Обоснование противопожарного шлюзования в Мещерской низменности

Рыбкин В. Н. Эксплуатация и мониторинг мелиоративных систем; под ред. В. И. Оль-гаренко. - Коломна: Инлайт, 2006. - 391 с.

4. Расчет режимов орошения сельскохозяйственных культур и проектных норм водопотребности: методические рекомендации; под общ. ред. Г. В. Ольгаренко.

- Коломна: ООО «Инлайт», 2012. -151 с.

5. Волков А. С., Тульверт В. Ф., Фиал-ковский П. Г. Сравнительная оценка методов расчета испарения при орошении // Мелиорация и водное хозяйство. - 1999.

- № 4. - С. 13-14.

6. Капустина Т. А., Аванесян И. М., Спирина Е. Ю. Исследование и оценка циклических изменений климатических показателей по природным зонам агроланд-шафтов Нечерноземья и ЦЧО: сб. науч. трудов ФГОУ ВПО МГУП. - М.: ФГОУ ВПО МГУП, 2005. - Ч. 2. - С. 217-223.

7. Айдаров И. П., Голованов А. И., Никольский Ю. Н. Оптимизация мелиоративных режимов орошаемых и осушаемых сельскохозяйственных земель. - М.: ВО «Агропромиздат», 1990. - 58 с.

8. Галямин Е. П. Оптимизация оперативного распределения водных ресурсов в орошении. - Л.: Гидрометеоиздат, 1981.

- 272 с.

9. Головатый В. Г., Добрачев Ю. П., Юрченко И. Ф. Модели управления продуктивностью мелиорируемых агроцено-зов. - М.: ВНИИГиМ, 2001. - 166 с.

10. Константинов А. Р., Химин Н. М. Унифицированная методика расчета норм водопотребности применительно к автоматизированной системе нормирования водопользования в орошаемом земледелии. - Ленинград: ЛГМИ, 1987. - 184 с.

11. Черемисинов А. Ю. Управление водными режимами экологически сбалансированной агросистемы на орошаемых черноземах: автореф. дис. ... д-ра с.-х. наук.

- Волгоград: Волгоградский СХИ, 1993.

Материал поступил в редакцию 26.09.12. Ольгаренко Геннадий Владимирович, доктор сельскохозяйственных наук, профессор, директор Тел. 8 (496) 617-00-29 E-mail: raduga@golutvin.ru Цекоева Фатима Касполовна, кандидат сельскохозяйственных наук, доцент, декан факультета географии и геоэкологии Тел. 8 (4012) 53-36-18 E-mail: tsekoeva@yandex.ru

УДК 502/504 : 614.841.42 : 553.97 А. И. ГОЛОВАНОВ, К. С. СТУДЕНОВА

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный университет природообустройства»

ОБОСНОВАНИЕ ПРОТИВОПОЖАРНОГО ШЛЮЗОВАНИЯ В МЕЩЕРСКОЙ НИЗМЕННОСТИ

Рассмотрены вопросы профилактики пожаров на осушенных торфяниках Мещерской низменности, являющихся следствием аномально жаркой и сухой погоды лета 2010 года. Пожары на осушенных торфяниках возникают в результате понижения уровня грунтовых вод и отрыва их капиллярной каймы от торфяных горизонтов почв. Предлагаются методы борьбы с пожарами, в частности шлюзование.

Торфяные пожары, осушенные торфяники, противопожарное шлюзование, метеоданные Мещерской низменности, дефицит увлажнения, глубина грунтовых вод.

There are considered questions of fire prevention on the drained peatbogs of the Mesh-cher lowland being a consequence of the abnormal hot and dry summer of 2010. Fires on the drained peatbogs arise as a result of the ground water level lowering and their capillary fringe tearing off from soil peat horizons. Lockage is proposed as a method of fires control.

Peat fires, drained peatbogs, fire prevention lockage, weather information of the Meshcher lowland, moistening deficit, ground water depth.

Лето 2010 года для Европейского региона России оказалось на третьем месте в ряду наиболее сухих в XX веке (после 1938 и 1972 годов) [1]. Температура, долгое время державшаяся на уровне выше 35 С, побила все рекорды. По данным Росгидромета, самыми сухими месяцами в этот период были апрель и июль.

Непосредственной причиной аномальной жары стал аномально устойчивый блокирующий антициклон - область высокого давления, которая не давала грозам и холодному воздуху с севера и запада проникнуть в центр России, из-за чего в регионе установилась аномально жаркая и сухая погода [1] .

Совокупность метеорологических параметров за 2010 год привела к большому количеству лесных и торфяных пожаров, из-за которых в Европейском регионе России погибли 62 человека, выгорело более 4 млн га лесов, общий экономический ущерб составил свыше 12 млрд р., хотя наиболее засушливым был 1972 год с обеспеченностью дефицита увлажнения около 2 % [2].

Наиболее опасными и проблемными в тушении являются пожары на торфяниках. Очаг возгорания тяжело обнаружить, так как вначале горения торфа не возникает плотного дымового облака или дымовой колонки. Отдельные загорания выглядят тлеющими, создают иллюзию самоликвидации после наступления дождливой погоды [3]. Пожары распространяются со скоростью до нескольких метров в сутки и охватывают большие территории. Торф может гореть во всех направлениях независимо от направления и силы ветра, а под почвенным горизонтом он горит и во время умеренного дождя, снегопада, прогорая на всю глубину залегания, которая может достигать 6...8 м. Этот процесс сопровождается плотным задымлением, выделением вредных веществ и интенсивным тепловым излучением [4]. Кроме того, торфяной пожар представляет собой постоянно действующий источник огня, от которого в жаркую сухую погоду может начаться пожар в прилегающих к торфянику лесах, что также неоднократно происходило в 2010 году. Выгоревшие места опасны, так как в них могут проваливаться участки дорог, дома, машины, люди. После пожара остаются пирогенные залежи, состоящие их золы и пепла, задымление атмосферного возду-

ха усиливает парниковый эффект, вызывая повышение температуры в приземном слое, а продукты горения, содержащиеся в воздухе, негативным образом влияют на окружающую среду и здоровье человека. Ликвидация массовых лесных и торфяных пожаров часто осложняется трудно-доступностью к очагам возгорания и удаленностью их от источников водоснабжения, нерациональностью, а порой и невозможностью привлечения автотранспорта для доставки воды. Пожары ограничивают реальные ареалы мест обитания и деятельности человека, снижают видовое разнообразие флоры и фауны [5]. В результате пожары отрицательно влияют на экологию прилегающих к ним территорий.

Естественные неосушенные торфяники горят редко, только в засушливые годы, как правило, затрагивая лишь самые верхние слои торфяника - подсохший болотный мох сфагнум или сухую растительность на поверхности болота. Большую опасность представляет осушенный торфяник, так как осушение торфяника ведет к снижению уровня грунтовых вод на окружающей территории, хотя слабое осушение может быть полезным для леса. Но если уровень грунтовых вод падает так, что происходит разрыв капиллярного сообщения между ними и поверхностным слоем почвы, это оказывает крайне негативное воздействие на окрестные леса: ухудшается их обеспеченность влагой, высыхает подлесок, быстро иссушается профиль торфяных почв (это наблюдается на самотечных осушительных системах или нестабильно управляемых польдерах, подверженных значительным колебаниям уровня грунтовых вод) [5]. Сухой торф способен самовозгораться. Самовозгорание торфа — воспламенение торфа в процессе окисления кислородом. При этом приток тепла извне необязателен. В процессе участвуют микроорганизмы, продукты жизнедеятельности которых накапливаются в анаэробных условиях и приводят к постепенному прогреванию массы торфа до 60.65 °С. При последующем повышении температуры торф превращается в полукокс, склонный к спонтанному самовозгоранию под действием кислорода. Самовозгорание происходит, если влажность торфа меньше 40 % полной влагоемкости (по другим оценкам, 28.30 % полной влагоемкости) [6].

Для предупреждения пожара на

осушенных торфяниках эффективным является создание системы двухстороннего регулирования водного режима или противопожарное шлюзование. В течение влажного периода с помощью шлюзов-регуляторов на магистральных каналах и коллекторах задерживают сток воды с прилегающих водосборов. В сухой период в устьях дрен создают напор, за счет которого вода поступает в грунт, повышая уровень грунтовых вод в междренье. Этот способ эффективен на низинных торфяных почвах, подстилаемых песками, при наличии притока грунтовых вод со стороны [7]. Богата такими низинными торфяными почвами Мещерская низменность.

Рассмотрим шлюзование на осушенном болоте вблизи метеостанции Черусти (Шатурский район Московской области) на границе с Рязанской областью (запад Мещерской низменности, где в 2010 году на больших площадях горели осушенные и выработанные торфяники).

Район метеостанции Черусти находится в пределах Мещерской физико-географической провинции и входит в Мещерскую низменность, расположенную в междуречье рек Оки, Москвы, Клязьмы. Провинция дренируется рекой Цной, впадающей в Оку, левыми притоками Москвы-реки - Нерской и Пехоркой, притоками Клязьмы - Полей, Сеньгой, Шерной, Ворей. Из многочисленных озер Мещеры (занимают около 0,75 % площади) наиболее крупные - Дубовое, два Святых, Карасево, Великое.

В западном районе провинции, замедленно дренированном, преобладают дерново-подзолистые и подзолистые глее-ватые и глеевые почвы под елово-дубово-сосновыми и мелколиственными лесами, зеленомошниками и долгомошниками, в понижениях распространены низинные торфяники с болотно-торфяными почвами и осушенные торфяно-перегнойные почвы.

Климат Мещерской провинции более теплый, чем в соседних провинциях. По данным метеостанции Черусти, среднегодовая температура воздуха +3,8 С, средняя температура января -11,0 С, июля +18,3 °С. Осадков за год выпадает в среднем 644 мм, по территории количество осадков изменяется от 600 до 650 мм. Мощность снежного покрова составляет 30... 40 см и более. Сумма температур выше 10 °С составляет 1900...2100 С, радиационный баланс равен

170,1...176,4 кДж/см2 [3].

При противопожарном шлюзовании, исходя из условий сухих и жарких лет, каким был 2010 год, необходимо к началу лета, т. е. примерно к 10 июня обеспечить влажность верхнего 25-сантиметрового осушенного торфяника не ниже 0,5.0,6 пористости. Продолжительность шлюзования в такие годы составляет около 80 сут (до 1 сентября). С учетом инерционности грунтового потока, как показали предварительные расчеты, шлюзование надо начинать, упреждая эти сроки на 10-20 сут. С учетом этого теплый период, составляющий для метеостанции Черусти 180 сут, приходится разбивать на три периода: первый - с конца снеготаяния и начала работы дрен до начала шлюзования - продолжительностью 40 сут;

второй - с начала шлюзования и создания напора в дренах и до конца шлюзования - продолжительностью 100 сут;

третий - завершающий этап - с начала снижения напора в дренах до их оси и до конца теплого периода -продолжительностью еще 40 сут. Итого - 180 сут.

В результате шлюзования глубины грунтовых вод по середине между дренами к1, к2, к3 в каждый период можно подсчитать по формулам С. Ф. Аверьянова:

^^

К= К- ["Л! +

где й2, /г3 - меняющиеся во времени глубины грунтовых вод на междреньи, считая от поверхности земли, для первого-третьего периодов шлюзования; Т^!, Т|2, Из - поправки на инфильтрационное питание, определяются по следующим формулам:

2кТ

где к - коэффициент фильтрации, м/сут; Т - расстояние от оси дрены до водоупора, м; Ь - половина расстояния между осушителями, м; qг -

соответствующее первому-третьему периодам шлюзования расходование влаги на испарение минус осадки, м/сут; - глубина грунтовых вод на начало теплого периода; й^ - уровень воды в дренах при шлюзовании, считая от поверхности земли.

Коэффициенты ф и ф1 определяются по формулам: л ~ 1

^ V / 1 \п+1 1

П=1

п+1 1

г (2и-1)2 2-п ехр[ - --—п2^;

5ехр[

4

(2и -1)2

кЧ]

П=1 (2п-1) ,

Рассмотрим некоторые результаты расчета шлюзования осушенного болота в условиях метеостанции Черусти. В таблице

1 приведены данные о погодных условиях в этом районе с 1959 по 2010 год (табл. 1).

Теплый период начинается при устойчивом переходе температуры воздуха через отметку +5 С 11 апреля весной и заканчивается осенью 10 октября, продолжительность 180 сут. Испаряемость подсчитана по формуле Н. Н. Иванова, дефицит увлажнения - это разность между испаряемостью и осадками.

Таблица 1

Метеоданные по метеостанции Черусти

№ года Год Осадки, мм Испаряемость, мм Дефицит увлажнения, мм Оценка года

За год За теплый период За год За теплый период За год За теплый период

1 1959 571 323 536 472 -35 149

2 1960 652 405 522 464 -131 59

3 1961 556 258 552 480 -4 222

4 1962 906 620 443 379 -463 -241 Самый влажный, 99 %

5 1963 573 288 550 506 -23 218 Сухой, 10 %

6 1964 500 283 491 442 -9 159

7 1965 656 417 440 386 -217 -31

8 1966 679 279 520 467 -159 188 Средний сухой, 25 %

9 1967 538 275 510 464 -28 190

10 1968 613 328 505 444 -109 116 Средний, 50 %

11 1969 454 270 441 392 -13 122

12 1970 637 338 442 385 -195 47

13 1971 626 376 455 406 -171 30

14 1972 478 190 693 624 214 434 Самый сухой, 1 %

15 1973 595 293 486 414 -109 121

16 1974 673 355 472 412 -201 57

17 1975 520 268 633 540 113 272

18 1976 561 354 432 366 -128 12

19 1977 528 331 537 475 9 145

20 1978 648 416 420 360 -227 -56

21 1979 590 336 529 469 -62 133

22 1980 632 430 408 355 -224 -75

23 1981 553 329 588 525 35 196

24 1982 533 288 457 396 -76 108

25 1983 595 323 497 421 -98 98

26 1984 527 377 514 444 -13 67

27 1985 585 365 418 378 -168 13

28 1986 660 426 475 427 -185 1

29 1987 546 428 390 337 -157 -92

30 1988 384 271 537 469 154 198

31 1989 544 336 470 411 -73 75

32 1990 782 558 403 339 -379 -220

33 1991 405 288 520 449 115 161

34 1992 432 241 485 440 53 199

35 1993 546 317 419 354 -127 37

36 1994 514 330 448 400 -67 69

37 1995 521 251 568 513 47 262

38 1996 477 283 490 422 13 140

39 1997 592 376 504 418 -88 41

40 1998 714 442 560 489 -154 47

41 1999 616 282 569 497 -47 214

42 2000 747 489 488 422 -259 -67 Влажный, 90 %

43 2001 590 286 563 473 -27 187

44 2002 664 335 622 532 -42 197

45 2003 672 401 491 426 -181 25

46 2004 689 432 476 398 -213 -35

47 2005 608 300 492 419 -116 118

48 2006 696 382 468 407 -228 25 Влажный, 75 %

49 2007 634 349 549 476 -84 127

50 2008 776 468 430 358 -346 -110

51 2009 508 292 511 436 3 143

52 2010 543 247 646 572 103 325

Среднее 593 345 501 438 -92 93

«4

№ 5' 2012

В таблице 2 показаны статистические характеристики осадков, испаряемости и дефицита.

Таблица 1 показывает небольшую изменчивость сумм осадков и испаряемости и очень сильную - дефицита увлажнения. Для выявления трендов в увлажненности на рис. 1 рассматриваемый период 52 года разделили на два подпериода по 26 лет каждый. В первый подпериод с 1959 по 1984 год линия тренда направлена в сторону незначительного уменьшения дефицита увлажнения, а во второй подпери-од с 1985 по 2010 год - в сторону заметного увеличения дефицита увлажнения.

11 13 15 Годы

19 21 23 25

Рис. 1. Динамика дефицита увлажнения (испаряемость — осадки) за теплый период и линия тренда: 1 - дефицит с 1959 по 1984 год; 2 - дефицит с 1985 по 2010 год; 3 - линия тренда с 1959 по 1984 год; 4 -линия тренда с 1985 по 2010 год

Таблица 2

Изменчивость климатических показателей и характерные годы по увлажненности

Показатели Среднее, мм Среднеквадратичное отклонение (СКО), мм Коэфи-циент вариации Год по увлажненности

Очень сухой, 1 % ' Сухой, 10 % Средний, 50 % Влажный, 90 % Самый влажный, 99 %

Осадки теплого периода 345 82 0,24 190 288 328 489 620

Испаряемость теплого периода 437 60 0,14 624 506 444 422 379

Дефицит (испаряемость -осадки) 93 126 1,36 434 218 116 -67 -241

Для расчета глубин грунтовых вод и других гидрологических показателей были установлены средние величины ин-

фильтрационного питания за три указанных периода. Знак плюс в табл. 3 говорит о превышении испарения над осадками.

Таблица 3

Инфильтрационное питание по расчетным периодам, мм/сут

Расчетный период Год по увлажненности

Очень сухой, 1 % Средний, 50% Очень влажный, 99 %

1 +0,27 +3,73 -0,70

2 +1,30 +2,40 +0,57

3 -0,37 -2,11 -0,38

На рис. 2 показано изменение глубин грунтовых вод на естественном и стандартно осушенном болотах в течение теплого периода в средние и влажные годы, а на рис. 3 — при шлюзовании (получено А. И. Головановым в процессе моделирования). В естественных условиях глубины грунтовых вод во влажные годы составляют 0,20.0,60 м (на то оно и болото). При стандартном осушении дренами глубиной 1 м в эти же периоды грунтовые воды находятся на глубине около 1 м, что соответствует нормативам стандартного осушения. Но в очень сухие годы на

0,0

s

„ 0.2

п 0,4

и

Я я 0,6

&Н 0,8

!»

а h 1,0

0J to 1,2

Рч 1,6

20

Сутки с начала теплого периода

40 60 80 100 120 140 160 180

/ 5

3

N* __„ .... ...

Рис. 2. Глубина грунтовых вод на стандартно осушенном (1-3) и естественном (4-6) болотах в разные по увлажненности годы: 1, 4 - сухие годы; 2, 5 - средние годы; 3, 6 - влажные годы

В таблице 4 приведена сводка некоторых показателей водного режима, речного стока и относительной урожайности для естественного болота и стандартно осушенного, а также при шлюзовании с напорами 0,8 и 0,5 м.

Осушение увеличивает впитывание осадков на 48 мм, из-за чего летний поверхностный сток уменьшается на 45 мм, по мере осушения фактическое суммарное испарение возрастает на 42 мм, а при шлюзовании 0,8 м приток грунтовых вод с примыкающих возвышенностей уменьшается на 30 мм, соответственно изменяется промываемость корнеобитаемого слоя - на 15 мм. С повышением влажности почвы относительная урожайность увеличивается на 0,28, при этом надо иметь в виду, что зависимость урожайности имеет форму купола. Переувлажнение, равно как и переосушка, приводит к снижению продуктивности трав. В данном примере принято, что оптимальная влажность для трав составляет 0,85 от предельно пылевой влагоемкости (ППВ), или 0,68 от пористости. Интересно, что на данном примере легкое шлюзование болота (при напорах в дренах 0,8 м от поверхности земли) обеспечивает максимальную продуктивность 0,89, что подтверждает целесообразность строительства водообо-ротных систем.

Таблица 4

Статьи водного баланса на низинном болоте при шлюзовании

Вариант Весенее увлажнение, мм Впитывание осадков, мм Фактическое испарение, мм Приток с возвышенности, мм Дренажный сток с болота, мм

Всего Сброс Подача

Естественное болото Стандартное осушение Шлюзование 0,8 м Шлюзование 0,5 м 45 111 111 111 297 345 345 342 370 328 335 343 60 75 45 19 0 201 161 123 0 201 328 445 0 0 167 322

Продолжение таблицы 4

Вариант Средняя за год глубина грунтовых вод, м Влажность в слое 0,25 м Относительная урожайность Промыва-емость, мм Сток с катены, мм

половодья межени за год

Естественное болото Стандартное осушение Шлюзование 0,8 м Шлюзование 0,5 м 0,69 1,33 1,00 0,64 0,69 0,50 0,57 0,70 0,60 0,61 0,89 0,77 64 252 237 223 124 98 98 99 43 88 84 81 167 186 182 180

№ 5' 2012

осушенном болоте грунтовые воды могут опуститься до глубину 1,5 м. В таких случаях необходимо предусматривать ограничение понижения уровня грунтовых вод шлюзованием или активным увлажнением (дождеванием).

На рис. 3 показаны глубины грунтовых вод в результате шлюзования при подъеме уровня воды в дренах до глубины 0,5 м (получено моделированием по программе А. И. Голованова и расчетами). Расчеты по формулам (1), (2), (3) неплохо согласуются с более точным моделированием.

0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 1,00 1,10

Сутки с начала теплого периода 20 40 60 80 100 120 140 160

1 1

л Аг

у

ш / Ж/ К' /

!' Л/ 2

В В

Рис. 3. Глубины грунтовых вод при шлюзовании в разные по влагообеспеченности годы. Сравнение теоретических расчетов с моделированием: 1 - моделирование, 2 - расчет по формулам

н

Выводы

Шлюзование при напоре 0,5 м от поверхности земли существенно увеличивает влажность верхнего 25-сантиметрового слоя - до 0,7 от пористости, что даже превышает среднюю за год влажность на неосушенном болоте. Таким образом, достигается противопожарный эффект, поскольку высокая влажность обеспечивается и в очень засушливые годы. Это происходит благодаря подаче значительного количества воды на охраняемую площадь. В приведенном примере (метеостанция Черу-сти) подача воды составляла в среднем 322 мм слоя воды за 52 года, что соизмеримо со среднегодовым количеством атмосферных осадков за теплый период (см. табл. 1). Следовательно, целесообразно делать специальные водохозяйственные расчеты для нахождения объемов воды, необходимой для подачи на охраняемую площадь.

1. Доклад об особенностях климата на территории Российской Федерации за 2010 год / Ю. А. Израэль [и др.]. - URL: uploads/images/file_post_2208.pdf (дата обращения: 14.02.12).

2. Ученые: Экстремальная жара в России могла быть вызвана глобальным потеплением // Взгляд: деловая газета. - URL: http://vz.ru/news/2012/2/21/563117.

html (дата обращения:14.02.12).

3. Арцыбашев Е. С. Проблема пожаров на оторфованных лесных землях // Лесное хозяйство. - 2006. - № 5. - С. 38 с.

4. Данилов-Данильян В. И. Причины и уроки торфяных и лесных пожаров 2010 года // ОКО ПЛАНЕТЫ: информационно-аналитический портал. - URL: http://oko-planet.su/pogoda/listpogoda/58445-prichiny-i-uroki-torfyanyh-i-lesnyh-pozharov-2010-goda.html (дата обращения: 14.02.12).

5. Голованов А. И., Зимин Ф. М., Сме-танин В. И. Рекультивация земель; под редакцией А. И. Голованова. - М.: КолосС, 2009. - 325 с.

6. Берсенева А. Этот торф не затушишь, не залешь // Газета.ги. - URL: http://www. gazeta.ru/realty/2010/07/29_a_3402667. shtml (дата обращения: 14.02.12).

7. Сельскохозяйственные гидротехнические мелиорации / А. А. Богушевский [и др.]; под ред. Е. С. Маркова. - М.: Колос, 1981. - 375 с.

Материал поступил в редакцию 24.04.12. Голованов Александр Иванович, доктор технических наук, профессор Тел. 8 (499) 153-96-28

Студенова Кристина Сергеевна, аспирантка

Тел. 8-929-665-24-33

Е-mail: kristi11.05.88@rambler.ru

УДК 502/504 : 631.6

В. И. СМЕТАНИН, В. И. ХОХЛОВ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный университет природообустройства»

ИССЛЕДОВАНИЯ РАБОТЫ ВОДОПРИЕМНОГО СЛОЯ ДРЕНАЖНЫХ ТРУБ ИЗ ВОЛОКНИСТО-ПОРИСТЫХ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Приведены результаты исследований различных нетканых материалов, используемых в качестве водоприемного слоя дренажных труб.

Дренажные трубы, коэффициент фильтрации, кольматация, суффозия, водоприемный слой, дренажные трубы, волокнисто-пористые полимерные материалы, метод пневмоэкструкции, полиолефиновые волокна.

There are given research results of different nonwoven materials used as a water receiving layer of drain pipes.

Drain pipes, filtration factor, mudding,piping, water receiving layer, drain pipes, fibrous-porous polymer materials, method of pneumoextraction, polyolefin fibers.