Содержание к диссертации
Введение
Состояние вопроса 21
1.1. Анализ горимости лесного фонда России 21
1.2. Пожарная опасность в лесах и методы её оценки 26
1.2.1. Пожарная опасность в лесах 26
1.2.2. Оценка влагосодержания и влажности лесного напочвенного покрова 32
1.2.3. Оценка скорости ветра в лесу 36
1.3. Параметры лесных пожаров и методы их оценки 37
1.3.1. Низовой лесной пожар 37
1.3.2. Верховой лесной пожар 39
1.3.3. Пятнистый пожар 41
1.3.4. Экспериментальные методы исследования лесных пожаров 43
1.4. Ограничение распространения лесных пожаров противопожарными барьерами 45
1.4.1. Противопожарные барьеры и их классификация 45
1.4.2. Ширина противопожарных барьеров 54
1.4.3. Способы и средства создания минерализованных и заградительных полос 61
1.5. Аэрокосмический мониторинг лесных пожаров 66
1.6. Системы космического мониторинга лесных пожаров и их технические возможности 69
Выводы 76
Программа, методы и объекты исследования 79
2.1. Программа и объекты исследования 79
2.2. Методы экспериментальных исследований условий и параметров распространения лесных пожаров 82
2.2.1. Общие положения методики экспериментальных исследований параметров лесных пожаров 82
2.2.2. Методы экспериментальных исследований условий распространения лесных пожаров 85
2.2.3. Методы измерений теплофизических и аэродинамических параметров лесного пожара 87
2.2.4. Методы экспериментальных исследований параметров лесных пожаров 101
2.3. Экспериментальные методы оценки параметров
противопожарных барьеров 106
2.3.1. Методика экспериментального определения
параметров противопожарных заградительных полос... 106
2.4. Метод математического моделирования при решении
задач лесной пирологии 112
2.5. Методы космического мониторинга тепловых аномалий
и спутниковой навигации 116
2.5.1. Метод космического мониторинга тепловых аномалий.. 116
2.5.2. Метод спутниковой навигации с использованием
геоинформационной технологии 122
Выводы 123
Система согласованных математических моделей для оценки параметров лесных пожаров и противопожарных барьеров 124
3.1. Математические модели для оценки условий и параметров возникновения, распространения и развития лесных пожаров 124
3.1.1. Математическая модель для оценки влагосодержания лесного напочвенного покрова 124
3.1.2. Математическая модель для оценки скорости ветра в лесу 129
3.1.3. Математические модели для определения скорости распространения и интенсивности низового пожара 134
3.1.4. Математическая модель для оценки параметров конвекционной колонки над кромкой лесного пожара... 143
3.1.5. Математическая модель для оценки максимальной дальности переноса горящих растительных частиц конвекционной колонкой и ветром 145
3.1.6. Математическая модель для оценки параметров очагов горения в зоне пятнистого пожара с высокой плотностью загораний 150
3.1.7. Математическая модель для оценки возможности выхода огня в полог древостоя 156
3.2. Математические модели для оценки параметров противопожарных барьеров 163
3.2.1. Математическая модель для оценки минимальной ширины минерализованной полосы перед фронтом низового пожара 163
3.2.2. Математическая модель для оценки максимальной дальности переноса горящих частиц
при высокоинтенсивном низовом пожаре 166
3.2.3. Математическая модель для оценки ширины противопожарных разрывов и заградительных полос перед фронтом верхового пожара 168
Выводы 170
Результаты экспериментальной и расчётной оценки параметров лесных пожаров и противопожарных барьеров 172
4.1. Результаты оценки лесорастительных условий и
параметров лесных пожаров 172
4.1.1. Лесорастительные условия 172
4.1.2. Параметры линейных (кромочных) низовых лесных пожаров 175
4.1.3. Параметры очагов горения в зоне пятнистого пожара с высокой плотностью загораний 180
4.2. Результаты расчётной оценки параметров противопожарных барьеров в сосновых лесах 189
4.2.1. Минимальная ширина противопожарных полос перед кромкой низового пожара 189
4.2.2. Параметры противопожарных разрывов перед фронтом верхового пожара 191
4.2.3. Параметры противопожарных заслонов 192
Выводы 195
Ограничение распространения пожара в культурах сосны засушливой зоны 198
5.1. Проблема сохранения культур сосны на юго-востоке европейской территории России (ЕТР) 198
5.2. Характеристика природных условий лесокультурного фонда Волгоградской и Ростовской областей 201
5.2.1. Погодно-климатические и лесорастительные условия . 201
5.2.2. Лесоводственная характеристика лесных культур 203
5.2.3. Характеристики лесных горючих материалов 205
5.3. Пожары в культурах сосны засушливой зоны 211
5.3.1. Причины и условия возникновения пожаров в культурах сосны 211
5.3.2. Распространение и развитие пожаров в культурах сосны 216
5.4. Рекомендации по созданию противопожарных барьеров.. 220
Выводы 227
Способы и средства создания противопожарных барьеров 229
6.1. Перспективные наземные способы и средства создания противопожарных барьеров 229
6.2. Новый огнетушащий состав Файрэкс для создания заградительных полос 236
6.3. Вертолётная система для дозированной подачи жидких огнетушащих составов в водосливное устройство
ВСУ-5А 239
6.4. Вертолётное высоконапорное сливное оборудование 251
6.5. Способ прокладки минерализованных полос с воздуха... 254
Выводы 261
Космический мониторинг лесных пожаров как средство контроля эффективности противопожарных барьеров 264
7.1 Обоснование метода контроля эффективности противопожарных барьеров в лесах космическими средствами 264
7.2. Методические рекомендации по созданию региональной системы космического мониторинга лесных пожаров 266
7.3 Региональная система космического мониторинга лесных пожаров 275
7.4. Тестирование региональной системы космического мониторинга лесных пожаров и универсального программного модуля СКАНЭКС 281
Выводы 285
Заключение 287
Список литературы
- Пожарная опасность в лесах и методы её оценки
- Методы экспериментальных исследований условий и параметров распространения лесных пожаров
- Математическая модель для оценки влагосодержания лесного напочвенного покрова
- Параметры линейных (кромочных) низовых лесных пожаров
Введение к работе
Актуальность проблемы. Одним из основных природных и антропогенных факторов, дестабилизирующих лесные экосистемы, является лесной пожар. В последние десятилетия масштабы воздействия пожаров на леса существенно выросли [1-12]. Это связано, в первую очередь, с социально-экономическими и климатическими изменениями. Климат становится всё более тёплым и сухим [1, 3, 5, 13-25]. Расширяется хозяйственная деятельность в лесах, меняются экономические условия в лесной промышленности и лесном хозяйстве. Однако изменения в лесном законодательстве и организационной структуре системы охраны лесов от пожаров, а также уровень профилактики лесных пожаров и оперативности борьбы с ними на ранней стадии развития отстают от этих процессов. Пространственное распределение площадей, пройденных огнём в восточной части России, основанное на наземных и спутниковых данных, позволяет сделать вывод о том, что лесные пожары становятся всё крупнее, а их воздействие - всё разрушительнее [4-12]. Велико влияние лесных пожаров и на развитие глобальных процессов в биосфере [1, 5, 7, 12]. Так, задымление атмосферы усиливает парниковый эффект, в результате которого повышается температура в её приземном слое. Лесные пожары вносят свой вклад в увеличение эмиссии углерода в атмосферу, оказывая влияние на его глобальный цикл [26-30]. Если не принять решительных мер, эти негативные тенденции могут только усилиться и ещё больше обострить лесопожарную проблему в России.
Противоречивость этой проблемы состоит в том, что, с одной стороны, пожар, как природный (пожары от молний), периодически действующий на лесные экосистемы фактор, поддерживает естественные процессы в лесах, уничтожает нежелательную растительность и этим улучшает условия естественного воспроизводства леса, сокращает запасы лесных горючих материалов, истребляет источники инфекционных и других заболеваний [1, 7, 9]. С другой стороны, отрицательные последствия лесных пожаров могут достигать катастрофических масштабов: оказывать разрушительное воздействие на лесной напочвенный покров, древостой и фауну, повреждать органический слой почвы и вызывать её эрозию, загрязнять атмосферу и водные бассейны продуктами сгорания [10-12]. Как отмечал И.С. Мелехов [31], пожары уничтожают молодняк, нередко вызывают появление малоценных видов древесных пород и приводят к ухудшению условий среды для возобновления хозяйственно ценных пород. Нанося травмы деревьям, ослабляя их, пожар способствует образованию ветровала и бурелома, размножению вредных насекомых. Пожары лишают животных их мест обитания, нарушают водный режим, способствуют обмелению рек и размыву берегов, уничтожают постройки, запасы травы, сена, торфа [32]. Послепожарное усыхание древостоя создаёт угрозу повторных пожаров. Древостой на горельниках снижают прирост, становятся источником насекомых-вредителей для здоровых соседних участков леса. Оказывая влияние на все компоненты леса, пожары вносят изменения в лесные биогеоценозы. Их повреждение или полное разрушение сопровождаются нарушением защитных и формирующих окружающую среду функций лесных эко-
систем, понижая устойчивость и биологическое разнообразие лесов [1, 8, 31]. Наиболее опасны крупные и катастрофические лесные пожары площадью в десятки и даже сотни тысяч гектаров. Они приводят к гибели людей, уничтожают населённые пункты, склады готовой продукции, постройки и промышленные объекты, расположенные в лесах, задымляют смежные территории и пространства, дестабилизируют работу не только лесного, но и сельского хозяйства, лесной промышленности, транспорта и других отраслей экономики России [11, 12]. Сдерживать распространение таких пожаров на особо опасных направлениях удаётся только ценой больших усилий, привлекая резервы, силы и средства МЧС и Министерства обороны России, а также местное население. Они, как правило, ликвидируются только после прохождения холодного фронта, сопровождающегося интенсивными осадками на большой территории [11]. По данным Рослес-хоза [32], только прямые потери от лесных пожаров в России в 2003 г. составили 17 млрд. руб., а в 2004 г. - почти 20 млрд. руб.
В рамках общей проблемы охраны лесов от пожаров можно отдельно выделить проблему повышения эффективности противопожарных барьеров [33-36]. Это недостаточно разработанная проблема, требующая доисследования. Она тоже противоречива. С одной стороны, система противопожарных барьеров должна быть научно обоснованной и эффективной, а с другой, она должна базироваться на доступных лесному хозяйству технических средствах и не требовать слишком больших затрат на её создание и поддержание в работоспособном состоянии.
В настоящее время функция контроля состояния действующих пожаров в зонах наземной и авиационной охраны лесов возложена на руководителей тушения. За каждым лесным пожаром, возникшим на территории, обслуживаемой авиацией, должно быть установлено наблюдение с воздуха от момента обнаружения пожара до полной его ликвидации. При каждом осмотре на патрульную карту наносится граница пожара и около неё указывается дата осмотра и площадь, что позволяет выявить динамику распространения пожара и установить факт преодоления им противопожарных барьеров. Резкое уменьшение ассигнований на авиационную охрану лесов в девяностые годы привело к такому же резкому снижению кратности авиапатрулирования [6, 8], и поэтому возникла необходимость искать более экономичные методы и средства мониторинга лесных пожаров.
В связи с разделением лесного фонда Российской Федерации на зоны наземной, авиационной охраны и космического мониторинга [37] очень важным методом контроля лесохозяйственных мероприятий признаётся космическая съёмка лесов. Актуальность этого метода дистанционного зондирования Земли подтверждается также требованиями федеральных целевых программ в области охраны лесов от пожаров [35, 36]. В них проблема разработки новых технических средств и технологий мониторинга лесных пожаров стояла в ряду приоритетных.
После Международного семинара «Леса, пожары и глобальные изменения», который состоялся в 1996 году в с. Шушенском Красноярского края в соответствии с рамочными принципами реализации международной стратегии ООН по уменьшению воздействия катает-
11 роф (ISDR) Всемирный союз охраны природы (IUCN), Центр глобального мониторинга лесных пожаров (GFMS) и Группа специалистов по лесным пожарам ФАО/ЕСЕ/МОТ выступили с предложением о создании межведомственной «Рабочей группы по природным пожарам», которое было реализовано ООН в 2000 г. [5]. На заседании этой группы в 2001 году было принято решение о приоритетном значении создания глобальной сети контроля природных пожаров, состоящей из ряда формальных и не формальных региональных сетевых структур, имеющих мандат ООН [5]. Координация региональных структур поручена Центру глобального мониторинга лесных пожаров (GFMS).
В настоящее время Федеральное агентство лесного хозяйства России интенсивно развивает систему аэрокосмического мониторинга лесного фонда для охраны лесов от пожаров, защиты их от насекомых-вредителей и болезней, борьбы с незаконными рубками леса. Качество противопожарных барьеров в лесах также должно оцениваться путём инструментального контроля их эффективности с использованием космических средств.
Актуальность темы диссертации, с одной стороны, обусловлена существенно возросшими в последнее время масштабами воздействия пожаров на леса, связанными с социально-экономическими и климатическими изменениями, и, соответственно, на развитие глобальных процессов в биосфере, а с другой стороны, - необходимостью научно-методической основы для создания противопожарных барьеров и оперативного контроля их эффективности, а также по-
требностью совершенствования используемых для этого методов и технических средств.
Объект, предмет и рамки исследований. Объектом исследований служат низовые, верховые и пятнистые лесные пожары и противопожарные барьеры (минерализованные полосы, противопожарные разрывы, заслоны и заградительные полосы) в сосновых лесах.
Предмет исследования - параметры лесных пожаров и противопожарных барьеров, а также методы и средства создания и мониторинга противопожарных барьеров.
Для оценки параметров заградительных химических полос и определения их огнезадерживающей эффективности в различных лесо-растительных условиях ОАО «Ивхимпром» осуществлён выпуск опытно-промышленной партии нового огнетушащего состава Файр-экс. Для этих же целей ООО «Техноэкос» изготовлена опытная партия вертолётных систем дозированной подачи жидких огнетушащих составов СДП-1. С целью апробации в различных субъектах Российской Федерации 000 «Томэк» выпущена опытная партия аппаратно-программных комплексов системы регионального космического мониторинга лесных пожаров.
Ввиду очень большого разнообразия лесорастительных условий России, исследования по теме диссертации ограничены широко представленными и наиболее пожароопасными сосновыми лесами. Эксперименты проводились в основном в Лужском районе Ленинградской области (подзона южной тайги) и на юго-востоке европейской территории России в Волгоградской и Ростовской областях (лесостепная зона).
13 Цель и задачи исследований.
Цель работы заключается в повышении эффективности противопожарных барьеров и контроля их защитного действия.
Задача исследований состоит в определении научно обоснованных параметров противопожарных барьеров в лесах, разработке методов и средств их создания и контроля эффективности.
К частным задачам исследований, определённым для достижения поставленной цели и решения общей задачи, относятся следующие:
разработка методик измерений в зоне лесных пожаров;
определение экспериментальными методами количественных характеристик лесных пожаров и оценка параметров противопожарных барьеров, препятствующих их распространению;
разработка системы согласованных математических моделей для оценки параметров лесных пожаров и противопожарных барьеров;
расчёт параметров лесных пожаров и противопожарных барьеров в сосновых лесах различной степени пожарной опасности;
разработка практических рекомендаций по ограничению распространения огня в пожароопасных насаждениях сосны и апробация их в натурных условиях;
разработка новых методов, способов и средств создания противопожарных барьеров;
обоснование метода дистанционного инструментального контроля защитного действия противопожарных барьеров космическими средствами;
- разработка методических рекомендаций по созданию системы
регионального космического мониторинга лесных пожаров.
Научная новизна диссертационного исследования состоит в том, что научные положения, математические модели и рекомендации способствуют дальнейшему развитию нового естественнонаучного направления - управления огнём в лесу, включающего ограничение распространения лесных пожаров на территории, где расположены ценные лесные насаждения, населённые пункты и объекты народного хозяйства.
Элементами научной новизны являются:
методы экспериментальных исследований и теоретической оценки параметров лесных пожаров и противопожарных барьеров;
авиационные методы и средства создания заградительных полос;
практические рекомендации по параметрам противопожарных барьеров в сосновых лесах;
способ дистанционного инструментального контроля защитного действия противопожарных барьеров в лесах космическими средствами;
методические рекомендации по созданию системы регионального космического мониторинга лесных пожаров.
Научная достоверность выводов обусловлена всесторонним анализом исследуемых процессов, использованием фундаментальных законов природы и апробированного научно-методического аппарата, большим объёмом экспериментальных данных, полученных в ходе многолетних комплексных исследований. Разработанные теоретиче-
ские методы подтверждены экспериментальными данными и наблюдениями за лесными пожарами, а опытные образцы технических и химических средств прошли испытания и апробацию в производственных условиях.
Основные положения, выносимые на защиту:
методики экспериментальных исследований параметров лесных пожаров и противопожарных барьеров;
система согласованных математических моделей для оценки параметров лесных пожаров и противопожарных барьеров в сосновых лесах;
авиационные методы, способы и средства создания противопожарных заградительных полос;
практические рекомендации по ограничению распространения пожаров в культурах сосны юго-востока европейской территории России;
метод дистанционного инструментального контроля защитного действия противопожарных барьеров и методические рекомендации по созданию системы регионального космического мониторинга лесных пожаров.
Практическая значимость результатов исследований и их реализация. Разработанные и обоснованные с позиций лесной пирологии практические методы создания противопожарных барьеров и дистанционного инструментального контроля их защитного действия повышают эффективность мероприятий по ограничению распространения и развития пожаров, особенно крупных, на долю которых приходится большая часть площади лесов, пройденных огнём.
16 Апробация научных результатов. Основные положения диссертации, а также рекомендации и выводы представлялись автором на международных и всероссийских научных и научно-практических конференциях, съездах, форумах, симпозиумах, семинарах и совещаниях, в числе которых: Международный семинар "Экологические чрезвьшайные ситуации" (Санкт-Петербург, 1994); Международный семинар «Леса, пожары и глобальные изменения» (с. Шушенское Красноярского края, 1996); 2-я Международная конференция «Экология и развитие Северо-Запада России» (СПб. - Кронштадт, 1997); Первая Международная Балтийская конференция по лесным пожарам (Варшава, 1998); Международное демонстрационное совещание «Применение спутникового зондирования Земли для решения практических задач на территории России» (Санкт-Петербург, 1998); Международный Балтийский семинар по лесным пожарам (Куопио, Финляндия, 2000); Международный лесопромышленный форум «Лесопромышленный комплекс России XXI века» (Санкт-Петербург, 2001); Международный симпозиум «Проблемы комплексного использования и мелиорации земель на водосборе» (Санкт-Петербург, 2002); IV Международный форум «Лесопромышленный комплекс России XXI века» (Санкт-Петербург, Ленинградская область, 2002); Международная научная конференция «Предупреждение, ликвидация и последствия пожаров на радиоактивно загрязнённых землях» (Гомель, 2002); Международная научно-практическая конференция «Охрана лесов от пожаров в современных условиях» (Хабаровск, 2002); Международная конференция по лесным пожарам в Балтийском регионе (Хельсинки, 2004); Международный симпозиум «Me-
лиорация, использование и охрана земель» (Санкт-Петербург, 2004); Международная научно-практическая конференция «Лес. Человек. Чернобыль» (Гомель, 2004); Международное совещание прибалтийских стран (Хельсинки, 2004); Fifth NRIFD Symposium - International Symposium on Forest Fire Protection (Mitaka, Tokyo, 2005); III Всероссийский съезд лесничих (Санкт-Петербург, 1994); Всероссийское совещание-семинар по решению лесопожарных проблем (Санкт-Петербург, 2001); Семинар в российском отделении Всемирного общества дикой природы по вопросу «Охрана лесов и особо охраняемых территорий от пожаров» (Пушкино, Московская область, 2001); Всероссийская научно-практическая конференция «О мерах по совершенствованию борьбы с лесными и торфяными пожарами» (Вологда, 2002).
Таким образом, все материалы были рассмотрены и одобрены на 15 международных конференциях, семинарах, симпозиумах, форумах и совещаниях и 4 всероссийских (конференция, семинары, съезд).
Кроме того, по результатам исследований автором делались доклады на региональных и областных конференциях и совещаниях-семинарах, посвященных подготовке к пожароопасным сезонам.
Личный вклад в науку. Диссертационная работа выполнялась в лаборатории охраны лесов от пожаров Санкт-Петербургского НИИ лесного хозяйства и является результатом более чем 30-летних исследований. Автор участвовал в выполнении ряда государственных целевых программ Министерства науки, МПР и МЧС России (ГНТП «Российский лес», ФЦП «Охрана лесов от пожаров на 1999-2005 гг.», ФЦП «Экология и природные ресурсы России» на 2002-2010 гг.,
ФЦП «Снижение рисков и смягчение последствий чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера в Российской Федерации до 2010 года») и конкурсной тематики Рослесхоза. В качестве руководителя раздела выполнял следующие темы: «Совершенствование системы охраны лесов от пожаров и защиты от болезней и вредителей» (2003-2004), «Разработка комплекса организационно-технических мер по прогнозу, профилактике, обнаружению и тушению лесных пожаров с применением наземных и авиационных средств» (2003-2004), «Развитие системы дистанционного мониторинга лесных пожаров и очагов массового размножения вредных насекомых и болезней леса» (2006), в качестве научного руководителя -«Разработать научно-методические основы совершенствования обнаружения и тушения лесных пожаров с апробацией современных технологий» (2005), «Научно-методическое и информационно-аналитическое обеспечение участия Рослесхоза в российско-канадском сотрудничестве согласно утверждённому плану совместных работ в области охраны лесов от пожаров» (2006).
Автором определено и обосновано научное направление диссертационного исследования, поставлены задачи и разработаны методики проведения полевых и лабораторных экспериментов, математические модели, новые способы и средства создания и контроля эффективности противопожарных барьеров, практические и методические рекомендации, сформулированы научные положения и выводы, подготовлены публикации по теме диссертации. Под его руководством и при непосредственном участии проводились все полевые исследования и испытания опытных образцов противопожарных технических и
химических средств, апробация региональной системы космического мониторинга лесных пожаров. Выносимые на защиту научные результаты получены лично автором или под его непосредственным руководством. На цитируемые или используемые материалы других авторов имеются соответствующие ссылки.
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 64 научных печатных работах общим объёмом 40 печатных листов, в числе которых монография, методические и практические рекомендации (в соавторстве), 41 статья (5 из них в журнале «Лесное хозяйство») и одно свидетельство на изобретение. В большинстве публикаций с соавторами личный вклад соискателя является преобладающим.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, 7-ми глав, заключения и списка литературы. Её объём составляет 330 страниц и включает 44 таблицы, 57 рисунков, список литературы содержит 360 наименований, в том числе 96 на иностранных языках.
Автор выражает глубокую признательность научному консультанту д. с.-х. н., проф. Е.С. Арцыбашеву, а также выражает благодарность д. с.-х. н. А.С. Манаенкову и д. геогр. н. А.Н. Максимову за оказанную помощь при сборе материалов в Волгоградской и Ростовской областях.
Автор благодарит начальника отдела Центральной базы авиационной охраны лесов ФГУ «Авиалесоохрана», к. с.-х. н. Э.П. Давыден-ко, начальника Северо-Западной базы авиационной охраны лесов
А.Г. Щедрина и его заместителя В.Е. Андреева, д. техн. н. А.Г. Судакова и сотрудников лаборатории охраны лесов от пожаров ФГУ «СПбНИИЛХ», оказавших содействие и принимавших участие в проведении испытаний опытных образцов авиационных технических и химических средств.
Пожарная опасность в лесах и методы её оценки
Под пожарной опасностью в лесах обычно понимается возможность возникновения и (или) развития лесного пожара [49]. Очевидно, что лесной пожар возможен только при сочетании трёх основных факторов пожарной опасности: наличия в одном и том же месте горючих материалов, источника огня и внешних условий, благоприятствующих горению. К условиям, благоприятствующим или препятствующим возникновению и распространению лесных пожаров, относятся географические, климатические, метеорологические, лесорасти-тельные и сезонные. Из них наиболее важными являются метеорологические условия, поскольку в засуху горят практически все типы леса в различных географических и климатических условиях, при этом растительный покров зажигают даже самые маломощные источники, которые при иных условиях не смогли бы его поджечь. Метеорологические и лесорастительные условия наиболее изменчивы, даже на сравнительно небольшой территории (лесхоз). Географическое или пространственно-временное изменение пожарной опасности лесов обусловлено различиями в природно-экономических условиях разных регионов. Сроки схода снежного покрова весной и наступление дождливого периода осенью определяют продолжительность пожароопасного сезона и находятся в прямой связи с широтой местности. На основе географического анализа горимости лесов И.С. Мелеховым предложена карта лесопожарных сезонов на земном шаре и схема ле-сопожарных поясов европейской части СССР [50], впоследствии распространённая Г.А. Мокеевым [51] на азиатскую часть страны.
Проанализировав установленные И.С. Мелеховым и Г.А. Мокеевым зависимости, Г.Н. Коровин [52] предложил простые уравнения для определения длительности и даты наступления пожароопасного сезона: /,=358,1 11. (1.1) где fv- средняя длительность пожароопасного сезона; ср- географическая широта местности; ( =182,6 1—COS E» , (1.2) где d9 - средняя дата наступления пожароопасного сезона (порядковый номер дня в году). Влияние лесорастительных условий на пожарную опасность лесов в первом приближении отражает шкала И.С. Мелехова [53], в которой степень пожарной опасности лесов связана с типом лесного участка (рельеф, почва) и типом леса. Для средних метеорологических условий выделены пять классов лесных участков и типов леса по степени их пожарной опасности (загораемости). Распределение лесного фонда России по этой шкале показывает, что у нас 64% лесов 1-3 классов, т.е. очень высокой, высокой и средней степени пожарной опасности [54]. Средневзвешенное по площадям лесного фонда экономических районов России значение класса пожарной опасности, вычисленное на основе данных работы [55], составляет 3,056, т.е. средним для лесов России можно считать 3 класс природной пожарной опасности. На основе шкалы И.С. Мелехова во многих регионах разработаны местные шкалы, учитывающие региональные особенности лесов.
Сезонный характер лесных пожаров связан с фенологическими стадиями развития лесных растений в различные сезоны года. Для южных районов России и районов с преобладанием травяных типов леса характерна весенняя вспышка низовых пожаров. В лесах с преобладанием в покрове мхов, лишайников и мёртвого опада максимальное количество пожаров наблюдается в летний период. Летом также резко возрастает опасность возникновения верховых пожаров в сосновых насаждениях. Во второй половине лета, обычно после длительной засухи, на верховых болотах возникают торфяные пожары. На Дальнем Востоке и в южной Сибири часто бывают осенние лесные пожары, распространяющиеся по отмершей траве. В редких слу 29 чаях зимой, в глубоких слоях торфа, могут продолжать гореть торфяные пожары.
Пожарная опасность в лесах, обусловленная метеорологическими условиями при неизменных свойствах охраняемой территории и источников огня (пожарная опасность по условиям погоды), определяется с помощью специально разработанных показателей пожарной опасности. В СССР, а затем в России, для этих целей с 1949 года используется комплексный показатель В.Г. Нестерова [56], в основе которого лежит произведение дефицита влажности на температуру воздуха. Дефицит влажности и температура воздуха измерялись на ближайшей метеостанции в 13 часов декретного времени. В качестве эталонного слоя ЛГМ использовался покров мха Шребера в сосняках бруснично-черничных. С 1967 г. по предложению В.Г. Нестерова и Гидрометслужбы основой (ядром) комплексного показателя стало произведение температуры воздуха на разность между этой температурой и точкой росы. Этот показатель приведён и в «Рекомендациях по противопожарной профилактике в лесах и регламентации работы лесопожарных служб» [57], утверждённых ФСЛХ России в 1997 году. Таким образом, разработанный Нестеровым В.Г. в 1949 году индекс горимости, претерпев незначительные изменения, до сих пор используется в лесном хозяйстве для оценки пожарной опасности и с 2000 г. узаконен ГОСТом [58].
Методы экспериментальных исследований условий и параметров распространения лесных пожаров
Натурные огневые эксперименты проводились в существенно различающихся типах леса: сосняках лишайниковых, зеленомошных и травяных. Для каждого из них подбирались участки в разных возрастных группах: в основном, в средне- и высокополнотных сосняках с естественной захламленностью.
Отбор образцов напочвенного покрова на опытных площадках производился с пятикратной повторностью. При этом использовалась методика, разработанная СМ. Вонским и В.А. Жданко [69]. Взятие образцов производилось металлическим кольцом с заточенным краем с одной стороны и буртиком - с другой. Кольцо позволяло вырезать напочвенный покров с подстилкой площадью 200 см и высотой 14 см. Для большинства участков образцы брались сразу до минерального слоя почвы. В увлажненных типах леса с большой толщиной торфяной подстилки их вырезали кольцом в два приёма. В вырезанном образце напочвенного покрова с подстилкой не должно содержаться включений, изменяющих их характерный вес и влажность (песка, камней, шишек, крупных корней, неразложившихся кусков гнилой древесины). При большой толщине напочвенного покрова и подстилки образцы обычно разделялись на два или три слоя, существенно различающихся по среднему влагосодержанию. Высота каждого выделенного слоя измерялась линейкой. При взятии образцов большей площади (0,25-1 м2) использовались металлические поддоны с острыми краями. Перевёрнутым поддоном вырезался слой напочвенного покрова и подстилки, затем образец из поддона вытряхивался на полиэтиленовую плёнку и снова вставлялся в поддон подстилкой вниз. Метод взятия образцов металлическими кольцами и поддонами значительно сокращал время работы и не нарушал структуру слоя.
Горючие материалы, собранные на площадках, доставлялись в лабораторию, где производился их разбор по видовому составу и фракциям опада, определялись параметры слоев лесного напочвенного покрова и подстилки: глубина, плотность и коэффициент заполнения слоя, плотность и удельная поверхность (отношение площади поверхности к объёму) частиц, составляющих слой [101]. Площадь поверхности частиц определялась исходя из их геометрической формы [99, 101]. При этом удельная поверхность о частиц цилиндрической формы определялась через их средний диаметр d4 по формуле a=4/d4. Для длинных тонких частиц (травы) толщиной а, удельная поверхность а 2/а [122]. Объём частиц сложной формы определялся путём погружения их в жидкость и измерения объёма вытесненной жидкости. После определения структуры слоя напочвенного покрова лесные горючие материалы выдерживались в сушильных шкафах до постоянного веса (+ 0,1 г) при температуре 105 С. Относительная погрешность взвешивания не превышала 5 %.
Методика экспериментального исследования влияния леса на ветер предусматривала параллельные синхронные измерения скорости ветра в лесу и на метеостанции, расположенной на расстоянии до 15 км. Скорость ветра в лесу измерялась с помощью специально оборудованной мачты высотой 20 м, на которой были смонтированы разработанные и изготовленные в СПбНИИЛХ датчики скорости воздушного потока, позволявшие одновременно измерять скорости ветра над пологом, в пологе и под пологом леса. Осредненные за интервал времени, равный 10 мин, значения горизонтальной составляющей скорости ветра на трех различных высотах сопоставлялись между собой и с данными синхронных измерений на метеостанции. Кроме того, определялись и сопоставлялись с данными метеостанции среднее направление и максимальная скорость ветра в период измерения. Как и на метеостанции, сроки измерений в лесу заканчивались в 0, 3, 6, 9, 12,15, 18,21 ч московского времени [87]. Погрешность измерения скорости ветра Аи зависела от самой его скорости и и определялась равенством Ац = + 0,1+ 0,05 и, м/с.
Математическая модель для оценки влагосодержания лесного напочвенного покрова
С физической точки зрения слой растительного напочвенного покрова представляет собой неоднородную пористую многофазную среду (отмершая или живая растительность, вода, воздух), в которой закономерности тепломассопереноса очень сложны.
Полный водный баланс слоя напочвенного покрова и подстилки включает следующие факторы: начальный запас влаги в слое; сумму осадков на поверхности слоя; величину капиллярного, диффузионного и осмотического притока влаги в слой через почву из грунтовых вод; количество влаги, поступающей в слой за счёт конденсации водяного пара; суммарную величину поверхностного и внутрислойного перемещения влаги; величину оттока влаги из слоя в почву; величину испарения с поверхности слоя и транспирации влаги живой растительностью. При этом все указанные факторы могут действовать одновременно. На практике точно оценить их не представляется возможным, поэтому при моделировании влагопереноса обычно ограни 125 чиваются учётом основных из них: начальным влагосодержанием слоя, осадками и метеорологическими факторами, определяющими процессы сорбции и десорбции влаги.
Наиболее глубокие теоретические исследования кинетики сорбции и десорбции проводились А.В. Лыковым [81, 82]. Им были получены кривые сушки (увлажнения) для различных коллоидных капиллярно-пористых материалов. Для таких материалов характерны продолжительные периоды постоянной скорости сушки (увлажнения), которые описываются равенством -dm/dT=const, (3.1) где т - влагосодержание лесного горючего материала, г-текущее время.
В следующий за ним период падающей скорости сушки (увлажнения), когда влагосодержание материала постепенно приближается к равновесному, при линейной аппроксимации кривой скорости изменения влагосодержания для этого периода времени, было получено следующее уравнение:
Численные значения параметров гт и р определяются по экспериментальным данным. Например, для сомкнутых сосняков предлагается использовать /у=4,5 мм и /7=0,11.
Уравнение (3.5) позволяет оценивать задержанные осадки с начала их выпадения (г=0) на неувлажнённый полог (г/=0). Однако выбранный вид функции содержит недостаточно определяемых параметров для удовлетворительной аппроксимации экспериментальных данных, полученных в насаждениях разного состава и возраста.
Этот недостаток устранён в работе [72], в которой зависимость количество осадков гр, пропускаемое пологом, от их интенсивности, вида, возраста и полноты насаждения, предложено оценивать с помощью равенства: р г(1-ехр(а0 +я, Р+а7 г+а Р2 +аА г2 +as Pr)\ г гп r„m+r-rn рт т» (3.6) где г - количество выпавших осадков, мм; гт - полная влагоёмкость полога, мм; Р - полнота древостоя; а0-а5- коэффициенты, постоянные для данного вида и возраста насаждения.
В этой же работе представлена расчётная методика определения влагосодержания находящихся под пологом леса напочвенного покрова и подстилки в зависимости от воздействия на них всех основ 128 ных метеорологических факторов. В модели используются отдельные соотношения из канадской системы оценки пожарной опасности в лесах CFFDRS [77]. Важным отличием является то, что вместо температуры и относительной влажности воздуха в свободной атмосфере в этих формулах используются значения тех же величин на уровне лесного напочвенного покрова, определяемые с помощью соотношений, установленных в работах [86-88]. В связи с этим математическая модель [72] кроме температуры и влажности воздуха учитывает воздействие на лесной напочвенный покров ветра и солнечной радиации. Адекватность математической модели подтверждается экспериментальными данными, приведёнными в работах [65, 89].
В качестве показателя пожарной опасности по условиям погоды предлагается использовать прогнозное значение влагосодержания лесного напочвенного покрова. К этому показателю может быть привязана шкала пожарной опасности по условиям погоды, разбитая на пять классов, расположенных в порядке убывания влагосодержания лесного напочвенного покрова. Например, для сосняков лишайниково-мшистых в северо-западном регионе России эта шкала представлена в табл. 3.1 [72].
В тех случаях, когда в лесном напочвенном покрове преобладает вегетирующая растительность (травы, кустарнички и т.п.), шкала должна составляться отдельно для каждого сезона (весна, лето, осень). Горные леса необходимо рассматривать отдельно, поскольку при моделировании влияние рельефа местности не учитывалось и полученные выводы будут справедливы только для равнинных лесов.
Параметры линейных (кромочных) низовых лесных пожаров
Экспериментальные оценки [72, 100, 111, 164-166, 285, 320] и теоретические исследования [34, 111, 133, 165, 166, 285] показывают, что кромки горения при встречном движении на некотором расстоянии друг от друга, зависящем от лесорастительных и метеорологических условий, начинают продвигаться ускоренно. Взаимное влияние этих кромок происходит в основном из-за подсоса воздуха в зону горения (собственный «ветер» пожара) и действия теплового излучения соседних кромок на лесной напочвенный покров, расположенный между ними.
Увеличение скорости распространения очагов в зоне пятнистого пожара по сравнению с отдельно взятым очагом в аналогичных лесорастительных и погодных условиях приводит к существенному возрастанию мощности тепловыделения, т.е. возникает «групповой эффект» [34, 111, 164-166]. Кроме того, на определённых временных интервалах многоочаговый пожар превращается в сплошной [320].
При разработке математической модели для оценки параметров очагов горения в зоне пятнистого пожара первоначально предполага 151 лось, что упавшие на напочвенный покров горящие частицы расположены равномерно в узлах квадратной решётки [34, 165, 166]. В этом случае расстояние і между соседними источниками воспламенения рассчитывается по формуле: 1=Шп, (3.38) где S - площадь многоочагового пожара, п - количество упавших горящих частиц.
Предположив, что каждая такая частица вызывает возгорание, получим п регулярно расположенных очагов. Поскольку с момента формирования единой конвекционной колонки ветер не проникает в зону мноочагового пожара, то очаги по форме близки к кругу и при математическом моделировании могут быть аппроксимированы кругами. Процесс распространения очагов в зоне такого пожара схематически представлен на рис. 3.1, где штриховкой отмечена зона пламенного горения, а двойной штриховкой - выгоревшая зона.
Схемы а-ж на этом рисунке соответствуют моментам времени /, характерным для этого процесса. Вначале очаги представляют собой пятна пламенного горения (рис. 3.1, а). В момент времени t=z, соответствующий началу появления выгоревшей зоны, очаги превращаются в кольца пламенного горения (рис. 3.1, б). В некоторый момент времени t=tci происходит соединение кромок соседних очагов (рис. 3.1, в). При t tc\ продолжается распространение горения в ещё не 152 a)t x; 6)r t td; e)t=tci; e)tci t tc2; d) t=tcl; e) t=tcX +т; ж) tc] + z t tc2 +r Рис. 3.1. Схема распространения очагов при регулярном расположении источников воспламенения [117]: выгоревшую область (рис. 3.1, г), а при t=tc2 вся площадь многооча-гового пожара оказывается пройденной огнём (рис. 3.1, д).Далее, при / tc2, происходит догорание горючего в зонах между очагами (рис. 3.1, е, ж). В момент времени t= tc2+ т пламенное горение прекращается.
Характерное время выгорания растительной частицы в слое напочвенного покрова г оценивается по формулам работы [122].
Площадь зоны пламенного горения рассчитывается в соответствии с равенствами [164,165]: При реальном (случайном) распределении горящих частиц площадь зоны пламенного горения в каждый рассматриваемый момент времени будет меньше, а в соответствии с равенством (3.44) снизится и мощность тепловыделения пятнистого пожара.
Анализ наблюдений и их теоретическое обобщение [45, 111, 141, 165, 166, 320, 321] позволяют описать распределение количества загораний в направлении ветра с помощью усечённой кривой Гаусса. Закон распределения количества загораний вдоль оси, перпендикулярной направлению ветра, в первом приближении можно считать равномерным. При учёте случайного характера распределения источников воспламенения задача определения площади горения в зависимости от времени становится настолько сложной, что решить её аналитически не представляется возможным.
