Interpolation des mesures de

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  • rapport de stage - matière potentielle : interpolation des mesures de no2 par capteurs passifs
Certificat de géomatique Rapport de stage Interpolation des mesures de NO2 par capteurs passifs Présenté par Pierre-Olivier Maradan Experts Prof. Charles Hussy M. Alain Dubois Dr. Benoît Lazzarotto Genève Février 2005 République et Canton de Genève Département de l'intérieur, de l'agriculture et de l'environnement Service cantonal de protection de l'air
  • variable auxiliaire dans le calcul
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Certificat de géomatique
Rapport de stage
Interpolation des mesures de
NO par capteurs passifs2
Présenté par
Pierre-Olivier Maradan
Experts
Prof. Charles Hussy
M. Alain Dubois
Dr. Benoît Lazzarotto
République et Canton de Genève
Département de l'intérieur, de l'agriculture
et de l'environnement
Service cantonal de protection de l'air
Genève
Février 2005Table des Matières
1 Introduction ............................................................................................................................6
2 Généralités ..............................................................................................................................7
2.1 Description d’un capteur passif .................................................................................................... 7
2.2 Description du réseau de capteurs passifs....................................................................................8
2.3 Problématique................................................................................................................................. 9
3 Interpolation .........................................................................................................................11
3.1 IDW (interpolation déterministe) ............................................................................................... 11
3.2 Krigeage (interpolation géostatistique) ......................................................................................12
3.3 Co-Krigeage (interpolation géostatistique avec intégration d’informations indirectes)........ 15
4 Typologie des emplacements des capteurs passifs : ..........................................................18
4.1 Carte d’identité............................................................................................................................. 18
4.2 Champs typiques d’émissions de NO ........................................................................................ 18x
4.3 Définition des types de site........................................................................................................... 19
5 Discussion et conclusion.......................................................................................................22
5.1 Discussion...................................................................................................................................... 22
5.2 Conclusion................... 25
Littérature consultée, Bibliographie...........................................................................................26
2Liste des figures
Fig. 1: Principe de montage des capteurs passifs de NO ................................................................82
Fig. 2: Concentration moyenne de NO en 2003 (interpolation par IDW)....................................102
Fig. 3: Vue 3D d’une surface, interpolée par IDW ........................................................................11
Fig. 4: Vue 3D d’une surface, interpolée par Krigeage .................................................................12
Fig. 5: Semi-variogramme..............................................................................................................13
Fig. 6: Essai de Krigeage (avec tous les capteurs, et en enlevant certains capteurs) .....................14
Fig. 7: Calcul de prédiction d’erreur par la méthode du Co-Krigeage...........................................15
Fig. 8: Les étapes de calcul du Co-Krigeage..................................................................................16
Fig. 9: Essai de Co-Krigeage..........................................................................................................17
Fig. 10: Quantité d’émission totale de NO [kg/an] catégorisée en sept champs typiques............19x
Fig. 11: Vue des champs typiques avec les valeurs d’immissions (extrudées)..............................20
Fig. 12: Graphique de la concentration de NO par rapport aux sites............................................212
Fig. 13: Interpolation par Krigeage, calculée sans les capteurs des sites trafics............................21
Fig. 14: Comparaison entre IDW, Krigeage et Co-Krigeage.........................................................24
3Remerciements
Mes remerciements vont en premier lieu à Benoît Lazzarotto, du service de la protection de l’air
de Genève (SCPA), pour avoir rendu possible ce stage et l’avoir dirigé. Pour son encadrement,
ses conseils, sa disponibilité, sa confiance, sa mise en confiance, ses lectures, ses relectures, ses
corrections et aussi pour son chocolat. Je remercie également Françoise Dubas, directrice du
SCPA, pour son engagement, ses précieux conseils et la correction de ce rapport.
Je remercie le Professeur Charles Hussy de l’Université de Genève pour m’avoir admis dans la
formation de géomatique et pour la correction finale de ce rapport. Je remercie aussi Alain
Dubois, du Centre Universitaire d’Ecologie Humaine, pour sa disponibilité et ses conseils avisés.
Un grand merci à toute l’équipe du SCPA, particulièrement Philippe Butty, pour m’avoir accepté
dans son bureau ainsi que pour sa compagnie, mais aussi Arlette Jetzer, Giulia Genini, Pierre
Kunz, Edouard Piguet, Yves Lutzelschwab pour avoir partagé avec moi leurs expériences et pour
les moments passés ensemble.
J’aimerais finalement remercier ma famille, mes amis et surtout Corinne, qui m’ont suivi et
soutenu tout au long du chemin qui m’a amené vers ce certificat.
4Résumé
Le sujet de ce travail est d’explorer les méthodes d’interpolations afin d’améliorer la
représentation cartographique de la concentration du dioxyde d’azote (NO ), à partir du réseau de2
capteurs passifs installé dans l’agglomération genevoise.
Le rapport débute par une explication de la méthode de mesure par capteur passif, on trouve
ensuite la description du réseau. La méthode d’interpolation utilisée actuellement, pondération
par l’inverse de la distance (IDW), est décrite et est comparée aux deux nouvelles méthodes
géostatistiques proposées, le Krigeage et le Co-Krigeage. Cette dernière permet d’intégrer une
variable auxiliaire dans le calcul. Nous avons utilisé le cadastre des émissions de NO dans lex
calcul d’interpolation, ce qui a amélioré manifestement le résultat.
L’utilisation de ces méthodes nous a amenée à définir la typologie des capteurs passifs, nous
avons décris chaque emplacement de mesures et ainsi établi des cartes d’identités. Nous avons
aussi fait l’inventaire des sources d’émissions de la pollution, ce qui a engendré sept catégories
de champs typiques pour la zone étudiée. Finalement chaque emplacement de capteur passif a été
classé selon un type de site (rural, urbain, périurbain, trafic).
Le résultat de cette étude donne une carte de concentration de NO sensiblement plus précise que2
la méthode utilisée actuellement.
51 Introduction
Dans le cadre de la gestion de l’environnement et du développement durable, des moyens ont été
mis en place pour améliorer la qualité de l’air. En 1985, l’ordonnance fédérale sur la protection
de l’air (OPair) a été introduite, et charge les cantons de son application. La législation prévoit
qu’en cas de dépassements répétés des valeurs limites d’immission (VLI) de polluants, par
exemple le dioxyde d’azote (NO ) ou l’ozone (O ), un plan de mesures d’assainissement de l’air2 3
doit être mis en place. Le service cantonal de la protection de l’air du canton de Genève (SCPA)
est chargé de faire les relevés nécessaires et d’informer les autorités ainsi que la population de ses
résultats.
3En ce qui concerne le NO , il y a deux VLI : la première de 30 µg/m en moyenne annuelle2
3(arithmétique) et la seconde de 80 µg/m en valeur journalière à ne pas dépasser plus d’une fois
par année.
En complément d’un réseau de stations de mesures, un réseau de 88 emplacements de capteurs
passifs est opérationnel sur une partie de l’agglomération genevoise et permet d’obtenir les
valeurs moyennes d’immissions de NO avec une fréquence bimensuelle. C’est sur la base de ces2
mesures que la moyenne annuelle est calculée. Le SCPA réalise chaque année des cartes des
immissions qui sont publiées dans le rapport « Qualité de l’air ». Ces cartes sont des
interpolations géographiques des valeurs issues des capteurs passifs, c'est-à-dire qu’un calcul
détermine en tout lieu une valeur à partir des 88 points de mesures. L’objectif de ce travail est
d’apporter des voies et des solutions pour améliorer la qualité de ces cartes. En effet la méthode
utilisée actuellement fait apparaître certains points de mesure comme des puits ou des pics
d’émissions, alors que les véritables sources ne sont pas représentées.
Le déroulement du stage a débuté par l’étude des méthodes utilisées par d’autres organisations
concernées par des problèmes similaires, au travers d’articles, ensuite par la participation à toutes
les étapes nécessaires à la prise de mesure (de la fabrication, la pose et dépose, jusqu’à l’analyse
des capteurs passifs). L’exploration des différentes méthodes d’interpolation et l’analyse des
facteurs influençant les calculs sont les objectifs principaux de ce travail. Une méthode de
classement des capteurs passifs, selon l’environnement immédiat et la quantité d’émission de
NO , ainsi qu’une technique d’interpolation appelée Co-Krigeage sont proposées.x
62 Généralités
#2.1 Description d’un capteur passif
Le capteur passif est un tube fermé à une extrémité, au fond duquel sont placées des grilles
imprégnées d’une substance qui absorbe le NO . Cette absorption crée une diffusion du NO à2 2
l’intérieur du tube, due à la différence de concentration produite.
Cette méthode permet d’accumuler le NO et, dès lors, de mesurer des concentrations sur une2
période donnée.
Préparation
Les tubes à diffusion en polypropylène (PP) sont préparés dans les laboratoires du SCPA. Ils sont
munis de deux grilles en acier inoxydable, traitées de manière ad hoc, et de deux bouchons en
polyéthylène (PE).
Les grilles en acier inox sont traitées dans du Metex 5 %, à 60°C, aux ultrasons, puis rincées à
l’eau. Elles subissent ensuite un traitement de passivation à l’acide sulfurique 5 %, à 60°C, puis
des rinçages à l’eau Milli-Q. Elles sont séchées à l’étuve à 120°C. Ce traitement a pour but
d’améliorer la mouillabilité de l’acier inox lors du dépôt de la triéthanolamine (TEA) sur les
grilles.
Chaque capteur reçoit deux grilles en acier inox traitées et est obturé à une extrémité par un
bouchon en PE. A l’aide d’une micro pipette, 30 µl d’une solution composée de TEA 20 % sont
déposés sur les grilles. Afin d’éviter toute contamination due au NO atmosphérique ambiant,2
l’extrémité ouverte est alors immédiatement bouchée au moyen d’un bouchon en PE.
Pose - dépose
Les capteurs sont ensuite installés sur le site de mesure, par lots de 3 dans des boîtiers en PP, et
exposés au NO pendant 14 jours en enlevant les bouchons inférieurs.2
Au bout de cette période, les tubes sont collectés et refermés avant d’être analysés dans le
laboratoire du SCPA, pour déterminer la concentration en NO durant la période d’exposition.2

# Ce paragraphe est extrait du rapport « Qualité de l’air 2003 ».
7Coupe transversale (niveau A)
Bouchon en PE
Tube en PP
Coupe longitudinale
d'un tube de prélèvement
2 grilles en
A acier inoxydable
NO2
Bouchon en PP
(mis en place une fois le
prélèvement effectué)
Fig. 1: Principe de montage des capteurs passifs de NO2
Analyse
Les tubes collectés sont analysés de la manière suivante.
Dans chaque tube il est mis 2 ml d’eau Milli-Q ainsi que 2 ml de réactif combiné. Après 15
minutes, l’absorbance à 540 nm de chaque tube est déterminée par colorimétrie à l’aide d’un
spectrophotomètre.
Un blanc et des standards de 50, 150 et 450 µg/l de NO (nitrite de sodium) contenant 0.3 ml de2
TEA / 100 ml de standard sont mesurés pour déterminer une droite d’étalonnage, et par voie de
conséquence, la concentration des tubes analysés.
2.2 Description du réseau de capteurs passifs
Suite à des campagnes de mesures qui ont débuté en 1994, le réseau actuel de 88 capteurs est
couvert en permanence depuis 2002. Les capteurs ont, visiblement, été placés afin d’évaluer des
situations particulières tout en prenant la configuration d’un maillage kilométrique. Ainsi on
trouve des points de mesures dans des endroits aussi différent que près de grandes routes, dans
des quartiers résidentiels, dans des parkings et aussi en campagne. Les tubes sont accrochés sur
des éléments existants tels que des réverbères, des panneaux de circulation ou des barrières, à une
hauteur comprise entre 2 et 3 mètres du sol. Dans la mesure du possible, ils ne sont pas situés à
proximité immédiate d’une source d’émission.
8
20 mm
9 mm
87 mm
6 mm2.3 Problématique
Le travail a pour but de fournir la cartographie de la concentration en NO dans la zone urbaine2
de Genève, à partir du réseau de capteurs passifs.
Actuellement, l'interpolation entre les points de mesures est faite d'après le modèle Inverse
Distance Weighted (IDW : pondération par l’inverse des distances). La figure 2 montre la carte
obtenue par avec cette méthode. Le poids affecté aux données voisines est proportionnel à
l'inverse de la distance entre la maille et la donnée considérée. Plus la donnée est proche de la
maille, plus elle reçoit un poids important. Inversement, plus la donnée est éloignée, moins elle
aura de poids dans le calcul. Cette méthode est performante pour autant que la densité des points
de mesures soit importante.
L'inconvénient principal de l'IDW est que les points de mesures apparaissent comme des pics ou
des puits de pollution. Le résultat donne donc une carte avec des « bulles » autour de certains
capteurs, qui ne représentent vraisemblablement qu’une réalité très locale, mais probablement pas
la pollution de fond. La carte doit avoir une forme continue, où les pics de concentration
représentent les sources ponctuelles d’émission plutôt que les capteurs.
Malgré le nombre élevé de points de mesure, on remarque aussi que certaines zones, où l’on
pourrait s’attendre à une concentration plus élevée, ne sont pas ou que irrégulièrement
représentées. C’est le cas, entre autre, pour les régions proche des autoroutes. La technique IDW
ne permet pas de résoudre ce problème, à moins d’augmenter considérablement le nombre de
capteurs passifs et d’en placer tout au long de chaque route, ce qui est impensable.
La problématique se pose donc à deux niveaux, d’une part il faut rendre le caractère continu de la
pollution de l’air, en évitant de mesurer des valeurs qui ne sont pas représentative de
l’environnement du capteur, d’autre part il faut intégrer les émissions de NO , qui engendrentx
logiquement des concentrations de NO sensiblement plus élevées dans leur voisinage.2
9Fig. 2: Concentration moyenne de NO en 2003 (interpolation par IDW)2
10