Методика оптимизации технологий тушения низовых лесных пожаров

Таким образом, основными направлениями совершенствования системы охраны труда в организациях АПК РФ, использующих паровые и водогрейные котлы, могут быть:

- повышение качества монтажа, наладки модернизации или реконструкции котлов и их элементов путем привлечения специализированных организаций с квалифицированными специалистами и необходимым техническим оснащением;

- техническое освидетельствование и регулярная проверка контрольно-измерительных приборов и средств безопасности;

- разработка методики оценки технического состояния эксплуатируемого теплогенерирующего оборудования;

- пересмотр учебных планов и программ профессионального обучения и подготовки по охране труда обслуживающего персонала, лиц, ответственных за безопасную эксплуатацию котлов и ИТР; повышение контроля над качеством обучения;

- детальная переработка инструкций по охране труда для наиболее травмоопасных профессий;

- разработка методического сопровождения расследования несчастных случаев, происшедших при эксплуатации и обслуживании котлов малой мощности.

Литература

1. Производственный травматизм в АПК Российской Федерации // Базы данных по АПК России (каталог).

ВНИИОТ. - М.: Информагротех, 1999. - 72 с.

----------♦'------------

УДК 630*432.3.001.57 С.В. Комиссаров, С.Н. Орловский, И.В. Голубев

МЕТОДИКА ОПТИМИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЙ ТУШЕНИЯ НИЗОВЫХ ЛЕСНЫХ ПОЖАРОВ

В статье представлена методика выбора оптимальных по ряду критериев технологий тушения лесных пожаров. Предложен расчет технологии тушения конкретных пожаров с применением разработанной авторами новой компьютерной программы.

Общая площадь земель лесного фонда Российской Федерации составляет около 1180 млн га, или 69% ее территории. Она занимает одно из важнейших мест в мире по поглощению диоксида углерода и воспроизводству кислорода. Доля в их глобальной эмиссии составляет около 10% [1]. К сожалению, площадь земель лесного фонда РФ непрерывно уменьшается. Одной из причин сокращения покрытых лесом площадей являются лесные пожары. Проблема борьбы с ними является одной из наиболее актуальных в лесном хозяйстве. Лесные пожары являются угрозой не только лесу, но и человеку. В сезоны высокой горимости лесов пожары вызывают загорание прилегающих к лесам населенных пунктов.

Тушение лесных пожаров по существующим технологиям связано с использованием недостаточно производительного ручного труда, что приводит к увеличению выгоревших площадей. Для борьбы с лесными пожарами необходимы высокопроизводительные, энергосберегающие, экономически выгодные технологии. Актуальной проблемой является создание расчетных методов оптимизации технологий тушения лесных пожаров на различных стадиях их развития с обоснованием показателей существующей и проектируемой лесопожарной техники по экологическим и экономическим критериям.

В данной работе рассматривается разработанная авторами методика оптимизации технологий тушения лесных низовых пожаров, а также ее компьютерная реализация. Под оптимизацией в данном случае подразумевается минимизация затрат на тушение и ущерба от пожара. Рассматриваются только низовые пожары, так как они наиболее часто встречаются и для них существуют разработанные технологии тушения. В низовых лесных пожарах горение распространяется по напочвенному покрову и нижним ярусам лесной растительности, интенсивность горения может быть низкой, средней и высокой (с высотой пламени соответственно до 0,5 м, от 0,5 до 1,5 м, выше 1,5 м) [1].

Тушение лесного пожара складывается из ряда последовательно осуществленных тактических операций: остановка фронта пожара; его локализация; дотушивание и окарауливание. Под тушением пожара в статье подразумевается самая трудоемкая операция - локализация, что связано с проходкой замкнутого контура вокруг пожара. Технология тушения - это сочетание метода локализации с конкретным набором технических средств. Методы локализации могут быть следующими: прямой, косвенный с прокладкой заградительных полос, косвенный с отжигом от опорных полос. Различных технологий тушения существует сотни, но все их можно условно разбить на две большие группы с существенно разными затратами: с доставкой лесных пожарных и оборудования наземным транспортом и с доставкой по воздуху. Вторая группа технологий делится еще на две: с высадкой бригады пожарных к очагу горения и с тушением пожара непосредственно с воздуха. Таким образом, все технологии тушения в первом приближении делятся на три типа.

Для определения оптимального варианта применяемой на данном пожаре технологии тушения достаточно уметь точно моделировать его развитие. Под словами «точно моделировать» подразумевается в данном случае расчет для каждого момента времени вида пожара, геометрии горящей кромки, интенсивности пожара, скорости распространения горения. Из этих параметров, например, скорость распространения лесного пожара варьирует в больших пределах в зависимости от количества и вида горючего материала, рельефа местности, скорости ветра, времени суток, влажности и температуры воздуха, атмосферного давления и других факторов. Теоретически требуемое моделирование в настоящее время с применением ПК выполнить возможно, практически для этого необходимо иметь большой объем данных по конкретной лесной территории. Таких данных обычно не существует, поэтому для решения задачи оптимизации предлагается идти другим путем.

Описание методики. Разработанная методика оптимизации технологий тушения лесных пожаров содержит следующие основные положения:

1. Каждый лесной пожар задается следующим набором параметров: начальная площадь So очага горения в момент обнаружения; начальный периметр Ро; скорость роста периметра УР; длина естественного противопожарного барьера; интенсивность пожара; удаленность от базы, где находятся пожарные; расстояние до водоисточника; ценность леса на корню, который может сгореть.

2. Для возможности моделирования развития пожаров делаются следующие упрощающие предположения:

а) неизменность от времени формы очага горения;

б) постоянство скорости роста периметра пожара;

в) при наличии естественного противопожарного барьера принимается, что на разных этапах развития пожара он имеет одну и ту же долю от периметра.

3. Низкая точность исходных данных и загрубляющее влияние упрощающих предположений компенсируются следующим образом:

а) посредством варьирования исходных параметров пожара рассчитывается большое количество его различных моделей;

б) в результате определения оптимальных технологий для каждой модели становится возможным оценить каждый из параметров пожара по степени его влияния на окончательный выбор технологии;

в) несколько различных моделей пожаров объединяются в одну группу, если у них идентичные оптимальные технологии тушения, что повышает надежность выбора технологий.

4. Каждая технология должна характеризоваться следующими сведениями:

- к какому типу технологий она относится; какой метод локализации используется;

- с пожаром какой интенсивности технология может справиться; максимально возможное время непрерывной работы;

- чему равны удельные стоимости и скорости локализации очага горения, а также доставки лесных пожарных и оборудования к месту пожара.

В настоящее время хорошо разработана теория пожаров простой формы, например, эллипса [2-3]. С учетом теории пожаров формы эллипса с одним точечным источником предлагается рассматривать пожары произвольной формы. За один пожар может также приниматься несколько небольших близко расположенных пожаров. Основой для этого служат следующие утверждения:

1) Произвольной плоской геометрической фигуре, имеющей конечные площадь и длину границы, можно поставить в соответствие эллипс с такой же площадью и длиной границы (периметром).

2) При неизменной вытянутости эллипса, но при разных его размерах, отношение площади к квадрату периметра пожара сохраняется постоянным.

Характеристикой формы данного пожара будем считать коэффициент Кэ:

К, = 4п«„М2, 0 < К < 1,

где So - начальная площадь, км2; Ро - начальный периметр, км.

Упрощающее предположение 2а предполагает неизменность по времени коэффициента Кв. Вытяну-тость е эллипса однозначно определяется по коэффициенту Кэ.

VI - X4 , 0 < е < 1,

1

где X = — 3

1 + ^к~

' J

при Кэ = 1, е = 0 и данная геометрическая фигура - идеальный круг.

Если данный лесной пожар имеет фиксированную скорость роста периметра (Ур, км/ч), то эквивалентный пожар в виде эллипса имеет такую же скорость Ур , а также следующие скорости фронта Ур , м/мин и тыла Ут, м/мин

1 — е

Ур = Ур /

1 + е

где Ку « п

2

параметр х определяется по формуле (3).

При учете упрощающих предположений 2,б и 2,в, время локализации Тл данного пожара при помощи данной технологии находится в следующих пределах: ТЛ1 < ТЛ < ТЛ2,

Т = р0 + УР • (ТД + Т) п Т = р0 + УР • (ТД + Т) п

где Т л 1 = у ир; Т л2 у — у • _ ир;

л л р р

Тд - время доставки бригады к пожару, ч;

Бр - доля периметра, которую надо тушить, 0 < Бр < 1, при отсутствии естественного противопожарного барьера Бр = 1;

Ул - скорость локализации, км/ч;

Т - дополнительное время, ч;

Т = 0 при прямом методе локализации;

Т = (В2р/Ур + В2р/У Т )• КТ /120 при методе заградительных полос;

Т = (в0/ур + Б0/Ут )• Кт/ 60 при косвенном методе отжига;

Бгр ~ 20 м - расстояние от заградительной полосы до горящей кромки;

В0 ~ 10 м - ширина полосы отжига;

КТ - корректировочный коэффициент при вычислении времени локализации, при форме пожара близкой к эллипсу, КТ = 1.

Максимально возможная погрешность Д при определении времени Тл равна А = ТЛ2 — ТЛ1. Относительную погрешность 5 определения времени локализации оценим следующим образом:

^ =

Чем больше скорость локализации превышает скорость роста периметра, тем меньше погрешность у расчетного времени локализации. Если скорость локализации в два раза превышает скорость роста периметра, то относительная погрешность расчетного времени локализации меньше 1.

Примем далее, что время локализации пожара Тл определяется по максимуму и равно Тл2. На основе времени Тл определяются остальные параметры, характеризующие данную пару «пожар - технология его тушения»:

р = УЛ • ТЛ / Бр - периметр потушенного пожара, км;

е

Б = КБ  р2/(4л) - площадь потушенного пожара,

км

2

Т=Тд +Тл - время, через которое пожар будет потушен, ч;

и = 100 • Си • Б - ущерб от пожара, тыс. руб.;

1 = 2Тд •Сд + Тл-Сл - затраты на тушение, тыс. руб.

Используемые обозначения: Си - стоимость леса на корню, тыс. руб/га;

Сд - удельная стоимость доставки для данной технологии, тыс. руб/ч;

Сл - удельная стоимость локализации для данной технологии, тыс. руб/ч.

Определим далее полный набор исходных данных, необходимый для данной методики оптимизации. Это параметры всех технологий и параметры всех вариантов пожаров [4]. Каждая технология первого типа (только с наземным транспортом) имеет следующий набор параметров:

Мл, 1т, Тдтах, Тлтах, Сл , Сд , Ул , Угрв , Угрунт , Упр , Улес ,

где Мл - методы локализации: прямой (П), загр. полосы (К), отжига (Ко); 1т - интенсивность пожара, с кото-

рой может справиться данная технология (н -низкая, нс - низкая и средняя и т.д., нсв, св, с, в); Тдтах - максимально возможное время доставки к пожару. ч; Тлтах - максимально возможное время локализации, ч; Ул, - скорость локализации пожара, км/ч; Угрв,Угрунт, Упр, Улес - скорости доставки наземным транспортом соответственно по гравийным или грунтовым дорогам, просеке, лесу, км/ч.

Параметры технологий второго типа (доставка по воздуху, тушение с земли):

Мл, 1т, Тд тах, Тлтах, Сл , Сд , Ул , Уд, где Уд - скорость доставки бригады пожарных по воздуху, км/ч, остальные параметры прежние.

Параметры технологий третьего типа (доставка и тушение с воздуха):

Мл, 1т, Тдтах, Тлтах, Сл , Сд , Ус , Уд, Тсз , Lpз, Тмз ,

где Ус - скорость полета во время тушения, км/ч; Тсз - время, необходимое для забора воды, ч; Lpз - длина кромки, потушенной за один заход, км; Тмз - максимально возможное время перелета до водоема, ч.

Каждый пожар задается следующим набором параметров:

Эо, Кэ, Ур, Dp, Си, Кт , и, Lгpв, Lгpyнт, Lпp, LлЕc, ^1, Lc2, 1п , где 1А - расстояние до пожара по воздуху (км); Lгpв, Lгpyнт, Lпp, LлЕc - расстояние до пожара для наземного транспорта соответственно по гравийным дорогам, по грунтовым дорогам, по просеке, по лесу (км);

Lc2 - расстояние от пожара до водоемов соответственно для вертолетного танкера и для авиатанкера (км); 1п - интенсивность пожара (низкая, средняя, высокая).

Полное расстояние до пожара по земле: Lв = Lгpв+Lгpyн^+Lпp+LлЕc Доли разных участков общего пути: DL1 =Lгpв /Lв ; DL2 =Lгpyнт/Lв .

DL3 =Lпp / Lв ; DL4 =LлЕc / Lв .

Время доставки к пожару определяется по следующим формулам:

Тд =\-а!Уд - время доставки при использовании авиации, ч;

Тд = ^грунт + 'пр ^лес - время доставки наземным транспортом, ч.

Д У У У У

' грв угрунт ' ПР 'ЛЕС

Для технологий третьего типа - скорость локализации вычисляется по формуле: У л = 'рз/ (ТС 3 + 2 • ЬС /УС), где Lc=Lc1 для вертолетного танкера и Lc=Lc2 для авиатанкера.

Практический пример. Для анализа технологий авторами был составлен список как серийных, так и существующих в виде опытных и макетных образцов лесопожарных орудий и агрегатов в количестве 41 шт. Для каждой позиции списка рассматривались варианты применения и способы доставки, по которым рассчитывались показатели экономической эффективности применения, включающие приведенные затраты на локализацию кромки пожара.

Также определялись скорости движения при движении от места базирования лесных пожарных и технических средств пожаротушения к очагу горения. Всего для анализа было выбрано 180 технологий. Для включения в список новых средств механизации или технологий для них следует рассчитать приведенные затраты на эксплуатацию и доставку к месту лесного пожара. Рассматривалось 16 различных пожаров и 180 технологий тушения. Следующие параметры были постоянные: Эо = 0,5 км2; Си = 4 тыс. руб/га; Кт = 1; 1п = н; Тлтах = 8 час ; DL1 = 0,5; DL2 = 0,25; DL3 = 0,1; DL4 = 0,15. Результаты расчетов представлены в табл. 1.

Таблица 1

Результаты расчетов тушения моделей пожаров

і Р0 VP VF DP ІА LB Ітіпі 1т'т2 ІтіпЗ

1 2,507 1 0,377 1 1 10 20 1,085 1,312 1,402

2 2,507 1 0,377 1 1 100 150 13,513 13,739 13,786

3 2,507 1 0,377 1 0,5 10 20 0,960 1,061 1,102

4 2,507 1 0,377 1 0,5 100 150 13,421 13,525 13,549

5 2,507 1 1,885 5 1 10 20 1,549 2,022 2,067

6 2,507 1 1,885 5 1 100 150 13,626 14,260 14,320

7 2,507 1 1,885 5 0,5 10 20 1,131 1,404 1,427

8 2,507 1 1,885 5 0,5 100 150 13,460 13,652 13,684

9 2,558 0,96 0,192 1 1 10 20 1,051 1,244 1,321

10 2,558 0,96 0,192 1 1 100 150 13,505 13,722 13,756

11 2,558 0,96 0,192 1 0,5 10 20 0,950 1,041 1,071

12 2,558 0,96 0,192 1 0,5 100 150 13,418 13,522 13,540

13 2,558 0,96 0,961 5 1 10 20 1,297 1,520 1,735

14 2,558 0,96 0,961 5 1 100 150 13,555 13,909 13,948

15 2,558 0,96 0,961 5 0,5 10 20 1,008 1,158 1,217

16 2,558 0,96 0,961 5 0,5 100 150 13,437 13,577 13,599

Окончание табл. 1

і иі и2 из S Т Пех1 Пех2 ПехЗ

1 412,50 412,50 412,50 1,03 2,90 61 64 71

2 258,62 320,70 286,23 0,65 0,91 65 141 75

3 331,12 331,12 331,12 0,83 1,91 61 64 71

4 246,29 286,24 258,62 0,62 0,73 65 141 75

5 371,50 506,94 1050,65 0,93 0,48 65 175 141

6 688,05 916,18 1898,8 1,72 1,14 65 175 141

7 2388,2 2388,24 278,90 5,97 3,27 61 64 65

8 516,56 790,82 688,05 1,29 0,81 65 141 75

9 286,94 286,94 286,94 0,72 2,63 61 64 71

10 227,87 282,06 239,52 0,57 0,90 65 141 75

11 258,70 258,70 340,27 0,65 1,83 61 64 135

12 222,36 266,80 227,87 0,56 0,72 65 141 75

13 1480,7 269,25 1480,7 3,70 4,58 61 65 64

14 377,46 620,51 506,29 0,94 0,99 65 141 75

15 692,14 692,14 692,14 1,73 2,29 61 64 71

16 330,75 444,04 377,46 0,83 0,76 65 141 75

Параметры восьми лучших технологий, выбранных компьютерной программой, представлены в табл. 2.

Таблица 2

Параметры восьми лучших технологий тушения лесных низовых пожаров

і Технология Мі ІТ Тд.тах Сл, Сд Vл Vграв км/ч Vгр, км/ч Vпр, км/ч Vлес, км/ч

61 ВЛП-20, М, П, 1 П нс 3 0,126 0,39 2 50 30 15 5

64 ВЛП-20,М,П,2 П нс 3 0,252 0,39 2 50 30 15 5

65 ВЛП-20,С,П,4 П нс 2 0,504 12 8 180 - - -

71 ВЛП-2.5,М,П,2 П нс 3 0,302 0,39 2 50 30 15 5

75 ВЛП-2.5,С,П,4 П нс 2 0,604 12 4 180 - - -

135 МР-30,М,0,1* Ко нсв 3 0,115 0,39 0,9 50 30 15 5

141 МР-30,С,0,4* Ко нсв 2 0,46 12 3,6 180 - - -

175 Пп шнек,С,О,4* Ко нсв 2 1,036 12 6 180 - - -

Результаты группирования пожаров по номерам трех лучших технологий представлены в табл. 3.

Таблица 3

Группированные оптимальные технологии по минимуму затрат на тушение

Номер группы I \ех1 I tex2 I tex3 Количество пожаров в группе

1 61 64 71 4

2 61 64 65 1

3 61 64 135 1

4 61 65 64 1

5 65 141 75 7

6 65 175 141 2

Сокращения в названии технологий: ВЛП-20, М, П,1; ВЛП-20, М, П, 2; ВЛП-20, С, П, 4 - воздуходувки лесопожарные ВЛП-20, М, С - доставка на мотоцикле или самолете, П - прямое тушение, 1, 2,...4 - количество орудий в бригаде; ВЛП-2,5 - воздуходувки лесопожарные ВЛП - 2,5, МР-30 - орудие для прокладки опорных полос в зеленомошных лесах на базе бензопилы «Урал», Пп шнек - полосопрокладыватель шнековый на базе бензопилы «Тайга-214»

По данным табл. 3 пожар на удалении до 10 км может быть локализован усилиями лесников с одной воздуходувкой ВЛП-20 сбиванием пламени высокоскоростной воздушно-жидкостной струей (технология 61). Для удаленных пожаров оптимальна доставка самолетом АН-2 группы парашютистов в составе 5 человек с четырьмя воздуходувками ВЛП-20 (технология 65).

Для самой большой группы пожаров (№ 5) оптимальное тушение возможно одними и теми же технологиями (65, 141 и 75). Для всей этой группы исходные данные: удаление очага горения от базы авиационной охраны лесов 100 км, форма очага горения произвольная, противопожарный барьер DP от 1 до 0.5.

Выводы

С применением приведенной выше методики предполагается решать следующие задачи:

1) при обнаружении лесного пожара производить оперативный выбор оптимальных технологий его тушения из имеющихся вариантов;

2) для данного лесного пожара и данной выбранной технологии прогнозировать временя тушения и затраты, размеры выгоревших лесных площадей и нанесенного ущерба;

3) для данного лесопожарного региона производить анализ на применимость существующих технологий и определение необходимого оптимального набора технологий тушения пожаров.

4) в принятых лесорастительных условиях определять эффективность применимости проектируемых или планируемых к приобретению лесопожарных машин, оборудования, технологий их использования и доставки к очагу горения.

Литература

1. Указания по обнаружению и тушению лесных пожаров. - М.: Федеральная служба лесного хозяйства России, 1995. - С. 84-85.

2. Доррер, Г.А. Математические модели динамики лесных пожаров / Г.А. Доррер. - М.: Лесн. пром-сть, 1979. - 160 с.

3. Доррер, Г.А. Математическое моделирование процессов распространения лесных пожаров и борьбы с ними / Г.А. Доррер, С. В. Ушанов // Лесн. журн. - 2000. - № 2. - С. 31-36.

4. Комиссаров, С.В. Подход к оптимизации тушения лесных пожаров // С.В. Комиссаров, С.Н. Орловский, В.Я. Ряполов// Тр. III Всерос. науч.-практ. конф. Т. 2. - Красноярск: ИВМ СО РАН, 2003. - С. 130-134.

♦