Вход
Купить систему ГАРАНТ
Получить демо-доступ
Узнать стоимость
Информационный банк
Подобрать комплект
Семинары
Приказ Госкомэкологии РФ от 5 марта 1997 г. N 90 "Об утверждении методик расчета выбросов загрязняющих веществ в атмосферу"
|
Председатель |
В.И. Данилов-Данильян |
ГАРАНТ:
Настоящая Методика должна быть переработана и унифицирована в 2008-2010 гг.
Методика
расчета выбросов от источников горения при разливе нефти и нефтепродуктов
Область применения
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.
1 Нормативные ссылки
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 Общие положения
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:
1) карту-схему района аварии;
2) краткое природно-климатическое описание района, в котором расположен очаг пожара;
3) метеорологические характеристики окружающей среды (температура, скорость ветра, наличие осадков);
4) тип подстилающей поверхности;
5) запас техногенных и природных горючих материалов;
6) 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 М 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 М_0 нефти или нефтепродуктов, оказавшейся выброшенной в результате аварии в окружающую среду и площадью территории, покрытой ими - S_0. 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 альфа обозначается М_альфа, и измеряется в единицах массы (г, кг, моль).
3.7. Удельным выбросом (коэффициентом эмиссии) альфа-вещества называется отношение
К = М /М . (3.1)
альфа альфа г
где M_г - масса сгоревшем 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 К_альфа можно определить только опытным путем.
3.8. Недожогом Н и НП называется масса несгоревшего в условиях неконтролируемого горения топлива М_н. Величина М_н 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 М_г можно определить, используя закон сохранения массы
М = М - М . (3.2)
г 0 н
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:
1) водная поверхность;
2) инертная почва с известной пористостью и проницаемостью;
3) почва, покрытая растительностью, которая, впитывая Н и НП, сгорает вместе с углеводородным топливом;
4) 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 альфа-сорта возникающего при горении Н и НП, на основании (3.1) и (3.2) определяется по формуле:
М = К (М - М ). (3.3)
альфа альфа 0 н
Величина М_альфа измеряется в кг.
3.12 Выбросом тепла в атмосферу называется количество теплоты Q, выделяющееся при горении массы М_г, Н и НП. Выброс тепла в атмосферу определяется по формуле
Q = q(M - M ) (3.4)
0 н
3.13 M_0 - масса нефти или нефтепродукта, разлитые 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 S_0 - площадь территории, покрытая разлитыми нефтью или нефтепродуктами, м2;
3.17 ро_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 фи - пористость почвы (фи = V_п/V, V_п - объем пор в единице объема пористой среды; V - объем пористой среды);
3.21 М_н - масса несгоревшего в результате пожара нефтепродукта или нефти, кг;
3.22 M_г - 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:
К = М /М ; (3.5)
г 0
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 К_в - доля площади болота, занятая водой;
3.28 W' - влагосодержание грунта;
3.29 х, у - 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 элипса, соответствующего контуру пожара;
3.31 х_0, у_0 - координаты центра эллипса;
3.32 V_е - скорость ветра, м/с;
3.33 омега_n - скорость распространения пламени по нормали к контуру нефтяного пожара, м/с;
3.34 тэта - угол между скоростью распространения пламени по нормали к контуру и направлением ветра;
3.35 омега_А - скорость распространения фронта пожара по направлению ветра, м/с;
3.36 омега_В - скорость распространения фронта пожара против скорости ветра, м/с;
3.37 омега_С - скорость распространения фронта пожара перпендикулярно скорости ветра, м/с;
3.38 омега_Z - линейная скорость послойного сгорания нефти, м/с;
3.39 омега_Z0; омега_Z бесконечность - 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 M_г* - полная масса нефти, выгоревшая к моменту времени t_*, кг;
3.45 М_альфа* - полное значение выбросов поллютантов к моменту времени t_*, кг;
3.46 Q_* - полное значение выбросов тепла к моменту времени t_*, кДж;
3.47 h_1 - глубина лунки, м;
3.48 r_1 - радиус основания лунки, м;
3.49 альфа_1 - 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 М_н в этом случае следует использовать формулу:
M = ро S h . (4.1)
н 0 0 *
Введем коэффициент недожога:
М
н
К = ----. (4.2)
н М
0
Тогда коэффициент полноты сгорания равен:
М - М
0 н
К = ------ = 1 - К . (4.3)
М н
0
Очевидно, что по определению 0 < К_н < 1 и 0 < К < 1. Для водной поверхности:
ро S h
0 0 *
К = 1 - -------. (4.4)
М
0
Зная К, получим расчетные формулы для выброса поллютантов и тепла при горении топлива на водной подстилающей поверхности:
М = К К М , альфа = 1 ... N; Q = qKM . (4.5)
альфа альфа 0 0
Конкретные значения K_альфа приведены в таблице 4.1
Таблица 4.1. Коэффициенты эмиссии поллютантов при горении НиНП и ЛГМ
|
N п/п |
Поллютант |
К_альфа для НиНП [кг/кг] |
К_альфа для ЛГМ [кг/кг] |
||
|
нефть |
диз. топливо |
бензин |
|||
|
1. |
Оксид углерода СО |
8.40 х 10(-2) |
7.06 х 10(-3) |
3.11 х 10(-1) |
1.35 х10(-1) |
|
2. |
Диоксид углерода СО2 |
1.00 |
1.00 |
1.00 |
1.35 х 10(-1) |
|
3. |
Оксиды азота NOx |
6.9 х 10(-3) |
2.61 х 10(-2) |
1.51 х 10(-2) |
4.05 х 10(-4) |
|
4. |
Оксиды серы # пересчете на SO2) |
2.78 х 10(-2) |
4.71 х 10(-3) |
1.20 х 10(-3) |
1.00 х 10(-6) |
|
5. |
Сероводород (H2S) |
1.00 х 10(-3) |
1.00 х 10(-3) |
1.00 х 10(-3) |
1.00 х 10(-6) |
|
6. |
Сажа (С) |
1.70 х 10(-1) |
1.29 х 10(-2) |
1.47 х 10(-3) |
1.10 х 10(-2) |
|
7. |
Синильная кислота (HCN) |
1.00 х 10(-3) |
1.00 х 10(-3) |
1.00 х 10(-3) |
1.00 х 10(-6) |
|
8. |
Дым (ультрадисперсные частицы SiO2) |
1.00 х 10(-6) |
1.00 х 10(-6) |
1.00 х 10(-6) |
5.50 х 10(-2) |
|
9. |
Формальдегид (НСНО) |
1.00 х 10(-3) |
1.18 х 10(-3) |
5.33 х 10(-4) |
1.00 х 10(-6) |
|
10. |
Органические кислоты (в пересчете на СН3СООН) |
1.50 х 10(-2) |
3.65 х 10(-3) |
5.33 х 10(-4) |
1.00 х 10(-6) |
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 песчанной почвы W_ф = 0.000065 м/с, а для глинистой W_ф = 0.00001 м/с.
Для инертной почвы для определения величины К_н предлагается следующая формула:
К = фи W', 0 < фи < 1, 0 < W' < 1. (5.1)
н
Здесь фи - пористость грунта, W - влагосодержание грунта.
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 = К K M , Q = q К M ,
альфа,i i альфа,i 0,i i i 0,i
альфа = 1...N, i = 1...n, (5.2)
где индекс i приписывается характеристикам i-ой впадины.
В целом, для всей территории имеем следующие формулы:
n n
M = Сумма K K M , Q = q Сумма K M . (5.3)
альфа i=1 i альфа,i 0,i i=1 i 0,i
Здесь и выше коэффициенты полноты сгорания К_i определяются эмпирически в результате обследования местности после пожара. Следует отметить что для песчаной почвы значения К_i 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:
К = 0 (6.1)
н
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:
n n
(p) 1 (p) (p) (p) 1 (p) (p)
M = Сумма K K S m , Q = Сумма q K S m . (6.2)
альфа i=1 i альфа,i 0,i i i=1 i i 0,i i
Здесь S_0,i - площади, занятые растительностью в м2; m_i - запас ЛГМ на i-ой площади в кг/м2; n_1 - общее количество участков лесной (степной) растительности на обследуемой территории: q(p)_i - 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:
(p) (p) (p) (p) (p) (p)
M = K K S m; Q = q K S m, (6.3)
альфа альфа 0 0
где К(р), К(р)_альфа, q(p) - средние значения, упомянутых выше коэффициентов, S_0 - общая площадь леса в м2, m - средний запас ЛГМ в кг/м2.
При совместном горении нефтепродуктов и ЛГМ выражения для выбросов вредных веществ и тепла принимают вид:
(p) (p)
M = M + M , альфа = l...N, Q = Q + Q ,
альфа,Сумма альфа альфа Сумма
(6.4)
Здесь M_альфа,Сумма и Q_Сумма - суммарные итоговые выбросы вредных веществ и теплоты, а N = N_0 + N_р - полное количество поллютантов, соответствующее одновременному горению нефтепродуктов и ЛГМ, N_0, N_р количество поллютантов от горения нефти и растительности соответственно, М_альфа 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
/
| К k , M принадлежит B,
| нв b
К = < (7.1)
н | 1 - k , M не принадлежит B.
| b
\
Здесь k_b - коэффициент водности болота, т.е. доля его поверхности, занятая водой, К_н.в. = ро h_*S_0/М_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 НиНП (нефть, бензин, дизельное топливо) и растительных горючих материалов (РГМ).
В продуктах горения НиНП, 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 НиНП, 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 НиНП. Продукты горения растительных материалов (мох, торф, трава, кустарники, а также деревья хвойных и лиственных пород) включают в себя, помимо продуктов горения, присущих НиНП, 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 НиНП. 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 НиНП и ЛГМ приведены в таблице 4.1.
Будем считать для определенности, что k_b - доля территории болота, покрытая водой, a (1 - k_b) - кочками, на которых произрастает мох сфагнум и другая болотная растительность. Тогда для расчета выбросов вредных веществ и тепла M_альфа и Q необходимо использовать формулы:
M = (M - M ) K k S , Q = q(M - M )k S , (7.2)
альфа 0 н альфа b 0 0 н b 0
а для определения M(р)_альфа, Q(p) - выражения:
(p) (p) (p) (p) (p) (p)
M = K K S m(1 - k ), Q = q K S (1 - k ), (7.3)
альфа альфа 0 b 0 b
Здесь и выше S_0 - площадь, на которой разлита нефть на болоте; к_b - доля этой площади, соответствующая водной поверхности; К(р) - коэффициент полноты сгорания растительности на болоте; m - запас растительности в кочках на болоте - кг/м2; K(р)_альфа - удельные выбросы вредных веществ при горении растительности; М_0 - масса нефти разлитой на болоте; M_н = ph х k_bS_0 - масса недогоревшей нефти на болоте; ро - плотность нефти; h_* - предельная высота слоя нефти, при которой нефть еще горит на водной поверхности болота.
Приложение А
(обязательное)
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:
(x - x ) 2
0 y
-------- + ---- = 1, S = пи ab. (A.1)
2 2
a b
Здесь х и у - координаты контура (см. рис.4); направление оси х совпадает с направлением ветра v_е; а = 1/2 (омега _а + омега_B) t, b = омега_с t - большая и малая полуоси эллипса; х_0 = 1/2 (омега_A - омеГА_B) t, y = 0 - координаты центра эллипса: омега_А - скорость распространения фронта горения по направлению ветра; омега_В - скорость распространения фронта пожара против скорости ветра; омега_С - 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, кси, эта - подвижная система координат, связанная с центром эллипса (х,0); М - любая точка контура; А, В, С, D - характерные точки контура нефтяного пожара.
В табл.А.1 дана зависимость омега_n от скорости ветра. Эти данные для нефти можно аппроксимировать формулой:
омега = омега + (омега - омега )[1 - ехр(-бета V cos Тэта)], (А.2)
n 0 бесконечность 0 е
где омега = 0.025 м/с,
0
омега = 0.61 м/с,
бесконечность
бета = 0.045 - эмпирические постоянные.
В общем случае величины омега_0, омега_бесконечность, бета зависят от сорта нефти и вида нефтепродукта, от влагосодержания W горючего и от угла Тэта между скоростью распространения пламени по нормали к контуру и вектором скорости ветра v_е. Следуя аналогии между распространением нефтяного пожара и лесного пожара, будем считать, что при тета = пи/2 и 3 пи/2 величина омега_n = омега_0.
Наряду с распространением пламени по площади пятна разлитой нефти имеет место ее послойное вертикальное сгорание. Линейную скорость послойного сгорания можно расчитать# по формуле:
омега = омега +(омега - омега )[l - exp(-бета v )], (A.3)
z z0 zбесконечность z0 z e
где омега_z0 и w_z бесконечность - линейные скорости послойного сгорания нефти и нефтепродуктов при нулевой и предельно большой скорости ветра, а бета - эмпирическая постоянная.
В табл. А.1 даны значения упомянутых выше эмпирических постоянных.
Таблица А.1. Влияние скорости ветра на линейную скорость послойного выгорания нефти и нефтепродуктов
|
Вид горючего |
бэта_z, сек/м |
омега_z0, м/с |
омега_z бесконечность, м/с |
|
Дизельное топливо |
0.1 |
0.000047 5 |
0.0001762 |
|
Тракторный керосин |
0.1 |
0.000033 3 |
0.0001299 |
|
Автомобильный бензин |
0.1 |
0.000065 0 |
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, согласно, 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 омега_n значительно превышает скорость послойного сгорания омега_z. Например, при скорости ветра 2 м/с для нефти омега/омега_z = 9. Скорость распространения омега известна только для нефти. Однако, известно, что линейная скорость горения нефтепродуктов растет с убыванием массы нефтепродукта. Поэтому можно для определения омега_0 и омега_ бесконечность в формуле (A.2) использовать простые соотношения:
омега ро
0Н Н
омега = -----------,
0i ро
i
омега ро
бесконечность Н Н
омега = ------------------------, (А.4)
бесконечность i ро
i
где индексы н и i соответствуют нефти и рассматриваемому нефтепродукту.
Для определения омега_0z и омега_бесконечность z имеем аналогичные формулы:
омега ро
0zН Н
омега = -----------,
z0i ро
i
омега ро
бесконечность zН Н
омега = ------------------------. (А.5)
бесконечность zi ро
i
Зная площадь горения и скорость послойного сгорания, легко определяем массовую скорость сгорания нефти или нефтепродукта:
dM
---- = - пи a b омега ро , M| = M , (A.6)
dt z s |t=0 0
где ро_s - плотность нефти или нефтепродукта, а М_0 - 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 М_г сгоревшей к моменту времени t нефти или нефтепродукта:
t
М = М - М = пи ро интеграл a b омега /dt (A.7)
г 0 s 0 z
Зная текущие значения М_г и коэффициенты эмиссии К_альфа различных поллютантов при горении нефти и нефтепродуктов, легко находим текущий выброс каждого поллютанта в отдельности и выброс тепла Q в атмосферу:
M = M х K , Q = qM , (А.8)
альфа г альфа г
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 ро_s, омега_А, омега_В, омега_С, омега_z можно с удовлетворительной степенью точности считать постоянными величинами, то величина М_г легко определяется в результате интегрирования правой части (А.6)
1 3
М = M - M = --- пи ро омега (омега + омега ) омега t . (A.9)
г 0 6 s z A B C
С помощью формулы (А.9) и таблиц значений К_альфа находят выбросы для любых поллютантов и теплоты в любой момент времени:
К
альфа 3
М = ------ пи ро омега (омега + омега ) омега t ,
альфа 6 s z A B C
(A.10)
q 3
Q = --- пи ро омега (омега + омега ) омега t .
6 s z A B C
Легко видеть, что М_г, М_ альфа, и Q растут с ростом омега_А, омега_В, омега_С, омега_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 < t_1), когда имеет место распространение пламени по поверхности разлитой нефти. Значение времени t_1, при котором пламя охватывает всю площадь разлитой нефти, легко получается, если известна площадь нефтяного пятна F_*:
2F
*
t = кв.корень(--------------------------). (A.11)
1 пи (омега + омега ) омега
А В С
При выводе этой формулы, также как и при выводе формул (А.9) - (А.10), считалось, что омега_А, омега_В, омега_С не зависят от времени.
Подставляя (А.11) в (А.9), (А.10), получим значения
1
M = M (t ) = --- ро омега t F , (А.12)
1г г 1 3 s z 1 *
1
M = M (t ) = --- K ро омега t F , (А.13)
1альфа альфа 1 3 альфа s z 1 *
1
Q = Q(t ) = --- q ро омега t F . (A.14)
1 1 3 s z 1 *
При (t > t_1) распространение фронта нефтяного пожара прекращается и имеет место вторая стадия процесса - режим догорания нефтяной пленки с послойной скоростью сгорания w_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 = ро h F . (A.15)
* s * *
Полная масса топлива, сгоревшая к моменту t = t_* прекращения горения, равна
M (t ) = M - М . (А.16)
г * 0 *
Интегрируя (А.6) с учетом того, что при t > t_1 величина пи ab = F_* = const, получаем, используя (А.12) в качестве начального условия:
М = М + pо омега F (t - t ), t >= t , (A.17)
г 1г s z * 1 1
Выражения для выбросов поллютантов и тепла при t > t_1 имеют вид:
М = [М + pо омега F (t - t )] K , (A.18)
1альфа 1г s z * 1 альфа
Q = [М + pо омега F (t - t )] q. (А.19)
альфа 1г s z * 1
Величина времени, в течение которого длится второй период горения, легко определяется по формуле:
М - М - М
0 1г *
t = -----------. (А.20)
2 pо омега F
s z *
Полное время горения определяется по формуле:
t = t + t . (A.21)
* 1 2
Подставляя (А.11) и (А.20) в формулу (А.21), получаем полное время горения:
2 F M - M - M
* 0 1г *
t = кв.корень(-------------------------) + -----------. (А.22)
* пи (омега + омега )омега pо омега F
А В С s z *
По определению М_г*, имеем следующее выражение для полной массы нефти, выгоревшей к моменту t_*:
M = M - M = M - ро h F . (A.23)
1* 0 * 0 s * *
Зная М_1*, легко находим полное значение выбросов поллютантов и теплоты к моменту прекращения горения:
М = (М - М ) К = (М - ро h F ) К , (А.24)
альфа* 0 * альфа 0 s * * альфа
Q = (M - ро h F )q (A.25)
* 0 s * *
При подсчете Q_* необходимо знать величину q. Для ее определения следует использовать формулу Д.И. Менделеева:
p p p p p
q = 4.19 [81 C - 246 H - 26 (O - S ) - 6 W ], (A.26)
где q - низшая теплота сгорания в кДж/кг;
величины C(р), H(р), O(р), S(р), W(р) 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 M_0, h_*, F_*, ро_s, K_ альфа.
Приложение Б
(обязательное)
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 М_гi. Тогда для любого отдельного очага горения имеем следующее выражение для выбросов поллютантов и тепла:
M = М К , Q = qM . (Б.1)
альфа i гi альфа i гi
Общее количество поллютантов и теплоты, выброшенных в атмосферу:
(г) N (г) N
М = К Сумма М , Q = q Сумма М . (Б.2)
альфа альфа i=1 гi i=1 гi
Разлитая на почве нефть скапливается в отдельных лужах (впадинах) и при зажигании горит в них так же, как и на водной подстилающей поверхности (см. п. 4.2). Лунка имеет форму конуса с высотой h_i, радиусом r_i и полураствором угла альфа_i при вершине. Кроме того, поскольку почва смачивается нефтепродуктами, то горение слоя нефти в лунке происходит до самого конца. Рассмотрим горение нефтепродуктов в i-ой лунке.
Скорость их сгорания определяется решением дифференциального уравнения сохранения массы нефтепродукта:
dM
i 2
---- = - ро пи r омега . (Б.3)
dt i i z
С начальным условием:
М (0) = М . (Б.4)
i i0
Величину М_i можно определить по формуле:
3
пи r
i
M = ро ----- ctg(альфа ). (Б.5)
i i 3 i
Из (Б.5) находим:
3 M 1/3
i
r = [-----------------] . (Б.6)
i пи ро ctg(альфа )
i i
Подставляя (Б.6) в (Б.3) и интегрируя по t, получим величину текущей массы нефтепродукта в i-ой лунке:
3
ро пи омега 2/3
1/3 i zi 3
M = [M - -------------(----------------) t]. (Б.7)
i i0 3 пи ро ctg(альфа )
i i
Очевидно, что время горения в i-ой лунке равно:
1/3 1/3 2/3
3 M (ctg(альфа ))
i0 i
t = ------------------------. (Б.8)
iг 1/3 1/3
ро пи омега
i zi
Величина массы топлива, сгоревшего к моменту времени t, равна:
ро пи омега 2/3 3
1/3 i zi 3
M = (M - M ) = M - [M - --------------(----------------) t] . (Б.9)
гi i0 i i0 i0 3 пи ро ctg(альфа )
i i
Зная коэффициенты эмиссии K_альфа, получаем выражение для выброса альфа-поллютанта из i-ой лунки в любой момент времени:
ро пи омега 2/3 3
1/3 i zi 3
M = (M - M )К = {M - [M - --------------(----------------) t]}K . (Б.10)
альфаi i0 i альфа i0 i0 3 пи ро ctg(альфа ) альфа
i i
Суммируя выбросы альфа-компонента по всем лункам, получаем:
ро пи омега 2/3 3
N N 1/3 i zi 3
M = Сумма М = Сумма К {M - [M - -------------(----------------) t]}. (Б.11)
альфа i=1 альфа i i=1 альфа i0 i0 3 пи ро ctg(альфа )
i i
Подставляя в (Б.11) выражение (Б.8), находим суммарный выброс альфа-компонента:
N
M = Сумма K M . (Б.12)
альфа* i=1 альфа i0
Выброс тепла от горения нефтепродуктов во всех лунках определяется по формуле:
N
Q = Сумма q M . (Б.13)
i=i гi
К моменту прекращения горения нефтепродуктов в атмосферу выбрасывается следующее количество тепла:
N
Q = Сумма q M . (Б.14)
* i=i i0
Таким образом, с помощью формул (Б.11) - (Б.14) удается получить как выбросы поллютантов, так и выбросы тепла.
Приложение В
(обязательное)
В. 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:
(г) (р) (г) (р)
M = M + M , Q = Q + Q (B.1)
альфа альфа альфа
Здесь M(р)_альфа, Q(p)_альфа - выбросы альфа - 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 (A.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:
dM
2
---- = - пи a b омега ро , М (0) = М . (В.1)
dt z 2 2 02
dM
1
---- = - пи a b омега ро , М (0) = М . (В.2)
dt z 1 1 01
Здесь М_1 - 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:
пи 3
M = -- ро омега (омега + омега ) омега t , 0 < t < t , (В.3)
г1 6 1 z A B C 1
пи 3
M = -- ро омега (омега + омега ) омега t , 0 < t < t , (В.4)
г2 6 2 z A B C 1
Выбросы поллютантов для 0 < t < t_1 при горении нефтепродуктов и ЛГМ определяются по формулам:
пи К
альфа 3
M = --------- ро омега (омега + омега ) омега t , 0 < t < t , (В.5)
альфа1 6 1 z A B C 1
пи К
альфа 3
M = --------- ро омега (омега + омега ) омега t , 0 < t < t , (В.6)
альфа2 6 2 z A B C 1
Общая масса альфа-полютанта при 0 < t < t_1:
M = M + M . (B.7)
альфа альфа 1 альфа 2
Общее количество тепла, выбрасываемого в атмосферу при 0 < t < t_1 равно:
пи 3
Q = ----(q ро + q ро ) омега (омега + омега ) омега t . (В.8)
6 1 1 2 2 z A B C
Следует отметить, что также как и при горении нефти, разлитой по водной поверхности, при t > t_1 имеет место режим догорания. Однако, в отличие от упомянутого выше случая, будем предполагать, что имеет место полное сгорание ЛГМ, смоченных нефтепродуктами.
Время t_1 легко определить по формуле (А.11), а для определения масс нефтепродукта и ЛГМ, сгоревших к моменту времени t, где t_1 < t < t_*, имеем следующие формулы:
M = M + ро омега F (t - t ), (B.9)
1г 11 1 z * 1
M = M + ро омега F (t - t ). (B.10)
2г 21 2 z * 1
Здесь M_11 = M_1г (t_1), M_21 = M_2г (t_1) - массы нефтепродуктов и ЛГМ, сгоревших к моменту времени t_1.
Величина времени, в течение которого длится второй период (период догорания), определяется выражением:
М + М - М - М
10 20 11 21
t = -------------------. (В.11)
2 (ро + ро ) омега F
1 2 z *
Выражение для выбросов поллютантов и теплоты для момента времени во втором периоде горения имеет вид:
M = M K , Q = М q . (В.12)
1альфа 1г 1альфа 1 1г 1
M = M K , Q = М q . (В.13)
2альфа 2г 2альфа 2 2г 2
Полное время горения определяется по формуле:
t = t + t , (В.14)
* 1 2
где t_1, t_2 определяются по формулам (А.11) и (В.11).
С учетом допущения о полном сгорании масс нефтепродуктов и ЛГМ за время t_*, имеем:
М = М , М = М . (В.15)
1* 10 2* 20
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_*.
Методика
определения и расчета выбросов загрязняющих веществ от лесных пожаров
Область применения
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.
1 Нормативные ссылки
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 Общие положения
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 человеком 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:
1) карту-схему района пожара;
2) краткое природно-климатическое описание района, в котором расположен очаг пожара;
3) метеорологические характеристики окружающей среды (температура, скорость ветра, наличие осадков).
4) запас лесных горючих материалов (ЛГМ);
5) 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_0 лесных горючих 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.
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.
| /---------------------------------\ |
| | Нагретые газообразные | |
| | и дисперсные продукты | |
V \---------------------------------/ V
Выпадение Седментация
осадков частиц
Схема физико-химических процессов во фронте лесного пожара
/------------------\ /----------------\
| Теплота сгорания | | Прогрев |
| ЛГМ | | ЛГМ |
| |---------------------------------->| |
| | | |
\------------------/ \----------------/
^ V
/-----------------------------\ /-----------\ /----------------\
| Сгорание | | Пиролиз | | Сушка |
| | | ЛГМ | | ЛГМ |
| продуктов пиролиза |<---| |<------| |
| | | | | |
\-----------------------------/ \-----------/ \----------------/
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:
r
Дельта n
омега = lim ---------, (3.1)
n Дельта t
где Дельта(r)_n приращение контура пожара по нормали за промежуток времени Дельта t.
3.7. Поверхность 2 (см. 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 фи_1), воды в связанном с этим веществом состоянии (фи_2), конденсированного продукта пиролиза-коксика (фи_3), конденсированного продукта горения-золы (фи_4), газовой фазы (фи_5), включающей в себя компоненты воздуха, и газообразных продуктов пиролиза (фи_5), и дисперсных продуктов горения, которые состоят из частиц сажи (объемная доля фи_6), и частиц золы (фи_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 альфа обозначается М_альфа 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) альфа - вещества при пожаре называется отношение:
m
альфа
К = -------, [К ] = кг/кг, альфа = 1, 2, ..., N, (3.2)
альфа m альфа
г
где m - масса ЛГМ на единице площади лесной территории, сгоревшая
г при лесном пожаре;
m - масса альфа - компонента, образованного при горении ЛГМ
альфа на той же единице площади лесной территории;
индекс альфа 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 К_альфа вместо (3.2) удобнее определять и опытным путем.
3.12. Недожогом ЛГМ называется масса несгоревшего в условиях неконтролируемого горения топлива m_н на единицу площади. Наряду с m_н используется коэффициент недожога, определяемый по формуле
m
н
К = ----, (3.3)
н m
о
3.13. m_о - запас ЛГМ в абсолютно сухом состоянии, кг/м2:
3.14. Количество сгоревшего ЛГМ m_г можно определить, используя закон сохранения массы
m = m - m , (3.4)
г 0 н
где m измеряется в кг/м2.
г
3.15. Поллютант - вещество, загрязняющее среду обитания. Русский синоним этого слова - загрязнитель. Масса выброса поллютанта альфа-сорта, возникающего при горении единицы площади растительного покрова ЛГМ, на основании (3.3) и (3.4) определяется по формуле:
m = К (m - m ). (3.5)
альфа альфа 0 н
Величина m_альфа измеряется в кг/м2.
3.16. Выбросом тепла в атмосферу называется количество теплоты Q_n, выделяющееся при горении массы m_г ЛГМ. Выброс тепла в атмосферу определяется по формуле
Q = q (m - m ) (3.6)
п 0 н
Величина Q_п измеряется в Дж/м2.
3.17. q - тепловой эффект горения ЛГМ, Дж/кг;
3.18. S_1 - площадь лесной территории, пройденная огнем, м2;
3.19. М_н - масса несгоревшего в результате пожара ЛГМ на площади S_1, кг;
3.20. M_г - масса сгоревшего в результате пожара ЛГМ на площади S_1, кг;
3.21. К - коэффициент полноты сгорания, определяющий какая часть исходной массы топлива сгорела при пожаре:
m
г
К = ----, К = 1 - К . (3.7)
m н
0
3.22. W - влагосодержание ЛГМ, в процентах;
3.23. W_* - предельное значение влагосодержания, выше которого ЛГМ не горит, в процентах;
3.24. х, у - координаты контура пожара;
3.25. a, b - большая и малая полуоси эллипса, соответствующего контуру пожара;
3.26. х_0, у_0 - координаты центра эллипса;
3.27. V_е - скорость ветра, м/с;
3.28. омега_А - скорость распространения фронта пожара по направлению ветра, м/с;
3.29. омега_В - скорость распространения фронта пожара против скорости ветра, м/с;
3.30. омега_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. М_альфа* - полное значение выбросов поллютантов к моменту времени t_*, кг;
3.34. Q_* - полное значение выбросов тепла к моменту времени t_*, Дж;
3.35. S_г - 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 К_н, который может быть определен в результате осмотра последствий лесного пожара.
Имея карточку лесного пожара и зная К_альфа и К итоговый выброс массы альфа-компонента и тепла Q_n для любого типа лесного пожара следует определять по формуле:
М = S K K m .
альфа i i i альфа i 30 i
Q = q k m .
ni i i 30 i
i = 1. 2. 3. (4.1)
S - площадь лесной территории, пройденная огнем;
i
Q - теплота, выделившейся при пожаре в Дж;
ni
q - тепловой эффект горения ЛГМ в Дж/кг;
i
индексi, равный
1 - соответствует параметрам низового лесного пожара;
2 - верховому лесному пожару;
3 - пожару на торфяниках.
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 К_альфа поллютантов, которые зависят от типа растительности и условий горения. В таблице 4.1 приведены К_альфа.
Таблица 4.1
Осредненные значения коэффициентов эмиссии К_альфа
|
Наименование поллютанта |
Значение К_альфа, кг/кг |
|
Оксид углерода (окись углерода) |
0.135 |
|
Углекислый газ |
0.094 |
|
Оксид азота |
0.000405 |
|
Сажа (элементарный углерод) при горении |
0.0014 |
|
Дым (режим горения) |
0.014 |
|
Дым (режим тления) |
0.055 |
|
Сажа при тлении |
0.011 |
|
Метан |
0.075 |
|
Другие углеводороды |
0.011 |
|
Озон |
0.001 |
Приложение А
(обязательное)
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
dQ
-- = интеграл по L(q K омега m )ds, (A.1)
dt n 3
dM
альфа
------- = интеграл по L(K К омега m )ds, (A.2)
dt альфа n 3
d фи
---- + омега |grad фи|= 0, (A.3)
dt n
с соответствующими начальными условиями
M (0) = M , Q(0) = Q , фи | = фи (х,у). (А.4)
альфа альфа 0 0 |t=0 0
Здесь (А.1) - (А.3) интегро-дифференциальные уравнения для определения Q (t), M_альфа (t) и контура лесного пожара фи = фи_0 (х, у, t). Решение данной системы интегро-дифференциальных уравнений представляет значительное математические трудности.
В данном приложении дается упрошенная# 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):
2 2 t
(x - x ) y (омега + омега )
0 A B
-------- + ---- = 1, a = ----------------, b = омега t,
2 2 2 C
a b
(омега - омега )t
A B
x = ------------------, (А.5)
0 2
Периметр и площадь этою эллипса определяется по формулам:
L = пи [1.5(a + b) - кв.корень(ab)), (A.6)
пи 2
S = пи ab = --- (омега + омега ) омега t . (A.7)
2 А В С
Известно, что сухое ЛГМ сгорает почти полностью, т.е. К = 1, а К_н = 0, в то время как при определенном (предельном) влагосодержании W = W_*, процесс горения прекращается, т.е. К = 0, а К_н = 1. Исходя из этих физических соображений, будем считать, что
W - W
*
К = ------, (А.8)
W
*
где W - влагосодержание ЛГМ.
Для низовых лесных пожаров, величина W_* = 0,13, а К ~ 0.5.
Если предположить, что запас m_3, не меняется по периметру контура лесного пожара, а К_альфа и скорость распространения не зависят от времени, то, разбивая контур на N равных частей и подставляя в (3.7) формулы (А.5) и (А.7), получаем после интегрирования следующие выражения для массы альфа-загрязняющего компонента:
(омега + омега ) (омега + омега )
A B A B 2 N
M = K K m пи{1.5[---------------- + омега ] - кв.корень(--------------)омега }t Сумма омега . (A.9)
альфа альфа 3 2 C 2 С i=1 ni
Здесь омега_n1 - значения скорости распространения лесного пожара, соответствующее i-ой части периметра эллипса (см. рис. А.1)
При выводе (А.9) было учтено, что процесс распространения лесного пожара симметричен относительно оси х.
В общем случае, когда m_3 и омега_n несимметричны относительно оси х. необходимо использовать формулу:
K пи (омега + омега ) (омега + омега )
альфа A B A B 2 N
M = K ---------{1.5[---------------- + омега ] - кв.корень(--------------)омега }t Сумма m омега , (A.10)
альфа 2 2 C 2 С i=1 3 ni
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 омега_n в различных точках контура низового лесного пожара удобно использовать формулу, которая с учетом принятых выше обозначений имеет вид:
n
f (v , альфа)(m /m )
1 e З 0
омега = омега ----------------------------------------------------------, (А.11)
n nо [1 + G (ро - ро )/ро ][1 + C(W - W ) + D(T - T )]/f (бэта)
г о о о о 2
/
| 1 + B V cos альфа + B V , при 0 <= V <= V ;
| 1 е 4 е е 1
|
| пи пи
| В (альфа <= ---) = В (0), В (альфа > ---) = В (пи);
| 1 2 1 1 2 1
|
| 1 + [B (0)V + B (V - V )]cos альфа + B (V - V ) + B V ;
| 1 е 2 е 1 3 е 1 4 е
|
| V - V
| 1 е
f = (V , альфа) = < при V <= V <= V , альфа <= альфа = arccos(-------); (A.12)
1 е | 1 е 2 кр v'
|
| 1 + B (пи)V cos альфа + B (V - V ) + B V ;
| 1 е 3 е 1 4 е
|
| при V >= V >= V , альфа >= альфа ;
| 1 е 2 кр
|
| V
| b 2
| альфа(V cos альфа) , при V > V , альфа <= arccos(---);
| е е 2 V
| е
\
/
| 1 + В V cos альфа + B V , при 0 <= V <= V ;
| 1 е 4 е е 1
|
| пи пи
| В (альфа <= ---) = В (0), В (альфа > ---) = В (пи);
| 1 2 1 1 2 1
|
| 1 + [B (0)V + B (V - V )]cos альфа + B (V - V )+ B V ;
| 1 е 2 е 1 3 е 1 4 е
|
| V - V
| 1 е
f = (V , альфа) = < при V <= V <= V , альфа <= альфа =arccos(------); (A.13)
1 е | 1 е 2 кр v'
|
| 1 + B (пи)V cos альфа + B (V - V ) + B V ;
| 1 е 3 е 1 4 е
|
| при V >= V >= V , альфа >= альфа ;
| 1 е 2 кр
|
| V
| b 2
| альфа(V cos альфа) , V > V , альфа <= arccos(---);
| е е 2 V
| е
\
/
|(1 - sin 8°)[1 - sin2(бэта - 8°)], при бэта > 8°;
f (бэта) = < (1 - sin 8°), при - 18° <= бэта <= 8°; (A.14)
2 | приблизительно равно 0.7 при бэта <= -18°;
\
где омега - скорость распространения низового пожара на
n0 горизонтальной подстилающей поверхности;
V - скорость ветра на стандартной высоте;
е
m - запас лесных горючих материалов на подстилающей
з поверхности соответствующий скорости распространения
(омега = омега_n0, (см. таблицу А.2);
G = 0.3;
г
ро - плотность слоя на горизонтальной поверхности
0 соответствующая скорости распространения (омега =
омега_n0, (см. таблицу А.2);
n = (0.2 - 0.35) - эмпирический коэффициент;
v - пульсация скорости ветра (v ~ 1 м/с);
бета - угол наклона к горизонту рельефа местности;
альфа - угол между направлением скорости распространения фронта
пожара омега и скоростью ветра;
С, D, омега , a, b - эмпирические постоянные;
n0
Т , W - стандартные начальные температуры горизонтального слоя
0 0 ЛГМ и влагосодержание соответственно.
Скорость ветра в лесу V_е определяется по формуле:
h
1
V = Лямбда ---- V , (А.15)
e _ еm
h
3
где h - высота слоя проводников горения;
1
_
h - высота верхней границы полога леса;
3
Лямбда - 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 h(-)_3 и скорости ветра V_em по измерениям на метеостанции для высоты 10 м надо брать 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.
Таблица А.2
Данные для определения скорости распространения фронта лесного пожара
|
Проводники горения |
омега_n0 м --- мин |
0 < V_e < V_1 |
V_1 < V_e < V_2 |
V_e > V_2 |
|||||||
|
альфа <= пи/2 |
альфа >= пи/2 |
V_1 - V_e альфа <= arccos ---------- v' |
V_2 альфа <= arccos ---- V_е |
||||||||
|
В_1(0) с/м |
В_1(пи) с/м |
V_1 м/с |
В_2 с/м |
В_3 с/м |
В_4 с/м |
V_2 м/с |
а |
b |
|||
|
низовые пожары | |||||||||||
|
Отмершная трава (весна) |
0.7 |
0.52 |
0.25 |
1.6 |
0.63 |
0.25 |
0.25 |
4 |
0.15 |
2.5 |
|
|
Вейник: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
лето |
0.5 |
0.26 |
0.13 |
3.0 |
0.37 |
0.12 |
0.12 |
8.5 |
0.1 5 |
2.5 |
|
|
осень |
0.4 |
0.90 |
0.40 |
1.6 |
1.10 |
0.40 |
0.40 |
||||
|
Лишайник Cladonia |
0.22 |
2.40 |
0.80 |
1.8 |
1.20 |
0.80 |
0.80 |
4 |
0.15 |
2.5 |
|
|
Мхи: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
мох Шребера |
0.24 |
2.00 |
0.75 |
1.5 |
1.55 |
0.75 |
0.75 |
4 |
- |
- |
|
|
сфагнум |
0.24 |
2.00 |
0.75 |
1.5 |
1.55 |
0.75 |
0.75 |
||||
|
Опад листвы: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
береза |
0.18 |
2.30 |
1.00 |
1.7 |
2.00 |
1.00 |
1.00 |
4 |
- |
- |
|
|
осина |
0.24 |
1.80 |
0.75 |
1.7 |
1.45 |
0.75 |
0.75 |
||||
|
Опад хвои |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(сосна обыкновенная) |
0.11 |
3.00 |
1.70 |
1.7 |
3.50 |
1.70 |
1.70 |
4 |
- |
- |
|
|
верховые пожары | |||||||||||
|
Хвоя (листья) и тонкие веточки в кронах деревьев (кустарника) |
1.35 |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
4 |
1.00 |
2.5 |
|
Таблица А.2 (Продолжение)
Данные для определения скорости распространения фронта лесного пожара
|
Проводники горения |
m'_3 <= m_3 < бесконечность |
ро_о кг/м3 |
G |
0 <= W <= W_* |
|||||
|
m_3 кг/м2 |
n |
m'_3, кг/м2 |
W_o |
С |
W_* |
D x 10(3)K(-1) |
|||
|
низовые пожары | |||||||||
|
Отмершая трава (весна) |
0.30 |
0.34 |
0.15 |
1 - 5 |
0.3 |
0.13 |
13 |
0.18 |
0.3 |
|
Вейник: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
лето |
0.30 |
0.20 |
- |
1 - 5 |
0.3 |
0.18 |
- |
- |
- |
|
осень |
0.50 |
- |
0.10 |
1 |
|
0.13 |
12.9 |
0.25 |
6.3 |
|
Лишайник Cladonia |
0.10 |
- |
- |
4 |
|
0.10 |
7.7 |
0.2 |
3.7 |
|
Мхи: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
мох Шребера |
0.25 |
- |
- |
12 |
- |
0.06 |
29 |
0,08 |
14 |
|
сфагнум |
0.20 |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
|
|
Опад листвы: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
береза |
0.30 |
0.32 |
0.20 |
11 |
- |
0.11 |
8.8 |
0.18 |
4.3 |
|
осина |
0.30 |
- |
0.20 |
9 |
- |
0.11 |
10 |
0.17 |
4.8 |
|
Опад хвои (сосна обыкновенная) |
0.30 |
0.30 |
0.10 |
30 |
0.33 |
0.09 |
7.2 |
0.13 |
3.5 |
|
верховые пожары | |||||||||
|
Хвоя (листья) и тонкие веточки в кронах деревьев (кустарника) |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
Примечание. W_* - критическое влагосодержание (при W > W_* горение прекращается); В(*)_3 = В_1 (пи) приблизительно равно В_3, v' - среднее значение пульсаций скорости, равное 1 м/с (по данным киносъемки: Т_0 = 293 - 298 К ).
Мало сказать, что, если известна выгоревшая площадь А, то, используя (А.7), легко определить время горения:
2А
t = кв.корень(------------------------). (A.16)
г пи омега (омега + омега )
С А В
Приложение Б
(обязательное)
Математическая модель и алгоритм расчета текущих выбросов поллютантов в атмосферу при верховых лесных пожарах
Для повальных верховых лесных пожаров справедлива та же общая математическая модель (А.1) - (А1.3) 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 < h = k кв.корень(m омега ), u > 2.0 м/с, (Б.1)
2 n 3 n бесконечность
где h - высота нижней границы полога леса;
2
k = 1.6 эмпирический коэффициент;
u - скорость ветра в кронах деревьев.
бесконечность
Скорость распространения верхового лесного пожара в том случае, если направление распространения совпадает с направлением ветра определяется формулой:
_ _2 _
u [q + кв.корень(q + 8qэпсилон(пи + l)(тэта - 1))
бесконечность 0
омега = -------------------------------------------------------------,
_
2q(пи + 1)
ро фи С (Б.2)
4 i iн рi
пи = Сумма --------------------,
i=1 ро С
5 бесконечность р5
q M альфа
_ -1 3 1 c
q = (ро С Т ) {[---------- + q (l - альфа )v ]ро фи - q ро фи }.
5 бесконечность р5 бесконечность М 5 с т 1 1н 2 2 2н
с
(Б.3)
_
альфа лямбда Т kq
т 0 0
эпсилон = ---------------------------------------------, тэта = --------------- = 1 + ------,
2 о T 1 + пи
Дельта h(ро С u ) бесконечность
5 бесконечность р5 *бесконечность
_
q = q |
0 |фи = 0
| 2н
где альфа - коксовое число;
с
М , М - молекулярная и атомная массы кислорода и углерода;
1 с
q - теплота сгорания газообразных продуктов пиролиза;
5
v - массовая доля газообразных горючих продуктов пиролиза;
т
q - теплота испарения связанной воды;
2
k = 1.6 - эмпирическая постоянная;
q - теплота сгорания коксика;
3
ро , ро , ро и ро - плотности сухого органического вещества, связанной с
1 2 3 5 ним воды, коксика и воздуха;
альфа - коэффициент теплообмена полога леса с приземным слоем
атмосферы;
лямбда - коэффициент турбулентной теплопроводности;
1
Т - максимальная температура во фронте верхового лесного
бесконечность пожара;
индекс бесконечность 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, v_г = 0.7, альфа_с = 0.06, 0% < W < 85% (W - влагосодержание ЛГМ), 0.15 кг/м3 < ро фи < 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 а_в, b_в и координатой х_0.
(в) (н) (в) (н)
(омега + омега )t (н) (омега - омега )t
А В А В
а = --------------------, b = омега t, x = --------------------. (Б.4)
в 2 В С 0 2
Здесь ось х - направлена в сторону ветра, омега(в)_А - скорость верхового лесного пожара, определяемая по формуле (Б.2), омега(н)_С - скорость низового лесного пожара, распространяющегося перпендикулярно скорости ветра и определяемая по формуле (А.12), омега(н)_в - скорость низового лесного пожара, который распространяется против скорости ветра (см. (1.13)).
Для повального верхового пожара при определении М_альфа 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:
(в) (н)
K пи m омега + омега
альфа в 3в А В (н)
М = --------------{1.5[----------------- + омега ] -
альфа в 2N 2 C
*
(Б.5)
(в) (н)
(омега + омега )
А В (н) 2 N
- кв.корень(----------------- омега )}t Сумма омега (альфа ).
2 С j=i n j
В отличие от низового лесного пожара, верховой не распространяется против ветра. Поэтому в формуле (Б.3) суммирование по j ограничиваться# 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 > u = 2 м/с. (Б.6)
альфа альфа*
В двумерном случае это условие принимает вид:
u (альфа ) > u . (Б.7)
n альфа j альфа*
Из условия равенства
u (альфа ) = u (Б.8)
n альфа j альфа*
легко находим предельный угол альфа_j*, при котором еще имеет место распространения верхового лесного пожара. Этому углу и соответствует значение N_*.
Общее количество поллютантов, выделяющихся при распространении повального верхового лесного пожара равно:
M = M + M , (Б.9)
альфа альфа в альфа н
где М - определяется по формуле (А.9), а М - по (Б.5).
альфа н альфа в
Легко видеть, что при повальном лесном пожаре M_ альфа ~ t, как и в случае низового лесного пожара. Площадь повального верхового лесного пожара определяется по формуле:
пи (в) (н) (н) 2
А = ---(омега + омега ) омега t . (Б.10)
в 2 А В С
Если известна площадь верхового лесного пожара S_в, то время горения легко определить по формуле:
2S
в
t = кв.корень(------------------------------). (Б.11)
г (в) (н) (н)
пи(омега + омега )омега
А В С
Приложение В
(обязательное)
Физико-математическая модель и методика расчета текущих выбросов вредных веществ в атмосферу при горении торфяников
К отдельному типу лесных пожаров относятся почвенные и торфяные пожары, которые возникают под влиянием заглубления горения ЛГМ при низовых лесных пожарах. Под влиянием нагрева от фронта низового лесного пожара и притока окислителя из окружающей среды высушивается, гидролизуется, а затем загорается подстилка - слой полуразложившихся листвы, хвои, травы и тонких веточек. Плотность подстилки в абсолютно сухом состоянии изменяется в пределах от 30 до 300 кг/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_1 <= 673 К. Фронт торфяного пожара неоднороден, то есть горение носит очаговый характер. В результате горения образуются продукты полного (СО2, Н2О и пепел), неполного окисления (СО) и пиролиза торфа - метан (СН4), водород (Н2), сажа, дым. Пепел имеет белый цвет, рыхлую структуру и отваливается на вертикальных участках. В процессе горения торфа, первоначально плоская, поверхность фронта горения может принимать форму параболоида вращения. В связи с тем, что горение при торфяных пожарах носит подпочвенный характер, его очень трудно обнаружить. Над поверхностью почвы при пожаре на торфянике стелется синеватый дымок (угарный газ - газообразный продукт неполного горения торфа в толстых слоях имеет синеватый цвет). В отличие от низового лесного пожара, процессы переноса массы, энергии и количества движения имеют существенно меньшую скорость, чем при низовых пожарах. В частности, течение газа на торфяных пожарах принимает характер просачивания газа через поры, называемое фильтрацией, что, в конечном счете, существенно замедляет скорость поступления окислителя к фронту торфяного пожара и предопределяет малую скорость его распространения.
Таким образом, общая схема физико-химических процессов при лесных пожарах, приведенная на рис. 3.3, сохраняет свою силу и для пожаров на торфяниках, но, в отличие от низового и верхового лесных пожаров, роль излучения при передаче тепловой энергии из зоны горения торфяного пожара мало по сравнению с передачей энергии путем теплопроводности и фильтрации продуктов горения. Другим отличием является то, что фронт горения представляет собой поверхность, положение которой в пространстве определяется расположением торфяной залежи и приходом кислорода из приземного слоя атмосферы. Поскольку горение при торфяных пожарах имеет диффузионный характер, то фронт горения можно отождествлять с поверхностью, расположенной внутри торфяной залежи, на которой температура Т = Т_1, где Т_1 - температура горения, а плотность диффузионного потока кислорода q_1 = q_1:, где q_1: - значение q соответствующее Т = Т_1.
Пусть поверхность горения S_г, плотность торфа в торфяной залежи ро_т и скорость нормального распространения горения омега_n по торфянику известны.
Тогда для массовой скорости выброса альфа - поллютанта и тепла в атмосферу имеем уравнение и начальные условия:
dM
альфа
------- = интеграл интеграл (K K pо омега ds), альфа = 1,..., N, M | = 0, (B.1)
dt S альфа т n альфа|t=0
1
dQ
---- = интеграл интеграл (qK K омега ро ds), Q| = 0, (B.2)
dt S альфа n т |t=0
1
где K - удельный выброс альфа - поллютанта в атмосферу;
альфа
К - коэффициент полноты сгорания;
N - общее количество поллютантов, возникающих при торфяном пожаре.
Если считать, что поверхность горения - плоскость, перпендикулярная вектору силы тяжести, а K_ альфа, ро_т и омега_n не зависят от координаты точки внутри торфяной залежи, то уравнения (В.1), (В.2) упрощается и принимает вид:
dM
альфа
------- = K K pо омега S , М | = 0, (В.3)
dt альфа т n т альфа|t=0
1
dQ
---- = qK K омега ро S , Q| = 0, (B.4)
dt альфа n т т |t=0
Значение полноты сгорания К в (В.3) и (В.4) определяется по формуле (А.10), где величина предельного влагосодержания W_* = 30.
Значения удельного выброса (коэффициента генерации) К_ альфа даются в таблице Г.1 приложения Г.
Если считать, что все величины в правых частях (В.3), (В.4) не зависят от времени, то интегрируя (В.3), (В.4) по времени с учетом начального условия, получаем значение выброса для любого альфа-поллютанта и тепла:
М = K K pо омега S t, (В.5)
альфа альфа т n г
Q = qK K омега ро S t, (B.6)
альфа n т г
Выражение для скорости горения омега_n имеет вид:
омега = омега (1 - W/W ). (В.7)
n 0 *
Здесь омега_0 = 0.002 мм/с, W и W_* - влагосодержание и предельное влагосодержание торфа.
Если известна масса торфяной залежи М_0, то, пользуясь определением М_альфа из (В.5), (В.6) получаем:
М = M - ро S омега t, (В.8)
0 т г n
где М - текущая масса торфа в торфяной залежи.
Очевидно, что в момент окончания горения М = 0 и из этого условия находим время горения:
t = M /ро S омега . (B.9)
1 0 т г n
Подставляя (В.9) в (В.8), легко находим итоговый выброс альфа-поллютанта при сгорании всей торфяной залежи:
М (t ) = К К М . (В.10)
альфа 1 альфа 0
Формулы (В.8) и (В.10) однозначно определяют текущий и итоговый выброс альфа-поллютанта.
Приложение Г
(обязательное)
Понятие о максимальной модели леса. База данных для моделей выбросов загрязняющих веществ при лесных пожарах
Очевидно, что величина выбросов поллютантов в атмосферу зависит от типа лесного пожара, запаса и типа лесного горючего материала и его влагосодержания, типа лесных фитоценозов, метеоусловий, рельефа местности и ряда других условий. Для оценки сверху величины выбросов поллютантов в атмосферу при возгорании лесных фитоценозов целесообразно иметь так называемую максимальную модель леса.
Под максимальной моделью леса будем понимать гипотетический лесной массив, в котором запас лесных горючих материалов для каждого из ярусов леса максимален, а их влагосодержание минимально. Очевидно, что при горении такого лесного массива температура горения и интенсивность пожара (количество тепловой энергии, выделившейся на единицу длины кромки пожара) будут максимальны, чем и объясняется название - максимальная модель леса. Как правило, при лесных пожарах сгорают тонкие (до 7 мм в диаметре) веточки, хвоинки (в хвойных лесах) и листья (в лиственных). На основании данных о запасе лесных горючих материалов для различных ярусов леса и теплотворной способности, а также вышеизложенного, в качестве максимальной модели хвойного леса предлагается следующая совокупность ярусов гипотетического леса:
1. Ярус мхов, лишайников с включениями из опавших хвоинок и тонких веточек (нулевой слой). Высота его составляет 15 см, плотность ро = 20 кг/м3, запас ЛГМ m_0 = 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 ро_с = 0.8 кг/м3, запас ЛГМ в первом ярусе m_0 = 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 h_2 = 6 м, толщина Дельта_2 = 5 м, то есть нижняя граница полога подроста (полог подроста - совокупность крон молодых деревьев) находится в первом ярусе леса (первый и второй ярусы частично перекрываются). Плотность слоя ро_с = 0.4 кг/м3, запас ЛГМ m_0 = 2 кг/м2, теплотворная способность q = 21949 кДж/кг, влагосодержание W = 80%.
4. Третий ярус леса - совокупность крон деревьев. Высота верхней границы полога леса h(-)_3 = 22 м, высота нижней - h_3 - 5 м, толщина слоя Дельта = h(-)_3 - h_3 = 17 м, то есть второй и третий ярусы леса частично перекрываются. Плотность слоя ЛГМ в пологе леса ро_с = 0.3 кг/м3, запас ЛГМ m_3 = 5.1 кг/м2, теплотворная способность q = 21944 кДж/кг, содержание воды W = 90%.
Используя лесотаксационные описания лесных массивов, информацию о вертикально-фракционной структуре леса, данные о запасе ЛГМ, можно построить максимальные модели леса для каждого региона страны.
Кроме данных о запасе лесных горючих материалов, для расчета М_ альфа необходимо знать величины К и К_ альфа для каждого типа лесного пожара.
Для определения М_ альфа необходимо знать величины W_* и К. Эти данные приведены в таблице Г.1.
Таким образом, располагая данными о типе лесного фитоценоза, типе лесного пожара, данными о запасе ЛГМ и его влагосодержании, приведенными выше, можно оценить выбросы поллютантов в атмосферу в результате горения ЛГМ при различных лесных пожарах.
Следует отметить, что в областных управлениях лесами и на областных базах авиационной охраны лесов ведутся карточки учета лесных пожаров, образец которой представлен ниже.
Располагая информацией из этой карточки учета, а в ней даны тип пожара и размер выгоревшей площади, можно легко рассчитать итоговые выбросы загрязняющих веществ и дать оценку величины ущерба в результате попадания выбросов поллютантов в атмосферу.
Таблица Г.1.
Значения коэффициентов эмиссии для различных типов лесных пожаров
|
Название поллютанта и его формула |
К_ альфа для различных лесных пожаров |
||
|
низовой |
пожар на торфянике |
повальный верховой |
|
|
Оксид углерода СО |
0.135 |
0.135 |
0.135 |
|
Диоксид углерода СО2 |
0.094 |
0.094 |
0.094 |
|
Оксиды азота NOx |
0.000405 |
0.000405 |
0.000405 |
|
Сажа С |
0.0062 |
0.011 |
0.0014 |
|
Дым (ультрадисперсные частицы SiO2) |
0.0345 |
0.055 |
0.014 |
|
Метан СН4 |
0.075 |
0.075 |
0.075 |
|
Непредельные углеводороды |
0.011 |
0.011 |
0.011 |
авиабаза к приказу по Центральной авиабазе
авиаотделение от " " 199 г. N 59
Карточка
учета лесного пожара N
Принадл. лесн. фонда ____________________ Лесхоз _________________________ Леснич-во ___________________
Квартал (урочище) _______________________ Тип леса _______________________ га Район прим. сил __________
Дата обнаружения ________________________ Площ. обнар. ___________________ Способ обнаруж. _____________
Причина пожара __________________________ Азимут и раст. _________________ Ширина ______________________
и долгота _______________________________ Дата ликвидац. _________________ Площадь ликвидац. ___________
лесная __________________________________ га, нелесная ___________________ га, в т.ч. верх. _________ га
подземный _______________________________ га
|
число, месяц |
Площадь, в га |
Характеристика |
Вид пожара |
Состояние или причина неосмотра |
Работает |
Треб. дополнительно |
Налет |
||||
|
людей |
тех. средств |
||||||||||
|
лесная |
нелесная |
в том числе верховой |
тип группы количество |
тип количество |
тип ВС |
час. мин. |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Вы можете открыть актуальную версию документа прямо сейчас.
Если вы являетесь пользователем интернет-версии системы ГАРАНТ, вы можете открыть этот документ прямо сейчас или запросить по Горячей линии в системе.
Приказ Госкомэкологии РФ от 5 марта 1997 г. N 90 "Об утверждении методик расчета выбросов загрязняющих веществ в атмосферу"
Текст приказа официально опубликован не был