Brevet FR2712092A1 — publié le 19950512

On sait qu'il existe un certain nombre de systèmes d'évaluation des risques d'incendies de forêts. Ces systèmes sont conçus à partir de paramètres de nature variée: - météorologiques (vitesse du vent, humidité relative de l'air, précipitations, réserve en eau du sol...), - topographiques (relief, orientation...), - biologiques (teneur en eau, nature et quantité de combustible...). Ces systèmes d'évaluation permettent d'établir quotidiennement un "indice de risque", outil de prévention et de prévision qui permet de répon -dre à la situation présente, pour mettre en oeuvre des moyens d'alerte appropriés. Parmi les méthodes françaises, celle du risque numérique est retenue depuis 1988. Combinaison des méthodes DROUET et CARREGA, le risque numérique utilise trois facteurs: - l'humidité: une "fausse humidité relative" est calculée à partir de la température du point de rosée de l'air et de la température du sol, afin de mieux représenter la teneur en eau de la litière; - le vent, introduit sous différentes formes afin de moduler son importance; - la réserve en eau du sol, introduite également avec différentes fonctions, pour moduler son importance. L'Indice Forêt - Météo Canadien (IFM): élaboré en 1970 par le service canadien des forêts, cet indice des conditions météorologiques propices aux feux de forêts tient de deux paramètres: - la teneur en eau de trois classes de combustibles forestiers (combustible léger sec, humus léger superficiel, matière organique profonde); - l'effet du vent sur le comportement du feu (température et humidité relative de l'air, pluviosité, vitesse du vent). A cet indice canadien, le National Fire Danger Rating System américain (NFDRS) nécessite en plus la connaissance de: - l'état du temps (couverture nuageuse, précipitations); - des conditions journalières d'intensité orageuse et de durée de la pluie, des températures et des humidités relatives maximales et minimales; - des différents modèles de combustibles; - des risques causés par l'homme; - du relief. Comme on peut le constater, la prépondérance est donnée, dans l'ensemble de ces systèmes, aux facteurs météorologiques, et à leur répercussion sur l'humidité de la litière. Toutefois, les indices nord-améri -cains accordent une importance moins formelle aux propriétés de la végétation. Dans le système canadien, un indice intermédiaire, l'indice de combustible disponible M représente la quantité de matière forestière disponible pour la combustion et intervient dans le calcul de la puissance du feu selon la loi de BYRAM: P = C x M x V C est la chaleur de combustion (J/g), V est la vitesse de propagation du front de feu (m/s),. P est la puissance du feu par unité de longueur du front (W/m). Cet indice est équivalent à l'indice de combustibilité (burning index) américain. L'évolution de cet indice NFDRS est basé sur un modèle mathématique de propagation et d'intensité de l'incendie qui nécessite l'introduction de paramètres décrivant le combustible. Pour cela, vingt modèles de combustibles ont été définis: - les combustibles morts, classés selon la vitesse avec laquelle la teneur en humidité de chaque particule de combustible répond aux précipitations, à l'humidité relative de l'air et à la température. - les combustibles vivants, dont la teneur en eau dépend des processus vitaux, sont classés selon la strate à laquelle ils appartiennent: - la strate herbacée, comprenant les annuelles à enracinement superficiel, donc affectée en premier par la sécheresse; - les perennes, à enracinement profond; - la strate arbustive (rameaux et feuillage essentiellement) affectée en dernier. L'introduction de plusieurs modèles de combustibles différencie l'indice américain (un indice de combustibilité pour chaque type de combustible) de l'indice canadien (un seul indice final). L'inconvénient de ces systèmes est qu'ils n'accordent qu'une faible place aux propriétés intrinsèques du végétal vivant (composition chimique, phénologie...). Privilégiant les facteurs externes aux systèmes combustibles (le vent, la température,...) ou exterieurs (la litière), ils ne peuvent donner que des indications qualitatives, sans doute suffisantes pour déclencher une alerte, mais excluant la relation quantitative à l'occurence des feux (fréquence et surfaces brulées) qui ne peut provenir que des propriétés du combustible. Contrairement aux systèmes existants, le système que nous proposons, dans cette demande de brevet, consiste en une méthode de calcul d'un indice de criticité, utilisable pour la prévision des feux de forêts, fondée sur les propriétés du végétal et leur évolution au cours de l'année. Cet indice de criticité sera évalué en soumettant le végétal à un apport calorofique, sous la forme d'un flux radiatif, et en déterminant les caractéristiques suivantes: - délai d'inflammation (tu), - température d'inflammation (tu), - perte en matière sèche à l'inflammation (7ri). De façon tout à fait inattendue, on a trouvé que ces paramètres étaient reliés entre eux et séparément corrélés aux valeurs caractéristiques des statistiques feux de forêts (nombre de feux, surface brûlée). L'existence de corrélations entre ces paramètres, pris deux à deux, permet de décrire le comportement au feu du végétal sur toute l'année et de définir les valeurs critiques de ces paramètres qui correspondent à différents niveaux de risque incendie. L'excellente corrélation trouvée entre les valeurs des paramètres mesurés (selon notre brevet) et les statistiques de feux de forêts tirées de la banque "Prométhée" justifie le bien fondé du système de prévision des conditions critiques présenté dans cette demande de brevet. Bien entendu, l'affinement des prévisions données ici pourra être fait, en particulier pour le court terme, par l'introduction des données météorologiques, et notamment de la vitesse du vent. La procédure de détermination des caractéristiques d'inflammation, qui sera décrite plus loin, pourra être également utilisée pour l'étude du comportement au feu de matériaux naturels tels que le bois, les matières lignocellulosiques et les fibres textiles en vue de caractériser leur inflammabilité et leur aptitude à propager un incendie. Afin de réaliser l'invention, on décrit ci-dessous un procédé destiné à déterminer les caractéristiques d'inflammation d'un végétal, ou d'une matériau naturel. Le dispositif d'essai comprend: - un épiradiateur conseillé par la norme AFNOR n" 534 RC 2S d'une puissance de 500 Watts, qui émet un rayonnement infrarouge constant énergétiquement; - un panier grillagé en acier inoxydable comprenant deux compartiments; l'un servant de référence et l'autre qui reçoit l'échantillon à analyser; ce panier est situé à une distance fixe de 30 mm de la base de l'épiradiateur; cette distance correspond à une puissance d'éclairement de 3 W/cm2; - un thermocouple chromel-alumel monté en différentiel dont les deux soudures se situent au milieu de chaque compartiment sur le même isotherme; - un système d'acquisition de données se composant d'un multivoltmètre piloté par un ordinateur et ses périphériques qui recueille la différence de température entre les deux compartiments du panier toutes les 0,3 secondes; - un potentiomètre relié à un autre thermocouple situé dans le compartiment échantillon permet une mesure directe de la température. Le déroulement de l'expérience se fait comme suit: - un échantillon de l gramme environ (pesé au demi centigramme près) est pesé en même temps que trois autres qui serviront à mesurer sa teneur en eau; - l'essai à l'épiradiateur peut se faire selon deux modes: * en régime établi: l'épiradiateur est branché et réglé de façon à équilibrer la température dans les deux compartiments; dès quela température de l'épiradiateur est stabilisée, l'échantillon est introduit dans le panier et le système d'acquisition de la température est déclenché. * en régime transitoire: l'échantillon est mis dans le panier puis l'épiradiateur et le système d'acquisition de la température sont mis en marche simultanément; ce mode d'exposition est plus proche du processus retrouvé dans un cas de feu réel où l'arrivée du front de feu produit un échauffement progressif du combustible. Le suivi en continu de la différence de température entre l'échantillon et la position de référence (At) en fonction du temps aboutit à la courbe At = f(T)- Sur cette courbe sont relevées les valeurs particulières suivantes: - T1 : temps au bout duquel la température atteint sa valeur la plus basse; - T2: temps au bout duquel la courbe repasse par le point d'ordonnée t = 0 pendant sa phase de croissance; - T3 : temps correspondant à At = (Atm + AtM) / 2 (avec Atm et AtM représentant respectivement les différences de températures minimales et maximales atteintes); - T4 : temps correspondant à AtM. Nous définissons le temps d'inflammation xi = 13 de manière conventionnelle. En effet, il est difficile de savoir à quel moment précis apparaît la flamme physiquement, car elle peut être occultée par la masse végétale. De plus, certaines combustions ne sont précédées que du seul phé -nomène d'incandescence. Une courbe type représentative du processus de thermolyse du combustible végétal étudié est présentée à la planche 1. Elle concerne le Pin d'Alep (Pin us Halepensis) pyrolysé selon le régime établi (aiguilles de l'année, récoltées en août). La perte de masse à l'inflammation est obtenue de la façon suivante. On effectue quelques essais préliminaires de façon à déterminer approximativement les plages de valeurs des délais et température. On effectue ensuite successivement trois inflammations sur des échantillons de 1 gramme environ pesés au demi centigramme et de teneur en eau parfaitement connue. Au moment de l'inflammation les échantillons sont rapidement soustraits au rayonnement, laissés refroidir au dessicateur et pesés. La masse perdue au point d'inflammation sert à calculer un taux de perte à l'inflammation par rapport à la matière sèche de départ. On a constaté de façon tout à fait imprévisible que. le pourcentage;de matière sèche perdue à l'inflammation (qui sera appelée dans la suite de ce brevet " perte à l'inflammation") diminue de façon régulière lorsque la teneur en eau du végétal humide (ou du matériau naturel) croit. Mieux, cette décroissance est sensiblement linéaire pour la plupart des végétaux (et des matériaux naturels) étudiés, et on peut même trouver une relation de proportionnalité entre la perte relative et l'humidité relative. La courbe représentative de cette relation entre perte et humidité sera appelée dans la suite de ce brevet "courbe caractéristique du végétal". On a trouvé de façon tout à fait imprévisible que les courbes caractéristiques possédaient une enveloppe, représentée par la droite joignant les points: - 100 % de perte à l'inflammation (soit 7tj= 100) et 0 % d'eau (soit y = O); - 0 % de perte à l'inflammation (soit zi = O) et 100 % d'eau (soit y = 100). Cette courbe représente le lieu des points où la perte à l'inflammation est maximum pour une humidité donnée du végétal (ou du matériau naturel), ou encore où la teneur en eau est maximum pour une perte à l'inflammation donnée du végétal (ou du matériau naturel). On définit aussi un taux de criticité C par la valeur: C=[it/(lOO-y)jx 100 On a trouvé de façon tout à fait imprévisible que le délai d'inflammation Tj était relié à la température absolue Ti = (tj + 273) par la relation Loglo xi = (A / Ti) + B (avec A étant essentiellement positif). Dans la représentation (Logio zi , 1 / Ti), les courbes représentant chaque espèce végétale lors d'une dessiccation ou lors d'une évolution biologique naturelle sont souvent représentées par des droites. Comme cas limite des droites ou des points représentatifs, on trouve une droite qui est le lieu des points où le délai d'inflammation est maximum pour une température d'inflammation donnée. L'approche de cette droite limite par le point figuratif d'un végétal exprime celle des conditions critiques. On a trouvé également de façon tout à fait imprévisible que le délai d'inflammation était corrélé à la teneur en eau par une loi logarithmique de la forme: Tj = k Logio [H2O] + cste Lorsque le végétal approche des conditions critiques évoquées plus haut, la valeur de k s'élève brusquement pour prendre des valeurs plusieurs fois plus grandes. I1 est évident que l'ensemble des relations trouvées entre les paramètres pris deux à deux peut être utilisée selon notre brevet pour des applications analytiques ou préparatives, d'autant que les conditions de la pyrolyse peuvent être modifiées pour sélectionner, dans la matière sèche du végétal ou dans le matériau naturel telle ou telle matière fragile que l'on veut mettre en évidence, doser ou isoler. De telles méthodes d'analyses par combustion pourront être avantageusement pratiquées du fait de leur rapidité, dans les domaines où la connaissance de la composition de la matière végétale présente un intérêt. En particulier, dans les industries agroalimentaires et la papeterie. Les valeurs des criticités calculées à partir des caractéristiques des végétaux précédemment définies dans notre brevet ont été trouvées en étroite corrélation avec l'occurence des feux de forêts. Pour cette corrélation, les statistiques de feux de forêts utilisées ont été tirées des données du service informatique du département des Boûches du Rhône (Base Prométhée). Les données utlisées sont relatives à l'ensemble des feux des 15 départements de l'entente interdépartementale pour la défense de la forêt contre l'incendie pour la période de juin 1992 à juin 1993: - les surfaces brûlées étant obtenue par totalisation par quinzaine de l'ensemble des surfaces brûlées pour les feux de plus de 10 hectares; - les éclosions étant obtenue par totalisation par quinzaine de l'ensemble des feux quelque soit leur entendue, quelqu'en soit la cause. Les paramètres caractéristiques de l'inflammation définie ci-dessus et leurs combinaisons pourront être utilisés pour déterminer les niveaux de risque incendie dans une aire géographique déterminée et la chronologie de leur apparition. On pourra aussi établir un système de prévision des risques à l'aide des végétaux témoins pris dans cette aire géographique selon un maillage du territoire approprié aux conditions géographiques (relief, orientation, vents dominants). Des exemples non limitatifs de réalisation de l'invention sont donnés ciaprès. Ils concernent tous les combustibles constitués par des aiguilles de Pin d'Alep des années N-l (1991), N (1992) et N+1 (1993). Exemple n" 1: Cet exemple illustre l'utilisation des diagrammes: perte en matière sèche à l'inflammation - teneur en eau du végétal humide, pour le suivi de la phénologie du végétal au voisinage des conditions critiques. La planche 2 représente la perte à l'inflammation des aiguilles de Pin d'Alep en dehors des périodes de croissance, en fonction de sa teneur en eau. Cette courbe a été obtenue d'une part par le suivi de l'évolution biologique (intervalle b-c), et par une déshydradation à l'étuve (intervalle a-b) d'autre part. Elle a été extrapolée jusqu'à 100 % d'eau selon l'intervalle c-d. La planche 3 indique l'évolution des aiguilles de Pin d'Alep en période de croissance: celles de l'année N en période d'été (juillet à septembre 1992) et celles des jeunes pousses de l'année suivante (N+1) lors du débourrement en période hivernale (novembre 1992 à février 1993). Exemple n" 2: Cet exemple illustre l'utilisation des diagrammes (Logio xi, 1 / Ti) pour le suivi de la phénologie du végétal au voisinage des conditions critiques. Chaque végétal dans ses différents états d'hydratation et à un stade phénologique déterminés est représenté par un point dans ce plan. L'évolution du végétal vers les conditions critiques correspond au dépla -cement de ce point vers le haut pour rejoindre la droite limite. Ce type de représentation permet de suivre aussi l'évolution chimique imposée au végétal quand on le déshydrate à l'étuve. La planche 4 représente ces deux cas d'évolution des aiguilles de Pin d'Alep. Exemple n" 3: Cet exemple est destiné à illustrer la corrélation existant entre les taux de criticité et les surfaces parcourues par les feux. Dans la planche 5, la figure 5 représente l'évolution des taux de criticité des aiguilles N pour la période estivale, N+1 pour la période hivernale (début du débourrement en novembre). La figure 6 superpose la partie utile de ces courbes aux courbes statistiques des surfaces brûlées brutes (comptabilisation des efux de plus de 10 hectares). Pour une étude de corrélation plus fine, on a évalué la surface moyenne parcourue par feu. Sa corrélation avec le taux de criticité N pour les feux d'été est bien mise en évidence à la planche 6 avec un seuil de criticité de 90%. Les taux inférieurs à 90 % paraissent privilégier les petits feux comme on le verra à l'exemple suivant. Exemple n 4: Cet exemple est destiné à illustrer la corrélation existant entre les taux de criticité et les fréquences des feux. Pour la période juin 1992 - novembre 1992, on a représenté par quinzaine le nombre de départs de feux. Ceux-ci sont bien corrélés avec le taux de criticité N- 1; comme on peut le voir sur la planche 7. La corrélation représentée à la planche 8 met en évidence un seuil de criticité N-l voisin de 78 %. Comme on peut le constater dans la comparaison des courbes des planches 6 et 8, le taux de criticité N-l atteint déjà 80,5 % à fin juin, alors que le taux N est encore inférieur à 70 % à cette date. Une fréquence élevée des feux se manifeste donc dès juillet par une valeur relativement élevée du taux N- 1 alors que le taux N est encore bas. Ces taux de criticité rendent donc bien compte d'une apparition de petits feux nombreux au début de l'été, en avance sensible de 1 à 2 mois sur les grands feux, ce dont rendent compte avec les mêmes décalages les taux de criticité. Exemple n 5: Cet exemple est destiné à illustrer comment la comparaison des caractéristiques d'inflammation des parties vertes d'un végétal de l'année en cours et des années précédentes peut servir de repère précurseur du risque incendie. On a suivi tout au long de l'année, pour les aiguilles de Pin d'Alep, les différences (voir planche 9): - A #i = #in - #in-1 ; - Aiti = 7(jfl - 7tn-1; - ATj = Tin Ti"-l. Au sommet des périodes critiques estivale et hivernale, ces différences sont soit maximum (maximum de fréquence de feux), soit minimum (maximum de surfaces brûlées). La chute des écarts de propriétés n'est d'ailleurs pas simultanée; la chute des ATi et des ATi précédant celle des A au maximum d'un mois en période estivale. Ainsi, le suivi des ATi ou des ATi peut servir à anticiper le risque maximum de plusieurs décades (environ 30 jours). REVENDICATIONS 1: Procédé destiné à déterminer les caractéristiques d'inflammabilité et de combustibilité de la végétation, du bois et des matières cellulosiques, à estimer et à prévoir les niveaux de risques incendie caractérisé en ce qui consiste: - à soumettre l'échantillon de ces matériaux à un flux radiatif, - à déterminer les paramètres délais, température et perte en matière sèche au moment de l'inflammation, - à combiner deux à deux ou séparément chacun des dits paramètres avec la composition du végétal (ou des matériaux), en particulier avec sa teneur en eau de façon à obtenir un système de prévision ou de prévention du risque feu. 2: Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que les conditions d'exposition au flux radiatif sont ajustées de façon à contrôler la pyrolyse de chaque constituant fragile de la matière sèche. 3: Procédé selon les revendications 1 ou 2 caractérisé en ce qu'on compare la perte à l'inflammation à la perte maximum pouvant être obtenue dans les conditions critiques pour définir un taux de criticité, mesure du risque incendie, relié étroitement, dans le cas des végétaux, à la fréquence des feux et aux surfaces brûlées.