Лесные горючие материалы и их пирологическая характеристика
Объектами первичного горения при лесных пожарах, как правило, являются растительный покров и лесная подстилка. При экстремальных метеорологических условиях, в засушливые годы, объектами горения могут стать полог леса и весь органический слой почвы. Природа лесного пожара, его вид и интенсивность, в определяющей степени зависят от запаса, характера и состояния горючих материалов, чем от любого другого фактора, влияющего на распространение пожара. Лесные горючие материалы (ЛГМ) заметно различаются по скорости воспламенения, высоте пламени и скорости распространения пламени по отдельным их компонентам. Поэтому при тушении пожаров в различных лесорастительных условиях вполне оправдывается использование неодинаковых по производительности и технологиям применения пожарно-технических средств. Лесные горючие материалы варьируют по видовому составу и влагосодержанию, запасу и пространственному размещению, что, несомненно, влияет на характер развития пожаров и их последствия.
Типы лесных горючих материалов находятся в непосредственной связи с определенными типами и группами типов леса, для которых свойственны определенный породный состав древостоя, напочвенный покров, подрост, подлесок, лесной опад и подстилка, которые и формируют конкретный тип горючих материалов. С учетом ярусного расположения, происхождения и генезиса горючих материалов Н. П. Курбатским, М. А. Софроновым и др. предложен целый ряд их классификаций. В этих классификациях в различных интерпретациях выделены в лесных насаждениях три основных типа ЛГМ, генетически связанные с видом и характером лесных пожаров (по Е. С. Арцыбашеву, 1971):
1 – наземные;
2 – надземные;
3 – подземные.
В свою очередь, по физическим свойствам, типичному местоположению в лесу и их возможной роли при горении (пирологической характеристике) эти три типа ЛГМ разделены на семь групп:
I – мхи, лишайники и мелкие растительные остатки;
II – подстилка, перегнойный и торфяной горизонты;
III – травы и кустарнички;
IV – крупные древесные остатки (валежник, сухостой, сухие сучья, пни, порубочные остатки);
V – подрост, кустарники;
VI – хвоя и листва растущих деревьев (включая мелкие веточки толщиной до 7 мм);
VII – стволы растущих деревьев и живые сучья толще 7 мм.
По роли в возникновении, распространении и развитии пожаров Н. П. Курбатский [35] подразделяет ЛГМ на три класса:
1) основные проводники горения (ОПГ);
2) материалы, поддерживающие горение;
3) материалы, задерживающие распространение горения.
При низовых пожарах к числу основных проводников горения относятся мхи, лишайники, опад, отмерший травостой, лесная подстилка, торф, органический горизонт почвы, валежник и пни, при верховых пожарах – хвоя крон насаждений.
К классу горючих материалов, поддерживающихгорение, относятся живые растения, имеющие постоянно высокую влажность (70 % и более) – трава и кустарнички, хвойные подрост и подлесок. Эти ЛГМ могут гореть и усиливать горение, повышая общую интенсивность пожара.
К классу ЛГМ, задерживающих распространение горения, относятся те горючие материалы, которые из-за особенностей их химического состава и высокого влагосодержания в естественном состоянии сами по себе гореть не могут и в процессе горения значительно снижают общую интенсивность пожара. К этому классу следует отнести такие виды трав, кустарничков, кустарников и деревьев, как многолетний люпин, спирея, ольха серая, липа, осина и др.
Основная часть горючих материалов в лесных насаждениях представлена древостоем, на долю которого приходится 80–90 % от всей фитомассы леса.
При низовых пожарах в процессе горения принимает участие обычно не более 10 % ЛГМ от их суммарного запаса в насаждении, так как большую часть его фитомассы составляют стволы и крупные живые ветви растущих деревьев, которые при пожарах сгорают очень редко. Поэтому эту группу ЛГМ следует считать потенциальным источником проводников горения.
По закономерности формирования выделяют две крупные группы лесных горючих материалов. К первой (наземной) группе ЛГМ относят: лесную подстилку – верхний генетический горизонт почв, состоящий из растительных остатков разной степени разложения и горючие материалы в напочвенном покрове, которые включают в свой состав травы и мхи, лишайники, опад, валеж (мелкие ветки). Исходным материалом для формирования лесной подстилки является опад и отпад растений из древесного, кустарникового, травяного и мохового ярусов, количество и качество которых оказывают большое влияние на строение, запасы и физико-химические свойства лесной подстилки. Количество опада связано с богатством условий местопроизрастания, породным и возрастным составом древостоя. Опад и живой напочвенный покров – это горючие материалы, от загорания которых возникают лесные низовые пожары.
Ко второй группе ЛГМ относят горючие материалы в пологе насаждений: хвоя, листья, тонкие охвоенные или сухие веточки диаметром до 7 мм, а в некоторых случаях и стволы сухостойных деревьев, которые, как правило, обгорают лишь частично.
Одним из определяющих факторов формирования горючих материалов в лесных насаждениях является их возрастная, типологическая и структурная характеристики, а также уровень ведения в них хозяйства (таблица 2.9).
Таблица 2.9 − Запасы горючих материалов наземной группы в хвойных насаждениях
| Возраст, лет | Запасы горючих материалов в абсолютно сухом состоянии по типам леса, т/га | |||||
| не загрязненные радионуклидами территории | загрязненные радионуклидами территории (при плотности > 15 Ки/км2) | |||||
| C. мш. | C. вер. | C. лиш. | C. мш. | C. вер. | C. лиш. | |
| 5–10 | – | – | ||||
| 11–30 | ||||||
| 31–40 | ||||||
| 41–60 | ||||||
| 61–80 | – | – | – | – | ||
| Е. кис. | Е. чер. | Е. мш. | Е. кис. | Е. чер. | Е. мш. | |
| 11–20 | – | – | – | |||
| 21–40 | ||||||
| 41–60 | ||||||
| 61–80 |
Наибольшие запасы горючих материалов в лесном фонде Беларуси отмечены в 11–40-летних сосновых насаждениях. В средневозрастных и приспевающих насаждениях запасы ЛГМ несколько снижаются, соответственно снижается и класс их природной пожарной опасности. Максимальные запасы горючих материалов сосредоточены в насаждениях в возрасте 31–40 лет.
На загрязненных радионуклидами территориях после аварии на ЧАЭС, из-за прекращения в течение длительного периода в древостоях различного вида рубок ухода и санитарных рубок, запасы горючих материалов значительно выше, чем в аналогичных сосновых насаждениях, где постоянно ведется хозяйственная деятельность.
В лесорастительных условиях Беларуси в еловых древостоях максимальное количество горючих материалов наземной группы накапливается в возрасте 41–60 лет и достигает 55,0 т/га, что существенно выше, чем в сосновых. Наибольшие запасы горючих материалов формируются в ельниках кисличного типа, несколько ниже – в черничных и мшистых.
Запасы горючих материалов второй группы (полог древостоев), имеющие важное значение для процесса формирования лесной подстилки, динамики и количества ее накопления, относятся к определяющему фактору интенсивности верховых пожаров. В пологе хвойных насаждений Беларуси запасы горючих материалов составляют от 6,4 до 20,0 т/га.
Максимальные запасы ЛГМ наблюдаются в пологе 40–60-летних хвойных насаждений. Увеличение их накопления связано с улучшением условий местопроизрастания насаждений. Например, наибольшее количество горючих материалов накапливается в сосняках и ельниках кисличных, наименьшее – в сосняках лишайниковых и ельниках осоковых и осоково-сфагновых.
Аналогичная закономерность по формированию запасов горючих материалов в пологе сосновых и еловых насаждений отмечается и в регионах Европейского и Крайнего Севера, Сибири.
Существенное влияние на процесс накопления горючих материалов в лесных насаждениях имеет их исходная густота посадки и возрастная динамика полноты. В лесорастительных условиях Беларуси наблюдается прямая зависимость увеличения количества горючих материалов наземной группы в сосняках мшистых, лишайниковых и вересковых и ельниках кисличных, черничных и мшистых с повышением их полноты. В 20–30-летних сосняках мшистых при увеличении полноты с 0,7 до 0,9 запасы ЛГМ увеличиваются, в среднем, на 38 %, сосняках вересковых – на 35 %, 20–40-летних ельниках мшистых, черничных и кисличных, соответственно, на 46; 35 и 60 %. Такая же закономерность по накоплению горючих материалов наблюдается в сосновых и еловых насаждениях и других возрастных категорий различных типов леса.
В процессе пожаров ЛГМ сгорают лишь частично и полнота их сгорания, независимо от запаса, при горении слоя из опавшей хвои сосны составляет порядка 80 %, лишайников – около 90 % и опавшей листвы березы – примерно 50 %.
При увеличении скорости ветра и толщины слоя ЛГМ полнота их сгорания, как правило, снижается, а при уменьшении – возрастает. Значительное влияние на количество сгорания горючих материалов оказывают их пирологические свойства, вид и интенсивность пожара, которые в свою очередь зависят от количества ЛГМ и их состояния.
По сведениям В. В. Усени (1998), в хвойных насаждениях наблюдается прямая зависимость количества сгоревших горючих материалов от вида и интенсивности пожара. В результате низовых беглых пожаров различной интенсивности в сосняках и ельниках сгорает, соответственно, 16–32 % и 5–23 %, низовых устойчивых – 44–94 % и 35–86 % запаса наземных горючих материалов. При верховых устойчивых пожарах в сосновых молодняках сгорает практически весь запас ЛГМ наземной группы.
Сведения о запасах ЛГМ в наиболее пожароопасных хвойных насаждениях и закономерностях их формирования необходимы для решения целого комплекса оперативных задач. На загрязненных радионуклидами территориях, где важнейшая роль отводится профилактическим мероприятиям по предупреждению возникновения лесных пожаров, в первую очередь должны быть определены участки с наибольшими запасами горючих материалов. Это позволит провести разграничение лесной площади на изолированные друг от друга массивы путем правильного их противопожарного обустройства, создания эффективной системы противопожарных барьеров, в том числе путем прокладки длительнодействующих профилактических заградительных огнегасящих полос при помощи отечественного огнезащитного химического состава для борьбы с лесными пожарами «Метафосил». Данные о запасах ЛГМ в наиболее пожароопасных и распространенных хвойных насаждениях позволяют рассчитать их теплотворную способность и определить расход огнетушащих веществ при тушении единицы площади пожара, который зависит от наличия на ней горючих материалов. Запасы лесных горючих материалов и количество их сгорания при различных видах и интенсивности пожаров являются основой для определения выхода золы и недожога – основных продуктов сгорания ЛГМ, а также основных компонентов, представляющих радиационную опасность при ликвидации лесных пожаров и их последствий на радиоактивно загрязненных землях.
М. А. Софронов, А. В. Волокитина, М. А. Шешуков, В. В. Фуряев, Л. П. Злобина предлагают провести пирологическую оценку насаждений по типам леса и составить карты ЛГМ, на основании которых было бы возможно прогнозировать поведение пожара и разработать план его ликвидации, но для этих целей необходима характеристика насаждений по количеству ЛГМ и, в первую очередь, определяющих интенсивность пожаров основных проводников горения в пределах каждого лесотаксационного выдела. При этом карты ЛГМ могут быть двух типов: 1) тактическими – в масштабе плана лесонасаждений, характеризующими их природную пожарную опасность; 2) оперативными, отражающими состояние пожарной зрелости лесотаксационных выделов на определенное время с учетом погодно-климатических условий.
Наличие в лесохозяйственных предприятиях пожарных карт, составленных на основе запасов горючих материалов в различных типах леса и категорий земель: лесных и нелесных (болота, дороги, сенокосы, пастбища, пашни и т. д.), позволит в зависимости от степени их природной пожарной опасности и метеорологических условий объективно спрогнозировать время и место возникновения пожаров, их интенсивность, скорость и направление распространения. Такие оперативные карты крайне необходимы для загрязненных радионуклидами территорий, национальных парков, заповедников и особо ценных лесных массивов.
Важным компонентом наземных ЛГМ, проводников горения является отмерший травостой, который после подсушивания становится легковоспламеняющимся и хорошо поддерживающим горение, относящийся к наиболее опасным горючим материалам. На отдельных категориях земель при отсутствии на них хозяйственной деятельности (зона отчуждения и отселения ЧАЭС, заповедники и т. д.) травяной покров становится труднопроходимым, достигающим высоты 1 м, где скорость распространения огня может достигать 100 м/мин и более. Запасы травянистой растительности на загрязненных радионуклидами территориях, колеблются от 6,4 до 13,4 т/га и представляют собой значительный потенциально опасный горючий материал.
При сильной интенсивности горения при низовом пожаре в жаркую погоду и при наличии подроста и подлеска крона деревьев (хвоя и молодые ветви) сильно подогревается и подсушивается и происходит ее воспламенение, вследствие чего низовой пожар переходит в верховой.
Специфическими условиями горения и отличительными особенностями развития характеризуются торфяные пожары. Основу торфа составляют растительные остатки твердых полимеров целлюлозной природы и продукты их распада, находящиеся в равновесии с водным раствором низко– и высокомолекулярных веществ. Торф, наряду с неразложившимися растительными остатками, содержит в себе соединения, способные легко окисляться при температуре 60–70 °С и начинает разлагаться при 100–105 °С, а температура его воспламенения сравнительно низкая – 225–280 °С. В сухом торфе содержится от 2 до 18 % минеральных и более 50 % органических веществ, среди которых преимущественно присутствуют до 60 % углерода и до 35 % кислорода, что и обусловливает высокую склонность торфяников к возгоранию. Важнейшей характеристикой торфов является степень разложения, то есть отношение разложившейся части (гумуса) ко всей массе торфа в процентах. Торф со степенью разложения до 20 % считается слаборазложившимся, от 20 до 35 % – средней степени разложения и более 35 % – высокой степени разложения. Степень разложения торфа является одним из главных факторов, определяющих его физические и химические свойства.
При сжигании торфа остается его минеральная часть (зола). По мере увеличения степени разложения торфа происходит постепенное накапливание золы, или так называемый процесс минерализации торфа. При увеличении зольности торфа до критической (50 %) его горение прекращается, однако в естественных условиях содержание золы в торфе значительно ниже (до 18 %).
Характерной особенностью торфа является большое содержание в нем воды. Влажность торфа оказывает решающее влияние на его горение, которое становится невозможным при смачивании негорящих слоев торфа до 400 %-ной влажности. Самыми существенными факторами, от которых зависит естественная влажность торфяной залежи, являются ботанический состав торфа, его степень разложения и зольность. Торф, как проводник горения, должен удовлетворять четырем требованиям:
1) образовывать сплошной (непрерывный с точки зрения распространения пламени) слой горючего материала;
2) в засушливую погоду уменьшать влагосодержание ниже предела, при котором он становится способным гореть;
3) образовывать достаточно рыхлый слой;
4) иметь небольшое содержание минеральных соединений.
Верхний слой торфа, как правило, имеет рыхлую структуру, в засушливую погоду у него также меньше влагосодержание. Поэтому, в основном, пирологические свойства торфа определяются обычно состоянием и структурой его верхнего 10-сантиметрового слоя.
Особенности горения торфа различной влажности объясняются разной аккумуляцией выделяющегося тепла в его слоях в очаге горения в процессе пожара. Тепло, выделяющееся в процессе горения торфа, благодаря специфической структуре очага горения торфяного пожара, рассеивается незначительно и расходуется, главным образом, на подсушивание и подогрев прилегающих к очагу горения слоев торфа.
К особенностям торфа следует отнести его способность гореть в гетерогенной фазе с незначительным доступом кислорода воздуха. Процесс выгорания торфяной массы идет в ее нижней части значительно быстрей, чем в верхней. Это объясняется тем, что свежий, насыщенный кислородом воздух, как более тяжелый, поступает, в первую очередь, в нижнюю часть зоны горения. Затем обедненный кислородом и обогащенный продуктами сгорания раскаленный воздух поднимается в верхнюю часть зоны горения, и тем самым препятствует доступу к ней свежего воздуха и процесс горения здесь из-за дефицита кислорода протекает более медленно. Поэтому благодаря своеобразной динамике воздушных потоков торфяной пожар имеет постоянную тенденцию к самозаглублению в нижние слои торфа, где он может распространяться на значительные расстояния от входного отверстия, лишь местами выходя на поверхность.
Следует также отметить, что в процессе возникновения торфяного пожара очаг горения вначале располагается на поверхности торфяной залежи с постепенным его заглублением вглубь торфяника. При слабом ветре торфяная масса горит очень медленно, а при его усилении создаются более благоприятные условия для газообмена и процесса горения, однако и в этом случае скорость горения верхних слоев торфа, расположенных на подстилающей влажной торфяной залежи, увеличивается незначительно. В то же время характер процесса горения торфа при его различной влажности и скорости ветра не изменяется, то есть, происходит его беспламенное горение.
При горении торфа происходит постепенное подсушивание его пластов, непосредственно прилегающих к очагу горения (рисунок 2.5).
Аккумулирующееся в зоне горения торфяного пожара тепло расходуется на подсушивание торфа с некоторым его подогревом, а затем, под влиянием высокой температуры, происходит его обугливание и воспламенение. При обугливании торфа в зоне горения выделяются смолистые вещества. Процесс горения торфа последовательно проходит следующие основные фазы:
– предварительный нагрев торфа и его подсушивание с выделением водяных паров (120 °С);
– высыхание торфа;
– горение торфа с выделением водяных паров, горючих веществ (кислот, смол) (260 °С);
– воспламенение газов (225–315 °С);
– пламенное горение с выделением дыма, углекислого газа, водяных паров и несгоревших газов (650–1095 °С);
– обугливание и горение углей до полного сгорания горючих веществ.
Рисунок 2.5 – Схема распространения горения при торфяном пожаре
Загорание торфа происходит при влажности 20–30 %. Рассеивание теплоты в окружающую среду незначительно (всего 20–25 %). Основная часть его расходуется на высушивание и подогрев соседних слоев горючего. Поэтому начавшееся горение в сухом торфе может вызвать горение торфяных масс с влажностью до 70–80 %.
Таким образом, в процессе торфяного пожара в зоне очага горения происходит постепенная подготовка горючего материала (торфа) к горению и медленное распространение кромки пожара.
Различают три основные стадии развития очага торфяного пожара.
Первая стадия – характеризуется малой площадью очага и низкой температурой в зоне горения. В этой стадии пожар можно ликвидировать в короткий срок с наименьшей затратой сил и средств.
Вторая стадия – характеризуется увеличением скорости распространения пожара и повышением температуры в зоне очага горения. Площадь пожара увеличивается от сотен до нескольких тысяч квадратных метров, а процесс горения становится устойчивым. На большое расстояние распространяется едкий дым.
Третья стадия – характеризуется большой площадью пожара, высокой температурой в зоне очага горения и окружающей среде, сильной задымленностью и значительной скоростью распространения фронта пожара. Ликвидация пожара в данной стадии развития требует большого количества сил и средств пожаротушения. Во время торфяного пожара четко обосабливаются четыре зоны: выгоревшая, горения, обугливания и подсушки.
В результате термических превращений торфа происходит существенное изменение его физико-химических свойств. Механизм сгорания торфа зависит, в частности, от его плотности, степени разложения и зольности. При почвенном пожаре торф сгорает на всю его глубину до минерального слоя почвы или до его слоев с высокой влажностью, горение которых невозможно. Обычно горение торфа происходит в беспламенной фазе, в основном за счет кислорода, поступающего вместе с воздухом. В связи с этим скорость продвижения кромки торфяного пожара сравнительно невелика – от нескольких дециметров до метров в сутки.
На динамику развития очагов торфяных пожаров оказывает большое значение низкая смачиваемость торфа водой. Атмосферные осадки в виде дождя, выпадающие после продолжительной засухи, очень медленно проникают вглубь торфяной залежи, которая часто продолжает гореть в очень сырую осеннюю погоду и даже под снегом. Несмотря на относительно медленное распространение кромки торфяного пожара, ликвидация заглубившихся очагов горения весьма трудоемка.