лесные пожары. Исследование основывается на численном решении двумерных уравнений Рейнольдса для того, чтобы описать турбулентное течение учитывая уравнения диффузии для химических компонентов и уравнений сохранения энергии для газовой и конденсированной фаз 4.

• Название: Исследование основывается на численном решении двумерных уравнений Рейнольдса для того, чтобы описать турбулентное течение учитывая уравнения диффузии для химических компонентов и уравнений сохранения энергии для газовой и конденсированной фаз 4.
• Дата: 07.12.2021
• Размер: 1.09 Mb.
• Имя файла: лесные пожары.pdf
• Тип: Исследование; #294661
• страница: 1 из 4

1
Введение
Лес является национальным богатством нашей страны. Площадь, покрытая лесом, составляет 45% от площади страны и 1/5 от запаса древесины всего мира [1]. Лес является хранителем генетического разнообразия биосферы, обогащает кислородом атмосферу, является главным источником формирования климата, сохраняет и повышает плодородие почвы, регулирует и очищает водное пространство, основной элемент из реакционного потенциала, лес – это среда для жизни людей, является сырьевыми базами лесных и лесоперерабатывающих промышленностей. Для этого охрана леса от пожаров является не только проблемой защиты окружающей среды, но и имеет огромное самостоятельное значение.
Ущерб от пожаров является катастрофическим для человечества, биосферы и атмосферы, и эта проблема является актуальной, так как человек постоянно сталкивается с пожарами. Так же страдает экономика от лесных пожаров, ущербы могут доходить до миллиардов рублей в год. Это стихия приводит к гибели людей, уничтожению жилья, и оказывает негативное влияние на здоровье людей.
Целью работы явилось определение безопасных размеров противопожарных разрывов в зависимости от метеорологических условий и параметров лесного массива в различные моменты времени с помощью численного решения, что позволит исследовать процесс возникновения и распространения верхового лесного пожара в зависимости от скорости ветра и параметров лесного массива (создание математической модели возникновения и развития верхового лесного пожара).
Основные задачи работы – разработка физической и математической постановки задачи о возникновении и распространении верховых лесных пожаров, разработка методики численного решения задачи, исследование условия возникновения и распространения верховых лесных пожаров, в том

2 числе с учетом противопожарных разрывов, проанализировать полученные результаты.
Исследование основывается на численном решении двумерных уравнений Рейнольдса для того, чтобы описать турбулентное течение учитывая уравнения диффузии для химических компонентов и уравнений сохранения энергии для газовой и конденсированной фаз [4]. В самом начале при расчете по физическим процессам рассматривалась гидродинамическая картина течения и распределения искомых скалярных функций, а затем решались уравнения химической кинетики для объемных долей фаз и учитывались химические источники для скалярных функций. Чтобы получить дискретные аналоги пользуемся методом контрольных объёмов. Методика решения реализована в виде комплекса программ для персонального компьютера [4].
Используется общая постановка математической модели лесных пожаров, которая представляется с помощью новой математической постановкой задачи возникновения и распространения лесного пожара – это и является научной значимостью работы.
Решение проблем повышения пожароустойчивости лесов и снижения ущерба от пожаров невозможно без создания основ теории управления таким нетрадиционным объектом, как лесной пожар.
Так как экспериментально изучить лесной пожар невозможно, потому что это дорогостояще, и нельзя провести полное физическое моделирование этого явления, то рассматриваются другие возможные пути исследования, а именно теоритические методы исследований. На помощь приходит математическое моделирование, которое описывает положение в котором находится биогеоценоз и приземный слой атмосферы [4].
Проблеме лесных пожаров отведено много статей и литературы.
Исследования лесных пожаров ведутся учёными довольно давно. В настоящее время сформировано самостоятельное научное направление – лесная пирология. Это наука о природе лесных пожаров, их влиянии на лесную среду, наносимом ущербе, разработке мер по их предупреждению и борьбе с лесными пожарами, использовании положительной роли огня в лесном хозяйстве.

3
На самом деле лесные пожары приносят не только вред лесному фитоценозу. В некоторых работах [7] говорится о повышении плодородия почвы после пожара и говорится, что пожар повышает разнообразие видов в экосистемах.
В работе [7] упоминается о том, что несмотря на воздействия огня биогеоценоз приспособился к постоянно действующему фактору и поэтому огонь пожар не является чем-то разрушительным, его считают как некоторое воздействие на среду. Это наука о лесных пожарах и вызываемых ими изменениях в лесу. За последние десятилетия достигнут немалый прогресс в этом вопросе, но горимость лесов в ряде районов страны остается все еще высокой [20]. Для успешного решения проблемы требуется дальнейшее совершенствование методов борьбы с лесными пожарами. Усилиями отечественных и зарубежных учёных, таких как И.С.Мелехов, Н.П.Курбатский,
Г.И.Коровин, В.Г.Нестеров, Г.А.Амосов и другие, накоплен большой фактический материал о природе лесных пожаров [15]. В последние годы появились исследования, посвящённые детальному выяснению физических закономерностей процесса горения.
Значительный вклад в математическое моделирование лесных пожаров произошел с появлением цикла работ в Томском государственном университете, выполненных под научным руководством А.М. Гришина.
Предложенная А.М. Гришиным общая математическая модель лесных пожаров
[2], учитывающая законы сохранения массы, импульса, энергии, а также физико-химические процессы, описывает процессы возникновения и развития горения во всех ярусах леса. Сформулировал новую концепцию борьбы с лесными пожарами путём относительно малых энергетических воздействий на фронт пожара. Изучение условий возникновения верховых лесных пожаров в результате зажигания крон деревьев от низовых лесных пожаров является также актуальным вопросом, и в связи с такой практической значимостью данная тематика активно развивалась. Так математическому моделированию возникновения верховых лесных пожаров посвящены работы Wan Wagner, R.C.
Rothermel и M.E. Alexander [15]. Эти модели строятся на основах пользования

4 физических параметров и экспериментальных данных во время изучения условий возникновений зажиганий на нижних пологах леса от очагов низовых лесных пожаров, и также распространении верховых лесных пожаров [4].
Объект исследования – верховой лесной пожар, физико-химические закономерности процессов горения, системные связи и закономерности возникновения, развития и прекращения пожара; предмет исследования – математическое моделирование верхового лесного пожара.
Практическая значимость результатов ВКР – исследование может стать основой для разработки новых способов борьбы с лесными пожарами, будет способствовать разработке новых методик по профилактике и борьбе с данным явлением.

5
1 Обзор литературы по изучению лесных пожаров
1.1 Основные понятия и определения
Лес - природный комплекс древесных, кустарниковых, травянистых и других растений, а также животных и микроорганизмов, биологически взаимосвязанных в своем развитии и влияющих друг на друга и на внешнюю среду. Лес образует более или менее сомкнутый древостой. Лес занимает примерно треть площади суши, площадь леса на Земле составляет 38 млн км².
Лес — это не только деревья и кустарники так же и трава, мох, грибы, лес – это экосистема или сложное сообщество из элементов, которые тесно связаны между собой, такие элементы как живые организмы и неживые абиотические компоненты – воздух, почва, вода [5].
На территории России произрастает 1/5 часть лесов планеты. Это не только национальное достояние России, но и важнейший фактор обеспечения условий жизни и устойчивого развития современной цивилизации. Леса выполняют средостабилизирующие, средообразующие и ресурсные функции.
Они поглощают углекислый газ и выделяют кислород, регулируют поверхностный и подземный сток, обладают почвозащитными и климаторегулирующими свойствами, обогащают воздух фитонцидами, служат местом обитания многих животных. Как природный ресурс, леса являются источником удовлетворения потребностей общества в древесном сырье и иной продукции (грибах, ягодах, лекарственных растениях и др.).
Лесные пожары изменяют функционирование и состав лесов. Чтобы восстановить небольшую часть леса нежен не один десяток лет и не одно поколение лесничих. Урон от пожара увеличивается, если рядом с летом находится какой-либо промышленный объект. Но самой большой опасностью является тот случай, когда пожар подходит к населённым пунктам, он может стать причиной гибели людей. Причины пожара разные, например, природные стихии: грозовые разряды и молнии, большинство лесных пожаров на нашей планете возникает всё же в результате человеческой деятельности. Иногда их

6 вызывают преднамеренно – и тогда они редко выходят из-под контроля
(например, для борьбы с вредными насекомыми или болезнями деревьев).
Также нередки лесные пожары из-за халатности (случайно брошенный окурок или не до конца дотушенный костёр), но самые масштабные пожары возникают из-за умышленных поджогов леса для дальнейшей вырубки (характерная ситуация для приграничных с Китаем регионов России).
Лесной пожар - это стихийное, неуправляемое распространение огня по лесной территории. Объектами горения при растительных пожарах обычно бывают растительный покров и верхний горизонт почвы (подстилка). При экстремальных условиях объектом горения становится иногда весь почвенный слой до минерального грунта включительно. В зависимости от того, где распространяется огонь, пожары делятся на низовые, верховые и подземные.
В отличие от классификации [2] верховые лесные пожары отнесены к разряду сложных лесных пожаров, и в этот разряд включены так называемые пятнистые пожары. Пятнистыми называются высокоинтенсивные лесные пожары, над которыми возникают мощные конвекционные потоки нагретого воздуха и продуктов сгорания. Эти потоки поднимают вверх и рассеивают перед кромкой пожара горящие частицы, вызывающие дополнительные загорания напочвенного покрова. Чтобы успешно бороться с крупными высокоинтенсивными пожарами, надо знать: как формируются конвекционные потоки над пожаром; как они влияют на его распространение, на возможность преодоления пожаром препятствий; каковы условия работы летательных аппаратов в зоне пожара
Первый признак, по которому в предложенной классификации делятся лесные пожары, - их ландшафтная однородность. Если пожар распространяется по территории, относящейся к одному типу ландшафта, то он называется ландшафтно-однородным. В противном случае принято говорить о втором, или смешанном, типе лесного пожара [2].
Как правило, площадь горения и мощность смешанных лесных пожаров больше, чем однородных. Ландшафтно-однородные пожары делятся на четыре типа в соответствии с типом повреждённого пожаром биогеоценоза. В свою

7 очередь лесные пожары можно подразделить на простые и сложные. Под простым понимается лесной пожар, тип которого не меняется во все время процесса горения ЛГМ. В том случае, если тип пожара меняется в процессе его развития, пожар считается сложным. По степени вовлечения фитомассы лесного биогеоценоза пожары подразделяются на низовые, верховые и почвенные.
При почвенных лесных пожарах сгорают ЛГМ в первом слое нижнего яруса леса, т.е. подстилка(подстилочные пожары) или торф (торфяные пожары).
Если при низовых лесных пожарах сгорают второй, третий и четвёртый слои нижнего яруса, то это так называемые напочвенные пожары; если слой кустарников и подлесок – подлесно-кустарниковые; если валежник – валежные.
Верховой (беглый и устойчивый) - лесной пожар, распространяющийся по пологу леса (кронам деревьев). Древостой, как правило, гибнет полностью или большей частью, в зависимости от интенсивности пожара и типа леса. При беглом верховом пожаре огонь быстро распространяется по кронам деревьев в направлении ветра, а при устойчивом (повальном) – огонь распространяется по всему древостою: от подстилки до крон.
Выделяют три вида верховых пожаров [1] – повальные (когда напочвенный покров и полог древостоя сгорают одновременно), вершинные
(когда огонь распространяется по кронам, опережая его движение по напочвенному покрову) и пятнистые (когда создаются условия для массового разброса горящих частиц - веточек, кусочков коры и т.д. перед фронтом пожара). В последнем случае очаги низового пожара возникают впереди верхового, создавая предпосылки для его ускорения.
Горючие материалы при верховых пожарах, как и при низовых, подразделяются на проводники горения (тонкие части деревьев – хвоя, листья, веточки), на компоненты, поддерживающие горение (напочвенный покров, ветки и сучья толще 7 мм в диаметре, подлесок и подрост) и задерживающие горение, например кроны деревьев пожароустойчивых пород [1].
Рельефно – ландшафтные, растительные, погодные и другие факторы оказывают разное влияние на возникновение, распространение и развитие

8 лесного пожара. Для того, что обеспечить эффективную организацию тушения пожара следует учитывать все эти факторы. Необходимо знать факторы, которые влияют на поведение пожара, факторы, которые обуславливают процесс горения, интенсивность, быстроту распространения фронта. К ним относятся ветер, влажность, температура, горючие материалы и рельеф. В эксперименте [2] описано, что тепло в зоне пожара идет на нагревание, просушивание и процесс пиролиза. Дальше все продукты пиролиза сгорают и при этом выделяют энергию, затем процесс повторяется. Перенос энергии из зоны лесного пожара осуществляется путем кондукции, конвекции, излучения и переносом частиц из фронта пожара.
Пиролизом ЛГМ в работе [2] принимают расщепление при высокой температуре на простые органические продукты более сложных органических соединений. В итоге получаются конденсированные простые продукты, а именно: коксик, состоящий из чистого углерода, газообразные негорючие и горючие продукты
, и
Горение растительного покрова отличается большим разнообразием не только условий горения, но и физико-химических явлений при этом. К основным из них можно отнести такие процессы, как возникновение очага горения, распространение фронта горения по покрову растительности, сгорание охваченного пламенем горючего материала и потухание фронта горения.
Каждый их них – сложное многостадийное явление, причём стадии протекают неодинаково для каждой из разновидностей растительного пожара, т.е. зависят от объекта и условий горения [2].
Горение поддерживается за счет высокой температуры, постоянного поступления кислорода и наличием достаточного количества горючих материалов. В лесу имеются в изобилии горючие материалы и кислород воздуха. Источником пожара может стать костер, который остался без присмотра, окурок или спичка, искра из выхлопной трубы разных механизмов, выжигание остатков прошлогодней растительности и горючего мусора, а так же другие источник огня, которые могут появиться в процессе жизнедеятельности

9 человека. Если пожар всё-таки начался, то он является источником тепла и поддерживает горение самостоятельно [5].
Процесс горения начинается не сразу, а последовательно проходит следующие фазы:
1.
Предварительный инертный нагрев и подсушивание с выделением водяных паров (120°С); высыхание, выделение летучих горючих продуктов пиролиза, газофазное горение с выделением водяных паров, горючих веществ
(кислот, смол) - 260°С.
2.
Воспламенение газов (315-425°С). Пламенное горение с выделением дыма, углекислого газа, водяных паров и несгоревших газов (650-1095°С).
3.
Обугливание и горение углей до полного сгорания горючих веществ.
В процессе горения выделяется большое количество тепла, которое передается окружающей среде путем конвекции, излучения, проводимости.
1.
Конвекция - это распространение высоких температур путем подъема массы горячего воздуха над местом горения в виде конвекционной колонки.
2.
Излучение - распространение высоких температур в виде лучевой энергии по радиусу во всех направлениях от источника горения.
3.
Теплопроводность - распространение высоких температур по горючим материалам от очага горения.
Горение лесных горючих материалов различают по типам — пламенное горение и беспламенное . Каждый тип горения может переходить из одного в другой и имеет обе стадии — пламенную и беспламенную (горение углей). В зависимости от типа горения одна из них является преобладающей.
Выделение большого количества тепла и его распространение создают условия для возникновения новых очагов лесных пожаров. Излучение тепловой энергии вызывает нагревание окружающего древостоя, что способствует усилению горения. Способность лесных материалов к тепловой проводимости обеспечивает распространение горения по валежникам, корням и другим частям древесных растений и образование подземных (торфяных) и гумусных лесных пожаров. Следует заметить, что если материал сухой, то на испарение влаги и, следовательно, на подготовку его к воспламенению требуется меньше

10 тепла, чем при влажном материале. Поэтому сухие древесные материалы легче загораются и горение быстрее распространяется по их поверхности. Чем больше влажность, тем медленнее распространяется горение. При опреде- ленной ее величине тепла, попадающего на соседние с горящими участки, окажется недостаточно для их подсушки и подогрева до нужной температуры.
Тогда горение распространяться не будет.
Количество верховых пожаров и пройденная ими площадь сильно варьируют в зависимости от синоптической ситуации года. В среднем по количеству случаев верховые пожары составляют около 1,5-2 %, а пройденная ими площадь – около 10-12 % от площади всех лесных пожаров. Различают две формы верховых пожаров – устойчивый, или повальный, и беглый. При устойчивом пожаре горение происходит по всем яру- сам растительности одновременно. Сгорает подстилка, живой напочвенный покров, валежник, сухостой, подрост, подлесок, кроны деревьев и обгорают стволы. После такого пожара насаждение гибнет полностью, остаются только обгоревшие или обугленные стволы деревьев. Скорость продвижения устойчивого верхового пожара составляет в среднем 300-600 м/ч, достигая в отдельных случаях 4-5 км/ч.
Верховые пожары, поглощая значительное количество биомассы, образуют длинные шлейфы дыма темного цвета. Во время скачка огня по кронам образуется дымовой столб более темного цвета, чем дымовой шлейф.
При проведении космовизуальных наблюдений признаком верхового пожара может служить огонь, наблюдающийся во время скачка по кронам, и дымовой импульс в головной части дымового шлейфа.
Распределение числа лесных пожаров по месяцам за многолетний период позволяет определить типы пожарной опасности и спланировать работу служб тушения лесных пожаров. В умеренных широтах можно вы- делить ранневесенние, летние и осенние пожары. В зимний период в исключительно редких случаях могут иметь место торфяные пожары. Степень влияния на рост древостоев ранневесенних, летних и осенних пожаров весьма различна. Так, если ранневесенние пожары создают опасность заражения поврежденных огнем

11 древостоев вторичными вредителями уже в тот же вегетационный период, то летние и осенние отодвигают эту опасность на следующий год.
Классификации, посвященные распределению лесных пожаров по причинам возникновения, в большинстве своем весьма обширны. Примером может служить классификация, предложенная [23]:
1. Причины установлены.
1.1. От естественных источников огня:
1.1.1. от молний;
1.1.2. от самовозгорания обнажений каменного угля или торфа;
1.1.3. от зимующих (подземных) пожаров;
1.1.4. прочие причины (например, от метеоритов и вулканов).
1.2. В результате пребывания человека в лесу.
1.2.1. Нарушение правил пожарной безопасности организациями:
1.2.1.1. нарушение действующих инструкций по технологии работ;
1.2.1.2. неисправность механизмов;
1.2.1.3. необеспеченность механизмов, в том числе транспортных средств, искрогасителями;
1.2.1.4. деятельность экспедиций;
1.2.1.5. прочие причины.
1.2.2. Нарушение правил пожарной безопасности отдельными гражданами:
1.2.2.1. отдыхающими, сборщиками грибов, ягод, цветов, лесных орехов;
1.2.2.2. сборщиками кедровых орехов;
1.2.2.3. рыболовами и охотниками;
1.2.2.4. туристами на трассах маршрутов;
1.2.2.5. работниками предприятий, работающих в лесах;
1.2.2.6. местным населением при пользовании лесом (пастьба скота, сенокошение и др.).
1.2.3. Умышленный поджог.
1.2.4. Прочие установленные причины.
2. Причины не установлены.

12
Официальная статистика в нашей стране использует следующие категории причин лесных пожаров: лесозаготовки, экспедиции, сельхозпалы, по вине других организаций, по вине населения, невыясненные.
Огромное влияние на распространения пожара оказывают погодные условия. Например, дождь и высокая влажность ограничат и прекратят распространение пожара, а сильный ветер наоборот разгоняет горение, если говорить о тихой погоде и о понижении температуры воздуха в ночное время, то это стабилизирует горение. Самой благоприятной для распространения фронта пожара является сухая, солнечная погода.
Если рассматривать рельеф местности, то он тоже оказывает определённое воздействие. Крутизна склонов напрямую влияет на развитие пожара, чем выше склон, тем больше скорость распространения. Когда огонь распространяется по склону вверх, но он находится очень близко к нижним частям крон деревьев. Это способствует к их подогреву, подсушиванию и быстрому воспламенению. Это зависит от того, что тёплый воздух поднимается дальше по склону и вызывает «тягу».
Скорость восходящих над пожарами потоков может достигать 35 м/с.
Известны случаи [6], когда самолеты, летящие на высоте 1800 м, опрокидывались. В условиях Красноярского края отмечались колонки, достигающие высоты более 5 км, которые заканчивались мощным кучевым облаком. При этом диаметр колонки составлял 800 и более метров [23]. Такие потоки изменяют метеорологическую обстановку в пограничном слое атмосферы до высоты 1,5 км и оказывают существенное влияние на безопасность полетов при тушении пожаров с воздуха.
Профилактика лесного пожара может состоять из определённых мер, которые минимизируют вероятность возникновений пожаров и уменьшают территорию огневых вспышек. Для этого должна проводиться обязательная санитарная вырубка леса. Она проводится по мере старения деревьев и поражения их короедами,
очистка лесных территорий, особенно тех, которые расположены поблизости с населенными пунктами, от всевозможного мусора, сюда же входят и упавшие деревья. Создаются минерализованные полосы,

13 расстояние между которыми должно достигать шестидесяти метров. Слой надпочвенного покрова между полосами выжигается. Здесь нужно осуществлять чередование между лиственными деревьями и хвойными деревьями. Если благоустроить места для отдыха людей, то тоже вероятность возникновения пожара снижается во много раз.
Профилактика лесных пожаров заключается и в организации наблюдения и быстрого тушения загорания в зоне активной охраны, которая охватывает 2/3 общей площади лесного фонда Российской Федерации.
В Европейской части страны осуществляется активная охрана лесов, сюда же можно добавить Сибирь и Дальний Восток. Помогает бороться с огнем на этих территориях авиация. Авиация широко используется при обнаружении и ликвидации пожара. С давних времён в нашей стране существует система регистрации пожара с помощью пожарных вышек, к которых можно было увидеть начинающийся пожар, таким образом осуществлялся мониторинг территорий. В последние годы активно входит в пользование космического мониторинга для регистрации пожара на территориях Сибири и Дальнего
Востока, где население незначительно. Особую значимую роль так же занимают профилактические и воспитательные работы с населением, которые могут ограничивать те или иные действия.
Безусловно, задача сохранения лесных покровов Земли, как регуляторов необходимых для жизни балансных соотношений газов и влаги в атмосфере, является сегодня как никогда актуальной.