Revue des modèles de simulation de feu de forêts

Sánchez I., (2001), du projet CLIFF (http://styx.esrin.esa.it/), donnent une vue d’ensemble des modèles de feux de forêts existants dans le monde. Cette section résume leur travail et présente les initiatives européennes en terme de recherche sur les modèles de feu de forêts (l’Annexe 1 donne les adresses Internet d’une large panoplie de modèles).

3.8.1. Principes, hypothèses et limites des modèles numériques

L’objectif de ces modèles est double :

• D’une part, déterminer les caractéristiques des feux de forêts : le taux de propagation, la direction du feu, l’énergie du front de feu, la hauteur des flammes, la probabilité de saut de feu, etc.

• D’autre part, ces caractéristiques sont utilisées pour déterminer les lois de propagation du feu et prédire sa progression à partir d’un point donné en fonction de sa forme et de sa taille et pour un certain laps de temps.

Tous les modèles de simulation respectent les trois phases suivantes :

• Acquisition et évaluation des données sur les facteurs qui gouvernent le comportement du feu : combustibles, topographie et humidité.

• Calcul des deux composants qui décrivent le feu : l’intensité du front de feu et le taux de propagation.

• Interprétation des calculs pour les convertir en carte de comportement du feu. Principales hypothèses communes :

• De nombreux modèles traitent les feux de forêts en deux dimensions géographiques alors qu’ils se développent réellement en trois dimensions.

• Les variations et la nature des facteurs affectant le comportement du feu sont discrétisées sur la base d’unité géographique de base. Dans chaque unité géographique, la distribution des caractéristiques des facteurs est considérée comme uniforme.

Limites essentielles :

• Les modèles complexes réclament une grande puissance de calcul pour obtenir des résultats pertinents, le temps de calcul est alors un facteur limitant de leur utilisation pratique.

• Les modèles de propagation basent la progression du feu sur son état actuel, résultat des calculs précédents. Ce type d’itération peut conduire à l’amplification d’erreurs. Ceci limite la durée de validité des prédictions des modèles afin de rester dans une fourchette d’erreur acceptable. • Les conditions de vent ne sont ni prédites, ni simulées.

3.8.2. Diversités des approches

Les principes des méthodes numériques de simulation diffèrent profondément. Cinq approches de la propagation se distinguent :

• les modèles de percolation (basés sur les probabilités de passage du feu d’une cellule à une autre, voir Beer T., (1990), Duarte, (1997)),

• les modèles géométriques (basés sur le comportement d’une courbe dans un espace à deux dimensions, voir Richard G.D. et Bryce W., (1995)),

• les modèles statistiques (basés sur l’observation du comportement des feux passés),

• les modèles semi-empiriques (combinaison d’application de théories physiques, de résultats d’expérimentations et de statistiques, voir Rothermel R. C., (1972)),

• les modèles physiques (basés sur les processus de transfert d’énergie).

La pluralité de ces approches permet de s’adapter aux besoins et à la disponibilité des données nécessaires. Un bref comparatif des principaux modèles est donné dans le tableau suivant.

Comparaison synthétique des modèles de feu

Modèles américains Modèles européens

Modèles BEHAVE FIRELIB FARSITE NEXUS FIREFAMIL

Y FOFEM FORFAIT FOMFIS

Feux de sol Non Non Non Non Non Non Non Non

Feux de surface Oui Oui Oui Oui Oui Oui Oui Oui

Feux de cimes Non ? Oui Oui Non Oui Oui Non

Topographie (Altitude, Forme, Pente) A/F/P A/F/P A/F/P A/F/P A/F/P A/F/P A/F/P A/F/P

Vent Uniforme Paramétrable Paramétrable Uniforme Uniforme Uniforme Paramétrable Uniforme

Temps Uniforme Paramétrable Paramétrable Uniforme Uniforme Uniforme Paramétrable Uniforme

Humidité du combustible Uniforme Paramétrable Paramétrable Uniforme Uniforme Uniforme Paramétrable Uniforme

Source du feu Unique Multiple Multiple Unique Unique Unique Multiple Multiple

Lutte terrestre Oui Non Oui Non Non Non Oui Oui

Lutte aérienne Oui Non Oui Non Non Non Oui Oui

Estimation des dommages

environnementaux Surface brûlée et mortalité des arbres Surface brûlée Surface brûlée et mortalité des arbres Surface brûlée ? Surface brûlée et mortalité des arbres Surface brûlée et mortalité des arbres Non

Pour l’essentiel, ce tableau montre que les différences essentielles entre ces modèles proviennent de leur caractère paramétrable ou non et de la prise en compte de l’impact de la lutte terrestre ou aérienne.

3.8.3. Une brève description des principaux modèles d’origine européenne

La Commission européenne finance plusieurs projets pilotes qui visent à :

• l'identification fine des zones à risques ; (Le projet MEGAFIRES, par exemple, dresse la carte des "points sensibles" dans les pays méditerranéens),

• la mise au point de moyens précis de détection ; (MEFISTO élabore des simulateurs de feux de forêt en temps réel.),

• l'élaboration de solutions performantes pour la propagation, le contrôle et la réduction des feux, ainsi que la restauration des zones sinistrées. (PROMETHEUS étudie les effets des incendies sur la végétation et propose des méthodes de gestion forestière pour limiter les dommages qu'ils occasionnent).

Ne sont présentés ici que les programmes dont le thème principal est le comportement du feu.

AIOLOS-F

AIOLOS-F est un modèle physique inclus dans le système de conduite de la lutte contre les feux développés dans le programme MEFISTO (Mediterranean Forest Fire Fighting Integrated Strategic Tools) de 1994 à1996. Ce modèle résoud les équations de physique fondamentale qui ont été simplifiées pour obtenir un résultat utile en condition réelle de lutte contre

l’incendie. Les simulations sont utilisées pour modéliser les interactions entre le feu et l’atmosphère, les cimes des arbres, les effets des coupes feu etc. AIOLOS-F est couplé avec une plate-forme GIS. Papachristos G., (2000) fournit une présentation technique de ce modèle.

EFAISTOS

L’objectif principal d’EFAISTOS (programme financé de 1996 à 1998) est d’étudier le comportement de la surface des feux de forêts à différentes petites échelles. C’est un modèle physique multiphasique qui décrit les processus successifs : séchage, pyrolyse, gazéification, combustion, etc. Deux sous modèles décrivent les différents processus : QUASI 2D (ou Q2D voir Larini M. et al., (1997)) et PIF97 (Dupuy J.L., (1997)). Valette J.C., (2000) font une présentation synthétique du projet EFAISTOS.

FORFAIT

FORFAIT (Forest Fire Risk and Hazard Assesment, programme financé de 2000 à 2002) est un système d’aide à la décision qui permet d’optimiser la lutte contre l’incendie. Le système utilise la

logique floue pour proposer les actions les plus appropriées. Le modèle de feu utilisé est basé sur les algorithmes mis au point par R. Rothermel et utilisés dans le modèle de propagation de feu américain BEHAVE. Les effets de la lutte contre l’incendie et les dommages causés à l’environnement sont modélisés.

INFLAME

Le programme INFLAME, financé de 1998 à 2000, a pour objectif d’améliorer la connaissance sur la modélisation de la propagation des feux de forêts, tester et valider les outils déjà existants. INFLAME développe un modèle physique basé sur les travaux de Margerit J. et Sero-Guillaume O., (1999). L’ensemble du programme de recherche d’INFLAME est décrit dans Viegas D.X., (2000).

SALTUS

Le programme européen SALTUS a pour objectif d’étudier et de modéliser les sauts de feu. Il

combine deux approches : S A L T U S

• Une approche statistique basée sur l’étude de 245 feux passés pris dans cinq pays d’Europe. Ceci permet de développer un modèle de prévision des probabilités des sauts de feu et des distances d’essaimage en fonction des conditions du milieu.

• Une approche théorique et expérimentale combinant la simulation numérique du transport des particules et l’expérimentation en laboratoire sur le déclenchement des foyers secondaires.

Ce programme aboutit à des prévisions du type "si le vent dépasse 40 km/h, si la végétation en feu comporte plus de 100 pins d’Alep adultes par ha, si l’humidité de la litière est inférieure à 20 % et la surface déjà brûlée supérieure à 50 ha, il se produit 8 fois sur 10 des sauts de feu dont la distance est comprise entre 200 et 300 m" (source AFP, cité par TELEX bois, octobre 2002).

La méthodologie et les résultats sont décrits par Colin P.Y., (2000) et disponibles à l’adresse Internet :

http://saltus.aix.cemagref.fr/pageaccueil-f.html.