Первым этапом при исследовании источника выбросов с целью определения его опасности является инвентаризация. Под инвентаризацией выбросов понимают систематизацию сведений о распределении источников на территории, количество и состав выбросов.

Для случая лесного пожара исходная информация включает определение:

· местоположения и характеристик пожаров (местоположение может быть определено как в координатах, так и в кварталах, соответствующих территориальному делению лесхозов);

· время действия;

· валового выброса;

· силы и направлений ветра.

Сбор исходной информации для такого источника как лесной пожар сам по себе может стать отдельным этапом, так как лесной пожар является не статичным во времени источником. Если в традиционных методах координаты источника, его площадь и мощность выброса постоянны, то в исследуемом случае изменяется сразу несколько факторов:

· само количество действующих одновременно пожаров;

· их расположение относительно города;

· интенсивность горения, а  следовательно и мощность выброса.

Задача отражения динамических характеристик пожара как источника выброса в атмосферу при расчете рассеивания по методике, предназначенной в большинстве случаев для статичных источников, может быть решена путем разбиения расчетного периода времени на более короткие интервалы, внутри которых параметры моделируемой ситуации были постоянны или менялись незначительно. Кроме того, дополнительные ограничения накладываются дискретностью доступной исходной информации. На рисунке 2.1 представлено разбиение на временные срезы мощности выброса источника, подобное разбиение необходимо выполнить и для других параметров источника: координат, площади, а также для метеорологических параметров.

Очертания очага лесного пожара могут иметь различные формы, но, как правило, его представляют как вытянутый эллипс. Для расчета рассеивания по стандартной методике необходимо привести площадь пожара к прямоугольнику и задать координаты его сторон и ширину. Координаты X и Y определяют середины сторон прямоугольника, соответствующего площади пожара. При построении прямоугольника, его площадь должна как можно более точно соответствовать площади пожара (рис. 2.2). Если очаг пожара имеет сложную форму, его можно разбить на два источника (рис. 2.2, в).

Конечной целью проведения инвентаризации является определение массового выброса вредных веществ из каждого источника (в граммах в секунду). Массовый выброс вредных веществ можно определить с большей или меньшей точность следующими методами:

· инструментальным;

· инструментально-лабораторным;

· индикаторным и расчетным.

В случае лесных пожаров лучше подходит расчетный метод. Расчетный метод применяется для определения массового выброса загрязняющих веществ по данным о составе лесного горючего материала (ЛГМ), его запасах, характере пожара. Мы будем проводить расчет по методике «Определение и расчета выбросов загрязняющих веществ от лесных пожаров» /8/, которая устанавливает общие требования к расчету выбросов загрязняющих газообразных и дисперсных веществ в атмосферу при неконтролируемом горении лесных горючих материалов на лесных пожарах различных типов (низовых, верховых и торфяных).

Удельным выбросом (коэффициентом эмиссии) вещества при пожаре (К_а) называется отношение массы α-компонента, образованного при горении ЛГМ на единице площади лесной территории, к массе ЛГМ, сго­ревших при лесном пожаре, на той же единице площади лесной территории:

,                                    (2.1)

где К_α – коэффициент эмиссии вещества при пожаре, кг/кг; m_α – масса α-компонента, образованного при горении ЛГМ на единице  площади лесной территории m_r – масса ЛГМ на единице площади лесной территории, сго­ревшая при лесном пожаре; N – общее число поллютантов (вредных веществ), возникающих при лесном пожаре.

Если известна химическая формула ЛГМ, то при организованном горении можно определить коэффициенты эмиссии с помощью стехиометрии – науки о количественных соотношениях в которых различ­ные вещества вступают друг с другом в химическую реакцию. Для неконтролируемого горения К_α  определяют опыт­ным путем.

Недожогом ЛГМ называется масса несгоревшего в условиях неконтролируемого горения топлива m_н  на единицу площади. Наряду с m_н используется коэффициент недожога, определяемый по формуле:

,                                                        (2.2)

где m_н – масса несгоревшего в результате пожара ЛГМ на пло­щади S_i, кг; m₀ – запас ЛГМ в абсолютно сухом состоянии, кг/м².

Количество сгоревшего ЛГМ (m_r) можно определить, исполь­зуя закон сохранения массы:

m_r = m₀ – m_н.

Масса выброса поллютанта α-сорта, возникающего при горении единицы площади растительного покрова ЛГМ, определяется по формуле:

m_α  = К_α (m₀ – m_н).

Величина m_а измеряется в килограммах на метр в квадрате (кг/м²).

Выбросом тепла в атмосферу называется количество тепло­ты (Q_n), выделяющееся при горении массы ЛГМ. Выброс тепла в атмосферу определяется по формуле:

Q_n =q (m₀ – m_н),

где Q_n – выброс тепла в атмосферу, Дж/м²; q – тепловой эффект горения ЛГМ, Дж/кг;:

Коэффициент полноты сгорания, определяющий какая часть исходной массы топлива сгорела при пожаре, определяется по формуле:

К = m_r /m₀.

Коэффициент полноты сгорания выражается че­рез коэффициент недожога (К_н), который может быть определен в ре­зультате осмотра последствий лесного пожара:

К = 1 – К_н.

Имея карточку лесного пожара и зная К_а и К, итоговый выброс массы α-компонента и тепла (Q_n) для любого типа лесного пожара сле­дует определять по формулам:

М_αi  = S_i K_i K_αi m_αi;

Q_ni  = q_i K_i m_αi

i = 1, 2, 3,

где М_αi – валовый выброс i-го вещества, т; S_i  – площадь лесной территории, пройденная огнем, м²; K_i – коэффициент, зависящий от яруса горящего леса; K_αi – коэффициент эмиссии (табл. 2.5), кг/кг; m_аi – полное значение выбросов поллютантов к моменту времени t, кг;Q_ni – теплота, выделившаяся при пожаре, Дж; q_i – тепловой эффект горения ЛГМ, Дж/кг; индекс i соответствует параметрам пожара (1 – лесного низового, 2 – лесного верхового, 3 – на торфяниках).

Мощность выброса вредных веществ рассчитывается по формуле:

G = m_αi /T,

где Т – время продолжительности горения леса, с.

Масса поллютантов зависит не только от скорости горения и размеров очага горения, но и от коэффициентов эмиссии (K_α), которые зависят от типа растительности и условий горения.

Для определения коэффициентов K_i и m_αi  в методике применяется максимальная модель леса (табл. 2.5). Значения K_i и m_αi  имеют разные значения в зависимости от яруса горящего леса.

Таблица 2.5

Модель гипотетического леса

Основной состав дымов при лесных пожарах следующий:

· оксид углерода (СО);

· диоксид углерода (СО₂);

· оксиды азота (NO_х);

· сажа (С);

· дым (ультра дисперсные частицы SiO₂).

Такой состав обусловлен процессами, происходящими в зоне пожара во время горения и вызванными этими процессами изменениями агрегатного состояния и химического состава ЛГМ. В условиях лесного пожара горят органические вещества: древесина, мох, опавшие листья, сухие веточки, трава и т.д. В процессе ряда химических реакций выделяются оксиды ванадия, серы (SO₂), сероводород (H₂S), формальдегид (НСНО) и летучие углеводороды, хотя и в малых количествах. Состав углеводородов по различным источникам следующий: бензол, толуол, ксилолы, бенз(а)пирен, метан. Полный перечень веществ приведен в таблице 2.6.

Таблица 2.6

Вещества, выделяющиеся в процессе химических реакций, при лесных пожарах

Уровень загрязнения атмосферы природными источниками является фоновым, и как правило, мало изменяется с течением времени. Но в местах проживания людей и функционирования промышленности складываются зоны с повышенными концентрациями загрязнений, вызванных антропогенными источниками. При возникновении крупных лесных пожаров концентраций этих веществ в городском воздухе на территориях, прилегающих к городам, увеличиваются.