Обоснование принципов моделирования самовозгорания торфяных почв

ВЕСТНИК ИНСТИТУТА

фоновых видов птиц. Видовое разнообразие птиц превышает многие соседние области. Это связано с тем, что в Калмыкии пересекаются многие пути миграций северных видов и популяций птиц. Практически здесь присутствует вся авиафауна России, за исключением ВосточноСибирских и Дальневосточных видов. По количеству гнездящихся видов наша республика уступает соседним регионам, в основном за счет видов дендрофильного комплекса. Поэтому основная стратегия сохранения птиц должна быть направлена на создание условий существования на миграциях и зимовках птиц. Это могут быть меры как ограничительного сезонного характера, так и зонирование территорий по степени важности для птиц. В дальнейшем изучение и углубление знаний по ключевым для птиц территориям должно быть использовано при планировании и создании особоохраняемых природных территорий республики. Разумное использование экологического потенциала территорий должно базироваться на конкретных фактах, что требует дальнейших работ в этом направлении. Как показывает практика, даже создание особоохраняемых природных территорий не всегда может предотвратить от вымирания вид. В то же время охрана вида на больших территориях мало эффективна. Гораздо дешевле и проще проводить мероприятия на конкретных «жизненно важных» для птиц территориях в определенные периоды и сезоны года. Интеграция ключевых орнитологических территорий в систему ООПТ - дальнейший шаг на пути сохранения биологического и ландшафтного разнообразия России.

Важность программы КОТР можно будет оценить только по прошествии многих лет, когда деградация экосистем под воздействием наступающей цивилизации поставит на грань исчезновения многие виды птиц и других групп животных. Лишь только усилия, приложенные уже сегодня, могут предотвратить в будущем надвигающуюся беду.

1. Ключевые орнитологические территории России. Том 1. Ключевые орнитологические территории международного значения в Европейской России /Под ред. Т.В. Свиридовой, В.А. Зубакина. -М.: СОПР. 2000. -702 с.

2. Союз охраны птиц России. Программа «Ключевые орнитологические территории России» (Методические разработки). -М., 1999. -40 с.

3. Водно-болотные угодья России. Том. 6. Водно-болотные угодья Северного Кавказа /Под общ. ред. А.Л. Мищенко / М.: Wetlands International, 2006. -316 с.

4. Скокова Н.Н., Виноградов В.Г. Охрана местообитаний водно-болотных птиц. -М.: Агропромиздат, 1986. -240 с.

ЕВГРАФОВ А.В.

ОБОСНОВАНИЕ ПРИНЦИПОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ САМОВОЗГОРАНИЯ

ТОРФЯНЫХ ПОЧВ

По сравнению с самовозгоранием, при зажигании условия теплоотвода более жёсткие, поэтому зажигание происходит при температурах более высоких, чем самовозгорание. Таким образом, в треугольнике самовозгорание, зажигание, тление, в первую очередь, возможно возникновение самовозгорания, если не учитывать антропогенные факторы, такие, как искры от механизмов и машин, окурки, костры и другие антропогенные источники зажигания, которые скорее относятся к общей культуре населения и профилактической работе пожарной и лесной служб. Возможность возникновения зажигания или тления от такого природного источника,

28

№ 1, 2008 г.

как солнечное излучение, наступает во вторую очередь, после самовозгорания, и поэтому можно сказать, что при возникновении условий для самовозгорания возможно в дальнейшем зажигание и тление.

Рассмотрим влияние влаги в слое торфяной почвы, в частности, изменение уровня грунтовых вод на процессы, которые способствуют возникновению самовозгорания.

Тепловой режим торфяников зависит от их водного режима. Снижение уровня грунтовых вод ведёт к повышению температуры поверхности торфа, включая верхний слой. В результате снижение уровня грунтовых вод влечёт за собой рост температуры торфяных почв, изменение теплофизических характеристик и составляющих теплового баланса почв (1).

Водный режим торфяных почв довольно тесно связан с воздушным режимом. Изменение пределов влажности в почве, а также уровня грунтовых вод приводит к изменению объёма свободных пор, заполненных воздухом, изменению воздухопроницаемости почвы и состава почвенного воздуха. Примерно 2/3 производимого почвой углекислого газа приходится на деятельность микроорганизмов, а 1/3 на деятельность корней растений. Кислород в почву в основном поступает из атмосферы (3). При понижении уровня грунтовых вод торфяная почва дополнительно насыщается кислородом, что активизирует процессы окисления.

Окисление твердой поверхности протекает в две стадии. На первой стадии молекулы кислорода сорбируются на поверхности. Затем на второй стадии валентные электроны твёрдого материала образуют с валентными электронами сорбированного кислорода химические связи, происходит спаривание электронов с антипараллельными спинами донора и акцептора, им необходимо также преодолеть активационный барьер.

Валентные электроны окисляемого материала находятся по отношению к кислороду, сорбированному на его поверхности, как бы в потенциальной яме и распределены по уровням энергии по экспоненциальному закону Для того чтобы валентные электроны окисляемого материала образовали прочные пары с электронами кислорода, им необходимо выйти из этой потенциальной ямы. С верхних энергетических уровней валентные электроны могут переходить к сорбированному на поверхности кислороду с затратой минимальной энергии, что является причиной предрасположенности дисперсных твердых материалов к самовозгоранию.

Снижение теплопроводности и объёмной теплоёмкости почвы при понижении уровня грунтовых вод и уменьшении капиллярного подпитывания приводит к повышению температуры верхнего слоя почвы и увеличению суточных амплитуд колебаний температур.

Таким образом, снижение уровня грунтовых вод ведёт к иссушению верхних слоёв торфяной почвы, и 80% солнечной радиации, которая расходуется на суммарное испарение, будет идти на нагрев почвы, что увеличивает возможность возникновения самовозгорания, тления или зажигания торфа под действием солнечной радиации.

Увеличение температуры верхних слоёв почвы при низком уровне грунтовых вод ещё объясняется тем, что при низкой влажности снижается коэффициент температуропроводности, и тепло меньше проникает в нижние слои почвы. При высоком стоянии уровня грунтовых вод коэффициент температуропроводности почвы почти в двадцать раз выше за счёт влажности почвы. В данном случае тепло отводится в более глубокие и влажные слои почвы, где возникновение пожара невозможно из-за высокой влажности и недостатка окислителя, кислорода.

Модель по оценке возникновения пожароопасной ситуации должна состоять из двух частей. Первая часть должна моделировать процессы влагопереноса в торфяной почве и наличие в ней влагозапасов и их изменение. Вторая часть должна моделировать процессы самонагревания слоя торфяной почвы при его иссушении и оценивать опасность возникновения торфяного пожара.

Уравнение для моделирования процессов изменения влажности:

AW = Oc+t q ~

29

ВЕСТНИК ИНСТИТУТА

где AW -изменение влагозапасов в расчётном слое почвы; Ос -атмосферные осадки;

Т q1 -капиллярное подпитывание за счёт грунтовых вод; X q2 -отток в грунтовые воды за счёт инфильтрации в грунтовые воды; П -приток поверхностных вод; П -приток грунтовых вод; О -отток поверхностных вод; О -отток поверхностных вод; К -конденсация влаги; ЕТР -испарение влаги

растениями; ЕП -физическое испарение влаги с поверхности почвы.

Вторая часть модели воспроизводит процессы самонагревания слоя торфяной почвы при недостатке в ней влаги.

Основу современных научных представлений о процессах самовоспломенения заложил Вант-Гофф. Он указал, что самовозгорание определяется нарушением равновесия в сторону тепловыделения, между теплоприходом и теплоотводом. Впервые данную задачу решил отечественный учёный академик Н.Н.Семёнов. В его модели критической температуре самовоспламенения соответствует предельное равенство скоростей тепловыделения и теплоотвода. В данной модели принималось, что температура во всей реагирующей массе вещества была одинаковой, в чём и заключался её недостаток (2).

Недостаток модели Н.Н.Семёнова был устранён учёным Д.А.Франк-Каменецким (4). В модели Франк-Каменецкого температурное поле самонагревающейся массы принимается таким, какое оно есть на самом деле, но температура на поверхности принимается равной температуре окружающей среды.

В работе Я.С.Киселёва (2) для описания теплоотвода использовались критерии регулярного теплового режима, критерий неравномерности нагрева (р был выражен через отношение избыточных температур поверхности и теплофизического центра, что позволило определять его не только математически, но и экспериментально.

Горение относится к нелинейным явлениям. Скорость тепловыделения с повышением температуры растёт в геометрической прогрессии, а теплоотвод по прямой пропорциональности.

В результате наложения двух процессов возникают критические условия, при которых скорости теплоотвода и тепловыделения становятся равными.

При температурах ниже критических процессы самонагревания протекают медленно и не представляют собой опасности. При температурах выше критических за счёт самоускорения процесса и разбаланса скоростей тепловыделения и теплоотвода наблюдается самоускоряющийся саморазогрев, ведущий к возникновению горения.

При саморазогреве тела теплота передаётся в окружающую среду через поверхность площадью F м2. Через эту поверхность в единицу времени отводится количество теплоты Q', которое экспериментально было получено И.Ньютоном и записывается в виде уравнения:

Q' = a-F-AT,

где а -коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом теплоотдачи Вт м-2 К-7 АТ -разность температур поверхности тела и окружающей среды К.

Данное уравнение, описывающее теплоотвод, является линейным.

При отводе тепла от тела в окружающею среду оно будет охлаждаться. Данный процесс при линейном законе охлаждения описывается уравнением скорости охлаждения:

P' = АТ/ Ат,

где р' -скорость охлаждения К с-1; Ат -отрезок времени.

Фактическая скорость охлаждения р' в любой момент времени может определяться через производную:

P' = lim дТ75т

Ат^0 v '

По Я.С.Киселёву, скорость охлаждения можно записать в виде:

P' = а- F У

где ср -удельная теплоёмкость Дж/(кгК); р -плотность материала кг/м3; V -объём м3.

Линейный темп охлаждения - величина постоянная и выражается уравнением:

mox =а  F)/{Ср • Р- V).

30

№ 1, 2008 г.

В естественных условиях точки тела охлаждаются с неодинаковыми скоростями, и неравномерность процесса учитывают с помощью критерия неравномерности нагрева, тогда скорость охлаждения и темп охлаждения запишутся в виде:

P ' = ДТ -

mo< = v-

В естественных условиях охлаждение точек тела происходит с неравномерными скоростями. Критерий неравномерности нагрева можно определить, используя зависимость:

V = ATf/ДТц ,

где дт -разность между температурой поверхности материала и окружающей средой

TF - ТОКР ; ДТц -разность между температурой теплофизического центра нагреваемого материала и окружающей среды Тц - ТОКР .

На основе наших лабораторных исследований мы предлагаем считать, что при у = 1, то есть когда температура поверхности и теплофизического центра равны, возникают критические условия для самовозгорания, которое при неизменности температуры окружающей среды и влажности образца неизбежно.

На основе вышесказанного можно сделать выводы:

Одной из основных причин самовозгорания торфяной почвы является понижение уровня грунтовых вод на фоне высокой температуры воздуха и малочисленных осадков.

При равенстве температур поверхности и теплофизического центра возникает предпосылка самовозгорания торфяной почвы. 1 2 3 4

1. Головко Д.Г. Влияние режима осушения на основные факторы роста и развития сельскохозяйственных культур // В кн. Режим осушения и методика полевых научных исследований. .: Колос, 1971. -С. 50-94.

2. Киселёв Я.С. Физические модели горения в системе предупреждения пожаров. Монография. -Санкт-Петербургский университет МВД России, 2000. - 264 с.

3. Никольский Ю.Н. Взаимосвязь между водным, газовым, тепловым и пищевым режимами осушаемых земель с грунтовым типом питания // В кн. Комплексные мелиорации. -М.: Колос, 1980. -С. 90-99.

4. Франк-Каменецкий Д.А. Диффузия и теплопередача в химической кинетике. -М.: Наука, 1967. -491 с.

31