С.Н. ОРЛОВСКИЙ. Лесные и торфяные пожары

ПРИРОДА ЛЕСНЫХ ПОЖАРОВ В УСЛОВИЯХ СИБИРИ

1.2. Виды лесных пожаров

Под лесными пожарами понимают горение, стихийно распространяющееся по лесной территории. Наибольшее значение имеет разделение пожаров, основанное на воздействии огня на составные части фитоценоза. С использованием этого принципа построена основная классификация лесных пожаров. В лесохозяйственной практике различают 3 вида пожаров: низовые, верховые и почвенные, или торфяные.

1.2.1. Низовые пожары

Низовые пожары (см. фото) характеризуются горением нижних ярусов растительности лесного биогеоценоза: подстилки, опада, мохового и травяного покрова. В огне низового пожара сгорают кустарнички, подлесок и подрост. Выделяют 2 формы низовых пожаров: беглую и устойчивую.

Беглые пожары (см. фото 1, фото 2, фото 3) характерны для весеннего периода, когда высыхает верхний слой мелких горючих материалов, а лесная подстилка еще влажная. В этом случае огонь распространяется со средней скоростью 3-5 м/мин, но сравнительно мало повреждает древостой, поскольку не задерживается долго на одном месте. Поэтому термин "беглый" было бы правильнее понимать как поверхностный. При беглом пожаре уничтожается самосев леса, обгорает кора нижней части деревьев и выходящих на поверхность почвы корней, повреждаются подрост и подлесок. Такие пожары причиняют наименьший вред лесу, т. к. количество сгорающих горючих материалов невелико. Наблюдается мозаичность в распространении огня по площади, участки с повышенной влажностью напочвенного покрова не горят.

Устойчивые низовые пожары происходят в условиях длительной засухи, когда высыхает не только опад, но также лесная подстилка и моховой покров. В условиях Сибири, где распространены зеленомошные группы типов леса, такие пожары возникают в засушливый летний период. Средняя скорость продвижения фронта пожара 1-3 м/мин, огонь дольше задерживается на одном месте и оказывает сильное локальное воздействие. Длительность горения объясняется не уменьшением скорости продвижения кромки пожара, а увеличением ее ширины, которая составляет около 1 м. При устойчивых пожарах лесная подстилка толщиной до 15 см и влажностью 7-20 % выгорает до минерального слоя и вместе с нею сгорает или в значительной степени повреждается поверхностная корневая система деревьев. Особенно сильно страдают ельники, а в сосняках и лиственничниках наблюдается отпад до 30 % по запасу, в зависимости от возраста и типа леса. На таких участках создаются условия для последующих высокоинтенсивных пожаров. Деление низовых пожаров на беглые и устойчивые имеет большое практическое значение. Отличаются не только последствия этих форм пожаров, но различны и тактические приемы их тушения.

Разновидностью устойчивого низового пожара является валежный пожар (см. фото 1, фото 2). В Сибири опасность возникновения валежных пожаров чрезвычайно высока, так как здесь имеются огромные площади шелкопрядников, старых гарей, неочищенных лесосек и других захламленных территорий. Такие участки почти непроходимы для техники. Из-за более сильного, чем в лесу, ветра, валежные пожары распространяются очень быстро и охватывают значительные территории. Вследствие высокой интенсивности горения уничтожается органический слой почвы. Борьба с валежными пожарами крайне затруднена.

1.2.2. Верховые пожары

Верховые пожары (см. фото 1, фото 2) отличаются от низовых тем, что наряду с горением напочвенного покрова и лесной подстилки горят и кроны деревьев. Они возникают чаще всего в засушливую погоду и при ветрах средней и большой скорости, за исключением хвойных молодняков, в которых низовой пожар легко переходит в верховой из-за низкоопущенных крон даже при слабом ветре. Переход огня в кроны во многом облегчается наличием на почве больших запасов лесных горючих материалов (ЛГМ), а также многоярусностью насаждений.

Различают устойчивые и беглые верховые пожары. При устойчивом пожаре горение крон деревьев, напочвенного покрова и подстилки происходит одновременно и при этом выделяется большое количество тепла. Средняя скорость продвижения огня на фронте от 5 до 15 м/мин, ширина горящей кромки 6-8 м. Такие пожары называют также повальными (см. фото). Они обладают наибольшей разрушительной силой, так как приводят к полной гибели насаждений. Н. П. Курбатский описал устойчивый верховой пожар в северных районах Красноярского края, при котором выгоревшая площадь составила 99600 га, в среднем в сутки выгорало 2860 га [20 ].

При беглом или вершинном верховом пожаре (см. фото) огонь распространяется по кронам скачкообразно со скоростью 250-330 м/мин. Такие пожары наблюдаются при скорости ветра более 15 м/с. Во время скачка горят только кроны деревьев, горение длится 15-20 сек, и за это время пламя уходит вперед на расстояние около 100 м. После каждого скачка распространение огня по кронам прекращается до подхода кромки низового пожара. Как только низовой пожар пройдет участок, на котором сгорели кроны, начинается подогрев крон на следующем участке и процесс повторяется.

С физической точки зрения такое распространение верхового огня объясняется тем, что тепло от горящих крон, поднимаясь наклонно по ветру, лишь частично попадает на соседние кроны и его оказывается недостаточно для подогрева хвои и подготовки ее к воспламенению. Полог древостоя подогревается в основном за счет тепла от низового пожара, под действием ветра тепло подогревает кроны впереди на довольно значительном расстоянии. Затем происходит вспышка и огонь быстро охватывает подогретые кроны [49]. Средняя скорость продвижения фронта беглого верхового пожара до 40 м/мин.

1.2.3. Торфяные пожары

Торф представляет собой продукт неполного разложения растительной массы в условиях избыточной влажности и недостаточной аэрации. Он является обводненным конгломератом битумов, гуминовых кислот, их солей, других продуктов разложения растительного материала и не успевших еще разложиться элементов растений. Торф обладает самой высокой из всех твердых топлив влагоемкостью [41].

Основными тепловыми характеристиками торфа являются его теплотворная способность, а также коэффициент теплопроводности. Основными горючими материалами у торфов являются углерод (52-56 % от общей массы) и водород (5-6 % от общей массы), кроме того, в составе торфа имеется от 30 до 40 % атомов кислорода, связанного в молекулах химических веществ, из которых состоит торф. Среднее значение величины теплотворной способности торфа, зависящей от его вида и степени разложения, равно 5500 ккал/кг [10].

При нагревании торф высушивается, затем происходит его пиролиз с образованием горючих газообразных компонентов и кокса. При торфяных пожарах на больших массивах фронт горения очень неоднороден, оно происходит в основном очагами различного размера. Цвет очагов белый, поверхность горения во времени заглубляется под негорящую поверхность, то есть происходит образование внутренних полостей в торфе. Торфяная залежь обычно имеет относительную влажность 92-95 %, что делает ее сравнительно безопасной в пожарном отношении. Однако в отдельные особо засушливые годы при неблагоприятном стечении климатических условий и непринятии своевременных мер к тушению пожары могут распространиться на большие территории.

Торфяные пожары характерны для второй половины лета, когда в результате длительной засухи верхний слой торфа просыхает до относительной влажности 25-100 %. При таком содержании влаги он может загораться и поддерживать горение в нижних, менее сухих слоях. Глубина прогорания торфяной залежи определяется уровнем залегания грунтовых вод. Горение обычно происходит в режиме "тления", то есть в беспламенной фазе как за счет кислорода, поступающего вместе с воздухом, так и за счет его выделения при термическом разложении сгораемого материала. Хотя скорость продвижения кромки торфяного пожара составляет не более нескольких метров в сутки, они отличаются устойчивостью горения, которое при заглублении на 1,0-1,5 м не могут ликвидировать даже большие дожди.

Процесс горения в нижней части происходит значительно интенсивней, чем вверху. Это можно объяснить тем, что свежий холодный воздух, как более тяжелый, поступает в нижнюю часть зоны горения, где реагирует с горящим торфом. Углекислый и угарный газы, а также продукты пиролиза торфа в нагретом виде омывают верхнюю часть зоны горения, препятствуя доступу к ней кислорода. Также распространению горения на верхние слои почвы препятствует повышенная влажность в задернелом корнеобитаемом слое почвы, хорошо удерживающем влагу от выпадения осадков и капиллярного подъема грунтовых вод. Схема развития торфяного пожара представлена на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Схема развития торфяного пожара

Заглубляясь в нижние слои торфа до минерального грунта или уровня грунтовых вод, горение может распространяться на десятки и сотни метров от входного отверстия, лишь местами выходя на поверхность. При горении массива торфа с абсолютной влажностью до 500 % в 1 дм³ торфа плотностью 0,1 кг/дм³ содержится 0,5 дм³ воды. На ее нагрев до 100 ºС расходуется 50 ккал, на испарение 270 ккал, на подогрев торфа до температуры воспламенения 30 ккал, итого 350 ккал. Калорийность самого торфа составляет 5000 ккал/кг, для плотности 0,1 кг/дм3 она составит 500 ккал, что вполне достаточно для поддержания процесса горения при указанной выше влажности Температура в замкнутом объеме очага горения, называемом "печкой" достигает 700ºС. В верхнем слое торфа горение может распространяться при влажности до 300-400 %. С увеличением заглубления очага горения допустимое значение влажности непрерывно возрастает и составляет на глубине один метр до 500 %. Указанное явление объясняется низкими значениями коэффициента теплопроводности торфа в залежи, составляющей 0,07-0,13 вт/м²·град и возрастающей с увеличением степени разложения.

При заглублении очага горения происходит аккумуляция выделяющегося в слое торфа тепла и его распространение в направлении участков с повышенной влажностью, воспламеняющихся после испарения содержащейся в них влаги. При лесном низовом пожаре на подсушивание и подогрев лесных горючих материалов расходуется около 10 % всей выделяющейся при горении теплоты. При торфяном заглубленном для плотности торфа 0,1 кг/дм³ и влажности 500 %-72 % теплоты. Аккумулируемое тепло расходуется на высушивание торфа, его нагрев до температуры обугливания и, наконец, - воспламенение. Таким образом, при торфяном пожаре горение распространяется с заглублением, которое ограничивается лишь подстилающим минеральным грунтом или уровнем грунтовых вод.

При выпадении осадков битумированные частицы торфа не намокают, влага уходит между них в грунтовые воды, и торфяная залежь может гореть годами до полного выгорания месторождения. При выходе торфяного пожара на поверхность на залесенных участках возникают лесные низовые пожары, которые, заглубляясь, переходят опять в подземные.

На неосушенном и осушенном сетью открытых канав участках сфагнового болота уровень грунтовых вод (УГВ) снижается соответственно с 10 (45) см в начале июня до 55 (75) см в конце августа. Влажность почвенного горизонта 0-10 см на осушенном торфянике значительно меньше, чем на неосушенном, а также в 1,5-2,1 раза меньше подстилающих его почвенных горизонтов 10-20 и 20-30 см. На одних и тех же участках влажность верхнего горизонта торфа изменяется в зависимости от погодных условий значительно больше, чем подстилающих слоев. К осени УГВ значительно снижается и влажность торфа опускается ниже предела его горимости в середине июля на неосушенном болоте и в конце июня на осушенном [17].

Торфяные пожары возникают в такие пожароопасные сезоны, когда сумма выпадающих осадков значительно ниже средней многолетней за тот же период. По данным многолетних наблюдений, пожары на осушенных торфяниках происходили при сумме осадков в мае - сентябре не более 210-220 мм. Различают одноочаговые и многоочаговые торфяные пожары. Если пожар возник от загорания напочвенного покрова, то возможно заглубление огня в органический слой почвы сразу в нескольких местах. Когда пожар возник от костра, то это, как правило, одноочаговый пожар.

Торфяные пожары наносят огромный вред лесу, при них уничтожается органика почвы, в огне сгорают корни деревьев, лес падает и полностью погибает. Горение почвы обнаруживают по выделению угарного газа, имеющего на просвет синеватый оттенок, что связано с наличием в газе примеси мельчайших дымовых частиц [10].

Несмотря на отсутствие пламенного горения, торфяные пожары опасны для жизни человека. Коварство их заключается в том, что поверхностный слой почвы часто остается несгоревшим, а под ним располагается горящая пещера, куда в случае неосторожного захода может провалиться человек.

При борьбе с лесными пожарами важное значение имеет скорость распространения огня. При ликвидации низовых пожаров большую роль играет также высота пламени, почвенных - глубина прогорания. Для определения силы лесных пожаров Н. П. Курбатский [18] предложил представленную в табл. 1.3 их классификацию, которая применяется на практике. Сила пожара, как и вид, определяется по наиболее интенсивно горящей части кромки. Она зависит от многих факторов (вида и состояния ЛГМ, условий погоды, времени суток и др.), и потому при тушении пожара очень важно правильно учесть ее вероятные изменения.

Таблица 1.3

1.2.4. Пятнистые пожары

В настоящее время не сложилось единого мнения в вопросе о статусе пятнистых пожаров в приведенной выше классификации. Одни исследователи [44], основываясь на особенностях этих пожаров, считают их отдельным видом, имеющим принципиальные отличия от всех прочих; другие [4,25] представляют пятнистые пожары как стадию развития верховых пожаров. Но в последнем случае и сами верховые пожары можно рассматривать в качестве стадии развития низовых пожаров, поскольку в подавляющем числе случаев первоначально происходит загорание напочвенного покрова и только потом огонь переходит в кроны. Поэтому, учитывая специфические условия распространения пятнистых пожаров, отличающиеся от других видов, и главное - во многом определяющие тактику тушения очага горения и способы борьбы с ним, будет более правильно выделить пятнистые пожары в отдельный вид.

Пятнистыми называются высокоинтенсивные лесные пожары, над которыми возникают мощные конвекционные потоки нагретого воздуха и продуктов сгорания. Эти потоки поднимают вверх и рассеивают перед кромкой пожара горящие частицы, вызывающие дополнительные загорания напочвенного покрова. Чтобы успешно бороться с крупными высокоинтенсивными пожарами, надо знать: как формируются конвекционные потоки над пожаром; как они влияют на его распространение, на возможность преодоления пожаром препятствий; каковы условия работы летательных аппаратов в зоне пожара.

1.2.5. Конвекционные потоки при лесных пожарах

Конвекция проявляется в виде движений воздуха с большой вертикальной составляющей [7]. Такие потоки могут поднять частицы горючего выше окружающего древостоя. Если же вертикальная составляющая скорости перемещения продуктов сгорания мала, то перенос частиц будет происходить только под действием ветра у поверхности земли, а не в силу конвекционного подъема, дальность которого всегда больше.

Определяющими факторами формирования конвекционных потоков над лесными пожарами являются интенсивность горения и скорость ветра. При интенсивности горения около 40 тыс. ккал/м-мин и величине отношения энергии пожара к энергии ветра больше 1 могут образовываться конвекционные потоки. Влияние конвекционного потока на скорость распространение пожара проявляется в виде переноса горящих частиц лесных материалов за пределы кромки пожара и образования дополнительных очагов горения в местах падения этих частиц на значительных расстояниях.

Возможность подъема частиц горючего зависит от скорости потока на высоте древостоя. Если эта скорость высока, поток подхватывает падающие с деревьев кусочки коры, древесины, мелкие веточки и поднимает их вверх. Пятнистые загорания могут вызвать пожары, скорость потока газа над которыми в пределах высоты древостоя достигает 4,0-4,5 м/с. При подъеме частицы движутся со скоростью, меньшей скорости потока. Вверху колонки частицы под действием ветра движутся горизонтально и далее опускаются вниз.

На практике большое значение имеет визуальное определение вероятности пятнистых загораний на конкретном лесном пожаре. При формировании конвекционной колонки, теряющей свою структуру на высоте 1000 м и более, дополнительных очагов горения может не быть. Это объясняется тем, что вследствие существующего подтока воздуха в дымовую колонку горящие частицы покидают ее только в самой верхней части, но за время подъема частица успевает сгореть.

Пожар может носить характер пятнистого, если ветер перегибает колонку, горящие частицы выпадают в точке перегиба и переносятся далее горизонтальными потоками воздуха. Но высота перегиба не должна быть так велика, чтобы падающие с нее частицы сгорали в воздухе. Когда газовый поток не имеет точки перегиба, но сильно наклонен ветром, пятнистые загорания возникают перед фронтом пожара. Тогда выпадение горючего из потока может происходить на различной высоте, не достигнув точки его перегиба.

Расстояние переноса частицы определяется временем ее горения, скоростью падения и скоростью ветра. Наиболее опасной будет та высота, при выпадении с которой кусочки горючего достигают земли за время, меньшее времени их сгорания. На высокоинтенсивных лесных пожарах скорость газового потока на высоте древостоя достигает 5-6 м/с. Следует отметить, что над пологом леса скорость конвекционного потока возрастает приблизительно до 0,25-0,3 его высоты при условии, что колонка не будет смята ветром. Здесь температуры окружающего и поднимающегося воздуха сравниваются, ускорение газового потока становится равным нулю, а его скорость будет максимальной.

Скорость восходящих над пожарами потоков может достигать 35 м/с. Известны случаи [7], когда самолеты, летящие на высоте 1800 м, опрокидывались. В условиях Красноярского края отмечались колонки, достигающие высоты более 5 км, которые заканчивались мощным кучевым облаком. При этом диаметр колонки составлял 800 и более метров [3]. Такие потоки изменяют метеорологическую обстановку в пограничном слое атмосферы до высоты 1,5 км и оказывают существенное влияние на безопасность полетов при тушении пожаров с воздуха.

При небольшом ветре над слабыми низовыми пожарами могут образовываться конвекционные колонки (см.  фото) высотой 300-400 м, но они мало влияют на горизонтальные потоки воздуха. В данном случае полеты на летательных аппаратах становятся небезопасны на высоте 100-150 м только над фронтом пожара. Когда над очагом горения образуется конвекционная колонка без вихревых потоков, наиболее характерное удаление пятнистых загораний составляет 100-200 м, а максимальное - 300 м. По мере приближения к фронту пожара количество загораний резко возрастает. При засухе, ураганных ветрах со скоростью 30 м/с и более и, когда на площади сосредоточены большие запасы горючих материалов, в лесных массивах развиваются пожары очень высокой интенсивности с вихревыми конвекционными потоками. В подобной ситуации увеличивается расстояние переноса частиц горючего по воздуху. Даже широкие реки не могут служить тогда в качестве надежного противопожарного барьера.