Atmospheric Environment PcrgamonPres 1969. Vol. 3, pp. 467473. Printed in Grat Britain.
LE CALCUL DE LA DOSE ET DE LA NUISANCE DU POLLUANT EMIS PAR UNE SOURCE PONCTUELLE M. BENARE I.R.C.H.A. Centrc de Rechcrche de 91-Vcrt-k-Petit, Paris (First rcceiwd 25 Nowmber 1968 and in j5ml fm 20Janumy1%9) Rem&-On a trouv6 mpiriquenmt une formule simpk (la repr&cntation log-normale1pour la distribution des vitcssm du vent dam unc dhection ou ~11at!&curdonnC. A l’aidc de cetta mpr&ntation et avcc c&i du formula dmiqucs de la dE&ion @us?m, Pmmu, Bosmwm),0narrivedcmanl&c&J&ncntaircBcrrlcukrlafrCqucmcedelanuisawr at&lfLdosc de polhmnt & en u11point donn6 par I’tmission d’une xwrce ponctuelle. Ahdnct-Gas pmmcatlon and diffusion in plastic u and tuba wed in the conservation and conduction of polluted atmosphere may be the cauac of analytical cxrors. In the presmt paper, the pmncability, tbc diffusivlty and the aolubility of SOa in aweral ixmm&al plastic-9was expmimltally dewmimd. while natural Nbbar and polyvinyl chloride am highly pcmmbk to Sot, a liit of plastics, showing appropriately low permaabilities, and di!Fusivlti~, is given. INTRODUCTION
ON A cmsmu# beaucoup de travail au promkme de la concentration dans le panache ponctuelie. SUTTON(1947); BOSANQUIX(1936); PMQUILL(1962). Les formules dont on dispose actuellement, permettent le calcul des concentru~~on.r et de leur localisation (isopleths) en fonction des conditions mkttorologiques choisies. Ntanmoins, l’axiome de base pour entreprendre ces calculs paralt aujourd’hui dtpas&: on calcule une concentration maximale. Cette concentration est trk importante dans le cas d’un toxique aigu. En pollution atmosphkique, la concentration maximale n’est que dun intCr&tres limite, quoique la plupart des normes des ‘Smites admissibles” soient encore &rot&es sous la forme de concentrations. On a affair-e aux substances dont la toxicit aigue est t&s peu prononck, et m&me si une “limite toxique” existait, on ne I’atteint que t&s exceptionnellement. C’est le cas, par exemple de l’anhydride sulfureux omnipresent. On sait B pr&ent, que pour la plupart des prod&s, ce n’est pas une limite de concentration qu’il ne faudrait pas d&passer, mais qu’il faut l’associer a ce qu’on peut appeler une dose, ce qui est le produit de la concentration instantanke par la durte de I’exposition. A p&sent, t&s peu de directives sont r&ligeeS en termes de la dose, et aci mains en raison des difEcult&s de la mesure (les appareils ii barbotteur mesurent en effet une dose) qu’en raison de l’impossibilitr5 d’avoir une estimation prkvisionnelle de la dose en fonction des parambtres de l’tmission et des facteurs meteorologiques. L’objet du present expod est l’evaluation pr&isionnelle de la dose. Nous remarquons que darts le cas des odeurs, air le problbme de la toxicitt ne se pose point, ni la concentration maximale, ni la dose ne sont d’int&t pratique. On est plut8t intCress6 par laJk?qwwe de la nuisance, c’est-a-dire le nombte moyen d’occasions, pendant une p&ode definie (soit par exemple une an&e) ou l’intensite de l’odeur d’une &&sion
G
A
467
468
M.
BENARIE
dtpasse une certaine limite, c’est-h-dire oti I’odeur devient perceptible. Ce problbme, celui de la frtquence du dkpassement d’une certaine limite, est bien distinct de celui de la concentration maximale. C’est cette question, celle de la frbquence, qui sera tgalement discutke au tours de cet exposk LE CALCUL
DE
LA
FREQUENCE
ET CELUI
DE
LA DOSE
On peut calculer la dose en connaissant
1. La concentration, qui est une fonction des parambres mbtorologiques, en premier lieu la direction, la vitesse et la turbulence du vent, de 1’6tat de stabilitt des couches atmospheriques ainsi que des paramttres de l’tmission : hauteur de la chemine. 2. La frequence avec laquelle une certaine direction, vitesse, &at de turbulence et categoric de stabihte apparaft a un endroit don&. La reponse a la premiere question, sinon numeriquement simple, est le probkme central et assez bien rbolu, de la dispersion atmospherique A partir dune source ponctuelle. En principe, et A ce point de la discussion, nous pouvons le considerer comme resolu. Nous alIons nous occuper d’abord du deuxikme point, moins bien defini, pour ne revenir qu’ensuite au premier. Le dew&me point est d’ordre m&orologique et en con&qnence n’a de sens qu’en rtf&ence a un endroit d&i. 11faut avoir des renseignements sur les directions du vent ainsi que sur la distribution des vitesses. Bien sti, d’autres renseignements (frequence des inversions, &at de turbulence . . .) seraient de grande valeur, mais ils ne sont pas d’habitude consign&s dans les releves mCt&orologiques. La proddure de c&u1 peut&re expliqd au mieux a l’aide d’un exemple. Considerons ks fr@ences des observations de vent effectu&es par la Mtttorologie Nationale (T~LEAU 1); ici sur l’exemple de la station BeIfort-Ch&eau*: 43,5% des observations correspondent aux vents inferieures a 2 m s-i, done aux situations telles que les param&res de diffusion retenus dans les equations propos&s ne sont plus valabks. Ces cas de vent calme correspondraient a un niveau ekvk de la pollution dans l’entourage immh?at de la source, mais on ne peut pas parkr de transport. Or, ici notre preoccupation est la pollution A une certaine distance, oti le transfert ne peut pas avoir lieu sans vent so&Rant de la source vers le lieu de pr&vement. II eat Cvident que si le point de prekvement (ou le voisinage &pro@@ se trouve au Sud ou au Nord du point d’Cmission, la dose relevct (ou la fr¥ce de d@wement d’un seuil don&) sera extrhement bas. La situation change si on se demande la dose &ns le panache, comme c’eat le ~86, pour un endroit situ& B l’EENE-NE du point d’Cmiwion. Le tabkau des fr6qutncCs des observations, dont la FIG. 1. est la repwtation, nous montre qw dans 52% des cas, le vent souffle du secteur W-WSWSW, done darts (52%) (56,5%) = 29,4%i’ des cas, le lieu qui nous intbresse (point de prGvement, habitations, etc . . .) se trouve sous le vent. En vue d’appliquer une formule de diffusion, il faudrait connaItre ks fr&uences du *Cestunerosedesvents~excaptionnelle.ElleaCtCchoirionRirorrdeeonoxtrdm~ymbtti~ pourill~trrrlepointm~~DuLeuneoupl~diraction,ktrmopartpsutmpasavoir ~j0ucMmcunrOla,aU0nn~ liou, et la dose &re B peu pr& mdk. La wnsibifiti de l’a&wn&ra considkc que les ventade vitsree, &ales ou sup&icuru &2 m I)-’ (vldc T-u 1). tCecioxprimekpoduit&lafrrctiondutemps~tbquelilyaduvcat,puk~~~du temps ou le vent soufik dans le secteur en conaidbration.
Ix C&xl de la Dose et de la Nuisance
du Polluant Emis par une SoWe
469
POnCtUek
vent par classes de vitesse, soit dans le secteur considkt, soit dans des directions choisies. ~a littkrature mMoroIogique ne contient que trb peu de donnks exploitables au sujet de la distribution des vitesses du vent dans une direction donnCef. L’analyse du MtltOhOlOGlE
f >
NATIONALL
le robkou cidessu~donna la t6portition.
_ igqles
b b vikse
indiqu6s
en m&es
par diraclian,
par second0
der observations
ou d6but de choqus
de vents da viteses
rupdrieuru
ou
ligne [Incolonne~.
i ;
Ncmbrs
’ Nqmbrs Nombre
40 52l
totoi d’obrwvations d’qbrsrwtionr
de viterres
rupiriewer
d’obrewationr
de viteue~
inf6rieurer
vitelld
moysnne
:
ou 6ggaler b 2 m/r b 2 m/r
s942. &SQF
_ . mh TABLEAU1.
TABLEAU1 dCmontre que la distribution des vitesses de vent venant, soit d’un secteur, soit d’une seule direction, ou meme de toutes les directions se reprhente t&s bien par $ WANNER(1940)doxmeunc formule Adcux paramhw, done mathcmatiqucmunt6quivaknt avcc la reprfscntation log-normale proposk, mais dont I’emploiest mains facile pour le but quc nous envisaguxls.
470
M.
BENARIE
une droite en rkseau log-normal. Ceci est valable pour les vents de direction h trts grande frkquence et tgalement pour ceux qui ne soufflent que t&s rarement. Nous avons pu vtrifier cette relation sans trouvet une exception, jusqu’8 p&sent, pour Belfort, pour Rouen et pour Paris (FIGS. 2-4). N
Minimum:
Sccftur
NNNE
FIG.2. Diagramma du frcquenccs, par direction de vents, dcs vitcs~~ssuprieUres la vitcssc indiqu(k en m 8)“ en ak?cisJe.
-NE
OU 6&&S
h
IAS formuies de difksion PMQUILL (1962); BosANQUBTet PEARSON(1963); SUITON (1947) a5rxnent I’existence d’une proportiormaliti inverse en@ la vitowe du vent et la concxmtration au sol, B inten& de source et toutes conditions &ales par ailleurs. 0x1 peut done calculer la concentration au sol, pour une distance et unc &nission conuue, A l’aide d’une de ces formules. I1 par& &dent, puisqu’il s’agit de prtvisions moyenncs
Le Calcul de la Dose et de la Nuisance du Polluant Emis par une Source POnctUelle
471
durbe, qu’il ne faut faire le calcul qu’une seule fois, pour des “conditions moyennes”. 11est kgalement tvident que les diffusivitks horizontales et verticales sont fonction des conditions mbtkorologiques: cette manihe de wockder ne reprbente
sur longue
z .P 0 ;
-1951160
95 -
NNW:313obscrvotions
so -
,Total : 6960
-
g
20-
Z 0e
IO-
\
observations
?
\
‘\ ‘\
\
\
\
\
i
\
\
.
‘\
‘\
‘\
;!k
observations
‘.
. .
b\
2I-
0.1
\
‘\
5-
: 664
SSE SE:215
z .o u
p”
:
observations
BO70 60 50 40 30-
3
Jacques
St.-
Tour
c
d\
1,
1
‘\
I I
I1111111 3
‘\
I
I
11111111
IO I
I
dcr
I
vitcrrcs.
Illllrlt
i IO
IO I
lb
Log
I
1111111
m/s
FIG. 3. Diagram des frequences, par direction de vents, des vitesses superieures ou &ales A la vitesse indiqube en m s-l en abscisse.
Roucn - Rouvray
v “9::: 99.5 99 96 95 g .P
so-
‘0 : :: 2
6070 6050 -
0z
40-
;
20-
30 -
iotol \
~3744
i \
obrervatmns\.
Dommant
174 obr
ESE \.
\,
\
1, .
57obs m’n
.
FIG. 4. Diagram des frequencies, par direction de vents des viksses superieures ou &ales h la vitesse indiqute en m s-l en abscisse.
412
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qu’une premitre approximation. Pour le cas des sources thermiques comme la surtltvation du panache varie avec les conditions mtttorologiques, la nature approximative du calcul s’en trouve accent&e. La loi de proportionnalitt inverse applicable dans le MS de ces modeles de diffusion nous montre un exemple ou on arrive trts facilement a calculer la frtquence des concentrations en fonction des frtquences des vitesses du vent. Dans le cas gkntral, quand le modele simple ne suffit pas, on arrive au m&me resultat par un calcul numerique plus compliqd, en gardant le mCme principe. En raison de la relation de rkiprocitt, le diagramme cumulatif des ftiquences de concentration sera une droite dCfinie par la concentration calculke au point d’observation et par sa pente qui est l’inverse de celle de la droite reprkntant la distribution des fr6quences du vent (vi& FIG. 5).
r&m3 I
2.
mh
3
IO
vitwndurrnt
FIG. 5
La fr6quence des concentrations se lit directement A partir de cette droite: ainsi, dans le cas de la FIG. 5, la concentration sera sup&ewe A 10 mg m pendant 85% du temps, suphieure A 20 mg mm3 pendant 23% du temps, depasscra 40 mg rns3 dans 1% des cas, etc. (voir aussi le tableau s&ant). Ceci &out le problhme de la fr6quence de la nuisance. Si la “nuisance” (par exemple un seuil d’odeur) est rephntke par le niveau de 25 mg mm3, une valeur qui apparait en 10% des cas, sachant que le vent vient dans 29,4% des cas du secteur en question, le seuil se trouvera dkpa& dans 2,94% des cas. La dose est rep&sent& par I’intCgrale des concentrations en fonction de ieur fr6quence d’apparition et s’obtient t&s facilement par ie calcul numhique, suivant le tableau cidessous :
Le Calcul de la Doseet de la Nuisance du Polluant Emis par une Source Ponctuelle 473 TABLEAU
2
1
2
3
4
Concentrations (limites de classe) mg m- 3
Moyennes de classe
Fr6quences cumulatives (FIG. 5)
Frequences diff6rences
50 40 30 20 15 12,5 10 8 5
45 35 25 17,5 13,7 11,2 9 695
0,15 097 4 26 50 68 85 94,5 99,7
0,55 393 22 24 18 17 995 5,2
Produit : Col. 2 par col. 4
25 116 550 420 247 190 86 34 1668
La quantitk totale reGue (dose) en un point. Soigne de quelques kilomktres de la source, pendant 100 unit& de temps quand le vent souffle vers le lieu de prekvement, est de 1668 (mg mm3) (unit& de temps). Mais le vent, dans le cas de cet exemple ne souffle que 29,4% du temps dans cette direction; dans les autres cas, soit il n’y a pas transport de polluant, soit meme il y a transport en direction opposk. La dose effective sera 1668 (mg mm3) (unitts de temps) x 0,294 = 490 (mg me3) (unites de temps), ce qui bquivaut B l’exposition a la concentration uniforme de 4,90 mg mm3 pendant les 100 unit&s du temps. REFERENCES
H. et PEARSON J. L. (1936) The spread of smoke and gases from chimneys. Trum. Far&y Sot. 32,1249X&3. PASQUILL F. (1962) Atmospheric D#kion. Van Nostrand, London. Su-rro~ 0. G. (1947) The theoretical distribution of airborne pollution from factory chimneys. Q. Jl. R. Met. Sot. 73,426-436. SUTTON0. G. (1947)The problem of diffusion in the lower atmosphere. Q. JI. R. Met. Sot. 73,257-281 WANNWE. (1940) Be&&e zur meteorologischen Statistik. VJZschr. Naturf. Ges. Ziirich 58,15-28. BOSANQIJET C.