Особенности тушения лесных пожаров с применением авиации | Вестн Том. гос. ун-та. Математика и механика. 2019. № 59. DOI: 10.17223/19988621/59/8

Особенности тушения лесных пожаров с применением авиации

Систематизированы данные по плотности орошения водой леса для создания заградительных полос и тушения очагов горения. Приведены характеристики зон орошения при сбросе воды с самолетов легкого класса GL-215, среднего - БЕ-200 и тяжелого - ИЛ-76. Выполнена оценка влияния высоты сброса огнетушащего вещества на плотность орошения и приведены формулы для расчета эффективной высоты сброса, карты орошения и массовой концентрации огнетушащего вещества на земле. Приведены результаты стендовых огневых экспериментов по оценки эффективности добавок к воде при тушении верхового и низового пожаров.

Peculiarities of the forest firefighting with the use of aircrafts.pdf Применение авиации при определённых условиях может существенно повысить эффективность борьбы с лесными пожарами на всех стадиях ликвидации [1]: - при сдерживании (локализации) пожара; - дотушивании (ликвидации очагов горения на локализованной площади); - окарауливании (наблюдении за пожарищем для предотвращения возобновления пожара от необнаруженных очагов горения и переноса горящих частиц на несгоревшую территорию). Для каждого вида перечисленных операций необходимо обеспечить расходные характеристики сбрасываемых авиацией огнетушащих веществ. В [2] приведены обобщенные данные по требуемым удельным расходам воды при прокладке опорных и заградительных полос (локализации пожара) (табл. 1). Таблица 1 Требуемый расход воды при прокладке опорных и заградительных полос Лесорастительные условия Удельный расход воды, л^м-2 Лесорастительн^1е участки с полнотой хвойных насаждений менее 0.2 0.7 Хвойн^1е насаждения с полнотой от 0.2 до 0.3 со слабовыраженн^1м на-почвенн^1м покровом и подстилкой 2-3 см 1.3 Хвойн^1е насаждения с полнотой от 0.4 до 0.5 со слабовыраженным на-почвенн^1м покровом и подстилкой 3-5 см 2.0 Высокополнотные хвойные насаждения с мощным слоем подстилки, а также участки повышенной пожарной опасности (хвойные молодняки, захламленные вырубки, гари и т.п. 2.6 80 Н.П. Копылов, В.Н. Карпов, А.Е. Кузнецов, Д.В. Федоткин, И.Р. Хасанов, Е.Ю. Сушкина В США [3] приняты также четыре уровня средней величины дозировки покрытия поверхности лесных массивов огнетушащей жидкостью при тушении лесных пожаров. Диапазон дозировки от 0.5 до 1.75 л-м-2 в зависимости от плотности леса, скорости ветра и других параметров. Тушение предполагает слив огнетушащего вещества на очаг горения (горящую кромку леса). В [4] отмечается, что для тушения степных и низовых лесных пожаров в среднем необходимо обеспечить плотность орошения водой 5-7 л-м-2, а для пожаров с более интенсивным горением свыше 10 л-м-2, при этом необходимая плотность определяется тепловым балансом пожара, связанным со свойствами и запасом горючих веществ, и зависит от характеристик огнетушащего вещества. Для оценки возможностей авиационного способа борьбы с лесными пожарами экспериментально определяется карта орошения земной поверхности при сбросе воды с самолета. Величина площади орошения зависит от ёмкости баков, высоты сброса, скорости самолета, метеорологических условий. В [2-4] приведены карты орошения для зарубежных и отечественных самолетов (табл. 2). Тип самолета и воды! Таблица 2 Карты орошения для самолетов GL-215 «Canadair», БЕ-200, ИЛ-76 GL-215 f' о . = 5455 л; Нсб = 20-30 м; гполета = 180-200 км-ч-1 БЕ-200 f воды = 12000 л; Нсб = 30-50 м; Эполета = 260 км-ч-1 ИЛ-76 f воды = 42000 л; Нсб = 60 м; Эполета = 280 км-ч-1 Пороговая плотность орошения, л-м-2 Длина x ширина полосы, м Пороговая плотность орошения, л-м-2 Длина x ширина полосы, м Средняя плотность орошения л-м-2 Средняя/ максимальная плотность орошения, л-м-2 Длина x ширина полосы, м 0.5 90x35 0.1 133-500 x 50-88 0.34-0.95 0.8/2.7 600-800 x 60-80 1.0 64x29 0.8 20-320 x20-44 0.98-2.21 1.75 52x26 3.5 10-40 x 4-16 3.01-5.22 Все эти данные получены в «холодных» экспериментах, то есть без учёта воздействия горящего леса. Приведенные значения показывают, что карты орошения со значениями плотности воды, во-первых, имеют небольшие размеры по смачиваемой площади и, во-вторых, полученные плотности, в лучшем случае, обеспечивают локализацию пожара в соответствии с данными табл. 1. Плотность орошения в значительной степени зависит, как отмечалось выше, от высоты полёта, которая в свою очередь при тушении реальных пожаров влияет на дисперсность капель воды. Высота сброса огнетушащего вещества определяется безопасностью полёта над зоной пожара. В реальных условиях лесной пожар вносит существенные изменения в состояние атмосферы. В [5] с помощью аналитических и математических моделей, которые основаны на уравнении Навье - Стокса, численно исследованы параметры конвективных движений над крупными пожарами. Установлено, что для линейного пожара с мощностью тепловыделения 5-106 кВт-м-1 и шириной фронта 80 м вертикальный Z и горизонтальный D размеры зон возмущений, Особенности тушения лесных пожаров с применением авиации 81 реализующихся в конвективной колонке, составили Z = 1.5 км, D = 0.5 км. Анализ характеристик возмущений атмосферы при крупных пожарах показал, что взаимодействие индуцированных пожаром воздушных потоков с ветром может привести к проявлению знакопеременных нагрузок в горизонтальной плоскости. Наличие вихревой структуры в конвективной колонке над пожаром приводит к появлению знакопеременной вертикальной перегрузки. При подлете к кромке колонки из-за нисходящих движений воздуха на ее периферии эта перегрузка будет направлена вниз, при пролете центра колонки она максимальна и направлена вверх, при выходе из колонки снова вниз. При полете на малых высотах в условиях ограниченной из-за задымления видимости фактор знакопеременных возмущений имеет важное значение с точки зрения обеспечения безопасности полетов. Таким образом, по соображениям безопасности требуется увеличить высоту полета. В [6] получены зависимости плотности орошения от высоты полета самолета. Эта зависимость имеет экспоненциальный характер. В этой работе на основании обработки экспериментальных данных для самолетов GL-215 и БЕ-200 получено соотношение для расчета эффективной высоты сброса жидкости (1), н 0 - A (^)^ g • Fr2 где A(X) - коэффициент, зависящий от вида добавки к воде (замедлителя горения); Х - l^ / G - удлинение поперечного сечения сливного люка; l - длина водяного бака, м; CT - площадь сливного люка бака самолета, м2; g - ускорение свободного падения, м2^с-1. На рис. 1 приведена зависимость плотности орошения q в зависимости от высоты полета Н0. Fire Trol 100 - раствор воды с добавкой сульфата аммония, атти-пульгитной глины (загуститель) окиси железа. Плотность раствора 1.12^103 кг^м-3, вязкость раствора 1.5-2 Па^с. Рис. 1. Зависимость эффективной высоты H0 сброса от плотности орошения q для Fire Trol 100 и воды (по данным работы [6]) Fig. 1. Dependency diagram of the optimum altitude of discharge H0 on the irrigation density q for Fire Trol 100 and water (according to the data from [6]) 82 Н.П. Копылов, В.Н. Карпов, А.Е. Кузнецов, Д.В. Федоткин, И.Р. Хасанов, Е.Ю. Сушкина Для самолета ИЛ-76 зависимости плотности орошения от высоты полета приведены на рис. 2. [2]. Рис. 2. Зависимость плотности орошения, от высоты полета самолета ИЛ-76 (• - средние значения плотности орошения, ■ - максимальные значения плотности орошения) Fig. 2. Dependency diagram of the irrigation density on the flight altitude of IL-76 aircraft (• -the average values of the irrigation density, ■ - the maximum values of the irrigation density) Единственным источником, в котором описаны результаты измерения у поверхности земли капель воды при сбросе с самолета ИЛ-76, является работа [7]. Эксперименты показали, что спектр капель воды, сброшенной с самолета ИЛ-76, близок к спектру дождевых капель. Образовавшиеся капли воды в зависимости от размера частично уносятся воздушными потоками в атмосфере, частично испаряются или теряют свою массу в факеле пламени. Такие потери по данным [8] могут доходить до 50 %. Это приводит к изменению реальной площади и плотности орошения (к их уменьшению). Краткий обзор работ по испарению капель воды приведен в [9]. В [10] выполнен расчет испарения капель воды. В [2] представлена математическая модель для расчета плотности и карты орошения. В этой модели учитывается высота сброса, скорость самолета, скорости и направление ветра, турбулентная диффузия, дисперсность капель. Геометрические границы области распределения дисперсной фазы жидкости в вертикальной 0 < Y < Y0 и горизонтальной Y = 0 плоскостях описываются соотношениями Y(X, t, d) = sup{inf[Y0; Y0 - W(d)(t - X/Vh)]; 0}; (2) (3) Z(X, t, d) = inf{sup[0; V, sin(a)(t -X/Vh); V, sin(a)Y0/ W(d)]}, где X, Y, Z - координаты; Y0 - высота полета; t - время; d - диаметр капель; W(d) -скорость оседания капли диаметром d; Vh - скорость самолета; Vb - скорость ветра; а - угол между направлением ветра и направлением полета. Особенности тушения лесных пожаров с применением авиации 83 (4) Для расчета массовой наземной концентрации получена формула: С {(, Y = 0, Z, t > Y0^/ W {d), d )=f f -'F (d) 'W (d)- dtdd, 0 0 J W'(d) • Yo -Ив • sin(a) min где q = G/Ин - погонный расход жидкости; G - секундный расход жидкости; F(d) -плотность вероятности распределения капель по размерам; t1 - время оседания капель жидкости. 12,4 W(d) = 2 , (5) 1+1,7/d+(0,55/d)2 F ^d ’ Fi^n^ed ], (6) где dm - медиана распределения; Сте - дисперсия логарифма диаметра частиц d. Для повышения эффективности воды, сбрасываемой с самолета, в нее вводятся добавки в виде смачивателей, ингибиторов горения, загустителей. На эту тему выполнено большое количество работ, например [8]. В этих работах определены параметры зон орошения огнетушащими веществами с добавками. В частности, добавки загустителей могут увеличить линейные геометрические размеры зон орошения в 4 раза. Вместе с тем количественно не оценивалась эффективность добавок к воде в огневых экспериментах при сбросе огнетушащего вещества с самолета. В [11, 12] оценена эффективность добавок к воде при тушении очагов горения, моделирующих низовой и верховой пожары. В табл. 3 приведены результаты экспериментов по тушению низового и верхового пожаров. Эксперименты проводились на специально созданном стенде, моделирующем дисперсных состав сбрасываемой с самолета огнетушащей жидкости. Таблица 3 Результаты огневых экспериментов по определению эффективности тушения очагов, имитирующих лесной пожар водой и различными растворами Огнетушащее вещество Кинематическая вязкость X 10-6, м2-с-1 Время разгорания, с Время тушения очагов, с Очаг, имитирующий вид лесного пожара Вода 1 383 39/52/57/62/80 Верховой Вода 1 380 30 (время тушения последнего очага) Низовой Раствор бишофита, 8 %-й 1.45 14/57/63/70/92 Верховой Раствор бишофита, 8 %-й 1.45 325 11/14/16/23/29/31/33 Низовой Раствор бентонита, 5 %-й 10.19 320 11/13/15/16/18/19/34 Низовой Раствор воды с примесью бентонита 10 %-й 26.2 360 13/16/17/20/21/31/45 Низовой Раствор воды с примесью бентонита 10 %-й 26.2 340 39/43/51/57/78 Верховой Вода + 0.3 %-й «Файрэкс» 1.14 385 60/90 - на остальных очагах горение продолжалось Верховой Вода + 0.3 %-й «Файрэкс» 1.14 323 13/16/17/18/22/35/84 Низовой 84 Н.П. Копылов, В.Н. Карпов, А.Е. Кузнецов, Д.В. Федоткин, И.Р. Хасанов, Е.Ю. Сушкина Верховой пожар: удельное тепловыделение W = 2-7 МВт-м 2; низовой пожар: удельное тепловыделение W = 0.31-0.327 МВт-м-2. В частности, эти исследования подтвердили гипотезу Арцыбашева Е.С. [13] о том, что добавка смачивателя в воду может уменьшить эффективность тушения. Результаты исследований [11, 12] также показали, что необходимо разработать специальный стандарт для проведения сертификационных испытаний добавок к воде, который учитывал бы особенности тушения лесных пожаров авиационным способом. Кроме того, необходимо оптимизировать концентрацию растворов с добавками. Это позволит увеличить величину плотности орошения.

Ключевые слова

лесной пожар, авиационное пожаротушение, плотность орошения, дисперсность огнетушащего вещества, расчет высоты сброса и карт орошения, добавки к воде, forest fire, aerial firefighting, irrigation density, dispersion of the fire extinguishing agent, calculation of the optimum altitude of discharge and irrigation maps, water additives

Авторы

ФИООрганизацияДополнительноE-mail
Копылов Николай ПетровичВсероссийский научно-исследовательский институт противопожарной обороны МЧС РФдоктор технических наук, профессор, главный научный сотрудникnp.nanpb@mail.ru
Карпов Вячеслав НиколаевичВсероссийский научно-исследовательский институт противопожарной обороны МЧС РФначальник Отдела эксплуатации полигонной базыv75karpov@mail.ru
Кузнецов Александр ЕвгеньевичВсероссийский научно-исследовательский институт противопожарной обороны МЧС РФкандидат технических наук, начальник Отдела специальных исследованийae.kuznetsov@yandex.ru
Федоткин Дмитрий ВячеславовичВсероссийский научно-исследовательский институт противопожарной обороны МЧС РФкандидат технических наук, заместитель начальника Отдела специальных исследованийfdv982@mail.ru
Хасанов Ирек РавильевичВсероссийский научно-исследовательский институт противопожарной обороны МЧС РФдоктор технических наук, главный научный сотрудникirhas@rambler.ru
Сушкина Елена ЮрьевнаВсероссийский научно-исследовательский институт противопожарной обороны МЧС РФкандидат технических наук, начальник Отдела ученого секретаря - ученый секретарьsushkina@bk.ru
Всего: 6

Ссылки

Проблемы совершенствования пожаротушения в лесах и на предприятиях лесной промышленности // Материалы служебного совещания-семинара. г. Братск, 11 -13 мая 1989 г. М.: ГУПО МВД СССР, 1989. С. 157.
Копылов Н.П., Хасанов И.Р., Кузнецов А.Е., Федоткин Д.В., Москвилин Е.А., Стрижак П.А., Карпов В.Н. Параметры сброса воды1 авиационн^1ми средствами при тушении лес-н^1х пожаров // Пожарная безопасность. 2015. № 2. С.49-55.
Техническая справка по результатам обработки методики тушения лесных пожаров с использованием самолета ИЛ-76. М.: ПО «Авиалесоохрана», НПП «ИНТЭЛ». 1993. С. 40.
Асовский В. П. Методы и средства совершенствования системы и технологий авиационных работ по распределению веществ (докторская диссертация). Краснодар: ВНИИ-ПАНХ, 2010. С. 421.
Копылов Н.П., Хасанов И.Р., Гостинцев Ю.А. Влияние атмосферных возмущений над пожарами на полеты авиационной техники // Пожарная безопасность - история, состояние, перспективы: Материалы XIV Всерос. науч.-практич. конф. Ч. 2. М.: ВНИИ-ПО, 1997. С. 101-103.
Журавлев Ю.Ф., Михалькова Е.П., Варюхин А.Н. Гидродинамические аспекты борьбы с лесными пожарами с помощью авиатанкеров с вертикальным сбросом воды // Пожарная безопасность. 2014. № 3. С. 132-140.
Отчет о научно-исследовательской работе «Измерение распределения по размерам водяных капель, образованных в результате сброса воды с самолета ИЛ-76 в условиях натурного эксперимента». М.: НПК «Атмосферные технологии» («АТТЕХ»). 1993. С. 91.
Давыденко Э.П. Стратегия и тактика применения авиатанкеров для борьбы с лесными пожарами с воздуха // Пожары в лесу и на объектах лесохимического комплекса: возникновение, тушение и экологические последствия // Материалы Междунар. конф. Томск; Красноярск: ТГУ. 1999. С. 58-59.
Копылов Н.П., Кузнецов А.Е., Федоткин Д.В., Москвилин Е.А., Стрижак П.А., Карпов В.Н., Вагенлейтнер Е.В. Тушение диффузионного факела пламени распыленной водой (краткий обзор) // Пожарная безопасность. 2015. № 3. С. 109-113.
Сиянов А.А., Тивина Е.Н., Черных И.В. Анализ огнетушащих свойств воды в зависимости от размеров капель // Математическое и физическое моделирование лесных пожаров и их экологических последствий: Материалы Междунар. конф. Томск; Иркутск: ТГУ, 1997. С. 149-150.
Копылов Н.П., Хасанов И.Р., Федоткин Д.В., Стрижак П.А., Карпов В.Н., Зверева-Степная А.В., Москвилин Е.А. Стенд для испытания огнетушащих веществ, применяемых при тушении лесных пожаров авиационными средствами // Пожарная безопасность. 2015. № 4. С. 51-57.
Копылов Н.П., Хасанов И.Р., Кузнецов А.Е., Федоткин Д.В., Москвилин Е.А., Стрижак П.А., Карпов В.Н. Оптимизация выбора добавок к воде при тушении лесных пожаров с помощью авиации // Пожарная безопасность. 2016. № 4. С. 48-50.
Арцыбашев Е.С. Об эффективности огнетушащих химических веществ // Лесное хозяйство. 1981. № 6. С. 47-48.
 Особенности тушения лесных пожаров с применением авиации | Вестн Том. гос. ун-та. Математика и механика. 2019. № 59. DOI: 10.17223/19988621/59/8

Особенности тушения лесных пожаров с применением авиации | Вестн Том. гос. ун-та. Математика и механика. 2019. № 59. DOI: 10.17223/19988621/59/8