Simulating fire ignition and initial propagation at road-forest interfaces
Un simulateur de l'ignition et de la propagation initiale aux interfaces route-végétation
Résumé
Most points of ignitions are aggregated at the vicinity of roads in French Mediterranean Provence, but the flammability of vegetation and the probability of fire ignition and propagation to the neighbouring forests are poorly known. In this study we hypothesize that: (i) ignition at road-forest interfaces depends on the characteristics of vegetation facies including dead and live fuels; and (ii) the initial propagation also depends on the spatial patterning of the different components of the interface such as embankment or ditch. The aim of this paper is to simulate fire ignition and initial propagation in road-forest interfaces, to assess the relative importance of vegetation type, fuel treatment and spatial patterning of vegetation. The cellular automaton simulator was implemented with different interface scenes (30x40 m), which describe vegetation patterns on the basis of field surveys. We studied three typical interfaces: (i) grass fields dominated by dicot grasses; (ii) grass fields dominated by graminae with scattered shrubs; and (iii) forest edges with mixed vegetation (graminae + litter + shrubs). We also simulated variants such as an increasing amount and a variable spatial pattern of shrubs, and the width of a low-flammable embankment made of dicot grasses and bare soil. The probability of ignition and propagation of each 20x20-cm cell were implemented on the basis of experimental data. For this purpose, we realized about 900 lab burning experiments combining five dominant vegetation types, two management practices, two modes of ignition, two wind speeds, and three levels of fuel moisture content). For each simulation run (10,000 replicates per run), we computed the probability for a fire to reach the neighbouring forest (PFR). We also computed landscape metrics (e.g. connectivity indices) for each scenery, which are hypothesized to relate to fire propagation. Comparisons between sceneries were computed with analysis of variance. Results indicate clear differences of fire propagation probability towards forest among the three interfaces studied. Dicots grasses and vegetation with low biomass reduce fire propagation, while mixed vegetation (grass + litter + shrubs) increase risk. The spatial patterning of vegetation is also a predominant variable to explain the probability of fire to reach forest. The lowest probabilities of fire propagation correspond to interfaces with decreasing gradient of vegetation flammability at the vicinity of forest. Low fuel moisture content increased significantly the probability of fire to reach forest. Partial validation of our results was operated using the BehavePlus software (modules Ignite' and Surface'). The perspectives after this study are to grade the main interfaces types according to their fire hazard level, and to help simulating firewise landscaping management practices to reduce fire risk at road-forest interfaces.
La plupart des points d'ignition des incendies sont agrégés à proximité des habitats mais aussi des réseaux routiers en région provençale. Pourtant, l'inflammabilité de ces végétations d'interface et la probabilité d'ignition et de propagation vers les milieux boisés sont mal connus. Dans cette étude, nous faisons l'hypothèse que : (i) l'ignition aux interfaces route-végétation dépend des caractéristiques des faciès végétaux incluant la végétation vivante mais aussi des combustibles morts (litière); (ii) la propagation initiale dépend aussi de l'organisation spatiale des différentes composantes de l'interface (fossé, talus, etc.). L'objectif de cet article est de simuler l'ignition et la propagation initiale d'un feu dans un milieu d'interface, pour évaluer l'importance relative des différents facteurs en jeu : type de végétation, traitement préventifs éventuels (fauchage, débroussaillement) et organisation spatiale de l'interface. Pour cela, nous avons construit un simulateur de type automate cellulaire, implémenté avec des données d'inflammation (Pi) et de propagation du feu (Pp), issues d'expérimentations sur de petits échantillons (20 x 20 cm). Environ 900 échantillons ont été soumis à tests d'inflammabilité en laboratoire, en faisant varier le type de végétation (cinq faciès dominants), le mode d'ignition (brandon enflammé ou incandescent), la vitesse du vent (faible ou forte), l'humidité de la végétation (état frais, sec à l'air ou anhydre), et la gestion de la végétation (fauché ou débroussaillé, ou non géré). Le simulateur a été utilisé sur différentes scènes représentatives des principaux types d'interfaces (30x40 m), basées sur des relevés de terrain. Nous présentons ici les résultats pour trois types d'interfaces assez communs : (i) des champs dominés par des espèces herbacées rudérales typiques des pâtures ; (ii) des interfaces dominées par des graminées; et (iii) des interfaces situés à proximité de lisières forestières dominées par des mélanges (graminées, litière, ligneux bas). Nous avons aussi simulé des variantes à partir de ces scènes-type, en modifiant par exemple le pourcentage de ligneux bas, ou en ajoutant la présence d'un talus à végétation faiblement inflammable. Pour chaque simulation (10.000 répétitions), nous avons calculé la probabilité qu'un feu allumé dans l'interface atteigne la forêt (PFR). Nous avons aussi calculé des indices d'écologie du paysage (par ex. indice de connectivité pour chaque scène, ces indices étant susceptibles d'être des indicateurs de la propagation du feu. Des comparaisons entre les valeurs de PFR ont été faites entre scènes par analyse de variance. Les résultats indiquent des différences importantes de probabilité de propagation du feu entre les trois principaux types d'interfaces étudiés. Les scènes dominées par des herbacées rudérales et une faible biomasse herbacée ont de faibles valeurs de PFR, alors que les scènes avec des mélanges de végétation ont de fortes valeurs. L'organisation spatiale de la végétation est une variable prédominante pour expliquer la probabilité de feu jusqu'à la forêt. Les probabilités les plus faibles correspondent aux interfaces avec un gradient décroissant d'inflammabilité de la végétation depuis la route vers la forêt. Les faibles valeurs d'humidité de la végétation réduisent aussi significativement la valeur de PFR. Des éléments de validation de ces résultats ont été obtenus à l'aide de simulations utilisant le logiciel BehavePlus (modules Ignite' et Surface') et des données de la littérature. Les perspectives de cette étude sont de hiérarchiser les types d'interfaces suivant leur probabilité de propagation de feu, et d'aider à simuler des interfaces limitant fortement ce risque en combinant des types de végétation, de mode de gestion et d'organisation spatiale.