4. Historique du projet TRAPOS
La dispersion de la pollution provenant du trafic dans les
rues est régie par une structure complexe de l'écoulement du vent
qui peut difficilement être décrit par les modèles
traditionnels de Gauss. D'autre part, quelques règles simples peuvent
être utilisées pour fournir des estimations approximatives des
niveaux de pollution, en particulier en examinant les conditions les plus
pessimistes. Les exigences du modèle seront, par conséquent,
dépendantes également de l'application particulière et les
attentes des informations fournies par le modèle.
Les modèles sont basés sur des descriptions
très simples des processus de dispersion, mais se concentrant d'avantage
sur les paramètres des émissions dues au trafic, qui
représentent des outils utiles pour les planificateurs du trafic. Des
études plus détaillées du comportement de la pollution
engendrée par le trafic dans les rues urbaines nécessitent des
modèles qui peuvent relier les concentrations de pollution réelle
et des conditions météorologiques qui prévalent (Net
1).
Une des caractéristiques les plus remarquables de
l'écoulement du vent dans une rue de type canyon
(street-canyon) est la création d'un tourbillon de vent
(vortex), de sorte que la direction du vent au niveau de la rue est
l'inverse de la circulation au-dessus du toit. La présence du
vortex a été démontrée dans les premiers
travaux d'Albert (1933), puis vérifiée par Georgii et al
(1967). Cette forme particulière des résultats de la
circulation d'air dans les street-canyons dans des gradients de
concentration est importante dans la rue. Les concentrations sur le coté
du mur exposé au vent (wind-ward) sont
généralement plus élevées que sur le coté du
mur inverse du vent (lee-ward).
Une description mathématique exacte de la dispersion
des polluants dans les street-canyons urbains est pratiquement
impossible. Les simplifications nécessaires des «conditions
réelles des lieux souvent des restrictions sur la portée
d'application
OPTIMISATION DES METHODES DE MODELISATION DE LA POLLUTION
DU TRAFIC AUTOMOBILE
RemiliSadia
des modèles. En dépit des difficultés
liées à la construction des modèles, la
nécessité évidente pour les modèles de rue, de la
pollution a donc abouti à l'élaboration et l'utilisation pratique
de ces modèles.
Un des premiers modèles de la pollution de la rue est
le modèle STREET élaboré par Johnson et al
(1973), Ludwig et Dabberdt (1972), Dabberdt et al (1973). Bien que le
modèle est empirique, basée sur les mesures de pollution dans les
rues de San Jose et Saint-Louis (USA), les caractéristiques les plus
essentielles de la dispersion de polluants dans les canyons urbains, tels que
le gradient de concentration lee-ward et wind-ward, sont
reproduits, au moins qualitativement, par le modèle. Avec quelques
modifications mineures (Benesh, 1978; Sobottka et Leisen, 1980), le
modèle est encore largement utilisé, notamment pour les
applications d'ingénierie. Les caractéristiques plus
détaillées de la dispersion de la pollution dans les
street-canyons ne peuvent pas cependant être décrite par
un tel modèle simplifié comme STREET.
À l'autre extrémité de l'échelle
de complexité, se trouvent des modèles basés sur la
solution numérique des vents et des équations de dispersion
scalaire. Le problème essentiel ici, est un paramètre
approprié des coefficients de viscosité et de diffusivité.
Le problème est commun pour tous les écoulements turbulents, mais
le traitement des écoulements street-canyon implique des
limites spécifiques et des conditions initiales. Les méthodes
numériques modernes et la disponibilité des ordinateurs puissants
ont abouti à l'élaboration de plusieurs modèles au cours
des années récentes (Sievers et Zdunkowski, 1986; Moriguchi et
Uehara, 1993; Lee et Park, 1994; Schluenzen 1994 ; Kamenetsky et Vieru, 1995).
C'est la méthode qui a trouvé la plus large application de la
modélisation des écoulements dans les street-canyons, et
aussi dans le cas d'autres obstacles est que l'on appelle k-å (Rodi,
1995). Du point de vue de la modélisation de la pollution des rues, le
modèle k-å a l'avantage que, au fil des ans, il a
été largement testé et calibré pour les
écoulements industriels autour des corps et des structures, où la
séparation des écoulements peut se produire, ce qui est une
importante caractéristique de la circulation dans et autour des
street-canyons. Toutefois, les modèles basés sur
l'approche k-å sont souvent utilisés dans des études
spécialisées (Johnson et Hunter, 1995; Mestayer et Anquetin,
1994).
Une approche innovante de modélisation a
été appliquée par Yamartino et Wiegand (1986) dans leur
modèle Plume Canyon-Box Model (PCBM). Les concentrations sont
calculées en combinant un modèle de panache pour l'impact direct
des véhicules polluants émis avec un modèle de boîte
qui permet le calcul de l'impact additionnel dû aux polluants remis en
circulation dans la rue par le vortex. La performance du PCBM a
été démontrée significativement meilleure que celle
du modèle empirique STREET, surtout étant donné le large
éventail des conditions météorologiques pour lesquelles le
modèle STREET n'a pas été spécifiquement
conçu.
Une approche empirique a été utilisée
dans le développement du modèle néerlandais de pollution
du trafic automobile « Dutch traffic pollution model CAR » (Calcul de
la pollution atmosphérique due au trafic routier) (Eerens et
a!, 1993). Axé principalement sur des expériences en
soufflerie (Van den Hout et Baars, 1988; Van den Hout et Duijm, 1988 ; Van den
Hout et a!, 1989), une série de relations empiriques a
été établi entre la direction du vent et des
concentrations pour des différentes configurations de la rue. Les
résultats des expériences en soufflerie ont été
intégrées dans un modèle type de panache, appelé
modèle de trafic TNO (Van den Hout et Baars, 1988) qui a servi de base
pour développer enfin le modèle plus opérationnel CAR dans
lequel quelques configurations les plus distinguées de rues, à
l'égard des conditions de dispersion ont été
catégorisés. Seules les concentrations annuelles moyennes sont
calculées et d'autres moyens statistiques sont des estimations
basées sur des relations empiriques issues de mesures de la pollution
dans le réseau national.
Une approche similaire à la PCBM a été
appliquée dans le développement du modèle danois OSPM
(Hertel et Berkowicz, 1989). Le modèle OSPM fait usage d'un
paramètre simplifié des écoulements et des conditions de
dispersion dans un street-canyon. Ce paramètre a
été déduit d'une analyse approfondie des données
expérimentales et des essais sur modèle (Berkowicz et
a!, 1995). Les résultats de ces tests ont été
utilisés pour améliorer la performance du modèle,
notamment en ce qui concerne les différentes configurations de la rue et
la variété des conditions météorologiques.
Les épisodes de pollution les plus graves sont
habituellement associés aux
OPTIMISATION DES METHODES DE MODELISATION DE LA POLLUTION
DU TRAFIC AUTOMOBILE
RemiliSadia
conditions de vitesse calme ou très faible vent. La
dispersion des gaz d'échappement des voitures dans la rue seront dans ce
cas être largement influencés par les TPT elle-même.
Toutefois, certains effets thermiques, tels que la modification de
régimes d'écoulement due à l'échauffement
différentiel des murs du bâtiment, peut également
être important. Les observations de terrain (Nakamura et Oke, 1988) et de
simulations numériques (Mestayer et al, 1995; Sini et
al. 1996) ont montré qu'une telle différence de
chauffage peut sensiblement modifier l'écoulement du vent dans un
canyon. La quantification de cet effet sous la forme de relations entre le
rayonnement solaire et l'écoulement du vent est nécessaire afin
d'intégrer ces phénomènes dans les modèles de
pollution appliqués.
Les modèles de la pollution due au trafic appliquent en
général l'utilisation des données liées à
l'écoulement du vent au niveau du toit. Ces données sont rarement
disponibles et les transformations entreprises des mesures du vent à
certains endroits dans la ville ou même en dehors de la ville sont
nécessaires. Rotach (1995) a montré que la relation de la vitesse
du vent au niveau du toit et la vitesse du vent en altitude dépend des
conditions de la stabilité atmosphérique. Cela peut être
particulièrement important dans le cas de conditions stables quand la
vitesse de ventilation du street-canyon pourrait être
réduite due à l'atténuation de la vitesse du niveau du
toit et peut-être la turbulence. La modification locale de
l'écoulement du vent et la turbulence pourrait aussi être due
à certaines formations de bâtiment prononcée à
proximité du site de mesure. En se basant sur une modélisation en
soufflerie, Kennedy et Kent (1977) ont démontré qu'une diminution
double des concentrations de CO observées à un emplacement de la
rue à Sydney, en Australie, pourrait s'expliquer par de tels effets.
Les alentours du street-canyon ne peuvent en
général avoir une influence significative sur les
écoulements et les conditions de dispersion dans le
street-canyon lui-même. Les dernières expériences
en soufflerie entrepris par Meroney et al (1995) ont montré que
la ventilation d'un street-canyon en milieu urbain est moindre que la
ventilation du canyon même, mais dans un environnement de campagne. Les
formes des toits des bâtiments voisins ont également
été montré, pour influencer l'écoulement et les
conditions de turbulence, et donc aussi la
distribution de la concentration dans les street- canyons
(Rafailidis et Schatzmann, 1995; Kastner-Klein et a!, 1996).
En raison des très courtes distances entre les sources
de pollution et les récepteurs (détecteurs de pollution), seul
les réactions chimiques peuvent avoir une influence significative dans
le processus de transformation de la qualité de l'air du
street-canyon, ce qui représente un intérêt
particulier dans le processus d'oxydation qui conduit à la
transformation NO-NO2. Dans la plupart des cas, ce processus peut être
décrit avec succès par le simple système NO-NO2-O3, en
tenant compte du temps de séjour des gaz dans la rue (Hertel et
Berkowicz 1989; Palmgren et a!, 1995). D'autres mécanismes
chimiques cependant peuvent être importants dans certains cas
extrêmes. Bower et a! (1994) et Derwent et a! (1995)
rapporte sur un épisode de pollution à Londres en Décembre
1991, où les concentrations de NO2 ont atteint des niveaux qui ne
pourraient être expliquées par l'oxydation d'ozone mesurée.
Un mécanisme de réaction possible est dans ce cas, l'oxydation de
NO par l'oxygène moléculaire (Hov et Larssen, 1984). Comme il
s'agit d'une réaction de 3ème ordre, elle exige de très
fortes concentrations de NO et des temps de séjour long pour être
important. Cela peut avoir lieu dans des conditions
météorologiques stagnantes lorsque les concentrations restent
très élevées pendant une période de quelques jours.
Aucun modèle de description satisfaisante de ce phénomène
n'est encore disponible.
Dans la plupart des modèles actuellement disponibles,
la pollution particulaire est traitée de la même manière
que les autres gaz d'échappement, c'est à dire sans prendre
explicitement en compte la distribution des tailles des particules (Larssen et
a!, 1993). La transformation (en particulier la coagulation) et le
dépôt des particules dépendent de la distribution
granulométrique des particules. Ces procédés, à
leur tour, peuvent considérablement modifier la distribution de la
taille initiale des particules émises. De nouvelles techniques de
mesure, en particulier les techniques optiques permettant des tailles
définies de fractionnement des particules et la résolution de
temps, peuvent fournir des nouveaux éléments pour l'étude
de la transformation des particules et des processus de dépôt et
le développement de nouveaux modèles.
OPTIMISATION DES METHODES DE MODELISATION DE LA POLLUTION
DU TRAFIC AUTOMOBILE
RemiliSadia
Les membres des équipes participant au réseau de
recherche proposé ont apporté une contribution importante aux
progrès dans les domaines de recherche mentionnés et font partie
de groupes majeurs en Europe dans leur domaine de travail.
La principale nouveauté du projet proposé est de
combiner les différentes techniques de modélisation,
appuyés par des données expérimentales. La
disponibilité des données expérimentales de haute
qualité, y compris à la fois en soufflerie et des mesures de
terrain, est maintenant possible pour effectuer des études
détaillées des processus importants et, par conséquent,
d'améliorer les paramètres de ces processus dans les
modèles de la pollution atmosphérique (Schatzmann et al,
1997). En ce qui concerne les mesures de terrain, il est intéressant de
noter que les données qui sont actuellement disponibles couvrent la
mesure à long terme (plusieurs années), y compris des
observations simultanées de paramètres clés, tels que les
concentrations des différents polluants (éléments
pertinents), la météorologie et les données du trafic. Les
mesures à long terme garantissent la possibilité d'explorer la
performance du modèle sous une variété de conditions
météorologiques, tandis que les mesures en soufflerie donnent
l'occasion d'étendre l'évaluation du modèle sur un large
éventail de conditions architecturales des rues.
Etude bibliographique
Etude bibliographique / Partie 2 Chapire2 :
Différentes études du projet TRAPOS
| 
