Понятие о развитии лесного пожара. Факторы и механизм развития

Особенностью лесных пожаров является непрерывное продвижение огня по площади. Неоднородность горючих материалов и непостоянство метеорологической обстановки обусловливают изменения процесса горения во времени и в пространстве. В некоторых условиях эти изменения дополняются саморазвитием пожара.

Термином развитие пожара обозначается процесс перехода пожара от простой формы к более сложной. Особенности распространения и развития пожара определяются конкретными физико-географическими условиями: климат, рельеф, характер лесной растительности и расчлененность территории естественными или искусственными противопожарными барьерами (реки, озера, каменистые россыпи, дороги и т.п.). Под влиянием этих факторов пожар в процессе распространения принимает определенную конфигурацию.

Чаще всего в начальной стадии лесные пожары развиваются в виде низовых напочвенных, однако в ряде случаев они могут переходить в другие. Так, на площадях с хорошо развитым травяным Покровом и дерновым горизонтом при устойчивой засухе после прохода кромки низового напочвенного пожара в местах сосредоточения горючих материалов (кучи валежа, старые пни) горение сохраняется и постепенно заглубляется в дернину, которая, как правило, сгорает до минерального слоя. Придерживаясь классификации И.С.Мелехова (1947), такие пожары можно отнести к подстилочно-гумусовым. М.А.Шешуков (1974) называет их дерновыми, отмечая, что ори незначительной скорости распространения (от 0,5 до 10 см/ч) этот вид пожаров характеризуется высоким коэффициентом использования выделяемого тепла и имеет тенденцию к постоянному заглублению. При дерновых пожарах почти полностью отсутствует дым и раскаленные светящиеся частицы, что существенно затрудняет обнаружение очагов горения.

По аналогичной схеме развиваются также торфяные пожары. В процессе прохода кромки низовых пожаров по участкам торфяной залежи происходит заглубление горения в местах скопления напочвенных горючих материалов или более сухой подстилки. Чаще всего заглубление горения происходит не в одном, а в нескольких местах, что обусловливает развитие так называемых многоочаговых пожаров.

В органическом горизонте почвы М.А.Софронов и А.В.Волокитина (1986) выделяют два типа тления, резко отличающиеся по критическому влагосодержанию В_кр, выше которого тление невозможно; 1) открытое вертикальное заглубление (В_кр -около 200%) и 2) подземное горизонтальное распространение (В_кр - 400-500% для верхового торфа и 300% - для низинного торфа и перегноя).

При открытом заглублении значительная часть тепла рассеивается и не может идти на подсушивание горючего. После заглубления горения при достаточной мощности перегнойно-торфяного слоя (не менее 9 см) развивается подземное горизонтальное тление, при котором рассеивание выделяемого тепла минимально.

Открытое заглубление тления является не только начальной стадией подземного пожара, но и может играть самостоятельную роль в случае его сочетания с низовым пожаром, особенно на участках с малой мощностью торфяного слоя.

Развитие низовых пожаров в верховые осложняется удаленностью основных надпочвенных горючих материалов (кроны деревьев) от поверхности почвы. Как известно, конвекцией уносится в атмосферу 70-77% энергии, выделяемой при низовом пожаре. Однако по мере поднятия продуктов сгорания их температура резко снижается. На высоте 10 м она обычно не превышает 40-50°С, 20 м - 20-22, 50 м - 18-20, в то время как на поверхности почвы она составляет 900-1000°С (Львов, Барзут, 1990).

Е.С.Арцыбашев (1974) отмечал, что вероятность развития верхового пожара зависит от трех основных факторов: суммарной теплотворной способности напочвенного покрова; расстояния между напочвенным покровом и нижней границей полога; пирологической характеристики полога насаждения (массы хвои и мелких веточек в единице объема полога, их химического состава и влажности). Зная вышеуказанные характеристики, можно по тепловому балансу заранее определить вероятность перехода низового пожара в верховой. Чаще всего такой переход обусловливается наличием вертикальной сомкнутости древесного полога, хвойного подроста и подлеска, а также сильного ветра.

Следует отметить, что низовой огонь входит в состав верхового пожара, как его структурный элемент, хотя и в несколько измененном виде. Иными словами, как и при развитии подземного пожара переход низового пожара в верховой сопровождается усложнением структуры последнего.

 

3.5. Конвекционные колонки и их значение

Под конвекцией понимается движение отдельных масс внутри жидкости или газа, возникающее из-за разной плотности (в атмосфере - из-за разности температур) и приводящее к перемешиванию. Конвекция проявляется в виде потоков - движений воздуха с большой вертикальной составляющей. Конвекционные потоки, образующиеся у поверхности земли, могут возникать в результате каких-либо начальных возмущений в поле температуры или ветра и 'под влиянием источников тепла (Валендик, 1990). Особенно сильными источниками тепла являются лесные пожары. Как известно, интенсивность горения определяется скоростью окислительного процесса. Поскольку в атмосфере кислород содержится в смеси с другими газами, то даже при высокой интенсивности пожара обычно не сгорает 10-20% горючих газов. Смесь несгоревших мелкодисперсных частиц углерода, водяного пара и других газов конвекцией уносится в атмосферу, образуя над лесными пожарами дымовые шлейфы. Мощные конвекционные потоки способны увлекать также тлеющие частицы лесного горючего на значительную высоту, откуда они разносятся ветром на различные расстояния. Чем мощнее источник тепла, тем больше скорость и высота конвекционного потока, развивающегося над ним и, следовательно, тем больше вероятность подъема горящих частиц. Так, при лесных пожарах в шелкопрядниках за счет выделения большого количества тепла образуются мощные восходящие потоки высотой 1,5-2 км, захватывающие и поднимающие вверх горящую кору, мелкие ветви и т.п., которые переносятся ветром на расстояние до 4 км. Известны случаи (Faure, 1961), когда при пожарах большой силы создавались воздушные потоки, способные перевернуть самолет. Э.Н.Валендиком (1990) установлено, что при увеличении интенсивности пожара от 0,2 до 7,0 тыс. кДж/(м • с) скорость газового потока пожара возрастает от 1,8 до 6,1 м/с. Иными словами, при увеличении интенсивности пожара в 2 раза скорость конвекции повышается на 15-30%.

Зона активной конвекции образуется даже при слабых низовых пожарах, однако при скорости выгорания менее 1 кг/мин с 1 пог.м кромки образуются лишь невысоко поднимающиеся пульсирующие клубы дыма. В целом конвекционный поток формируется из множества колонок, которые возникают на 10-20-метровых интенсивно торящих отрезках кромки пожара. Если скорость выгорания горючих материалов достигает нескольких килограммов в минут/ с 1 пог.м кромки, то формируются конвекционные колонки высотой до 1000-1500 м. При дальнейшем увеличении скорости выгорания соответственно возрастает и высота конвекционной колонки. Пламя в середине колонки может подниматься на высоту до 120 м (Курбатский, 1962). Если в верхних слоях атмосферы скорость ветра выше, чем у поверхности земли, ось колонки проходит перед фронтом и его продвижение значительно ускоряется.

Развитие конвекционной колонки, а следовательно, и скорость распространения пожара в значительной степени зависит от состояния атмосферы. Наблюдающиеся летом пожары «взрывного» характера являются в основном следствием неустойчивого состояния атмосферы, когда в нижних слоях воздуха наблюдаются нисходящие и восходящие потоки (Арцыбашев, 1973) (рис. 8).

Если очаг пожара оказывается в зоне восходящего потока (дивергенция), то происходит сложение кинетической энергии самого пожара и восходящих потоков воздуха. Конвекционная колонка достигает большой высоты (до 5,0 км), а горящие угли поднимаются на высоту до 1,2 км. Развитие такого пожара подобно взрыву. Его распространение определяется не скоростью продвижения горящей кромки, а дальностью переноса и количеством частиц, от которых возникают многочисленные мелкие очаги горения, вскоре сливающиеся с основным. Напротив, если конвекционная колонка окажется в зоне нисходящего потока (конвергенция), рост ее прекращается и интенсивность горения снижается.

 

Пятнистые пожары

При высокоинтенсивных лесных пожарах конвекционными потоками поднимаются частицы различных размеров и форм, что и обусловливает выпадение их на поверхность земли на различном расстоянии от кромки пожара. Естественно, что время нахождения частиц горючего в воздухе сильно различается. Значительная часть мелких горящих частиц после поднятия их конвекционным потоком успевает сгореть или погаснуть до опускания на землю, но более крупные продолжают гореть и после падения.

Многочисленные возникающие на различном расстоянии от фронта основного пожара новые очаги загорания превращаются в самостоятельные пожары, соединяются с основным или, сливаясь, образуют так называемые ложные фронты, которые длительное время могут двигаться впереди основного фронта (Валендик, 1990). Иными словами, развивается пятнистая форма распространения пожара.

При благоприятных условиях новые очаги горения возникают на широкой полосе перед фронтом основного пожара, что увеличивает скорость распространения последнего и усложняет работы по тушению. Тушение пятнистых пожаров требует повышенного внимания к вопросам обеспечения безопасности проведения работ, так как постоянно существует вероятность возникновения очагов пожара позади опорной полосы, а следовательно, и окружения работающих на ней пожарных огнем.

 

Крупные пожары

Крупными считаются лесные пожары, распространившиеся на значительных площадях, для тушения которых, как правило, недостаточно сил и средств самих лесничеств и оперативных отделений баз авиационной охраны лесов. Такие пожары в большинстве случаев возникают в засушливые периоды, ветреную погоду и обычно носят смешанный характер, т.е. на отдельных участках распространяются как верховые, а частично носят характер низовых. Иными словами, следует согласиться с Э.Н. Валендиком (1990), который относит к крупным пожар, охвативший площадь не менее ландшафтного урочища, носящий смешанный характер распространения, способный к саморазвитию и требующий специальной организации для тушения. В районах авиационной охраны к крупным относятся пожары площадью более 200 га, а в наземной - 25 га и более. В США критерием разделения лесных пожаров по крупности является объем работ, который необходимо выполнить при тушении, В частности, к крупным K.P.Davis, G.M.Byram, W.R.Krum (1959) причисляют лесные пожары площадью 120 га и действующие не менее одних суток. Пожары, близкие к стихийным бедствиям, для ликвидации которых требуются силы и средства провинции или штата, относятся в США к катастрофическим. В Западной Европе к катастрофическим относятся пожары площадью более 100 га (Валендик, 1990). Несмотря на сравнительно небольшое количество крупных пожаров (1-2% от общего числа в обычные годы и 10-15% в засушливые), на их долю приходится 50-70, а иногда даже 90-95% пройденной огнем площади. Например, в 1993 г. на территории лесного фонда РФ было зафиксировано 512 крупных лесных пожаров (3% от общего количества), которые охватили 534,5 тыс.га (72,8% общей пройденной огнем площади). Аналогичная ситуация наблюдалась и в 1995 г., когда 284 крупных пожара (1,2% общего количества) охватили 221 тыс.га, или около 70% общей площади, пройденной огнем.

В результате крупных пожаров 1993 г. в России произошло усыхание лесов более чем на 130 тыс.га, а в 1994 г. - на 225 тыс.га, что составляет соответственно 77 и 83% площади всех погибших по разным причинам насаждений. Крупные лесные пожары возникают как в удаленных, труднодоступных районах Сибири, так и в ухоженных насаждениях Западной Европы, сухих эвкалиптовых лесах Австралии и джунглях Южной Америки.

Именно крупные пожары приводят к глобальным изменениям в лесном фонде и окружающей среде: значительным потерям древесного сырья; образованию не покрытых лесом земель; снижению биологического разнообразия и устойчивости лесных экосистем; выбросам в атмосферу углекислого газа, усилению парникового эффекта и в конечном итоге к изменению климата.

Развитие крупных пожаров обусловлено рядом природных факторов (характером растительности, рельефом и погодными условиями) и организационно-технических причин (отсутствием тех или иных средств пожаротушения, а также возможности их применения, несвоевременностью обнаружения и начала тушения и т.п.). Преобладающее количество крупных пожаров возникает в светлохвойных насаждениях. Исключение составляют лишь дальневосточные районы, где пожары распространяются больше в насаждениях твердолиственных пород в весенний и осенний пожароопасные периоды.

Основной причиной появления крупных пожаров является накопление большого числа локализованных пожаров, которые при критических атмосферных условиях выходят из-под контроля и быстро достигают крупных размеров.

Чаще всего крупные пожары возникают при смене погоды в конце продолжительной засухи вблизи фронтальных зон. Особенно это проявляется при прохождении холодных фронтов на фоне барического поля повышенного давления, вызывающего сильные ветры. В то же время нельзя исключить развитие крупных пожаров и при других типах погоды.

Э.Н.Валендик (1985; 1991) выделяет четыре типа атмосферных процессов, вызывающих интенсивное развитие крупных пожаров.

1. Обширный антициклон (давление в центре более 1025 мбар) с проходящим по периферии тепловым фронтом.

2. Глубокий циклон (давление в центре 985 мбар и менее) с фронтом акклюзии в теплом секторе.

3. Прохождение тепловых фронтов при малоградиентных барических полях пониженного давления.

4. Прохождение холодных фронтов при малоградиентных полях повышенного давления.

В Сибири крупные пожары обычны в весенний и летний пожароопасные сезоны, реже осенью, в сентябре. В весенний период крупные пожары распространяются в травяных типах леса. Основным объектом горения является прошлогодняя высохшая трава, что обеспечивает быстрое продвижение пожаров и почти полную зависимость контуров крупных пожаров от скорости ветра и крутизны склонов. Древесно-травяные, осоковые и осоково-тростниковые болота, а также заросшие травой мелкие ручьи, осушительные и магистральные канавы на осушенных площадях не являются препятствием для распространения пожара. В то же время неоднородность горючих материалов по запасу, структуре и влажности способствует образованию протяженных выступов на фронтальной кромке пожара.

При распространении крупных пожаров на участках с болотно-низинными торфяно-перегнойно-глеевыми и болотно-верховыми торфяно-глеевыми почвами с мощностью органического слоя до 70 см развиваются обычно двухфазовые почвенно-торфяные пожары (Софронов, 1984). Первой фазой является быстрое сгорание травяной ветоши, а второй - горение гумусово-торфяного слоя уже на пройденной пожаром площади. Форма контура такого пожара чаще всего напоминает эллипс с ответвлениями в виде выступов.

В летний период объектами горения при крупных пожарах в Западной Сибири обычно являются леса, произрастающие на гривах, расчлененных грядово-мочажинными кустарниково-сфагновыми и бугристыми болотами. Последние остаются негоримыми практически в любую засуху, чем и объясняется разнообразие форм контуров пожаров.

Анализ большого количества гарей, образовавшихся в результате крупных пожаров, позволил Э.Н.Валендику (1991) установить условия распространения и основные формы их контуров в зависимости от характера растительности (табл.4).

Таблица 4 Условий распространения крупных пожаров и их основные контуры

Лесорастительные условия	Рельеф	Период пожаро-опасного сезона	Вид пожара	Форма контура
Травяные типы леса	Равнинный	Весенний	Низовой беглый	Вытянутый эллипс с длинными выступами на фронтальной кромке
Заболоченные леса	То же	Летний	Низовой беглый	Эллипсовидная, внутри участки с вывалившимся древостоем
Заболоченные и суходольные леса среди болот	Тоже	Летний	Низовой устойчивый, торфяной	Фрагментарная, состоит из двух и более горящих участков леса, объединенных общим пожарищем
Хвойные молодняки, захламленные леса	Все виды	Летний	Низовой устойчивый, верховой	Пятнистая, перед фронтом основного пожара разбросаны многочисленные очаги горения
Осушенные торфяники	Равнинный	Летний осенний	Почвенно-торфяной	Амебообразная, с выступами разной длины по всему периметру пожара
Средне- и высокополнотные суходольные леса	Тоже	Весь сезон	Низовой устойчивый	Подковообразная, в целом округлая, но с частыми и небольшими выступами на кромке фронта пожара
Лиственничники мшистые	Плоскогорный	Летний	Все виды длительно действующие	Звездообразная с большими выступами в четырех и более направлениях, по размерам превышает диаметр центральной части пожара
Лиственничники разнотравные	Средне-горный	Весенний, осенний	Низовой беглый	Пламяобразная, вытянутый эллипс с двумя и более выступами на фронтальной кромке пожара, размер выступов до половины длины продольной оси эллипса
Лиственничники и кедровники мшисто-кустарничковые	То же	Летний	Низовой устойчивый, верховой	Отроговая, прямоугольник с выступами по углам; пальцеобразная в виде плоскости с тремя и более выступами с одной или двух сторон

 

Материалы таблицы наглядно свидетельствуют, что крупные пожары могут быть как низовыми, так и верховыми и иметь самую разнообразную форму контуров. В северной подзоне тайги крупные лесные пожары могут развиться с третьей декады июня и в засушливые годы действовать до первой декады сентября. В южнотаежных сосновых, сосново-лиственничных и лиственничных лесах крупные пожары возможны с третьей декады мая и до начала октября.

Рядом специфических особенностей отличаются крупные пожары в горных лесах. Обычно они возникают с конца июня и действуют до выпадения дождей. Весной и осенью они развиваются в травяных типах сосново-березовых и лиственничных лесов, а летом в период длительных засух во всех остальных типах леса. Конфигурация пожаров в горах отличается тем, что фронт имеет форму вытянутых пальцев или выступов. В широких ложбинах из-за наличия большого количества горючих материалов интенсивность горения высокая, а на склонах и вершинах ложбин низовые пожары переходят в верховые. Очень часто крупные пожары представлены отдельными участками, не связанными общей кромкой, аналогично второй фазе почвенно-торфяных пожаров в заболоченных лесах Западной Сибири (Валендик, 1991).