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Modélisation du comportement des feux de forêt et des effets du feu sur les arbres et la dynamique de végétation
(ACR)
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Objet d'étude : combustible forestier
Question sociétale et finalité, contexte : incendie de forêt
Démarche, discipline : Écologie et Environnement, Modélisation et simulation, Physique
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Objet d'étude : combustible forestier
Question sociétale et finalité, contexte : incendie de forêt
Démarche, discipline : Écologie et Environnement, Modélisation et simulation, Physique
Dispositif technique et méthode d'étude : écologie du feu, experimentation, expérimentation, gestion des forêts, modélisation de la végétation forestière, modélisation physique du feu, prévention du feu
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- Description détaillée :
Nous travaillons au développement du modèle HIGRAD-FIRETEC (modèle couplé feu-atmosphère), dans le Afficher la suite
Nous travaillons au développement du modèle HIGRAD-FIRETEC (modèle couplé feu-atmosphère), dans le cadre d'une collaboration avec le Los Alamos National Laboratory. Pour cela nous avons accès aux moyens de calcul lourds de notre partenaire américain. Le développement du modèle représente un travail d'ingéniérie lourd dans le domaine du calcul scientifique.

Le gestionnaire du combustible a été conçu pour s'intégrer à la plateforme CAPSIS. Il a nécessité des développements informatiques.
Les feux de forêt sont difficiles à expérimenter en conditions naturelles. Les conditions météorologiques et d'humidité de la végétation connaissent des variations journalières, qu'il n'est pas facile de prévoir. La sélection des conditions souhaitées de vent (vitesse et direction) et d'humidité n'est donc pas facile. La réalisation de mesures est compliquée, en particulier les mesures physiques (températures, flux, vitesses d'écoulement). Les expérimentateurs ne sont généralement pas maîtres du foncier. Les brûlages ne sont autorisés qu'à certaines périodes de l'année (en général d'octobre à mai), avec des restrictions selon les conditions météorologiques.

Comme les questions finalisées nécessitent de construire des outils capables de prédire la propagation du feu dans des conditions très variées, une approche expérimentale nécessiterait un très grand nombre de réalisations, impossible à atteindre. Certains modèles ont été élaborés sur la base d'expériences pour prédire la vitesse du feu dans des végétations bien spécifiques (les modèles australiens et canadiens sont les plus célèbres), mais ils ne permettent pas de considérer une grande variété de végétations (incluant les végétations traitées préventivement) et ne donnent accès qu'au paramètre vitesse du feu, très insuffisant pour répondre aux questions des acteurs de la prévention.

C'est pourquoi nous nous sommes tournés vers la modélisation physique du feu. Cette modélisation consiste à mettre en équations la physique du feu et à en calculer les solutions numériques (simulations). Les simulations permettent ensuite d'explorer les phénomènes complexes et de tester l'effet des différents paramètres d'environnement : cette dimension est importante puisqu'elle ouvre la porte à la production de connaissances originales, contrairement à des approches plus empiriques. Les expérimentations de laboratoire et de terrain viennent en appui de la modélisation pour aider au paramétrage du modèle ou valider ses prédictions.

La modélisation physique du feu a bien entendu des inconvénients. Elle nécessite de disposer de moyens de calcul lourds. Les aspects numériques sont complexes, la résolution des problèmes est souvent longue et nécessite un gros travail d'ingéniérie.

Concernant l'écologie du feu, la diversité des formes d'adaptation au feu et des mécanismes de recolonisation naturelle après incendie a déjà été largement étudiée, à l'échelle du bassin méditerranéen et dans les grands pays touchés par le feu (Canada, Australie, Etats-Unis, Russie). Cependant la prédiction des végétations futures demeure difficile et les conséquences d'une gestion préventive sur le long terme ont été encore assez peu abordées. Les outils utilisés simplifient souvent grossièrement les effets du feu sur la végétation et sa dynamique post-feu. Le lien explicite entre les caractéristiques du feu et les effets sur le milieu, à commencer par les effets sur les arbres, est rarement fait. Ainsi, dans les modèles de dynamique de végétation à l'échelle du paysage, le feu est souvent une perturbation qui « remet à zéro » la dynamique là où il est passé : la végétation est complètement consommée. L'introduction de pourcentages de mortalité des arbres et de consommation des arbustes conduirait à des simulations plus fidèles à la réalité. Mais cela nécessite des modèles feu assez élaborés. A présent seul le modèle américain FOFEM est capable de ce type de prédictions, à l'échelle du peuplement. FOFEM est principalement basé sur des modélisations empiriques du feu et de ses effets sur les arbres. De nombreux modèles de mortalité des pins après incendie ont été développés, en Amérique du nord, mais aussi en Europe (dont nos propres travaux sur les pins). Lorsqu'on connaît les dommages aux houppiers et/ou aux troncs, ils donnent une estimation de la probabilité de mortalité. FOFEM prédit les dommages via des modèles empiriques de feu. Cette modélisation du feu (Behave) est assez contestable, mais opérationnelle pour les grands types de végétation de surface décrits aux Etats-Unis (14 grands types pour la totalité des Etats-Unis). Le dialogue régulier que nous entretenons avec les institutions administratives et techniques impliquées dans la politique de prévention des incendies de forêt nous enseigne que la « demande sociale » porte prioritairement sur les questions posées sur le court-moyen terme. Ces questions peuvent être classées en deux grandes catégories : l'évaluation et la cartographie du risque d'une part, la gestion et l'aménagement des forêts d'autre part.

Le risque comporte deux aspects : le risque météo (évolution du risque d'occurrence des feux au cours de l'année) et le risque structurel (lié au climat local, à la pente et à la végétation). Pour le risque météo, on dispose déjà du calcul d'indices sur la base des données météorologiques, calcul effectué par Météo-France. Pour le risque structurel en revanche, il n'y a pas d'outil d'évaluation véritablement pertinent et opérationnel. Pourtant, la demande est très forte de ce type d'outil puisque les communes soumises à un risque d'incendie significatif (concrètement toutes les communes des régions PACA, Languedoc-Roussillon, Corse comportant des espaces naturels) doivent se doter d'un Plan de Prévention du Risque d'Incendies (PPRIF). Ce plan est un document légal reposant sur une étude technique du risque et il détermine l'occupation des sols, à commencer par leur constructibilité. C'est dire si les enjeux sont forts, tout particulièrement dans un contexte où la région voit sa population augmenter.

La gestion préventive des forêts se concentre essentiellement sur les aires de superficie limitée que constituent les ouvrages DFCI, principalement les coupures de combustible. Les grandes coupures réalisées au sein des massifs forestiers sont aménagées pour cloisonner les massifs et accueillir les forces de lutte dans des conditions de sécurité satisfaisantes. Leur efficacité dépend de la dangerosité du feu qui les parcourrait. Aux grandes coupures s'ajoutent toutes les bandes de sécurité réglementaires le long des routes et infrastructures linéaires. Tous ces ouvrages ont un coût de réalisation et d'entretien élevé. Des questions concrètes sont donc posées par les gestionnaires responsables de ces ouvrages sur la manière optimale de traiter la végétation (fréquence et niveau des entretiens).

Nos recherches en matière de modélisation des feux de forêt ont pour ambition de produire des outils capables de répondre aux questions précédentes : il s'agit de prédire le comportement du feu à des échelles locales (<1 km2) dans des végétations et pour des conditions environnementales très variées. Notre équipe a considéré depuis de nombreuses années que ces questions très finalisées ne pouvaient être laissées sans réponse. Les forestiers et en particulier l'ONF sont impliqués dans la gestion des ouvrages DFCI et la prévention, la recherche forestière devait prendre en compte leurs questions. L'ONF mais aussi une agence de conseil en environnement (agence MTDA, Aix-en Provence) ont été ou sont nos partenaires dans des projets de recherche-développement, l'enjeu pour eux est de disposer de méthodes pour évaluer le risque (en particulier pour la réalisation des PPRIF).

Le changement climatique devrait conduire à une extension des zones à risque élevé d'incendie. En France, cette prédiction ne repose pas encore sur des études spécifiques, mais l'extension de l'aire de répartition potentielle de la forêt méditerranéenne est un indicateur suffisamment alarmant pour que l'extension des zones à risque soit une préoccupation des institutions. Les dépérissements forestiers observés dans l'arrière-pays méditerranéen (sapin, pin sylvestre, chêne pubescent) illustrent les conséquences d'une sécheresse extrême comme celle de 2003. Or ces dépérissements conduisent à un accroissement considérable de la combustibilité de ces formations dans des régions jusqu'à présent soumises à un risque modéré. Le Grenelle de l'environnement et le récent rapport sur la forêt de B. Roman-Amat ont fait état de ces préoccupations et fait des propositions. Une mission conjointe des Ministères de l'Agriculture et de l'Ecologie est en cours sur l'extension des zones à risque. Le contexte du changement climatique renforce donc la « demande sociale » en matière d'évaluation du risque et introduit de nouvelles questions : les écosystèmes présentant un risque faible ou modéré aujourd'hui seront-ils à risque élevé demain ? Les outils de prédiction du feu développés aujourd'hui devront s'adapter à ces conditions nouvelles. Mais la grande inconnue est le devenir des forêts soumises au changement climatique : selon les modes « d'adaptation » (plasticité, adaptation, ou migration) les forêts du futur seront très différentes et le risque d'incendie pourra l'être aussi. Cette question est au coeur du projet d'unité et dépasse bien évidemment les seules recherches sur le feu.

Le projet en écologie du feu prétend anticiper la « demande sociale » en se dotant d'outils capables de réaliser des prospectives de long terme sur le devenir de forêts soumises à l'aléa feu et à la gestion préventive de ces feux. Le changement climatique vient complexifier encore davantage l'approche puisqu'il modifie les conditions de régénération et de croissance des espèces et qu'il pourrait conduire à s'intéresser à des écosystèmes dont « l'écologie du feu » n'est pas encore connue. Dans des conditions changeantes, l'approche physique devrait se révéler capable de répondre aux questions, contrairement aux approches empiriques. 1) Collaborations nationales :
- INRA UR1263 EPHYSE (simulation des écoulements).
- CEMAGREF Aix-en-Provence, UR Ecosystèmes Méditerranéens et Risques.
- Université de Corte, UMR6134 SPE.
- Agence MTDA (conseil en environnement)
- ONF.

2) Collaborations internationales :
- nous avons de nombreuses collaborations à l'échelle européenne (coordination de programmes européens, en cours : FIRE PARADOX comptant 30 partenaires).
- nous travaillons en collaboration avec le Los Alamos National Laboratory (LANL) sur le développement du modèle couplé feu-atmosphère HIGRAD-FIRETEC. Accord en cours de rédaction.
L'activité porte sur la modélisation physique du comportement du feu proprement dite, c'est à dire l'élaboration de modèles physique de propagation du feu basés sur les équations de transport, mais aussi la caractérisation du combustible forestier, la représentation numérique du couvert végétal, et les effets du feu sur les arbres et la dynamique de végétation. Les activités de modélisation s'appuient sur des expérimentations de laboratoire ou en forêt visant à caractériser le feu et ses effets, en vue notamment de la validation des modèles.

La modélisation du feu constitue un outil de recherche pour comprendre les phénomènes complexes qui pilotent la propagation d'un feu et déterminent ses effets sur son environnement (végétation, sol, atmosphère). Nous nous intéressons tout particulièrement aux effets de la structure et de la composition de la végétation, et notamment son hétérogénéité, sur le comportement du feu. Il s'agit en particulier d'identifier les mécanismes de ces effets et de déterminer les échelles pertinentes pour la représentation des phénomènes, avec des retombées sur les échelles de description de la végétation. En matière d'effets du feu, nous nous intéressons plus particulièrement aux dommages arbres. Nous travaillons actuellement à l'évaluation des dommages au feuillage, basée sur les simulations du modèle de propagation du feu. Des expérimentations en forêt visant à l'observation de ces dommages sont actuellement en préparation.

La simulation du feu dans des conditions naturelles suppose de reconstruire numériquement la végétation. Nous développons un gestionnaire de combustible, qui permettra de réaliser des scènes numériques de végétation forestière et d'attribuer ainsi à chaque maille de l'espace les propriétés physiques de la végétation nécessaires à la simulation du feu. Le gestionnaire de combustible vise aussi à réaliser des traiteements virtuels de la végétation (débroussaillement, élagages, éclaircies) et déduire les scènes numériques correpsondantes.

Un projet en écologie du feu est en cours de démarrage. Il vise à intégrer différents outils et connaissances qui permettent de prédire la dynamique de végétation en prenant en compte le passage du feu dans les écosystèmes forestiers méditerranéens. Ce projet vise aussi à répondre à des questions de prévention des incendies, mais qui se posent sur des échelles de temps beaucoup plus longues (plusieurs générations d'arbres) que les questions habituellement posées sur le risque incendie. Ces échelles de temps imposent donc de prendre en compte la dynamique des écosystèmes dans les stratégies de prévention de long terme. L'objectif dans un premier temps est de simuler la dynamique sur quelques générations à l'échelle du peuplement, avec non seulement l'occurrence de feux, mais aussi d'interventions sylvicoles destinées à prévenir les incendies.
La modélisation physique du feu est aujourd'hui parvenue à une maturité qui permet de simuler des feux de forêt sur ordinateur en trois dimensions d'espace pour des échelles de l'ordre de la parcelle forestière (quelques centaines de mètres), avec une résolution spatiale de l'ordre de la taille de l'individu (2 m). La modélisation du feu constitue à la fois un outil de recherche pour comprendre les phénomènes complexes qui pilotent la propagation d'un feu et un outil au service des gestionnaires pour évaluer la pertinence des méthodes de prévention des incendies (réduction de biomasse, coupures de combustible).

Les modèles physiques de feu supposent de connaître les caractéristiques physiques des éléments composant la biomasse (aiguilles, feuilles, rameaux,...) et leur répartition spatiale. Cette connaissance passe par des mesures sur des échantillons de végétation. Elle est intégrée au sein de bases de données et peut être mobilisée via un gestionnaire de combustible qui permet notamment de créer une scène de végétation numérique. Nous suivons également l'évolution de la teneur en eau et de l'inflammabilité d'espèces « références » de la strate arbustive au cours de la période estivale, suivi contribuant à évaluer les conséquences de la sécheresse sur le risque d'incendie.

La prédiction des impacts immédiats du feu sur les arbres par la modélisation physique du feu est une thématique émergente. Elle s'inscrit dans le thème plus large de la modélisation de l'effet du feu (brûlage dirigé ou incendie) sur la dynamique de végétation à long terme. Il s'agit d'intégrer différents outils et connaissances qui permettent de prédire la dynamique de végétation en prenant en compte le passage du feu dans les écosystèmes forestiers méditerranéens. Ce projet vise aussi à répondre à des questions de prévention des incendies, mais qui se posent sur des échelles de temps beaucoup plus longues (plusieurs générations d'arbres) que les questions habituellement posées sur le risque incendie. Ces échelles de temps imposent donc de prendre en compte la dynamique des écosystèmes dans les stratégies de prévention de long terme.

Les activités de modélisation s'appuient sur des expérimentations de laboratoire ou en forêt visant à caractériser le feu et ses effets, en vue notamment de la validation des modèles. Réduire

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