СИСТЕМА МОНИТОРИНГА ТЕМПЕРАТУРНОГО СОСТОЯНИЯ ТОРФЯНИКА

Полезная модель относится к области противопожарной техники, более конкретно, к средствам для предупреждения пожаров на местности и может найти применение при создании локальных и региональных систем мониторинга температурного состояния торфяников, объединенных в единую сеть предупреждения возгораний на пожароопасных территориях.
Известна система пожарной сигнализации для закрытых помещений, включающая средства для обнаружения места возгорания, формирования электрического сигнала о пожаре и линию связи с приемным пунктом для использования средств предупреждения, локализации или тушения пожара (см. БСЭ, М., «Советская энциклопедия», изд. 3-е, т.20, с.150)
В известной системе внутри помещений в определенных местах установлены пожарные извещатели, снабженные датчиками, реагирующими на факторы, сопутствующие пожару: повышение температуры или наличие дыма. Формируемый в извещателе электрический сигнал усиливается и по проводной линии связи передается на пункт приема и охраны объекта для трансляции сигналов тревоги и включения средств предупреждения пожара.
Основным недостатком известной системы является невозможность ее использования для обнаружения и мониторинга возможных очагов возгорания вне помещений на открытой местности по причине интенсивной конвекции воздуха, препятствующей росту температуры и концентрации дыма в области чувствительных элементов извещателей, что резко снижает вероятность обнаружения возгорания.
Известна также система мониторинга температурного режима территории лесов или торфяников с борта самолета или спутника, включающая средства фиксации и анализа интенсивности инфракрасного излучения возможных очагов возгорания на обследуемой территории для передачи сигналов тревоги на пункты предупреждения или тушения пожаров (см. Щетинский Е.А. Авиационная охрана лесов. М., ВНИИЛМ, 2001 г, с.18).
Основным недостатком такой системы является периодичность обследования проблемных территорий на предмет возгораний и пожаров, а также сложность или невозможность обнаружения объектов с скрытыми или глубинными очагами возгорания.
Наиболее близким техническим решением к предложенному является система для определения температурного состояния торфяника, содержащая размещенные в его толще датчики температуры, соединенные через усилители сигналов с регистрирующим блоком (см. Киселев Я.С. Физические модели горения в системе предупреждения пожаров. Монография. СПб университет МВД России, 2000 г., с.213 - прототип).
Известная система позволяет экспериментально определить момент самовозгорания твердых дисперсных материалов органического и неорганического происхождения, вызываемого окислением кислородом атмосферного воздуха. Однако использование устройств такого рода в зоне возможных очагов возгорания на торфяниках не обеспечивает возможности предупредительного прогнозирования их возгорания, в том числе, по причине недостаточности информации о температурном и влажностном состоянии массива торфяника и отсутствия средств обработки и трансляции сигналов о возможном самовозгорании для использования средств предупреждения пожара.
Решаемой задачей полезной модели является создание сравнительно простой и эффективной локальной системы мониторинга температурного состояния проблемных торфяников для своевременного прогнозирования и предупреждения их самовозгорания. Следующим этапом решения указанной задачи является создание региональных систем мониторинга состояния торфяников, объединенных в единую сеть в рамках одного из элементов разрабатываемого экологического мониторинга окружающей среды (см., например, Шмаль А.Г. Методология создания национальной системы экологической безопасности. Рациональное природопользование: ресурсо- и энергосберегающие технологии и их метрологическое обеспечение / Материалы международной научно-практической конференции 22-24 июня 2004 г., Петрозаводск. - М.: ФГУП «ВИМИ», 2004, - с.185).
Решение указанной задачи достигается тем, что в системе мониторинга температурного состояния торфяника, содержащей размещенные в его толще датчики температуры, соединенные через усилители сигналов с блоком регистрации, согласно полезной модели, система содержит передающее устройство для связи с пунктом наблюдения, анализаторы сигналов от датчиков температуры и заглубляемые в торфяник измерительные штанги, распределенные на проблемной площади торфяника и снабженные датчиками температуры, закрепленными по высоте каждой из измерительных штанг для определения температуры в поверхностном и глубинных слоях торфяника, причем усилитель и анализатор сигналов установлены на выступающей части каждой штанги над поверхностью торфяника, соответствующие выходы датчиков температуры соединены
через усилитель с входами анализатора сигналов, а его выход связан через многоканальный блок регистрации с входом передающего устройства.
Кроме того, выходы анализаторов сигналов могут быть связаны с входами многоканального блока регистрации с помощью каналов проводной, радиоволновой, или инфракрасной связи, а выход передающего устройства может быть связан с пунктом наблюдения с помощью каналов радиоволновой или спутниковой связи.
Кроме того, датчики могут быть размещены на измерительной штанге с возможностью погружения на заданную глубину и регулирования расстояния между ними.
Кроме того, усилители и анализаторы сигналов могут быть снабжены средствами для предотвращения их обнаружения, а многоканальный блок регистрации и передающее устройство могут быть размещены в недоступной для посторонних зоне.
Такое выполнение системы мониторинга температурного состояния торфяников позволяет решить указанную задачу своевременного прогнозирования и предупреждения их самовозгорания благодаря указанному выполнению передающего устройства для связи с пунктом наблюдения и многоканального блока регистрации сигналов от заглубленных в торфяник измерительных штанг, снабженных датчиками температуры для определения температуры в поверхностном и глубинных слоях торфяника путем их сравнения после усиления в анализаторах сигналов с целью передачи на блок регистрации в качестве сигналов предупреждения.
На фиг.1 представлена блок-схема предложенной системы с датчиками температуры на поверхности и в толще торфяника.
Система мониторинга температурного состояния торфяников содержит термоэлектрические датчики температуры 1, 2, первый из которых находится практически на поверхности почвенного слоя торфяника, а второй заглублен в его толщу на глубину А. Датчики температуры 1, 2 закреплены на различном расстоянии на поверхности тонкой и прочной измерительной штанги 3, которая выполнена телескопической для регулирования указанного расстояния между датчиками 1, 2. Двухканальный усилитель 4 и анализатор сигналов 5 установлены на выступающей части штанги 3 над поверхностью торфяника и снабжены автономным источником питания (не показан). Выходы датчиков температуры 1, 2 соединены через двухканальный усилитель 4 с соответствующими входами анализатора сигналов 5, а его выход связан через многоканальный блок регистрации 6 с входом передающего устройства 7.
Измерительные штанги 3 с датчиками температуры 1, 2, усилителями 4 и анализаторами сигналов 5 распределены с предварительно определенным заглублением на проблемной площади торфяника на расстоянии друг от друга в пределах от единиц до десятков метров. Выходы анализаторов сигналов 5 могут быть связаны с входами многоканального блока регистрации 6 с помощью кабелей. В ряде случаев для этого возможно использование радиоволновой или инфракрасной связи. Для каждого типа связи при этом потребуется соответствующее аппаратурное оформление. Передающее устройство 7 наиболее просто связать с пунктом наблюдения, который может быть расположен в черте города, с помощью радиоволнового канала связи.
Измерительные штанги 3, блоки усилителей и анализаторов сигналов 4, 5 могут быть снабжены средствами для предотвращения их обнаружения и порчи, например, маскировочными покрытиями или защитными кожухами, а многоканальный блок регистрации 6 и передающее устройство 7 могут быть размещены в недоступной для посторонних зоне, например, на опорах ЛЭП. Количество измерительных штанг 3 с датчиками температуры 1, 2, усилителями 4 и анализаторами 5 для различных условий мониторинга может колебаться от единиц до многих десятков, в зависимости от площади обслуживаемого торфяника. При этом количество многоканальных блоков регистрации 6 и передающих устройств 7 может находиться в пределах от одного до нескольких единиц, в зависимости от топографии местности и мощности торфяников.
На фиг.1 датчик температуры 2 заглублен на глубину А. Поз.8 обозначена поверхность торфяника с глубиной В подсушенного слоя. Поз.9 обозначена граница капиллярной подпитки слоя В, а поз.10 обозначена граница грунтовых вод на глубине С. Глубина А, характерная для предложенной системы заглубления датчика 2 может находиться в пределах от 0,1 до 1,2 м, при этом глубина слоя капиллярной подпитки В может находиться в диапазоне от 1 до 1,6 м. Датчик температуры 1 может располагаться либо на поверхности торфяника, либо на небольшом заглублении около 1 см, при этом штанга 1 может иметь опорное кольцо 11 для ограничения заглубления штанги 1 и защиты датчика температуры 1 от прямого контакта с воздухом.
Указанные значения величин А, В, С для измерений температурного состояния торфяника являются ориентировочными и определяются в каждом конкретном случае экспериментальным путем с учетом типа и свойств торфяника, поскольку зависят от многих внешних факторов: температуры и влажности почвы и воздуха, от атмосферного давления, сезонных изменений, свойств почвенных растворов и др.
Система мониторинга температурного состояния торфяников функционирует следующим образом.
На площади проблемного торфяника с помощью тонких и прочных телескопических штанг 3 заглубляют датчики 2 на заранее рассчитанную для данного торфяника глубину А, составляющую примерно 0,5 В. Датчик 1, под опорным кольцом 11 при этом фиксирует изменение температуры поверхности 8 торфяника, а датчик 2 фиксирует колебания температуры в центре подсушенного слоя В, лишенного капиллярного подпитывания на границе 9 со стороны грунтовых вод, от границы 10.
Полезные сигналы от датчиков 1, 2 поступают на вход двухканального усилителя 4 и на соответствующие входы анализатора сигналов 5. Функция анализатора сигналов 5 заключается в сравнении полученных величин сигналов от датчиков 1, 2. При равенстве показаний температуры от них схема совпадении анализатора 5 на выходе выдает сигнал предупреждения на многоканальный блок регистрации 6 и передающее устройство 7 для передачи сигнала предупреждения на пункт наблюдения. Равенство температур на поверхности и в центре торфяного слоя обеспечивают условия для дальнейшего саморазогрева торфа и через определенный интервал времени его самовозгорания. Данные о состоянии массива торфяника по сигналам предупреждения, выработанным предложенной системой мониторинга, передаются в пункт наблюдения и обрабатываются с учетом дополнительных климатических факторов внешней среды, определяющих критические параметры состояния торфяника по самовозгоранию.
При поступлении сигналов от упомянутой пары датчиков 1, 2 через усилитель 4 на анализатор сигналов 5 и затем на многоканальный блок регистрации 6 передающие устройство 7 отправляет в пункт наблюдения указанную информацию о предупреждении возможного самовозгорания торфяника. Выходные сигналы от множества датчиков одновременно поступают на входы многоканального блока регистрации 6 для кодированной передачи интегрированной информации через передающее устройство 7 в пункт наблюдения.
Проведенные экспериментальные и теоретические исследования процессов, происходящих в проблемных торфяниках, проведенные в РГАУ-МСХА имени К.А.Тимирязева, позволили учесть ряд важных факторов при разработке предложенной системы. При определении условий самовозгорания торфа на образцах, имитирующих природные слои торфяников, выявлено, что период между моментом выравнивания температуры на поверхности и в толще образцов и моментом их самовозгорания находится в диапазоне от долей часа до десятков часов.
При прогнозировании возможного самовозгорания торфяников необходимо также иметь в виду, что главными из условий самовозгорания являются такие факторы, как температура окружающего воздуха в летние месяцы, наличие осадков, их длительность или отсутствие, а также степень поглощения солнечной радиации, зависящая от типа и массы растительности на проблемных участках торфяников. Самовозгорание твердых дисперсных материалов органического происхождения вызывается окислением этих материалов кислородом атмосферного воздуха, но окислительные процессы экзотермичны и сопровождаются повышением температуры в отдельных зонах в толще торфяника. При этом органические составляющие торфа обладают сравнительно малой теплопроводностью в подсушенном состоянии, поэтому степень его увлажнения или, напротив, аэрации оказывают определяющую роль при самовозгорании реагирующей массы.
Известно, что в период жаркого засушливого лета при температуре воздуха около 30°С и более при низком уровне грунтовых вод возможно самовозгорание торфяников при достижении в отдельных областях слоя торфа температуры 50°С и более. Предложенная система мониторинга температурного состояния торфяников призвана обеспечить своевременное прогнозирование и предупреждение их самовозгорания путем определения момента выравнивания температуры в поверхностном и глубинных слоях торфяника при их сравнения после усиления в анализаторах сигналов.
Понижение уровня грунтовых вод снижает порозность и водопроницаемость торфяников, усиливает аэрацию почвы. Миграция влаги в почвенном профиле продолжается в течение года, а вместе с ней и передвижение тепла по профилю почвы, при этом водный режим торфяных почв тесно связан с воздушным режимом. Изменение пределов влажности в почве, а так же уровня грунтовых вод приводит к изменению объема свободных пор заполненных воздухом, изменению воздухопроницаемости почвы и состава почвенного воздуха, вследствие диффузионного газообмена между почвой и атмосферой. Воздух может поступать в почву за счет выпадения осадков, в которых содержится растворенный воздух, но выпадение осадков так же повышает влажность почвы, что снижает риск возникновения торфяного пожара.
Таким образом, вероятность возникновения торфяного пожара увеличивается с уменьшением влажности в торфяной почве. В процессе формирования влажности верхнего слоя торфа, в котором возникает возгорание, одну из ключевых ролей играет водный баланс зоны аэрации, а в частности водообмен между грунтовыми водами и данной зоны. При подсушивании почвы влага от поверхности грунтовых вод движется вверх, а при выпадении осадков наблюдается процесс инфильтрации, движение почвенной влаги вниз к поверхности грунтовых вод.
Опускание поверхности грунтовых вод ниже 1,5 метров приводит к полному прекращению капиллярного подпитывания верхнего слоя торфяной почвы и наблюдается быстрое иссушение верхнего слоя за счет потока влаги из зоны аэрации в грунтовые воды и суммарного испарения. Выпавшие осадки при глубине грунтовых вод более 1,5 метров практически полностью расходуются на инфильтрацию и испарение, и не задерживаются в слое торфа. Кроме того, понижение уровня грунтовых вод ведет к повышению температуры торфяной почвы и насыщению ее кислородом. Для снижения риска возникновения торфяных пожаров необходимо поддерживать уровень грунтовых вод таким образом, чтобы осуществлялось капиллярное подпитывание верхнего слоя торфяной почвы для снижения его температуры и увеличения влажности.
Возможность раннего предупреждения опасных пожаров на торфяниках заключается в одновременном учете указанных факторов. Использование предложенной системы с помощью сравнительно простых средств позволяет осуществлять эффективный мониторинг критических параметров состояния торфяников и прогнозировать их самовозгорание. Предотвращение опасного развития событий осуществляется путем проведения профилактических мероприятий, заключающихся в локализации пожароопасной территории с помощью противопожарных барьеров или увлажнения слоя торфа.