Modeling fuel break effectiveness in southern Spain wildfires

Abstract

Background

Fuel breaks aim to reduce the energetic progression of a wildfire, facilitating safe and efficient suppression. Changes in fire regimes are creating increasingly complex scenarios in which a higher percentage of wildfires exceed control capabilities, and a significant increase in firefighting costs is expected. Therefore, it is necessary to redefine fuel break networks incorporating science-based criteria. This change entails the improvement of the existing fuel breaks, the abandonment of those whose effectiveness does not justify the investment in their maintenance, and the development of new optimized designs. Fuel break effectiveness is understood as the probability of controlling a fire in the treated area. We analyzed 563 intersections between fires and fuel breaks that occurred during wildfires from 2011 to 2018 considering topographic, meteorological, fuel, design feature, suppression, and fire behavior factors. The main goal of this study is to quantitatively analyze the effectiveness of fuel breaks during wildfires in southern Spain and to develop models to predict potential fuel break effectiveness in fire containment capabilities by comparing machine learning techniques with a classic statistical approach.

Results

Fuel breaks were effective in containing the fire in 46.9% of cases. The most influential factors in effectiveness were the type of suppression work executed on fuel breaks (aerial, ground, or combined firefighting), the flame length, and the intersection angle between the fire and fuel break. Although the most accurate results were achieved with an artificial neural network, a decision tree could be the easiest model for end-user operational application.

Conclusions

This study entails a change in effectiveness assessment to an empirical approach in real wildfires in Spain. Our findings can be used to support decision-making for optimizing fire containment capability and firefighter safety.

Alternate abstract:

Resumen

Antecedentes

El objetivo de los cortafuegos es la reducción de la progresión energética de los incendios forestales, facilitando trabajos de extinción seguros y eficientes. Los cambios en los regímenes de incendios están creando escenarios cada vez más complejos en los que un mayor porcentaje de incendios forestales superan la capacidad de extinción, esperándose un aumento significativo en los gastos de extinción. Por lo tanto, es necesario redefinir las redes de cortafuegos incorporando criterios basados en la ciencia. Este cambio implica la mejora de los cortafuegos existentes, el abandono de aquellos cuya efectividad no justifique la inversión en su mantenimiento, y el desarrollo de nuevos diseños optimizados. La efectividad de los cortafuegos se entiende como la probabilidad de control de un incendio forestal en el área tratada. Analizamos 563 intersecciones entre frentes de fuego y cortafuegos que ocurrieron durante incendios forestales entre 2011 y 2018, considerando factores topográficos, meteorológicos, de combustible, características de diseño, trabajos de extinción y comportamiento del fuego. El objetivo principal de este estudio es analizar cuantitativamente la efectividad de los cortafuegos durante incendios forestales en el sur de España y desarrollar modelos para predecir la efectividad potencial de los cortafuegos en las capacidades de contención del fuego mediante la comparación entre técnicas de aprendizaje automático y un enfoque estadístico clásico.

Resultados

Los cortafuegos fueron efectivos en contener el fuego en el 46.9% de los casos. Los factores más influyentes en la efectividad fueron el tipo de trabajo de extinción ejecutado en los cortafuegos (aéreo, terrestre o combinado), la longitud de la llama y el ángulo de intersección entre el fuego y el cortafuegos. Aunque los resultados más precisos se lograron con una red neuronal, el árbol de decisión podría ser el modelo más fácil para la aplicación operativa a nivel de usuario final.

Conclusiones

Este estudio implica un cambio en la evaluación de la efectividad de los cortafuegos hacia una aproximación empírica en incendios forestales reales en España. Nuestros resultados pueden usarse para apoyar el proceso de toma de decisiones, optimizando la capacidad de control del fuego y la seguridad de los combatientes.