Modélisation physique de la propagation des feux de forêts : effets des caractéristiques physiques du combustible et de son hétérogénéité

Les incendies de forêts se propagent au sein d’un combustible dont les caractéristiques physiques affectent le comportement, au même titre que les conditions atmosphériques et topographiques. Après une présentation des caractéristiques de la propagation d’un feu et des différents modèles de propagation, nous étudions le comportement du feu dans des combustibles homogènes en fonction de leurs caractéristiques physiques avec le modèle FIRETEC. Cette étude met en évidence un impact significatif de la fraction volumique (qui exprime la densité du combustible) sur la vitesse de propagation et l’intensité du feu. La vitesse de propagation décroît avec la fraction volumique ; cette tendance est validée par quelques données expérimentales de feux de litières. Par ailleurs, le comportement du feu peut passer de « wind-driven » à « plume dominated » selon la fraction volumique. En présence de canopée, cette dernière pilote également le seuil de propagation entre « torching » et « crowning ». Son fort impact sur le comportement justifie la pertinence de notre interrogation concernant l’effet de l’hétérogénéité spatiale du combustible, qui se traduit par des variations spatiales de la fraction volumique. Nous proposons ensuite une approche originale, inspirée de la bibliographie sur le rayonnement solaire dans les canopées, pour aborder les problèmes d’homogénéisation du combustible dans le calcul du transfert radiatif. Elle souligne l’influence de certaines caractéristiques du combustible (coefficient d’absorption local) et de l’hétérogénéité spatiale (recouvrement, taille des hétérogénéités) sur l’échauffement radiatif qui pilote une partie du comportement du feu. Lors de la propagation, les végétations les plus hétérogènes induisent une diminution de l’irradiance moyenne du combustible par rapport aux combustibles hétérogènes. Une distribution insuffisamment détaillée de la structure spatiale tend donc à augmenter la vitesse de propagation. Dans les canopées, une description de l’enveloppe des houppiers et la définition d’un coefficient d’agrégation à l’échelle de la pousse s’avèrent suffisantes pour une évaluation précise du transfert radiatif. Concernant les strates arbustives, une formule permet d’évaluer l’importance des effets attendus de l’hétérogénéité. Lorsque ceux-ci sont importants, une méthode d’homogénéisation est proposée. Dans un troisième temps, le calcul des écoulements en présence de canopée est abordé sous la forme d’une résolution explicite de la turbulence (large eddy simulation). Un travail de validation du modèle est proposé, sur la base de données expérimentales recueillies dans la littérature. Ces résultats illustrent l’influence significative de grandes coupures de combustible sur la nature des écoulements. Une investigation systématique des effets de l’hétérogénéité de la végétation sur l’écoulement est ensuite conduite. Pour une biomasse donnée, les résultats obtenus mettent en évidence que l’hétérogénéité du combustible induit une augmentation de la vitesse de l’écoulement moyen par rapport aux configurations homogènes. Les effets obtenus sont d’autant plus importants que le recouvrement et la taille des hétérogénéités sont élevés et que les agrégats de végétation sont denses. Une description à l’échelle des houppiers s’avère suffisante pour reproduire les écoulements au sein des canopées ; elle n’est nécessaire que lorsque le recouvrement est inférieur à 50 %. Enfin, nous étudions les effets de l’hétérogénéité de manière globale à l’échelle du paysage. Elle intégre l’ensemble des caractéristiques sur lesquelles l’hétérogénéité du combustible peut agir, y compris la source de chaleur. Elle confirme qu’une homogénéisation du combustible est à proscrire dans le cas des faibles recouvrements, alors que celle-ci ne pose pas de problème dans le cas de recouvrements élevés. Cependant, on observe une différence de comportement selon le type d’écosystème envisagé : dans le pin Maritime, l’homogénéisation se traduit par une augmentation de l’intensité et des dégâts, alors que c’est le contraire pour le pin d’Alep, qui est moins dense. Le recouvrement apparaît comme une grandeur cruciale pour la description du combustible à l’échelle de la parcelle. En effet, si une réduction du recouvrement de 75 à 50 % ne modifie pas significativement le comportement du feu, une réduction à 25 %, voire même à 0 % (suppression de la strate arborée) réduit très significativement les intensités prédites. Par ailleurs, la sévérité du feu diminue de manière importante lorsque l’on réduit le recouvrement. Cependant, les diminutions d’intensité et de sévérité s’accompagnent d’une inclinaison progressive du panache, qui induit des températures plus élevées en avant du front, qui peuvent être préjudiciables à la lutte. L’augmentation de la taille des hétérogénéités et des distances entre les agrégats induit une diminution de la sévérité du feu dans le cas de l’écosystème à pin maritime. D’autres résultats suggèrent que cette diminution pourrait être plus significative pour des recouvrements voisins de 50 %. Le travail s’achève sur une courte synthèse des différents enseignements de notre travail présentant une utilité pour le gestionnaire. Elle inclut les études appliquées réalisées, qui mettent en évidence l’applicabilité des modèles physiques. Quelques préconisations quant aux échelles appropriées à la description du combustible sont fournies, selon le type de modèle. Certains résultats concernant les écoulements sur les coupures sont appliqués à la pratique du brûlage dirigé. Le document s’achève sur quelques recommandations quant à la réalisation des coupures de combustibl