СПОСОБ МОНИТОРИНГА ТОРФЯНИКОВ ДЛЯ ЗАЩИТЫ ОТ ВОЗГОРАНИЯ Российский патент 2017 года по МПК G08B23/00 

Изобретение относится к измерительной технике, более конкретно к системам мониторинга и защиты торфяников от возгорания в засушливые периоды, и может найти применение при создании локальных и региональных систем для предупреждения возгораний на пожароопасных территориях.

Известны системы мониторинга торфяников от возгорания. Например, согласно патенту на полезную модель [1], система содержит сеть измерительных скважин, снабженных датчиками уровня грунтовых вод, размещенных в зоне торфяника на расстоянии друг от друга 200-500 м, а также сеть заглубленных в торфяник измерительных штанг, снабженных датчиками температуры и размещенных между измерительными скважинами на расстоянии друг от друга 100-250 м, причем выходы каждого из датчиков уровня грунтовых вод и температуры соединены через анализатор выходных сигналов и блок регистрации с входом передающего устройства для связи системы с пунктом наблюдения.

Подобная система мониторинга дорога в изготовлении и внедрении, обладает низкой эксплуатационной надежностью. Действительно, если учесть, что площадь болот в Российской федерации составляет 64,8 миллионов га [2, стр. 9], то внедрение предлагаемой системы потребует подготовки миллионов скважин с установкой в них датчиков уровня грунтовых вод и измерительных штанг с датчиками температуры. Кроме того, необходимо учесть, что все датчики и преобразователи требуют электропитания и, следовательно, прокладки к каждой скважине и штанге электрического кабеля (или проводов). Задача внедрение системы оказывается крайне затратной. Относительно надежности системы. Поскольку датчики, преобразователи измерительных сигналов, кабеля питания будут находиться в условиях торфяных болот, для которых характерна высокая влажность большую часть года, перепады окружающей температуры, то элементы системы будут часто выходить из строя.

Более совершенная система мониторинга выполнена на базе беспилотного летательного аппарата, оснащенного многоспектральной оптико-электронной системой [3, стр. 14-34]. Оптические матричные приемники системы в видимом и инфракрасном спектрах позволяют обнаруживать очаги пожара сквозь дым или под слоем торфа. Недостаток системы состоит в том, что она фиксирует действующие пожары, но не может прогнозировать пожароопасные территории.

Наиболее близкими по технической сущности являются метеорологические автоматизированные станции «ЭкоТерма», включающие в себя локальные измерители давления, температуры и влажности воздуха и работающие от автономного источника питания [4]. Указанные станции измеряют локальные значения давления, температуры и влажности воздуха в месте расположения датчиков и благодаря автономности работы и питания могут перемещаться в пространстве, измеряя температуру и влажность в различных точках территории, где проводится мониторинг. Недостатком подобных систем является невозможность прогнозировать пожарную опасность торфяников, поскольку значения температуры и влажности воздуха над ними не дают однозначного представления о состоянии торфяной залежи: при различных температурах и влажностях торфа могут быть одни и те же значения как температуры, так и относительной влажности воздуха над ним.

Целью изобретения является бесконтактное получение однозначной информации о пожарной опасности действующего слоя торфяной залежи. Поставленная цель достигается тем, что измеряют температуры и влажность воздуха над исследуемой поверхностью на двух высотах в приземном слое атмосферы и давление воздуха, а о пожарной опасности судят по отношению приращения температуры к приращению влажности на разных высотах из выражения

где G - безразмерный коэффициент, величина которого характеризует степень сухости и пожарной опасности действующего слоя торфяника;

с_р=1,0 кДж/(кг⋅°С) - удельная теплоемкость воздуха при постоянном давлении;

р - атмосферное давление;

L - скрытая теплота парообразования с погрешностью не более 1%, можно считать L=2450 кДж/кг;

t₁ и e₁ - температура и парциальное давление паров воды на одной высоте приземного слоя атмосферы;

t₂ и е₂ - температура и парциальное давление паров воды на другой высоте приземного сдоя атмосферы.

Другими словами, о пожарной опасности торфяной залежи судят по отношению теплового потока к потоку влаги в приземном слое атмосферы.

Предлагаемый способ может быть реализован использованием квадрокоптера, оснащенного измерителями температуры, влажности и давления воздуха.

Квадрокоптер запускается над торфяником в пределах приземного слоя атмосферы, например, на высоте z₁=10 м, при этом измеряется температура воздуха t₁, его влажность в виде парциального давления пара e₁ и атмосферное давление р. После выполнения цикла измерений квадрокоптер вертикально поднимается до высоты, например, z₂=50 м (приземный слой атмосферы в среднем равен 100 м) и проводит второй цикл измерений, в результате которого получаются новые значения температуры t₂ и влажности е₂. Далее по полученным данным вычисляется безразмерная величина G, равная

где с_р - 1,0 кДж/(кг⋅°C) - удельная теплоемкость воздуха при постоянном давлении;

р - атмосферное давление;

L=2450 кДж/кг - скрытая теплота парообразования.

О пожарной опасности торфяника судят по величине параметра G в выражении (1). Если он стремится к нулю, то вероятность пожара крайне мала, с ростом величины G нарастает вероятность пожарной опасности.

Указанная выше зависимость (1) получается из следующих соображений.

Уравнение теплового баланса деятельной поверхности торфяника имеет вид [2, стр. 211, уравнение (V-4)]

где R_d - радиационный баланс поверхности, определяемый солнечным излучением;

Q_p- удельный поток тепла в глубь поверхности почвы;

L - скрытая теплота парообразования;

Е - удельный поток пара в атмосферу;

Р - удельный поток тепла в атмосферу.

Из выражения (2) видно, что энергия солнечной радиации, поступающая в атмосферу, состоит из энергии, затраченной на испарение и на тепловой поток. Причем рост одной составляющей (например, энергии на испарение L⋅Е) ведет к уменьшению второй составляющей (теплового потока Р), и наоборот.

Днем в теплое время года атмосфера неустойчива, т.е. с ростом высоты z над подстилающей поверхностью температура воздуха понижается. Ветер и восходящие потоки воздуха от нагретой подстилающей поверхности приводят к тому, что движение воздуха имеет турбулентный характер, причем коэффициент турбулентного обмена K (на высотах свыше 2 м над поверхностью он обычно находится в интервале 20-50 м²/с) на много порядков больше молекулярной диффузии D=0,24⋅10^-4 м²/c [5, стр. 12]. Поэтому в дальнейшем молекулярная диффузия не учитывается.

Удельный поток пара Е зависит от трех факторов: температуры жидкой фазы воды на подстилающей поверхности, т.е. на поверхности торфяника, турбулентности приземного слоя атмосферы и глубины залегания слоя подпочвенной воды. Математически это выражается уравнением [2, стр. 209]

где K_w - коэффициент турбулентного обмена влаги;

ρ - плотность воздуха;

q - удельная влажность воздуха, т.е. содержание массы пара в единице массы воздуха;

z - вертикальная координата над подстилающей поверхностью.

Коэффициент турбулентного обмена пара K_w непостоянен и нелинейно растет с ростом высоты z над подстилающей поверхностью.

Удельная влажность воздуха q непосредственно измерена быть не может, но ее можно выразить через парциальное давление пара в воздухе

и давление воздуха р [5, стр. 12]

,

где - коэффициент удельного испарения, зависящий от глубины залегания воды в торфяной залежи;

ε - парциальное давление пара в воздухе над водной поверхностью при данной температуре поверхностного слоя воды.

Коэффициент удельного испарения а является переменной величиной и зависит от уровня грунтовых вод [2, стр. 222]; зависимость эта нелинейная, но существенно то, что она имеет однозначный характер: с понижением уровня грунтовых вод коэффициент а уменьшается.

С учетом сказанного уравнение затрат тепла на создание потока пара можно записать в виде

Удельный поток тепла в атмосферу Р описывается выражением [5, стр. 11]

где K_t - коэффициент турбулентного обмена теплом;

с_р - теплоемкость воздуха при постоянном давлении;

t - температура воздуха.

Согласно аналогии Рейнольдса, подтвержденной многочисленными экспериментами, коэффициенты турбулентного обмена теплом и массой равны между собой [2, стр. 212; 5, стр. 12], следовательно, K_w=K_t. Поэтому отношение удельного теплового потока Р к удельным затратам энергии на испарение L⋅Е равно

.

Разделяя переменные и интегрируя температуру и парциальное давление пара в пределах, измеренных на высотах соответственно z₁ и z₂, получим

Коэффициент G отношения потока тепла к потоку влаги будет однозначно характеризовать пожарное состояние торфяной залежи.

- Если грунтовая вода покрывает слой торфа или находится на глубине не более 0,2 м от поверхности (за счет капиллярных эффектов вода подымается в поверхностный слой торфа и количество испарившейся воды практически равно испарению с водной поверхности при той же температуре [2, стр. 226]) коэффициент а в выражении (4) максимален и почти вся энергия солнечной радиации R_d-Q_p, не поглощаемая торфом, расходуется на испарение; при этом поток тепла Р, в соответствии с уравнением теплового баланса (2), стремится к нулю. В уравнении (7) этому случаю соответствует стремление по модулю к нулю разности температур (t₂-t₁) в числителе выражения и максимум по модулю (е₂-e₁) в знаменателе. Следовательно, коэффициент G стремится к нулю. Физически это означает, что поверхностный слой торфяника сильно увлажнен и вероятность возникновения пожара близка к нулю.

- Если уровень грунтовой воды опускается ниже 0,4 м, то коэффициент удельного испарения а из (4) резко уменьшается (однако теоретически рассчитать его не представляется возможным, поскольку он зависит, кроме всего прочего, от транспирации влаги растениями, состав и состояние которых рассчитать невозможно). Поэтому основная часть солнечной радиации R_d-Q_P идет на нагрев воздуха и только мала ее часть на испарение. Как следствие, в уравнении (7) разность (t₂-t₁) возрастает по модулю, а величина (е₂-e₁) в знаменателе стремится к нулю. В итоге коэффициент. G стремится к бесконечности, что является признаком высыхания деятельного слоя торфяника и возникновения пожароопасной ситуации.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет по отношению потоков тепла и влаги в приземном слое атмосферы однозначно судить о пожарной опасности торфяников.

Если провести экспериментальную градуировку системы измерения, то по значениям коэффициента G, определенного в разные моменты времени, можно судить о динамике изменения сухости торфяников.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Комплексная система мониторинга и защиты торфяников от возгорания. Патент на полезную модель №106542, опубликовано 20.07.2011.

2. Романов В.В. Гидрофизика болот. - Л., Гидрометеорологическое издательство, 1961.

3. Васильев A. Исследование и разработка многоспектральной оптико-электронной системы комплексирования изображений для обнаружения и мониторинга лесных пожаров. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики - Санкт-Петербург, 2015.

4. Станции метеорологические автоматизированные «ЭкоТерма». Руководство по эксплуатации СФАТ.416328.005РЭ, Москва, 2012.

5. Гальперин Б.М. Турбулентный тепло- и влагообмен поверхности суши и водоемов. Учебное пособие. - Л., Ленинградский гидрометеорологический институт, 1970.

Изобретение относится к измерительной технике, более конкретно к системам мониторинга и защиты торфяников от возгорания в засушливые периоды, и может найти применение при создании локальных и региональных систем для предупреждения возгораний на пожароопасных территориях. Способ мониторинга торфяников включает измерение температуры и влажности воздуха над исследуемой поверхностью на двух высотах в приземном слое атмосферы и давления воздуха, а о пожарной опасности судят по отношению приращения температуры к приращению влажности на разных высотах по выражению , где G - безразмерный коэффициент, величина которого характеризует степень сухости и пожарной опасности действующего слоя торфяника; с_р=1,0 кДж/(кг⋅°С) - удельная теплоемкость воздуха при постоянном давлении; р - атмосферное давление; L - скрытая теплота парообразования с погрешностью не более 1%, можно считать L=2450 кДж/кг; t₁ и e₁ - температура и парциальное давление паров воды на одной высоте приземного слоя атмосферы; t₂ и e₂ - температура и парциальное давление паров воды на другой высоте приземного слоя атмосферы.

Способ мониторинга торфяников для защиты от возгорания, включающий измерения температуры, влажности и давления воздуха над торфяником, отличающийся тем, что измеряют температуры и влажность воздуха над исследуемой поверхностью на двух высотах в приземном слое атмосферы, а о пожарной опасности судят по отношению приращения температуры к приращению влажности на разных высотах согласно выражению

,

где G - безразмерный коэффициент, величина которого характеризует степень сухости и пожарной опасности действующего слоя торфяника;

c_p=1,0 кДж/(кг⋅°С) - удельная теплоемкость воздуха при постоянном давлении;

р - атмосферное давление;

L=2450 кДж/кг - скрытая теплота парообразования;

t₁ и e₁ - температура и парциальное давление паров воды соответственно на одной высоте приземного слоя атмосферы;

t₂ и е₂ - температура и парциальное давление паров воды соответственно на другой высоте приземного слоя атмосферы.