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France. (Le Havre : 600 t/j, Fos : 400 t/j, Paris : 400 t/j), voire au troisième, si l'on considère la concentration géographique de ces rejets. La pollution atmosphérique est donc sur cette zone une préoccupation des pouvoirs publics ; c'est la raison pour laquelle a été installé depuis 1962, par le service de l'Industrie et des Mines du Nord-Pas-de-Calais et l'Ecole des mines de Douai, sur l'initiative et avec l'appui financier des conseils généraux du Nord et du Pas-de-Calais, un premier réseau constitué essentiellement de 7 jauges à poussières sédimentables et de 22 appareils soufre fumée dont 10 automatiques. Les résultats, hebdomadaires ou mensuels, que l'on peut tirer de ce réseau ont permis au service de l'Industrie et des Mines de renforcer son action auprès des industriels, en vue de réduire de manière permanente les rejets à l'atmosphère. On comprend cependant que la pollution sur la zone reste élevée et qu'il est nécessaire de poursuivre la réduction des émissions. De surcroît, il est apparu depuis quelques années que si les émissions à l'atmosphère sont assez stables dans le temps, les concentrations au sol sont éminemment variables par suite d'accidents météorologiques ; il était donc nécessaire de mettre en œuvre des mesures supplémentaires adaptées au caractère intermittent de ces pointes de pollution. * Ingénieur en chef des mines, chef du service de l'Industrie et des Mines du Nord Pas-de-Calais, directeur de l'Ecole des mines de Douai. ** Ingénieurs des mines, service de l'Industrie et des Mines du Nord Pas-de-Calais. MOTS CLES : PROTECTION (contrôle), POLLUTION, AIR, NORD (Dunkerque). Aussi le réseau actuel a-t-il été mis en place, en concertation avec les collectivités locales et les industriels, dans l'espoir d'aboutir à terme à une procédure d'alerte qui permette de prévenir ces phases de pollution aiguë. Les frais d'investissement ont été pris en charge par l'Etat (ministère de l'Environnement et du Cadre de Vie) et EdF ; les frais de fonctionnement sont partagés entre les collectivités locales et les industriels avec une participation de l'Etat. I. LE RESEAU DE MESURES (fig. 1 et 2) Les choix essentiels qui ont procédé à la
des mesures supplémentaires adaptées au caractère intermittent de ces pointes de pollution. * Ingénieur en chef des mines, chef du service de l'Industrie et des Mines du Nord Pas-de-Calais, directeur de l'Ecole des mines de Douai. ** Ingénieurs des mines, service de l'Industrie et des Mines du Nord Pas-de-Calais. MOTS CLES : PROTECTION (contrôle), POLLUTION, AIR, NORD (Dunkerque). Aussi le réseau actuel a-t-il été mis en place, en concertation avec les collectivités locales et les industriels, dans l'espoir d'aboutir à terme à une procédure d'alerte qui permette de prévenir ces phases de pollution aiguë. Les frais d'investissement ont été pris en charge par l'Etat (ministère de l'Environnement et du Cadre de Vie) et EdF ; les frais de fonctionnement sont partagés entre les collectivités locales et les industriels avec une participation de l'Etat. I. LE RESEAU DE MESURES (fig. 1 et 2) Les choix essentiels qui ont procédé à la mise en place de ce réseau sont les suivants : 1) La combustion d'hydrocarbures soufrés étant la cause principale de la pollution atmosphérique, les appareils de mesure de SCK sont plus nombreux que ceux mesurant les autres polluants. Le réseau effectue : — 14 mesures de dioxyde de soufre ; — 7 mesures d'acidité forte (réseau EdF) ; — 4 mesures d'oxyde d'azote ; — 3 mesures d'hydrocarbures totaux ; — 3 mesures de monoxyde de carbone. Fig. 2. — Schéma d'implantation du réseau. (Grafic-photo Dunkerque) 2) La proximité de la mer rendait nécessaire la mesure spécifique du dioxyde de soufre. En effet, les appareils anciens soufre-fumée mesuraient uniquement l'acidité de l'air. Or, les embruns marins légèrement alcalins neutralisent partiellement le dioxyde de soufre. Le SO. est donc mesuré soit par des appareils COSMA (fluorescence UV) ou SERES (photométrie de flamme). Le même choix a été fait pour Fig. 1. — Schéma d'ensemble du réseau. (Grafic-photo Dunkerque) les autres polluants ; ainsi les oxydes d'azote sont-ils mesurés par chimie-luminescence, les hydrocarbures totaux par ionisation de flamme et le monoxyde de carbone par absorption infra-rouge. 3) Il a semblé, et l'intuition initiale se révèle confirmée, que l'un des aspects essentiels à
— 7 mesures d'acidité forte (réseau EdF) ; — 4 mesures d'oxyde d'azote ; — 3 mesures d'hydrocarbures totaux ; — 3 mesures de monoxyde de carbone. Fig. 2. — Schéma d'implantation du réseau. (Grafic-photo Dunkerque) 2) La proximité de la mer rendait nécessaire la mesure spécifique du dioxyde de soufre. En effet, les appareils anciens soufre-fumée mesuraient uniquement l'acidité de l'air. Or, les embruns marins légèrement alcalins neutralisent partiellement le dioxyde de soufre. Le SO. est donc mesuré soit par des appareils COSMA (fluorescence UV) ou SERES (photométrie de flamme). Le même choix a été fait pour Fig. 1. — Schéma d'ensemble du réseau. (Grafic-photo Dunkerque) les autres polluants ; ainsi les oxydes d'azote sont-ils mesurés par chimie-luminescence, les hydrocarbures totaux par ionisation de flamme et le monoxyde de carbone par absorption infra-rouge. 3) Il a semblé, et l'intuition initiale se révèle confirmée, que l'un des aspects essentiels à l'élaboration d'une procédure d'alerte était la bonne connaissance des phénomènes atmosphériques : un accent tout particulier donc a été mis sur l'acquisition des données météorologiques. a) Un appareil Nagrafax nous permet d'avoir accès en continu par faisceaux hertziens à l'ensemble des données synoptiques disponibles auprès de la Météorologie nationale. Le réseau dispose de deux stations de météorologie classique ; l'une est constituée par un mât météorologique de 80 m, pris en charge par la centrale nucléaire de Gravelines équipée des appareils suivants : — 3 anemogirouettes aux hauteurs de 10, 40 et 80 m (6 mesures) ; — 4 sondes de température à 10, 40, 60 et 80 m (4 mesures) ; — 2 hygromètres à 10 et 80 m (2 mesures) ; — 1 pluviomètre au sol (1 mesure) ; — 1 radiomètre au sol (1 mesure) ; — 1 capteur de pression (1 mesure) ; l'autre est constituée par l'anemogirouette de la centrale thermique EDF de Dunkerque. Enfin, trois stations de micro-météorologie (Bertin) ont été installées sur la zone. Chacune d'elles se compose d'un anémomètre tri-dimensionnel Alcyon, d'une sonde de température Bertin et d'un microprocesseur de traitement Alcyon. Le microprocesseur analyse les résultats de l'anémomètre et de la
réseau dispose de deux stations de météorologie classique ; l'une est constituée par un mât météorologique de 80 m, pris en charge par la centrale nucléaire de Gravelines équipée des appareils suivants : — 3 anemogirouettes aux hauteurs de 10, 40 et 80 m (6 mesures) ; — 4 sondes de température à 10, 40, 60 et 80 m (4 mesures) ; — 2 hygromètres à 10 et 80 m (2 mesures) ; — 1 pluviomètre au sol (1 mesure) ; — 1 radiomètre au sol (1 mesure) ; — 1 capteur de pression (1 mesure) ; l'autre est constituée par l'anemogirouette de la centrale thermique EDF de Dunkerque. Enfin, trois stations de micro-météorologie (Bertin) ont été installées sur la zone. Chacune d'elles se compose d'un anémomètre tri-dimensionnel Alcyon, d'une sonde de température Bertin et d'un microprocesseur de traitement Alcyon. Le microprocesseur analyse les résultats de l'anémomètre et de la sonde de température pour fournir trois données fondamentales : — le flux de chaleur (en trois dimensions) ; — la contrainte de frottement ; — la direction et la vitesse du vent (en trois dimensions). L'intérêt de ces dernières mesures réside essentiellement dans une meilleure compréhension de l'ensemble terre-atmosphère considéré comme une machine thermique. L'objectif étant de parvenir à l'établissement d'un modèle d'alerte, le réseau doit être automatique. Toutes les trois minutes, sur intervention de la centrale téléphonique Solar 16-05, les mesures sont transmises par lignes téléphoniques spécialisées : le pilotage du système se fait, en cas de besoin, par un télétype ASR 390. Les moyennes quart d'heure, tri-horaires et journalières sont affichées sur imprimante rapide (modèle T 1202 constructeur Tally). L'ensemble des mesures est stocké sur disques souples format TE. II. LES PHÉNOMÈNES OBSERVÉS L'ensemble de ces moyens a permis jusqu'à présent de déceler et comprendre trois grands types de phénomènes de pollution : — les retombées de panaches ; — les pollutions anticycloniques par vent d'est ; — les phénomènes brise de terre brise de mer. 1. Les retombées de panaches Ce phénomène très courant peut être observé dès que le vent dépasse 2 à 3 mètres/seconde. Alors
comme une machine thermique. L'objectif étant de parvenir à l'établissement d'un modèle d'alerte, le réseau doit être automatique. Toutes les trois minutes, sur intervention de la centrale téléphonique Solar 16-05, les mesures sont transmises par lignes téléphoniques spécialisées : le pilotage du système se fait, en cas de besoin, par un télétype ASR 390. Les moyennes quart d'heure, tri-horaires et journalières sont affichées sur imprimante rapide (modèle T 1202 constructeur Tally). L'ensemble des mesures est stocké sur disques souples format TE. II. LES PHÉNOMÈNES OBSERVÉS L'ensemble de ces moyens a permis jusqu'à présent de déceler et comprendre trois grands types de phénomènes de pollution : — les retombées de panaches ; — les pollutions anticycloniques par vent d'est ; — les phénomènes brise de terre brise de mer. 1. Les retombées de panaches Ce phénomène très courant peut être observé dès que le vent dépasse 2 à 3 mètres/seconde. Alors que l'ensemble des capteurs donne des indications de "faible concentration", l'une des stations de mesure fournit des mesures significatives ; une brève analyse permet d'ordinaire de déceler que le capteur est dans le vent d'une cheminée d'usine. Comme le vent dominant sur Dunkerque est d'ouest-sud-ouest, c'est par de telles directions de vent que sont observées le plus couramment les retombées de panache. 2. Les pollutions anticycloniques par vent d'est (fig. 3) Les seuls cas de pointe de pollution pour l'instant observés durant la période d'hiver sont dus à l'établissement sur la zone d'une inversion de température (fig. 4). Dans une situation atmosphérique stable, qui limite le brassage des couches basses de l'atmosphère, s'établit au cours de la nuit le phénomène d'inversion : la terre perd sa chaleur par rayonnement, sans donc réchauffer les couches basses de l'atmosphère. Par conduction, celles-ci cèdent progressivement et couche par couche leur chaleur à la terre. En fin de nuit, les couches d'air à basse altitude se sont plus refroidies que celles qui les surmontent et la température de l'air est donc croissante avec l'altitude. Ce n'est qu'au-delà d'une certaine hauteur que la température de l'air reprend avec l'altitude sa décroissance normale. Le phénomène peut
de vent que sont observées le plus couramment les retombées de panache. 2. Les pollutions anticycloniques par vent d'est (fig. 3) Les seuls cas de pointe de pollution pour l'instant observés durant la période d'hiver sont dus à l'établissement sur la zone d'une inversion de température (fig. 4). Dans une situation atmosphérique stable, qui limite le brassage des couches basses de l'atmosphère, s'établit au cours de la nuit le phénomène d'inversion : la terre perd sa chaleur par rayonnement, sans donc réchauffer les couches basses de l'atmosphère. Par conduction, celles-ci cèdent progressivement et couche par couche leur chaleur à la terre. En fin de nuit, les couches d'air à basse altitude se sont plus refroidies que celles qui les surmontent et la température de l'air est donc croissante avec l'altitude. Ce n'est qu'au-delà d'une certaine hauteur que la température de l'air reprend avec l'altitude sa décroissance normale. Le phénomène peut atteindre une profondeur de quelques centaines de mètres en fin de nuit. (Fig. 3. — Situation conduisant à des pointes de pollution en hiver. (Grafic-photo Dunkerque)) Les polluants émis se trouvent donc enfermés dans cette couche d'inversion, ce qui renforce d'autant les retombées sur la zone. Ce phénomène, observé à trois reprises, présente deux particularités notables : — Pour que l'inversion s'installe, une stabilité des couches atmosphériques est nécessaire ; celle-ci n'apparaît en réalité que si Dunkerque est sous l'influence d'un anticyclone. Or, en règle générale, ces situations ne sont possibles que dans le cas d'un anticyclone en provenance de Russie et centré sur l'Europe du Nord. La circulation des vents autour d'un anticyclone se faisant dans le sens des aiguilles d'une montre, le vent sur Dunkerque vient généralement de l'est-sud-est. En d'autres termes, alors que le vent dominant sur Dunkerque est un vent d'ouest-sud-ouest, le vent qui l'hiver correspond aux pointes de pollution est sans doute un vent d'est-sud-est. On retrouve le même phénomène sur Lille et Paris. — La zone industrielle-portuaire est située à l'ouest de la ville. Si l'on observe malgré tout l'apparition de fortes concentrations sur l'ensemble des capteurs, c'est qu'en réalité, dans une large mesure,
trois reprises, présente deux particularités notables : — Pour que l'inversion s'installe, une stabilité des couches atmosphériques est nécessaire ; celle-ci n'apparaît en réalité que si Dunkerque est sous l'influence d'un anticyclone. Or, en règle générale, ces situations ne sont possibles que dans le cas d'un anticyclone en provenance de Russie et centré sur l'Europe du Nord. La circulation des vents autour d'un anticyclone se faisant dans le sens des aiguilles d'une montre, le vent sur Dunkerque vient généralement de l'est-sud-est. En d'autres termes, alors que le vent dominant sur Dunkerque est un vent d'ouest-sud-ouest, le vent qui l'hiver correspond aux pointes de pollution est sans doute un vent d'est-sud-est. On retrouve le même phénomène sur Lille et Paris. — La zone industrielle-portuaire est située à l'ouest de la ville. Si l'on observe malgré tout l'apparition de fortes concentrations sur l'ensemble des capteurs, c'est qu'en réalité, dans une large mesure, la ville se pollue. Sur les 250 t/j de SO2 rejetées sur la zone, la part de la ville se monte à une dizaine de tonnes/jour. Cette part faible dans l'ensemble des rejets a cependant un impact important, ces rejets se faisant à faible altitude. 3. Les phénomènes brise de terre brise de mer Depuis quelques mois, nous sommes passés d'un système climatique d'hiver à un système climatique d'été qui donne lieu à l'apparition de pointes de pollution pour des raisons entièrement différentes. Le phénomène le plus notable est celui des brises de terre brises de mer (fig. 5). Celui-ci apparaît lorsque la zone de Dunkerque se trouve dans un « marais barométrique » : la zone n'est ni sous l'influence d'un anticyclone ni sous celle d'une dépression. La pression locale est donc très voisine de la pression moyenne 1015 mb. Les isobares sont très distantes les unes des autres et, de ce fait, le vent synoptique (vent à grande échelle) est faible et les phénomènes de micro-climat deviennent alors prépondérants. Le réchauffement de la terre tout au long de la journée se fait plus rapidement que celui de la mer si bien qu'on voit apparaître en fin d'après-midi une
terre brise de mer Depuis quelques mois, nous sommes passés d'un système climatique d'hiver à un système climatique d'été qui donne lieu à l'apparition de pointes de pollution pour des raisons entièrement différentes. Le phénomène le plus notable est celui des brises de terre brises de mer (fig. 5). Celui-ci apparaît lorsque la zone de Dunkerque se trouve dans un « marais barométrique » : la zone n'est ni sous l'influence d'un anticyclone ni sous celle d'une dépression. La pression locale est donc très voisine de la pression moyenne 1015 mb. Les isobares sont très distantes les unes des autres et, de ce fait, le vent synoptique (vent à grande échelle) est faible et les phénomènes de micro-climat deviennent alors prépondérants. Le réchauffement de la terre tout au long de la journée se fait plus rapidement que celui de la mer si bien qu'on voit apparaître en fin d'après-midi une brise de mer. Il se produit au-dessus de la terre (plus chaude que la mer) une pompe de chaleur qui se poursuit en altitude par un courant en direction de la mer. Ce courant retombe sur la mer plus froide et se termine par un vent de basse altitude dirigé de la mer vers la terre. Ainsi donc, on a : • un vent faible en provenance de la mer ; • une situation d'inversion de température en altitude puisque l'air chaud circulant en altitude de la terre vers la mer est plus chaud que l'air venant de la mer en basse altitude, • les couches atmosphériques voisines du sol sont dans une situation suradiabatique (très forte décroissance de la température en fonction de l'altitude) due au fait que l'air froid venant de la mer est sensiblement plus froid que la terre réchauffée par le soleil. Cette condition conduit à une bonne dispersion des polluants sous la couche d'inversion mais provoque des pointes de pollution notables. Les éléments les plus marquants de la pollution atmosphérique par brise de mer sont donc les suivants : -il s'agit d'un phénomène essentiellement local qui nécessite pour être bien compris des éléments d'analyse d'une
de la mer vers la terre. Ainsi donc, on a : • un vent faible en provenance de la mer ; • une situation d'inversion de température en altitude puisque l'air chaud circulant en altitude de la terre vers la mer est plus chaud que l'air venant de la mer en basse altitude, • les couches atmosphériques voisines du sol sont dans une situation suradiabatique (très forte décroissance de la température en fonction de l'altitude) due au fait que l'air froid venant de la mer est sensiblement plus froid que la terre réchauffée par le soleil. Cette condition conduit à une bonne dispersion des polluants sous la couche d'inversion mais provoque des pointes de pollution notables. Les éléments les plus marquants de la pollution atmosphérique par brise de mer sont donc les suivants : -il s'agit d'un phénomène essentiellement local qui nécessite pour être bien compris des éléments d'analyse d'une grande finesse (il serait utile de connaître la hauteur du sommet de la couche d'inversion) ; — de même que les pointes de pollution en hiver apparaissent sous l'influence d'un anticyclone et donc par beau temps, de même ici, il faut un grand soleil pour que la brise de mer apparaisse (nécessité d'un réchauffement suffisant de la terre pour déclencher les pompes ascensionnelles) ; c'est donc aussi par beau temps qu'apparaîtront ces pointes de pollution. Pour comprendre ces phénomènes et s'assurer de la pertinence des analyses, il nous a semblé essentiel de reconstituer, dans la mesure du possible et cas par cas, les concentrations observées à partir des connaissances que nous avions sur les émissions à l'atmosphère et des conditions météorologiques, au moyen de la modélisation des phénomènes. Deux grands types de modèles ont été testés ou vont l'être avec le concours de l'École des mines de Douai (travaux de M. Raak, ingénieur élève des Mines). 1. Les modèles gaussiens Ils reposent tous sur la résolution dans un cas particulier de l'équation de la diffusion. a) Le Steady State Gaussian Plume Model élaboré à la suite de Pasquill par Turner et Gifford, repose sur une hypothèse essentielle : à l'intérieur
apparaisse (nécessité d'un réchauffement suffisant de la terre pour déclencher les pompes ascensionnelles) ; c'est donc aussi par beau temps qu'apparaîtront ces pointes de pollution. Pour comprendre ces phénomènes et s'assurer de la pertinence des analyses, il nous a semblé essentiel de reconstituer, dans la mesure du possible et cas par cas, les concentrations observées à partir des connaissances que nous avions sur les émissions à l'atmosphère et des conditions météorologiques, au moyen de la modélisation des phénomènes. Deux grands types de modèles ont été testés ou vont l'être avec le concours de l'École des mines de Douai (travaux de M. Raak, ingénieur élève des Mines). 1. Les modèles gaussiens Ils reposent tous sur la résolution dans un cas particulier de l'équation de la diffusion. a) Le Steady State Gaussian Plume Model élaboré à la suite de Pasquill par Turner et Gifford, repose sur une hypothèse essentielle : à l'intérieur du panache, la distribution des concentrations suit une loi gaussienne. Ce modèle a été testé sur tous les cas pour lesquels on avait la situation idéale d'une cheminée et d'un capteur dans l'axe du vent. Les résultats obtenus sont relativement satisfaisants (20 % à 30 % d'écart) pour tous les cas habituels de retombées de panaches et certains cas de pollution par vent d'est en situation anti-cyclonique (cas des pollutions industrielles). b) Le même type de modèle avec trapping qui prend en compte l'existence d'une couche de mélange sous la couche d'inversion par phénomène de double miroir (terre et couche d'inversion) devrait être très prochainement testé sur les cas de pollution par brise de mer. c) On songe de même dans un avenir très proche à prendre en compte l'influence sur les concentrations mesurées des phénomènes de précipitations. Le lessivage de l'atmosphère par la pluie devrait être appréhendé par l'intermédiaire d'une fonction exponentielle décroissante en fonction du temps. d) Les trois modèles précédents sont inopérants pour des cas de vent nul (pollution par vent d'est en situation anti-cyclonique lorsque la vitesse du vent tend vers zéro). Nous poursuivons la schématisation des phénomènes observés grâce au Puff Model (modèle-bouffée) mis au
cas habituels de retombées de panaches et certains cas de pollution par vent d'est en situation anti-cyclonique (cas des pollutions industrielles). b) Le même type de modèle avec trapping qui prend en compte l'existence d'une couche de mélange sous la couche d'inversion par phénomène de double miroir (terre et couche d'inversion) devrait être très prochainement testé sur les cas de pollution par brise de mer. c) On songe de même dans un avenir très proche à prendre en compte l'influence sur les concentrations mesurées des phénomènes de précipitations. Le lessivage de l'atmosphère par la pluie devrait être appréhendé par l'intermédiaire d'une fonction exponentielle décroissante en fonction du temps. d) Les trois modèles précédents sont inopérants pour des cas de vent nul (pollution par vent d'est en situation anti-cyclonique lorsque la vitesse du vent tend vers zéro). Nous poursuivons la schématisation des phénomènes observés grâce au Puff Model (modèle-bouffée) mis au point par M. Doury au CEA et MM. Croke, Roberts, Kennedy à l'Argonne National Laboratory (Illinois) pour prendre en compte à l'origine le phénomène de diffusion dans l'atmosphère à la suite d'une explosion nucléaire. On peut en effet considérer que les rejets d'une cheminée sont une succession de bouffées de polluants et modéliser ainsi l'impact de ces rejets en intégrant sur le temps les modèles précédents. Cette démarche a été suivie par M. Chin'Ichi Okamoto et Kiyoshige Shiozawa (Validation of an air pollution model for the Kechin Area Atm. Env. 12) et paraît aisément reproductible. 2. Les modèles boîtes De même que l'appréhension des phénomènes par vent nul demande que l'on utilise des modèles bouffées, de même l'application des modèles gaussiens est limitée par la connaissance que l'on peut avoir des rejets à l'atmosphère. Autant il est aisé de connaître relativement bien les rejets émis par chacune des cheminées industrielles, autant il est compliqué de constituer une cartographie précise des rejets domestiques d'une ville. Ainsi donc, si l'on cherche à modéliser la pollution de la ville par elle-même, il est nécessaire de passer à un autre type de modèle dit modèle boîte développé par Hanna et Gifford (Modeling urban air