КОМПЛЕКСНАЯ СИСТЕМА МОНИТОРИНГА И ЗАЩИТЫ ТОРФЯНИКОВ ОТ ВОЗГОРАНИЯ

Полезная модель относится к области противопожарной техники, более конкретно, к системам мониторинга и защиты торфяников от возгорания в засушливые периоды и может найти применение при создании локальных и региональных систем для предупреждения возгораний на пожароопасных территориях.
Сезонные пожары на торфяниках возникают в результате неосторожного обращения с огнем или самовозгорания в засушливые летние периоды. Торфяные пожары наносят большой ущерб не только экономике РФ, но ее экологии. Скорость распространения торфяного пожара может достигать десятков метров в сутки, а площадь возгорания - многих гектаров (см. Борисов А.А. и др. Экспериментальные исследования и математическое моделирование торфяных пожаров // Теплофизика лесных пожаров. Новосибирск: ИФТ СО АН СССР 1984, с.5).
Предупредительные и подготовительные меры борьбы с торфяными и лесными пожарами, по преимуществу, включают сторожевую охрану, авиационный мониторинг, использование установок для дистанционного улавливания инфракрасного излучения и других систем для определения температуры торфяников.
Известна 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..
Более эффективной является известная система мониторинга температурного состояния торфяника, содержащая размещенные в его толще датчики температуры, соединенные через усилители сигналов с блоком регистрации. Особенностью такой системы является то, что она позволяет оценить степень пожарной опасности территории до возникновения очагов возгорания и провести соответствующие профилактические мероприятия. Для этого известная 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 (см. патент РФ №67872, опубл. 10.11.2007, бюл. №31)..
Существенным недостатком известной системы мониторинга, используемой в составе комплекса предупредительных мер по борьбе с торфяными пожарами, является отсутствие объективных данных о распределении влажности по сечению слоев торфа и уровня грунтовых вод в зоне торфяников.
При тушении возникающих лесных и торфяных пожаров применяют различные наземные средства и противопожарное оборудование. В борьбе с низовым подземным пожаром область возгорания на пожароопасной территории локализуют с помощью противопожарных барьеров, в частности, окапывают канавами шириной порядка 1 м и глубиной до минерального грунта или насыщенного водой слоя торфа. Для тушения пожаров обычно используют противопожарную технику для интенсивного пролива зоны возгорания большим количеством воды (см. Современные вопросы охраны лесов от пожаров и борьбы с ними, под ред. И.С.Мелехова, М., 1965; статья «Лесные пожары», БСЭ, М., «Советская энциклопедия», изд.3-е, 1970).
Для предотвращения опасного развития событий при защите торфяников от возгорания в засушливые периоды также осуществляют профилактические мероприятия, заключающиеся в увлажнения слоя торфа методами гидротехнической мелиорации. Однако создание полномасштабного комплекса инженерных сооружений (прудов, колодцев, оросительных каналов, водопроводов), обеспечивающих подачу и распределение воды по многочисленным торфяникам, связано со значительными экономическими затратами и организационными трудностями.
Для изменения неблагоприятного теплового режима поверхностных слоев на проблемных торфяниках целесообразно воспользоваться сравнительно простыми локальными системами нормированного поступления воды для увлажнения почвы.
Наиболее близким техническим решением к предложенному является система защиты торфяников от возгорания, включающая средства для мониторинга их температурного состояния и нормированного увлажнения торфяников из накопительных емкостей с водораспределительными каналами (см. патент РФ №88970, опубл. 27.11.2009, бюл. №33 - прототип).
Особенностью известной системы является то, что она содержит размещенные на площади торфяника водораспределительные каналы, заполненные волокнистым или пористым синтетическим материалом, один конец которых погружен, по крайней мере, в одну накопительную емкость для заполнения ее грунтовой водой, а водораспределительные каналы и верхняя часть накопительной емкости размещены на глубине 0,2-0,6 м от поверхности торфяника в зоне капиллярной подпитки торфяника во влажные периоды, причем система включает средства мониторинга температурного состояния торфяника в виде расположенных по его площади температурных датчиков, соединенных через блок регистрации с передающим устройством для связи с пунктом наблюдения.
К недостаткам известной системы следует отнести отсутствие или неполноту объективных данных об уровне грунтовых вод и влажности контролируемых торфяников, а также снижение эффективности их нормированного увлажнения из накопительных емкостей, сезонное наполнение которых, по каким-либо причинам, оказалось сравнительно малым.
Решаемой задачей полезной модели является создание сравнительно простой автоматически действующей комплексной системы мониторинга и защиты проблемных торфяников от возгорания путем дополнительного нормированного увлажнения в засушливые периоды и использования более полных данных объективного контроля распределения уровня грунтовых вод и температурного состояния торфяников на обследуемой территории для передачи сигналов тревоги на пункты предупреждения или тушения пожаров.
Технический результат, объективно проявляющийся при реализации предложенной полезной модели, заключается, в том числе, в увеличении влажности проблемных зон торфяников и поддержания их в пожаробезопасном состоянии в течение сравнительно длительного времени, например, в период засухи. При этом, благодаря наличию в системе средств оперативного оповещения, обеспечивается существенное снижение затрат на предупредительные и подготовительные меры борьбы с пожарами, снижение возможного ущерба сельскому хозяйству и экологии близлежащих населенных районов.
Указанная задача и технический результат достигаются тем, что в комплексной системе мониторинга и защиты торфяников от возгорания, включающей средства для определения их температурного состояния и нормированного увлажнения торфяников из накопительных емкостей с водораспределительными каналами, согласно полезной модели, система содержит сеть измерительных скважин, снабженных датчиками уровня грунтовых вод и размещенных в зоне торфяника на расстоянии друг от друга 200-500 м, а также сеть заглубленных в торфяник измерительных штанг, снабженных датчиками температуры и размещенных, преимущественно, на возвышенных точках рельефа в проблемной зоне торфяника между измерительными скважинами на расстоянии друг от друга 100-250 м, причем выходы каждого из датчиков уровня грунтовых вод и температуры соединены через анализатор выходных сигналов и блок регистрации с входом передающего устройства для связи системы с пунктом наблюдения..
Кроме того, средства для нормированного увлажнения торфяников могут включать дополнительные водоподающие скважины с трубопроводами для соединения с одной из размещенных вблизи накопительных емкостей, причем створ каждой из водоподающих скважин расположен в водоносном горизонте на глубине 5-20 м..
Кроме того, датчики уровня грунтовых вод могут быть выполнены на основе скважинного уровнемера УСБ-Т, причем анализаторы выходных сигналов датчиков уровня грунтовых вод и датчиков температуры, соответствующие блоки регистрации и передающие устройства могут быть установлены на выступающих над поверхностью торфяника частях упомянутых измерительных скважин и штанг, а каждое из передающих устройств может быть связано с пунктом наблюдения посредством каналов радиоволновой или спутниковой связи.
Кроме того, указанные анализаторы могут быть установлены на упомянутых частях измерительных скважин и штанг, а выходы анализаторов связаны через канал радиосвязи с отдельно расположенными многоканальными блоками регистрации сигналов и передающим устройстом.
Такое выполнение полезной модели позволяет с минимальными затратами решить указанную задачу создания на контролируемой территории сравнительно простой, надежной, автоматически действующей локальной комплексной системы мониторинга и защиты в засушливые периоды торфяников от возгорания за счет использования современных предупредительных и подготовительных мер борьбы с пожарами, включающих систему нормированного увлажнения и оперативного оповещения о состоянии проблемных торфяников для поддержания их в пожаробезопасном состоянии в течение сравнительно длительного времени.
При этом в каждом конкретном случае должны быть проведены предварительные оценки основных характеристик данного торфяника с привязкой к конкретной географической зоне как объекта защиты от возгорания (размеры торфяника, глубина, пористость, состав и др.).
Следующим этапом решения указанной задачи должно стать создание региональных комплексных систем мониторинга и защиты торфяников от возгорания, объединенных в единую сеть в рамках экологического мониторинга окружающей среды (см., например, Шмаль А.Г. Методология создания национальной системы экологической безопасности. Рациональное природопользование: ресурсе- и энергосберегающие технологии и их метрологическое обеспечение / Материалы международной научно-практической конференции 22-24 июня 2004 г., Петрозаводск. - М.: ФГУП «ВИМИ», 2004, - с.185).
Наличие в системе указанным образом расположенных в проблемной зоне торфяника сетей измерительных скважин с датчиками уровня грунтовых вод и измерительных штанг, снабженных датчиками температуры, соответственно соединенных через анализаторы выходных сигналов и блоки регистрации с передающим устройством для связи системы с пунктом наблюдения обеспечивает непрерывный объективный контроль за состоянием проблемного торфяника и оперативного оповещения региональных и центральных пунктов наблюдения.
Оптимальный шаг сети измерительных скважин с датчиками уровня грунтовых вод, по результатам исследований, проведенных в РГАУ - МСХА им. К.А. Тимирязева для наших широт, находится в пределах 200-500 м, причем уменьшение нижнего значения этого диапазона увеличивает затраты на создание системы, а увеличение верхнего значения снижает точность оценки состояния небольших по площади торфяников.
Найденный из результатов исследований, оптимальный шаг сети заглубленных в торфяник измерительных штанг с датчиками температуры, в свою очередь, находится в пределах 100-250 м, причем измерительные штанги размещены, преимущественно, между измерительными скважинами, как правило, на возвышенных точках рельефа являющихся наиболее пожароопасными..
Совершенствование средств для нормированного увлажнения торфяников, описанных в прототипе, заключается в использовании дополнительных водоподающих скважин (см., например, патент РФ №32509, опубл. 20.09.2003), соединенных трубопроводами с одной или несколькими из размещенных вблизи накопительных емкостей. Поскольку створ водоподающих скважин расположен в водоносном слое на указанной глубине, предпочтительно, в зоне водоносного горизанта, стабильная подача дополнительного количества воды в накопительные емкости обеспечивает увеличение продолжительности нормированного увлажнения торфяников в период засухи.
Предложенная полезная модель может быть реализована в варианте индивидуального размещения анализаторов выходных сигналов датчиков уровня грунтовых вод и датчиков температуры, блоков регистрации и передающих устройств на выступающих над поверхностью торфяника частях упомянутых измерительных скважин и штанг. Другой вариант реализации системы предполагает наличие отдельно расположенных от измерительных скважин и штанг многоканального блока регистрации и передающего устройства. В обоих вариантах передающие устройства связаны с пунктом наблюдения посредством каналов радиоволновой или спутниковой связи с возможностью использования системы ГЛОНАСС или GPS для точного позиционирования и оповещении пунктов наблюдения о наличии опасных зон в контролируемых торфяниках.
На фиг.1 представлена принципиальная схема предложенной комплексной системы мониторинга и защиты торфяников от возгорания.
1
1
Комплексная система содержит сеть 1 измерительных скважин 2, снабженных датчиками 3 уровня грунтовых вод (показаны условно в центре скважины) и размещенных в контролируемой зоне торфяника 4 на расстоянии друг от друга Н=H=400 м. Датчики 3 уровня грунтовых вод могут быть выполнены на основе промышленного скважинного уровнемера УСБ-Т. При этом сеть 5 заглубленных в торфяник 4 измерительных штанг 6, снабженных термоэлектрическими датчиками 7 температуры, размещена, преимущественно, на возвышенных точках рельефа, являющихся проблемной зоной торфяника 4, между измерительными скважинами 2 на расстоянии друг от друга Т=T=200 м.
Каждый из датчиков 3, 7 уровня грунтовых вод и температуры, а также анализаторы 8, 9 выходных сигналов установлены на выступающих над поверхностью торфяника частях упомянутых измерительных скважин 2 и штанг 6. Выходы анализаторов 8, 9 связаны через каналы радиосвязи 10, 11 с отдельно расположенными многоканальными блоками регистрации 12, 13, выходы которых соединены с входами передающего устройства 14, которое связано с пунктом наблюдения (не показан) посредством каналов радиоволновой или спутниковой связи.
Рассмотренный выше первый вариант выполнения полезной модели отличается относительно малыми затратами на изготовление по сравнению с другим вариантом, в котором каждая из измерительных скважин 2 и штанг 6 оснащена индивидуальным комплектом анализаторов, блоков регистрации и передающих устройств. По второму варианту выполнения полезной модели анализаторы 8, 9 выходных сигналов датчиков 3 уровня грунтовых вод и датчиков 7 температуры, блоки регистрации 12, 13 и передающие устройства 14 установлены на всех выступающих над поверхностью торфяника частях упомянутых измерительных скважин 2 и штанг 6, причем каждое из принадлежащих им передающих устройств 14 может быть связано, как было указано, с пунктом наблюдения посредством индивидуальных каналов радиоволновой или спутниковой связи.
Средства для нормированного увлажнения торфяников включают дополнительные водоподающие скважины 15 с трубопроводами 16 для их соединения с одной из размещенных вблизи накопительных емкостей 17, при этом створ каждой из водоподающих скважин 15 расположен в водоносном слое, как правило, на глубине 5-20 м, предпочтительно, в зоне водоносного горизонта. Расположение водоносных горизонтов можно определить с помощью предварительных гидрогеологических изысканий..
В соответствии с основной концепцией нормированного увлажнения торфяников по прототипу используются накопительные емкости 17 и перфорированные водораспределительные каналы 18, заполненные волокнистым или пористым синтетическим материалом. При этом один конец каналов 18 погружен в накопительную емкость 17 для заполнения ее грунтовой водой, а свободной частью водораспределительные каналы 18 размещены на глубине 0,2-0,6 м от поверхности торфяника в зоне его капиллярной подпитки. Обеспечение указанной системы нормированного увлажнения дополнительными водоподающими скважинами 15 с трубопроводами 16, соединенными с накопительными емкостями 17, повышает эффективность их фунционирования в засушливые периоды. Внутренние и внешние зоны увлажнения торфяника вокруг накопительных емкостей 17, водораспределительных каналов 18 и водоподающих скважин 15 обозначены в виде эллипсов 19.
Комплексная система мониторинга и защиты торфяников от возгорания функционирует следующим образом.
Основываясь на накопленных за длительное время объективных показателях состояния торфяников и данных региональных прогнозов о вероятности их возгорания, осуществляют установку в контролируемой зоне каждого из проблемных торфяников 4 на указанном расстоянии друг от друга необходимого для сети 1 числа измерительных скважин 2, снабженных датчиками 3 уровня грунтовых вод (на фиг.1 показано 13 измерительных скважин 2).
На возвышенных точках рельефа, являющихся проблемной зоной торфяника 4, преимущественно, между измерительными скважинами 2 на указанном расстоянии друг от друга размещают необходимое для сети 5 количество измерительных штанг 6, заглубленных в торфяник 4 и снабженных датчиками 7 температуры (на фиг.1 показано 14 измерительных штанг 6). Кроме того, как описано в прототипе, размещают и устанавливают необходимое число накопительных емкостей 17 (показано две емкости) с водораспределительными каналами 18 (по 4 в каждой емкости 17), установленных на указанной глубине в массиве торфяника 4. Данные работы целесообразно проводить до периода паводков для последующего естественного заполнения емкостей 17 необходимым запасом воды.
В период паводков зона уровня грунтовых вод в торфяниках повышается, что приближает верхний уровень зоны капиллярной подпитки к поверхности торфяника 4. Это обеспечивает заполнение накопительной емкости 17 и функционирование водораспределительных каналов 18. Предусмотренные проектом объемы воды для данного торфяника в период засухи автоматически транспортируются из емкостей 17 через капиллярную систему волокнистого синтетического материала внутри перфорированных водораспределительных каналов 18 и поступают в торфяник 4 вокруг каждого из каналов 18 для увлажнения его поверхностных зон. Одновременно наполнение накопительных емкостей 17 осуществляется с помощью дополнительных водоподающих скважин 15 через трубопроводы 16 благодаря пластовому давлению водоносного слоя. Дополнительное нормированное увлажнение торфяника особенно эффективно в периоды длительной засухи.
На кафедре Мелиорации и геодезии РГАУ-МСХА им. К.А.Тимирязева были проведены экспериментальные и теоретические исследования теплофизических процессов при самовозгорании торфа в проблемных торфяниках. Проведенные исследования позволили выяснить ряд важных факторов, учтенных при разработке предложенной комплексной системы мониторинга и защиты торфяников от возгорания.
Торф в торфяниках представляет собой сложную полидисперсную многокомпонентную систему, его теплофизические свойства зависят от степени разложения или дисперсности твердой части. Текстура торфа однородная, иногда слоистая или волокнистая. Для торфа характерны высокая теплотворная способность до 2500 ккал/кг, пористость до 96-97% и значительное влагосодержание в естественном залегании (88-96%). Указанные факторы являются определяющими для возможного возгорания торфяников в случае значительного высыхания его поверхностных слоев при высоких радиационных потоках солнечного излучения.
Тепловой режим торфяников в летние месяцы в основном зависит от их водного режима. При этом существенными являются температура окружающего воздуха, наличие осадков, их длительность или отсутствие, а также степень поглощения солнечной радиации, зависящая от типа и массы растительности на проблемных участках торфяников. Органические составляющие торфа обладают сравнительно малой теплопроводностью в подсушенном состоянии, поэтому степень его увлажнения или, напротив, аэрации оказывают определяющую роль при самовозгорании реагирующей массы. В период жаркого засушливого лета при температуре воздуха порядка 30°С и низком уровне грунтовых вод, возможно достижение в отдельных областях слоя торфа температуры более 50°С и его самовозгорание. При подсушивании почвы при засухе влага от поверхности грунтовых вод движется вверх, а при выпадении осадков наблюдается процесс инфильтрации и движение почвенной влаги вниз к поверхности грунтовых вод.
Опускание поверхности грунтовых вод в торфяниках ниже 1,5-2 метров приводит к почти полному прекращению капиллярного подпитывания верхнего слоя торфяной почвы, наблюдается быстрое иссушение верхнего слоя торфа за счет суммарного испарения и ухода влаги из зоны аэрации в грунтовые воды. Кроме того, понижение уровня грунтовых вод ведет к насыщению торфяной почвы кислородом.
При любом увлажнении верхних слоев торфяника происходит увеличение в 4-5 раз затрат солнечной энергии на испарение, что препятствует избыточному разогреву верхнего слоя почвы и делает невозможным процесс самовозгорания. При увлажнении верхнего слоя торфа над ним снижается температура воздуха, увеличивается его относительная влажность, температура поверхности торфяной почвы снижается на 9-14°С за счет возросших затрат на испарение. Совокупность указанных факторов свидетельствует о необходимости поддерживать влажность верхних слоев торфяников для снижения риска возникновения торфяных пожаров.
3
Нормированное увлажнение поверхностных слоев торфяника 4 в данном случае осуществляется через перфорацию в водораспределительных каналах 18, расположенных, например, в виде радиально расходящихся лучей от нескольких накопительных емкостей 17, которые могут заполняться водой в период паводка, после обильных дождей и/или через водоподающую скважину 15. Накопительные емкости 17 могут быть выполнены в виде короба прямоугольного сечения объемом 1-4 м из покрытой битумным антикоррозионным покрытием оцинкованной стали с отверстиями в верхней крышке.
Глубина размещения водораспределительных каналов 18 и верхней части накопительной емкости 17 на 0,2-0,6 м от поверхности торфяника 4 является оптимальной для решения поставленной задачи и определена опытным путем в результате исследований, проведенных в РГАУ-МСХА им. К.А.Тимирязева. При этом расположение донной части накопительной емкости 17 в зоне капиллярной подпитки торфяника ниже зоны промерзания и выше уровня грунтовых вод является необходимым условием работы предложенной системы. Расположение водораспределительных каналов 18 с уклоном в направлении от накопительной емкости 17, в свою очередь, улучшает их транспортирующие характеристики к удаленным областям торфяника 4.
Возможность раннего предупреждения опасных пожаров на торфяниках заключается в одновременном учете указанных факторов и эффективного мониторинга температурного и влажностного состояния проблемных торфяников для прогнозирования их самовозгорания. При этом датчики 3 уровня грунтовых вод и датчики 7 температуры предварительно устанавливают в соответствующих местах измерительных скважин 2 и измерительных штанг 6. Выходы этих датчиков соединяют с анализаторами 8, 9, которые в данном случае размещают непосредственно на верхних частях скважин 2 и штанг 6. После этого, согласно указанной схеме расположения, в узлах сетей 1 и 5 устанавливают на заданную глубину измерительные скважины 2 и штанги 6.
Выходные сигналы от множества датчиков 3, 7 через анализаторы 8, 9 одновременно поступают на входы многоканальных блоков регистрации 12, 13 для кодированной передачи интегрированной информации через передающее устройство 14 посредством спутниковой связи в центральный или региональный пункт наблюдения. Функции анализаторов сигналов 8, 9 заключаются в сравнении полученных величин сигналов от датчиков 3, 7 с фиксированными значениями опорных сигналов. Последние формируются в анализаторе в соответствии с заданными табличными характеристиками для каждого типа датчика. При равенстве значений сигналов от датчика с опорным сигналом схема совпадении анализатора генерирует выходной сигнал для его передачи на многоканальный блок регистрации. Для связи выходов анализаторов 8, 9 с отдельно расположенными многоканальными блоками регистрации 12, 13 используются, преимущественно, каналы радиосвязи 10, 11. При этом указанные анализаторы снабжены компактными радиопередающими устройствами, а блоки регистрации - радиоприемным устройством (не показаны).
Предложенная комплексная система мониторинга и защиты торфяников от возгорания обеспечивает создание на контролируемой территории комплекса современных предупредительных и подготовительных мер борьбы с пожарами путем нормированного увлажнения и оперативного оповещения о состоянии проблемных торфяников. Данные о состоянии массива торфяника по сигналам предупреждения, выработанным предложенной комплексной системой, в пункте наблюдения обрабатываются с учетом дополнительных климатических факторов внешней среды, определяющих критические параметры состояния торфяника по самовозгоранию.