Soutenance mémoire
La couche limite atmosphérique
En raison de la forme ellipsoïdale de la terre, les régions équatoriales reçoivent plus de rayonnement solaire que les régions polaires. Cette répartition inégale de la chaleur sur la planète occasionne des mouvements convectifs de l’air dans l’atmosphère. Les mouvements convectifs sont soumis à la force de Coriolis (force liée à la rotation de la Terre) et à la force de frottement (force de contact avec le sol). L’influence de ces deux forces sur le mouvement de l’air permet de distinguer, du point de vue dynamique, deux zones au sein de l’atmosphère :
L’atmosphère libre, zone où les effets de frottements deviennent négligeables devant ceux de la force de Coriolis.
La couche limite atmosphérique (CLA), située au voisinage du sol, c’est la zone où la force de frottement devient importante progressivement par rapport à la force de Coriolis. La CLA est définie comme la partie de la troposphère directement soumise à l’influence de la surface terrestre et donc du cycle diurne (Sportisse B., 2008). Avec une hauteur comprise entre 100 et 2000 m, la CLA comprend du point de vue dynamique, la couche de transition d’Ekman, la couche limite de surface (CLS) et la canopée.
La CLA est la couche où se développe la majeure partie des phénomènes de dispersion. Cette dispersion est néanmoins influencée par des phénomènes qui se déroulent dans toute la troposphère. Pour comprendre les phénomènes de dispersion, les grandeurs physiques qui gouvernent ses phénomènes sont définis : le vent caractérisé par sa vitesse, la température et la pression des masses d’air atmosphériques.
Le vent :La vitesse du vent résulte de l’équilibre entre les forces de pression, la force de Coriolis et les forces de frottement (Mazzuoli, 2009). La vitesse du vent augmente généralement avec la hauteur. Lorsque la vitesse du vent augmente dans une période de temps, le volume d’air qui se déplace augmente. La direction du vent qui peut changer dans une très courte période oriente le volume d’air.
La pression :Les mouvements ascendants et descendants des masses d’air subissent l’effet de la pression. Celle-ci décroît avec l’altitude sous l’effet de la gravité. La pression agit sur la dispersion en agissant sur l’écoulement de l’air.
La température :La variation de la température avec l’altitude a une grande influence sur le déplacement des polluants dans l’atmosphère. L’état de stabilité de l’atmosphère caractérisé par le gradient vertical de température.
La stabilité de l’atmosphère
La stabilité de l’atmosphère peut se définir par le type de turbulence atmosphérique (mécanique et thermique). Elle peut aussi être définie en comparant, le changement de densité qui survient à la suite de la montée ou la descente d’une parcelle d’air, avec la densité de l’air environnant (Vallero, 2008).
L’atmosphère stable : soit une parcelle d’air qui amorce un mouvement ascendant et que sa température diminue plus vite que la densité de l’air environnant. Étant plus froide, sa densité augmente par rapport à la densité de l’air environnant et elle revient à sa position initiale. Si par contre la parcelle d’air est descendante, la situation contraire se produit et elle est ramenée à sa position originale. (Altwicker, 1991 et Mazzuoli, 2009.) Ces conditions dites sous-adiabatiques freinent l’extension verticale des polluants et la diffusion des polluants y est défavorable (Mazzuoli, 2009).
L’atmosphère neutre correspond à l’état où une parcelle d’air qui monte a la même densité que l’air environnant. C’est la situation dans laquelle les conditions adiabatiques sont réalisées. Un polluant émis dans ses conditions ne subira aucun autre effet que celui lié à la force initiale de l’émission.
L’atmosphère instable correspond à l’état où une parcelle d’air monte et sa température diminue moins vite que celle de l’air environnant. Elle est donc plus légère que l’air environnant et poursuit son mouvement. Le phénomène inverse dans les mêmes conditions est réalisé pour une parcelle d’air descendante.
Le gradient vertical de température et le gradient adiabatique de température sont donc des mesures du degré de stabilité de l’atmosphère. Plusieurs notions telles que le nombre de Richardson, la classification de Pasquill, la longueur de Monin-Obukhov, ont été étudiées et établies pour définir cette stabilité. La méthode la plus utilisée est la classification de Pasquill (Goyal et al., 1996) utilisée dans le développement des modèles gaussiens que seront étudiés plus loin dans ce mémoire.
La stabilité de l’atmosphère, la température de l’air, la vitesse et la direction du vent, développés ci-dessus sont des facteurs majeurs qui affectent grandement la dispersion atmosphérique, et par conséquent, le comportement du panache.
Émissions polluantes et odeurs
Les polluants générés peuvent être d’origine anthropique ou naturelle. Ceux émis directement dans la nature sont désignés polluants primaires. Les polluants primaires sont transformés Altitude selon leur stabilité chimique par des réactions chimiques et photochimiques en d’autres espèces désignées polluants secondaires (Mazzuoli, 2009).
Les installations fixes de combustions, le trafic routier et aérien, l’incinération des déchets, les installations industrielles et artisanales, l’agriculture et l’élevage sont les activités humaines qui constituent les sources principales des polluants anthropiques. Des substances émises par des sources naturelles telles que les composés soufrés, les oxydes d’azote, les particules en suspension, les composés organiques peuvent s’ajouter ou réagir avec les polluants primaires émis des sources anthropiques (Mazzuoli, 2009). Certaines de ces activités humaines nécessitent des cheminées pour évacuer les gaz polluants rejetés. La dispersion des polluants rejetés par une cheminée peut être décomposée en quatre phases détaillées ci-dessous :
L’ascension :C’est l’élévation du panache, qui dépend de sa densité, de sa granulométrie, de sa température, de sa vitesse d’éjection, de la vitesse et la direction du vent. Si la température est élevée et que le rapport entre la vitesse d’éjection et la vitesse du vent est grand, il y a surélévation du panache. Pour que le panache ne se rabatte pas, la vitesse de sortie des gaz doit être 2,5 fois celle du vent. (Mazzuoli, 2009.)
La dispersion locale :Elle dépend des conditions météorologiques et de la turbulence atmosphérique. Durant cette phase, le panache se dilue.
La dispersion à l’échelle régionale (20 à 400 km) :La dilution uniforme des polluants et parfois leur transformation a lieu lors de cette phase. Cette dilution prend place dans la couche de mélange atmosphérique. Le dépôt (sec ou humide) des polluants dans le sol est aussi observé.
Le transport à longues distances :La pollution ici devient transfrontalière, car les polluants entraînés suffisamment haut par les mouvements ascendants peuvent être transportés à des milliers de kilomètres du point d’émission.
Les composés soufrés (hydrogène sulfuré, mercaptans, sulfure), les composés azotés (ammoniac, amines) et les molécules oxygénées (acide organique, aldéhydes) constituent généralement la composition des effluents odorants (Ademe, 2005). Dans la section suivante, après avoir défini les notions concernant les odeurs dans l’air, nous faisons un bref état de la réglementation sur les odeurs, leurs caractérisations, et les méthodes de mesure.
Caractérisation des odeurs
Plusieurs études se sont penchées sur l’influence des caractéristiques odorantes dans l’évaluation du niveau de gêne olfactive. D’après Vallero et al., 2005, la réponse humaine à la sensation de l’odeur est caractérisée par les dimensions suivantes : le seuil, l’intensité, le caractère et l’hédonisme. À ces dimensions, peut être ajouter la fréquence de perception, qui renseigne sur les expositions répétitives contribuant à la déstabilisation du paysage olfactif et par là une accumulation d’expériences négatives (Marjorie Pierrette et Moch, 2008). Rozec et al., 2003 dans l’analyse du contenu des plaintes pour nuisance environnementale reçue à paris entre juin 2001 et 2002 ont ressorti le fait que 60 % des personnes se plaignent lorsque les nuisances sont répétitives. Quant à eux, Freemen et Cudmore, 2002, proposent une approche générale selon laquelle l’impact de l’odeur résulte en une combinaison de facteurs regroupés sous l’acronyme anglais «FIDOL» pour «Frequency, Intensity, Duration, Offensiveness, Location»
Notion de concentration seuil :De manière théorique, il représente en moyenne le minimum de concentration de stimulus odorant nécessaire pour la perception d’un pourcentage déterminé de la population (50 %).
Cette concentration est définie comme étant 1 unité d’odeur (1OU). Sa valeur n’est pas un fait physiologique fixe ou une constante physique, mais plutôt un point statistique qui représente le mieux les résultats d’un groupe de populations. Deux types de seuil peuvent être évalués :
Le seuil de détection est la plus petite concentration qui suscite la réponse sensorielle des récepteurs olfactifs de 50 % de la population testée. L’odeur est détecté sans toutefois la reconnaître.
Le seuil de reconnaissance est la concentration minimale reconnue par 50 % de la population testée comme ayant une qualité d’odeur caractéristique. Dans ce cas, on arrive à décrire le caractère spécifique de l’odeur (Altwicker et al., 1999).
Notion d’intensité :L’intensité de l’odeur croît généralement avec sa concentration et représente la force de perception de la sensation de l’odeur. Pour éliminer la notion de subjectivité, cette force de perception a été utilisée pour définir les critères d’odeur dans la gestion des impacts d’odeur dans une communauté. Ainsi toutes les odeurs seront détectables à une concentration d’une unité d’odeur par mètre cube (1 o.u./m3). Tandis qu’à 2 o.u./m3 certaines odeurs seront perçues très faiblement. À dix fois la concentration ou à 10 o.u./m3, l’odeur sera perçue très distinctement (Patel, 2013).
Notion de qualité :La qualité de l’odeur équivaut à ce que le nez humain perçoit. L’american society for testing and materials (ASTM) dans sa publication DS 61 (Atlas of odor character profiles) de 1985 présente un profil de qualité pour 180 composés chimiques en se basant sur 146 échelles descripteurs. L’échelle utilise des termes comme odeur de poisson, de noix, de moisissure, de rance, d’égout et d’ammoniac. Cette échelle est utile dans le contrôle de la pollution de l’air pour décrire la source ou le processus responsable de l’odeur; car des qualités d’odeurs différentes sont associées à des processus ou des industries variés (Altwicker, 1999).
Notion d’hédonisme :Le caractère hédonique de l’odeur se réfère à son acceptabilité. C’est une catégorie de jugement qui est relatif au côté plaisant et déplaisant d’une odeur. L’importance de l’hédonisme dans les études de pollution de l’air n’est pas toujours justifiée; car, bien que plaisante, une odeur peut devenir répréhensible si elle persiste.
Selon Gostelow et al., 2001, les techniques de mesure des polluants odorants peuvent être regroupées sous trois catégories : analytique (analyse physico-chimique), sensorielle (analyse olfactométrique), senso-instrumentale (les nez électroniques).
Inventaire des odeurs dans le milieu récepteur
Dans le domaine des émissions atmosphérique, un récepteur est toute entité (hommes, animaux, plantes, bâtiments) qui reçoit les contaminants transportés (Vallero, 2008). La mesure des contaminants odorants dans le milieu récepteur concerne pour la plupart des cas la notion de gêne ou nuisance olfactive que peut subir l’homme (les riverains d’une structure qui rejette des substances odorantes) ou tout autre récepteur.
Le gène olfactif ou nuisance olfactive résulte de la perception de l’odeur par l’homme. La fréquence d’exposition (désagréable et très fréquente, désagréable et peu fréquente, agréable et très fréquente) à l’odeur comme mentionnée précédemment est un paramètre à considérer dans la notion de nuisance olfactive. Par ailleurs, sous certaines conditions, d’autres paramètres peuvent intervenir dans la notion de la nuisance olfactive. Evans et Stecker, 2004 mentionnent que le sentiment de contrôle sur l’environnement (prévisibilité de l’odeur) peut diminuer la notion de gêne; d’autre part Marjorie et Moch, 2008 ont réalisé que le manque d’information sur les évènements olfactifs d’une usine entraînerait une nuisance olfactive plus importante chez les riverains. L’image de l’usine et la dépendance à celle-ci sont aussi des paramètres importants dans la nuisance olfactive. Par exemple, Luginaah et al., 2002, dans une étude sur l’impact de l’odeur d’une raffinerie de Petro Canada, ont démontré l’existence d’un lien entre le niveau de nuisance olfactive et la satisfaction ou l’insatisfaction d’avoir une telle usine dans la communauté.
Au-delà de satisfaire à la réglementation, l’analyse dans le milieu récepteur, aura aussi pour but de répondre à diverses préoccupations des riverains. Certains outils utilisés pour cette analyse sont : Les observations olfactives avec jury de nez constitué de riverains; L’enquête auprès des riverains; L’analyse des plaintes; La modélisation de la dispersion : elle simule la dispersion des odeurs et permet de déterminer les zones géographiques impactées (Ademe, 2005).
Modélisation de la dispersion atmosphérique
La mesure de la nuisance olfactive, et donc de ses paramètres à la source, permet de fournir les éléments de base à l’orientation des réflexions et au réglage des modèles de dispersion atmosphérique. Le terme dispersion atmosphérique reflète le devenir d’une substance émise par une source naturelle ou anthropique dans le temps et dans l’espace. La modélisation de la dispersion atmosphérique permet sous des conditions météorologiques et topographiques particulières, de :
Simuler le transport et la dispersion des émissions atmosphériques afin d’évaluer leur impact théorique;
Calculer les valeurs d’émission à la source à respecter afin de ne pas dépasser la limite prévue par la réglementation (modélisation inverse).
La modélisation de la dispersion atmosphérique se positionne comme l’une des composantes les plus importantes dans un plan de gestion de la qualité de l’air en milieu urbain (Elsom,1994). Elle est indispensable pour évaluer les immissions d’une source d’émissions, concevoir des réseaux d’échantillonnage, aider à la décision, faire des études de risques ou simuler une pollution accidentelle (Mazzuoli, 2009). L’objectif fondamental étant de calculer la concentration dans l’air d’un ou plusieurs polluants dans l’espace et le temps. Ce calcul se fait en prenant en compte des variables indépendantes telles que les émissions dans l’atmosphère, la météorologie et les processus de transformation dégradation (Khare M. et Sharma P., 2002). Pour atteindre cet objectif, des méthodes mathématiques, physiques et statistiques sont employées; elles constituent ainsi l’une des bases de la classification des modèles.
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Table des matières
INTRODUCTION
CHAPITRE 1 REVUE DE LITTÉRATURE
1.1 Atmosphère et stabilité
1.1.1 Les différentes zones de l’atmosphère
1.1.2 La couche limite atmosphérique
1.1.3 La stabilité de l’atmosphère
1.2 Panache et dispersion
1.2.1 Les conditions de rejet
1.2.2 Le relief
1.3 Émissions polluantes et odeurs
1.3.1 Les odeurs dans l’air
1.3.2 La réglementation
1.3.3 Caractérisation des odeurs
1.3.4 Inventaire des odeurs à la source ou milieu émetteur
1.3.5 Inventaire des odeurs dans le milieu récepteur
1.3.6 Capacité et limitation des mesures
1.4 Modélisation de la dispersion atmosphérique
1.4.1 Classification des modèles
1.4.2 L’étude du CRIQ
1.5 Capacité et limitations de la modélisation
CHAPITRE 2 MÉTHODOLOGIE
2.1 Description des modèles AERMOD et CALPUFF
2.1.1 Description du modèle AERMOD
2.1.2 Description du modèle CALPUFF
2.2 Justification du choix du modèle CALPUFF
2.3 Étude par modélisation de la dispersion atmosphérique
2.3.1 Scénarios de modélisation
2.3.2 Domaine d’étude
2.3.3 Caractéristiques géophysiques du site
2.3.4 Les sources d’émission
2.3.5 Les récepteurs sensibles
2.3.6 Données météorologiques pour la période simulée
2.3.7 Les bâtiments
2.4 Types de simulation
2.5 Analyse de sensibilité
CHAPITRE 3 RÉSULTATS ET INTERPRÉTATION
3.1 Évaluation des immissions
3.1.1 Concentration maximale
3.1.2 Concentration maximale aux 4 et 10 minutes
3.2 Étude de sensibilité
3.2.1 Vitesse verticale en sortie cheminée
3.2.2 Température d’éjection en sortie cheminée
3.2.3 Le diamètre à l’émission (m)
3.2.4 La hauteur de la cheminée (m)
3.2.5 Les conditions optimales (m)
3.3 Évolution journalière des concentrations en odeur
CONCLUSION ET RECOMMANDATIONS
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