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Title: Modélisation inverse pour la dispersion atmosphérique de polluants suite à un incendie de grande ampleur à l'échelle urbaine
Date: 2020-06-21 14:31
Slug: job_d37892735f7f791ec58db2f8751b250f
Category: job
Authors: Virginie Hergault (LCPP, virginie.hergault@interieur.gouv.fr) ; Yelva Roustan (CEREA/ENPC, yelva.roustan@enpc.fr)
Email: pp-labcent-env-these@interieur.gouv.fr
Job_Type: Thèse
Tags: these
Template: job_offer
Job_Location: 75015 Paris
Job_Duration: 3 ans
Job_Website: http://laboratoirecentral.interieur.gouv.fr
Job_Employer: Laboratoire Central de la Préfecture de Police / Doctorat délivré par l'Ecole Nationale des Ponts et Chaussées
Expiration_Date: 2020-07-22
Attachment:
**Contexte et enjeux**
Les incendies d’entrepôt à la Courneuve en 2015, à Chelles en 2017, et plus récemment l’incendie de Notre-Dame en 2019 ont mis en évidence le besoin de mettre en place des outils opérationnels permettant de prendre en compte le risque lié à la toxicité des fumées d’incendie pour la population et l’environnement. Cette problématique est un enjeu pour les équipes spécialisées en Risques Chimiques (RCH). En particulier, la communauté des sapeurs-pompiers souligne le manque de doctrine opérationnelle permettant d’orienter les prélèvements dans l’air environnant afin de caractériser les fumées d’incendie et de réaliser des périmètres de sécurité. En effet, en cas d’incendie de grande ampleur, les quantités importantes de composés gazeux et particulaires émises dans l’atmosphère peuvent provoquer une pollution locale de l'environnement. L’estimation des zones impactées par le panache de fumées et l'évaluation des conséquences sanitaires et environnementales des retombées de substances polluantes sont complexes. La source est par définition mal caractérisée et la dispersion du panache de fumées se fait en milieu urbain.
La stratégie que vise à mettre en œuvre le Laboratoire Central est, à terme, de pouvoir déployer pendant un incendie un nombre limité de dispositifs de mesure de polluants, traceurs des fumées de combustion, sur des points cibles pour, par modélisation inverse, remonter à une caractérisation de la source. Par la suite, l’application du modèle direct associé à une approche par assimilation de données devra permettre d’obtenir une estimation plus fine des niveaux de concentration sur des points d’intérêts. Un des enjeux est de fournir rapidement aux autorités des informations sur les zones impactées par le panache et les niveaux de concentration en polluants auxquels les populations sont susceptibles d’être ou d’avoir été exposées.
**Etat de l’art**
La modélisation de l’écoulement et de la dispersion atmosphérique en milieu urbain est un sujet de recherche appliquée (pollution urbaine chronique, risque accidentel, actes de malveillance), qui soulève un certain nombre de questions scientifiques importantes (Barlow and Coceal, 2009; Belcher et al., 2015 ; Britter and Hanna, 2003). L’atmosphère urbaine constitue une couche limite turbulente dans laquelle l’écoulement se développe sur une surface rugueuse d’une grande complexité géométrique. L’organisation de la surface, en groupe d’obstacles ou en réseau de rues, modifie significativement la dispersion d’un nuage de polluants par rapport à un milieu rural dégagé, en limitant l’advection, en renforçant l’étalement du panache et en créant des zones de confinement.
La simulation numérique de l’écoulement et de la dispersion atmosphérique en milieu urbain peut être effectuée avec un large panel d’outils de modélisation, allant de la simulation numérique directe de la turbulence à toutes les échelles (Coceal et al., 2006, 2014) ou de la simulation des grandes échelles (Boppana et al., 2012 ; Xie and Castro, 2008) jusqu’à des approches simplifiées pouvant être utilisées dans des contextes opérationnels (Kim et al., 2018 ; Soulhac et al., 2012, 2011 ; Tinarelli et al., 2007).
Un certain nombre de travaux de recherche ont également été réalisés dans le champ des mathématiques appliquées pour coupler les résultats de simulations numériques avec des mesures de terrain. Des approches d’assimilation de données ont été développées et validées dans le contexte de la pollution chronique en milieu urbain, afin d’améliorer les résultats de simulations en utilisant des mesures de concentration en quelques points d’observation (Nguyen and Soulhac, 2016 ; Tilloy et al., 2013). Les mesures de terrain peuvent également être utilisées pour déterminer par modélisation inverse les caractéristiques d’une source de polluant (localisation, débit d’émission), notamment dans un contexte accidentel ou terroriste (Ben Salem et al., 2017, 2014 ; Rajaona et al., 2015 ; Winiarek, 2014). L’intérêt pour ces approches de couplage entre mesures et modélisations se trouve renforcé avec l’émergence de drônes équipés de capteurs qui permettent de prendre en compte des observations de terrain à plus haute résolution spatiale.
**Projet de recherche**
L’objectif de cette thèse est de développer et de valider un système de modélisation inverse par assimilation de données applicable de manière opérationnelle à la dispersion de fumées d’incendie en milieu urbain. Un tel système vise à caractériser la source de fumées à partir de mesures sur le terrain et de simuler la dispersion du panache dans l’atmosphère. En situation de rejet accidentel, l’émission est a priori inconnue et les simulations pour analyser le comportement du panache de fumées sont alors réalisées avec des hypothèses et des incertitudes importantes. Si l’on dispose de mesures des concentrations dans l’atmosphère, il devient intéressant d’utiliser une approche de modélisation inverse basée sur l’utilisation conjointe de ces mesures et d’un modèle de dispersion pour caractériser le terme source (« localisation », intensité et dynamique temporelle du rejet). Cette approche a été largement utilisée à grande échelle (par exemple Mathieu et al., 2012), et, dans une moindre mesure à l’échelle urbaine (Roustan et al., 2016 ; Nguyen and Soulhac, 2016 ; Tilloy et al., 2013) mais peu appliquée à la dispersion d’un panache de fumées, en situation de rejet flottant.
L’outil de modélisation considéré pour la réalisation de ces travaux est un modèle de panache « sous-maille » couplant un modèle à bouffées gaussiennes et un modèle eulérien régional (Boutahar et al., 2004 ; Mallet et al., 2007 ; Korsakissok et Mallet, 2010 ; Kim et al. , 2014 ; Raffort et al. , 2015). De part sa structure de représentation multi-échelle, il doit permettre de combiner naturellement l’assimilation d’observations à proximté de l’incendie et plus lointaines pour des contraintes de temps relativement faibles. Pour une meilleure adaptation au milieu urbain, il pourra être couplé à un modèle de réseau de rues représentant la dispersion dans la canopée urbaine (Kim et al., 2018 ; Lugon et al., 2020).
Un état de l'art sera réalisé sur les divers aspects méthodologiques de l’inversion (e.g. positivité du terme source, Winiarek et al., 2014 ; prise en compte des différences d’amplitudes des observations en champ proche et en champ lointain, Liu et al., 2017). Un état de l'art sera également mené sur l’estimation du terme source à partir de l’évolution de la puissance de l’incendie et de la cinétique de développement du feu afin de déterminer les caractéristiques thermocinétiques d’un rejet d’incendie. Le premier objectif sera de produire un terme d’ébauche pour l’intensité du terme source qui pourra être mis à profit dans l’application de la méthodologie d’inversion. Un autre aspect important, qui conditionne la dispersion dans l’atmosphère d’un panache dans les premiers kilomètres, est sa hauteur de rejet (Girard et al., 2014). Dans le cas d’un incendie, son niveau d’élévation dans l’atmosphère résulte notamment de l’effet convectif des gaz chauds dans une atmosphère plus ou moins stable. Le second objectif de cet état de l’art sera d’identifier les paramètres de modélisation de l’élévation initiale les plus pertinents à prendre en compte dans le cadre d’une modélisation inverse.
Du point de vue de la méthodologie de modélisation inverse, un des enjeux sera de développer une approche compatible avec les moyens de mesures sur le terrain et la stratégie de prélèvement à mettre en œuvre. Ce projet de recherche doctorale se fait en parallèle d’une action menée par le Laboratoire Central sur le déploiement de dispositifs de mesure en continu ainsi que de prélèvements d'air et de dépôts au sol sur le terrain en cas d’incendie de grande ampleur. Dans le cadre d’une méthodologie associant modélisations et mesures en situation opérationnelle, il convient de s’interroger sur :
- la conception optimale du réseau de mesures à mettre en place (nombre et positionnement des capteurs mobiles)
- le poids à donner aux observations de nature différente dans les simulations (concentration dans l'air et dépôt notamment, e.g. Winiarek et al., 2014).
- la combinaison d’observations correspondant à des polluants différents (interdépendance pour certaines caractéristiques du rejet, indépendance pour d’autres).
Dans le cadre de la thèse, l’outil de modélisation pourra être testé et validé par comparaison avec des données de terrain obtenues suite à des incendies réels en collaboration avec les services de secours (BSPP, SDIS77). Dans le cadre de la modélisation inverse, les résultats du modèle de panache « sous-maille » pourront également être comparés avec ceux obtenus à partir de modèles adoptant une représentation plus détaillée de la canopée urbaine.
L’ensemble du travail de thèse devra être mené en gardant à l’esprit le contexte et les contraintes opérationnelles inhérentes à la gestion des incendies en milieu urbain. Les contraintes de temps de calcul et de robustesse des résultats seront notamment à prendre en compte dans le développement de l’outil de modélisation. De plus, au-delà de l’outil de simulation en tant que tel, une méthodologie globale s’appuyant sur l’outil devra être développée pour l’évaluation l’impact d’un incendie en milieu urbain.
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