Експериментальні дослідження процесів висушування лісового горючого матеріалу

Размещено на http://www.allbest.ru/

Експериментальні дослідження процесів висушування лісового горючого матеріалу

Постановка проблеми

висушування ліс лист хвоя

Живий лісовий горючий матеріал рослинного походження у разі порушення умов існування (зволоження, освітленості, температури), змін сезонів або внаслідок механічного ушкодження висихає. Сухий стан сприяє легкому займанню, внаслідок чого зростає небезпека виникнення пожеж. На залежність пожежонебезпечних властивостей горючого матеріалу рослинного походження від вологості вказував І.С. Мелехов [1]. Вологість підстилки, опаду, трав'яних рослин та ін. впливає на виникнення та поширення пожежі на початковій стадії. Пожежна небезпека рослин залежить від сухого стану [2]. М.П. Кур- батський [3, 4], П.А. Цвєтков [5], А.М. Гришин та ін. [6], Е.В. Конєв [7], А.С. Аткін та ін. [8] вивчали горючість і займистість лісових рослин, опаду листя, хвої, кори та інших компонентів, які утворюють лісову підстилку, і класифікували компоненти лісу за здатністю до займання. М.П. Курбатський [3] визначав швидкість висихання моху, лишайників та опаду. В.П. Кучерявий [9] наводить дані про те, що в живому листі дерев міститься 79-82 % води, а у листі трав'яних рослин - 83-86 %. E.C. Salinero [10] зазначає, що вологість листя дуба та соснової хвої є близькою до 60 %. Розроблено низку математичних моделей процесу висушування лісового горючого матеріалу (наприклад Е.В. Конєв [11], А.М. Гришин [12], A.J. Rutter та ін. [13]), у яких основну увагу зосереджено на фізичних засадах процесів, постановці задачі та розв'язуванню рівнянь, проте не враховано різноманіття видів горючого матеріалу та показників, які характеризують процеси висушування.

Метою роботи є дослідження процесів висушування та визначення основних показників для рослин наземного ярусу, соснової хвої та листя найпоширеніших листяних порід у лісах Заходу України.

Прилади і методи. Висушування проведено на ділянці, захищеній від прямої сонячної радіації та опадів. Вологість визначено ваговим методів за допомогою аналітичних терезів. 5 фрагментів кожного виду горючого матеріалу щоденно зважували. Після встановлення рівноважної вологості фрагменти висушили до абсолютно сухого стану в сушильній шафі. Пожежну небезпеку фрагментів встановлено за шкалою W.R. Stevens [14].

Виклад основного матеріалу

Процес висушування рослин (фрагментів) відбувається неоднаково через особливості будови, зумовленої видовою належністю. У зв'язку з цим для дослідження висушування різних видів лісового горючого матеріалу 22.04.2012 у лісі відібрано фрагменти надземних рослин (гілки з листям (хвоєю), стебла з листям, суцвіття та ін.): малини звичайної (Rubus idaeus L), сосни звичайної (Pinus sylvestris L.), ожини сизої (Rubus caesius L.), крушини ламкої (Frangula alnus Mill.) та анемони дібровної (Anemone nemorosa L.). Експеримент тривав 3 тижні. Динаміку зміни абсолютної вологості у % (далі вологості) взірців зображено на рис. 1. Найвищою є початкова вологість анемони дібровної 561,9 %. Понад 200 % цей показник становить для малини звичайної (210,8 %) і крушини ламкої (217,3 %). Найменшими є початкові вологості сосни звичайної (146,1 %) та ожини сизої (147,1 %).

Рис. 1. Залежність вологості деяких видів лісового горючого матеріалу від часу висушування

Процес висушування гілок сосни звичайної з хвоєю істотно відрізняється від інших рослин і відбувається з майже сталою швидкістю (рис. 2). Швидкість висушування інших рослин є максимальною в першу добу, а далі різко спадає. Починаючи з третьої доби, вологість усіх видів горючого матеріалу, окрім сосни, зазнавала незначних коливань та відрізнялася від середнього значення не більше ніж на 5 %, тобто набувала значень, близьких до рівноважної вологості.

Час, доба

Рис. 2. Залежність швидкості висушування деяких видів лісового горючого атеріалу від часу

Швидкість висушування досліджуваних матеріалів, починаючи з 9-ї доби, становила 0-0,1 %/год. Для гілок сосни звичайної швидкість висушування стала нижчою за 0,1 %/год на 12-ту добу.

Аналогічні дослідження проведено і для інших рослин та їх фрагментів: щучника дернистого (Deschampsia caespitosa (L.) P.B.), куничника очеретяного (Calamagrostis arundinacea Roth.), осоки лісової (Carex sylvatica Huds.), чорниці (Vaccinium myrtillus L.), пирія повзучого (Agropyrum repens P.B.), тисячолистника хрящуватого (Achillea ptarmica L.), плауна річного (Lycopodium annotinum L.), звіробою звичайного (Hypericum perforatum L.), щитника чоловічого (Dryopteris filix mas (L.) Schott), підмаренника чіпкого (Galium aparine L.), деревію тисячо- листого (Achillea millefolium L.), кмину (Carum carvi L.) і розрив-трави звичайної (Impatiens noli-tangere L.). Враховуючи результати попереднього дослідження, висушування тривало 14 діб. Динаміка висушування трав'яних рослин та чагарників схожа до отриманої для фрагментів під час першого досліду (окрім хвої сосни звичайної). Найінтенсивніше втрачається вологість протягом першої доби, а далі різко сповільнюється, наближаючись до рівноважної.

Значення початкової вологості фрагментів рослин, отримані експериментальним методом, наведено на рис. 3.

Рис. 3. Початкова вологість свіжозірваних фрагментів живих рослин

За цим показником у вегетаційний період найбільш небезпечними є зірвані фрагменти рослин, вологість яких менша за 200 %, зокрема представники родини тонконогових, осока лісова та чорниця.

Відносно безпечними є рослини з вологістю від 200 до 300 % (малина звичайна, крушина ламка, звіробій звичайний, щитник чоловічий та підмаренник чіпкий). І найбезпечнішими є рослини з початковою вологістю понад 300 % (деревій тисячолистий, кмин, розрив-трава звичайна та анемона дібровна).

У сухому стані фрагменти рослин набувають рівноважної вологості, яка залежить від виду рослин і може змінюватися із змінами мікрокліматичних умов.

Середні значення рівноважної вологості наведено на рис. 4. Оскільки сухі фрагменти рослин формують шар лісової підстилки, за шкалою залежності ступеня пожежної небезпеки від вологості верхнього шару підстилки [14] встановлено, що в сухому стані високу небезпеку становлять куничник очеретяний і осока лісова, низьку - ожина сиза, малина звичайна, анемона дібровна та деревій тисячолистий. Решта досліджуваних рослин характеризуються середньою небезпекою.

Рис. 4. Середні значення рівноважної вологості фрагментів рослин

Досліджено також процес висушування листя дуба звичайного, граба звичайного, бука лісового та вільхи чорної, зірваного 19.08.2012. Свіжозірване листя характеризується неоднаковою вологістю (рис. 5).

Рис. 5. Початкова вологість свіжозірваного листя деяких порід дерев

Найбільшою є вологість листя вільхи чорної. Листя бука та граба мають майже однакову вологість, нижчу, ніж вільхи чорної.

Найменший цей показник для листя дуба звичайного.

Висока вологість листя вільхи зумовлена гігрофітніс- тю, а низька вологість листя дуба - високою щільністю тканин.

Рівноважна вологість листя характеризує їх пожежну небезпеку в сухому стані, зокрема в структурі опаду. Розподіл рівноважної вологості (рис. 6) дещо відрізняється від розподілу початкової вологості.

Рис. 6. Рівноважна вологість листя деяких порід дерев

Найбільшою є рівноважна вологість листя дуба звичайного. Тому опад і підстилка дубових лісів є найбільш безпечними, а небезпека цього горючого матеріалу за шкалою [14] є середньою. Меншим цей показник є для листя вільхи чорної та граба звичайного, але пожежна небезпека таких горючих матеріалів є також середньою. І найнижчою є рівноважна вологість листя бука лісового, підстилка якого становить високу небезпеку.

Висновки

За результатами дослідження експериментально встановлено, що найбільш інтенсивне висушування фрагментів рослин (окрім сосни звичайної) відбувається на початковому етапі і триває 1-2 доби залежно від виду, а далі різко сповільнюється, досягаючи вологості, близької до рівноважної. Пожежна небезпека живих рослин з урахуванням їх вологості є найвищою для злаків, осоки лісової та чорниці. У сухому стані низькі значення рівноважної вологості властиві, здебільшого, тим рослинам, які мали низьку початкову вологість: куничнику очеретяному, осоці лісовій, розрив-траві звичайній та чорниці. Пожежну небезпеку хвойних порід потрібно досліджувати окремо з урахуванням не лише вологості, але й особливостей їх хімічної структури.

Література

висушування ліс лист хвоя

1. Мелехов И.С. Природа леса и лесные пожары / И.С. Мелехов. - Архангельск : Изд-во ОГИЗ, 1947. - 58 с.

2. Серебренников П.П. Лесные пожары и борьба с ними / П.П. Серебренников, В.В. Матренинский. - Л. : Гослестехиздат, 1937. - 184 с.

3. Курбатский Н.П. Исследование количества и свойств лесных горючих материалов / Н.П. Курбатский // Вопросы лесной пирологии : сб. ст. - Красноярск : Изд-во Ин-та леса и древесины СОАН СССР, 1970. - С. 5-58.

4. Курбатский Н.П. Пожарная опасность в лесу и ее измерение по местным шкалам / Н.П. Курбатский // Лесные пожары и борьба с ними. - М. : Изд-во АН СССР, 1963. - С. 5-30.

5. Цветков П.А. Влияние рекреации на природную пожарную опасность соснових лесов заповедника "Столбы" / П.А. Цветков, А.С. Горбунов // Хвойные бореальной зоны : сб. науч. тр. - 2007. - Т. XXIV, № 1. - С. 7-79.

6. Гришин А.М. Экспериментальное и теоретическое исследование сушки слоя лесных горючих материалов / А.М. Гришин, А.Н. Голованов, А.А. Долгов и др. // Известия Томского политехнического ун-та : сб. науч. тр. - 2002. - Т. 305, вып. 2. - С. 31-43.

7. Конев Э.В. Физические основы горения лесных горючих материалов / Э.В. Конев. - Новосибирск : Изд-во "Наука", 1977. - 239 с.

8. Аткин А.С. Запасы напочвенных горючих материалов в сосняках / А.С. Аткин, Л.И. Аткина // Лесные пожары и их последствия : сб. науч. ст. - Красноярск : Изд-во "ИлиД", 1985. - С. 92-101.

9. Кучерявий В.П. Загальна екологія : навч. посібн. / В.П. Кучерявий. - Львів : Вид-во "Світ", 2010. - 520 с.Salinero E.C. Wildland fire danger: estimation and mapping: the role of remote sensing data / E.C. Salinero, E. Chuvieco. - World Scientific, 2003-264 pp.

10. Конев Э.В. О физических основах контроля пожарной опасности в лесу по условиям увлажнения / Э.В. Конев // Лесной журнал : Известия ВУЗов России. - Архангельск, 1989. - № 5. - С. 17-23.

11. Гришин А.М. Постановка и решение задачи о сушке слоя лесных горючих материалов / А.М. Гришин, А.М. Голованов, Л.Ю. Катаева, Е.Л. Лобода // Физика горения и взрыва : сб. науч. ст. - 2001. - Т. 37, № 1. - С. 65-76.

12. Rutter A.J. A predictive model of rainfall interception in forests. I. Derivation of the model from observations in a plantation of Corsican pine / A.J. Rutter, K.A. Kershaw, P.C. Robbins et al. // Agricultural Meteorology. - 1971. - Vol. 9. - Pp. 367-384.

13. Stevens W.R. Stickel on the measurement and interpretation of forest-fire weather in the Western Adirondacks / W.R. Stevens // Monthly Weather Review. - 1932. - January. - Pp. 25.

Размещено на Allbest.ru