Научный журнал
Успехи современного естествознания
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,791

СИНЕРГЕТИКА И ИНТЕГРАЦИЯ АГРОТЕХНОЛОГИЙ И ТЕХНОЛОГИЙ ПРОТИВОПОЖАРНОЙ ЗАЩИТЫ СЕЛЬХОЗУГОДИЙ, ЛЕСОВ И ТОРФЯНИКОВ

Белозеров В.В. 1 Ворошилов И.В. 2 Денисов А.Н. 3 Катин О.И. 1 Никулин М.А. 4
1 ФГБОУ ВО «Донской государственный технический университет»
2 ООО «Краснодарский компрессорный завод»
3 Академия государственной противопожарной службы МЧС РФ
4 Государственный аграрный университет Северного Зауралья
В статье анализируются проблемы обнаружения и тушения лесных, степных и торфяных пожаров, а также способы их предотвращения и сокращения потерь. Показано, что существующие наземные и авиационные способы обнаружения, предотвращения возгорания и тушения торфяников, лесных и степных массивов не решают проблем их безопасности. На основе анализа недостатков всех описанных способов предлагается использовать нанотехнологии обнаружения и тушения пожаров, в том числе путем газоразделения атмосферного воздуха с помощью контейнерной азотной мембранной станции, подвешиваемой к вертолету Ми-26 вместо водосливного устройства, а в дирижабле – к его несущей конструкции. Показано, что применение воды в качестве огнетушащего состава лишает возможности разрабатывать торфяные месторождения. Предложена модель автоматизированного комплекса, который, помимо обнаружения очага саморазогрева торфа с помощью газовых торфяных стволов-термозондов, и предотвращения его самовозгорания, путем подачи в зону очага атмосферного азота, получаемого с помощью контейнерной азотной мембранной станции, доработанной соответствующим образом, реализует способ вертикального электрозондирования торфяника, в том числе за счет доработки газовых торфяных стволов-термозондов в стволы-термоэлектрозонды, что, в частности, повышает и точность обнаружения зоны саморазогрева. В результате из-за наличия «бесконечного источника» огнетушащего состава в виде атмосферного азота и отсутствия перерывов в пожаротушении из-за необходимости отлета за его пополнением кардинально сократятся затраты на тушение пожаров сельхозугодий, степных и лесных массивов и ущерб от них, а также будут предотвращены пожары на торфяниках.
нанотехнологии противопожарной защиты
термомагнитная сепарация воздуха
мембранные сепараторы
пожарные вертолеты
пожарный дирижабль
азотирование торфа
электрозондирование
«бесконечный источник» огнетушащего состава
1. Воробьев Ю.Л., Акимов В.А., Соколов Ю.И. Лесные пожары на территории России: Состояние и проблемы. М.: ДЭКС-ПРЕСС, 2004. 312 с.
2. Хорошавин Л.Б., Медведев О.А., Беляков В.А., Михеева Е.В., Руднов В.С., Байтимирова Е.А. Торф: возгорание торфа, тушение торфяников и торфокомпозиты. М.: ФГБУ ВНИИ ГОЧС МЧС России, 2013. 256 с.
3. Цветков П.А., Буряк Л.В. Исследование природы пожаров в лесах Сибири // Сибирский лесной журнал. 2014. № 3. С. 25–42.
4. Перминов В.П., Осипова Д.Н., Батыршина А.Ж., Гапонов В.М. Совершенствование пожарных машин на базе летательных аппаратов // Пожарная охрана на службе государства: 1918–2018: сб. науч. тр. Уфа: УГАТУ, 2018. C. 89–127.
5. Григорьевская А.О., Иванов Н.В., Вишнёв А.В. Анализ использования авиации для тушения лесных пожаров // Решетневские чтения: материалы XVIII Междунар. науч. конф., посвящ. 90-летию со дня рождения акад. М.Ф. Решетнева. Ч. 1. Красноярск: СибГАУ, 2014. С. 351–352.
6. Кураков Ф.А. Технологии тушения ландшафтных пожаров как возможный научно-технологический приоритет РФ // Экономика науки. 2017. Т. 3. № 3. С. 214–226. DOI: 10.22394/2410-132X-2017-3-3-214-226.
7. Белозеров В.В., Катин О.И., Никулин М.А. Об интеграции современных наукоемких агро-пожарных технологий // Современные наукоемкие технологии. 2021. № 6–2. С. 239–247.
8. Хорошавин Л.Б., Медведев О.А., Беляков В.А., Михеева Е.В., Руднов В.С., Байтимирова Е.А. Торф: возгорание торфа, тушение торфяников и торфокомпозиты. М.: ВНИИ ГОЧС МЧС России. 2013. 256 с.
9. Самовозгорание торфа / Горная энциклопедия [Электронный ресурс]. URL: http://www.mining-enc.ru/s/samovozgoranie-torfa (дата обращения: 05.09.2021).
10. Система тушения лесоторфяных пожаров с использованием мотопомпы «ГЕЙЗЕР» и специального торфяного ствола [Электронный ресурс]. URL: http://www.systempro.ru/tovar/system (дата обращения: 18.09.2021).
11. Сретенский В.А. Экстренное тушение низовых лесных пожаров и торфяников без воды. Пермь: Изд-во Перм. гос. ун-та, 2004. 188 с.
12. Белозеров В.В., Ворошилов И.В., Кальченко И.Е., Мальцев Г.И., Плахотников Ю.Г., Прус Ю.В., Олейников С.Н. Способ предотвращения или обнаружения и тушения торфяных пожаров и установка для реализации способа // Патент РФ № 2530397. Патентообладатели: ООО ККЗ, ДГТУ, ООО НПТЦ ТС. 2014. Бюл. № 28.
13. Олейников С.Н., Белозеров Вл.В., Быков Д.А. Модель автоматизации защиты торфяников // Электроника и электротехника. 2018. № 2. С. 32–40. [Электронный ресурс]. URL: https://nbpublish.com/library_read_article.php?id=2607214. DOI: 10.7256/2453-8884.2018.2.26072.
14. Белозеров В.В., Быков Д.А. Автоматизированный комплекс защиты торфяников // Фундаментальные исследования. 2018. № 7. С. 9–16.
15. Ворошилов И.В. Передвижная станция компрессорная азотная // Патент на промышленный образец № 102768. 2017. Бюл. № 3.
16. Хасанов Д.И. Введение в электроразведку: пособие для слушателей курсов повышения квалификации по специальности «Геофизика». Казань: КГУ, 2009. 75 с.
17. Марченко М.Н. Вертикальное электрическое зондирование / Под ред. проф. Модина И.Н. М.: МГУ, 2013. 30 с.
18. Поздняков Е.К. Методы определения координат в многопозиционных пассивных комплексах с использованием избыточной информации: дис. … канд. техн. наук Донецк. 2015. 184 с.
19. Белозеров В.В., Ворошилов И.В., Зимовнов О.В., Никулин М.А., Обухов П.С., Белозеров В.В. Способ обнаружения, предотвращения распространения огня и тушения лесных пожаров атмосферным азотом с помощью вертолета // Патент РФ № 2730906. Патентообладатели: ООО ККЗ, ДГТУ, 2020. Бюл. № 24.
20. Абросимов Д.В., Белозеров В.В., Зимовнов О.В., Никулин М.А., Филимонов М.Н., Белозеров В.В. Способ обнаружения и тушения вертолетом ландшафтных пожаров инертными атмосферными газами // Патент РФ № 2732748. Патентообладатели: ООО ККЗ, ДГТУ, 2020. Бюл. № 27.
21. Valery Belozerov, Mihail Nikulin and Nikolay Topolsky Nanotechnology for the suppression of fires in agricultural land and forests /XIII International Scientific and Practical Conference «State and Prospects for the Development of Agribusiness – INTERAGROMASH 2020» // E3S Web Conf., 175 (2020) 12007; DOI: https://doi.org/10.1051/e3sconf/202017512007 .
22. Уханов Р.В. Дроны в сельском хозяйстве. Обзор мировых тенденций [Электронный ресурс]. URL: https://vc.ru/transport/72705-drony-v-selskom-hozyaystve-obzor-mirovyh-tendenciy (дата обращения: 18.09.2021).
Ukhanov R.V. Drones in agriculture. Review of world trends [Electronic resource]. URL: https://vc.ru/transport/72705-drony-v-selskom-hozyaystve-obzor-mirovyh-tendenciy (date of access: 18.09.2021).
23. Перспективы применения малой и беспилотной авиации в сельском хозяйстве [Электронный ресурс]. URL: https://agrostory.com/info-centre/agronomists/perspektivy-primeneniya-maloy-aviatsii-v-selskom-khozyaystve (дата обращения: 18.09.2021).
24. Вертолеты на службе у сельского хозяйства [Электронный ресурс]. URL: https://helico-russia.ru/blog/vertolety-na-sluzhbe-u-selskogo-khozyaystva (дата обращения: 18.09.2021).
25. Белозеров В.В., Денисов А.Н., Катин О.И., Никулин М.А., Белозеров Вл.В. Способ реализации агротехнологий и противопожарной защиты сельхозугодий и лесных массивов с помощью дирижабля // Патент РФ № 2751365. Патентообладатели: ДГТУ, АГПС МЧС РФ, Государственный аграрный университет Северного Зауралья. 2021. Бюл. № 20.

В настоящее время мониторинг сельхозугодий, лесов и степных массивов осуществляется при помощи вертолетов, самолетов, спутников и даже простого обхода полей с измерительными приборами. В то же время «человеческий фактор» и климатические аномалии являются основными причинами пожаров на сельхозугодиях и в лесах. Фактические масштабы пожаров сельхозугодий, степных и лесных массивов, как за рубежом, так и в России до настоящего времени не установлены, так как сплошного мониторинга сельхозугодий, степей и лесов нет из-за ограниченности материальных и людских ресурсов [1–3].

Статистика лесных пожаров на территории СССР (рис. 1, 2) показывает, что ежегодно количество лесных пожаров составляло от 20 до 30 тыc. на площадях от 0,5 до 2,5 млн га, в настоящее время в России (только в лесах Сибири) возникает около 30 тыс. пожаров, которые уничтожают лесные массивы на площадях от 3,5 до 18 млн га [3].

missing image file

Рис. 1. Количество лесных пожаров на территории СССР в 1947–1996 годах

missing image file

Рис. 2. Уничтоженные пожарами площади лесных массивов в СССР в 1947–1996 годах

Статистика свидетельствует также, что ежегодно увеличиваются масштабы торфяных пожаров, в связи с чем актуальность проблемы – обеспечение пожарной и экологической безопасности биосферы и ресурсосбережение сельхозугодий, торфяников и лесных массивов, которые являются возобновляемыми природными ресурсами, не вызывает сомнений [1–3].

Материалы и методы исследования

США, Канада, Австралия, Франция и Россия, для которых проблема лесных пожаров актуальна, используют для тушения пожаров лесных массивов специальные авиационные пожарные формирования. В России, в частности, пожарная техника на базе летательных аппаратов используется почти 90 лет [4, 5].

Каждый вид техники обладает своими преимуществами и недостатками. Например, у вертолетов с водосливными устройствами (ВСУ), в отличие от самолетов, скорость транспортировки емкости с водой значительно ниже. Это становится существенным достоинством при тушении пожаров на небольших территориях или в горной местности, так как при сливах на больших скоростях и высотах (более 40–50 м от поверхности), вода, в соответствии с законом Релея, разбивается воздушным потоком до состояния аэрозолей и большая часть ее испаряется, не выполнив задачу по тушению очага пожара [5].

Общим недостатком применяемых в настоящее время методов, устройств и огнетушащих составов является высокая стоимость как авиационной и мобильной техники, так и ее эксплуатации. Поэтому она может использоваться только централизованно и только в крупных регионах России. В то же время тушение пожаров сельхозугодий, степных и лесных массивов водой при помощи авиационной техники не только убыточно, но и неэффективно. Дело в том, что и вертолетам, и самолетам приходится периодически заправляться водой, улетая от места пожара, позволяя огню распространяться за время их заправки и возвращения. Таким образом, возникла идея использовать атмосферный азот в качестве «бесконечного источника огнетушащего состава» для тушения лесных и степных пожаров, загораний сельхозугодий и торфяников [6, 7].

Профилактика самовозгорания торфа и предотвращение пожаров торфяников путем его «азотирования» может стать важным социально-экономическим фактором развития и в нашей стране, и за рубежом, в связи с возобновлением добычи и переработки этого возобновляемого энергоресурса [2, 8, 9]. При этом именно при разработке торфяников и их осушении возникает опасность саморазогрева торфа микроорганизмами до 70 °С. Процессы термодеструкции торфа, возникающие в этом случае, вызывают дальнейшее повышение его температуры, превращающее торф в полукокс, который самовоспламеняется, если в образовавшейся массе есть кислород. Поэтому периодическое насыщение торфяника азотом с помощью газоторфяных стволов является эффективным способом предотвращения пожара на нем. Такими же процессами сопровождается хранение добытого торфа [7, 10].

В 1990-х гг. В.А. Сретенским была доказана бесполезность тушения водой пожаров торфяников [11]. Тем не менее большинство существующих и разрабатываемых методов и средстве тушения торфяных пожаров используют воду, несмотря на то, что заливка водой торфяника делает невозможным его добычу и использование.

Существуют и безводные способы предотвращения распространения огня в лесных и степных массивах, один из которых, например, заключается в создании барьера по контуру наиболее пожароопасных участков до возникновения очагов самовозгорания или во время пожаров. При распространении огня к барьеру специальный минеральный материал разлагается с выделением углекислого газа, который снижает содержание кислорода в воздухе, затрудняя горение. Оксиды магния и кальция начинают взаимодействовать с различными добавками с образованием устойчивого к высоким температурам пористого барьера, который препятствует распространению огня. Недостатками этих способов являются высокие единовременные и эксплуатационные затраты на их осуществление, а также уничтожение торфа и окружающего лесного массива пожарами [2, 8].

Существуют и «газовые способы тушения лесов и торфяников бомбами» с жидким азотом, «брикетами» с гранулами диоксида углерода и др., но они имеют «поверхностную эффективность», а саморазогрев и самовозгорание торфа происходит в глубине торфяника, куда ни «бомбы», ни «брикеты» попасть не могут [12–14].

Авторами был разработан способ «выдавливания» кислорода из торфа атмосферным азотом и установка, реализующая такой метод «азотирования», которые с помощью процессов мембранного или термомагнитного газоразделения выделяют азот из атмосферы, а с помощью газоторфяных стволов-термозондов (ГТСТЗ), определяя путем тепловой локации зоны саморазогрева торфа, вводят в указанные зоны сепарированный азот. Это позволяет предотвратить самовозгорание торфяника и обеспечить безопасную добычу и хранение торфа. Однако мотопомпы, на базе которых было предложено реализовать указанный способ, требуют буксировки, что в условиях бездорожья снижает эффективность их применения [10, 12].

В связи с вышеизложенным была разработана модель автоматизированного мобильного комплекса, в котором были бы устранены недостатки мотопомп, реализующих разработанный метод азотирования торфа, а также расширены его возможности следующим образом [14, 15]:

- применением серийной мобильной азотной станции ТГА 5/10 на шасси высокой проходимости, выпускаемой ООО «Краснодарский компрессорный завод», мощностью в 300 л.с. с производительностью 5 Нм³/мин и давлением в 10 атм, при чистоте азота в 98–99 % с габаритными размерами 6,0×2,5×3,6 м и массой в 11,5 т (рис. 3), что обеспечивает возможность оперативного прибытия, для предотвращения загораний и тушения пожаров торфяников [15];

missing image file

Рис. 3. Мобильная азотная мембранная станция ТГА – 5/10 ККЗ

missing image file

Рис. 4. Схема измерений методом ВЭЗ

- применением газо-торфяных стволов термоэлектрозондов (ГТС ТЭЗ) с использованием (рис. 4) метода вертикального электрозондирования (ВЭЗ), что позволяет определять профили торфяного месторождения [16, 17], а также более точно вычислять очаг самонагрева за счет увеличения количества ГТС ТЭЗ при ВЭЗ (не менее четырех) и способа тепловой локации [18].

Таким образом, периодическое азотирование торфяников с помощью мобильной азотной мембранной станции ТГА-5/10 для предотвращения самовозгорания в них, а также для обнаружения и тушения торфяных пожаров позволяет:

- во-первых, решить проблему мониторинга объемов этого возобновляемого ресурса по профилям ВЭЗ;

- во-вторых, обеспечить пожарную безопасность торфяников путем их периодического контроля на предмет наличия зон саморазогрева и при обнаружении таковых подавление их азотированием;

- в-третьих, обеспечить пожарную безопасность разработки торфяного месторождения путем его периодического азотирования;

- в-четвертых, обеспечить хранение добытого торфа с помощью его периодического контроля, на предмет наличия зон саморазогрева и при обнаружении таковых подавление их азотированием.

Результаты исследования и их обсуждение

В проблеме тушения лесных и степных пожаров с помощью авиации перспективным направлением является замена огнетушащего состава (воды) атмосферным азотом, выделяемым с помощью азотной мембранной станции. При этом наиболее подходящими летательными аппаратами для такого способа являются дирижабли и вертолеты (рис. 5) с высокой грузоподъемностью, например МИ-26, а для термомагнитных сепараторов воздуха, батарея которых «превращает» поток воздуха от винта вертолета в поток инертных газов – МИ 8 [19–21].

missing image file

Рис. 5. Тушение атмосферным азотом лесных пожаров вертолетами и дирижаблями

В последнее время развитие спутниковой и оптической навигации привело к применению в различных областях деятельности человека, в том числе в агропромышленном комплексе, беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) [22–24].

Однако малое полетное время БПЛА и малой авиации, а также невысокая грузоподъемность, ограничивают длительность и интенсивность выполнения необходимых агротехнологий точного земледелия [23–25].

Как следует из современных тенденций развития летательных аппаратов, дирижабли являются авиасредствами, которые при достаточно большой автономности обладают высокой грузоподъемностью и весовой отдачей, универсальностью применения и низкой общей стоимостью, включающей и стоимость изготовления – в 10 раз ниже вертолетов, и эксплуатационные затраты – в 100 раз ниже. Следовательно, возникает идея оснастить необходимыми пожарно-техническими средствами дирижабль, который сможет решить все задачи противопожарной защиты сельхозугодий, лесных массивов и торфяников. При оснащении дополнительными средствами дирижабль сможет осуществлять патрулирование значительных территорий и мониторинг возникновения опасных факторов пожара, десантные и спасательные операции в труднодоступных местах, в том числе без парашютирования, т.е. без риска и дополнительных нагрузок для пожарных-спасателей [25].

Второй контейнер, примыкающий к мембранной азотной станции (рис. 5), может быть использован также для техники, удобрений, воды, ядохимикатов и специалистов-аграриев, в том числе для их оперативной доставки на сельхозугодия, требующие применения специальных агротехнологий (полива, опыления и т.д.) [21, 25].

Заключение

Синергетика интеграции предлагаемых способов с помощью дирижаблей, которые защищены патентами РФ, проявится не только в предотвращении пожаров торфяников или в уменьшении затрат на тушение пожаров сельхозугодий, степных, лесных и торфяных пожаров и кардинального сокращения социально-экономических потерь от них, за счет осуществления регулярного наблюдения за степными и лесными массивами в зонах их активной охраны и раннего обнаружения загораний, но и при контроле сельхозугодий, в том числе при выполнении на них агротехнологий точного земледелия, таких как картографирование местности, анализ состояния сельскохозяйственных культур, почвы и других агротехнических параметров, что явится мощным самоорганизующим фактором эффективного взаимодействия региональных подразделений МЧС России с подразделениями Росагропрома и Рослесхоза [25].


Библиографическая ссылка

Белозеров В.В., Ворошилов И.В., Денисов А.Н., Катин О.И., Никулин М.А. СИНЕРГЕТИКА И ИНТЕГРАЦИЯ АГРОТЕХНОЛОГИЙ И ТЕХНОЛОГИЙ ПРОТИВОПОЖАРНОЙ ЗАЩИТЫ СЕЛЬХОЗУГОДИЙ, ЛЕСОВ И ТОРФЯНИКОВ // Успехи современного естествознания. – 2021. – № 10. – С. 13-19;
URL: https://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=37692 (дата обращения: 25.06.2022).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074