Δημιουργία μοντέλων διαχείρισης δασικών πυρκαγιών και σχεδίαση χαρτών επικινδυνότητας σε ζώνες μείξης δάσους κατοικιών της Αττικής

Abstract

Wildfires burn annually an area equivalent to half Australia on a global scale. However, the main social, economic and political disaster stems from fires at Wildland-Urban Interface (WUI) zones, where the natural environment and human activities intermingle. This can be attributed partly to the destruction of residences and other infrastructures that exist within the urban zone next to the forest zone and partly to the frequent loss of human lives.Forest fire research has advanced greatly over the past 60 years, prioritizing timely and prompt response to wildfires. Advances in current research have led to computer simulations of weather conditions and simulations of forest fuel behavior under different parameters that affect the initiation or propagation of a wildfire (fire management models). Nevertheless, the main operational models are based on literature data or assumptions, which ignore site-specific parameters in a particular geographic area. The connection between experimental data and forest fuel flammability models is still unclear and relies solely on empirical data regarding vegetation types of North America or Australia. Furthermore, recent developments in information and communication technologies, particularly in the fields of Remote Sensing and Geographic Information Systems (GIS), impose a frequent revision and update of all available techniques. To note that, most studies to date focus on aerial photographs or low-resolution satellite images analysis and make use of outdated sets of spatial (vector) data. The current thesis combines raw experimental data of Mediterranean forest materials’ flammability, high resolution satellite imagery, mathematical equations and applied research in a WUI zone of Attica-Greece (Thrakomakedones) in order to propose an innovative semi-empirical method (model) for wildfire management. For this purpose, new methodologies that can assist WUI-area mapping accurately were developed, flammability indices of forest fuels were calculated and fire-hazard risk maps were designed. The specific wildfire management model is proposed both as methodology and as best practice aiming at wildfire prevention or wildfire suppression under any circumstances or in any other spatial context. Further, this model may contribute to the creation of an integrated local or nation-wide fire protection plan, which ensures effective wildfire management. Among the main outcomes of this investigation, the following should be noted.During the early experimental study of forest materials’ combustion and pyrolysis properties, all parameters and methodologies referred to in international literature regarding the quantification of flammability and its components using analytical- or lab-scale techniques (i.e., thermal analysis, limiting oxygen index, calorimetry) were taken into consideration and an extensive number of experiments was carried out. Simultaneously, new and optimized lab-scale techniques (flame spread rate, differential thermal analysis using cubic electrical furnace) were developed. The new lab-scale techniques provide comparative results from a common set of measurements at similar conditions and are advantageous over previous ones, as they do not need to be operated by specialized personnel and can be manufactured at low cost, while requiring inexpensive consumables.Foliar flammability data have been statistically evaluated to design 5 risk indices: Calorimetry Index (CI), Flammability Index FI1, FI2, FI3, and Flammability Index at Inclinations (FII). These indices suggest a common ranking of the Mediterranean forest fuels’ flammability, classifying P. halepensis (aleppo pine), forest litter and E. manipuliflora (heather) as most flammable and C. incanus (pink rockrose) as least flammable.These indices were incorporated into the final WUI area wildfire management model, using site-specific fuel models. For this purpose, two new methodologies were developed, using object-oriented supervised classification of high resolution remote sensing data (IKONOS satellite images on 1:5.000 scale). These models were validated using actual field data and they were proved to be much more accurate (88%) compared to currently available land cover data (e.g. CORINE data) or compared to other unsupervised classification methods (e.g. ISODATA).Additional parameters that influence fire-initiation and fire-propagation (both topographical and human) were evaluated and incorporated into the final model. The processing and combination of these parameters along with geospatial data and forest-fuel models in a GIS, makes a prediction of a fire in space and time possible through static and dynamic fire-hazard risk maps. Based on these maps, the WUI zone of Thrakomakedones can be categorized as a high-risk area. The proposed wildfire management model was validated by accurately identifying fire initiation points and burned area during its a-posteriori application on the dynamic weather conditions of July 7, 2004, according to historical wildfire data (actual fire incident in Thrakomakedones).In conclusion, an innovative research tool for quantitative assessment of wildfire risk was proposed through experimental research and a pilot was implemented for the Thrakomakedones WUI area in Attica. Moreover, new methodologies for modeling forest fuels and quantifying flammability we developed. The flammability indices can be used by all researchers who study Mediterranean ecosystems. The product of this research is readily available to process real-time data as a digital geographic database with multiple layers and accompanies the text of the doctorate thesis in digital format (optical disk). It can be used directly by all actors involved in wildfire of forest management, in order to assist:• wildfire prevention: fire-resistant design, vegetation-risk reduction, fire-risk prediction,• wildfire suppression: wildfire propagation estimation, fleet management, selection and application of fire-extinguishing chemical means, protection of human capital during suppression operations,• restoring burned areas.

Οι καμένες εκτάσεις από δασικές πυρκαγιές σε παγκόσμιο επίπεδο ανέρχονται ετησίως σε έκταση ισοδύναμη με τη μισή Αυστραλία. Παρόλα αυτά, η μεγαλύτερη κοινωνική, οικονομική και πολιτική καταστροφή αφορά τις ζώνες μείξης δάσους-κατοικιών, περιοχές όπου συνυπάρχει το φυσικό περιβάλλον και η ανθρωπογενής δραστηριότητα, αφενός μεν λόγω της καταστροφής των κατοικιών και των λοιπών υποδομών που υπάρχουν εντός της ζώνης ή γειτνιάζουν με αυτήν και αφετέρου λόγω της συχνής απώλειας ανθρώπινων ζωών.Η έρευνα στο πεδίο των δασικών πυρκαγιών τα τελευταία 60 χρόνια έχει κάνει σημαντικά βήματα, θέτοντας ως βασική προτεραιότητα την έγκαιρη και άμεση αντιμετώπισή τους. Σε αυτή την κατεύθυνση, προεξέχοντα ρόλο κατέχουν υπολογιστικές προσομοιώσεις των καιρικών συνθηκών, της δασικής καύσιμης ύλης και των παραμέτρων που επηρεάζουν την έναρξη ή τη διάδοση μιας πυρκαγιάς (μοντέλα διαχείρισης πυρκαγιάς). Παρόλα αυτά, οι περισσότερες εκτιμήσεις μέχρι σήμερα γίνονται βάσει βιβλιογραφικών δεδομένων ή παραδοχών, οι οποίες αγνοούν το συγκεκριμένο γεωγραφικό πλαίσιο εφαρμογής τους. Η σύνδεση μεταξύ πειραματικών δεδομένων ευφλεκτότητας και μοντέλων διαχείρισης δασικών πυρκαγιών είναι ασαφής και στηρίζεται κυρίως σε εμπειρικά δεδομένα για τη διάδοση μιας πυρκαγιάς βάσει της τυπολογίας βλάστησης της Βόρειας Αμερικής ή της Αυστραλίας. Επιπλέον, οι εξελίξεις στις σύγχρονες τεχνολογίες πληροφορικής και επικοινωνιών και συγκεκριμένα στα πεδία της τηλεπισκόπησης και των Γεωγραφικών Πληροφοριακών Συστημάτων (ΓΠΣ), επιβάλουν τη διαρκή επικαιροποίηση και εξέλιξη της διαθέσιμης γνώσης. Τέλος, οι περισσότερες έρευνες μέχρι σήμερα εστιάζουν σε αεροφωτογραφίες ή δορυφορικές εικόνες χαμηλής ευκρίνειας/ανάλυσης ή σε παρωχημένα σετ χωρικών (διανυσματικών) δεδομένων. Η παρούσα διδακτορική διατριβή συνδυάζει πρωτογενή πειραματικά δεδομένα της ευφλεκτότητας μεσογειακών δασικών υλών, χωρικά δεδομένα δορυφορικών φωτογραφιών υψηλής ευκρίνειας, μαθηματικές εξισώσεις και εφαρμοσμένη έρευνα σε μία επιλεγμένη ζώνη μείξης δάσους-κατοικιών του λεκανοπεδίου της Αττικής (Θρακομακεδόνες) με σκοπό την πρόταση ενός καινοτομικού ημι-εμπειρικού τρόπου (μοντέλου) διαχείρισης δασικών πυρκαγιών. Για την υλοποίηση του μοντέλου αναπτύχθηκαν νέες μεθοδολογίες χαρτογράφησης ζωνών μείξης δάσους-κατοικιών υψηλής ακριβείας, προτάθηκαν συνδυαστικοί δείκτες ευφλεκτότητας της δασικής καύσιμης ύλης και σχεδιάστηκαν χάρτες επικινδυνότητας έναρξης ή διάδοσης μιας δασικής πυρκαγιάς.Το συγκεκριμένο μοντέλο διαχείρισης πυρκαγιάς προτείνεται ως μεθοδολογία και καλή πρακτική για την εφαρμογή και την επέκτασή του κατά την πρόληψη και αντιμετώπιση πυρκαγιών σε οποιεσδήποτε συνθήκες ή σε οποιοδήποτε χωρικό πλαίσιο. Το προτεινόμενο μοντέλο μπορεί να συνεισφέρει, κατ’επέκταση, στη δημιουργία ενός ολοκληρωμένου συστήματος αντιπυρικής προστασίας της χώρας, προκειμένου να επιτευχθεί αποτελεσματική διαχείριση των δασικών πυρκαγιών τόσο σε τοπική κλίμακα όσο και σε περιφερειακό επίπεδο. Ανάμεσα στα κύρια συμπεράσματα της έρευνας, αξίζει να σημειωθούν τα κάτωθι.Κατά το στάδιο της πρωτογενούς πειραματικής μελέτης της καύσης και πυρόλυσης δασικών υλών λήφθηκαν υπ’όψιν όλες οι παράμετροι και οι μεθοδολογίες που αναφέρονται στη διεθνή βιβλιογραφία και πραγματοποιήθηκε ένας εκτενής αριθμός πειραμάτων για την ποσοτικοποίηση των συνιστωσών της ευφλεκτότητας χρησιμοποιώντας αναλυτικές και εργαστηριακές τεχνικές (θερμική ανάλυση, δείκτης ελάχιστου οξυγόνου, θερμιδομετρία). Ταυτόχρονα αναπτύχθηκαν νέες ή βελτιστοποιήθηκαν υφιστάμενες εργαστηριακές τεχνικές (ρυθμού διάδοσης φλόγας, διαφορική θερμική ανάλυση φούρνου κύβου). Οι νέες εργαστηριακές μεθοδολογίες που αναπτύχθηκαν, παρέχουν συγκριτικά αποτελέσματα βάσει ενός σετ μετρήσεων που πραγματοποιούνται σε κοινές συνθήκες και πλεονεκτούν έναντι άλλων, καθώς είναι εύχρηστες (δεν απαιτούν εξειδικευμένο προσωπικό) και οικονομικές (κατασκευάζονται με μικρό κόστος και δεν απαιτούν ακριβά αναλώσιμα).Ο συνδυασμός των δεδομένων αξιολόγησης της ευφλεκτότητας φυλλώματος δασικής ύλης και η στατιστική τους επεξεργασία συνεισέφεραν στη δημιουργία 5 δεικτών επικινδυνότητας: Δείκτης Θερμιδομετρίας (ΔΘ), Δείκτης ευφλεκτότητας ΔΕ1, ΔΕ2, ΔΕ3, Δείκτης Ευφλεκτότητας υπό Κλίση (ΔΕΚ). Οι δείκτες αυτοί συνηγορούν σε μια κοινή σειρά κατάταξης της ευφλεκτότητας των δασικών υλών, ανεξαρτήτως μεθοδολογίας προσδιορισμού, κατατάσσοντας στις πλέον εύφλεκτες δασικές ύλες την P. halepensis (χαλέπιος πεύκη), το δασικό τάπητα και την E. manipuliflora (χαμορείκι), ενώ στις λιγότερο εύφλεκτες την C. incanus (λαδανιά).Οι δείκτες αυτοί ενσωματώθηκαν στο τελικό μοντέλο διαχείρισης της ζώνης μείξης μέσω ενός κατάλληλου μοντέλου απεικόνισης της δασικής καύσιμης ύλης. Για το σκοπό αυτό αναπτύχθηκαν δύο νέες μεθοδολογίες ειδικών τοπικών μοντέλων καύσιμης ύλης, βάσει αντικειμενοστραφούς επιβλεπόμενης ταξινόμησης (object-oriented supervised classification) γεωγραφικών δεδομένων που είναι διαθέσιμα μέσω τηλεπισκόπησης υψηλής ευκρίνειας (δορυφορικές φωτογραφίες IKONOS σε κλίμακα 1:5.000) και δειγματοληψίας πεδίου. Κατά την επαλήθευση των μοντέλων αυτών με επιτόπιες παρατηρήσεις, τα νέα μοντέλα αποδεικνύεται ότι έχουν πολύ καλύτερη ακρίβεια (88%) σε σχέση με ήδη διαθέσιμα δεδομένα (CORINE land cover data) ή με μεθόδους αυτόματης ταξινόμησης (ISODATA).Στο τελικό μοντέλο διαχείρισης πυρκαγιάς στη ζώνη μείξης συμπεριλήφθηκαν επιπροσθέτως οι παράμετροι που επηρεάζουν την έναρξη και διάδοση μιας πυρκαγιάς (τοπογραφικοί και ανθρωπογενείς). Η επεξεργασία αυτών των παραμέτρων και των γεωχωρικών δεδομένων της περιοχής σε συνδυασμό με τους χάρτες της δασικής καύσιμης ύλης σε ΓΠΣ καθιστά εφικτή την πρόβλεψη της κατανομής των σημείων εκδήλωσης πυρκαγιών στο χώρο και το χρόνο για την περιοχή ελέγχου μέσω στατικών και δυναμικών χαρτών. Βάσει των χαρτών, η ζώνη μείξης των Θρακομακεδόνων κατηγοριοποιείται ως περιοχή υψηλής επικινδυνότητας. Το προτεινόμενο μοντέλο διαχείρισης δασικής πυρκαγιάς επαληθεύτηκε πλήρως, εντοπίζοντας τις εστίες έναρξης πυρκαγιάς και τις καμένες εκτάσεις κατά την εκ των υστέρων εφαρμογή του σε πραγματικές συνθήκες (πυρκαγιά Θρακομακεδόνων 7ης Ιουλίου 2004). Συμπερασματικά, μέσα από την πειραματική έρευνα της ευφλεκτότητας δημιουργήθηκε ένα καινοτομικό εργαλείο ποσοτικής εκτίμησης του κινδύνου έναρξης δασικών πυρκαγιών, το οποίο εφαρμόστηκε πιλοτικά στην περιοχή των Θρακομακεδόνων της Αττικής. Ταυτόχρονα, αναπτύχθηκαν νέες μεθοδολογίες μοντελοποίησης της δασικής καύσιμης ύλης και ποσοτικοποίησης της ευφλεκτότητας. Οι δείκτες ευφλεκτότητας που προσδιορίστηκαν μπορούν να χρησιμοποιηθούν από κάθε ερευνητή που μελετά τα μεσογειακά οικοσυστήματα. Το προϊόν αυτής της έρευνας αποτυπώνεται σε πολυστρωματική γεωγραφική βάση δεδομένων, μπορεί να δεχτεί δεδομένα σε πραγματικές συνθήκες και συνοδεύει το κείμενο της διδακτορικής διατριβής σε ψηφιακή μορφή (οπτικό δίσκο). Μπορεί να αξιοποιηθεί άμεσα από όλους τους φορείς που εμπλέκονται στη διαχείριση των δασών, την εκπόνηση των αντιπυρικών σχεδίων και τη δασοπυρόσβεση, με στόχο:•την καλύτερη πρόληψη δασικών πυρκαγιών: αντιπυρικός σχεδιασμός, έργα μείωσης του κινδύνου που προέρχεται από τη βλάστηση, πρόγνωση του κινδύνου πυρκαγιάς, •την καταστολή πυρκαγιάς: πρόβλεψη της εξέλιξης, χωροθέτηση στόλου οχημάτων, πρόβλεψη επικινδυνότητας εξάπλωσης, ανάσχεση του μετώπου της πυρκαγιάς, κατάσβεση μέσω κατάλληλων χημικών μέσων, προστασία του ανθρώπινου δυναμικού κατά την καταστολή,•την αποκατάσταση καμένων εκτάσεων.