Conception optimale d’un réseau de mesure permettant de caractériser les principaux émetteurs - application dans une zone industrielle

05/09/2017
Publication e-STA e-STA 2008-2
OAI : oai:www.see.asso.fr:545:2008-2:19825
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Conception optimale d’un réseau de mesure permettant de caractériser les principaux émetteurs - application dans une zone industrielle

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E-REVUE DES SCIENCES ET TECHNOLOGIES DE LAUTOMATIQUE, VOL. X, NO. X, XXXX 2007 1 Conception optimale d’un r´eseau de mesure permettant de caract´eriser les principaux ´emetteurs -application dans une zone industrielle Anis Khlaifi, Anda Ionescu et Yves Candau, Laboratoire CERTES, Universit´e Paris Val de Marne, France khlaifi,ionescu,candau@univ-paris12.fr R´esum´e—Cette ´etude a comme objectif de d´evelopper une m´ethodologie pour la conception d’un r´eseau de mesure perme- ttant l’estimation des principales sources de pollution chronique et connues, dans un but de surveillance. Le cas d’´etude choisi correspond `a une zone industrielle situ´ee en Yvelines, autour de la vall´ee de la Seine, en aval de Paris, o`u il y a trois sources ´emettrices de quantit´es importantes de SO2. La premi`ere ´etape de notre m´ethodologie vise la cr´eation des mesures aux capteurs fictifs r´epartis uniform´ement et en grand nombre sur toute la r´egion autour des sources, en g´en´erant des donn´ees semi-synth´etiques `a partir des donn´ees m´et´eorologiques r´eelles et des caract´eristiques des sources (plage de variation des d´ebits d’´emissions, des temp´eratures `a la sortie etc.) ; pour cela on utilise le mod`ele gaussien de Pasquil. Dans le cadre de la deuxi`eme ´etape on proc`ede `a la s´election des capteurs les plus prometteurs au sens de la pr´ecision d’estimation des ´emissions des sources en utilisant des m´ethodes d’analyse statistique lin´eaires et non- lin´eaires. L’estimation des sources est r´ealis´ee par une r´esolution non-lin´eaire aux sens des moindres carr´es. Mots Cl´es—Pollution de l’air, SO2, Conception d’un r´eseau de mesure, Inversion des sources, Mod`ele Gaussien, Analyse en Composantes Principales `a Noyaux, Classification Ascendante Hi´erarchique. I. INTRODUCTION DANS toutes les agglom´erations urbaines franc¸aises de plus de 250 000 habitants, la Loi sur l’air de 1996 impose l’impl´ementation d’un r´eseau de surveillance de la qualit´e de l’air. La conception du r´eseau prend en compte une multitude de crit`eres, comme le mode d’occupation des sols, en plus d’une mod´elisation d´eterministe donnant des informations sur la variabilit´e spatiale du ph´enom`ene. Une fois conc¸u, le r´eseau peut ˆetre optimis´e en utilisant, par exemple, les m´ethodes g´eostatistiques qui donnent en plus du champ interpol´e, la carte de variance de l’erreur de l’estimation. Le but de notre travail n’est pas de concevoir ou d’optimiser un r´eseau de surveillance de la qualit´e de l’air ; nous cher- chons, pour une configuration de sources fixes de localisation connue, un ensemble optimal de capteurs (nombre et position `a d´eterminer) permettant d’estimer les ´emissions de ces sources. La m´ethode que nous avons d´evelopp´ee est exploitable `a condition d’avoir des informations sur les sources potentielles (par exemple plage de variation des d´ebits d’´emission) ; elle est applicable donc exclusivement `a la surveillance des sources chroniques et connues. Dans une ´etape ant´erieure, nous avons ´etudi´e la possibilit´e de quantifier des sources de pollution, `a partir des stations de mesure de la qualit´e de l’air existantes, et des facteurs m´et´eorologiques. La m´ethodologie a ´et´e bas´ee sur l’inversion d’un mod`ele gaussien de diffusion par lin´earisation ou op- timisation combinatoire [1], [2], pour un cas d’´etude r´eel, le mˆeme qui a servi comme base de d´eveloppement dans cette pr´esentation. Les concentrations horaires de polluants, mesur´ees par 3 capteurs pendant une journ´ee ont permis dans certains cas une estimation assez pr´ecise des 3 principales sources existantes, tandis que dans d’autres cas, cette inversion avait ´echou´e. Les cas d’´echec correspondent essentiellement aux situations lorsque le capteur n’enregistre pas d’information provenant des sources. Par cons´equent, il nous a sembl´e int´eressant de chercher un ensemble de capteurs permettant de remonter aux ´emissions des sources, pour la plupart des situations m´et´eorologiques. II. DESCRIPTION DU SITE D’´ETUDE Le site d’´etude (figure 1) est une zone industrielle d’environ 221 km2 situ´e `a 50 Km au nord-ouest de Paris dans la grande banlieue francilienne, qui constitue un couloir au long de la Seine, o`u sont install´ees trois industries ´emettant des quantit´es importantes de SO2 : une centrale EDF situ´ee `a Porcheville (EDF-Porcheville), une usine Renault situ´e `a Aubervilliers et une chaufferie Somec situ´e `a Mantes-la-Jolie. Fig. 1. Site d’´etude : sources industrielles (•) et points de mesure de la concentration en SO2 ( ). Des mesures de concentrations de SO2 sont relev´ees en continu par le r´eseau de surveillance de la qualit´e de l’air de la e-STA copyright © 2008 by see Volume 5 (2008), N°2 pp 7-12 E-REVUE DES SCIENCES ET TECHNOLOGIES DE LAUTOMATIQUE, VOL. X, NO. X, XXXX 2007 2 r´egion d’Ile-de-France, AIRPARIF, sur les capteurs situ´es aux sites de Bonni`eres-sur-Seine, Les Mureaux, Mante-la-Jolie et Limay (figure 1). Les sources et les capteurs se trouvent sur un terrain plat, sans aucun obstacle topographique qui puisse perturber la relation source-capteur. III. ESTIMATION DES D ´EBITS D’´EMISSIONS La formulation d’un probl`eme inverse sous la forme de la minimisation d’un crit`ere relatif aux erreurs entre les calculs donn´es par un mod`ele direct et les mesures r´eelles s’av`ere une phase primordiale dans la proc´edure d’inversion. En effet, `a l’aide du mod`ele gaussien de diffusion [3], on calcule les concentrations horaires de SO2 au niveau de chaque capteur, qu’on appellera concentration th´eorique Cth; Cth est calcul´ee `a partir d’un jeu de param`etres d’´emission fix´e et les param`etres m´et´eorologiques mesur´es, en superposant les effets de toutes les sources : Cth j = 3 i=1 Ci,th j , ∀1 ≤ j ≤ 3. (1) o`u Cj i,th repr´esente l’impact de la source i sur le capteur j qui peut s’exprimer par : Ci,th j = Qi 2πσy,i,jσz,i,jU × exp − 1 2 yj σy,i,j 2 × exp − 1 2 zj − Hi σz,i,j 2 + exp − 1 2 zj + Hi σz,i,j 2 (2) avec U:vitesse du vent (m.s−1 ), y la distance sous le vent (m), z la distance verticale au dessus du sol (m); σy et σy expriment la diffusion turbulente des nuages suivant les directions y et z (m) et H la hauteur effective d’´emission (m). Cette hauteur effective s’exprime H = hs+∆h, avec hs la hauteur physique de la chemin´ee (m) et ∆h la sur´el´evation du panache (m) calcul´ee par la formule d’Holland [6]: ∆h = (1.5V ds + 4.10−5 CpQ(T − Ta))U−1 , (3) avec ds le diam`etre de la chemin´ee (m), Cp la chaleur sp´ecifique du polluant `a pression constante (J.g−1 .K−1 ), Ta la temp´erature ambiante (K), Q le d´ebit d’´emission (g.s−1 ), T la temp´erature d’´emission (K) et V la vitesse d’´emission (m.s−1 ). On dispose ´egalement pour chaque capteur des mesures r´eelles de concentration de SO2, Cmes. A partir de ces deux informations Cth et Cmes, le probl`eme inverse peut se d´efinir comme ´etant l’estimation, pour chaque source, des d´ebits d’´emission horaire Qs, tels que l’´ecart entre Cth et Cmes soit minimum. Le probl`eme inverse s’´ecrit sous la forme suivante : X = (Q1, Q2, Q3) =? tel que Cmes = Cth. (4) La r´esolution au sens des moindres carr´es non-lin´eaires [7] permet d’obtenir au moins une quasi-solution qui minimise la norme du r´esidu : Cth − Cmes R4 = 1 2 Nc=4 j=1 (Cth j − Cj mes)2 . (5) IV. CONCEPTION DU R ´ESEAU DE MESURE A. Donn´ees synth´etiques Nous disposons des caract´eristiques de fonctionnement des trois principaux ´emetteurs du site durant Mars 1992 (d´ebit, temp´erature et vitesse) ; ceci nous a permis de d´eduire la plage de variation des param`etres d’´emissions de SO2 et g´en´erer al´eatoirement d’autres valeurs d’´emission tri-horaires, couvrant une p´eriode de 2 ans. Nous avons fait ce choix, car nous disposons d’une base de donn´ees m´et´eorologiques tri- horaires enregistr´ees par la station de M´et´eo France situ´ee `a Trappes (28.5 km sud est de la source EDF Porcheville), pendant deux ans : vitesse et direction du vent, temp´erature ambiante, pression atmosph´erique et n´ebulosit´e. Un maillage r´egulier de 10x10 capteurs fictifs est d´efini, couvrant le domaine o`u sont plac´ees les sources, soit une zone de 22 km x 21 km. Le choix du maillage a donc ´et´e fait sur un argument de bon recouvrement de l’espace d’´etude. A partir des donn´ees m´et´eorologiques enregistr´ees et des ´emissions simul´ees (g´en´er´ees al´eatoirement sur la p´eriode d’´etude en utilisant les limites inf´erieures et sup´erieures d’´emission de chacune des trois sources), on calcule, en utilisant le mod`ele gaussien (2), les valeurs tri-horaires de concentrations, pour les 2 ans d’´etude, aux 100 capteurs fictifs. Pour chaque capteur, on cherche la valeur maximale en- registr´ee et on identifie la situation (´emissions + m´et´eo) correspondante. On ne garde pas uniquement le jeu de valeurs tri-horaires, mais toute la journ´ee o`u la situation s’est produite. On appelle ces journ´ees, journ´ees d’´etudes. Ce crit`ere de d´etection du maximum pour chaque capteur nous permet ainsi de r´eduire la p´eriode de 2 ans `a 66 jours d’´etude les plus repr´esentatifs, soit 528 sc´enarios. B. Choix de r´eseau initial Un r´eseau est constitu´e en choisissant n capteurs parmi les 100 capteurs fictifs (n ≥ 3). Pour un choix donn´e du r´eseau, une estimation des ´emissions des sources est mise en place sur la base d’une inversion au sens des moindres carr´es du mod`ele gaussien non-lin´eaire, et permet de d´efinir pour chaque source un indice de performance : (IP)1