Atmospheric dispersion and inverse modelling for the reconstruction of accidental sources of pollutants

Les circonstances pouvant conduire à un rejet incontrôlé de polluants dans l'atmosphère sont variées : il peut s'agir de situations accidentelles, par exemples des fuites ou explosions sur un site industriel, ou encore de menaces terroristes : bombe sale, bombe biologique, notamment en milieu urbain. Face à de telles situations, les objectifs des autorités sont multiples : prévoir les zones impactées à court terme, notamment pour évacuer les populations concernées ; localiser la source pour pouvoir intervenir directement sur celle-ci ; enfin déterminer les zones polluées à plus long terme, par exemple par le dépôt de polluants persistants, et soumises à restriction de résidence ou d'utilisation agricole. Pour atteindre ces objectifs, des modèles numériques peuvent être utilisés pour modéliser la dispersion atmosphérique des polluants. Après avoir rappelé les processus physiques qui régissent le transport de polluants dans l'atmosphère, nous présenterons les différents modèles à disposition. Le choix de l'un ou l'autre de ces modèles dépend de l'échelle d'étude et du niveau de détails (topographiques notamment) désiré. Nous présentons ensuite le cadre général (bayésien) de la modélisation inverse pour l'estimation de sources. Le principe est l'équilibre entre des informations a priori et des nouvelles informations apportées par des observations et le modèle numérique. Nous mettons en évidence la forte dépendance de l'estimation du terme source et de son incertitude aux hypothèses réalisées sur les statistiques des erreurs a priori. Pour cette raison nous proposons plusieurs méthodes pour estimer rigoureusement ces statistiques. Ces méthodes sont appliquées sur des exemples concrets : tout d'abord un algorithme semi-automatique est proposé pour la surveillance opérationnelle d'un parc de centrales nucléaires. Un second cas d'étude est la reconstruction des termes sources de césium-137 et d'iode-131 consécutifs à l'accident de la centrale nucléaire de Fukushima Daiichi. En ce qui concerne la localisation d'une source inconnue, deux stratégies sont envisageables : les méthodes dites paramétriques et les méthodes non-paramétriques. Les méthodes paramétriques s'appuient sur le caractère particulier des situations accidentelles dans lesquelles les émissions de polluants sont généralement d'étendue limitée. La source à reconstruire est alors paramétrisée et le problème inverse consiste à estimer ces paramètres, en nombre réduit. Dans les méthodes non-paramétriques, aucune hypothèse sur la nature de la source (ponctuelle, localisée, ...) n'est réalisée et le système cherche à reconstruire un champs d'émission complet (en 4 dimensions). Plusieurs méthodes sont proposées et testées sur des situations réelles à l'échelle urbaine avec prise en compte des bâtiments, pour lesquelles les méthodes que nous proposons parviennent à localiser la source à quelques mètres près, suivant les situations modélisées et les méthodes inverses utiliséesUncontrolled releases of pollutant in the atmosphere may be the consequence of various situations : accidents, for instance leaks or explosions in an industrial plant, or terrorist attacks such as biological bombs, especially in urban areas. In the event of such situations, authorities' objectives are various : predict the contaminated zones to apply first countermeasures such as evacuation of concerned population ; determine the source location ; assess the long-term polluted areas, for instance by deposition of persistent pollutants in the soil. To achieve these objectives, numerical models can be used to model the atmospheric dispersion of pollutants. We will first present the different processes that govern the transport of pollutants in the atmosphere, then the different numerical models that are commonly used in this context. The choice between these models mainly depends of the scale and the details one seeks to take into account.We will then present the general framework of inverse modeling for the estimation of source. Inverse modeling techniques make an objective balance between prior information and new information contained in the observation and the model. We will show the strong dependency of the source term estimation and its uncertainty towards the assumptions made on the statistics of the prior errors in the system. We propose several methods to estimate rigorously these statistics. We will apply these methods on different cases, using either synthetic or real data : first, a semi-automatic algorithm is proposed for the operational monitoring of nuclear facilities. The second and third studies concern the source term estimation of the accidental releases from the Fukushima Daiichi nuclear power plant. Concerning the localization of an unknown source of pollutant, two strategies can be considered. On one hand parametric methods use a limited number of parameters to characterize the source term to be reconstructed. To do so, strong assumptions are made on the nature of the source. The inverse problem is hence to estimate these parameters. On the other hand non-parametric methods attempt to reconstruct a full emission field. Several parametric and non-parametric methods are proposed and evaluated on real situations at a urban scale, with a CFD model taking into account buildings influence on the air flow. In these experiments, some proposed methods are able to localize the source with a mean error of some meters, depending on the simulated situations and the inverse modeling method