Etat de l'art pour l'étude des impacts des transports routiers à proximité des routes et autoroutes

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1 UNIVERSITE JOSEPH-FOURIER Sociétés - Environnement - Territoires (SET) CNRS UMR IRSAM Avenue du Doyen Poplawski F PAU Tel : Fax : Sous la responsabilité d André Etchélécou et Lucien Espagno Laboratoire de la Montagne Alpine (LAMA) Equipe SIG Espace Serge Martin BP 53 X F GRENOBLE Cedex Tel / Fax : Sous la responsabilité de Pierre Dumolard et Juliette Asta Etat de l'art pour l'étude des impacts des transports routiers à proximité des routes et autoroutes Æı Œøß State of the art for the study of transportation Impacts in the vicinity of roads and highways Gaëlle DELETRAZ SET Emmanuel PAUL LAMA Mars 1998 ADEME Contrat ADEME n Date du contrat : 31 octobre 1997 Durée : 18 mois Sous la responsabilité de Christian ELICHEGARAY Rapport intermédiaire non confidentiel

2 2 Impacts des transports routiers à proximité des routes et autoroutes Etat de l'art pour l'étude des impacts des transports routiers à proximité des routes et autoroutes Résumé Cette étude présente un état de l'art des connaissances requises pour la mesure de l'impact des transports routiers à proximité des routes et autoroutes. Après une présentation des polluants liés aux véhicules, dont certains sont de véritables traceurs de la pollution automobile, les facteurs influençant les émissions, puis la dispersion de ces polluants sont présentés. Les méthodes de mesure de la pollution sont abordées (mesures en laboratoires, in situ, utilisation de végétaux indicateurs de la pollution atmosphérique). L'intérêt de la mesure des paramètres météorologiques est démontré et des méthodes de représentation cartographique de la dispersion sont décrites. Ensuite, une synthèse bibliographique spécifique est présentée, reprenant les travaux effectués dans le domaine de la dispersion des polluants en bord de route et sur l'impact de la pollution sur la végétation et la faune à proximité des axes routiers. Enfin, les objectifs de recherche et les réalisations des deux doctorants sont énoncées. Mots Clés : Etat de l art Pollution Trafic routier Route Autoroute Emissions Dispersion Mesures Bioindication Impacts. Summary This study consists in a state of the art for the study of transportation impacts in the vicinity of roads and highways. The pollutants due to road traffic, some of them being real tracer elements, are assessed as well as the emission and dispersion factors. Pollution measurement methods are tackled (laboratory measurements, on site measurements, bioindicators of atmospheric pollution). The interests of meteorological measurement and dispersion cartography are emphasized. Then a specific bibliographical synthesis is assessed about the dispersion of trafic pollutants around the roads and the impact of these pollutants on the vegetation and fauna. Finally the authors state their research targets and carrying outs. Keys Words : State of the art Pollution Transportation Road Highway Emissions Dispersion Measurements Biomonitoring Impacts.

3 Impacts des transports routiers à proximité des routes et autoroutes 3 Table des matières Résumé 2 Summary 2 Table des matières 3 Liste des abréviations 7 Introduction Connaissances de bases(gaëlle Deletraz) Les polluants liés au trafic routier Présentation des principaux polluants Les unités de mesure de la pollution Formation et dispersion des polluants Proposition de classement des polluants automobile COV et hydrocarbures : quelle différence? Polluants persistants Présence à l'état naturel des polluants liés à l automobile Evolution à moyen ou long terme des teneurs Quelques concentrations comme point de repère Normes actuelles concernant les émissions des véhicules neufs Polluants traceurs des rejets automobile Facteurs influençant l'émission de polluants Facteurs liés aux véhicules Le type de véhicule Variations entre les carburants et les diverses technologies Etat / entretien du véhicule Niveau de chargement / aérodynamisme Facteurs liés au conducteur Facteurs liés aux conditions de circulation Facteurs liés à la route Facteurs climatiques Comment mesure-t-on les émissions unitaires des véhicules? Emissions unitaires des véhicules Variations des émissions de voitures particulières sur routes urbaines, rurales et autoroutes COV : pertes par évaporation Emissions des poids lourds Part des transports dans les émissions totales en France Facteurs influençant la dispersion, le transport des polluants Le dépôt des polluants Méthodes et techniques (Gaëlle Deletraz) Les méthodes analytiques (analyse au laboratoire) La chromatographie Spectrométrie de masse Analyse par absorption Analyse par absorption (ou combustion) et volumétrie Analyse par absorption et colorimétrie Absorption et autres procédés Spectroscopie L absorption dans l infrarouge L absorption dans l ultraviolet Détection par chimiluminescence et photométrie Spectrométrie d absorption atomique Spectroscopie laser à diodes semi-conductrices La détection par ionisation de flamme Analyse par variation de conductivité Détection fondée sur la densité d un gaz 43

4 4 Impacts des transports routiers à proximité des routes et autoroutes Détection par capture d électron (ECD) Mesures magnétiques Les méthodes dynamiques : des mesures en temps réel Présentation des analyseurs automatiques Caractéristiques de quelques appareils du marché Divers appareils, testés dans le cadre de travaux de recherches Mesure en temps réel des HAP avec le détecteur photoélectrique de HAP Mesure en temps réel des HAP avec le PAS (Photoelectric aerosol sensor) La mesure en temps réel des composés aromatiques par DOAS (Differential Optical Absorption Spectrometry) Derniers progrès Les LIDAR Spectroscopie laser à diodes semi-conductrices Spectroscopie à diodes à émission de lumière (Light emitting diodes) Mesure en continu des gaz avec un appareil électronique simple Les méthodes statiques : des mesures ponctuelles Echantillonnage de l air Protocole d échantillonnage Difficultés liées à l échantillonnage des gaz Echantillonnage direct Ampoules de verres Echantillonnage par absorption Echantillonneurs à absorption passive Principe Polluants détectables Echantillonnage passif du dioxyde de soufre (SO 2 ) Echantillonnage passif du dioxyde d azote (NO 2 ) Echantillonnage passif du NO 2 / SO 2 simultanément [KROCHMAL et KALINA, 1997a, b] Echantillonnage passif d ozone (O 3 ) Où placer les échantillonneurs? Comment placer les tubes? Comment placer les badges? Nécessité de conserver des échantillons témoins Durée de l exposition Effet de la vitesse du vent Effet de la lumière Effet de la température et de l humidité Effet de l altitude Présentation de l échantillonneur passif et de son analyse proposé par KROCHMAL et KALINA [1997] Comparaison entre les échantillonneurs passif de type «tube» et de type «badge» Avantages / Inconvénients des échantillonneurs passifs [adapté de ATKINS, 1990, p. 43] Echantillonneurs actifs L échantillonneur à exposition chronométrée de la diffusion (TED : Timed Exposure Diffusion) Le Harvard Active Ozone Sampler (AS) La mesure des particules La représentativité du prélèvement Méthodes intégrales (toute la gamme granulométrique) Mesure de la masse des particules Mesure du nombre de particules Méthodes discrètes (sélection d un domaine granulométrique) L impacteur en cascade Un petit impacteur en cascade portable : l AND-Sampler Les analyseurs électriques d aérosols : exemple de mesure de la distribution de la taille des particules des gaz en suspension (appareil expérimental) Batterie de diffusion Spectromètre Diffusionnel et Inertiel (SDI 2000) Connaissance de la dispersion des polluants Mesure des teneurs en gaz aux abords de la route Utilisation de gaz traceur 69

5 Impacts des transports routiers à proximité des routes et autoroutes Modélisation de la dispersion des polluants (Emmanuel Paul) Paramètres de la modélisation Les modèles de dispersion à l échelle d une région Modèles développés et utilisés par EDF Dispersion des polluants en bord de route [KUHLER & al., 1988 ; 1990 ; 1994] Conclusion Le dosage des dépôts de polluants Echantillonnage et dosage du sol Dosage des métaux dans le sol Réduction des pertes de COV dans les échantillons de sol Dosage des fondants chimiques Echantillonnage des végétaux Echantillonnage de la neige Les collecteurs de particules Méthode des plaquettes de dépôt Les collecteurs de précipitations Autres types d échantillons Estimation de la qualité de l air à l aide des végétaux : l utilisation d espèces sensibles par les méthodes de bioindication (Emmanuel Paul) Définitions Les bioessais Tests de toxicité Procédures usuelles Conclusion : Intérêts et limites de l utilisation de bioessais in situ Bioaccumulation Lichens et bioaccumulation Mousses et bioaccumulation Arbres et bioaccumulation Conclusion Les indicateurs biologiques pour la bioévaluation des écosystèmes et des écocomplexes Les méthodes qualitatives Les méthodes quantitatives Bioindication et hydrocarbures Le pétunia Les mousses terrestres Dosages dans les cires cuticulaires Conclusion Les normes Impacts du trafic à proximité des axes routiers (Gaëlle Deletraz) Dispersion et dépôt des polluants aux abords des (auto)routes Distances contaminées autour des (auto)routes Dispersion des polluants gazeux Dispersion des métaux Dispersion des hydrocarbures Dispersion des particules Dispersion des polluants dans l eau et dans le sol Passage des polluants dans l eau Comportement des polluants dans le sol Impact actuel de la pollution atmosphérique à proximité des autoroutes sur les végétaux Mode de contamination des végétaux Par voie aérienne Par le sol Facteurs influençant la sensibilité des plantes Facteurs abiotiques de l'environnement des plantes Facteurs biologiques Durée d exposition Effets de la pollution sur la végétation Dommages visibles 110

6 6 Impacts des transports routiers à proximité des routes et autoroutes Modifications morphologiques Effets sur la croissance et le développement Effets sur la physiologie Relation avec les pathogènes Impacts de la pollution sur la faune des bords de routes Les animaux vivant sur les accotements des routes Les oiseaux La microfaune Apport de l écologie du paysage Les concentrations en métaux lourds dans les populations animales vivants aux bords des (auto)routes Les espèces sauvages Les espèces domestiques Conclusion : les choix techniques et méthodologiques Avancement des travaux et protocole de recherche prévu pour les sites Alpins (E. Paul) Introduction Présentation du projet Considérations préalables Analyse de la pollution dans les vallées Analyse à long terme Evolution du trafic et émissions Etude de l évolution du trafic Estimation des émissions Synthèse Avancement des travaux et protocole de recherche prévu pour les sites Pyrénéens (G.Deletraz) Choix des polluants étudiés et justifications Méthodes de mesure prévues Articulation du programme Vallée de Biriatou Vallée d Aspe Somport Bibliographie 133

7 Impacts des transports routiers à proximité des routes et autoroutes 7 Liste des abréviations ADEME ADN AES AFNOR AIRAQ AIRPARIF AS ASCOPARG ASF ATP BaP BTEX BTX CCA CEA CEMT CERE.pha CETE CFC CH4 CITEPA CO CO2 COV COVNM CPG ou CG CPL DACEE DDE DDT DMA DOAS DPE ECD ECE EPA EUDC FID FTP GNV GPL HAM HAP HC HEI HPLC Agence de l environnement et la maîtrise de l énergie Acide désoxyribonucléique Atomic emission spectrometry (spectromètre à émission atomique) Association française de normalisation Association pour la surveillance de la qualité de l air en Aquitaine Association interdépartementale pour la gestion du réseau de mesure de la pollution atmosphérique et d alerte en région Ile-de-France Active sampler (échantillonneur actif) Association pour le contrôle de la pollution atmosphérique dans la région grenobloise Autoroutes du sud de la France Adénosine triphosphate Benzo(a)pyrène Benzène Toluène (Ethylbenzène) xylème Conductive carbon adhesive (adhésif en carbone conducteur) Centre d études atomique Conférence européenne des ministres des transports Centre d éssais et de recherche en environement et en pharmacologie Centre d études techniques de l équipement Chlorofluorocarbones Méthane Centre interprofessionnel technique d études de la pollution atmosphérique Monoxyde de carbone Dioxyde de carbone Composé organique (VOC) COV non méthaniques Chromatographie en phase gazeuse Chromatographie en phase liquide Daily cigarette exposure equivalent (équivalent quotidien en cigarette) Direction Départementale de l équipement Dichloro diphènyl trichlorèthane Differential mobility analyzer (analyseur de mobilité différentielle) Differential optical absorbtion spectrometry (spectromètre à absorption optique différentiel) Diesel odor analysis system (système d analyse de l odeur du diesel) 1,2-di(4-pyridyl)-éthylène Détection par capture d électron Cycle urbain de conduite européen Environmental protection agency (agence pour la protection de l environnement) Extra urban driving cycle (cycle péri-urbain) Détection à ionisation de flamme Federal test procedure (cycle de conduite américain) Gaz naturel pour véhicule Gaz de pétrole liquéfié Hydrocarbures aromatiques monocycliques Hydrocarbures aromatiques polycycliques Hydrocarbures Health Effects Institute High performance liquid chromatography (chromatographie liquide haute performance)

8 8 Impacts des transports routiers à proximité des routes et autoroutes ICP Plasma à couplage inductif IDF Indice de dommage foliaire INRA Institut national de recherche agronomique INRETS Institut national de recherches et d études sur les transports et leur sécurité IPA Index of atmospheric purity (indice de pollution atmosphérique) LD 64 Laboratoires Départementaux 64 (Lagor) LED Light emitting diodes (diodes à émission de lumière) LEGI Laboratoire des écoulements géophysiques et industriels LESI Laboratoire d environnement et de sécurité industriels LIDAR Light detection and rancing MMT Méthylcyclopentadienyl manganèse tricarbonyl n.d. Non daté N2O Protoxyde d azote NDIR Non dispersive infrared (infrarouge non dispersé) NIOSH National institution for occupational safety and health (institution nationale pour la santé et la sécurité professionnelle) NOx Oxydes d azote O 3 Ozone OCDE Organisation de coopération pour le développement économique PAN Péroxyacéthylnitrate PAS Photoelectric aerosol sensor (détecteur photoélectrique d aérosol) PCB Polychlorobiphènyles ph Potentiel hydrogène PL Poids lourds PM10 Particules de diamètre < 10 µ PM2,5 Particules de diamètre < 2,5 µ PNNL Pacific northwest national laboratory Ppb ou ppbv Partie par milliard en volume Ppm ou ppmv Partie par million en volume PpmC Ppm volumiques de carbone Ppt ou pptv Partie par trillion en volume PTC Poids total en charge PTR Poids total roulant PVC Polyvinylchloride RuBisCo Ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase oxygénase SAM Surface active monitoring (surface de surveillance active) SANEF Société des autoroutes du nord-est de la France SETRA Service d études techniques des routes et autoroutes SF6 Gaz traceur SO2 Dioxyde de soufre SOF Soluble organic fraction (fraction organique soluble) TEA Triéthanolamine TED Time explosure diffusion (exposition chronométrée de la diffusion) TEOM Tapered element oscillating microbalance TOF Time-of-flight (temps-de-vol) TÜV Technische überwachung verein (association pour la surveillance technique) UIAPPA Union internationale des associations pour la prévention de la pollution atmosphérique UV Ultraviolet VDI Verein deutscher ingenieure (association des ingénieurs allemands) VP Véhicule particulier VU Véhicule utilitaire

9 Impacts des transports routiers à proximité des routes et autoroutes 9 Introduction Durant les dernières décennies, l'industrie était de loin la principale source de pollution. Mais, à la suite d'une prise de conscience de la Société durant les années 70 et de l action des pouvoirs publics au cours des années 80, les efforts fournis ont aboutis à une très forte réduction de la concentration en dioxyde de soufre (SO2), principal polluant à l'époque. Simultanément, le secteur des transports s'est largement développé : «En France [ ], la mobilité des marchandises et des personnes a connu une forte progression au cours des deux dernières décennies [ ]. Entre 1970 et 1994, on a constaté une hausse de 70 % du trafic routier de marchandises [et] un doublement du trafic des véhicules particuliers. [ ] Actuellement, environ 30 millions de véhicules sillonnent les routes du pays. [ ] Le parc de véhicules diesel a augmenté très rapidement : de 9 % du parc de véhicules routiers en 1980 à 30 % en 1994 ; les véhicules particuliers diesel ont représenté en 1994 la moitié des immatriculations de véhicules légers. [ ]. Le trafic routier de marchandises a augmenté de 5 % annuellement entre 1985 et 1995 [ ]. Par sa situation géographique, la France est un pays de transit de marchandises, en particulier entre le nord et le sud de l'europe ; ce trafic de transit a augmenté de 12 % au cours des dix dernières années, stimulé par le développement du grand marché européen et l'entrée du Portugal et de l'espagne dans la Communauté européenne en Chaque année, 2 millions de poids lourds traversent ainsi la France acheminant près de 32 millions de tonnes de marchandises, soit environ 9 % des véhicules-km et 15 % des tonnes-km effectués par les poids lourds de plus de 3 tonnes sur le territoire français.» [OCDE, 1997, p ]. Cette situation est la conséquence de deux mesures politiques prises au milieu des années 80, amplifiées par les effets du contre-choc pétrolier : 1) mesures fiscales favorables à l'usage de la route pour le transport des marchandises, 2) déréglementation du secteur des transports (qui se traduit par un moindre respect de la réglementation en matière de temps de conduite, de vitesses limitées et de poids en charge). «C'est ainsi que le prix du marché des transports routiers de marchandises est 10 % plus faible en 1993 qu'en 1985, alors que le prix de revient a augmenté de 12 %.» [OCDE, 1997, p. 180]. L intérêt pour les nuisances liées à la circulation automobile s est peu à peu transformé en une véritable préoccupation de notre Société. Au départ centrées essentiellement sur les risques sanitaires liés aux rejets des véhicules et sur le bruit provoqué par le trafic, cette préoccupation s est peu à peu élargie pour englober aujourd hui quasiment tous les éléments le notre environnement (risque pour la santé, nuisances sonores, dégradation visuelle des paysages par les routes, rejets et accumulation dans la nature d éléments dangereux pour les écosystèmes eux-mêmes mais aussi pour l homme via leur introduction dans la chaîne alimentaire, la contamination des eaux, les modifications de l atmosphère à l échelle de la planète, etc.). Pour Claude LAMURE [1992, p. 207], le trafic lourd interurbain est devenue une préoccupation majeure pour l environnement.

10 10 Impacts des transports routiers à proximité des routes et autoroutes Depuis le début des années 90, les recherches sur l impact du trafic routier hors des milieux urbains et périurbains se multiplient ; mais de nombreuses difficultés d'ordre méthodologique (liées au fait que les travaux portent sur des substances invisibles, contenues dans un air toujours en mouvement, émises par des millions de sources mobiles, elles-mêmes très hétérogènes) restent à résoudre. D'autres recherches portent sur les coûts externes liés à la pollution routière et à propos desquels tout le monde s'accorde pour dire qu'ils sont très loin d'être pris en compte, notamment pour le trafic poids lourds. Dans ce contexte d'un intérêt croissant pour un sujet de recherche relativement récent, ce rapport a été conçu de manière à ce que chacun puisse rechercher directement une information (ou du moins, une piste nous l espérons).! Une première partie rassemble les éléments de bases nécessaires pour aborder le problème complexe de la pollution automobile et de ses impacts à proximité des routes et autoroutes.! Les principales méthodes et techniques utilisées pour l étude de la pollution automobile à proximité des (auto)routes sont présentées dans une seconde partie.! Enfin, la dernière partie traite des impacts de la pollution des transports routiers en matière de dispersion et dépôt des polluants à proximité des voies de circulation, d impacts sur la végétation et sur la faune.! Les impacts de la pollution automobile sur la santé humaine, les nuisances sonores, ainsi que les problèmes de coûts des transports et de dégradation du paysage ne sont par abordés dans ce rapport. En conclusion, nous justifierons les choix méthodologiques qui nous ont paru les plus adaptés pour évaluer les incidences de la pollution routière sur les écosystèmes pour les quatre axes routiers retenus dans le programme Environnement-Transport- Pollution : Mont-Blanc et Maurienne pour les Alpes, Somport et Biriatou pour les Pyrénées.

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