагреве и горении это показывает, что если молекулярно-сорбированная вода присутствует в торфе, то ее вклад незначителен в суммарную интенсивность полосы поглощения. В согласии с данными [216] происходит разрушение карбонильных структур, и на что указывает снижение относительной интенсивности полосы поглощения 1690 см"1. Остается практически неизменной по лоса поглощения 1384 см 1; появляется широкая полоса поглощения 1400-1442 см 1 (vco)- Особо сильные отличия в спектрах торфяной золы и негоревшего образца наблюдаются в области ниже 1300 см"1. Появляются полосы поглощения 1165 см 1, 888 см 1; дублет 807 и 780 см"1, 730, 694, 670 см 1; возрастает по сравнению с полосой поглощения 1090 см"1 интенсивность полосы поглощения 1034 см"1, а также значительно увеличиваются интенсивности полосы поглощения при 520 и 470 см 1; причем последняя расщепляется на дублет 478, 462 см 1, проявляется и ряд других полос поглощения.
В полосу поглощения 1384 см"1 могут вносить вклад деформационные колебания С-Н альдегидной группы, но с учетом присутствия в торфе щавелевой и других кислот, ее, по-видимому, следует отнести к группировке -с: в фор-миатах и ацетатах [217]. Это предположение подтверждают данные ионной хроматографии, пик формиата проявляется плечом на пике иона фтора. Кроме того, полосы поглощения валентного колебания С=0 альдегидной группы находятся внутри полосы поглощения 1626 см 1 [215]. Участие деформационного колебания 8S СН3 алифатических углеводородов маловероятно, т.к. одновременно должно было бы наблюдаться поглощение д СНз около 1450 см"1. Увеличение интенсивности полос поглощения в области 1500-900 см 1 в торфяной золе, по-видимому, вызвано значительным ростом в образце количества непредельных углеводородов, серо- и фосфорсодержащих соединений. Основные характеристические полосы поглощения, образующихся при окислении азотсодержащих органических соединений, налагаются на полосы поглощения других присутствующих в образцах веществ. Однако полоса поглощения при 870 см 1 валентного колебания C-N свидетельствует в пользу образования при горении нитрогрупп C-NO2 [214].
Таким образом, данные элементного анализа образцов торфа, свидетельствующие о термоокислительном разложении горючего с уменьшением содержания С и Н в торфяной золе после пожара совпадают с картиной, наблюдаемой в ИК-спектрах образцов: уменьшается интенсивность полос поглощения асси-метричных и симметричных валентных колебаний СН- в СНз- и СНг-группах. Данные ИК-спектров подтвердили наличие в торфе до горения оксикарбо-новых ГК.
Присутствие в торфе азота и фосфора подтверждается наличием в ИК-спектрах торфа полос поглощения в области 1300-900 см"1. При этом появление полос поглощения при 870 см и уменьшение интенсивности полосы поглощения NH в образце торфяной золы свидетельствует о том, что в результате тления происходит образование нитросоединений (C-NO2). Присутствие в ИК-спектрах полос поглощения, характерных для скелетных колебаний: уР.0 и ys-o (700-600 см"1) позволяет предположить, что в процессе тления образуются фосфор- и серосодержащие соединения.
Появление интенсивной полосы с молекулами 1442 см"1 и увеличение полос в области 1300-900 см 1 и 700-600 см"1 при горении торфа, также свидетельствует о присутствии в торфе Р-, S- и N-содержащих органических и неорганических соединений. То, что фосфор и сера входят в состав неорганических соединений торфа, подтверждено и данными ионной хроматографии. В водном экстракте торфяной золы обнаружены группировки NOj, РО4", SO I .
Таким образом, на основании РЖ-спектроскопического исследования образцов торфа можно говорить о том, что: - в составе исходного торфа присутствуют углерод- и азотсодержащие органические соединения, формиатные и карбоксильные структуры, а также фосфор- и серосодержащие соединения; - при горении торфа происходит уменьшение содержания структурной влаги, алифатических соединений, карбоксильных структур, а концентрация формиатных структур меняется незначительно; - при высокотемпературных процессах образуются непредельные углеводороды, а окисление кислородом воздуха гетероатомов приводит к образованию нитро-, фосфор- и серосодержащих соединений. Таким образом, ИК-спектроскопические исследования подтверждают данные ДТА-ДТГ-ТГ и др. методов о характере термоокислительных процессов при горении торфа.
Определение усредненного запаса (количества) горючих растительных материалов, сгорающих во время пожаров
Состав ГРМ в лесу неоднократно изучался многими специалистами (Н.П. Курбатский, А.Д. Вакуров, СМ Вонский, И.С. Мелехов, А.А. Молчанов, Е.С. Арцыбашев, Г.П. Телицын, М.А. Шешуков, Е.Н. Сосновский, А.В. Филиппов, А.В. Волокитина и др.) [7, 24, 25, 34-36, 212, 245]. Вид, состав, плотность, особенно влажность ГРМ оказывают влияние на количество сгорающих материалов, параметры распространения горения, экологические последствия пожара, включая состав продуктов горения, золы, почвы.
Определение количества сгорающих РМ (АР, т/га) почвенного и напочвенного покрова, включая часть древостоя (крону), подрост, живую траву, мхи, лишайники, опад, подстилку, торфопочву, является важным моментом в разработке многих вопросов, связанных с пожарами: при расчете газодинамических характеристик выноса продуктов горения в тропо- и стратосферу, при прогнозировании экологической обстановки на селитебных территориях, при создании математических моделей ЛТП и др.
Для определения количества сгорающих РМ при ЛП и ТП в работе были приняты следующие допущения:
1. На территории РФ преобладают хвойные леса 70 % (лиственница 38 %, сосна 15,7 %, ель 11,8 % кедр 4,9 %, пихта 1,8 %), в которых наибольшую долю составляют [19, 20]: в Европейской и Уральской части РФ - сосняки, ельники; в Сибири - лиственничники, сосняки, ельники, пихтовники; на Дальнем Востоке - лиственничники, кедровники, сосняки, ельники, пихтовники;
2. В хвойных и смешанных лесах по способности к горению основные ГМ в порядке убывания располагаются в следующем ряду: лишайники, мхи » живая трава, кустарнички » верхний слой опада » подстилка » подрост, молодняк, кустарники. В лиственных и смешанных лесах чаще всего горят дуб и береза;
3. Преобладающим видом пожаров в хвойных лесах являются низовые пожары (НП). В лиственничниках, сосняках, дубняках, осинниках, березняках преобладают беглые низовые пожары (6НП), в ельниках, кедровниках - устойчивые низовые пожары (уНП). Если низовой пожар переходит в верховой, то кроме напочвенных ГРМ сгорает крона деревьев [7, 24, 25, 34-36, 64, 212, 245]. Такие пожары имеют место в сосняках, лиственничниках, твердолиственных лесах. Верховые пожары (ВП) по частоте и площади случаются реже, а торфяные (подземные) еще реже (табл. 1.14). В 2002 г. в некоторых областях РФ частота и площадь ВП была выше на 5-10 % среднемноголетних показателей [236].
Таким образом, в пожароопасный сезон года в РФ преобладали низовые пожары в хвойных лесах.
Запас ГРМ в абсолютно сухом состоянии даже в одних и тех же типах лесов может меняться. Это связано с погодно-климатическими условиями формирования наземного и надземного яруса леса, торфозалежи в пределах сезона, года. В Европейской части РФ запас ГРМ в напочвенной и надземной (крона) фитомассе, как правило, больше, чем в Азиатской части [24, 35, 245].
На количество сгорающих растительных материалов для одних и тех же типов леса оказывают большое влияние газодинамические условия горения.
Различные госструктуры, в чьем ведении находится земельный фонд, используют разные методологии оценок запаса ГРМ и занятых ими площадей, по этому в разных публикациях встречаются отличающиеся друг от друга цифры. Кроме того, часто сведения о количестве сгорающих материалов во время пожаров приводятся в литературе без указания условий, в которых происходило горение.
Таким образом, запас ГРМ и количество сгорающих РМ в настоящее время могут быть установлены только ориентировочно по объективным причинам.
Количество сгорающих РМ при разных типах пожаров с учетом породного состава леса и класса погоды, приводимое в литературе [246], позволяет остановиться на наиболее вероятных средних значениях этих показателей с учетом запаса ГРМ в разных типах лесов и др. растительных экосистемах.
Было принято во внимание следующее: 1. По условиям погоды: сезон весна-осень 2002 г. отнесен к IV и V классу пожарной опасности; 2. При IV и V классах погодных условий в различных типах лесов преобладают уНП и устойчивые верховые пожары (уВП) сильной интенсивности, высока вероятность СП и интенсивных ТП. В обычные годы при И-Ш классе погодных условий в России имеют место в основном бНП и беглые верховые пожары (6ВП) слабой и средней интенсивности [246]; 3. При бНП разной интенсивности сгорает 3-5 т/га и более наземных ГРМ; 4. При уНП в сосняках, ельниках и лиственничниках сгорает 21-41 % (по одним) и до 100 % ГРМ (по другим данным). Принято, что в 70 % случаев пожаров сгорает 40-50 % и в 30 % случаев - 95-98 % наземной растительности; 5. В кедровниках и пихтовниках при уНП сгорает 95-98 % наземных ГРМ; 6. При 6ВП в хвойных лесах напочвенный покров сгорает также как и при уНП, а крона - на 10-12 % от веса хвои и мелких веток; 7. При уВП в хвойных лесах напочвенный покров сгорает также как и при уНП, а крона - на 15-18 %; 8. При бНП в лиственных лесах сгорает 3-4,5 т/га наземных ГРМ; 9. При уНП в лиственных лесах сгорает 40-50 % наземных ГРМ;
