Методика прогнозирования опасного воздействия торфяных пожаров на участников транспортного процесса автомагистралей

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 РМ 2,5 и РМ 10 . 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.

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.

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 торфа (1), параметрам торфяника, как источника ЗВ (2), геоинформационным характеристи- кам местности (3), сведениям о характере и физических свойствах пожара (4), климатических 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 ПДК МР 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

Наименование вещества	Удельный выход поллютанта
	СО, г/кг	СО 2, г/кг	N х О у, 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- a • b,                                (1)

где: a - 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 (Google карты, Яндекс - карты)

• 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 – определя- ется 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:

S ⋅ H ⋅ ρ ⋅ B

М =               ⋅ 0,41 , г/с,

T

Где: S – площадь очага возгорания торфяника; H – глубина торфяной залежи; ρ – плотность торфа; B – безразмерный коэффициент, показывающий долю сгоревшего торфа (от 0 до 1); T – 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: ∂ q     ∂ q     ∂ q     ∂ q    ∂    ∂ q    ∂     ∂ q    ∂    ∂ q

• + u    + v    + w    =     k     +     k     +    k     - α q

∂ t     ∂ x     ∂ y      ∂ z   ∂ x    ∂ x   ∂ y   ^y ∂ y   ∂ z    ∂ z

(3) где: x и y – оси расположенные в горизонтальной плоскости; z – ось по вертикали; t – время; u, v, w – составляющие средней скорости перемещения ВВ соответственно по направлению осей x, y, z; kx, ky, kz – горизонтальные и вертикальная составляющие коэффициента обмена; α – коэффициент, определяющий изменение концентрации за счёт вероятного химического превращения примеси.

Для решения конкретной задачи торфяного пожара уравнение (3) можно существенно упростить. В установившемся режиме можно принять  £q = о. Если ось ориентировать в направлении ветра, то v = 0. Вертикальные движения в атмосфере над однородной подстилающей поверхностью окажутся сравнительно малыми и могут не учитываться. Будем считать ось z 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 x , 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:

д q     д q д д q д    д q и--+ w--= —кг--+ —к ---aq .

d x     d z   d z    d z   d y ^У d y

В уравнении (3) для ВВ, не имеющей собственной скорости осаждения ( w = 0), второй член в левой части исчезнет. При отсутствии химического метаболизма ВВ, например угарного газа ( a = 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

8    8 q k.

8 x     8 x

Уравнение (4) имеет первый порядок по переменной x и второй порядок по переменным y и z . 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 x = 0, y = 0, и z = H, записывается как:

uq = M 5 ( y ) 5 ( z - H ) , при x = 0,   (5)

где M - выброс вещества от источника в единицу времени.

По определению, 5-функция удовлетворяет соотношению

b

J р (^ )5 (^ - a )d £ = р (а ), при значе-a ниях а, попадающих в интервал (a, b) и b

J р (^ )5 (^ - а )d £ = 0 , 5 - при других a значенияха. Здесь р (^) - некоторая произ вольная функция.

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

q ^ 0 при z ^ ^ , (6) q ^ 0 при | у | ^ ^ю . (7)

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 q → 0    при z → 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 д q к     = 0 при z = 0.     (9)

д z

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:

8 S    8 S     8 S    8    8 S 88

--+ и--+ w--= —kz--+ —kz--, (10) 81     8 x      8 z 8 z 8 z   8 y с граничными условиями:

d s к — = 0

^z _gz           при z = 0,

S = 0 при z → ∞ и │ y │ → ∞.

Для мгновенного источника мощностью М в точке x = 0, y = 0, и z = H в качестве начального условия примем:

5 = M S ( x ) S ( y ) S ( z - H ) при t = 0. (11)

Источник вредных выбросов можно в общем случае рассматривать как источник конечного времени действия. Используя принцип суперпозиции и полагая для упрощения скорость ветра u постоянной, получим, что к моменту времени t концентрация S от источника, действующего в течение периода Тu , будет определяться соотношением:

Tu

5 = j q ( t - § , y , z ) S [ x - u ( t - § )] d § .   (12)

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

I x              I

5 = q I , y , z I для

I u      J

x t > —.

u

При этом q удовлетворяет уравнению

для установившегося состояния (4) при

Г5 q 1

L d z J

= о . Отсюда, -

стационарный режим

z = 0

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

_ ЛЛ/Рти ^

, (14)

где: С М – концентрация ВВ, г/м³; M – мощность источника загрязнения, г/с; ∆Т– разность температур, ⁰С; F – безразмерный коэффициент, учитывающий скорость оседания загрязняющих веществ в атмосфере; А – коэффициент, зависящий от температурной стратификации атмосферы, ; V 1 – расход газовоздушной смеси, выделяемой с поверхности торфяника (м³/с); коэффициенты m и n выражаются интерполяционными формулами; F – коэффициент, зависящий от скорости осаждения ВВ .

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

На рис. 2, в качестве примера, показаны изолинии превышения концентраций СО в долях ПДК МР в окрестности автомагистрали «Сибирь» во время, ранее упомянутого, транспорт-

достигается в случае торфяного пожара при t > —. Как правило, время наблюдения t после u начала действия источника больше времени, необходимого для прохождения примеси до точки наблюдения (измерения), определяемого соотношением . Поэтому достаточно огра-u 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- ного коллапса.

Объект 10S. залежи торфа; азриад 1; варрасч.1: пп.1(П=1м)

Масштаб 1:173700

Рисунок 2 – Расчетный прогноз загрязнения СО торфяного пожара в окрестности федеральной трассы «Сибирь» (в долях ПДКмр)

10)Расчет дальности видимости по концентрации взвешенных дымовых частиц.

Расчет по формуле Траберта [6]

L v =,                       (15)

s2

где: L v - дальность видимости; а 1 - размерная константа; 5 ^ - сумма площадей поперечных сечений частиц аэрозоля, содержащихся в единице объема воздуха. Формула (15) с учетом обоснованных допущений приводится к виду L v= а ^т , (16) где а -размерная константа. q (мг/м3) - массовая концентрация аэрозоля в воздухе, ρ(г/см3) –плотность частиц аэрозоля. 11)Действующие ПДК мр ЗВ на автомагистрали и в населенных пунктах ее окрестности (табл. 2 ) Таблица 2 – ПДКМР идля ЗВ, выделяющихся при горении торфа					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 то-
№ п/ п	Наименование вещества	ПДК (мг/м3)
		Максимальная разовая	Среднесуточная	Среднегодовая	чечных 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 тер ритории – 180 Скорость выхода газо-воздушной смеси – 5м/с Мощности выброса: СО – 115 г/с; РМ2,5 – 15
1	Угарный газ СО	5,0	3,0	-
2	Взвешенные частицы РМ 10	0,3	0,06	0,04
3	Взвешенные частицы РМ 2.5	0,16	0,035	0,025
12)Расчет дальности видимости на участках автомагистрали, попадающих в зону влия-					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 были сопоставлены со значениями реальных измерений службами Росгидромета. Отличие в большую сторону расчетных результатов от измеренных на местности объясняется тем, что расчет сделан в предположении неблагоприятного (для рассеивания) направления ветра.

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

Тип источника загрязнения – совокупность точечных источников («дымовых гейзеров»)

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 Р255 «Сибирь» 1820 км	ФАД Р255 «Сибирь» 1822 км	ФАД Р255 «Сибирь» 1824 км
Значения концентраций СО, полученных при расчетах для НМУ, мг/м3	3,17	6,09	8,15	7,47	6,47
Значения концентраций РМ2,5, полученных при расчетах для НМУ, мг/м3	0,71	1,37	1,83	1,68	1,46
Значения концентраций РМ10, полученных при расчетах для НМУ, мг/м3	0,79	1,57	2,04	1,87	1,62

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.