ecole des mines de douai

ECOLE DES MINES DE DOUAI
Département Energétique Industrielle
Etude n◦3
MODELES DE DISPERSION DE PARTICULES EN
MILIEU URBAIN
Isabelle DESCAMPS, Michel-Ange MEUNIER, Jean-Luc HARION
Novembre 2000

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Table des matières
1 Introduction 2
2 Situation actuelle 3
2.1 Activité des réseaux de surveillance en matière de modélisation . . . . 3
2.2 Groupements de recherche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
3 Outils de modélisation atmosphérique 5
3.1 Inventaire des polluants particulaires en zone urbaine . . . . . . . . . 5
3.2 Principe de fonctionnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
3.2.1 Lesentrées ........................... 8
3.2.2 Lessorties............................ 10
3.2.3 Modélisation physique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
3.3 Recensement des outils existants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
3.3.1 Le type d’outil idéal, les critères de choix et des exemples . . . 11
3.3.2 Les modèles retenus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3.4 Evaluations des modèles retenus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3.4.1 Le modèle Drag&Fly Air . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3.4.2 Le modèle ARIA Régional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.4.3 Le modèle ARIA Local . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.4.4 Le modèle SUBMESO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.4.5 LemodèleUAM-V........................ 35
3.4.6 LemodèleOPANA........................ 37
3.4.7 LemodèleLADM ........................ 40
3.4.8 Le modèle Flexpart . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.4.9 Le modèle Fluidyn Panache . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.4.10 Le modèle CALPUFF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.4.11LemodèleISCST3 ....................... 50
3.4.12 Le modèle AEROPOL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.4.13LemodèleADMS ........................ 53
3.5 Comparaisons ............................. 55
4 Conclusion 57
Nomenclature 58
Glossaire 60
Annexe 66
1 Questionnaire envoyé aux centres de surveillance de la qualité de l’air 66
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Préface
L’Ecole des Mines de Douai réalise depuis plusieurs années des travaux portant
sur l’application de modèles numériques de dispersion et de transport de polluants.
Jusqu’à présent, les travaux ont porté sur des polluants gazeux.
L’objectif est de prévoir les éventuelles zones d’influence par une cartographie de la
répartition des polluants. Il devient alors possible de décider des résolutions à prendre
pour en éviter les conséquences néfastes. Les polluants dans l’atmosphère sont nom-
breux du fait de la diversité des sources. Certains polluants ont un comportement plus
facile à modéliser que d’autres car ils suivent l’écoulement fluide. Les particules so-
lides ou liquides ont pour leur part, dans certains cas, des comportements différents.
Elles peuvent sédimenter rapidement ou avoir de long temps de séjour dans l’atmo-
sphère, ou encore être transformées. De plus, les zones urbaines, espaces auxquels
nous nous intéresserons plus particulièrement ici, sont le siège de nombreuses modi-
fications de l’écoulement d’air de par l’existence de constructions diverses ou du relief.
Les phénomènes qui y prennent place doivent aussi être traités différemment que dans
le cas d’une atmosphère rurale.
Le présent rapport s’intéresse à la modélisation du comportement de particules so-
lides ou liquides dans l’atmosphère d’une ville. Il s’agit ici de faire un recensement et
une évaluation des divers modèles existants capables de résoudre de manière conve-
nable le problème de détermination de la concentration de particules en suspension
dans l’air et du taux de déposition des poussières en zone urbaine.
1 Introduction
Cette étude préliminaire est divisée en deux parties:
– La première concerne la situation actuelle, tant au niveau de l’activité des asso-
ciations de surveillance de la qualité de l’air que de celle des groupements de
recherche. Le but de ces regroupements de compétences autour de thèmes re-
latifs à l’environnement permet, après consensus, d’optimiser les avancées sur
les travaux concernant les outils de modélisation. Cette optimisation passe sou-
vent par un approfondissement de la connaissance des phénomènes physiques
et chimiques mis en jeu dans le processus.
– La deuxième partie traite des outils de modélisation. Tout d’abord, un inven-
taire des polluants particulaires des zones urbaines permet de poser les grandes
lignes sur la nature granulométrique des particules. Ensuite, il est utile de rappe-
ler le fonctionnement de l’outil tant du point de vue de l’utilisateur que de celui des
concepts physiques. Pour terminer, après avoir estimé les besoins des réseaux
de surveillance en matière de simulation, nous aborderons les notions retenues
pour l’élaboration des critères de choix de modèles auxquels nous nous sommes
conformés. Les modèles retenus seront alors décrits et comparés.
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2 Situation actuelle
2.1 Activité des réseaux de surveillance en matière de modélisa-
tion
Dans le but de cerner au mieux les activités et équipements des réseaux de sur-
veillance en matière de pollution atmosphérique, un questionnaire ciblé a été élaboré
et envoyé aux 42 associations. Un exemplaire de ce questionnaire est présenté en
Annexe 1.
Le tableau 1 regroupe l’ensemble des réponses aux questions qui ont été adres-
sées à chacun des réseaux de surveillance de la qualité de l’air. Le publipostage de
ces questionnaires a été réalisé en première phase de l’étude pour permettre d’obtenir
un taux acceptable de réponses à traiter lors de la rédaction définitive du rapport.
Actuellement, 27 réseaux ont répondu. Le résultat est indicatif d’une situation mar-
quée: la majorité des réseaux n’utilise pas de logiciels numériques de modélisation de
dispersion de polluants.
Seuls 9 réseaux envisagent la simulation de la dispersion particulaire. En effet, la
priorité est donnée aux polluants gazeux tels que les oxydes d’azote, l’ozone et le
dioxyde de soufre.
En effet, les oxydes d’azote sont principalement émis par la circulation automobile;
or, la congestion du trafic est un problème majeur à résoudre par les municipalités de
chaque ville.
L’ozone est un polluant plutôt observé en zone interurbaine. Il est responsable du
smog photochimique et participent activement à l’effet de serre. Dans la tropospohère,
ce polluant secondaire est formé suite à de nombreuses réactions chimiques et pho-
tochimiques. C’est le polluant qui dépasse le plus souvent les normes notamment l’été
par fort ensoleillement.
Le dioyde de soufre est, quant à lui, principalement d’origine industrielle et est
principalement responsable du phénomène des pluies acides.
Cependant, la recherche scientifique sur les particules a considérablement évo-
lué depuis 10 ans. Ceci est en grande partie dû à l’effet nocif des particules sur la
santé, notamment aux PM10 qui proviennent des véhicules Diesel. Une autre raison
est, d’après Zmirou [51], la relative stagnation et parfois l’augmentation (après plus de
deux décennies de baisse importante), des immissions mesurées en zone urbaine,
dont la cause serait liée à une substitution partielle progressive des sources fixes par
les sources mobiles, notamment en milieu urbain. C’est pourquoi, les réseaux de sur-
veillance de la qualité de l’air en France devraient le plus rapidement inclure dans leur
priorité la simulation numérique de la dispersion particulaire.
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Tableau 1 .Résultat du dépouillement des réponses au questionnaire
Nom du centre Simulation de la
de surveillance dispersion particulaire
oui non envisagé
AIRAQ × ×
AIR BREIZH × ×
AIRLOR × ×
AirNormand ×(SO2-NOxuniquement)
Air Pays de la Loire ×
AIRPARIF ×
AMPADI LR ×
AMPASEL ×
AREMA × ×
AREMARTOIS × ×
AREQUA × ×
ARPAM ×
ARQAL ×
ARSQA ×
ASCOPARG ×
ASPA ×
ASQAB ×
ATMOSF’AIR × ×
COPARLY ×(travaux en cours) ×
ESPOL ×
L’AIR DES 2 SAVOIE × ×
LIG’AIR ×
MADININAIR ×
MONACO ×
OPAL’AIR ×
ORA Guyane
QUALITAIR 06 × ×
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