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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 5509
Ecole Centrale de Lyon UCB Lyon 1 INSA Lyon
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
1 Problématique des études d'impact
• 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
Contexte réglementaire
• 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
Méthodologie
1 – Problématique des études d'impact
• 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 ? Peut on être sûr d'être majorant ?
• Quelle est l'influence de l'utilisateur ? • Évaluation du travail d'un prestataire • Formation des personnels
Problèmes rencontrés par les industriels
1 – Problématique des études d'impact
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 80 modèles de dispersion • Analyse et évaluation de 5 modèles par comparaison à des cas
tests
• 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
3 Phénoménologie de la dispersion atmosphérique Introduction
3 – Phénoménologie de la dispersion atmosphérique
Echelles spatiales et temporelles
3 – Phénoménologie de la dispersion atmosphérique
Couche limite atmosphérique Ecoulement sur relief Brises côtières Courants thermiques
Echelle de temps et échelle spatiale horizontale Echelle spatiale verticale
Paramètres influençant la dispersion
3 – Phénoménologie de la dispersion atmosphérique
• 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 physicochimique, propriétés radioactives, phase…
• Géographie du site • Présence de relief • Présence de bâtiments ou d'obstacles
Quelques exemples… Écoulement sur relief en atmosphère stratifiée
Modification du champ de concentration en fonction de la position de la source par rapport au relief
3 – Phénoménologie de la dispersion atmosphérique
6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 0
500
1000
1500
3000 2000 1000 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 0
500
1000
1500
1E007 1E006 5E006 6E006 7E006 7.5E006 9E006 1E005 1.1E005 1.2E005 1.3E005 1.4E005 1.5E005 1.75E005 2E005 2.5E005 3E005 3.5E005 4E005 4.5E005 5E005 0.0001
3000 2000 1000 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 0
500
1000
1500
3000 2000 1000 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 0
500
1000
1500
6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 0
500
1000
1500
2) source à 5000m
3) source à 2500m
4) source au sommet de la colline
5) source à + 2500m
6) source à +5000 m
1000 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 11000 0
500
1000
1500
1) source sur terrain plat
Quelques exemples… Écoulement au voisinage d'un bâtiment
Vue de dessus
3 – Phénoménologie de la dispersion atmosphérique
50 40 30 20 10 0 10 20 30 40 50 0
10
20
30
40
50
0.0001
0.0005
0.001
0.005
0.01
0.015
0.02
0.025
0.03
0.035
0.04
0.045
0.05
0.055
0.06
0.065
0.07
50 40 30 20 10 0 10 20 30 40 50 0
10
20
30
40
50
50 40 30 20 10 0 10 20 30 40 50 0
10
20
30
40
50
40 20 0 20 40 40
20
0
20
40
40 20 0 20 40 40
20
0
20
40
40 20 0 20 40 40
20
0
20
40
source à 25 m
source sur l'obstacle
Source à +20 m
Vue de côté
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, …
Les approches de modélisation
4 – Outils de modélisation
• Modèles gaussiens • Solution analytique de panache gaussien • Modèle de bouffées gaussiennes
• Modèles lagrangiens
• Modèles eulériens
Evaluation des modèles
4 – Outils de modélisation
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
• 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
Evaluation des modèles
4 – Outils de modélisation
Quelques exemples de résultats…
4 – Outils de modélisation
• Comparaison des maximums de concentration sur les arcs pour chaque condition
• 1 ères conclusions : – Résultats pas très bons pour
une situation quelconque – Besoin de calculer des
paramètres statistiques
0 5 10 15 20 25 ADMS
0
5
10
15
20
25
Mesures
y=1.35*x R²=0.69
Modèle XXX
Expérience de Prairie Grass
Quelques exemples de résultats…
4 – Outils de modélisation
Prairie Grass
0.90 1.13
NMSE
0.28 0.58
R
0.43 0.01 Indianapolis 0.49 0.38 Prairie Grass
Fac2 FB
2.93 1.56 Modèle XXX 3.88 2.19 mesures
écarttype moyenne
Indianapolis
243.6 257.63 Modèle XXX 221.58 257.78 mesure
écarttype moyenne
Paramètres statistiques
Quelques exemples de résultats…
4 – Outils de modélisation
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 2
1.5
1
0.5
0
0.5
1
1.5
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900
distance à la source en m
fb
classe A classe B classe C classe D classe E classe F classe G
Prairie Grass – Modèle XXX
Instable
Stable
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
Méthodologie générale de modélisation
5 – Mise en œuvre
• 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
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
Les différentes hypothèses de modélisation : exemples
5 – Mise en œuvre
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 1500 m
Les différentes hypothèses de modélisation : exemples
5 – Mise en œuvre
Rose des vents Météo séquentielle 0
45
90
135
180
225
270
315
0% 2% 4% 6% 8% 10%
2000 1500 1000 500 0 500 1000 1500 2000 2000
1500
1000
500
0
500
1000
1500
2000
2000 1500 1000 500 0 500 1000 1500 2000 2000
1500
1000
500
0
500
1000
1500
2000
0.05
0.1
0.15
0.2
0.3
0.35
0.4
0.45
0.5
0.55
0.6
0.65
0.7
Comparaison de 2 approches de modélisation de la variabilité météorologique
• Calcul séquentiel • Calcul par rose des vents
Etude de sensibilité : exemples
5 – Mise en œuvre
Écarts de concentration dus à une déviation du vent
Déviation de 2° Déviation de 10° Déviation de 5°
Etude de sensibilité : exemples
5 – Mise en œuvre
150 100 50 0 50 100 150 200 0
20
40
z (m
)
Influence de la présence d'un obstacle
100 0 100 200 300 400
50
0
50
100 0 100 200 300 400
50
0
50
2) source à 100 m
3) source à 25 m
100 0 100 200 300 400
50
0
50
1) source sans obstacle
100 0 100 200 300 400
100 0 100 200 300 400
50
0
50
100 0 100 200 300 400
50
0
50
100 0 100 200 300 400
50
0
50
4) source sur l'obstacle
5) source à +20 m
6) source à +100 m
0.0001
0.0005 0.001
0.002 0.003
0.004
0.005
0.0075 0.01 0.0125
0.015
0.02 0.025
0.03
0.035 0.04 0.045
0.05
Conclusions
• Les phénomènes de dispersion atmosphérique sont trop complexes pour pouvoir être abordés par une unique approche universelle, simple et robuste
ð Importance de la phase d'analyse préliminaire à l'étude (choix des hypothèses et du modèle)
ð Importance de la connaissance des outils (domaine d'application, limitations)
ð Importance de la formation des utilisateurs
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
ð Disponibilité prévue pour 2007