Разработка экономически целесообразных подходов для оценки расходов воды на тушение пожаров

Введение

Стоимость воды как экономического ресурса постоянно растет. За прошедший XX век потребность в воде увеличилась вдвое [1]. При этом для пожарных подразделений, вода продолжает оставаться основным огнетушащим средством, несмотря на все достижения химической промышленности в решении проблемы ее замены. И в общей сумме затрат на тушение пожара доля стоимости воды становится все более весомой.

Общим проблемам дефицита воды для человечества посвящена статья Лихачевой А.Б. (НИУ ВШЭ), которая основана на исследовании концепции «виртуальной» воды Дж. Алана, «водной компоненты» А. Хоекстры, а так же работах Института водных проблем РАН.

Основное содержание статьи посвящено вопросам использования воды для целей пожаротушения. В России (СССР) наиболее ранние работы по данному направлению проводились под руководством д.т.н. Абдурагимова И.М. [3]. В публикациях д.т.н. Иванова Е.Н. и его коллег описываются результаты и подходы к решению технических проблем водообеспечения. Работы д.т.н. Брушлинского Н.Н. и его учеников направлены на решение организационных проблем в рассматриваемой области.

Гипотетически результаты анализа показателей расхода воды (Q) на пожарах может позволить оценивать эффективность деятельности пожарно-спасательных подразделений.

Основная часть

Одно из первых в России документальных свидетельств инженерной разработки системы трубопроводов противопожарного водоснабжения относится концу XIX в. В 1882 году инженером Зиминым Н.П. был запатентован «Проект снабжения города Москвы водою и охраны его от пожаров» для защиты Красной площади и торговых рядов [2]. Далее вплоть до 1950 - 1960-х годов для специалистов пожарной охраны основной технической проблемой было наращивание объема воды подаваемого в очаг пожара. После развития систем городского водоснабжения и формирования в СССР автопарка пожарных автомобилей необходимой мощности, актуальным становится вопрос определения оптимальной численности парка. Для соизмерения финансового бремени содержания пожарной охраны и полезного эффекта от ее деятельности.

Рассматривая данную проблему в ракурсе решения задачи обеспечения возможности подачи воды в очаг пожара за минимальное время при условии соблюдения экономической целесообразности, можно отметить, что наиболее ранние попытки формирования научных методов, определения рациональных показателей расхода воды на тушения пожара (Q) относятся к 1970-м годам [3]. Но тогда в связи со сложностью строгого аналитического описания процесса тушения задача решалась путем обобщения большого количества данных о реальных и экспериментальных пожарах (Рисунок 1). Абдурагимовым И.М. и рядом других ученых была выведена зависимость для минимальных значений удельных Q (л×м^-2) на тушение пожаров твердых горючих материалов в жилых зданиях на площади не превышающей 50 м² (1).

Рисунок 1. Фактические удельные расходы воды при тушении пожаров в жилых зданиях. Пунктир – кусочно-ломаная зависимость [3]; сплошная линия . Крупномасштабные опыты: - данные Сучкова А.А., Колбасина П.А.; - данные Solzberg, Vodraka Maatman; - данные Яворского Г.А. Реальные пожары: - данные Lobes; - данные по Киеву; , - данные по Вьетнаму за 1975-1980 гг. и 1981-1983; - данные по Польше. Цифры обозначают количество пожаров.

Источник:составлено автором

Figure 1. Actual specific water consumption when extinguishing fires in residential buildings. Dotted line – piecewise polyline dependence [3]; solid line . Large-scale experiments: - data of Suchkov A.A., Kolbasina P.A.; - data of Solzberg, Vodraka Maatman; - data of Yavorsky G.A. Real fires: - Lobes data; - data on Kiev; , - data on Vietnam for 1975-1980 and 1981-1983; - data on Poland. The numbers indicate the number of fires.

К середине 1980 годов в большинстве развитых стран мира были сформированы подходы к определению рациональных значений Q на тушение пожаров в городах. При переводе численных методов, описанных в работах [2, 5] в международную систему единиц СИ получены следующие приближенные зависимости (Рисунок 2).

Рисунок 2. Расход воды (Q, л/с) на наружное пожаротушение в зависимости от численности населения города (N, тыс. чел.): 1 – по Фриману (Великобритания) Q=3,79N+189,42; 2 – по Хазену-Куичлингу (Великобритания) ; 3 – по NBFU (США и Канада) ; 4 – по СП-8 (Россия) ; 5 – во Франции рассчитывается диапазон , где c – коэффициент важности объекта (c = 1,5 … 5)

Источник: составлено автором

Figure 2. Water consumption (Q, l/s) for outdoor firefighting, depending on the population of the city: 1 – according to Freeman (Great Britain) Q=3.79N+189.42; 2 – according to Hazen-Kuichling (Great Britain) ; 3 – according to NBFU (USA and Canada) ; 4 – according to SP-8 (Russia) ; 5 – in France, the range is calculated, where c is the coefficient of importance of the object (c = 1.5 ... 5)

В целом данный подход с незначительными изменениями продолжает оставаться актуальным и до настоящего времени. В Российской Федерации нормативное значение Q в населенных пунктах определяется по таблице 1 СП 8.13130.2020 ^[1], которая без изменений взята из СНиП 2.04.02-84*, разработанного в начале 1980-х годов.

В работах [3-7] описан общий подход к разработке нормативных параметров Q. В котором в виду большой трудоемкости и объема расчетных работ часто использовались обобщения и вероятностные методы. Для определения Q исходили из предположения, что в некоем городе могут возникать одновременные пожары, количество которых зависит от численности населения. По СП-8 количество таких пожаров находится в интервале от одного до пяти, соответственно для городов с населением менее 10 тыс. чел и далее для городов-миллионеров.

Современные информационные технологии позволяют в короткие сроки исследовать параметры практически каждого пожара индивидуально. Например, в 2021 году в России произошло порядка 390,7 тыс. пожаров из них более 200 тыс. в городах. Разработанная авторами компьютерная программа на языке Python позволяет оперативно обрабатывать информацию по всем пожарам.

Суть метода заключается в следующем. Сведения о продолжительности пожаров в каждом городе представляются в виде диаграммы Ганта, где строка – это отдельный пожар, столбцы – минуты. Количество столбцов соответствует количеству минут в одном календарном году V_f = 525 600. То есть каждая строка представляет числовой вектор длинной V_f , состоящий из нулей и единиц. Ноль если пожара в данную минуту не было и единица, если был (Рисунок 3).

Рисунок 3. Диаграмма Ганта – распределение минутных интервалов одного года, когда был (1) или (0) не было пожара

Источник:составлено автором

Figure 3. Gantt chart – distribution of minute intervals of one year when there was (1) or (0) there was no fire

Суммы по столбцам диаграммы Ганта позволяют определить сколько именно одновременных пожаров происходило в городе в ту или иную минуту. Например, в первую минуту от начала года произошел один пожар, в 4-ю минуту было три одновременных пожара, 525 599 и следующую пожаров не было вообще.

Таким образом были изучены обстоятельства пожаров во всех городах Российской Федерации с населением 100 тыс. и более человек за 2021 год. Всего таких городов по данным Росстата 168 из них 15 с населением более 1 млн. В обобщенном виде получены следующие сведения по одновременным пожарам в городах-миллионерах (Рисунок 4).

Рисунок 4. Количество минутных интервалов, когда происходили одновременные пожары. Города: 1. Москва; 2. Санкт-Петербург; 3. Новосибирск; 4. Екатеринбург; 5. Казань; 6. Нижний Новгород; 7. Челябинск; 8. Самара; 9. Омск; 10. Ростов-на-Дону; 11. Уфа; 12. Красноярск; 13. Воронеж; 14. Пермь; 15. Волгоград

Источник: составлено автором

Figure 4. The number of minute intervals when simultaneous fires occurred. Cities: 1. Moscow; 2. Saint Petersburg; 3. Novosibirsk; 4. Yekaterinburg; 5. Kazan; 6. Nizhny Novgorod; 7. Chelyabinsk; 8. Samara; 9. Omsk; 10. Rostov-on-Don; 11. Ufa; 12. Krasnoyarsk; 13. Voronezh; 14. Perm; 15. Volgograd

Согласно СП 8.13130.2020 и других ранее проводимых исследований [2 -7] и др. принималась гипотеза, что количество пожаров в городе коррелирует с численностью населения. По результатам исследований, описываемых в настоящей статье видно, что для одновременных пожаров в городах с населением 100 и более тыс. это уже далеко не так, это демонстрирует и распределение пожаров в городах-миллионерах (Рисунок 4). Если бы гипотеза была верной, то наибольшее количество одновременных пожаров должно быть в Москве и далее постепенно снижаться в соответствии с численностью населения. Однако, в данном случае таковое не наблюдается.

Поэтому полученные ранее выводы о пожарах одновременно происходящих в одном городе уже не так достоверны. С учетом обозначенных в начале статьи тенденций повышения стоимости воды, материальных ценностей на объекте пожара и необходимости повышения общей экономической эффективности деятельности противопожарной службы, возникает потребность в оптимизации существующих подходов. Одним из перспективных направлений оптимизации является поиск новых методов определения необходимых параметров Q.

В работе [8] была предложен метод расчета Q на тушение пожара на отдельном объекте

В развитие данного подхода авторами был предложен новый расчетный метод, позволяющий применять компьютерные технологии Big Data. На основе информации из федеральной базы данных по пожарам ^[2]. Расчетными методами с использованием языков программирования Python, R были получение оптимизированные значения Q для отдельных городов Российской Федерации.

Суть предлагаемого метода заключается в создании компьютерной модели для оперативных расчетов. По содержащимся в базе данных сведениям о количестве и видах стволов, подаваемых на тушение, а так же справочным данным [9, с. 81] возможно определить приближенное значение Q для каждого пожара в отдельности по формуле (3).

Проверка валидности формулы 3 была проведена по реальным данным о пожарах за 2021 года в городах-миллионерах. Например, был определен пожар с максимальным расчетным Q = 573,5 л×с^-1, который произошел 12.04.2021 в Санкт-Петербурге на Октябрьской набережной 50 на предприятии ООО «Англер» [https://78.mchs.gov.ru/ deyatelnost/press-centr/operativnaya-informaciya/4433447]. Достоверность полученного расчета подтверждается данными из отчетных документов.

Далее для определения Q отдельных городов была исследована динамика показателей на интервале с 2010 по 2021 год. Например, в г. Владимир (Рисунок 5).

Рисунок 5. Показатели расхода воды на пожаротушение в г. Владимир в интервале с 2010 по 2021 год с шагом в один месяц

Источник: составлено автором

Figure 5. Indicators of water consumption for firefighting in Vladimir in the interval from 2010 to 2021 in increments of one month

В результате были получены близкие к реальной потребности значения Q индивидуально для каждого города Российской Федерации с учетом сезонных колебаний (Рисунок 6).

Таблица 1 – Рекомендуемые расчетные показатели расхода воды на наружное пожаротушение (Q, л/с) по некоторым городам Российской Федерации с населением 300 – 400 тыс. чел.

Рисунок 6. Показатели требуемого расхода воды на пожаротушение в некоторых российских городах с населением от 300 до 400 тыс. чел.

Источник:составлено автором

Figure 6. Indicators of the required water consumption for firefighting in some Russian cities with a population of 300 to 400 thousand people.

Расчетными данными Иванова Е. Н. [5] в 1980-х годах для всех городов на территории СССР с численностью населения от 300 до 400 тыс. была обоснована норма Q_норм = 70 л/с. Норма применяется и в действующей редакции свода правил СП-8. Для своего времени такое значение Q_норм было оправданным с точки зрения требований экономики и пожарной тактики. Как показали расчеты для отдельных городов это значение кратно превышает реальные потребности.

Вывод

Развитие технологий позволяет постепенно переходить к более актуальной системе нормирования. Сократить интервал времени между исследованиями явления и разработкой нормативных требований с десятилетий до приемлемых сроков. Существующие нормы расходов воды на пожаротушение действуют уже более 40 лет. За это время уже многое изменилось.

Предлагаемый метод позволяет определять рациональное значение нормативных показателей расхода воды и их корректировать с лагом в два – три года. Основным преимуществом метода является адресная направленность, поскольку как было показано выше города со сходными социально-экономическими показателями могут существенно отличаться по характеристикам пожарной безопасности.

^[1] СП 8.13130.2020 "Системы противопожарной защиты. наружное противопожарное водоснабжение. Требования пожарной безопасности". https://docs.cntd.ru/document/565391175

^[2] Приказ МЧС России от 21.11.2008 г. № 714"Об утверждении порядка учета пожаров и их последствий"