Методика прогнозирования опасного воздействия торфяных пожаров на участников транспортного процесса автомагистралей

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ПРОИЗВОДСТВА ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

УДК 504.3.054:656.11 МЕТОДИКА ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ОПАСНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ТОРФЯНЫХ ПОЖАРОВ НА УЧАСТНИКОВ ТРАНСПОРТНОГО ПРОЦЕССА

АВТОМАГИСТРАЛЕЙ

В.Д. Тимофеев1, Е.С. Кобелев2, В.Н. Ложкин3

ФГБОУВО «Санкт-Петербургскийуниверситет ГПСМЧС России», 196105, Россия, Санкт-Петербург, Московский проспект, д. 149,

В работе приводится описание чрезвычайно опасных ситуаций, возникающих на автомагистралях, попадающих в зону влияния торфяного пожара. На основе анализа моделирования загрязнения воздуха, обосновывается расчетная методика прогнозирования эмиссии токсичных веществ с поверхности торфяника.

Ключевые слова: автомагистраль, торфяной пожар, смог, угарный газ, опасное загрязнение воздуха, транспортный коллапс, моделирование

A TECHNIQUE FOR PREDICTING THE HAZARDOUS EFFECT OF PEAT FIRES ON PARTICIPANTS IN THE TRANSPORT PROCESS OF MOTORWAYS

V.D. Timofeev, E.S. Kobelev, V.N. Lozhkin

Saint-Petersburg University of State Fire Service ofEMERCOM of Russia The paper describes emergencies occurring on roads situated in the areas exposed to peat-bog fires. The paper analyses modeling approaches for the assessment of air pollution from different sources and describes a calculation method for the estimation and the forecast of emission of toxic substances from peat-bog fires and their subsequent transfer (diffusion) to the roads.

Keywords: road, peat-bog fire, smog, carbon monoxide, dangerous air pollution, traffic collapse, modeling.

Введение. В обеспечении безопасности развития регионов России [1] особое внимание уделяется профилактике лесных, в частности, торфяных пожаров, на основе прогнозирования последствий их негативного воздействия. Горение торфа происходит под землей без открытого огня при недостатке кислорода с обильным выделением угарного газа (СО), мелкодисперсных частиц РМ25 и РМ10. Если торфяной пожар развивается в окрестности автомагистрали, то смог затрудняет дыхание, уменьшает видимость, приводит к чрезвычайной ситуации - транспортному коллапсу. Такая ЧС наблюдалась зимой в течение длительного времени с 26.10.15 г. по 07.01.16 г. в Усольском районе Иркутской области при горении торфяников вблизи федеральной автомагистрали «Сибирь» на общей площади более 25 га.

Методологическое обеспечение мониторинга и прогнозирования ЧС подобного типа сдерживается недостаточной изученностью физического механизма переноса и распространения опасных веществ при торфяном пожаре, невозможностью проведения измерений на горящих торфяниках из-за опасности провала исследователей в горящую подземную лаву, отсутствием экспериментально-расчетных методик для оценки чрезвычайных воздействий от торфяного пожара, учитывающих одновременно влияние вредных веществ на организм человека, уменьшение дальности видимости, вследствие задымления трассы и, как следствия, -повышения риска ДТП. Все это не позволяет прогнозировать и объективно оценивать чрезвычайно опасные ситуации на дорогах в окрестности горящих торфяников.

1 Тимофеев Владимир Дмитриевич - капитан внутренней службы, начальник 3 курса факультета инженерно-технического, СПбУГПС МЧС России, тел. +7 (812) 369-55-18, е-mail: timofeev-v-d@yandex.ru;

2Кобелев Евгений Сергеевич - старший сержант внутренней службы, старшина 3 курса факультета инженерно-технического, СПбУГПС МЧС России, тел. +7 (812) 369-55-18, е-mail: evgenser1997@gmai.com

3Ложкин Владимир Николаевич - доктор технических наук, профессор, профессор кафедры пожарной, аварийно-спасательной техники и автомобильного хозяйства СПбУ ГПС МЧС России, тел. +7 (812) 369-55-18, е-mail: vnlojkin@yandex.ru

Характеристика транспортного коллапса в Усольском районе Иркутской области, как объекта характерной ЧС. Транспортный коллапс проявлялся в следующих конкретных чрезвычайных явлениях. Движение на трассе «встало». По обеим сторонам опасного участка дежурили автомобили ДПС. Движение было организованно только большегрузного транспорта группами со скоростью 5 км/ч в колоннах по 8-12 машин с сопровождением после десятиминутного инструктажа инспекторов ГИБДД. Остальные автомобили осуществляли движение через объезд по дороге Большая Елань-Тельма.

Для тушения был создан штаб на месте ЧС, привлечены силы и средства Иркутского гарнизона ПО, группировка сил территориальной подсистемы РСЧС. Было пробурено две скважины для обеспечения водой.

С 21.12.2015 по 07.01.2016 был веден режим чрезвычайной ситуации на территории Белореченского МО, Тельминского МО, Железнодорожного МО, Большееланского МО, Новожилкинского МО. Остановить горение удалось только благодаря погоде. Пожар был потушен в результате смешивания верхних слоев мерзлого грунта, тлеющего торфа и снега.

Аналитическая модель прогнозирования процессов образования, эмиссии, диффузии и воздействия ЗВ в окрестности автомагистрали. На рис. 1 представлена блок-схема реализации разработанного комплексного информационного процесса расчетного прогнозирования чрезвычайно опасного воздействия торфяного пожара в окрестности автомагистрали.

1)Данные о выделении ЗВ при горении торфа

2)Параметры Торфяника, как источника ЗВ

ч.

6)Физическая и математическая модель эмиссии ЗВ от торфяника (г/с) ЗВ торфяником

3)Геоинформа ционные данные местности

8)Решения уравнения атмосферной диффузии ЗВ

4)Данные о характере и физических свойствах пожара

5)Характерист ики климата, метеорологии

7)Обоснование физической и математической моделей диффузии ЗВ

13)Разработка компенсирующих мероприятий для ослабления негативного воздействия торфяного пожара

-

Рисунок 1 - Блок-схема алгоритма прогнозирования чрезвычайно опасного воздействия торфяного пожара на участников дорожного движения (химическое загрязнение воздуха и

ДТП)

По данным выделения ЗВ при горении кам местности (3), сведениям о характере и фи-торфа (1), параметрам торфяника, как источни- зических свойствах пожара (4), климатических ка ЗВ (2), геоинформационным характеристи- и метеорологических условиях миграции пол-

лютантов уточняются физическая и математическая модели ЧС (6).

Процесс диффузии ЗВ (7) с учетом неблагоприятных метеорологических условий, способствующих развитию ЧС (5), моделируется дифференциальным уравнением атмосферной диффузии (К-теория), которое решается методом, предложенным Берляндом, при помощи программы ЭКОЛОГ фирмы Интеграл (8). По расчетным данным на основе ГИС строится карта концентраций ЗВ на автомагистрали и прилегающих населенных пунктах (9). Определяются превышения ПДКмр ЗВ (11).

По модели влияния концентрации смога на дальность видимости (10) производятся оценки дальности видимости на участках автомагистрали, попадающих в зону влияния торфяного пожара, с последующим построением карт риска возникновения ДТП (12).

Исходные данные, обоснование модели и результаты численных оценок.

1)Данные о выделении ЗВ при горении

торфа.

Данные о количественном составе ЗВ, выделяющихся при горении торфа, получались экспериментально путем сжигания навесок торфа

Таблица 1 - Состав и удельная масса продуктов горения торфа

4) Данные о источнике и характере горения.

Тип источника - площадной, совокупность точечных, не организованный);

тип горения (открытое, подземное) -определяется визуально, экспертным путем;

температура в очаге пожара - определяется экспериментально.

5)Данные неблагоприятных метеорологических условий, способствующих развитию ЧС.

Метеорологические условия, характерные для данной территории: скорость ветра, температура, коэффициент стратификации -определяются исходя из условий ЧС, расположения пожара относительно автомагистрали и населенных пунктов, времени года.

6) Оценка интенсивности выброса ЗВ торфяным пожаром.

Скорость выхода продуктов горения определяется по формуле: 5 • Н • р • в

М =

•0,41 , г/с,

T

Наименование вещества Удельный выход поллютан-та

СО, г/кг СО2, г/кг NxOy, г/кг акролеин, г/кг

торф 410 120 1,7 1,4

2)Параметры торфяного пожара как источника ЗВ.

Площадь пожара определяется измерениями на местности

S = 0,8- а • Ь,

где: а - длина очага пожара; b - ширина очага пожара; 0,8 - коэффициент, учитывающий неровность границ очага пожара.

Тип торфа и мощность его залегания определяется по данным геологических исследований.

3)Геоинформационные данные местности

Определение местоположения очага

пожара и ландшафта окружающей территории осуществляется с помощью онлайн ГИС-сервисов

Где: 8 - площадь очага возгорания торфяника; Н - глубина торфяной залежи; р - плотность

торфа; В - безразмерный коэффициент, показывающий долю сгоревшего торфа (от 0 до 1); Т - время горения торфа;

7) Обоснование модели диффузии ЗВ в окрестности автомагистрали.

Для реальных условий протекания процесса горения торфяного пожара и переноса ВВ в окрестности автомагистрали, целесообразно учитывать турбулентные потоки, когда количество движения переносится макрообъёмами воздушных масс с выделением средних значений концентраций ВВ и пульсационных отклонений от них наряду со средними величинами и флуктуациями скоростей движения воздуха [2]. Переходя от уравнения диффузии для мгновенных концентраций к уравнению турбулентной диффузии для средних значений концентраций, получается формализация изменения средних значений концентраций по уравнению:

д q д q д q д q

--ъ u--ъ v--ъ w-

д t дх ду д z

д х

д q дх ду

д д q

~k, + -z

ду д z д z

д д q

к _--а q

где: х и у - оси расположенные в горизонтальной плоскости; z - ось по вертикали; ^ - время; и, V, w - составляющие средней скорости перемещения ВВ соответственно по направлению осей х, у, z; кх, ку, kz - горизонтальные и вертикальная составляющие коэффициента обмена; а - коэффициент, определяющий изменение

д

к

концентрации за счёт вероятного химического превращения примеси.

Для решения конкретной задачи торфяного пожара уравнение (3) можно существенно упростить. В установившемся режиме можно

принять ^ = о. Если ось ориентировать в

51

направлении ветра, то у = 0. Вертикальные движения в атмосфере над однородной подстилающей поверхностью окажутся сравнительно малыми и могут не учитываться. Будем считать ось г направленной вверх, поэтому для тяжелых частиц, имеющих собственную скорость осаждения w (со знаком «-»), - равной этой скорости, а для лёгких фракций, не имеющих собственной скорости осаждения, принять w = 0.

При наличии ветра можно пренебречь членом, учитывающим диффузию по оси х, поскольку в этом направлении диффузионный поток окажется значительно меньшим конвективного. Таким образом, для установившейся диффузии в условиях горизонтальной однородной местности после отмеченных упрощений уравнение (2) приобретает вид:

5 д 5 д 5

и-+ V-= — к

5 д

5

к

5 д

5 х

5 z 5 z 5 z 5у 5у

- ад .

ид = М 5(у )5 (z - Н ) , при X = 0, (5) где М - выброс вещества от источника в единицу времени.

По определению, 5-функция удовлетворяет соотношению

ь

| р(%)5(% - а)й% = <р(а), при значе-

а

ниях а, попадающих в интервал (а, Ь) и

ь

| р (% )5 (% - а ^% = 0 , 5 - при других

а

значенияха. Здесь р(%) - некоторая произвольная функция.

Граничные условия на бесконечном удалении от источника принимаем в соответствии с вероятным предположением о том, что тогда концентрация убывает до нуля:

Я — 0

д — 0

при

г —

да

да

В уравнении (3) для ВВ, не имеющей собственной скорости осаждения ^ = 0), второй член в левой части исчезнет. При отсутствии химического метаболизма ВВ, например угарного газа (а =0), исчезнет и последний член правой части. При наличии в атмосфере вертикальных течений член приобретет другое физическое толкование, - поскольку включает вертикальную составляющую скорости движения. При холмистом рельефе направление ветра окажется не горизонтальным и потребуется учитывать член

5 5 а

—К .

5 х 5 х

Уравнение (4) имеет первый порядок по переменной х и второй порядок по переменным у и г. М. Е. Берлянд предложил в качестве начального условия принимать известный конвективный поток ВВ, поступающего от источника в атмосферу, и для описания точечного источника (а торфяной пожар можно стилизовать совокупностью точечных равномерно распределенных источников) вводить 5-функцию[3]. Это условие для точечного источника, расположенного в точке х = 0, у = 0, и г = Н, записывается как:

При формулировке граничного условия на подстилающей поверхности необходимо выделить случаи, когда ВВ распространяются над поверхностью, поглощающей их (например, если в окрестности автомагистрали окажется водная поверхность), и поэтому концентрация ВВ непосредственно у её поверхности будет равна нулю

д — 0 при г — 0. (8) Будем предполагать относительно слабое взаимодействие ВВ с поверхностью почвы. То есть, попав на поверхность почвы, ВВ может не накапливаться на ней, а с турбулентными вихрями покидать ее. Принимаем также, что средний турбулентный поток ВВ у земной поверхности мал, то есть

к

5 д 5 z

= 0 при г = 0.

При исследовании переноса ВВ в атмосфере важно определить момент времени, по достижении которого процесс диффузии приобретает стационарный характер. Будем использовать для изменения концентрации ВВ от «мгновенного источника» уравнение с другими обозначениями:

5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 -+ и-+ V-= — к2-+-к2-,

5 / 5 х 5 z 5 z 5 z 5у 5у

с граничными условиями:

5 в

к -= 0 „

z gz при г = 0,

8 = 0 при г — да и I у I —^ да.

+

Для мгновенного источника мощностью М в точке х = 0, у = 0, и z = Н в качестве начального условия примем:

5 = М 5( х )5( у )5( г - Н ) при I = 0. (11) Источник вредных выбросов можно в общем случае рассматривать как источник конечного времени действия. Используя принцип суперпозиции и полагая для упрощения скорость ветра и постоянной, получим, что к моменту времени ^ концентрация от источника, действующего в течение периода будет определяться соотношением:

Ти

о

Из этого соотношения в силу свойств 5-функции следует, что

5 = д С —, у, г 1 для г > — ^ и ) и

] = о . Отсюда, -

При этом д удовлетворяет уравнению для установившегося состояния (4) при

стационарный режим

I* 1. = о

достигается в случае торфяного пожара при

.г

/ > — . Как правило, время наблюдения ( после

и

начала действия источника больше времени, необходимого для прохождения примеси до точки наблюдения (измерения), определяемого

х

соотношением . Поэтому достаточно огра-

и

ничиться получением решения для установившегося режима [4].

8)Решение дифференциального уравнение атмосферной диффузии методом Берлянда при помощи программы ЭКОЛОГ

Из структуры уравнений атмосферной диффузии следует, что при фиксированных параметрах источника сохраняющейся примеси ЗВ изменение концентрации ее в атмосфере над торфяником при его горении определяется турбулентным обменом и скоростью ветра. При прогнозе загрязнения воздуха в окрестности автомагистрали основной интерес представляет определение ожидаемых концентраций у поверхности, в «жизнедеятельном» слое атмосферы.

В этой связи, при «стилизации» объекта торфяного пожара в геометрическую форму площадного источника модель расчета полей концентраций можно свести к упрощенной эм-

пирической формуле, полученной сотрудниками ГГО им А.И. Воейкова на основе многолетних исследований и применяемой в действующем нормативном документе ОНД-86 [5]: АМРтп г] Н2

где: См - концентрация ВВ, г/м3; М- мощность источника загрязнения, г/с; ДТ- разность температур, 0С; ^ - безразмерный коэффициент, учитывающий скорость оседания загрязняющих веществ в атмосфере; А - коэффициент, зависящий от температурной стратификации атмосферы, ; V - расход газовоздушной смеси, выделяемой с поверхности торфяника (м3/с); коэффициенты т и п выражаются интерполяционными формулами; ^ - коэффициент, зависящий от скорости осаждения ВВ .

9) Результаты расчетных оценок загрязнения воздуха на автомагистрали и в населенных пунктах ее окрестности в долях ПДКМР.

На рис. 2, в качестве примера, показаны изолинии превышения концентраций СО в долях ПДКМР в окрестности автомагистрали «Сибирь» во время, ранее упомянутого, транспортного коллапса.

0337 Углерод оксид 5000 ЮООО

ЮООО 15000

.............1

О 0,05 0,10 0.20 0,30 0.40 0,50 0,60 0,70 0.00 0,00 1 1,50

Рисунок 2 - Расчетный прогноз загрязнения СО торфяного пожара в окрестности федеральной трассы «Сибирь»

10)Расчет дальности видимости по концентрации взвешенных дымовых частиц. Расчет по формуле Траберта [6]

аг

ния торфяного пожара и построение карты риска ДТП.

Расчет дальности видимости в условиях задымления сводится к определению «видимого горизонта». На протяжении всего периода горения задымление на автомагистралях, попадающих в зону торфяного пожара, изменяется соответственно концентрации взвешенных дымовых частиц в атмосфере. С уменьшением дальности видимости увеличивается риск ДТП.

Численные оценки опасного воздействия торфяного пожара на транспортный процесс по разработанной методике.

Пример 1. Расчет значений концентраций для реальных условий ЧС в Иркутской области.

Исходные данные ЧС.

Тип источника загрязнения - совокупность точечных источников («дымовых гейзеров») Площадь очага горения - 25 га. Отдаленность от автомагистрали - 2,5км. Время года - зима Скорость ветра - 5 м/с Диапазон температур - -10 - -20С Коэффициент стратификации для данной территории - 180

Скорость выхода газо-воздушной смеси - 5м/с Мощности выброса: СО - 115 г/с; РМ2,5 - 15 г/с; РМ10 - 20 г/с

Таблица 3 - Сравнительный анализ полученных результатов с реальными измерениями службами Росгидромета во время ЧС

п. Тельма п. Железнодорожный ФАД Р-255 «Сибирь» 1820 км ФАД Р-255 «Сибирь» 1822 км ФАД Р-255 «Сибирь» 1824 км

Значения измерений СО службами Росгидромета, мг/м3 0,5 0,6 0,6 0,7 0,7

Значения концентраций СО, полученных при расчетах для реальных условий ЧС, мг/м3 0,56 1,22 1,73 1,57 1,31

Значения концентраций РМ2,5, полученных при расчетах для реальных условий ЧС, мг/м3 0,1 0,21 0,3 0,27 0,23

Значения концентраций РМ10, полученных при расчетах для реальных условиий ЧС, мг/м3 0,15 0,32 0,45 0,41 0,34

Полученные значения концентрации СО измеренных на местности объясняется тем, что

были сопоставлены со значениями реальных расчет сделан в предположении неблагоприят-

измерений службами Росгидромета. Отличие в ного (для рассеивания) направления ветра. большую сторону расчетных результатов от

где: Ьу - дальность видимости; а1 - размерная константа; - сумма площадей поперечных сечений частиц аэрозоля, содержащихся в единице объема воздуха.

Формула (15) с учетом обоснованных допущений приводится к виду

Ьу=а — • г ,

ч

где а -размерная константа. д (мг/м3) - массовая концентрация аэрозоля в воздухе, р(г/см3) -плотность частиц аэрозоля.

11)Действующие ПДКмр ЗВ на автомагистрали и в населенных пунктах ее окрестности

Таблица 2 - ПДКмр идля ЗВ, выделяющихся при горении торфа

№ п/ п Наименование вещества ПДК

Максимальная разовая Среднесуточная Среднегодовая

1 Угарный газ СО 5,0 3,0 -

2 Взвешен-

ные части- 0,3 0,06 0,04

цы РМю

3 Взвешен-

ные части- 0,16 0,035 0,025

цы РМ2.5

12)Расчет дальности видимости на участках автомагистрали, попадающих в зону влия-

Пример 2. Расчет значений концентраций для гипотетического неблагоприятного развития ЧС в Иркутской области.

Тип источника загрязнения - совокупность точечных источников

Площадь очага горения - 25 га. Отдаленность от автомагистрали - 2,5

км.

Время года - зима Скорость ветра - 2,2 м/с Диапазон температур - -10 - -20 С Коэффициент стратификации - 250 Скорость выхода газо-воздушной смеси

- 5 м/с

Мощности выброса: СО - 115 г/с; РМ2,5 - 15 г/с; РМ10 - 20г/с

Таблица 4 - Сравнительный анализ полученных результатов с реальными измерениями службами Росгидромета при неблагоприятном развитии ЧС

п. Тельма п. Железнодорожный ФАД Р-255 «Сибирь» 1820 км ФАД Р-255 «Сибирь» 1822 км ФАД Р-255 «Сибирь» 1824 км

Значения концентраций СО, 3,17 6,09 8,15 7,47 6,47

полученных при расчетах для НМУ, мг/м3

Значения концентраций 0,71 1,37 1,83 1,68 1,46

РМ2,5, полученных при расчетах для НМУ, мг/м3

Значения концентраций 0,79 1,57 2,04 1,87 1,62

РМ10, полученных при расчетах для НМУ, мг/м3

Анализ данных таблиц 3 и 4 свидетельствует о том, что при неблагоприятном развитии ЧС опасность последствия торфяного пожара для участников дорожного движения может возрасти в несколько раз.

Во время ЧС дальность видимости составляла, в среднем, 50-100 м, а временами уменьшалась до 5 м. Движение по трассе полностью останавливалось, особенно в утреннее и вечернее время, когда задымленность усугублялась густым туманом. Во время ЧС на трассе «СИБИРЬ» произошло ДТП с единовременным участием 13-ти автомобилей. Всего за время ЧС

Вывод.

Разработанная методика и данные, полученные на ее основе в настоящем исследовании, могут быть использованы при прокладке автомагистралей в заболоченных регионах страны.

Литература

1. Доклад Министра РФ по делам ГО и ЧС В. А. Пучкова «О долгосрочных перспективах развития системы МЧС России (МЧС-2030)», рассмотренный 30.10.2012 г. на заседании Экспертного совета МЧС

России [Электронный ресурс] : http://www.region-60.ru/novosti/zhizn/6556029/

2. Берлянд М. Е. Современные проблемы атмосферной диффузии и загрязнения атмосферы, Л.: Гидрометеоиздат, 1975. - 448с.

3. Берлянд М. Е., Генихович Е. Л., Оникул Р. И. Моделирование загрязнения атмосферы выбросами из низких и холодных источников. - Метеорология и гидрология. - 1990. - № 5. - С. 5-16.

4. Lozhkina O. V., Lozhkin V. N. Estimation of road transport related air pollution in Saint Petersburg using European and Russian calculation models / Journal Contents lists available at ScienceDirect «Transportation Research Part D», № 36, 2015. - p. 178-189, journal homepage: www.elsevier.com/ locate/t.

4. Общесоюзный нормативный документ «Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий». - Л.: Гидрометеоиздат, 1987. - 93с.

5. Оникул Р.И., Яковлева Е.А. О расчете дальности видимости при существенном антропогенном аэрозольном загрязнении воздуха у земной поверхности. - Вопросы охраны атмосферы от загрязнения: Информационный бюллетень. -СПб: НПК «Атмосфера», 2010. - №1-2(41-42) - 143-164с.

6. Evidence growing of air pollution's link to heart disease, death. American Heart Association. May 10, 2010.