Modélisation de la dispersion atmosphérique sur un site industriel Evaluation de modèles et méthodologie d'application

Transcription

1 Modélisation de la dispersion atmosphérique sur un site industriel Evaluation de modèles et méthodologie d'application L. Soulhac, R. Perkins I. Rios, P. Méjean Laboratoire de Mécanique des Fluides et d Acoustique CNRS UMR 559 Ecole Centrale de Lyon UCB Lyon 1 INSA Lyon

2 Sommaire 1. Problématique des études d'impact 2. Démarche de l'étude 3. Phénoménologie de la dispersion atmosphérique 4. Outils de modélisation 5. Mise en œuvre

3 1 Problématique des études d'impact Contexte réglementaire Volet sanitaire des études d'impact Lors de la construction ou de la modification d'une installation industrielle Nécessité de démontrer aux autorités le respect des normes en vigueur en matière de qualité de l'air et d'impact sanitaire

4 Méthodologie Impossibilité d'utiliser des mesures de terrain Caractère prospectif d'une installation à construire Impact à long terme Utilisation d'outils de modélisation Modélisation de longues séquences météorologiques (plusieurs années) Évaluation de paramètres statistiques : moyennes annuelles, percentiles 1 Problématique des études d'impact

5 Problèmes rencontrés par les industriels Quel modèle choisir en fonction du problème à traiter? Quels phénomènes prendre en compte et quelles hypothèses de calcul utiliser? Quelle méthodologie d'application des modèles? Quelle précision/erreur attendre des résultats? Peuton être sûr d'être majorant? Quelle est l'influence de l'utilisateur? Évaluation du travail d'un prestataire Formation des personnels 1 Problématique des études d'impact

6 2 Démarche de l'étude Les phénomènes Rédaction d'un "état de l'art" sur la météorologie et la dispersion atmosphérique Les outils Inventaire de 8 modèles de dispersion Analyse et évaluation de 5 modèles par comparaison à des castests La méthodologie de mise en œuvre Etude de sensibilité aux phénomènes et aux données d'entrée Analyse comparée de différentes approches de mise en œuvre sur des situations réelles Mise en place d'une démarche d'application des modèles

7 3 Phénoménologie de la dispersion atmosphérique Introduction 3 Phénoménologie de la dispersion atmosphérique

8 Echelles spatiales et temporelles Echelle de temps et échelle spatiale horizontale Echelle spatiale verticale Couche limite atmosphérique Ecoulement sur relief Brises côtières Courants thermiques 3 Phénoménologie de la dispersion atmosphérique

9 Paramètres influençant la dispersion Conditions météorologiques Vitesse et direction du vent Stabilité thermique de l'atmosphère Conditions de rejet Géométrie de la source Dynamique et thermique de l'émission Nature des polluants Nature physico chimique, propriétés radioactives, phase Géographie du site Présence de relief Présence de bâtiments ou d'obstacles 3 Phénoménologie de la dispersion atmosphérique

10 Quelques exemples Écoulement sur relief en atmosphère stratifiée 1) source sur terrain plat ) source à 5m 3) source à 25m 4) source au sommet de la colline 5) source à + 25m 6) source à +5 m E 5 4.5E 5 4E 5 3.5E 5 3E 5 2.5E 5 2E E 5 1.5E 5 1.4E 5 1.3E 5 1.2E 5 1.1E 5 1E 5 9E 6 7.5E 6 7E 6 6E 6 5E 6 1E 6 1E 7 Modification du champ de concentration en fonction de la position de la source par rapport au relief 3 Phénoménologie de la dispersion atmosphérique

11 Quelques exemples Écoulement au voisinage d'un bâtiment Vue de dessus Vue de côté source à 25 m source sur l'obstacle Source à +2 m Phénoménologie de la dispersion atmosphérique

12 4 Outils de modélisation Les critères de choix d'un modèle Le type de modèle Approche de modélisation Phénomènes pris en compte La validité du modèle Validité des hypothèses Qualité des résultats par rapport à une référence L'environnement du modèle La convivialité : ergonomie, interface, documentation, L'informatique : stabilité, rapidité d'exécution, portabilité, Le fournisseur : coût du modèle, existence et coût du support,

13 Les approches de modélisation Modèles gaussiens Solution analytique de panache gaussien Modèle de bouffées gaussiennes Modèles lagrangiens Modèles eulériens 4 Outils de modélisation

14 Evaluation des modèles Démarche d'évaluation 5 modèles retenus Gaussiens : ADMS 3, ARIA Impact, TRAMES (bouffées) Lagrangien : SPRAY Eulérien : HERMES Analyse des hypothèses de modélisation 2 expériences de terrain comme référence Prairie Grass : site plat recouvert d herbe, source au sol Indianapolis : zone urbaine sans relief, rejet à 84 m de haut Critères de comparaison Qualitatifs : pertinence, convivialité; rapidité, Quantitatifs : Grandeurs statistiques 4 Outils de modélisation

15 Evaluation des modèles Construction des scénarios de modélisation Analyse des données disponibles Premier scénario raisonnable Ajustement en fonction des résultats Variables à comparer Comparaison point par point trop aléatoire Comparaison des maximums de concentration sur les arcs de mesures Comparaison des résultats et analyse Analyse en fonction de la distance à la source et de la stabilité Identification d éventuels problèmes et discussion avec les fournisseurs 4 Outils de modélisation

16 Quelques exemples de résultats Comparaison des maximums de concentration sur les arcs pour chaque condition 25 2 Expérience de Prairie Grass y=1.35*x R²=.69 1 ères conclusions : Résultats pas très bons pour une situation quelconque Besoin de calculer des paramètres statistiques Mesures Modèle ADMS XXX 4 Outils de modélisation

17 Quelques exemples de résultats Paramètres statistiques Prairie Grass Indianapolis moyenne écart type moyenne écart type mesures mesure Modèle XXX Modèle XXX FB NMSE R Fac2 Prairie Grass Indianapolis Outils de modélisation

18 Quelques exemples de résultats Analyse des résultats en fonction de la distance à la source et de la stabilité Assez bon comportement du modèle dans les cas instables Sous estimation dans les cas neutres et stables Surestimation au voisinage de la source dans les cas très stables fb Prairie Grass Modèle XXX distance à la source en m Instable classe A classe B classe C classe D classe E classe F classe G Stable 4 Outils de modélisation

19 5 Mise en œuvre Proposition d'une méthodologie générale de modélisation Incertitudes Inventaire des sources d'incertitudes Evaluation de différentes hypothèses de modélisation Etude de sensibilité des modèles aux données d'entrée

20 Méthodologie générale de modélisation Définition de la situation physique à modéliser Phénomènes météorologiques à considérer Nature des polluants Conditions de rejet Inventaire des données disponibles Données géographiques du site Caractéristiques du rejet et du polluant Données météorologiques Choix des hypothèses de modélisation Choix du modèle Choix des options de modélisation Choix de la mise en œuvre du problème 5 Mise en œuvre

21 Les sources d'incertitudes Les incertitudes liées au modèle Adéquation du modèle au problème Validité des résultats du modèle Les incertitudes liées aux données d'entrée Quantité et qualité des données d'entrée Hypothèses de simplification des données d'entrée Sensibilité du modèle aux données d'entrée Les incertitudes liées à l'expertise de l'utilisateur

22 Les différentes hypothèses de modélisation : exemples Comparaison de 2 approches de modélisation de sources multiples Plusieurs sources de débits différents Une source ponctuelle équivalente située au barycentre des sources Erreur < 5% à partir d une distance de 15 m 5 Mise en œuvre

23 Les différentes hypothèses de modélisation : exemples Comparaison de 2 approches de modélisation de la variabilité météorologique Calcul séquentiel Calcul par rose des vents Météo séquentielle Rose des vents % 2% 4% 6% 8% 1% Mise en œuvre

24 Etude de sensibilité : exemples Écarts de concentration dus à une déviation du vent Déviation de 2 Déviation de 5 Déviation de 1 5 Mise en œuvre

25 Etude de sensibilité : exemples Influence de la présence d'un obstacle z (m) 4 2 1) source sans obstacle ) source sur l'obstacle ) source à 1 m ) source à 25 m ) source à +2 m ) source à +1 m Mise en œuvre

26 Conclusions Les phénomènes de dispersion atmosphérique sont trop complexes pour pouvoir être abordés par une unique approche universelle, simple et robuste Importance de la phase d'analyse préliminaire à l'étude (choix des hypothèses et du modèle) Importance de la connaissance des outils (domaine d'application, limitations) Importance de la formation des utilisateurs

27 Perspectives Rédaction d'un ouvrage sur le sujet, basé sur l'état de l'art et les travaux effectués dans le cadre de l'étude RECORD Disponibilité prévue pour 27