УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОЖАРООПАСНОСТИ ХВОЙНОГО ЛЕСНОГО МАССИВА

Устройство может быть использовано службой охраны лесов в качестве прибора оперативного контроля пожароопасной ситуации.
Пожароопасность лесов обычно определяют путем взятия образцов лесных горючих материалов (ЛГМ) и определения их влагосодержания в лабораторных условиях, например, с использованием аналитических весов и сушильного шкафа. При снижении среднего влагосодержания ЛГМ ниже определенного (критического) уровня контролируемый участок относят к пожароопасным [1]. Определение текущего влагосодержания ЛГМ - весьма трудоемкий и дорогостоящий процесс, вплоть до использования авиационных и космических средств мониторинга [2]. Специальные портативные устройства для оперативного контроля пожароопасности лесного массива неизвестны.
Пожароопасность лесного массива может оценить по величине удельного электрического сопротивления типичных для этого массива горючих материалов, поскольку этот показатель является не менее достоверным, чем текущее влагосодержание. Особую опасность с точки зрения борьбы с лесопожарами занимают хвойные массивы. Например, в Сибири, хвойные леса занимают более 74% лесопокрытых площадей.
Технической задачей является снижение трудоемкости определения текущего влагосодержания хвойных ЛГМ и повышение оперативности оценки пожароопасности лесного массива. Задача решается с помощью предлагаемого устройства, основанного на определении удельного электрического сопротивления (УЭС) образцов хвойных ЛГМ и представляющего собой модифицированный мегомметр (фиг.1). Удельное электрическое сопротивление ρ на единицу длины рассчитывают по известной формуле:
, (1)
2
где R - измеренное электрическое сопротивление ЛГМ, l - длина образца, s=β·πd/4 - площадь его поперечного сечения, d - диаметр, β - коэффициент отличия от сечения от круга, β<1. Если в качестве ЛГМ взять хвою сосны, кедра, ели (типичная растительность для регионов Сибири и Дальнего востока), то миделево сечение представляет собой полукруг, т.е. β=0,5. Как показали эксперименты, величина ρ хорошо коррелирует с влагосодержанием ЛГМ, и эта зависимость может быть отображена на графике W(ρ) (фиг.2). Электрическое сопротивление хвои измеряют высокоточным мегомметром, длину - линейкой, диаметр - микрометром. Набором статистических данных можно определить среднюю площадь сечения хвои для типичного вида растительности контролируемого участка. Тогда формула (1) упростится:
ρ=klR, где k=const. (2)
При фиксированной длине образца l=const величина сопротивления образца пропорциональна величине его удельного электрического сопротивления, ρ~R, что позволяет проградуировать шкалу устройства непосредственно в значениях удельного сопротивления.
Для образцов различной длины используют различное фиксированное расстояние между зажимами, например, 20 мм, 40 мм и др., поэтому шкала имеет несколько диапазонов измерения, переход между которыми осуществляется переключателем диапазонов. Таким образом, снимая числовое показание со шкалы заявляемого устройства, оператор может без вычислений войти в график W(ρ) и определить, насколько текущее влагосодержание отличается от критического. Эта особенность метода незаменима при возникновении пожароопасной ситуации (пожары в соседних регионах, засуха и т.п.), когда возникает необходимость в частом оперативном контроле. Погрешность метода зависит от величины доверительного интервала графической зависимости.
Предлагаемое устройство может быть реализовано на базе подходящего по пределам измерения мегомметра. Для повышения
*
достоверности используют необходимое количество образцов хвои в пределах контролируемого участка. При этом определяют удельное электрическое сопротивление ЛГМ, с помощью графика W(ρ) определяют текущее влагосодержание W и сопоставляют его с критическим значением W. По соотношению этих величин делают вывод о степени пожароопасности лесного массива.
На фиг.1 показана схема устройства, на фиг.2 - график W(ρ).
*
Устройство для определения пожароопасности лесного массива (фиг.1) содержит мегомметр 3, встроенный блок генерации электроэнергии с приводом 5, измерительный прибор 4 стрелочного или цифрового типа, зажимы 1 для образца ЛГМ, провода 2, регулировочные ручки, переключатель диапазонов (на схеме не показаны). Расстояние между зажимами может устанавливаться от ab до ас (20-60 мм). Шкала стрелочного прибора 4 может быть градуирована как в единицах сопротивления, так и в значениях УЭС с выделенным сектором в области критического УЭС, соответствующего критическому значению влагосодержания W.
*
*
Критическое значение W получено в результате теоретических расчетов и экспериментальной проверки [3]. Его величина зависит от относительной влажности воздуха, точки росы, температуры, типа ЛГМ и других характеристик. Однако с достаточной для практики степенью точности можно считать критическое значение влагосодержания ЛГМ величиной постоянной, W=13%, что подтверждено экспериментами по условиям возгорания от типичных причин пожара. График для определения текущего влагосодержания ЛГМ удобно иметь в составе прибора, например, закрепить его на корпусе. Периодические измерения и набор статистики позволяют следить за тенденцией и прогнозировать пожароопасную ситуацию.
Устройство работает следующим образом.
Источником измерительного напряжения служит встроенное магнето с ручным приводом. Между зажимами 1 укрепляют тарированный образец и регулятором подстраивают показания прибора. Затем между зажимами помещают образец ЛГМ и вращением ручки 5 блока генерации обеспечивают постоянный электрический ток. Значение сопротивления R образца считывают со шкалы. Измеряют геометрические параметры образца линейкой и микрометром. По формуле (1) рассчитывают удельное электрическое сопротивление ρ. Значение текущего влагосодержания W находят из графика W(ρ).
При достаточной изученности лесного участка и информации о типичных ЛГМ шкалу градуируют в единицах УЭС. Показания прибора в зоне выделенного сектора шкалы свидетельствуют о пожарной опасности района. Достоверность информации лежит в пределах методической погрешности способа.
Для удобства использования прибора в полевых условиях он может быть заключен в защитный кожух с крышкой и оборудован переносным ремнем. На внутренней поверхности крышки закреплены график зависимости влагосодержания ЛГМ от его удельного электрического сопротивления и измеритель геометрических параметров образца. График с одной или несколькими кривыми может быть построен в лабораторных условиях по образцам ЛГМ, характерным для данного лесного массива. Типичный график зависимости влагосодержания хвои от ее удельного электрического сопротивления приведен на фиг.2.
К достоинствам предлагаемой полезной модели относятся небольшие габариты, малые затраты времени оператора, независимость от источников электроэнергии, надежность и оперативность определения влагосодержания образцов. Прибор легко модифицируется для других видов ЛГМ. В приобретении предложенного устройства заинтересованы службы охраны лесов, региональные организации МЧС, экологические службы.
Источники информации.
1. Указания по обнаружению и тушению лесных пожаров. М.: Гослесхоз СССР, 1976. 110 с.
2. Спутниковый мониторинг лесных пожаров в России. Итоги. Проблемы. Перспективы: Аналит. обзор/СОРАН. ИОА. ГПНТБ/Ред. В.В.Белов. Новосибирск, 2003. 135 с.
3. Гришин A.M. Математическое моделирование лесных пожаров и новые способы борьбы с ними. Новосибирск: Наука, 1992. 408 с.; Гришин A.M., Голованов А.Н. Определение характеристик массопереноса в некоторых ЛГМ//ИФЖ. т.74, №4, 2001. С.53-57.