Μέθοδοι διαχείρισης της καύσιμης ύλης για τη μείωση της επικινδυνότητας πυρκαγιών σε περιοχές άμεσης προτεραιότητας στη χερσόνησο της Κασσάνδρας Χαλκιδικής

Abstract

Wildfires increasingly affect the natural environment, human lives, and property, due to their increased frequency and their intense destructiveness as an impact of the climate crisis, thus posing great social challenges. The seriousness of the situation is highlighted mainly in the residential and forest flammable vegetation mixing zones, known as Wildland–Urban Interface (WUI), which have been expanding rapidly in recent decades, resulting in a dramatic increase in the number of people and structures affected by wildfires. The accurate knowledge of the spatial distribution of fuel, the assessment of its characteristics and the selection of the appropriate method Fuel management in the appropriate locations is an essential prerequisite for integrated forest fire management and mitigation of their severity. To be effective, forest fire prevention projects must obey an integrated planning. The main objective of this thesis was the design and implementation of a methodology for the spatial optimization of forest fuel treatments in the peninsula of Kassandra, Chalkidiki, with emphasis on both the protection of human values and the sustainable management of forest ecosystems. This methodology aims to assist responsible forest managers in making and supporting their decisions regarding the qualification of specific forest areas for management. In addition, the creation of a framework for evaluating fuel management plans that have already been implemented in the field, regarding their effectiveness in reducing forest fire behavior, is of great interest to the Greek and international scientific community. In recent years, due to the increased incidence of large fires in Greece, there has been a change in the policy approach to dealing with forest fires by strengthening the prevention sector. When fuel reduction measures are accompanied by scientific proof of their effectiveness, they can convince of the need or benefits of investing in these practices. During this process, the main fuel’s management methods were presented and the cost of designing and implementing each method, the revenues that can be generated from them and the degree of effectiveness in reducing the risk of wildfires were evaluated. In this way, decisions about forest management can be made with a more complete understanding of their economic and environmental impacts. The purpose of the economic analysis was to understand whether the proposed actions are cost-effective and whether they have the expected results in reducing the risk of fire in forests. The collection, post-processing of data and their use in the process of modeling fire behavior to evaluate the effectiveness of a ten-year fuel management plan was the subject of study of the first part of the research. Three detailed landscape analysis files (lcp. file) were created for three forestry situations of the Stavronikita forest, Kassandra, Chalkidiki: a) without fuel treatments implementation, b) after the fuel treatment implementation and c) for the year 1969. Field data were collected by sampling within the study area concerning the inventory of basic characteristics of the forest today, while bibliographic data were also used for the forest situation in the past. Subsequently, thousands of spatial simulations of fire behavior were performed with FlamMap's Minimum Travel Time (MTT) algorithm to measure important fire parameters such as burn probability, fire size and conditional flame length for the three silvicultural states. Finally, in the context of the survey, the degree of risk of forest areas of the forest estate was spatially assessed to prioritize the processing of their fuels in the management plan of the next decade. The statistical analysis of the results answered the question whether the variations in factor values are due to the application of fuel treatments, or to a sampling error or to the luck factor. Subsequently, the research focused on its main objective, the development of an innovative method for the spatial optimization of forest fuel treatments, with the study area of the entire peninsula of Kassandra in Chalkidiki. The aim of the survey was to support the decisions of forest managers on where and how management should be implemented. As the available data on the distribution of fuel in the study area were not considered sufficient to achieve high–precision simulation results, it was necessary to retrieve and generate highly accurate topography, vegetation/fuel, and meteorological data. Extensive sampling was carried out in 154 evenly distributed locations within the forests throughout the Kassandra peninsula, where applying the principles and methods of forestry science, tree–metric characteristics (crown height, crown base height) were measured and estimated, while forest composition (dominant species, canopy cover) and natural conditions (e.g., damage from natural disasters) were recorded in detail. Several digital files were also retrieved and updated, such as the subsidized olive oil producing areas of the peninsula (OPEKEPE), all the existing residences inside and outside the Kassandra peninsula of (Hellenic Cadastre), archives of the Forest Map of Chalkidiki, historical records of the dominant wildfires, archives of the road network and forest clusters of Kassandra. Measurements correlated with digital orthophotographs of high spatial resolution (LSO25/2015). Finally, bibliographic data, such as existing forest management plans and fire protection plans, were utilized. Each of the above data yielded accurate descriptions for the land cover category and land use in the entire study area. The aim was to create a local dataset of detailed landscape description called KASSANDRA DATASET, to categorize the different types of vegetation on the Kassandra peninsula into categories that would be suitable for use in fuel models predicting and simulating fire behavior. A grid landscape file (lcp. file) was created, this time for the entire Kassandra peninsula, to provide the required spatial inputs to the FlamMap fire simulation model (elevation, aspect, slope, fuel models, canopy height, canopy base height, canopy cover and canopy bulk density). A total of 10,000 randomly distributed ignitions across the study area were simulated with the Minimum Travel Time (MTT) and Treatment Optimization Model (TOM) algorithms of FlamMap. The aim was to produce two new fire related agents: a) Fire Transmission to Houses (FTH), which calculates the number of buildings exposed to fires starting in a specific location and going to threaten at least one dwelling and b) Fuel Treatment Grid (FTG) to identify areas where fuel management operations slow down the growth rates of a fire. Eight criteria were created based on the experience of the managers, the relevant literature or because they were imposed by Greek and European legislation, covering climatic, technical, topographical, cost, ecological and social dimensions. Gravity factors were assigned for each criterion for two different scenarios a) by applying identical coefficients to all criteria (control scenario) and b) based on the Analytic Hierarchy Process (AHP) pair-by-pair comparison method (realistic scenario). A worst-case weather scenario resembling the prevailing weather conditions was used during a large wildfire in the study area on August 21, 2006. The results produced two final priority maps prioritizing Kassandra's forests for management, one for each scenario, while a quantitative and spatial assessment of the different areas to be managed was carried out. Further analysis assessed the variation in management priority between the main types of forest land cover (coniferous forests, dense Mediterranean scrub, low load scrub and broadleaved forests), as well as the different ranges and distribution of priority values for management between the two scenarios. At the same time, research was conducted on whether and to what extent, for the preparation of spatial optimization studies and evaluation of fuel management plans such as the one developed above, data derived from satellite products can be safely used or the creation of local land cover datasets is required. An attempt was made to compare the primary landscape description dataset, the KASSANDRA DATASET with three widely used European and global land cover products: a) MODIS12Q1 b) the CCI (Climate Change Initiative) of the European Space Agency for Climate Change, and c) the Corine Land Cover of the European program CORINE. The precision measurements used to conduct the comparisons were Overall Accuracy (OA), Producer's Accuracy (PA), User's Accuracy (UA) and Kappa Coefficient (K). The analysis of the results assessed the suitability of satellite products for certain applications, such as specific fire risk assessment studies, which require a high level of detail for specific types of land cover. The methodological framework developed in this PhD thesis has been operationally applied by the local Forest and Fire Service. Specifically, the areas indicated by the final maps as high priority were included in the fire protection plans of the forests of the Kassandra peninsula for immediate implementation through the actions ‘AntiNero I’ and ‘AntiNero II’ in the years 2022 and 2023 respectively. Finally, the simulation results, and specifically the spatial distribution of the FTH factor, were used by the local Fire Brigade for the targeted dispersion of their vehicles and their operational readiness.

Οι δασικές πυρκαγιές επηρεάζουν όλο και περισσότερο το φυσικό περιβάλλον, τις ανθρώπινες ζωές και τις περιουσίες, λόγω της αυξημένης συχνότητάς τους αλλά και της έντονης καταστροφικότητάς τους ως αντίκτυπο της κλιματικής κρίσης, θέτοντας έτσι μεγάλες κοινωνικές προκλήσεις. Η σοβαρότητα της κατάστασης αναδεικνύεται κυρίως στις ζώνες μίξης δάσους κατοικίας με εύφλεκτη δασική βλάστηση, γνωστές ως Wildland – Urban Interface (WUI), οι οποίες εμφανίζουν ραγδαία επέκταση τις τελευταίες δεκαετίες με αποτέλεσμα τη δραματική αύξηση του αριθμού των θιγόμενων ανθρώπων και υποδομών από την εκδήλωση δασικών πυρκαγιών. Η ακριβής γνώση της χωρικής κατανομής της διαθέσιμης προς κατανάλωση καύσιμης ύλης (νεκρή και ζωντανή ξυλώδης και φυλλώδης βιομάζα) κατά τη διάρκεια εξάπλωσης μιας πυρκαγιάς, η εκτίμηση των χαρακτηριστικών της, αλλά και η επιλογή των κατάλληλων μεθόδων διαχείρισής της στις κατάλληλες θέσεις, αποτελεί ουσιαστική προϋπόθεση για την ολοκληρωμένη διαχείριση των δασικών πυρκαγιών και τον μετριασμό της σφοδρότητάς τους. Τα έργα πρόληψης των δασικών πυρκαγιών για να είναι αποτελεσματικά πρέπει να υπακούν σε έναν ολοκληρωμένο σχεδιασμό. Βασικός στόχος της συγκεκριμένης διατριβής ήταν ο σχεδιασμός και η εφαρμογή μιας μεθοδολογίας για την χωρική βελτιστοποίηση των μέτρων διαχείρισης της δασικής καύσιμης ύλης στη χερσόνησο της Κασσάνδρας Χαλκιδικής, με έμφαση τόσο στην προστασία των ανθρώπινων αξιών, όσο και στην αειφορική διαχείριση των δασικών οικοσυστημάτων. Η συγκεκριμένη μεθοδολογία αποσκοπεί να βοηθήσει τους υπεύθυνους διαχειριστές του δάσους στη λήψη αλλά και στην υποστήριξη των αποφάσεών τους αναφορικά με την πρόκριση συγκεκριμένων δασικών περιοχών προς διαχείριση. Επιπλέον, η δημιουργία ενός πλαισίου αξιολόγησης των σχεδίων διαχείρισης της καύσιμης ύλης που έχουν ήδη εφαρμοστεί στο πεδίο, αναφορικά με την αποτελεσματικότητά τους στη μείωση της συμπεριφοράς των δασικών πυρκαγιών έχει μεγάλο ενδιαφέρον για την Ελληνική αλλά και διεθνή επιστημονική κοινότητα. Τα τελευταία χρόνια, λόγω των αυξημένων περιστατικών μεγάλων πυρκαγιών στην Ελλάδα, παρατηρείται μια αλλαγή στην πολιτική προσέγγισης της αντιμετώπισης των δασικών πυρκαγιών με ενίσχυση του τομέα της πρόληψης. Όταν τα μέτρα διάσπασης της καύσιμης ύλης συνοδεύονται από την επιστημονική απόδειξη της αποτελεσματικότητάς τους, οι φορείς διαχείρισης μπορεί να πείσουν για την ανάγκη ή τα οφέλη επένδυσης σε αυτές τις πρακτικές. Κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας, παρουσιάζονται οι κύριες μέθοδοι διαχείρισης της καύσιμης ύλης και αξιολογούνται το κόστος σχεδιασμού και εφαρμογής κάθε μεθόδου, τα έσοδα που μπορούν να παραχθούν από αυτές και ο βαθμός αποτελεσματικότητας στη μείωση του κινδύνου δασικών πυρκαγιών. Με αυτόν τον τρόπο, οι αποφάσεις σχετικά με τη διαχείριση των δασών μπορούν να ληφθούν με πλήρη κατανόηση των οικονομικών και περιβαλλοντικών επιπτώσεών τους. Σκοπός της οικονομικής ανάλυσης είναι η κατανόηση αν όλες οι προτεινόμενες δράσεις είναι οικονομικά αποδοτικές και αν όλες έχουν τα αναμενόμενα αποτελέσματα στη μείωση του κινδύνου πυρκαγιάς στα δάση. Η συλλογή, η μετεπεξεργασία δεδομένων και η χρήση τους στη διαδικασία μοντελοποίησης της συμπεριφοράς της πυρκαγιάς για την αξιολόγηση της αποτελεσματικότητας ενός δεκαετούς σχεδίου διαχείρισης της καύσιμης ύλης, αποτέλεσε το αντικείμενο μελέτης του πρώτου μέρους της έρευνας. Δημιουργήθηκαν τρία αρχεία λεπτομερούς ανάλυσης τοπίου (lcp. file) για τρεις δασοπονικές καταστάσεις του δασοκτήματος Σταυρονικήτα, της Κασσάνδρας Χαλκιδικής: α) χωρίς την εφαρμογή μέτρων διαχείρισης της καύσιμης ύλης του, β) μετά την εφαρμογή μέτρων διαχείρισης και γ) για το έτος 1969. Δεδομένα πεδίου συλλέχθηκαν με δειγματοληψίες εντός της περιοχής μελέτης που αφορούσαν στην απογραφή βασικών χαρακτηριστικών του δάσους σήμερα, ενώ έγινε χρήση και βιβλιογραφικών δεδομένων για την παρελθοντική αποτύπωση της κατάστασης του δάσους. Εν συνεχεία, διενεργήθηκαν χιλιάδες χωρικές προσομοιώσεις της συμπεριφοράς πυρκαγιάς με τον αλγόριθμο Minimum Travel Time (MTT) του FlamMap για την μέτρηση σημαντικών πυρικών παραμέτρων όπως η πιθανότητα καύσης, το μέγεθος πυρκαγιάς και το εξαρτώμενο μήκος φλόγας για τις τρεις δασοπονικές καταστάσεις. Τέλος, στο πλαίσιο της έρευνας εκτιμήθηκε χωρικά ο βαθμός επικινδυνότητας των δασικών περιοχών του δασοκτήματος ώστε να ιεραρχηθεί η προτεραιότητα επεξεργασίας των καυσίμων τους στο σχέδιο διαχείρισης της επόμενης δεκαετίας. Με την στατιστική ανάλυση των αποτελεσμάτων απαντήθηκε το ερευνητικό ερώτημα εάν οι διακυμάνσεις στις τιμές των παραγόντων οφείλονται στην εφαρμογή των μέτρων διαχείρισης της καύσιμης ύλης, ή σε κάποιο σφάλμα της δειγματοληψίας ή στον παράγοντα τύχη.Εν συνεχεία, η έρευνα επικεντρώθηκε στον κύριο στόχο της, την ανάπτυξη μιας πρωτοποριακής μεθόδου για την χωρική βελτιστοποίηση των μέτρων διαχείρισης της δασικής καύσιμης ύλης, με περιοχή μελέτης το σύνολο της χερσονήσου Κασσάνδρας Χαλκιδικής. Σκοπός της έρευνας ήταν να υποστηριχθούν οι αποφάσεις των υπευθύνων διαχείρισης δασών σχετικά με το πού και πώς θα πρέπει να εφαρμοστεί η διαχείριση. Καθώς τα διαθέσιμα στοιχεία για την κατανομή της καύσιμης ύλης στην περιοχή μελέτης δεν θεωρήθηκαν επαρκή για την επίτευξη αποτελεσμάτων προσομοίωσης υψηλής ακρίβειας, απαιτήθηκε η ανάκτηση και η δημιουργία υψηλής ακρίβειας δεδομένων αναφορικά με την τοπογραφία, την βλάστηση/καύσιμη ύλη και τις μετεωρολογικές συνθήκες. Πραγματοποιήθηκαν εκτεταμένες δειγματοληψίες σε 154 ομοιόμορφα κατανεμημένες θέσεις εντός των δασών σε ολόκληρη τη χερσόνησο της Κασσάνδρας, όπου εφαρμόζοντας τις αρχές και τις μεθόδους της δασολογικής επιστήμης μετρήθηκαν και εκτιμήθηκαν δεντρομετρικά χαρακτηριστικά (ύψος κόμης, ύψος έναρξης κόμης), ενώ καταγράφηκαν λεπτομερώς η δασική σύνθεση (κυρίαρχα είδη, ποσοστά κάλυψης) και οι φυσικές συνθήκες (π.χ. ζημιές από φυσικές καταστροφές, ασθένειες). Ανακτήθηκε και επικαιροποιήθηκε ακόμα πλήθος ψηφιακών αρχείων όπως των επιδοτούμενων ελαιοπαραγωγικών εκτάσεων της χερσονήσου του ΟΠΕΚΕΠΕ, το σύνολο των υφιστάμενων κτισμάτων εντός και εκτός σχεδίου της χερσονήσου Κασσάνδρα, αρχεία του δασικού χάρτη Π.Ε. Χαλκιδικής, ιστορικά αρχεία των κυρίαρχων δασικών πυρκαγιών, αρχεία του οδικού δικτύου και των δασικών συστάδων της Κασσάνδρας. Οι μετρήσεις συσχετίστηκαν με ψηφιακές ορθοφωτογραφίες υψηλής χωρικής διακριτικής ικανότητας (LSO25/2015). Τέλος, αξιοποιήθηκαν βιβλιογραφικά δεδομένα, όπως υφιστάμενα σχέδια διαχείρισης δασών και μελέτες πυροπροστασίας. Το κάθε ένα από τα παραπάνω δεδομένα απέδωσε ακριβής περιγραφές για την κατηγορία κάλυψης γης αλλά και για τις χρήσεις γης στο σύνολο της περιοχής μελέτης. Ο στόχος ήταν η δημιουργία ενός τοπικού συνόλου δεδομένων λεπτομερούς περιγραφής τοπίου που ονομάστηκε KASSANDRA DATASET, για να κατηγοριοποιήσει τους διάφορους τύπους βλάστησης στη χερσόνησο της Κασσάνδρας σε κατηγορίες που θα ήταν κατάλληλες για τη χρήση σε μοντέλα πρόβλεψης και προσομοίωσης της συμπεριφοράς των πυρκαγιών.Δημιουργήθηκε ένα αρχείο τοπίου πλέγματος (lcp. file), αυτή τη φορά για το σύνολο της χερσονήσου Κασσάνδρας, για την παροχή των απαιτούμενων χωρικών εισροών στο μοντέλο προσομοίωσης πυρκαγιάς του FlamMap, (υψόμετρο, έκθεση, κλίση, μοντέλα καύσιμης ύλης, ύψος κόμης, ύψος έναρξης κόμης, κάλυψη κόμης και πυκνότητα κόμης). Συνολικά 10.000 τυχαία κατανεμημένες αναφλέξεις σε όλη την περιοχή μελέτης προσομοιώθηκαν με τους αλγόριθμους Minimum Travel Time (MΤT) και Treatment Optimization Model (TOM) του FlamMap. Στόχος ήταν να προκύψουν δύο νέοι πυρικοί παράγοντες που σχετίζονται με την πυρκαγιά: α) η μετάδοση της πυρκαγιάς σε κτίσματα, Fire Transmission to Houses (FTH), ο οποίος υπολογίζει τον αριθμό των κτιρίων που εκτίθενται σε πυρκαγιές που ξεκινούν από μια συγκεκριμένη τοποθεσία και πρόκειται να απειλήσουν τουλάχιστον ένα κτίσμα και β) το δίκτυο επεξεργασίας της καύσιμης ύλης, Fuel Treatment Grid (FTG) για τον εντοπισμό περιοχών όπου οι εργασίες διαχείρισης της καύσιμης ύλης επιβραδύνουν τους ρυθμούς εξάπλωσης μιας πυρκαγιάς. Δημιουργήθηκαν οκτώ κριτήρια με βάση την εμπειρία των διαχειριστών, τη σχετική βιβλιογραφία ή επειδή επιβάλλονταν από την ελληνική και την ευρωπαϊκή νομοθεσία, τα οποία καλύπτουν κλιματολογικές, τεχνικές, τοπογραφικές, κοστολογικές, οικολογικές και κοινωνικές διαστάσεις. Ορίστηκαν συντελεστές βαρύτητας για το κάθε κριτήριο για δύο διαφορετικά σενάρια α) με την εφαρμογή πανομοιότυπων συντελεστών σε όλα τα κριτήρια (σενάριο ελέγχου) και β) με βάση τη μέθοδο των συγκρίσεων ανά ζεύγη Analytic Hierarchy Process (AHP) (ρεαλιστικό σενάριο). Χρησιμοποιήθηκε ένα καιρικό σενάριο μέσων χείριστων συνθηκών που ομοίαζε με τις επικρατούσες καιρικές συνθήκες κατά τη διάρκεια μιας μεγάλης δασικής πυρκαγιάς στην περιοχή μελέτης στις 21 Αυγούστου 2006. Στα αποτελέσματα παρήχθησαν δύο τελικοί χάρτες προτεραιότητας με ιεράρχηση των δασών της Κασσάνδρας για διαχείριση, ένας για κάθε σενάριο, ενώ διενεργήθηκε ποσοτική και χωρική εκτίμηση των διαφόρων περιοχών που πρέπει να διαχειριστούν. Περαιτέρω ανάλυση εκτίμησε τη διακύμανση στην προτεραιότητα διαχείρισης μεταξύ των κύριων τύπων δασικής κάλυψης γης (κωνοφόρα δάση, πυκνοί μεσογειακοί θαμνώνες, θαμνώνες χαμηλού φορτίου και πλατύφυλλα δάση), καθώς και τα διαφορετικά εύρη και την διαφορετική κατανομή των τιμών προτεραιότητας για διαχείριση μεταξύ των δύο σεναρίων.Παράλληλα, διεξήχθη έρευνα εάν και κατά πόσο, για τη σύνταξη μελετών χωρικής βελτιστοποίησης και αξιολόγησης σχεδίων διαχείρισης της καύσιμης ύλης, μπορεί να γίνει ασφαλής χρήση δεδομένων που προέρχονται από δορυφορικά προϊόντα ή απαιτείται η δημιουργία τοπικών συνόλων δεδομένων κάλυψης γης. Επιχειρήθηκε η σύγκριση του πρωτογενούς συνόλου δεδομένων περιγραφής τοπίου, του KASSANDRA DATASET με τρία ευρέως χρησιμοποιούμενα ευρωπαϊκά και παγκόσμια προϊόντα κάλυψης γης: α) του MODIS12Q1 β) του CCI (Climate Change Initiative) του Ευρωπαϊκού Οργανισμού Διαστήματος για την Κλιματική Αλλαγή, και γ) του Corine Land Cover του Ευρωπαϊκού προγράμματος CORINE. Οι μετρήσεις ακρίβειας που χρησιμοποιήθηκαν για τη διεξαγωγή των συγκρίσεων ήταν η συνολική ακρίβεια (Overall Accuracy – OA), η ακρίβεια του παραγωγού (Producer’s Accuracy – PA), η ακρίβεια του χρήστη (User’s Accuracy – UA) και ο συντελεστής Kappa Coefficient (K). Με την ανάλυση των αποτελεσμάτων εκτιμήθηκε ο βαθμός καταλληλότητας των δορυφορικών προϊόντων για ορισμένες εφαρμογές, όπως οι ειδικές μελέτες εκτίμησης κινδύνου πυρκαγιάς, στις οποίες απαιτείται υψηλό επίπεδο λεπτομέρειας για συγκεκριμένους τύπους κάλυψης γης. Το μεθοδολογικό πλαίσιο που αναπτύχθηκε στην παρούσα διδακτορική διατριβή έχει τύχει επιχειρησιακής εφαρμογής από την τοπική Δασική και την Πυροσβεστική Υπηρεσία. Συγκεκριμένα, οι περιοχές που υποδείχθηκαν από τους τελικούς χάρτες ως υψηλής προτεραιότητας εντάχθηκαν στα σχέδια αντιπυρικής προστασίας των δασών της χερσονήσου Κασσάνδρας προς άμεση υλοποίηση μέσω των δράσεων ‘AntiNero Ι’ και ‘AntiNero ΙΙ’ τα έτη 2022 και 2023 αντίστοιχα. Τέλος, τα αποτελέσματα προσομοίωσης και συγκεκριμένα η χωρική κατανομή του παράγοντα FTH, χρησιμοποιήθηκαν από την τοπική Πυροσβεστική Υπηρεσία για τη στοχευμένη διασπορά των οχημάτων τους και την επιχειρησιακή τους ετοιμότητα.