Formation sur la dispersion atmosphérique en milieux urbains
6. Modélisation de la dispersion atmosphérique en zones urbaines
Dans les zones urbaines, les bâtiments agissent comme les murs d'un canyon urbain. L'architecture des canyons urbains interagit avec l'écoulement d'air atmosphérique générant des champs de vent complexes, en particulier en présence d'immeubles très hauts. Il en résulte des structures locales de concentration qui sont difficilement prévisibles par un simple modèle gaussien.
Pour modéliser correctement la dispersion atmosphérique en milieu urbain, il est nécessaire de tenir compte explicitement de l'effet des bâtiments, de capturer la physique essentielle des processus d'écoulement d'air et de dispersion, et de fournir des estimations raisonnables des concentrations.
Des modèles mathématiques sophistiqués peuvent être utilisés pour prédire les écoulements d'air et la dispersion de substances en milieu urbain. La section de la Réponse aux Urgences Environnementales d'Environnement Canada (EC-SRUE) a développé un tel modèle basé sur le calcul de la dynamique des fluides. Il prend en compte la topographie, les obstacles et la turbulence afin d'obtenir des estimations plus précises de la dispersion du nuage de polluant et de son effet; tandis que les modèles gaussiens standards ou les modèles opérationnels lagrangiens ou eulériens n'en tiennent pas compte. Cependant, l'utilisation de ce type d'outil nécessite du personnel spécialisé, du matériel de calcul performant et surtout des données complètes et précises.
Description de base du CUDM (Modèle Canadien de Dispersion Urbaine)
EC-SRUE peut simuler les rejets de substances dans l'atmosphère partout dans le monde et à de différentes résolutions, mais ne dispose actuellement pas d'outils opérationnels qui tiennent compte de l'écoulement du vent complexe autour des bâtiments dans un environnement urbain. Pour combler cette lacune, le système CUDM a été conçu pour simuler l'écoulement du vent dans l'environnement urbain, et la dispersion de substances qui en résulte. Il permet ainsi que les agents CBRN (chimiques, biologiques, radiologiques et nucléaires) portés par le vent soient suivis à l'échelle des rues et autour de bâtiments.
Le système CUDM s'articule autour de trois composantes principales. La première composante est une «cascade» de modèles de prévision numérique du temps (PNT) partant de l'échelle régionale jusqu'à une version à plus haute résolution, et qui inclut des paramétrages de l'effet moyenné des surfaces urbaines sur l'atmosphère. Dans sa configuration complète, la cascade produit des champs de vent à 250 m de résolution (contre 10 km pour le modèle opérationnel canadien (GEM) de prévision numérique du temps à l'échelle régionale). La cascade fournit les conditions aux frontières du domaine de calcul ainsi que et les conditions initiales de la deuxième composante, qui est un modèle de calcul en dynamique des fluides. Ce dernier traite explicitement les bâtiments et il roule typiquement à une résolution de 1 à 10 m. Il calcule les champs moyens de vent et les statistiques de turbulences, nécessaires à la troisième composante qui est un modèle lagrangien de dispersion qui modélise le transport et la dispersion des polluants autour des bâtiments et dans les rues. La figure 6.1 représente une schématisation du système CUDM.
Figure 6.1: Les trois composantes principales du système CUDM. La cascade du modèle de prévision numérique du temps GEM. Elle fournit les conditions latérales et initiales du modèle CFD urbanSTREAM. Ce dernier, qui calcule l'écoulement complexe du vent autour des bâtiments et dans les rues, alimente à son tour le modèle lagrangien de dispersion urbanLS. En sortie du sytème, on dispose de champs de vent et de concentration de substances rejetées dans l'air, détaillés à l'échelle des bâtiments.
N.B.: Il est à noter que les détails du terme source (nature, quantité, position et mode de relâchement, etc.) sont rarement connus au temps initial lors d'une réponse aux urgences. Aussi, les produits CBRN peuvent intéragir avec d'autres composantes chimiques et être affectés par les conditions environnementales. Dans sa forme actuelle, le système CUDM est utilisé pour estimer l'évolution du panache de produits toxiques en milieu urbain, en utilisant l'approche traceurs passifs. Les concentrations des polluants et leurs effets sur la santé humaine ne sont pas présentés non plus.