Modeling of air and stormwater pollution related to vehicular traffic

Les émissions du trafic routier sont une des sources majeures de pollution dans les villes. La modélisation de la pollution de l'air et des eaux de ruissellement due aux émissions du trafic routier est essentielle pour comprendre les processus qui mènent à cette pollution et fournir les éléments d'information nécessaires au développement de politiques publiques efficaces pour la réduction des niveaux de pollution. L'objectif de cette thèse est d'évaluer la faisabilité et la pertinence de chaînes de modèles pour simuler l'impact du trafic routier sur la pollution de l'air et des eaux de ruissellement. La première partie a consisté à réaliser un état de l'art des outils de modélisation des différents phénomènes (trafic, émissions, pollution atmosphérique, qualité des eaux de ruissellement), mettant en exergue les enjeux liés à l'intégration des différents modèles pour constituer une chaîne cohérente en termes de polluants et d'échelles spatio-temporelles. Deux exemples de chaînes de modélisation ont été proposés, l'une statique avec des pas de temps horaires, la seconde envisageant une approche dynamique du trafic et des pollutions associées. Dans la deuxième partie de la thèse, des outils automatisés d'interfaçage ont été développés pour construire des chaînes de modèles. Ces chaînes de modèles ont ensuite été testées avec différents cas d'étude : (1) Couplage trafic / émissions avec une simulation d'une voie urbaine utilisant un modèle dynamique de trafic en lien avec des modèles d'émissions instantané et moyenné, (2) couplage émissions / pollution atmosphérique en bordure d'une autoroute, (3) couplages trafic / émissions / pollution atmosphérique en bordure d'une autoroute urbaine, (4) couplage émissions / pollution atmosphérique pour un quartier suburbain, (5) couplage dépôts atmosphériques / qualité des eaux de ruissellement pour un bassin versant suburbain, et finalement (6) une chaîne de modélisation complète avec couplages trafic / émissions /qualité de l'air et des eaux de ruissellement pour un bassin versant suburbain. Ces travaux ont permis à travers ces différents cas d'étude d'identifier les enjeux associés à l'intégration de modèles pour le calcul de la pollution de l'air et des eaux de ruissellement due au trafic routier en zone urbaine. Par ailleurs, ils fournissent une base solide pour le développement futur de modèles numériques intégrés de la pollution urbaineRoad traffic emissions are a major source of pollution in cities. Modeling of air and stormwater pollution due to on-road vehicles is essential to understand the processes that lead to the pollution and to provide the necessary information for the development of effective public policies to reduce pollution. The objective of this thesis is to evaluate the feasibility and relevance of modeling chains to simulate the impact of road traffic on air and stormwater pollution. The first part of the thesis consisted in assessing the state of the art of modeling tools available for the different relevant phenomena (traffic, emissions, atmospheric dispersion, and stormwater quality), highlighting challenges associated with the integration of the different models to create a consistent modeling chain in terms of pollutants and spatio-temporal scales. Two examples of modeling chains have been proposed, one static with hourly time-steps, the other based on a dynamic approach for traffic and its associated pollution. In the second part of the thesis, different interface tools have been developed to link models and construct modeling chains. These modeling chains were tested with different case studies: (1) coupling traffic and emissions for the simulation of an urban street using a dynamic model of traffic with instantaneous and time-averaged emission models, (2) coupling on-road emissions and atmospheric dispersion/deposition near a freeway, (3) coupling traffic, emissions and atmospheric dispersion/chemistry near a freeway, (4) coupling emissions and atmospheric dispersion/deposition in a suburban neighborhood (5) coupling atmospheric deposition and stormwater quality for an urban catchment, and finally (6) a complete modeling chain with traffic / emissions / air and stormwater quality models for urban catchment drainage. This work allows one to identify different possibilities of model integration to calculate air and stormwater pollution due to road traffic in urban areas. Moreover, it provides a solid basis for the future development of integrated numerical models of urban pollutio