Διαχείριση κινδύνου με μοντελοποίηση πυρκαγιών για ενίσχυση της πυροανθεκτικότητας υποδομών στη διεπαφή δασών-οικισμών

Abstract

Wildfires constitute a key ecological process contributing to the natural succession of vegetation, the preservation of biodiversity, and the dynamic functioning of natural ecosystems. In addition, wildland fire represents a global challenge, with increasing frequency and intensity, threatening both forest ecosystems and human infrastructure in their proximity. This is due to human activity within forests, reduced forest management, failure of timely control by firefighting forces, and the increasingly extreme climatic conditions that influence fire ignition and propagation. Fires cause severe environmental, economic, and social impacts, such as loss of life, degradation of natural ecosystems, reduction of biodiversity, and the release of large quantities of carbon dioxide in the atmosphere. This phenomenon is particularly dangerous in areas of transition between urban and forest zones, known as the Wildland-Urban Interface (WUI). In these areas, the close contact between vegetation and residential structures increases significantly the likelihood of damage and loss. Factors such as the presence of flammable vegetation, lack of fire protection infrastructure, multiple conflicting land uses (public, municipal, private, etc.), and the absence of legislation for risk reduction make these areas extremely vulnerable. The main goal of this dissertation was to evaluate and enhance the fire resistance of structures, and in the same time to improve proper strategic forest firefighting management methods by effective utilization of forest fire behavior simulation programs in assessing the risk of specific areas. Throughout this process, the factors regulating wildfire behavior are presented and analyzed, focusing on the characteristics of forest fuels that influence fire ignition and spread, such as fuel moisture content, fuel load, horizontal and vertical fuel arrangement, fuel compactness, canopy base height, canopy cover percentage, and forest stand density. Additionally, fuel models and their properties are presented and analyzed, along with various firefighting techniques used by forest fire suppression forces, such as direct and indirect attack methods, backburning, counter-fire, firebreak networks, and the selection of wildfire containment points. Subsequently, the research focused on the spatial distribution of simulation results, which is essential for the creation of maps to support decision-making by management authorities. These maps serve both the prevention stage, by prioritizing fuel management in areas more likely to burn, and the suppression stage, by applying immediate and targeted firefighting strategies. As part of the dissertation’s innovation, a first-of-its-kind scientific study and analysis in the Greek literature was performed, filling a gap in the country's fire planning, i.e., the examination of historic forest fires as case studies. This aimed to record suppression strategies at every stage of a fire's development to design preventative strategies for similar incidents in areas with comparable vegetation types and weather conditions using fire simulation systems. To address this problem, a simulation of the 2021 wildfire behavior in Kalamonas, Rhodes Island, Greece, was conducted using the FlamMap and BehavePlus programs. The overall firefighting strategy employed in that incident was spatially mapped. Based on this strategy, a forest firefighting strategy was then developed for a nearby WUI area of the island with similar weather, terrain, and vegetation characteristics. This was done to proactively identify critical points for interventions such as forest road expansion and firebreak construction. Additionally, during suppression, the simulation helped identify locations for implementing direct or indirect attack methods combined with backburning, to both protect the specific WUI zone and prevent the fire's spread into dense forests of East Mediterranean pine (Pinus brutia) mixed with cypress (Cupressus sempervirens var. Horizontalis). As a further innovation, the Wildfire Risk Evaluation Index for Structures (WREIS) was developed. This index calculates each building’s vulnerability if a fire reaches its boundary. It introduces a novel approach by incorporating, in addition to commonly used parameters (e.g., building characteristics and surroundings), the fire protection measures of the building itself. It also considers community infrastructure measures, including road widths and the presence or absence of fuel breaks near the settlement. Moreover, the fire resistance of structures was reinforced by proposing a toolkit of protective building measures, directly transferring knowledge to property owners on how to reduce their buildings' vulnerability to wildfires. This toolkit prioritizes low-cost, easy-to-implement interventions over those that are more complex and expensive to carry out in a short period of time. Finally, a study was conducted to assess whether a training program tailored to the needs of populations living and working in WUI areas could enhance their confidence and ability to protect themselves and their property (i.e., improve fire resilience) in the event of a wildfire. Through the delivery of an innovative educational program entitled “Fire-Resilient Communities,” a quantitative experimental study was conducted involving 133 employees of businesses operating within WUI zones, evaluating their perceptions before and after their participation in the program.

Το φαινόμενο των δασικών πυρκαγιών αποτελεί μία κύρια διεργασία από άποψη οικολογίας, συμβάλλοντας στην αρμονική διαδοχή της βλάστησης, τη διατήρηση της βιοποικιλότητας και τη δυναμική της λειτουργίας των φυσικών οικοσυστημάτων. Ταυτόχρονα, αποτελεί μία παγκόσμια πρόκληση, με αυξανόμενη συχνότητα και ένταση. Οι δασικές πυρκαγιές απειλούν τα ίδια τα δασικά οικοσυστήματα και τις ανθρώπινες υποδομές πλησίον τους, λόγω της ανθρώπινης δραστηριότητας εντός τους, της μειωμένης διαχείρισης τους, και της αποτυχίας έγκαιρου ελέγχου των πυρκαγιών από τις δασοπυροσβεστικές δυνάμεις. Επιπλέον, λόγω της ολοένα και αυξανόμενης κλιματικής κρίσης επηρεάζονται οι παράγοντες έναρξης και εξέλιξης τους. Ιδιαίτερα επικίνδυνο είναι το φαινόμενο στις διεπαφές δασών - οικισμών, γνωστές ως Wildland-Urban Interface (WUI). Σε αυτές τις περιοχές, η στενή επαφή της βλάστησης με τις κατοικίες αυξάνει δραματικά την πιθανότητα ζημιών και απωλειών. Παράγοντες όπως η παρουσία εύφλεκτης βλάστησης, η έλλειψη υποδομών πυροπροστασίας, οι πολλαπλές διαφορετικά ιδιοκτησιακές χρήσεις γης και η απουσία νομοθεσίας για τη μείωση του κινδύνου, καθιστούν τις περιοχές αυτές εξαιρετικά ευάλωτες. Βασικός στόχος της διδακτορικής διατριβής ήταν η αξιολόγηση και ενίσχυση της πυρανθεκτικότητας κατασκευών αλλά και η ενίσχυση της ορθής στρατηγικής διαχείρισης των μεθόδων δασοπυρόσβεσης σε αυτές με τη βοήθεια των προγραμμάτων προσομοίωσης δασικών πυρκαγιών. Στη διατριβή, παρουσιάζονται και αναλύονται οι παράγοντες που ρυθμίζουν τη συμπεριφορά των δασικών πυρκαγιών μέσω των χαρακτηριστικών της δασικής καύσιμης ύλης, που επηρεάζουν την έναρξη και την εξάπλωση τους, όπως η περιεχόμενη υγρασία, η συμπαγότητα και τα φορτία της καύσιμης ύλης (ποσότητα). Επιπροσθέτως, παρουσιάζονται και αναλύονται τα μοντέλα καύσιμης ύλης και η σύνθεσή τους, καθώς και οι διάφορες μέθοδοι κατάσβεσης και προσβολής μίας δασικής πυρκαγιάς από τις πυροσβεστικές δυνάμεις, όπως η άμεση και η έμμεση μέθοδος κατάσβεσης, η κατάκαυση, το αντιπύρ, τα δίκτυα αντιπυρικών ζωνών και η επιλογή σημείων ανάσχεσης των δασικών πυρκαγιών. Εν συνεχεία, η έρευνα επικεντρώθηκε στη χωρική κατανομή των αποτελεσμάτων των προσομοιώσεων πυρκαγιάς, η οποία είναι απαραίτητη για τη δημιουργία χαρτών που μπορούν να υποστηρίξουν τις αποφάσεις των φορέων διαχείρισης. Οι αποφάσεις αυτές αφορούν ενέργειες στο στάδιο της πρόληψης δίνοντας προτεραιότητα στη διαχείριση της καύσιμης ύλης σε θέσεις που είναι πιο πιθανό να καούν καθώς και στο στάδιο της κατάσβεσης των δασικών πυρκαγιών προκειμένου να εφαρμοστεί άμεση και στοχευμένη στρατηγική πυρόσβεσης. Συνεχίζοντας με την καινοτομία της παρούσας διατριβής, επιχειρήθηκε και επιτεύχθηκε για πρώτη φορά στην Ελληνική βιβλιογραφία, ένα στοιχείο που λείπει από τον αντιπυρικό σχεδιασμό της Ελλάδος και είναι η επιστημονική μελέτη και ανάλυση ιστορικών δασικών πυρκαγιών ως μελετών περίπτωσης “case studies”, με σκοπό την αποτύπωση της στρατηγικής δασοπυρόσβεσης σε κάθε στάδιο εξέλιξης της πυρκαγιάς. Η επιστημονική αυτή μελέτη και ανάλυση δασικών συμβάντων με τη βοήθεια προγραμμάτων προσομοίωσης δασικών πυρκαγιών, συμβάλει προληπτικά στον σχεδιασμό στρατηγικών αντιμετώπισης ανάλογων συμβάντων σε περιοχές με παρόμοια είδη βλάστησης και μετεωρολογικές συνθήκες. Πιο συγκεκριμένα, πραγματοποιήθηκε προσομοίωση της συμπεριφοράς της δασικής πυρκαγιάς του 2021 στον Καλαμώνα της Ρόδου, με τα προγράμματα FlamMap και BehavePlus και αποτυπώθηκε χωρικά η συνολική στρατηγική δασοπυρόσβεσης που πραγματοποιήθηκε στο εν λόγω συμβάν. Με βάση τη μέθοδο αυτή, πραγματοποιήθηκε η χάραξη στρατηγικής δασοπυρόσβεσης σε μία γειτονική WUI περιοχή του νησιού, με πανομοιότυπα χαρακτηριστικά καιρού, ανάγλυφου και δασικής βλάστησης. Μέσω αυτής τη διαδικασίας, γίνεται εφικτός προληπτικά ο προσδιορισμός των κρίσιμων σημείων που θα μπορούσαν προκατασταλτικά να γίνουν παρεμβάσεις, όπως διάνοιξη ή/και διαπλάτυνση δασικών οδών και αντιπυρικών ζωνών. Συγχρόνως, κατά την καταστολή του φαινομένου γίνεται εφικτός ο προσδιορισμός των κρίσιμων σημείων που θα επιλεχθούν μέθοδοι άμεσης προσβολή της πυρκαγιάς ή/και έμμεσης σε συνδυασμό με τη μέθοδο της κατάκαυσης. Η συνολική στρατηγική έχει σκοπό αφενός την αποφυγή της διακινδύνευσης της συγκεκριμένης WUI περιοχής κι αφετέρου την αποτροπή εξάπλωσης της πυρκαγιάς σε συμπαγή δάση τραχείας πεύκης (Pinus brutia) σε μίξη με οριζοντιόκλαδα κυπαρίσσια (Cupressus sempervirens var. Horizontalis), περιοχή ιδιαίτερου περιβαλλοντικού και αισθητικού κάλλους της περιοχής. Καινοτόμο αποτέλεσμα της διατριβής είναι η δημιουργία του δείκτη Wildfire Risk Evaluation Index for Structures (WREIS) ο οποίος υπολογίζει την ευαλωτότητα κάθε κτιρίου σε περίπτωση που η φωτιά φτάσει στα όρια της ιδιοκτησίας του. Αυτός ο δείκτης εισάγει την καινοτομία της συμπερίληψης στην αξιολόγησή του, εκτός από τις άλλες παραμέτρους που αξιολογούνται διεθνώς σε άλλες μελέτες όπως τα χαρακτηριστικά των κτιρίων και το περιβάλλον τους. Ταυτόχρονα, λαμβάνει υπόψη τα μέτρα πυρόσβεσης και τις παρεμβάσεις για την υποδομή της κοινότητας, συμπεριλαμβανομένου του πλάτους των κοινοτικών δρόμων και της ύπαρξης ή απουσίας ζωνών διακοπής καυσίμων κοντά στον οικισμό στον οποίο ανήκει το κτίριο. Επιπλέον, η ενίσχυση πυρανθεκτικότητας των κατασκευών με πρόταση μίας εργαλειοθήκης προστατευτικών μέτρων των κτιρίων, μεταφέρει απευθείας γνώση στους ιδιοκτήτες των κτιρίων για τη μείωση της ευαλωτότητας των κατασκευών τους έναντι των δασικών πυρκαγιών, παρέχοντας απλές οδηγίες. Αυτό επιτυγχάνεται μέσω παρεμβάσεων, δίνοντας προτεραιότητα σε εκείνες που έχουν χαμηλό κόστος και είναι εύκολες στην εφαρμογή, έναντι εκείνων που είναι πιο δύσκολες και δαπανηρές για να υλοποιηθούν σε σύντομο χρονικό διάστημα. Τέλος, ερευνήθηκε το κατά πόσο, ένα εκπαιδευτικό πρόγραμμα δομημένο στις ανάγκες προστασίας πληθυσμού που εργάζεται και διαβιεί σε περιοχές WUI επιδρά θετικά στην αυτοπεποίθησή και την ικανότητάς τους να προστατεύσουν τους ίδιους και τις περιουσίες τους (ενίσχυση πυρανθεκτικότητας) σε περίπτωση δασικής πυρκαγιάς. Μέσω της διδασκαλίας ενός καινοτόμου προγράμματος με τίτλο «Πυρανθεκτικές Κοινότητες», πραγματοποιήθηκε ποσοτική πειραματική μελέτη των απόψεων 133 εργαζόμενων σε επιχειρήσεις που δραστηριοποιούνται εντός WUI, πριν και μετά την εκπαίδευσή τους σε αυτό.