Submit manuscript Sign in / Sign up
Advanced search
Article sections

AN ASSESSMENT OF SPONTANEOUS COMBUSTION IN THE FORESTS OF TOMSK OBLAST FROM EXPOSURE TO POLLUTANTS

Research article
Chaldaeva E.I.
DOI:
https://doi.org/10.23670/IRJ.2021.108.6.031
Issue: № 6 (108), 2021
Published:
2021/06/17
PDF

ОЦЕНКА САМОВОЗГОРАНИЯ ЛЕСОВ ТОМСКОЙ ОБЛАСТИ ОТ ВОЗДЕЙСТВИЯ ЗАГРЯЗНИТЕЛЕЙ

Научная статья

Чалдаева Е.И.*

Томский политехнический университет, Томск, Россия

* Корреспондирующий автор (katerino4ka_94[at]mail.ru)

Аннотация

Статья посвящена проблеме возникновения самовозгораний лесного массива Томской области. Рассмотрены принципы и проедена оценка пожарного риска возгорания лесных массивов Томской области от воздействия загрязнителей. В качестве объектов выбраны образцы пород – лесных подстилок лесного массива Сибирского региона (опада пород, представляющих собой лесной горючий материал). Предметом исследования является время индукции процесса самовозгорания выбранных образцов пород лесного горючего материала. Исследования выполнены с помощью экспериментальной установки, собранной в лабораторных условиях. Получена степенная функция, послужившая основой для оценки вероятности возникновения самовозгораний и оценке пожарного риска.

Ключевые слова: загрязнитель, лесной массив, самовозгорание.

AN ASSESSMENT OF SPONTANEOUS COMBUSTION IN THE FORESTS OF TOMSK OBLAST FROM EXPOSURE TO POLLUTANTS

Research article

Chaldaeva E.I.*

Tomsk Polytechnic University, Tomsk, Russia

* Corresponding author (katerino4ka_94[at]mail.ru)

Abstract

The article is devoted to the problem of spontaneous combustion of the forest area of the Tomsk region. The study examines the principles and conducts an assessment of the risk of forest fires in Tomsk Oblast from the impact of pollutants. The authors selected samples of rocks – forest floor of the Siberian forest area (the fall of rocks that represent forest combustible material). The subject of the study is the time of induction of the spontaneous combustion process of selected samples of forest fuel material. The studies were carried out using an experimental setup assembled in the laboratory. As a result, a power function was obtained, which served as the basis for estimating the probability of spontaneous combustion and fire risk assessment.

Keywords: pollutant, forest area, spontaneous combustion.

Введение

Проблема в области возникновения и распространения лесных пожаров является актуальной. Наибольшее внимание в настоящее время уделяется вопросам вычисления времени индукции процесса самовозгорания, что имеет практический интерес: предотвращение возникновения пожаров в условиях природной среды и аварий на производстве. Оно вызывает интерес ученых с конца XIX-го века, и по сей день.

Оценка пожарного риска позволяет своевременно определять пожарную опасность [2]. В литературе [3] известны различные примеры самовозгораний угольных объемов, лесных материалов и сухостоев [4]. Самовозгорание – одна из самых главных причин возникновения пожаров в условиях природной среды. [1] Рассматриваемая лесная подстилка (опад пород) в Томской области – объект возникновения природной чрезвычайной ситуации.

Расчетные величины пожарного риска определяются с использованием методик, утвержденных МЧС Российской Федерации.

Общие методики оценки риска должны содержать порядок:

а) анализа пожарной опасности объекта защиты;

б) определения частоты реализации пожароопасных ситуаций;

в) построения полей опасных факторов пожара для различных сценариев его развития;

г) оценки последствий воздействия опасных факторов пожара на людей для различных сценариев его развития;

д) вычисления пожарного риска.

Данные исследования развивают прикладные направления теории рисков при определении пожарной опасности именно в лесах Томской области с учетом особенностей климатических условий, растительности и почв, что придает теоретическую значимость исследований.

Формулировка общей прогностической модели развития лесных пожаров ставит много новых широкомасштабных задач.

Основная часть

Объектом исследования стала кора березы и хвоя сосны.

Определение температуры самовозгорания проводится с помощью ГОСТ 12.1.044-89 «Пожаровзрывоопасность веществ и материалов» [1]. Исследования выполнены с помощью экспериментальной установки, собранной в лаборатории Томского политехнического университета, включающей в себя определение времени индукции процесса самовозгорания твердых лесных горючих материалов с точки зрения пожаро- и взрывоопасности, изучения особенностей самовозгорания различных составов лесной подстилки, характерной для лесов Томской области. Работа выполнена в масштабе температур от 40°С до 450°С.

При выполнении опытной части исследования образец помещен в медный контейнер толщиной около 10 мм и отправлен в специальную камеру. Рабочее место лаборатории удовлетворяет требованиям пожарной безопасности и санитарно-гигиеническим требованиям.

В качестве методов исследования применялся аналитический обзор информации по теме исследования и темам смежным с областью обеспечения пожарной безопасности в условиях лесных насаждений, а также обзорная часть статистики лесных пожаров по региону Томской области.

Проблемой пожарной безопасности в лесах становится то, что с позиции теплофизики большинство органических материалов при сочетании ряда условий могут самовозгораться. Это подтверждает практика самовозгорания хлопка, угля, пыли на элеваторах и в зернохранилищах, торфов в болотистых местностях по территории Томских лесов [8].

Авторы [9] отмечают, что в слоях породы определенного размера происходят процессы самонагревания и подъема температуры за счет реакций с выделением определённого количества теплоты – экзотермическая реакция. Отсюда и возникает проблема исследовательской работы – каким образом данное самовозгорание предотвратить. В том числе, актуальной задачей становится уменьшение влияния антропогенного загрязнения в лесах.

При исследовании березовой пыли массой 2,5 г, объемной плотностью 0,05г/см3 при постоянной температуре окружающего воздуха в 23°С и влажности в лаборатории равной 65%, по измененным физико-химическим составляющим самовозгорания образца не наблюдается, а именно отмечается характерный процесс пиролиза [6]. Перед горением наблюдалась фаза спекания.

Для большей точности лабораторные исследования были выполнены несколько раз Рабочая температура самовозгорания образца – минимальная температура самовозгорания нескольких исследуемых образцов.

При исследовании брикета утрамбованной хвои сосны массой 5 г, объемной плотностью 0,08г/см3 при постоянной температуре окружающего воздуха в 23°С и влажности в лаборатории равной 65% возникает самовозгорание при температуре в печи около 200°С [7]. Время индукции процесса самовозгорания составило примерно 1,5 минуты.

12-07-2021 15-30-16

Рис. 1 – Вид экспериментальной установки

 

Смешанный лес самовозгорится при искусственном уменьшении времени индукции начала тления. Процесс ускорится за счет загрязнителя в зависимости от его размеров [10].

Полученная степенная функция (1), служит основой оценки пожарного риска и указывает об опасности загрязнителя [6]:

y=8E+18·x-7, 01 (1)

Зависимость (1), говорит о том, что при максимальной температуре воздуха области в 37°С самовозгорание происходит в течение 3 лет. При удачном сочетании факторов происходит сокращение времени индукции зажигания с 3 лет до 2 минут [5]:

Рассмотрим один из загрязнителей – пятно машинного масла размером 24х39 см. Максимальная рабочая площадь солнечной инсоляции в виде вписанного в четырехугольник эллипс составляет 70%. Собранный объем на поверхности воды выглядит как конус с основанием до 640 см2 и высотой 1 см, что составит 192 см3. Времени для испарения такого объема жидкости при температуре 20оС потребуется 20 часов. Самовозгорание возникнет в течении 1,5 часов.

На основании экспериментального определения времени индукции твердых горючих веществ возможно определить соответствующую оценку пожарного риска. Данные факторы оценки пожарного риска отдельно или в совокупности будут оказывать влияние на процесс самовозгорания и на развитие пожара соответственно:

  1. Климатические факторы – время года, продолжительность штилевой погоды, количество осадков, количество солнечных дней;
  2. Влияние факторов на процесс самовозгорания: температура среды, время индукции, факторы теплоотвода, влажность среды и объекта, плотность объекта;
  3. Вид природного ландшафта для определенной территории региона Российской Федерации: мокрые болота, сухие торфяные болота, хвойный лес, лиственный лес, смешанный лес;
  4. Влияние источников зажигания – естественные или искусственные источники;
  5. Зажигание при наличии антропогенного фактора – размещение промышленно-технологических отходов, мусора с близлежащих свалок;
  6. Вид и способ самовозгорания – микробиологическое, химическое, температурное.

Первым мероприятием по предотвращению пожаров является профилактика среди населения в области пожарной опасности в лесах. Необходимо четко разъяснить правила поведения на природе, показать последствия безответственности [10]. В качестве законодательного способа предлагается введение ужесточений административной ответственности за несоблюдение норм пожарной безопасности. Необходимой мерой становится обеспечение должного ухода за местами сбора и хранения, организация переработки и утилизации отходов человека [9].

Заключение

В ходе исследования экспериментальным путем определено время индукции самовозгорания лесного горючего материала, результат представлен в виде степенной функции, позволяющий прогнозировать развитие определенных событий, процессов, происходящих при пожарах в природной среде, что дает основания для принятия каких-либо предупредительных мероприятий. Данная функция положена в основу формирования оценки пожарного риска.

Практическое значение исследовательской работы состоит в реализации прогностической картины вероятных самовозгораний и принятия соответствующих мер, направленных на предотвращение их возникновения, что устраняет или существенно снижает ущерб, наносимый чрезвычайной ситуацией.

Результаты исследований могут стать основой при ведении лесного хозяйства, прогнозировании состояния лесных массивов и обеспечить своевременную уборку остатков продуктов жизнедеятельности [7]. 

Конфликт интересов Не указан. Conflict of Interest None declared.
 

Список литературы / References

  1. ГОСТ 12.1.044-89 «Пожаровзрывоопасность веществ и материалов» – Введ. 01.01.1991. – М.: Изд-во стандартов, 1991. – 107с.
  2. Губский С.В. Причины самовозгорания лесной подстилки в зимний период времени / С.В. Губский, А.М. Зайцев// Научный вестник Воронежского гос-ударственного архитектурно-строительного университета. Серия: Студент и наука. – 2016. – No 9. – С. 133-138.
  3. Доррер Г.А. Динамика лесных пожаров / Г.А. Доррер. – Новосибирск: Наука СО РАН, 2008. – 404 с.
  4. Чалдаева, Е. И. Критерии определения показателей оценки пожарного риска очагов возгорания лесных горючих материалов в природных ландшафтах Томской области / Е. И. Чалдаева, А. И. Сечин // Современные проблемы машиностроения сборник трудов XIII Международной научно-технической конференции, г. Томск, 26-30 октября 2020 г.: / Национальный исследовательский Томский политехнический университет (ТПУ) ; под ред. Е. Н. Пашкова . — Томск : Томский политехнический университет , 2020 . — С. 255-256 .
  5. Чалдаева, Е. И.. Критерии оценки пожарного риска очагов возгорания природных ландшафтов Томской области / Е. И. Чалдаева, А. И. Сечин // Современные проблемы машиностроения сборник научных трудов XII Международной научно-технической конференции, г. Томск, 28 октября - 1 ноября 2019 г.: / Национальный исследовательский Томский политехнический университет (ТПУ) ; под ред. А. Ю. Арляпова и др. — Томск : Изд-во ТПУ , 2019 . — С. 327-330.
  6. Фуряев В.В. Комплексы напочвенных горючих материалов и возможность их регулирования в профилактике лесных пожаров / В.В. Фуряев, Л.П. Злобина, В.И. Заболотский и др. // Лесн. хоз-во. – 2007. – No 1. – С. 43–44.
  7. Карауш С.А. Расчет параметров процессов горения: учебное пособие / С.А. Карауш. – Томск : Изд-во Том. гос. архит.-строит. ун-та, 2015. – 120 с
  8. Крикунов Г.Н. О критических размерах скоплений самовозгорающихся материалов / Г.Н. Крикунов, А.М. Зайцев // Известия высших учебных заведений. Горный журнал. – 1977. – № 8. – С. 45-49.
  9. Андриянова М.А. Управление риском эксплуатации потенциально опасных объектов. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Тулу, ТулГУ, 1999.

Список литературы на английском языке / References in English

  1. GOST 12.1.044-89 Pozharovzryvoopasnost' veshhestv i materialov [Fire and Explosion Hazard of Substances and Materials - Introduced. 01.01.1991]. - Moscow: Publishing house standartov, 1991 – 107 p. [in Russian]
  2. Gubsky S. V. Prichiny samovozgoranija lesnojj podstilki v zimnijj period vremeni [Causes of Spontaneous Combustion of Forest Litter in the Winter Period of Time] / S. V. Gubsky, A.M. Zaytsev // Nauchnyjj vestnik Voronezhskogo gos-udarstvennogo arkhitekturno-stroitel'nogo universiteta. Serija: Student i nauka [Scientific Bulletin of the Voronezh State University of Architecture and Civil Engineering. Series: Student and Science]. - 2016. - No 9, pp. 133-138 [in Russian]
  3. Dorrer G. A. Dinamika lesnykh pozharov [Dynamics of Forest Fires] / G. A. Dorrer. - Novosibirsk: Nauka SB RAS, 2008. - 404 p. [in Russian]
  4. Chaldaeva, E. I. Kriterii opredelenija pokazatelejj ocenki pozharnogo riska ochagov vozgoranija lesnykh gorjuchikh materialov v prirodnykh landshaftakh Tomskojj oblasti [Criteria for Determining the Indicators for Assessing the Fire Risk of Fires of Forest Combustible Materials in the Natural Landscapes of Tomsk Oblast] / E. I. Chaldaeva, A. I. Sechin // Sovremennye problemy mashinostroenija sbornik trudov XIII Mezhdunarodnojj nauchno-tekhnicheskojj konferencii, g. Tomsk, 26-30 oktjabrja 2020 g.: [Modern problems of mechanical engineering proceedings of the XIII International Scientific and Technical Conference, Tomsk, October 26-30, 2020]: / National Research Tomsk Polytechnic University (TPU); ed. N. Pashkova . Tomsk: Tomsk Polytechnic University , 2020 . — pp. 255-256. [in Russian]
  5. Chaldaeva, E. I. Kriterii ocenki pozharnogo riska ochagov vozgoranija prirodnykh landshaftov Tomskojj oblasti [Criteria for Assessing the Fire Risk of Fires in Natural Landscapes of the Tomsk Region] / E. I. Chaldaeva, A. I. Sechin // Sovremennye problemy mashinostroenija sbornik nauchnykh trudov XII Mezhdunarodnojj nauchno-tekhnicheskojj konferencii, g. Tomsk, 28 oktjabrja - 1 nojabrja 2019 g. [Modern Problems of Mechanical Engineering Collection of Scientific Papers of the XII International Scientific and Technical Conference, Tomsk, October 28 - November 1, 2019:] / National Research Tomsk Polytechnic University (TPU); ed. Yu. Arlyapova [et al.]. - Tomsk: TPU Publishing House , 2019 . — pp. 327-330. [in Russian]
  6. Furyaev V. V. Kompleksy napochvennykh gorjuchikh materialov i vozmozhnost' ikh regulirovanija v profilaktike lesnykh pozharov [Complexes of Ground-Based Combustible Materials and the Possibility of Their Regulation in the Prevention of Forest Fires] / V. V. Furyaev, L. P. Zlobina, V. I. Zabolotsky et al. // Lesn. khoz-vo. [Forestry] - 2007. - No 1, pp. 43-44 [in Russian]
  7. Karaush S. A. Raschet parametrov processov gorenija: uchebnoe posobie [Calculation of Parameters of Combustion Processes: A Textbook] / S. A. Karaush. - Tomsk: Publishing house of the Tomsk State University of Architecture and Building, 2015 – 120 p. [in Russian]
  8. Krikunov G. N. O kriticheskikh razmerakh skoplenijj samovozgorajushhikhsja materialov [On the Critical Dimensions of Accumulations of Self-Igniting Materials] / G. N. Krikunov, A.M. Zaitsev // Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Gorny Zhurnal. [Bulletin of the Higher Educational Institutions. Mining Journal]. - 1977. - No. 8. - pp. 45-49 [in Russian]
  9. Andrianova M. A. Upravlenie riskom ehkspluatacii potencial'no opasnykh ob"ektov [Managing the Risk of Operating Potentially Hazardous Facilities]. Extended abstract of Candidate's Thesis. Engineering Sciences / M. A. Andrianova. Tula, Tula State University, 1999 [in Russian]