Лесные горючие материалы и их классификация

Вероятность возникновения и распространения лесных пожаров в значительной степени определяется долевым участием, а также вертикальным и горизонтальным распределением горючих материалов. Лесные горючие материалы весьма разнообразны не только по химическому составу, объемным показателям и структуре, но и характеру реакции на изменение погоды (скорость увлажнения при выпадении осадков или увеличении влажности воздуха или скорость высыхания при отсутствии осадков и понижении влажности воздуха).

Исследованиям различных лесных горючих материалов посвящено большое количество научных работ. Все потенциальные объекты горения в лесу Е.С.Арцыбашев (1974) разделил на наземные (мхи, лишайники, травы, подстилка, опад и т.д.), надземные (подрост, стволы и кроны деревьев) и подземные (торф, корни).

С учетом опасности возникновения лесного пожара лесные горючие материалы могут классифицироваться как первичные и вторичные объекты загорания. К первичным объектам загорания относятся в основном наземные горючие материалы, в частности лесной опад, высохшая и отмершая трава, лишайники, порубочные остатки и т.п. Преобладание наземных горючих материалов в первичных объектах загорания подтверждается тем, что около 98% всех пожаров относятся к низовым. В то же время первичными объектами загорания могут оказаться и надземные горючие материалы, в частности лишайники на ветвях и стволах, «ведьмины метлы» на хвойных деревьях и сухостойные деревья при попадании на них искр, головней или других источников огня, в том числе молний. При обработке крон деревьев специальными зажигательными средствами (напалмом в частности) первичным объектом загорания могут оказаться хвоя и ветви растущих деревьев, а также их стволы, В литературе описываются случаи самовозгорания торфа. В последнем варианте кпервичным объектам загорания можно отнести и глубинные слои торфа.

Учитывая способность к загоранию от брошенной зажженной спички, И.С.Мелехов и С.И.Душа-Гудым (1979) составили следующий ряд лесных горючих материалов в порядке уменьшения опасности загорания.

I. Наиболее часто загораемые - а) прошлогодняя опавшая трава; опавшая хвоя, опавшие мелкие охвоенные сучья с подсохшей или подсыхающей хвоей; кустистые лишайники; б) отмирающие и отмершие зеленые мхи (характерны для недавних вырубок); в) опавшая листва деревьев и кустарников, дающих в опаде скрученные листья (береза и др.).

II. Часто загораемые - г) многолетние подсыхающие и подсохшие в текущем сезоне злаки, подсохший иван-чай; обнажения торфа; д) зеленые мхи; е) полуразложившаяся лесная подстилка; ж) гнилая древесина, валежник.

III. Редко загораемые - з) брусника; и) черника; к) багульник, голубика, плаун сплюснутый.

IV. Очень редко загораемые - л) кукушкин лен, сфагнум; м) широколиственные лесные и луговые травы в вегетирующем состоянии, некоторые ксерофитные травянистые растения (например кошачья лапка).

Чаще всего горючие материалы первых двух групп являются первичными объектами загорания, третьей группы - вторичными, а четвертой группы нередко становятся препятствием на пути продвижения пожара.

Н.П.Курбатский (1970а), проанализировав основные лесные горючие материалы, подразделил их на шесть групп: 1 - мхи и лишайники с мелким спадом; 2 - травы и кустарнички; 3 - подрост и подлесок; 4 - лесная подстилка и торф; 5 - валежник, гнилые пни и деревья; 6 - хвоя, охвоенные ветви и сучья в пологе древостоя. Каждая из этих групп обладает определенными пирогенными свойствами, а следовательно, в той или иной мере определяет пожарную опасность в конкретном насаждении.

Мхи и лишайники с мелким спадом могут оказать существенное влияние на возникновение и распространение лесных пожаров особенно в тех случаях, когда они доминируют в живом напочвенном покрове. Высшая теплотворная способность (количество тепла, выделяемого при сжигании 1 кг абсолютно сухого горючего при условии конденсации воды) у мхов и лишайников достаточно высокая. Для лишайников рода кладония она составляет около 4280 ккал/кг, а мха Шребера и сфагнума соответственно 4680 и 4790 ккал/кг. Данная группа отличается очень большим варьированием влажности. При максимальной влажности или полной влагоемкости, достигающей 3000% (в частности у сфагнума), мхи и лишайники могут в засуху иметь влажность 8-10%. Обобщая литературные данные, А.А.Корчагин (цит. по: Курбатский, 1970а) указывал, что кустистые лишайники впитывают воды в 2,5 раза больше своей воздушно-сухой массы; зеленые мхи - в 5-7, а сфагнум - в 15-31 раз.

Мхи и лишайники оказывают большое значение на распределение жидких осадков, так как покров из лишайников может удержать до 4,5 мм осадков, а зеленые мхи даже до 10 мм. Все мхи и лишайники очень существенно меняют свою влажность под влиянием изменения атмосферных условий. И.С.Мелехов (1939) отмечал, что на вырубке спустя 6 дней после дождя влажность лишайников снизилась со 122 до 13,3, зеленых мхов - со 163 до 20,8, а у кукушкина льна со 165 до 44%, О высокой горимости мхов и лишайников свидетельствует тот факт, что они горят при влажности 80%. Опыты по сжиганию на костре мхов и лишайников, выполненные П.Е.Комлевым (цит. по: Курбатский, 1970а), показали, что лишайники воспламеняются и сгорают за 8, зеленые мхи - за 15, сфагнум - за 26, а кусты толокнянки в тех же условиях за 453 с.

Очень важно знать, при какой влажности горючих материалов они способны к загоранию. Исследования показали (Серебренников, Матренинский, 1937; Нестеров, 1945; Курбатский, 1970а; Горшенин, Диченков, Швиденко, 1981), что при влагосодержании около 25-40% мхи и лишайники легко загораются и являются активными проводниками горения. Структура кустистых лишайников более оптимальна для горения. Их слоевища горят несколько быстрее и более высоким пламенем, чем мхи. В условиях сосняка верескового лишайники горят за счет своего пламени при влажности около 16%. Влажность опада хвои в момент появления загораемости сосняков верескового и мшистого составляет 14-15% сырой массы (Горшенин, Диченков, Швиденко, 1981). В конкретных условиях сочетание опада мхов и лишайников различно, однако общим является тот факт, что горение более сухих материалов вызывает горение более влажных. Так, опад из хвои ускоряет горение зеленых мхов. Все горючие материалы первой группы гигроскопичны и, следовательно, на их влажность оказывают влияние не только осадки, но и изменение влажности воздуха. Последнее обстоятельство в значительной степени объясняет снижение интенсивности горения напочвенных пожаров в ночные и утренние часы.

Из мхов наиболее устойчивым к пожарам является кукушкин лен. Как известно, он имеет специальные приспособления для регулирования испарения влаги и поглощения ее из воздуха. В отличие от других мхов, лишайников и опада влажность его после выпадения осадков остается стабильной в течение длительного времени. Не наблюдается у него и систематических послойных различий влажности, а подстилка под ним чаще всего несколько влажнее самого мха. При напочвенных пожарах куртины кукушкина льна обычно не горят, чем и объясняется пятнистость пожарищ, особенно в сосняках долгомошных. Полосы из кукушкиного льна, сформировавшиеся на трелевочных волоках, нередко служат естественной преградой при распространении беглых низовых пожаров.

Травы и кустарнички (черника, брусника, голубика, вереск и др.) являются широко распространенными лесными горючими материалами. Напочвенный покров с преобладанием трав и кустарничков характерен прежде всего для не покрытых лесом лесных площадей (вырубки, гари), а также светлохвойных и лиственных насаждений, особенно пройденных ранее низовыми пожарами. В темнохвойных насаждениях преобладают в напочвенном покрове крупнотравье и папоротники. Эти насаждения широко распространены в горной местности.

Анализируя вероятность возникновения и распространения лесных пожаров на участках с преобладанием трав в напочвенном покрове можно отметить четко выраженную сезонную цикличность горимости. Максимальная пожарная опасность наблюдается весной в период между сходом снега и появлением свежей травяной растительности, что объясняется наличием сухого отмершего прошлогоднего травостоя. С появлением свежей травянистой растительности пожарная опасность резко падает, особенно если в составе травостоя преобладают такие огнестойкие растения, как многолетний люпин, сахалинская гречиха, кошачья лапка, грушанки, плауны и т.п. Влажность травостоя достигает 700% при значительно меньшем варьировании по сравнению с влажностью мхов и лишайников.

Во второй половине лета влажность травянистых растений начинает снижаться и при сухой погоде подсохшие стебли и листья трав текущего года не только не препятствуют распространению пожара, но могут стать и первичными объектами загорания.

Из широко распространенных в таежной зоне кустарничков наиболее опасен в пожарном отношении вереск обыкновенный, а наиболее огнестойка толокнянка. Горимость кустарничков в значительной мере определяется плотностью зарослей, примесью мхов, лишайников и наличием опада из хвои. Так, распространение горения по вереску прекращалось, если из-под него убирали мхи, лишайники и опад (Курбатский, 1962). И.С.Мелехов и С.И.Душа-Гудым (1979) причисляют багульник болотный к огнестойким растениям, но при этом отмечают, что в сухую погоду вместе с Кассандрой, голубикой и андромедой дубровколистной (подбел) он горит хорошо, усиливает пламя и воздействие низового огня на кроны деревьев.

Кустарнички обладают более высокой по сравнению с лишайниками и мхами теплотворной способностью. Так, по данным Н.П.Курбатского (1962), высшая теплотворная способность вереска составляет 5118, багульника - 5639, брусники - 5148 ккал/кг при 4100 ккал/кг у прошлогодней травы весной и 4040 ккал/кг у папоротника.

Влажность кустарничков в зависимости от вида колеблется в пределах от 80 до 150% при очень незначительном изменении в течение суток. В порядке снижения пожарной опасности кустарнички можно расположить таким образом: вереск (особенно густые заросли), багульник, Кассандра, голубика; брусника, водянка (вероника черная), черника; толокнянка.

Подрост и подлесок во многих типах леса образуют густой ярус, имеющий существенное пирологическое значение. Последнее в значительной степени определяется густотой и сомкнутостью подроста и подлеска, а также видами древесных и кустарниковых пород, их составляющих. Не вызывает сомнения вероятность увеличения пожарной опасности при наличии подлеска из можжевельника и кедрового стланика, а также хвойного подроста, особенно в разновозрастных насаждениях с вертикальной сомкнутостью. В то же время в большинстве случаев влияние подроста и подлеска косвенное. Так, подрост и подлесок лиственных пород летом затеняет напочвенный покров, задерживая его пожарное созревание, а также препятствует переходу низового пожара в верховой. Однако создаваемый лиственным подростом и подлеском рыхлый опад в сухом состоянии весной легко воспламеняется.

Подрост и подлесок хвойных пород весной замедляют таяние снега, способствуют увлажнению почвы и притеняют напочвенный покров. Иными словами, они способствуют замедлению пожарного созревания лесных участков, снижая пожарную опасность. Картина меняется после возникновения лесного пожара, так как подрост и подлесок из хвойных пород могут стать основным горючим материалом, в частности при подлеско-кустарниковом низовом пожаре, и главным фактором перехода низового пожара в верховой.

Лесная подстилка и торф отличаются от горючих материалов предыдущих групп повышенной влажностью. Увлажненные осадками и прикрытые живым напочвенным покровом лесная подстилка и торф длительное время остаются влажными, постепенно передавая влагу горючим материалам, расположенным на них.

Масса подстилки в зависимости от типа леса и района исследований изменяется от 0,5 до 4,5 кг/м², составляя (Курбатский, 1970а) около 50% общего запаса напочвенных горючих материалов при калорийности 4780-4970 ккал/кг. Мощность торфяного слоя в ряде типов леса может достигать многих метров. Так, мощность торфяной залежи стационара «Северный», заложенного на верховом болоте, достигает 6,8 м (Чиндяев, Бирюкова, Маковский, 1989), а калорийность превышает 5 тыс.ккал/кг. Лесная подстилка и торф высыхают послойно. В очень сухую погоду верхние слои подстилки могут иметь влажность 6-14% и загораться даже от мелких искр. Максимальная влажность подстилки сильно варьирует по типам леса, составляя, по данным Н.П.Курбатского (1970а), в сосняке бруснично-бобово-орляковом 193 и в ельнике заболоченно-травяно-зеленомошном - 358%. Из-за высокой влажности лесная подстилка полностью сгорает только после длительной засухи.

Очень опасен в пожарном отношении и высохший торф. В естественных условиях на неосушенном болоте весной его влажность достигает 1200% и более. При падении уровня грунтовых вод влажность верхних слоев торфа снижается ниже 300%. Особенно быстро идет высыхание при обнажении торфа, где он, как и подстилка, может воспламениться даже от искры. Специфической особенностью лесной подстилки и особенно торфа является их медленное смачивание и потребность в большом количестве воды для смачивания глубинных слоев. Последнее объясняет горение подземных пожаров даже при интенсивных осадках.

Валежник, бурелом, гнилые пни и порубочные остатки в значительной степени увеличивают пожарную опасность в лесу. Запасы горючих материалов этой группы могут достигать 15-20 кг/м² в абсолютно сухом состоянии. Скорость деструкции валежника, бурелома и т.д. зависит от большого числа факторов и варьирует в широких пределах. В отдельных типах леса разрушение упавших деревьев затягивается на многие десятки лет. Влажность валежника, обросшего мхами и покрытого спадом, сходна с влажностью лесной подстилки. Влажность же открытого валежника и других горючих материалов этой группы зависит от стадии разложения древесины, продолжительности периода без осадков, физических свойств почвы и ряда других факторов, В целом можно отметить, что эти горючие материалы теряют и впитывают влагу медленно. Скрытые очаги горения внутри стволов валежника, пней, куч порубочных остатков могут стать причиной возобновления пожара в течение длительного времени даже после выпадения интенсивных осадков.

Особенно интенсивно горят сосновые пни на старых лесосеках, когда происходит их наибольшее засмоление. Нередко сгорание таких пней на песчаных почвах бывает настолько полным, что в почве образуются заметные углубления в виде воронок (Вакуров, 1975).

Хвоя, листья, ветки и сучья в пологе древостоя являются объектами горения при верховых пожарах. Доля горючих материалов этой группы сильно варьирует в зависимости от породного состава, полноты и возраста древостоя, типа леса и географического региона. Масса хвои в абсолютно сухом состоянии в вечнозеленых лесах таежной зоны варьирует от 2 до 12 т/га при массе хвои и листьев у листопадных пород в конце вегетационного периода до 5 т/га.

Влажность хвои снижается от вершины к основанию кроны, а также с увеличением ее возраста. У распустившихся листьев и хвои влажность превышает 300%, снижаясь к осени до 120-150%. В целом хвоя, листья, ветки и сучья имеют относительно устойчивую и довольно высокую влажность, поэтому они воспламеняются, как правило, только при горении других горючих материалов. Из-за малой массы листьев, приходящейся на единицу площади в абсолютно сухом состоянии, и их высокой влажности древостой из ольхи, осины, ивы, березы и других лиственных пород сдерживают распространение верховых пожаров, способствуя переходу верховых пожаров в низовые.

По роли, которую играют отдельные виды лесных горючих материалов в возникновении, развитии и распространении лесных пожаров Н.П.Курбатский (1970а, 1978) распределил их на три класса: проводники горения, поддерживающие горение и задерживающие распространение огня.

К проводникам горения он отнес три первые группы горючих материалов, объединив их по признаку наиболее быстрого загорания и способности обеспечивать непрерывное распространение пламени по напочвенному покрову. Влагосодержание горючих материалов этого класса может понижаться до 6-8%.

В класс поддерживающих горение включены травы и кустарнички с относительно низким и устойчивым влагосодержанием на уровне 130-150%. При наличии только растений из класса поддерживающих горение лесные пожары не распространяются. Эти растения сгорают лишь вместе с горючими материалами первого класса, повышая общую интенсивность пожара.

Задерживающими распространение горения являются горючие материалы, которые в естественном состоянии гореть не могут вследствие высокой влажности (от 200 до 450%), особенности структуры и химического состава.

Используя классификацию Н.П.Курбатского (1970а), Э.В.Конев создал схему растительного покрова как объекта горения с учетом трех видов пожара (рис.9).

Предложенная схема, несмотря на определенную условность некоторых разделений горючих материалов, может быть широко использована в практических и научных целях.