PROGRAMME DE COOPERATION ALCOTRA PROJET STRATEGIQUE AERA ACTION 2.3 ETAT DES LIEUX DE LA MODELISATION POUR L ETUDE DE LA QUALITE DE L AIR
RESUME L action 2.3 du projet statégique AERA, intitulée «Etat des lieux de la modélisation pour l'étude de la qualité de l'air» a été portée par la Région Rhône-Alpes. Cette action visait à mettre en place un protocole méthodologique et organisationnel entre les partenaires sur les outils de modélisation de la qualité de l air déjà existants dans les différents réseaux de surveillance. Elle a permis de recueillir des informations sur la climatologie et la météorologie des régions prenant part à ce programme de coopération franco-italienne. Un questionnaire préparé par la Région Rhône-Alpes a été rempli par l ensemble des partenaires et a permis de dresser la liste exhaustive des pratiques en modélisation de la qualité de l air sur différents territoires : pour l Italie, les régions Ligurie, Piémont et Vallée d Aoste et pour la France, les régions Rhône-Alpes et Provence-Alpes-Côte d Azur (PACA). Le questionnaire a montré que les régions Rhône-Alpes, PACA, Piémont et Vallée d Aoste utilisent déjà des outils de modélisation alors que la région Ligurie en a encore peu l usage. L exploitation des questionnaires a permis d identifier plusieurs points : Seules les régions italiennes du Piémont et de la Vallée d Aoste utilisent des modélisations industrielles basées sur des logiciels de type SPRAY. La modélisation urbaine (modèles SIRANE, SPRAY et ADMS Urban) est utilisée par toutes les régions sauf la région Ligurie. Seules les régions Rhône-Alpes, PACA et Piémont ont recours à la modélisation régionale (modèles CHIMERE et FARM). Des fiches méthodologiques traitant de chacune des modélisations ont été rédigées afin d apporter des éléments d amélioration aux partenaires du projet pour se doter d outils de modélisation de la qualité de l air ou améliorer les outils existants. Cet état des lieux sera utilisé afin d orienter l action 3.3 intitulée «Modélisation pour l évaluation de la qualité de l air» pour développer un modèle régional sur l ensemble de la zone Alcotra et pour améliorer les outils de modélisation existants. 1
SOMMAIRE RESUME...1 SOMMAIRE...2 1 ANALYSE DES PARTICULARITES REGIONALES IMPACTANT LA MODELISATION DE LA QUALITE DE L AIR...4 1.1 PROBLEMATIQUE SUR LE TERRITOIRE ALCOTRA... 4 1.1.1 TERRITOIRE D ETUDE...4 1.1.2 ANALYSE DES SPECIFICITES GEOGRAPHIQUES...5 1.2 TYPOLOGIE DE REGION ET MODELISATION DE LA QUALITE DE L AIR... 6 1.2.1 REGIONS LITTORALES...6 1.2.2 REGIONS DE MONTAGNE ET VALLEES ALPINES...7 1.2.3 REGIONS DE PLAINE...9 1.2.4 AGGLOMERATIONS...9 1.2.5 CONCLUSION...10 2 FICHE METHODOLOGIQUE : MODELISATION INDUSTRIELLE...11 2.1 PROBLEMATIQUE ETAT INITIAL... 11 2.2 LES POLLUANTS CONCERNES... 11 2.3 LES DONNEES D ENTREE... 13 2.3.1 LES SOURCES...13 2.3.2 LE SITE ET LA METEOROLOGIE...13 2.4 LES LOGICIELS DISPONIBLES... 15 2.4.1 MODELE GAUSSIENS...15 2.4.2 MODELES EULERIENS 3D...16 2.4.3 LES MODELES LAGRANGIENS...18 2.5 CONCLUSIONS... 19 3 FICHE METHODOLOGIQUE : MODELISATION URBAINE...20 3.1 INTRODUCTION... 20 3.2 SOFTWARE EN PLACE SUR LE DOMAINE ALCOTRA... 20 3.3 ZONE URBAINE ET POLLUTION... 21 3.4 CONSTITUTION D UN RESEAU DE RUES POUR LES MODELES URBAINS... 21 3.5 PRISE EN COMPTE DU BATI URBAIN... 22 3.6 LES MODELES DE DISPERSION... 23 3.6.1 LE MODELE ARIA-IMPACT...23 3.6.2 LE MODELE ADMS URBAN...23 3.6.3 LE MODELE SIRANE...23 3.7 LES EMISSIONS ROUTIERES... 24 3.8 DONNEES METEOROLOGIQUES... 24 3.8.1 DONNEES NECESSAIRES ET SUFFISANTES...24 3.8.2 MESURES ET/OU SORTIES DE MODELES...25 3.9 CONSTITUTION D UN RESEAU TRAFIC ET DEFINITION DES DONNEES ASSOCIEES... 25 3.9.1 DONNEES DE COMPTAGES...25 3.9.2 RECONSTITUTION TEMPORELLE DES TRAFICS...26 METHODE DES RATTACHEMENTS...26 - COMPTAGES ANCIENS...27 2
- SORTIES DE MODELE...27 3.9.3 DESAGREGATION HORAIRE DES TRAFICS...27 3.10 VALIDATION DES RESULTATS... 27 3.10.1 CRITERES D ACCEPTATIONS DES SCORES : EXIGENCES ET VALEURS GUIDES...28 3.10.2 COMPARAISON MESURE / MODELE SUR UNE GRILLE DE RECEPTEURS...28 3.10.3 PHASE DE MISE EN PLACE ET PHASE OPERATIONNELLE...28 - PHASE DE MISE EN PLACE...28 - PROCEDURE RELATIVE A LA PHASE OPERATIONNELLE...29 3.11 CONCLUSION... 29 4 FICHE METHODOLOGIQUE : MODELISATION REGIONALE...30 4.1 INTRODUCTION... 30 4.2 ETAT DES LIEUX SUR LE DOMAINE ALCOTRA... 30 4.3 INFLUENCES ANTHROPIQUES... 31 4.4 L ESSENTIEL POUR UNE MODELISATION REGIONALE... 32 4.5 PRECONISATIONS POUR LES MODELISATIONS METEOROLOGIQUES... 32 4.5.1 LES GRILLES DE CALCUL...32 - ETENDUE DES GRILLES...32 - CHOIX DE LA RESOLUTION...33 - RESOLUTION VERTICALE...33 4.5.2 CHOIX DES PARAMETRISATIONS SOUS WRF...33 4.5.3 ASSIMILATION DE DONNEES METEOROLOGIQUES...33 4.5.4 UTILISATION DU SCHEMA DE CANOPEE URBAINE...34 4.5.5 MISE EN PLACE D'UN PAS DE TEMPS AUTO-ADAPTATIF...34 - DESCRIPTION...34 - IMPACT SUR LES SORTIES...35 4.6 PRECONISATIONS POUR LES MODELISATIONS CHIMIQUES... 35 4.6.1 DETERMINATION DES GRILLES DE CALCUL...35 - ETENDUE DES GRILLES...35 - CHOIX DE LA RESOLUTION...35 - RESOLUTION VERTICALE...36 4.6.2 CHOIX DES CONDITIONS AUX LIMITES...36 - CONDITIONS AUX LIMITES CHIMIQUES POUR LES ECHELLES REGIONALES...36 - CONDITIONS AUX LIMITES CHIMIQUES POUR LES ECHELLES NATIONALE OU CONTINENTALE...36 4.7 CADASTRE DES EMISSIONS... 37 4.8 EVALUATION, CALCUL DES SCORES ET VALIDATION... 38 4.8.1 INDICATEURS A CALCULER...38 4.8.2 DIRECTIVES EUROPEENNES...38 4.8.3 AUTRES INDICATEURS...38 4.9 CONCLUSION... 39 CONCLUSION GENERALE...40 3
1 ANALYSE DES PARTICULARITES REGIONALES IMPACTANT LA MODELISATION DE LA QUALITE DE L AIR Les spécificités géographiques d une région constituent des déterminants majeurs de la qualité de l air. La modélisation de l ensemble des phénomènes physico-chimiques qui régissent la troposphère n est pas possible car tous ces phénomènes ne sont pas encore connus avec précision et le temps de calcul à une résolution spatiale acceptable serait démesuré. Il convient donc de négliger certains phénomènes météo pour certaines échelles ou d utiliser des paramétrisations. Pour d autres échelles spatiales, par contre, certains phénomènes deviennent prépondérants dans l évolution des masses d air et il convient donc de les modéliser avec précision. Il est donc nécessaire de faire un état des lieux des spécificités locales qui régissent la physico-chimie de la masse d air sur le domaine Alcotra afin de choisir et d adapter au mieux les modèles pour avoir le meilleur compromis entre précision du résultat et temps de calcul. 1.1 PROBLEMATIQUE SUR LE TERRITOIRE ALCOTRA 1.1.1 Territoire d étude Le programme Alcotra AERA couvre toute la frontière alpine entre la France et l Italie. Plus précisément, trois régions italiennes (Vallée d Aoste, Piémont, Ligurie) et deux régions françaises (Rhône-Alpes, Provence-Alpes-Côte d'azur) sont concernées. Figure 1. Carte de la zone Alcotra centrale (gris foncé) et de l ensemble des régions Alcotra concernées (gris clair) 4
La Figure 1 distingue la zone Alcotra centrale des zones adjacentes. La zone Alcotra centrale couvre : la Région Autonome de la Vallée d Aoste ; les Provinces de Turin et de Cuneo (pour le Piémont); la Province d Imperia (pour la Ligurie); les Départements de la Savoie et de la Haute-Savoie (pour Rhône-Alpes); les Départements des Hautes-Alpes, des Alpes de Haute-Provence et des Alpes- Maritimes (pour Provence-Alpes-Côte d'azur). Dans le cadre de ce rapport qui traite de la modélisation de la qualité de l air, nous traiterons l ensemble du territoire couvert par les régions prenant part au programme AERA, c'est-à-dire la zone centrale et les zones adjacentes Alcotra (régions de la Figure 1). Cette zone sera nommée «zone Alcotra». 1.1.2 Analyse des spécificités géographiques Comme le montre la carte de la figure 2, la zone d étude Alcotra est très hétérogène du point de vue de l occupation des sols. L'arc alpin est au centre du territoire avec des forêts au pied de la chaine de montagne côté italien et français. A l'est et à l'ouest du domaine s étendent des plaines sur lesquels se situent les zones les plus urbanisées. Les grands pôles urbains sont entourés de zones cultivées. Rhône-Alpes Val d Aoste Piémont Ligurie PACA Figure 2. Occupation des sols sur la région Alcotra (données CORINE Land Cover) 5
Concernant la modélisation de la qualité de l air, 4 typologies de régions sont susceptibles d être traitées de manière spécifique : Les régions littorales (ex : région Ligurie, côte méditerranéenne de PACA) Les régions de montagne : les vallées alpines (ex : vallée d Aoste, vallée de la Maurienne) Les régions de plaine (ex : plaine du Pô, vallée du Rhône) Le milieu urbain (ex : Lyon, Turin, Marseille) La partie qui suit fournit un descriptif de ces 4 typologies de régions. 1.2 TYPOLOGIE DE REGION ET MODELISATION DE LA QUALITE DE L AIR Les 4 typologies de régions pour la modélisation de la qualité de l air sont décrites dans les parties suivantes. A chacune des typologies correspond des techniques de modélisation spécifiques. 1.2.1 Régions littorales La présence de la mer Méditerranée va modifier les conditions de dispersion de la pollution atmosphérique par rapport aux conditions météorologiques synoptiques, c est-à-dire aux conditions générales de circulation des masses d air. Les conditions anticycloniques empêchent l installation de ces situations synoptiques laissant la place aux phénomènes météorologiques plus locaux (brises de terre, de mer et d étang). Ces brises sont propices à l apparition de pointes de pollution par des processus de recirculation des masses d air. Formation de la brise de mer Formation de la brise de terre Ces régions peuvent également être soumises aux phénomènes suivants : brumes côtières, hauteur de couche limite élevée / basse selon l heure de la journée, les vents synoptiques régionaux permettent également une bonne dispersion. La modélisation de ces zones devra prendre en compte de manière fine la météorologie locale afin de bien décrire les différentes masses d air mises en jeu et les hauteurs de couche limite pouvant varier rapidement. La description de l occupation des sols (mer ou terre) dans ces régions aura une importance déterminante. Le recours à des mesures de météorologie plus nombreuses dans ces régions permettra d améliorer la description de la météorologie. Les 6
modèles de dispersion devront prendre en compte la dimension verticale pour appréhender les phénomènes de variation de la couche limite atmosphérique. Les modèles de qualité de l air utilisés pour décrire ces régions sont : des modèles régionaux à résolution élevée (quelques kilomètres) et en 3 dimensions de type MM5 et CHIMERE ; des modèles industriels pour étudier la dispersion de sources ponctuelles ou diffuses avec une prise en compte d une météorologie en 3 dimensions qui ont recours à des données de mesures météorologiques. 1.2.2 Régions de montagne et vallées alpines La frontière entre la France et l Italie se situe sur le sud du massif alpin, au centre du domaine Alcotra comme le montre la carte de la Figure 3. Le massif alpin est morcelé par de nombreuses vallées avec diverses configurations (profondeur, orientation, pente, longueur, etc.). Rhône-Alpes Val d Aoste Piémont Ligurie PACA Figure 3. Carte de l altitude sur la région Alcotra (données USGS GTOPO30) Ces régions sont soumises aux phénomènes suivants, accentués selon le caractère accidenté du relief : dispersion limitée, en particulier en hiver, liée à la présence d inversions de températures au fond des vallées escarpées. 7
Variation de température avec l altitude dans une atmosphère classique : les polluants sont correctement dispersés. Variation de température avec l altitude dans le cas d une inversion de température : cette situation est propice aux accumulations de polluants. effet de canalisation des masses d air dans les vallées ; effet de foehn provoqué par l assèchement des masses d air au dessus des reliefs. Ce phénomène peut avoir des implications importantes sur la dispersion des polluants ; effets «canyon» au niveau de certains plateaux ; brises de pentes et vents de vallées. Schéma simplifié de génération des vents de pentes et de vallées la journée (à gauche) et la nuit (à droite). Comme les régions littorales, la modélisation des régions montagneuses et des vallées devra bien prendre en compte des régimes de vent complexes. La stratification verticale de l atmosphère et la présence des inversions de température impliquent l utilisation d une modélisation en 3 dimensions. La modélisation de la qualité de l air appliquées aux vallées nécessite donc obligatoirement la prise en compte du relief. Des mesures météorologiques à différentes altitudes sont nécessaires pour pouvoir appréhender les phénomènes les plus complexes. Les modèles de qualité de l air utilisés pour décrire ces régions sont : des modèles régionaux à résolution élevée (quelques kilomètres) et en 3 dimensions de type MM5, WRF et CHIMERE ; des modèles industriels pour étudier la dispersion de sources ponctuelles ou diffuses avec une prise en compte d une météorologie en 3 dimensions (qui a recours à des données de mesures météorologiques). 8
1.2.3 Régions de plaine Les zones de plaines (à quelques exceptions près situées entre deux massifs montagneux) ne sont pas soumises à des conditions météorologiques régionales particulières : la météorologie sera donc essentiellement influencée par les conditions synoptiques (grande échelle). En termes de pollution atmosphérique, les niveaux seront influencés par les sources locales d émission de polluants mais également par le transport de polluants en provenance des régions limitrophes. La modélisation de ces régions repose sur des modèles de qualité de l air avec des formulations simples ayant été éprouvées sur de nombreux cas. Le nombre de points de mesure nécessaires aux calculs météorologiques peut être limité. Les modèles utilisés seront de 2 types : des modèles régionaux de type CHIMERE pour étudier la pollution de fond des modèles industriels pour étudier la dispersion de sources ponctuelles ou diffuses avec une météorologie qui peut être uniforme (mesures météorologiques à une station) des modèles de rues de type STREET pour modéliser la pollution des grands axes routiers interurbains. 1.2.4 Agglomérations Pour les grandes agglomérations, le phénomène d îlot de chaleur urbain peut influencer de manière importante la dispersion des polluants. L élévation localisée des températures (particulièrement les maximales diurnes et nocturnes) va diminuer la rosée et les brouillards urbains qui contribuent à épurer l air des poussières en suspension mais cette élévation va aussi renforcer les effets d inversion thermique et donc favoriser l accumulation des polluants en zone urbanisée. La circulation de la masse d air à l intérieur d une rue canyon (bâtiments plus haut que la largeur de la rue) est relativement complexe et spécifique et peut générer des accumulations localisées comme le montre la Figure 4. Figure 4. Schéma simplifié de l écoulement dans une rue canyon Le réseau formé par les rues peut également générer des effets de canyon avec canalisation et accélération des vents synoptiques. Des modélisations fines doivent être adaptées au milieu urbain afin de bien décrire les influences du bâti sur la dispersion. Les modèles qui traitent ces cas sont : 9
des modèles de rue de type STREET ou urbains comme SIRANE ou ADMS Urban pour la dispersion des polluants autour des axes routiers. des modèles industriels pour étudier la dispersion de sources ponctuelles ou diffuses avec une prise en compte fine du bâti sur la dispersion. Afin de connaître les émissions des véhicules de manière fine, un réseau de rues et de routes avec des émissions propres doit être disponible. 1.2.5 Conclusion Cette analyse des spécificités régionales pour la modélisation de la qualité de l air sur la zone Alcotra a montré la coexistence de plusieurs typologies de régions qui nécessitent des approches différentes pour la modélisation de la qualité de l air. Afin de détailler les différentes modélisations mises en place dans les régions de la zone Alcotra, 3 types de modélisation sont traités successivement dans la deuxième partie de ce rapport : La modélisation industrielle ; La modélisation urbaine ; La modélisation régionale. 10
2 FICHE METHODOLOGIQUE : MODELISATION INDUSTRIELLE 2.1 PROBLEMATIQUE ETAT INITIAL La modélisation industrielle concerne l évaluation de l impact sur l environnement et les populations avoisinantes d une installation industrielle ou d un groupe d installations amenées à rejeter des produits polluants dans l air. Ces effets sont considérés réglementairement dans le cadre d études d impact ou d études de danger, demandées par les autorités administratives avant implantation ou développement d une installation. Les études de danger ont pour vocation d évaluer les effets consécutifs à un dysfonctionnement grave de l usine (incendie, perte de confinement.). Dans ce cas, les quantités de polluant rejetées sont importantes, mais limitées à une période relativement courte, le temps pour les services de sécurité de neutraliser le sinistre. Les zones géographiques concernées sont souvent relativement proches de la source. Ces applications ne font pas précisément l objet de cette fiche méthodologique. Les études d impact ont pour but d estimer les effets sur l environnement de l industrie en fonctionnement normal. Elles incluent maintenant un volet sanitaire destiné à évaluer l exposition des populations avoisinantes. Dans ce cas, on se place alors dans une logique de long terme, avec la recherche de concentrations annuelles ou pluriannuelles, qui seront introduites dans les modèles d exposition. Une troisième application possible concerne les zones très industrialisées et grandes émettrices de polluants. Il peut être très utile, pour les pouvoir publics, d appréhender les contributions des différents émetteurs aux importants niveaux de pollutions enregistrés dans le secteur géographique. Il s agit alors d évaluer l effet des rejets industriels lors d épisodes de pollution qui sont simulés. La modélisation autour de sources ponctuelles bien qu étant scientifiquement la plus ancienne et demandant le plus faible niveau d expertise est peu mise en œuvre dans les réseaux de surveillance du réseau Alcotra. Seules les régions du Piémont et de la Vallée d Aoste utilisent le logiciel SPRAY qui sera décrit plus loin. Ce type de modélisation est pourtant intéressant puisqu il peut permettre rapidement de déterminer les zones où l impact d une ou plusieurs sources est le plus important et ainsi de déterminer les emplacements potentiels d analyseurs de qualité de l air dans le cadre des études de manière plus rigoureuse. 2.2 LES POLLUANTS CONCERNES Les polluants visés dans ce contexte sont essentiellement : le dioxyde de soufre (SO 2 ), émis par les systèmes de combustion et dans divers procédés industriels, et qui fait l objet d efforts constants de réduction des émissions depuis une vingtaine d années, 11
les oxydes d azote (NOx) rejetés la plupart du temps par les installations de combustion, les dioxines, polluants particulaires et gazeux rejetés par de nombreuses industries, et qui font l objet d une surveillance étroite, les métaux lourds (sous forme gazeuse ou particulaire) issus de catégories bien identifiées de procédés industriels, également surveillés du fait de leur grande nocivité (plomb, mercure, cadmium, arsenic), des produits spécifiques aux industries considérées si leur effet sur la santé humaine présente un risque. Pour les polluants particulaires et les poussières, l évaluation de la dispersion et des concentrations atmosphériques est complétée par l évaluation des retombées aux sols, notamment dans le cadre d études d impact. En effet, la diffusion de polluants dans le sol et les végétaux constitue une voie d exposition qu il est parfois indispensable de considérer. Du point de vue de la modélisation, il est souvent traité par un module spécifique du logiciel, chargé de simuler le dépôt. Le dépôt sec (hors précipitations) est paramétré par une "vitesse de dépôt" qui dépend de la taille des particules, et qui permet de traduire un flux de déposition au sol. Celui ci est conditionné par la gravité pour les plus grosses particules, ou par les effets du mouvement brownien pour les plus petites. Le flux de polluant retombé au sol s écrit : F(x, y) =VdC(x, y,0) où Vd est la vitesse de dépôt, et C(x, y,0) la concentration de polluants au niveau du sol. Pour les rejets industriels, le phénomène de dépôt est également représenté dans le modèle par un appauvrissement du panache, en fonction du temps et de la distance à la source. Le dépôt humide traduit l entraînement des particules par la pluie, le brouillard, la brume. Le flux déposé dû à ces mécanismes se traduit souvent par le produit du taux de précipitations par un coefficient de lessivage. Ce dernier est difficile à évaluer, ce qui explique les incertitudes admises sur la quantification du dépôt humide. Dans des situations accidentelles, les polluants rejetés peuvent être des gaz lourds. Cela implique un traitement particulier du panache et de ses propriétés thermodynamiques. Cet aspect n est pas développé dans ce document, car il s inscrit dans une problématique très spécifique, qui s éloigne des préoccupations des réseaux de surveillance de l air. Remarque sur l état de l art : Létude de l impact industriel, et plus particulièrement les rejets issus des cheminées d usine, est l une des applications les plus anciennes de la dispersion atmosphérique. Elle a justifié le développement des premiers modèles gaussiens. Ainsi, il s agit d un domaine dans lequel il existe un nombre important de références, relatives à des campagnes de mesure d envergure utilisées pour calibrer les modèles. C est autour de ce type d application que s articule une part importante des objectifs recherchés par des initiatives telles que les Conferences on harmonization within atmospheric dispersion modelling for regulatory purposes. Cette manifestation se répète tous les 2 ans environ, et rend compte des démarches qui visent à promouvoir une cohérence à l échelle européenne, des codes numériques de modélisation de 12
la qualité de l air (14 ème conférence en Grèce en octobre 2011). Pour ce qui est des rejets industriels, un outil de validation se référant à des campagnes de mesures d envergure a été mis au point ( Model Validation Kit ) et est plus largement décrit dans un paragraphe ultérieur. 2.3 LES DONNEES D ENTREE 2.3.1 Les sources Il faut distinguer deux types de sources, dans le domaine de l impact industriel : - les sources canalisées qui désignent les cheminées d usines et les brèches créées par d éventuels sinistres. Les émissions qui y sont associées sont aisément quantifiables. En effet, la géométrie de la source (forme, taille, hauteur) ainsi que les propriétés physiques et thermodynamiques du rejet (vitesse d éjection, densité, température du polluant rejeté) peuvent être mesurées ou modélisées et directement fournies au code de calcul de la dispersion. Le background scientifique le plus conséquent en termes d outils et de validation concerne ces rejets. Les modèles de type gaussiens sont bien adaptés à leur traitement, ayant été à l origine développés dans ce but, - les sources diffuses désignent les émissions situées très souvent au niveau du sol, surfaciques ou volumiques, qui proviennent de l activité quotidienne sur le site de l usine : zones de stockage, circulation de véhicules, émissions échappées des bâtiments. Leur contribution peut s avérer très importante, notamment en champ proche de l installation. Ainsi les modèles tridimensionnels sont les mieux adaptés au traitement du comportement de ces rejets. Malheureusement, tout le problème réside dans la quantification de l émission associée, difficilement mesurable. Il est cependant essentiel de surmonter cette difficulté si l on veut espérer réaliser une modélisation correcte des phénomènes. Il est enfin important de rappeler que les applications industrielles induisent la présence de gaz aux propriétés thermodynamiques particulières (gaz lourds) et de particules dont il faut bien appréhender les propriétés. Ainsi, avoir une information sur la granulométrie des éléments rejetés est primordial afin d ajuster correctement les paramètres qui conditionnent la modélisation des retombées atmosphériques. 2.3.2 Le site et la météorologie En sus du domaine d application, l échelle de modélisation et le type de code que l on souhaite utiliser définissent la nature des données orographiques à fournir. Comme indiqué en introduction, le contexte dans lequel les rejets industriels sont modélisés relève souvent de l étude de danger (rejet accidentel) ou de l étude d impact (rejet chronique). Rejets accidentels Dans ce premier cas, l intérêt est d estimer les conséquences induites par l émission d une quantité très importante de polluant dans des conditions météorologiques pénalisantes pour la dispersion. Comme cela implique souvent des calculs en champ proche (sur le site de l usine ou dans les quartiers avoisinants), une description relativement précise du bâti et du relief sera sans doute nécessaire. 13
En revanche les données météorologiques se résument à des situations courantes ou au contraire ponctuelles limitées à des configurations très néfastes pour la dispersion (pas de dispersion du panache). Elles sont définies par une température moyenne, un niveau d humidité relative, une vitesse de vent et un degré de turbulence (qui peut d ailleurs être connecté aux classes de stabilité de type Pasquill). Une analyse de la situation orographique et économique du site considéré pourra aider à diagnostiquer les situations pertinentes à examiner : recherche des zones les plus peuplées, prise en compte d effets locaux (proximité de la mer, fort relief). Ce problème sortant du champ direct de préoccupation des réseaux de surveillance de l air, il n est pas plus développé dans cette étude. Rejets chroniques Les études d impact, surtout si elles sont suivies d une évaluation des risques sanitaires, nécessitent la recherche de concentrations en moyenne annuelle, qui seront fournies aux modèles d exposition. Il est donc logique d intégrer des données météorologiques annuelles, concernant la température, la vitesse et la direction de vent, et tout élément susceptible d évaluer la stabilité atmosphérique. Sur ce dernier point, certaines stations météo, peuvent fournir la nébulosité (en octats avec une valeur de 1 à 8), le nombre d heures d ensoleillement, ou le rayonnement. Il est alors possible d en déduire les classes de stabilité de Pasquill via des tables de correspondance. Une information sur la hauteur de la couche de mélange peut s avérer également très pertinente, notamment en situation d inversion de température. Il faut accorder un soin particulier au choix de la station météorologique utilisée pour représenter la météorologie sur le site étudié. Le problème est la prise en compte des effets de vent locaux (en particulier en présence de relief) qui implique que le vent sur le site ne présente pas les mêmes caractéristiques que celui au niveau de la station. La seule solution raisonnable sera dans certains cas de disposer d une station sur le site même et de réaliser des mesures sur une période donnée. L exercice de modélisation consiste alors à simuler l ensemble des situations météorologiques recensées sur une période représentative (5 ans par exemple) et à en déduire une évaluation des concentrations moyennes annuelles. Les situations météorologiques sont en principe regroupées par classe de caractéristiques similaires auxquelles l on affecte des fréquences d apparition. Les valeurs de concentrations annuelles sont obtenues en effectuant la moyenne des valeurs calculées pour chaque classe, pondérée par leur fréquence d apparition. Le cas particulier des sources diffuses Les points évoqués dans les paragraphes précédents sont globalement valables pour la modélisation des sources diffuses. Les outils tridimensionnels sont cependant mieux adaptés à leur traitement. En effet les méthodes d intégration des termes surfaciques dans les modèles gaussiens ne sont pas toujours performantes. Le coût élevé de mise en œuvre des modèles tridimensionnels limite leur usage au calcul de situations météorologiques ponctuelles. Cela n est pas très rigoureux compte tenu de la nature de ces sources, souvent présentes toute l année (zones de stockage, lieux de circulation des véhicules, échappements par les ouvertures des bâtiments) à l origine d une pollution typiquement chronique. L intégration de la rose des vents annuelle sur le site demeure le meilleur traitement mais il présente l inconvénient d être coûteux. 14
2.4 LES LOGICIELS DISPONIBLES 2.4.1 Modèle gaussiens Généralités De manière générale, les modèles les plus utilisés pour les études de rejets industriels sont les modèles gaussiens. Historiquement, ils ont été développés dans cet objectif précis (hors sources diffuses). La préoccupation constante des chercheurs reste leur ajustement afin de mieux prendre en compte les spécificités pour lesquelles ils n ont pas été conçus initialement (présence d obstacles et de bâtiments, relief). Néanmoins leur degré de maturité apparaît satisfaisant pour les applications visées. De nombreux exercices de validation et d inter comparaison attestent ce fait. La communauté scientifique européenne a mis au point un outil de validation, le Model Validation Kit disponible sur internet à l adresse suivante : www.dmu.dk/atmosphericenvironment/harmoni.htm Il s agit d un ensemble de données relatives à 4 campagnes de mesures de rejets issus de cheminées d usine en différents lieux (Copenhague, Kinkaid, Lillestrom et Indianapolis). Des outils d analyse statistique des performances du logiciel par rapport à ces informations mesurées sont également proposés. Le traitement des sources non ponctuelles (i.e. linéiques, surfaciques ou volumiques) fait l objet de traitements spécifiques dans les modèles gaussiens. Plusieurs méthodes sont ainsi rencontrées : - L intégration numérique d une infinité de sources ponctuelles qui représentent la source réelle, - le découpage de la source en un nombre fini de sources ponctuelles judicieusement placées et paramétrées en fonction du vent et de la position des récepteurs, - l assimilation de la source surfacique à une source ponctuelle devant être localisée correctement, de manière à retrouver les caractéristiques de la source réelle au niveau de la dispersion (principe du point source virtuel). Des résultats relativement disparates peuvent être obtenus suivant la situation et les paramètres adoptés. Il s agit là d une limitation dans l usage des modèles gaussiens. Dans tous les cas, le plus grand avantage de ces outils, reste leur faible coût de mise en œuvre qui permet de réaliser un nombre important de simulations et donc d établir des bilans annuels ou pluriannuels, en de nombreux points du site. L investissement en moyens humains et matériels est relativement faible. En effet l usage pertinent de ces modèles repose avant tout sur l expérience de terrain, et les concepts pragmatiques sur lesquels ils s appuient ne requièrent pas de connaissances poussées en analyse numérique. 15
Ce sont des logiciels qui fonctionnent dans la plupart des cas sur un système PC, sous Windows, voire MSDOS. Leur coût en temps de calcul et place mémoire ne dépend que des demandes de l utilisateur. Les produits disponibles Parmi les modèles gaussiens traditionnels éprouvés et connus, nous pouvons citer : AERMOD. C est un modèle de référence de l US-EPA (Agence de l environnement américaine). Il est disponible gratuitement sur internet, ainsi que la documentation associée à l adresse suivante : http://home.pes.com/aermod.htm Les programmes sources écrits en fortran sont également ouverts si l on souhaite s investir dans des développements spécifiques. Les modules de préprocesseur météo et de terrain sont également fournis. La société Aria Technologies (www.aria.fr) commercialise le modèle gaussien Impact avec une interface graphique et différents pré et post processeurs intégrés (traitement des aspects long terme, représentation cartographique des panaches, traitements statistiques..) et adaptée aux applications visées. ADMS commercialisé en France par la société NUMTECH (www.numtech.fr) propose également un logiciel de dispersion. Il s agit également d un outil interfacé. Différents types de résultats Les modèles gaussiens sont souvent utilisés dans des configurations long terme pour extraire des moyennes sur une période fixée de concentrations en polluant ou des analyses statistiques. Dans des configurations court terme, des moyennes de concentrations sont obtenues sur des périodes réduites à une ou quelques heures, ouà une échelle mensuelle. Les concentrations sont en général représentées par des coupes horizontales du panache, qui permettent de visualiser la concentration des polluants sur l ensemble du domaine d étude, en principe au niveau du sol. Le système de représentation, s il est connecté avec un système d information géographiques aboutit à la création de cartographies, facilement interprétables. La plupart des logiciels permettent également de représenter les concentrations dans l axe de panache, à une hauteur donnée, en fonction de la distance à la source. Il s agit d une information précieuse pour évaluer les distances d impact de la pollution. 2.4.2 Modèles eulériens 3D Généralités Ces modèles constituent la seule alternative raisonnable pour le traitement numérique de situations complexes telles que : - Les zones de fort relief (a fortiori les montagnes), - les situations dans lesquelles on souhaite évaluer l impact de la source en champ proche et en présence d obstacles (bâti), - la prise en compte correcte des sources diffuses. Leur contexte d utilisation est radicalement différent de celui évoqué précédemment, puisque: - ces modèles sont lourds à mettre en œuvre (place mémoire et temps de calcul), - ils résultent de l implantation numérique de techniques sophistiquées pour approcher les équations de la physique, et ne peuvent donc être appliqués de manière pertinente que par des utilisateurs avisés. En effet la génération d un maillage cohérent, l ajustement des paramètres 16
numériques, l identification et la neutralisation d éventuels artéfacts numériques sont autant de difficultés qui ne peuvent être surmontées sans l expérience adéquate. - Leur usage est souvent limité à la simulation de situations ponctuelles, caractéristiques d un type de condition météorologique. Le choix de ces situations est dicté par la prédominance de tel ou tel vent sur le site (après analyse de la rose des vents), la recherche de scénarios pénalisants du point de vue de la dispersion, la proximité de zones sensibles (village, écoles, hôpitaux.). Ces modèles font l objet de nombreuses validations, souvent basées sur la comparaison avec des mesures effectuées en soufflerie. Dans ce cas, les chercheurs s attachent à vérifier que l impact des obstacles qui perturbent le panache et créent des turbulences, des zones d accumulation de polluants ou des zones mortes, est bien reproduit. Ainsi il existe des données théoriques, établies à partir d observations, qui permettent de qualifier les zones tourbillonnaires se créant autour d un bâtiment assimilé à un pavé, situé dans l écoulement atmosphérique. Ces formules permettent en particulier de vérifier le bon comportement du modèle pour rapporter les effets de turbulence. Comme évoqué plus haut, ces outils peuvent s avérer très performants si l on accepte de mailler suffisamment finement le domaine de calcul. Tout le problème est de trouver le bon compromis entre le nombre de mailles que l on s autorise, et le prix que cela implique en temps de calcul et en difficultés numériques. La plupart de ces outils ont été développés sur des stations de travail sous UNIX. Les produits disponibles Nous distinguerons deux classes de logiciels tridimensionnels disponibles sur le marché : ceux qui ont pour finalité la dispersion atmosphérique, et ceux qui abordent globalement des problèmes de mécanique des fluides, appelés logiciels de CFD (Computational Fluid Dynamics). Les équations et les méthodes implémentées sont globalement similaires dans chaque cas. Cependant alors que la première catégorie inclut les spécificités propres au calcul atmosphérique (variables météorologiques), les autres traitent cet aspect à travers des modules indépendants activés selon les besoins de l utilisateur. Ces derniers s intègrent dans un outil global dont la vocation s étend bien au delà du problème de dispersion (calculs de combustion, interaction fluide-structure, etc.). Parmi les logiciels 3D spécifiques au calcul de dispersion on trouve : ANSWER commercialisé par la société ACRI (www.acri.fr) ARIA Local (ou MERCURE) distribué par la société Aria Technologies (www.aria.fr) FLUIDYN Panache, commercialisé par la société Transoft (www.fluidyn.com) Les principes sur lesquels sont développés ces logiciels sont globalement équivalents. Parmi les logiciels de mécanique des fluides plus généraux et néanmoins utilisables dans le domaine de la dispersion (outils «CFD»), les plus connus sont : CFX Tascflow (http://www.softscout.com/software/engineering/computational-fluid- Dynamics-CFD/CFX-TASCflow.html) est aussi un produit très répandu dans plusieurs domaines industriels. FLUENT (www.fluent.com) est un logiciel très connu et performant dans le domaine de l industrie aérospatiale et des turbomachines. Il est moins adapté aux problèmes environnementaux. 17
PHOENICS (www.cham.uk) est un logiciel très ouvert disposant de modules spécifiques pour le traitement de la dispersion. STAR-CD (www.cd.co.uk ) est l un des logiciels de CFD les plus connus sur le marché international. De manière générale ces outils sont relativement onéreux. Le prix d une licence est de l ordre de 20 à 35 K. Il faut intégrer en complément du module de calcul, les outils annexes nécessaires à leur utilisation (outil de définition de la géométrie, outil de maillage, postprocesseur pour la représentation). Les résultats Les calculs réalisés concernent généralement une évaluation de la dispersion pour une situation météorologique donnée. Ainsi le calcul réalisé est stationnaire : on suppose que le champ de vent et le niveau d émission restent tels qu ils ont été définis initialement, et la solution calculée correspond à celle obtenue en régime établi. Il s agit évidemment d une approche plutôt majorante : toute fluctuation du vent étant écartée. Des coupes représentant le panache dans le plan horizontal ou des représentations tridimensionnelles du site et du rejet sont disponibles suite à ces calculs. Il est également possible de générer les simulations correspondant à un régime transitoire, notamment en situation accidentelle, lorsque l on s intéresse à la dispersion dans les premiers instants qui suivent l accident. Dans ce cas le comportement des émissions varie également dans le temps. 2.4.3 Les modèles lagrangiens Les modèles lagrangiens offrent une bonne solution pour le calcul de la dispersion de rejets de cheminées dans des environnements construits ou à fort relief. En effet ils sont par nature bien adaptés à la nature ponctuelle de ce type d application. La qualité des résultats obtenus avec une telle approche est bien connue à condition de traiter un nombre suffisant de particules. Le calcul des trajectoires peut être effectué en "pré-processing" par un modèle météorologique simplifié, reposant par exemple sur l interpolation consistante de données météorologiques mesurées (modèle diagnostic). Le logiciel Aria Risk distribué par la société Aria Technologies repose exactement sur ce principe, avec un champ de vent calculé par l outil d interpolation MINERVE et la dispersion prise en charge par le modèle lagrangien à particules SPRAY. La société Numtech propose une démarche similaire avec le modèle météorologique RAMS (modèle pronostique basé sur la résolution numérique des équations de la mécanique des fluides) et le modèle lagrangien à particules HYPACT. Il est également possible de faire tourner on-line et gratuitement le modèle READY de la NOAA (http://ready.arl.noaa.gov/) qui permet de faire très rapidement des évaluations préliminaires à une résolution de 6 km. READY permet également le suivi de rétro trajectoires (en analyse et en prévision) permettant de suivre l évolution d un panache d ozone ou de poussières, par exemple. La Ligurie utilise le système de modélisation SAFE AIR version II (Simulation of Air pollution From Emissions Above Inhomogeneous Regions) formé par les code WINDS, qui produit les champs de vent qui sont utilisés par le code ABLE pour calculer les paramètres micro-météorologiques de l atmosphère et par P6 pour simuler la dispersion des polluants en 18