Об утверждении методик расчета выбросов загрязняющих веществ в атмосферу

3.1. Методика расчета выбросов представляет собой совокупность определений, физических и математических моделей и алгоритмов, позволяющих найти массу выбросов вредных веществ в атмосферу в результате горения нефти и нефтепродуктов для различных исходных данных.

3.2. Физической моделью явления или среды называется описание основных причинно-следственных связей, объясняющих исследуемое явление или структуру среды. Она создается на основе наблюдений, экспериментальных исследований и известных в естественных науках законов природы. С использованием физической модели строится математическая модель выбросов вредных продуктов горения в атмосферу.

3.3. Математической моделью явления или среды называется совокупность математических уравнений, адекватно отражающих физическую модель явления или структуру среды, которые получены на основе законов природы в результате удержания существенных (родовых) и отбрасывания несущественных признаков исследуемого явления или среды, что позволяет понимать сущность явления или структуру среды и достаточно точно прогнозировать основные характеристики исследуемого явления.

3.4. Масштаб экологической катастрофы при разливе нефти (Н) и нефтепродуктов (НП) характеризуется начальной массой М(0) нефти или нефтепродуктов, оказавшейся выброшенной в результате аварии в окружающую среду, и площадью территории, покрытой ими - S(0). Эти величины получают эксперты в результате обследования территории, на которой произошла экологическая катастрофа.

3.5. Растительными горючими материалами (РГМ) называются природные углеводородные топлива, к которым относятся тонкие веточки, хвоинки или листья в кронах деревьев и опавшие на землю, а также напочвенный покров (трава, кустарники, мох, лишайник).

3.6. Выбросом загрязняющих веществ в атмосферу называется поступление за определенное время в воздух или образование в нем физико-химических агентов и веществ, неблагоприятно воздействующих на людей и окружающую среду. Выброс любого вредного вещества альфа обозначается М(альфа) и измеряется в единицах массы (г.кг.моль).

3.7. Удельным выбросом (коэффициентом эмиссии) альфа -вещества называется отношение

                        К(альфа) = М(альфа) / М(г);     (3.1)

где М(г) - масса сгоревшей нефти или  нефтепродукта.  Если  известна
химическая  формула  Н  и  НП,  то  при организованном горении можно
определить коэффициенты эмиссии с помощью  стехиометрии  -  науки  о
количественных  соотношениях,  в которых различные вещества вступают
друг с другом в химическую реакцию.  Для  неконтролируемого  горения
К(альфа) можно определить только опытным путем.

3.8. Недожогом Н и НП называется масса несгоревшего в условиях неконтролируемого горения топлива М(н). Величина М(н) измеряется в кг. Известно, например, что если неконтролируемое горение имеет место на водной подстилающей поверхности, то на поверхности воды остается слой нефти толщиной 2 мм.

3.9. Количество сгоревшего углеводородного топлива М(г) можно определить, используя закон сохранения массы

                         М(г) = М(0) - М(н);            (3.2)

3.10. При аварии трубопровода, фонтане нефти на нефтепромыслах, аварии танкера или поезда с железнодорожными цистернами Н и НП топливо разливается по поверхности, называемой подстилающей. Существуют четыре типа подстилающей поверхности:

1. 1) водная поверхность;

2. 2) инертная почва с известной пористостью и проницаемостью;

3. 3) почва, покрытая растительностью, которая, впитывая Н и НП, сгорает вместе с углеводородным топливом;

4. 4) болота, которые представляют совокупность живых болотных растений, отмерших растений, а также свободной и связанной в растениях воды.

3.11. Поллютант - вещество, загрязняющее среду обитания. Русский синоним этого слова - загрязнитель. Масса выброса поллютанта альфа-сорта, возникающего при горении Н и НП, на основании (3.1) и (3.2) определяется по формуле:

                  М(альфа) = К(альфа) (М(0) - М(н)).    (3.3)

Величина М(альфа) измеряется в кг.

3.12. Выбросом тепла в атмосферу называется количество теплоты Q, выделяющееся при горении массы М(г) Н и НП. Выброс тепла в атмосферу определяется по формуле:

                         Q = q (М(0) - М(н));           (3.4)

3.13. М(0) - масса нефти или нефтепродукта, разлитые на поверхности в результате аварии, т;

3.14. Q - количество тепла, выброшенного в атмосферу в результате горения нефти или нефтепродуктов, кДЖ;

3.15. q - тепловой эффект горения нефти или нефтепродукта, кДЖ/кг;

3.16. S(0) - площадь территории, покрытая разлитыми нефтью или нефтепродуктами, кв.м;

3.17. р(0) - плотность нефти или нефтепродукта, кг/куб.м;

3.18. h - толщина слоя нефти или нефтепродукта, разлитых на поверхности, мм;

3.19. h(*) - величина критической толщины слоя нефти или нефтепродукта, ниже которой горение прекращается, мм;

3.20. фи - пористость почвы (фи = V(n) / V, V(n) - объем пор в единице объема пористой среды; V - объем пористой среды);

3.21. М(н) - масса не сгоревшего в результате пожара нефтепродукта или нефти, кг;

3.22. М(г) - масса сгоревшего в результате пожара нефтепродукта или нефти, кг;

3.23. К - коэффициент полноты сгорания нефти или нефтепродукта, определяющий, какая часть исходной массы топлива сгорела при пожаре:

                              К = М(г)/М(0);                   (3.5)

3.24. m - запас лесных горючих материалов, кг/кв.м;

3.25. W - влагосодержание лесных горючих материалов в процентах;

3.26. W(*) - предельное значение влагосодержания, выше которого ЛГМ не горит, в процентах;

3.27. К(в) - доля площади болота, занятая водой;

3.28. W' - влагосодержание грунта;

3.29. x,y - координаты контура нефтяного пожара - кривой на подстилающей поверхности, которая охватывает зону горения и отделяет ее от остальной части подстилающей поверхности;

3.30. a,b - большая и малая полуоси эллипса, соответствующего контуру пожара;

3.31. x(0), y(0) - координаты центра эллипса;

3.32. V(е) - скорость ветра, м/с;

3.33. омега(n) - скорость распространения пламени по нормали к контуру нефтяного пожара, м/с;

3.34. Тета - угол между скоростью распространения пламени по нормали к контуру и направлением ветра;

3.35. омега (А) - скорость распространения фронта пожара по направлению ветра, м/с;

3.36. омега (В) - скорость распространения фронта пожара против скорости ветра, м/с;

3.37. омега (С) - скорость распространения фронта пожара перпендикулярно скорости ветра, м/с;

3.38. омега (Z) - линейная скорость послойного сгорания нефти, м/с;

3.39. омега (Z(0)); омега (Z (х)) - линейная скорость послойного сгорания нефти при нулевой и предельно большой скорости ветра, м/с;

3.40. t - текущее время горения, с:

3.41. F(*) - площадь нефтяного пятна, кв.м;

3.42. М(*) - масса несгоревших нефтепродуктов в момент времени окончания горения t(*), кг;

3.43. t(*) - полное время горения нефти или нефтепродуктов, с;

3.44. М(Г(*)) - полная масса нефти, выгоревшая к моменту времени t(*), кг;

3.45. М(альфа(*)) - полное значение выбросов поллютантов к моменту времени t(*), кг;

3.46. Q(*) - полное значение выбросов тепла к моменту времени t(*), кДж;

3.47. h(i) - глубина лунки, м;

3.48. r(i) - радиус основания лунки, м;

3.49. альфа(i) - полураствор угла при вершине лунки, град.

1.   Оксид углерода  8.40х10_-2  7.06х10_-3  3.11х10_-1  1.35х10_-1
     СО

2.   Диоксид
     углерода СО(2)   1.00       1.00        1.00        1.35х10_-1

3.   Оксиды азота
     NO(х)           6.9х10_-3   2.61х10_-2  1.51х10_-2  4.05х10_-4

4.   Оксиды серы (в
     пересчете на
     SO(2))          2.78х10_-2  4.71х10_-3  1.20х10_-3  1.00х10_-6

5. Описание методики расчета итоговых выбросов вредных
веществ при горении топлива на инертной почве

Инертная почва характеризуется количеством микровпадин и впитыванием Н и НП в почву в результате фильтрации. Например, скорость фильтрации для песчаной почвы W(ф) = 0.000065 м/с, а для глинистой W(ф) = 0.00001 м/с.

Для инертной почвы для определения величины К(н) предлагается следующая формула:

     К(н) = фи W', 0 < фи < 1, 0 < W' < 1.              (5.1)

Здесь фи - пористость грунта,
W' - влагосодержание грунта.

При разливе нефти на инертной почве горение сосредотачивается в микровпадинах. Пусть на обследованной местности обнаружено n микровпадин. Тогда для каждой отдельной впадины i имеем следующие формулы для определения выбросов вредных веществ и тепла:

М(альфа,i) = К(i) К(альфа,i) М(0,i),

Q(i) = q К(i) М(0,i),

     альфа = 1...N, i = 1...n,                          (5.2)

где индекс i приписывается характеристикам i-ой впадины.

В целом для всей территории имеем следующие формулы:

                  n
     М(альфа) =   Е  К(i) К(альфа,i) М(0,i),
                 i=1

             n
     Q = q   Е  К(i) М(0,i).                           (5.3)
            i=1

Здесь и выше коэффициенты полноты сгорания К(i) определяются эмпирически в результате обследования местности после пожара. Следует отметить, что для песчаной почвы значения К(i) при прочих равных условиях меньше, чем для глинистой, т.к. песчаная почва имеет большую пористость и проницаемость. Поэтому для нее более значительная часть нефти впитывается в почву и не сгорает, а для глинистой и каменистой почвы имеет место обратный эффект.

6. Описание методики расчета итоговых выбросов вредных
веществ при горении топлива на почве, покрытой растительностью

Если почва покрыта растительностью (трава, лишайник Cladonia, мох, кустарник) или отмершими частями растений (опад хвойных и лиственных деревьев, подстилка торф), то наряду с нефтепродуктами сгорают и растительные материалы.

Для сухой почвы, покрытой напочвенным покровом (трава, опад хвои, опад листьев и др.) считается, что имеет место полное сгорание и нефти и растительности. Тогда:

                              К(н) = 0                  (6.1)

Лесные горючие материалы можно рассматривать как своеобразное углеводородное топливо с известными коэффициентами эмиссии, элементарным составом, химической формулой и тепловым эффектом.

Слой растительности характеризуется типом, запасом растительных горючих материалов (РГМ) m (кг/кв.м) и влагосодержанием W в %. В обычных условиях при влагосодержании W > W(*), где W(*) - предельное значение влагосодержания, выше которого ЛГМ не горит. Однако, РГМ, смоченный нефтью, бензином или керосином, сгорает даже при W > W(*). Поэтому, для расчета выбросов поллютантов и тепла при горении ЛГМ необходимо использовать формулы, аналогичные выражениям 5.2:

                   n(1)
     М(альфа)_(р) = Е К(i)_(р) К(альфа,i)_(р) S (0,i) m(i),
                   i=1

            n(1)
     Q_(р) = Е q(i)_(р) К(i)_(р) S(0,i) m(i).           (6.2)
            i=1

Здесь S(0,i) - площади, занятые растительностью в кв.м;

m(i) - запас ЛГМ на i-ой площади в кг/кв.м;

n(1) - общее количество участков лесной (степной) растительности на обследуемой территории;

q(i)_(р) - значения тепловых эффектов для разных типов ЛГМ в кДж/кг.

Если слой растительности сплошным образом покрывает обследуемую территорию, где имеет место разлив нефти, то формулы (6.2) можно упростить:

М(альфа)_(р) = К_(р) К (альфа)_(р) S(0) m,

     Q_(р) = q_(р) К_(р) S(0) m,                           (6.3)

где К_(р), К(альфа)_(р), q_(р) - средние значения упомянутых выше коэффициентов,

S(0) - общая площадь леса в кв.м,

m - средний запас ЛГМ в кг/кв.м.

При совместном горении нефтепродуктов и ЛГМ выражения для выбросов вредных веществ и тепла принимают вид:

     М(альфа,cигма)= М(альфа) + М(альфа)_(р),

     альфа = 1...N, Q(сигма) = Q + Q_(р).               (6.4)

Здесь М(альфа,сигма) и Q(сигма) - суммарные итоговые выбросы вредных веществ и теплоты,

а N = N(0) + N(р) - полное количество поллютантов, соответствующее одновременному горению нефтепродуктов и ЛГМ,

N(0), N(р) - количество поллютантов от горения нефти и растительности соответственно,

М(альфа) и Q - определяются по формуле (5.3).

7. Описание методики расчета выбросов поллютантов
при горении нефти и нефтепродуктов, разлитых на болоте

Для болота коэффициент недожога определяется по формуле:

              К(н,в) k(b), M принадлежит  B,
     К(н) = {
              1 - k(b), M не принадлежит B.        (7.1)

Здесь k(b) - коэффициент водности болота, т.е. доля его поверхности, занятая водой,

K(н,в) = ро h(*) S(0)/М(0) - коэффициент недожога для водной поверхности, определяемый по формуле (4.4),

В - область болота, покрытая водой.

Расчеты выбросов вредных веществ и тепла, согласно физико-математической модели выбросов при неконтролируемом горении нефти и нефтепродуктов, на болоте предполагают априорное знание величин удельных выбросов (коэффициентов эмиссии) вредных веществ и удельных теплот сгорания НиНП (нефть, бензин, дизельное топливо) и растительных горючих материалов (РГМ).

В продуктах горения НиНП, помимо безопасных соединений, таких как вода и углекислый газ, присутствуют значительные концентрации вредных веществ. К ним относятся сернистый и серный ангидриды, сероводород, окислы азота и углерода, сажа, синильная и органические кислоты, предельные и циклические углеводороды, формальдегид и 3,4 бенз(а)пирен.

Поскольку предлагаемая методика предназначена для расчета выбросов при горении НиНП, разлитых на болоте, то необходимо знать величину удельных выбросов при горении РГМ. В результате частичного или полного сгорания РГМ происходит дополнительный вклад массы поллютантов в сумму выбросов при горении НиНП. Продукты горения растительных материалов (мох, торф, трава, кустарники, а также деревья хвойных и лиственных пород) включают в себя, помимо продуктов горения, присущих НиНП, дым - дисперсные частицы зольного остатка, состоящего, в основном, из окиси кремния.

Запас РГМ может быть значительным и, соответственно, выбросы поллютантов при его горении вносят большой вклад в общие выбросы загрязняющих веществ в результате горения НиНП. Поэтому игнорирование вклада продуктов горения РГМ в общую массу выбросов при горении нефти и нефтепродуктов приведет к значительному занижению величины экологического ущерба.

Значения удельных выбросов при горении НиНП и ЛГМ приведены в таблице 4.1.

Будем считать для определенности, что k(b) - доля территории болота, покрытая водой, а (1 - k(b)) - кочками, на которых произрастает мох сфагнум и другая болотная растительность. Тогда для расчета выбросов вредных веществ и тепла М(альфа) и Q необходимо использовать формулы:

М(альфа) = (М(0) - М(н)) К(альфа) k(b) S(0),

     Q = q (М(0) - М(н)) k(b) S(0),                       (7.2)

а для определения М(альфа)_(р), Q_(p) - выражения:

М(альфа)_(р) = К_(р) К(альфа)_(р) S(0) m (1 - k(b)),

     Q_(р) = q_(р) К_(р) S(0) (1 - k(b)).                 (7.3)

Здесь и выше S(0) - площадь, на которой разлита нефть на болоте;

k(b) - доля этой площади, соответствующая водной поверхности;

K_(p) - коэффициент полноты сгорания растительности на болоте;

m - запас растительности в кочках на болоте - кг/кв.м;

К(альфа)_(р) - удельные выбросы вредных веществ при горении растительности;

М(0) - масса нефти, разлитой на болоте;

М(н) = ро h(*) k(b) S(0) - масса недогоревшей нефти на болоте;

ро - плотность нефти;

h(*) - предельная высота слоя нефти, при которой нефть еще горит на водной поверхности болота.

                            0 < t < t(1).               (В.4)

Выбросы поллютантов для 0 < t < t(1) при горении нефтепродуктов и ЛГМ определяются по формулам:

                  пи К (альфа)
     М(альфа 1) = ----------- ро(1) омега(z) (омега(А) +
                       6

      + омега(В)) омега(С) t _3,  0 < t < t(1),               (В.5)

                  пи К (альфа)
     М(альфа 2) = ----------- ро(2) омега(z) (омега(А) +
                       6

      + омега(В)) омега(С) t _3,  0 < t < t(1).                (В.6)

Общая масса альфа-поллютанта при 0 < t < t(1):

     М(альфа) = М(альфа 1) + М(альфа 2).                      (В.7)

Общее количество тепла, выбрасываемого в атмосферу при 0 < t < t(1), равно:

          пи
     Q = --- (q(1) ро(1) + q(2) ро(2)) омега(z) (омега(А) +
          6

     + омега(В)) омега(С) t_3.                                (В.8)

Следует отметить, что так же как и при горении нефти, разлитой по водной поверхности, при t > t(1) имеет место режим догорания. Однако, в отличие от упомянутого выше случая, будем предполагать, что имеет место полное сгорание ЛГМ, смоченных нефтепродуктами.

Время t(1) легко определить по формуле (А.11), а для определения масс нефтепродукта и ЛГМ, сгоревших к моменту времени t, где t(1) < t < t(*), имеем следующие формулы:

     М(1г) = М(11) + ро(1) омега(z) F(*) (t - t(1)),    (В.9)

     М(2г) = М(21) + ро(2) омега(z) F(*) (t - t(1)).    (В.10)

Здесь М(11) = М(1г)(t(1)), М(21) = М(2г)(t(1)) - массы нефтепродуктов и ЛГМ, сгоревших к моменту времени t(1).

Величина времени, в течение которого длится второй период (период догорания), определяется выражением:

            М(10) + М(20) - М(11) - М(21)
     t(2) = ----------------------------- .             (В.11)
            (ро(1) + ро(2)) омега(z) F(*)

Выражение для выбросов поллютантов и теплоты для момента времени во втором периоде горения имеет вид:

М(1альфа) = М(1г) К(1альфа), Q(1) = М(1г) q (1), (В.12)

М(2альфа) = М(2г) К(2альфа), Q(2) = М(2г) q (2). (В.13)

Полное время горения определяется по формуле:

                         t(*) = t(1) + t(2),            (В.14)

где t(1), t(2) определяются по формулам (А.11) и (В.11).

С учетом допущения о полном сгорании масс нефтепродуктов и ЛГМ за время t(*), имеем:

     М(1*) = М(10),     М(2*) = М(20).                  (В.15)

Таким образом, с помощью формул (В.6) - (В.15) полностью решается вопрос о расчете выбросов в любой момент времени на временном интервале 0 < t < t(*).

3.1. Лесными горючими материалами (ЛГМ) называются природные углеводородные топлива, к которым относятся тонкие веточки, хвоинки или листья в кронах деревьев и опавшие на землю, а также напочвенный покров (трава, кустарники, мох, лишайник), болотные растения и торф.

3.2. Лесным пожаром называется явление неуправляемого многостадийного горения в открытом пространстве на покрытой лесом площади, в рамках которого имеют место взаимосвязанные процессы конвективного и радиационного переноса энергии, нагревания, сушки и пиролиза лесных горючих материалов (ЛГМ), а также горение газообразных и догорание конденсированных продуктов пиролиза ЛГМ.

3.3. В любой момент времени можно выделить на территории, покрытой лесом, достаточно большой контрольный объем среды - зону пожара, внутри которой параметры состояния среды в результате физико-химических превращений, обусловленных лесным пожаром, отличаются от невозмущенных значений, определяемых погодными условиями и типом растительности. Схема зоны лесного пожара представлена на рис. 3.1*, 3.2*.

Рис. 3.1*. Схема зоны лесного пожара (вид сверху).

Рис.3.2*. Схема зоны лесного пожара (вид в вертикальной
плоскости).

____________

* Рисунки в тексте рассылки не приводится .

Схема физико-химических процессов в зоне лесного пожара представлена на рис. 3.3. Химический состав газообразных и дисперсных продуктов горения ЛГМ дается в таблице 4.1.

Схема физико-химических процессов в приземном слое
атмосферы над зоной лесного пожара

+-------------+                                      +------------+
¦ Конденсация ¦                                      ¦ Коагуляция ¦
¦    Н(2)О    ¦                                      ¦   частиц   ¦
+-------------+                                      +------------+
  ¦         ^                                          ^       ¦
  ¦         ¦                                          ¦       ¦
  ¦         ¦        Всплытие продуктов горения        ¦       ¦
  ¦         ¦         +----------------------+         ¦       ¦
  ¦         +---------¦Нагретые газообразные +---------+       ¦
  ¦                   ¦и дисперсные продукты ¦                 ¦
  ¦                   +----------------------+                 ¦
  v                                                            v
 Выпадение                                             Сегментация
 осадков                                                 частиц

Схема физико-химических процессов во фронте
лесного пожара

+-------------+                                      +------------+
¦Теплота      ¦                                      ¦ Прогрев    ¦
¦сгорания ЛГМ +------------------------------------->¦ ЛГМ        ¦
+-------------+                                      +------------+
       ^                                                    ¦
       ¦                                                    v
+-------------------+       +-------------+          +------------+
¦Сгорание           ¦       ¦  Пиролиз    ¦          ¦ Сушка      ¦
¦продуктов пиролиза ¦<------¦    ЛГМ      ¦<---------¦ ЛГМ        ¦
+-------------------+       +-------------+          +------------+

Рис. 3.3. Схема физико-химических процессов в зоне
лесного пожара.

3.4. Наиболее сильное изменение параметров состояния среды происходит в некоторой части зоны лесного пожара, называемой фронтом пожара, который распространяется с некоторой скоростью по территории, покрытой лесом. Эта скорость определяется процессами переноса массы и энергии, а также физико-химическими процессами сушкой, пиролизом ЛГМ, горением газообразных и конденсированных продуктов пиролиза ЛГМ. Визуально фронт лесного пожара наблюдается в виде светящейся зоны лесного пожара.

3.5. Поверхность 1, отделяющая фронт от несгоревших ЛГМ, называется внешней кромкой фронта лесного пожара. Ее проекцию на подстилающую поверхность будем называть контуром лесного пожара. Очевидно, что последний отделяет ЛГМ, пораженные огнем, от несгоревших материалов. Внешняя кромка, распространяющаяся по ветру, называется передней, а против ветра - задней кромкой. На схеме зоны лесного пожара (рис. 3.1 и 3.2) Г - граница зоны лесного пожара, 1 - контур лесного пожара (рис. 3.1) и внешняя кромка фронта лесного пожара (рис.3.2), 2 - внутренняя кромка фронта пожара (рис. 3.2) и проекция этой кромки на горизонтальную подстилающую поверхность (рис. 3.1); горизонтальные стрелки на рис.3.2 обозначают скорость (по величине и направлению) невозмущенного ветра для различных высот, а вертикальные w скорость вдува газообразных и дисперсных горючих продуктов горения из фронта пожара в приземный слой атмосферы.

3.6. Скорость распространения лесного пожара направлена по нормали к контуру лесного пожара, поэтому называется нормальной скоростью распространения и определяется формулой:

                    дельта(n)_r
     омега(n) = lim ------     ,                              (3.1)
                    дельта(t)

где дельта(n)_r приращение контура пожара по нормали за промежуток времени дельта(t).

3.7. Поверхность 2 (см.рис.3.1, 3.2), отделяющая фронт пожара от сгоревших ЛГМ, называется внутренней кромкой лесного пожара. Она может продвигаться как по ветру, так и против ветра и, следовательно, с меньшей скоростью, чем передняя внешняя кромка, которая распространяется в направлении ветра. В результате толщина (ширина) фронта для различных пожаров может меняться в зависимости от времени, скорости ветра и запаса ЛГМ, который мало отличается от невозмущенных значений.

3.8. В зоне лесного пожара имеет место пористо-дисперсная среда, которая называется средой пожара и состоит из сухого органического вещества (объемная доля фи(1)), воды в связанном с этим веществом состоянии (фи(2)), конденсированного продукта пиролиза-коксика (фи(3)), конденсированного продукта горения-золы (фи(4)), газовой фазы (фи(5)), включающей в себя компоненты воздуха и газообразных продуктов пиролиза (фи(5)), и дисперсных продуктов горения, которые состоят из частиц сажи (объемная доля фи(6)), и частиц золы (фи(7)).

3.9. Границей зоны лесного пожара Г называется поверхность, на которой параметры состояния среды (температура, скорость ветра, концентрации компонентов) не отличаются от параметров состояния невозмущенной среды. Очевидно, параметры состояния среды в зоне пожара асимптотически стремятся к невозмущенным значениям. Поэтому для конкретного определения границы зоны пожара необходимо априори определять степень допустимых отличий Е невозмущенных и возмущенных значений параметров состояния на границе зоны пожара Г.

3.10. Выбросом загрязняющих веществ в атмосферу называется поступление за определенное время в воздух или образование в нем физико-химических агентов и веществ, неблагоприятно воздействующих на людей и окружающую среду. Выброс любого вредного вещества альфа обозначается М(альфа) и измеряется в единицах массы (г, кг, моль). Различают итоговый и текущий выбросы загрязняющих веществ. Итоговым выбросом называется выброс загрязняющих веществ за все время горения. Текущим называется выброс, соответствующий рассматриваемому моменту времени, которое меньше чем полное время горения. Поэтому текущий выброс всегда меньше итогового.

3.11. Удельным выбросом (коэффициентом эмиссии) альфа вещества при пожаре называется отношение:

                m(альфа)
     К(альфа) = ------- ,   [К(альфа)] = кг/кг,
                 m(г)

     альфа = 1, 2, ..., N,                              (3.2)

где m(г) - масса ЛГМ на единице площади лесной территории, сгоревшая при лесном пожаре;

m(альфа) - масса альфа- компонента, образованного при горении ЛГМ на той же единице площади лесной территории;

индекс альфа изменяется от 1 до N, где N - общее число поллютантов (вредных веществ), возникающих при лесном пожаре.

Если известна химическая формула ЛГМ, то при организованном горении можно определить коэффициенты эмиссии с помощью стехиометрии - науки о количественных соотношениях, в которых различные вещества вступают друг с другом в химическую реакцию. Для неконтролируемого горения К(альфа) вместо (3.2) удобнее определять и опытным путем.

3.12. Недожогом ЛГМ называется масса не сгоревшего в условиях неконтролируемого горения топлива m(н) на единицу площади. Наряду с m(н) используется коэффициент недожога, определяемый по формуле

                                  m(н)
                           К(н) = ---- ,                 (3.3)
                                  m(0)

3.13. m(o) - запас ЛГМ в абсолютно сухом состоянии, кг/кв.м.

3.14. Количество сгоревшего ЛГМ m(г) можно определить, используя закон сохранения массы

                        m(г) = m(0) - m(н).             (3.4)

где m(г) измеряется в кг/кв.м.

3.15. Поллютант - вещество, загрязняющее среду обитания. Русский синоним этого слова - загрязнитель. Масса выброса поллютанта альфа-сорта, возникающего при горении единицы площади растительного покрова ЛГМ, на основании (3.3) и (3.4) определяется по формуле:

     m(альфа) = К(альфа)(m(0) - m(н)),                  (3.5)

Величина m(альфа) измеряется в кг/кв.м.

3.16. Выбросом тепла в атмосферу называется количество теплоты Q(n), выделяющееся при горении массы m(г) ЛГМ. Выброс тепла в атмосферу определяется по формуле

                       Q(n) = q (m(0) - m(н)).          (3.6)

Величина Q(n) измеряется в Дж/кв.м.

3.17. q- тепловой эффект горения ЛГМ, Дж/кг;

3.18. S(1) - площадь лесной территории, пройденная огнем, кв.м;

3.19. М(н) - масса не сгоревшего в результате пожара ЛГМ на площади S(i) , кг;

3.20. М(г) - масса сгоревшего в результате пожара ЛГМ на площади S(1), кг;

3.21. К - коэффициент полноты сгорания, определяющий, какая часть исходной массы топлива сгорела при пожаре:

                         m(г)
                     К = ---- ,   К = 1 - К(н).       (3.7)
                         m(0)

3.22. W - влагосодержание ЛГМ, в процентах;

3.23. W(*) - предельное значение влагосодержания, выше которого ЛГМ не горит, в процентах;

3.24. x,y - координаты контура пожара;

3.25. a,b - большая и малая полуоси эллипса, соответствующего контуру пожара;

3.26. x(0), y(0) - координаты центра эллипса;

3.27. V(е) - скорость ветра, м/с;

3.28. омега(А) - скорость распространения фронта пожара по направлению ветра, м/с;

3.29. омега(В) - скорость распространения фронта пожара против скорости ветра, м/с;

3.30. омега(С) - скорость распространения фронта пожара перпендикулярно скорости ветра, м/с;

3.31. t - текущее время горения, с;

3.32. t(*) - полное время горения ЛГМ, с;

3.33. М(альфа*) - полное значение выбросов поллютантов к моменту времени t(*), кг;

3.34. Q(*) - полное значение выбросов тепла к моменту времени t(*), Дж;

3.35. S(г) - открытая площадь горения торфяной залежи, через которую происходит выброс поллютантов в атмосферу, кв.м.

     i = 1,2,3.                                         (4.1)

  S(i) - площадь лесной территории, пройденная огнем,

     Q(ni) - теплота, выделившаяся при пожаре в Дж,

     q(i) - тепловой эффект горения ЛГМ в Дж/кг;
     индекс i, равный

     1- соответствует параметрам низового лесного пожара;

     2- верховому лесному пожару;

     3- пожару на торфяниках.

Остальные буквенные обозначения имеют тот же смысл, что и в предыдущих формулах.

Количество поллютантов определяется не только скоростью горения и размерами очага горения, но и коэффициентами эмиссии К(альфа) поллютантов, которые зависят от типа растительности и условий горения. В таблице 4.1 приведены К(альфа).

Таблица 4.1

Осредненные значения коэффициентов эмиссии К(альфа)

+------------------------------------------------------------------+
¦            Наименование поллютанта            ¦ Значение К(альфа)¦
¦                                               ¦     кг/кг        ¦
+------------------------------------------------------------------+

Оксид углерода (окись углерода)                         0.135

Углекислый газ                                          0.094

Оксид азота                                             0.000405

Сажа (элементарный углерод) при горении                 0.0014

Дым (режим горения)                                     0.014

Дым (режим тления)                                      0.055

Сажа при тлении                                         0.011

Метан                                                   0.075

Другие углеводороды                                     0.011

Озон                                                    0.001

     L = пи [1.5 (a + b) - кв.корень  ab],                  (А.6)

                 пи
     S = пи ab = -- (омега (А) + омега(В)) омега (С) t_2.   (А.7)
                 2

Известно, что сухое ЛГМ сгорает почти полностью, т.е. К = 1, а К(н) = 0, в то время как при определенном (предельном) влагосодержании W = W(*), прогресс горения прекращается, т.е. К = 0, а К(н) = 1. Исходя из этих физических соображений, будем считать, что

                                W(*) - W
                            К = -------- ,                 (А.8)
                                   W(*)

где W - влагосодержание ЛГМ.

Для низовых лесных пожаров величина W(*) = 0.13, а К примерно 0.5.

Если предположить, что запас m(з) не меняется по периметру контура лесного пожара, а К(альфа) и скорость распространения не зависят от времени, то, разбивая контур на N равных частей и подставляя в (3.7) формулы (А.5) и (А.7), получаем после интегрирования следующие выражения для массы альфа- загрязняющего компонента:

                                  (омега(А) + омега(В))
М(альфа) = КК(альфа) m(з) пи {1.5[------------------- + омега(С)] -
                                            2

            (омега(А) + омега(В))                N
 - кв.корень(-------------------- омега(С)} t_2 Е  омега(ni). (А.9)
                      2                          i=1

Здесь омега(ni) - значения скорости распространения лесного пожара, соответствующее i-ой части периметра эллипса (см.рис.А.1)

Схема разбиения периметра лесного пожара на элементарные
части и направление нормальной скорости распространения

Рис. А.1*

____________

* Рисунок в тексте рассылки не приводится .

При выводе (А.9) было учтено, что процесс распространения лесного пожара симметричен относительно оси х.

В общем случае, когда м(з) и омега(n) несимметричны относительно оси х, необходимо использовать формулу:

             К(альфа) пи     (омега(А) + омега(В))
М(альфа) = К ----------- {1.5[------------------- + омега(С)] -
                 2                     2
                                                               (А.10)

            (омега(А) + омега(В))                N
 - кв.корень(-------------------- омега(С))} t_2 Е  m(з) омега(ni),
                      2                          i=1

где N - число точек по всему периметру контура лесного пожара.

Легко видеть, что выброс загрязняющего компонента в атмосферу растет с ростом времени и скорости распространения по квадратичному закону, а с ростом коэффициентов эмиссии - по линейному закону. Для определения омега(n) в различных точках контура низового лесного пожара удобно использовать формулу, которая с учетом принятых выше обозначений имеет вид:

f(1) (ню(е), альфа) (m(з)/m(0))_n

     омега(n) = омега(no) -----------------------------------------
                          [1 +  G(г) (ро - ро(0))/ро(0)][1 + С (W -

--------------------------------- .                        (А.11)
- W(0) + D(T - T(0))]/ f(2)(бэта)

                     +
                     ¦ 1 + В(1) V(е) cos альфа + В(4) V(е),
                     ¦
                     ¦ при 0 =< V(е) =< V(1);
                     ¦
                     ¦                пи
                     ¦ В(1) (альфа =< -- ) = В(1) (0),
                     ¦                2
                     ¦
                     ¦               пи
                     ¦ В(1) (альфа > -- ) = В(1) (пи);
                     ¦                2
                     ¦
                     ¦ 1 + [В(1)(0) V(е) + В(2) (V(е) -
                     ¦
                     ¦ - V(1))] cos альфа + В(3) (V(е) - V(1)) +
                     ¦
                     ¦ + В(4) V(е);
                     ¦
f(1) (V(е), альфа)  ={
                     ¦ при V(1) =< V(е) =< V(2),
                     ¦
                     ¦                                V(1) - V(е)
                     ¦ альфа =< альфа(кр)  =  arccos  ----------- ;
                     ¦                                     ню'
                     ¦                                        (А.12)
                     ¦
                     ¦ 1 + В(1) (пи) V(е) cos альфа + В(з) (V(е) -
                     ¦
                     ¦ V(1)) + В(4) V(е);
                     ¦
                     ¦ при V(1) >= V(е) >= V(2), альфа >= альфа(кр);
                     ¦
                     ¦  альфа (V(е) соs альфа)_b, при V(е) > V(2),
                     ¦
                     ¦                  V(2)
                     ¦альфа <= arccos ---- ;
                     ¦                  V(е)
                     +
                     +
                     ¦ 1 + В(1) V(е) cos альфа + В(4) V(е),
                     ¦
                     ¦ при 0 =< V(е) =< V(1);
                     ¦
                     ¦                пи
                     ¦ В(1) (альфа =< -- ) = В(1) (0),
                     ¦                2
                     ¦
                     ¦               пи
                     ¦ В(1) (альфа > -- ) = В(1) (пи);
                     ¦               2
                     ¦
                     ¦ 1 + [В(1)(0) V(е) + В(2) (V(е) -
                     ¦
                     ¦ - V(1))] cos альфа + В(3) (V(е) - V(1)) +
                     ¦
                     ¦ + В(4) V(е);
 f(1) (V(е), альфа) ={
                     ¦
                     ¦ при V(1) =< V(е) =< V(2),
                     ¦
                     ¦                                V(1) - V(е)
                     ¦ альфа =< альфа(кр)  =  arccos  ----------- ;
                     ¦                                    ню'
                     ¦                                        (А.13)
                     ¦
                     ¦ 1 + В(1) (пи) V(е) cos альфа + В(з) (V(е) -
                     ¦
                     ¦ V(1)) + В(4) V(е);
                     ¦
                     ¦ при V(1) >= V(е) >= V(2), альфа >= альфа(кр);
                     ¦
                     ¦ альфа (V(е) соs альфа)_b, при V(е) > V(2),
                     ¦
                     ¦                 V(2)
                     ¦ альфа =< arccos ---- ;
                     ¦                 V(е)
                     +
                     +
                     ¦ (1 - sin 8 град.)[1 - sin 2 (бэта - 8 град.)],
                     ¦
                     ¦ при бэта > 8 град.;
                     ¦
                     ¦ (1 - sin 8 град.),
       f(2) (бэта) = {
                     ¦ при - 18 град. =< бэта =< 8 град.;     (А.14)
                     ¦
                     ¦ примерно 0,7 при бэта =< - 18 град.;
                     +

где омега(no) - скорость распространения низового пожара на горизонтальной подстилающей поверхности;

V(е) - скорость ветра на стандартной высоте;

m(з) - запас лесных горючих материалов на подстилающей поверхности, соответствующий скорости распространения омега = омега(no) (см.таблицу А.2);

G(г) = 0.3;

ро(0) - плотность слоя на горизонтальной поверхности, соответствующая скорости распространения омега = омега(no) (см.таблицу А.2);

n = (0.2 - 0.35) - эмпирический коэффициент;

ню' - пульсация скорости ветра (ню приблизительно равна 1 м/с);

бэта - угол наклона к горизонту рельефа местности;

альфа - угол между направлением скорости распространения фронта пожара омега и скоростью ветра;

С, D, омега(no), a, b - эмпирические постоянные;

Т(0), W(0) - стандартные начальные температуры горизонтального слоя ЛГМ и влагосодержание соответственно.

Скорость ветра в лесу V(е) определяется по формуле:

                    h(1)
     V(е) =  Ламбда ---- V(em),                 (А.15)
                    -
                    h(3)

 где h(1) - высота слоя проводников горения;

     h(з) - высота верхней границы полога леса;

     Ламбда - эмпирический множитель, который при сомкнутости полога 0; 0.2; 0.4; 0.6; 0.8; 1
принимает значения 0.77; 0.62; 0.47; 0.32; 0.165; 0.09 соответственно.
                                         -

     При отсутствии   полога леса вместо h(з) и скорости ветра V(em)
                                                          -
по  измерениям на метеостанции для высоты 10 м надо брать h(з) = 2 м
и скорость ветра по измерениям на высоте 2 м.

Числовые данные для конкретных типов подстилающей поверхности приведены в таблице А.2.

Таблица А.2

Данные для определения скорости распространения
фронта лесного пожара

+---------------------------------------------------------------------------------------------+
¦Проводники  ¦0мега(по)¦   0 < V(e) < V(1)     ¦   V(1) < V(e) < V(2)     ¦    V(е) > V(2)    ¦
¦горения     ¦         +-----------------------+--------------------------+-------------------¦
¦            ¦   м     ¦        пи ¦        пи ¦              V(1) - V(e) ¦             V(2)  ¦
¦            ¦  ----   ¦альфа=< -- ¦альфа>= -- ¦альфа=<arcсos-------------¦альфа=<arcсos----  ¦
¦            ¦  мин.   ¦        2  ¦        2  ¦                   ню     ¦             V(e)  ¦
¦            ¦         +-----------+-----------+--------------------------+-------------------¦
¦            ¦         ¦ В(1)(0)   ¦  В(1)(пи) ¦ V(1) ¦ В(2) ¦ В(3)¦ В(4) ¦ V(2)¦   a  ¦  b   ¦
¦            ¦         ¦   с/м     ¦    с/м    ¦ м/с  ¦ с/м  ¦ с/м ¦ с/м  ¦ м/с ¦      ¦      ¦
+---------------------------------------------------------------------------------------------+

                                 низовые пожары

Отмершая трава  0.7       0.52        0.25        1.6   0.63   0.25  0,25    4    0.15    2.5
   (весна)

Вейник:

   лето         0.5       0.26        0.13        3.0   0.37   0.12  0.12    8.5  0.15    2.5

   осень        0.4       0.90        0.40        1.6   1.10   0.40  0.40

Лишайник        0.22      2.40        0.80        1.8   1.20   0.80  0.80    4    0.15    2.5
Cladonia

Мхи:

мох Шребера     0.24      2.00        0.75        1.5   1.55   0.75  0.75    4     -       -

сфагнум         0.24      2.00        0.75        1.5   1.55   0.75  0.75

Опад листвы:

береза          0.18      2.30        1.00        1.7   2.00   1.00  1.00    4     -       -

осина           0.24      1.80        0.75        1.7   1.45   0.75  0.75

Опад хвои
(сосна обыкно-  0.11      3.00        1.70        1.7   3.50   1.70  1.70    4     -       -
венная)

верховые пожары

Хвоя (листья) и
тонкие веточки в 1.35     -            -           -     -      -     -      4    1.00    2.5
кронах деревьев
(кустарника)

Таблица А.2
(Продолжение)

                 Данные для определения скорости распространения
                              фронта лесного пожара
+-----------------------------------------------------------------------------+
¦Проводники    ¦m(3)_' =< m(3) < ~~¦ро(0)¦    ¦       0 =< W =< W(*)          ¦
¦горения       +-------------------¦     ¦  G +-------------------------------¦
¦              ¦m(3)   ¦    ¦m(3)_'¦кг/  ¦    ¦ W(0) ¦  C   ¦W(*) ¦  D        ¦
¦              ¦кг/кв.м¦ n  ¦кг/   ¦     ¦    ¦      ¦      ¦     ¦           ¦
¦              ¦       ¦    ¦  кв.м¦куб.м¦    ¦      ¦      ¦     ¦10 03 К -1 ¦
+-----------------------------------------------------------------------------+

                                 низовые пожары

Отмершая трава  0.30    0.34 0.15   1-5   0.3  0.13   13     0.18      0.3
   (весна)

Вейник:

   лето         0.30    0.20  -     1-5   0.3  0.18   -      -         -

   осень        0.50    -    0.10   1          0.13   12.9   0.25      6.3

Лишайник        0.10    -    -      4          0.10   7.7    0.2       3.7
Cladonia

Мхи:

мох Шребера     0.25    -    -      12         0.06   29     0.08      14

сфагнум         0.20    -    -      -          -      -      -

Опад листвы:

береза          0.30    0.32 0.20   11    -    0.11   8.8    0.18      4.3

осина           0.30    -    0.20   9     -    0.11   10     0.17      4.8

Опад хвои
(сосна обыкно-  0.30    0.30 0.10   30    0.33 0.09   7.2    0.13      3.5
венная)

верховые пожары

Хвоя (листья) и  -      -    -      -     -    -      -      -         -
тонкие веточки в
кронах деревьев
(кустарника)

Примечание. W(*) - критическое влагосодержание (при W > W(*) горение прекращается);

В(з)_* = В(1) (пи) примерно В(з). ню' - среднее значение пульсаций скорости, равное 1 м/с (по данным киносъемки: Т(0) = 293 298 К).

Надо сказать, что, если известна выгоревшая площадь А, то, используя (А.7), легко определить время горения:

                                       2А
     t(г) = кв.корень (--------------------------------)     (А.16)
                       пи омега(С) (омега(А) + омега(В))

                                      2 S(в)
     t(г) = кв.корень (----------------------------------------- ),
                      пи(омега(А)_(В) + омега(В)_(Н)) омега(С)_(Н)             (Б.11)