СИСТЕМА ЗАЩИТЫ ТОРФЯНИКОВ ОТ ВОЗГОРАНИЯ

Полезная модель относится к области противопожарной техники, более конкретно, к системам 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 сельскому хозяйству и экологии близлежащих населенных районов. 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 включают сторожевую охрану, авиационный мониторинг, использование установок для улавливания инфракрасного излучения и определения температуры торфяников (см. патент РФ №67872, зарегистр. 10.11.2007).
При тушении торфяных пожаров применяют различные наземные средства и противопожарное оборудование. В борьбе с низовым подземным пожаром область возгорания окапывают канавами шириной 1 м и глубиной до минерального грунта или насыщенного водой слоя торфа. Для тушения лесных и торфяных пожаров используют также 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).
Предотвращение опасного развития событий и защиту торфяников от возгорания в засушливые периоды осуществляют проведением профилактических мероприятий, заключающихся в локализации пожароопасной территории с помощью противопожарных барьеров или увлажнения слоя торфа методами гидротехнической мелиорации. Однако создание полномасштабного комплекса инженерных сооружений (прудов, колодцев, оросительных каналов и 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.
Известна система полуавтоматического полива, содержащая размещенные на расстоянии друг от друга водоотводные каналы, соединенные через распределительные вентили с водонапорным баком, снабженным трубопроводами для его заполнения от общественного или местного водопровода и устройством для автоматического регулирования подачи воды в водонапорный бак (см. Андреев A.M., Энциклопедия обустройства садовых и приусадебных участков - М.: «РИПОЛ КЛАССИК», 2001, с.525).
Известная система включает сравнительно сложное инженерное оборудование, водонапорный бак и средства для его заполнения от общественного водопровода, что не позволяет использовать такую систему при защите торфяников от пожара.
Наиболее близким техническим решением к предложенному является устройство для автоматического внутрипочвенного полива, содержащее емкость для воды и средства для ее капиллярной подачи к увлажняемой почве (см. патент РФ №66657, зарегистр. 27.09.2007 - прототип).
Известное устройство предназначено, преимущественно, для внутрипочвенного полива культурных растений. Недостатком известного устройства является сложность или невозможность его применения для нормированного увлажнения торфяников в системе их защиты от возгорания.
Решаемой задачей полезной модели является создание сравнительно простой, эффективной и автоматически действующей локальной системы защиты проблемных торфяников от возгорания путем их нормированного увлажнения в засушливые периоды.
Следующим этапом решения указанной задачи является создание региональных систем мониторинга состояния и систем 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: 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 защиты торфяников от возгорания, включающей средства для нормированного увлажнения их поверхностных слоев, согласно полезной модели, система 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, причем 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.
3
Кроме того, накопительные емкости могут быть выполнены из полимерного материала или из металла с антикоррозионным покрытием в виде короба или цилиндра объемом 0,5-3 м, а их выводные водораспределительные каналы в количестве 2-8 шт. могут быть выполнены в виде шнура из волокнистого синтетического материала длиной 3-25 м и диаметром 5-10 см.
Кроме того, накопительные емкости могут быть выполнены закрытыми или открытыми в своей верхней части, их донная часть может сообщаться с полостью водозаборной скважины для заполнения емкости водой, а водораспределительные каналы расположены с уклоном 0,002-0,005 в направлении от накопительной емкости.
Кроме того, система может содержать 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.
Такое выполнение системы защиты торфяников от возгорания позволяет с минимальными затратами решить указанную задачу создания сравнительно простых, надежных и автоматически действующих локальных и региональных систем защиты проблемных торфяников от возгорания в засушливые периоды.
Средства для нормированного увлажнения поверхностных слоев торфяника, включающие водораспределительные каналы, расположенные, например, в виде радиально расходящихся лучей от нескольких накопительных емкостей, обеспечивают нормированное увлажнение верхних слоев торфяника и предотвращение его возгорания в засушливый летний период. Указанные накопительные емкости могут заполняться водой в период паводка, после обильных дождей или через водозаборную скважину.
3
3
Указанный объем накопительных емкостей менее 0,5 м может оказаться недостаточным для увлажнения обслуживаемых участков торфяника в течение двух, трех недель засухи, а превышение указанного объема более 3 м связано со значительными затратами на их изготовление и размещение в торфяниках на упомянутой глубине.
Глубина размещения водораспределительных каналов и верхней части накопительной емкости на глубине 0,2-0,6 м от поверхности торфяника является оптимальной для решения поставленной задачи и определена опытным путем в результате исследований, проведенных в РГАУ - МСХА имени К.А.Тимирязева. При этом расположение донной части накопительной емкости в зоне капиллярной подпитки торфяника ниже зоны промерзания и выше уровня грунтовых вод является необходимым условием работы предложенной системы.
Экспериментальные и теоретические исследования показали, что выполнение у каждой накопительной емкости водораспределительных каналов в количестве 2-8 шт. длиной 3-25 м и диаметром 5-10 см обеспечивают для различных торфяников нормированную степень их увлажнения. 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.). Наиболее эффективным и простым является выполнение водораспределительных каналов в виде шнура из волокнистого синтетического материала или в виде дренажных труб из тонкостенного полимерного материала, заполненных волокнистым или пористым материалом и снабженных отверстиями. Такое выполнение системы обеспечивает эффективную раздачу воды из накопительной емкости в приповерхностный слой торфяника для его увлажнения на период засухи. Расположение водораспределительных каналов с уклоном 0,002-0,005 в направлении от накопительной емкости, в свою очередь, улучшает их транспортирующие характеристики к удаленным областям торфяника.
Изготовление накопительных емкостей из полимерного материала или из металла с антикоррозионным покрытием в виде короба или цилиндра и водораспределительных каналов из волокнистого синтетического материала обеспечивает возможность бесперебойной многолетней эксплуатации предложенной системы. При этом возможно выполнение накопительных емкостей закрытыми или открытыми в своей верхней части, поскольку поставленная задача решается в обоих случаях с несколько разной эффективностью, а сообщение их донной части с водозаборной скважиной улучшает ее наполнение.
Предусмотренное полезной моделью использование средств мониторинга температурного состояния торфяника в виде расположенных по его площади температурных датчиков, соединенных через блок регистрации с передающим устройством для связи с пунктом наблюдения дополнительно повышает эффективность системы.
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.
На фиг.1 представлена схема предложенной системы защиты торфяников от возгорания, на фиг.2 показано сечение накопительной емкости по водораспределительным каналам.
Система содержит размещенные на площади торфяника водораспределительные каналы 1, заполненные волокнистым или пористым синтетическим материалом, один конец которых погружен, по крайней мере, в одну накопительную емкость 2 для заполнения ее грунтовой водой, причем водораспределительные каналы 1 и верхняя часть накопительной емкости 2 размещены на глубине 0,2-0,6 м от поверхности торфяника.
3
Накопительные емкости 2 закрытого типа выполнены в виде короба прямоугольного сечения объемом 1,5 м из оцинкованной стали, покрытой битумным антикоррозионным покрытием. Крышка короба имеет отверстия 3 для заполнения емкости 2 грунтовой водой. Равномерно расположенные выводные водораспределительные каналы 1 в количестве 4 шт. выполнены в виде шнура из волокнистого синтетического материала длиной от 5 до 25 м и диаметром 6-8 см. Водораспределительные каналы 1 расположены на указанной глубине вдоль поверхности торфяника с уклоном 0,002-0,005 в направлении от накопительной емкости 2.
Зоны увлажнения торфяника вокруг каждого из водораспределительных каналов обозначены поз.4. Проблемная наиболее опасная в пожарном отношении зона торфяника обозначена поз.5, а окружающая ее более увлажненная часть торфяника - поз.6.
Предложенная система может содержать средства мониторинга температурного состояния торфяника в виде расположенных по его площади термоэлектрических датчиков температуры 7, соединенных через блок регистрации 8 с входом передающего устройства 9 для связи с местным или региональным пунктом наблюдения для оценки функционирования средств предупреждения возгорания торфяника.
На фиг.2 показано, что накопительная емкость 2 расположена в зоне капиллярной подпитки торфяника ниже зоны промерзания и выше уровня грунтовых вод. Поверхность торфяника обозначена поз.10, верхний уровень зоны капиллярной подпитки в период паводков - поз.11, зона сезонных изменений уровня грунтовых вод - поз.12.
Система защиты торфяников от возгорания функционирует следующим образом.
Основываясь на объективных показателях мониторинга состояния проблемных торфяников и данных региональных прогнозов о вероятности их возгорания, осуществляют монтаж и установку необходимого числа накопительных емкостей 2 с водораспределительными каналами 1 на указанной глубине в массиве конкретных торфяников. Указанные работы целесообразно проводить до периода паводков для последующего естественного заполнения емкостей 2 необходимым запасом воды. Для этого крышка емкости 2 имеет отверстия 3.
В период паводков зона уровня грунтовых вод 12 в торфяниках повышается, как правило, на значительную величину, что приближает верхний уровень 11 зоны капиллярной подпитки к поверхности 10 торфяника. Это обеспечивает заполнение накопительной емкости 2 и функционирование водораспределительных каналов 1, размещенных на указанной глубине от поверхности 10 торфяника.
Предусмотренные проектом объемы воды для данного торфяника в период засухи автоматически транспортируются из емкостей 2 через капиллярную систему волокнистого синтетического материала внутри водораспределительных каналов 1 и поступают в зоны 4 торфяника вокруг каждого из каналов 1 для увлажнения его проблемной зоны 5 на период засухи.
Для повышения эффективности увлажнения торфяника водораспределительные каналы 1 расположены на указанной глубине вдоль поверхности торфяника с уклоном около 0,002-0,005 в направлении от накопительной емкости 2.
Предложенная система, как было указано, может также содержать средства мониторинга температурного состояния торфяника (термоэлектрические датчики температуры 7, блок регистрации 8 и передающее устройство 9) для оценки функционирования предложенной системы и связи с местным или региональным пунктом наблюдения.
На кафедре Мелиорации и геодезии РГАУ - МСХА имени К.А.Тимирязева были проведены экспериментальные и теоретические исследования теплофизических процессов при самовозгорании торфа в проблемных торфяниках. Проведенные исследования позволили учесть ряд важных факторов, учтенных при разработке предложенной системы.
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, 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 потока 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 не возможным 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. Решение указанной задачи в предложенной полезной модели достигается за счет создания сравнительно простой, эффективной и автоматически действующей локальной системы защиты проблемных торфяников от возгорания путем их нормированного увлажнения в засушливые периоды путем капиллярной подпитки верхних слоев торфяника.
Предложенная система защиты торфяников от возгорания разработана и прошла необходимые испытания на экспериментальной базе РГАУ - МСХА имени К.А.Тимирязева.