Modélisation simplifiée des transferts de polluants en ... · Marc-André GONZE IRSN/DEI/SECRE Laboratoire de Modélisation de l’Environnement C.E. Cadarache ECCOREV Journées

Marc-André GONZE

IRSN/DEI/SECRE Laboratoire de Modélisation de l’Environnement

C.E. Cadarache

ECCOREV Journées Modélisation CEREGE, Aix-en-Provence, 21-23 Mai 2008

Modélisation simplifiée des transferts de polluants en milieu continental

Plan

Journées Modélisation, CEREGE 21/05/2008

1. Notion d’Evaluation du risque radiologique

2. Modélisation conceptuelle

3. Modélisation mathématique

4. Applications (systèmes simples)

5. Plate-forme SYMBIOSE (IRSN/EDF)

(Une) définition du risque

Pour un effet de type « tout ou rien » : Probabilité d’apparition d’un effet défavorable ou indésirable

D’après Pastorok R.A., Bartell S.M., Ferson S., Ginzburg L.R. (2002). Ecological Modeling in Risk Assessment. Chemical Effects on Populations, Ecosystems, and Landscapes. Lewis Publishers.

Pour un effet à amplitude variable : Relation entre l’amplitude d’un effet et sa probabilité d’apparition

Amplitude

Probabilité

0

1

0 Max

Evaluation du risque (notion)


Evaluation du risque

Incertitude

• Source & type d’incertitude • Méthode de quantification

Risque

• Impact dosimétrique & toxicologique • Effet sanitaire & écologique • Risque

Source

• Substance • Incidence sur le vivant • Caractéristique du rejet

Exposition

• Cible • Milieu, compartiment & processus • Echelle spatio-temporelle • Stock & flux

Action

• Règlementation rejet • Protection renforcée • Réhabilitation milieu

& Gestion du risque



Ecosystèmes

TERRESTRIAL

BIOSPHERE MARINE (1) OPEN OCEAN

COASTAL (2) ESTUARIES (3) SEAGRASS / ALGAE BEDS (4) CORAL REEFS (5) SHELF

(15) TROPICAL (14) TEMPERATE / BOREAL

(10) GRASS / RANGELAND

WETLANDS

(8) LAKES RIVERS

(13) DESERTS

(11) TOUNDRA (12) ICE / ROCK

(9) CROPLAND

FOREST

(16) URBAN

(6) SWAMPS / FLOODPLAINS

ATMOSPHERE

TERRESTRIAL

BIOSPHERE MARINE (1) OPEN OCEAN

COASTAL (2) ESTUARIES (3) SEAGRASS / ALGAE BEDS (4) CORAL REEFS (5) SHELF

(15) TROPICAL (14) TEMPERATE / BOREAL

(10) GRASS / RANGELAND

WETLANDS

(8) LAKES / RIVERS

(13) DESERTS

(11) TOUNDRA (12) ICE / ROCK

(9) CROPLAND

FOREST

(16) URBAN

(7) TIDAL MARSH / MANGROVES (6) SWAMPS / FLOODPLAINS

ATMOSPHERE

R. Costanza et al., 1997. The value of the world’s ecosystem services and natural capital. Nature (387) p. 253-260.



Décrire un système environnemental

Chimique (ex. : RADIONUCLEIDE C ) Matérielle (ex. : SOL, PLANTE, ANIMAL, AIR, EAU ) Spatiale (ex. : POINT, MAILLE, RÉSEAU HYDROGRAPHIQUE ) …

COMPOSANTE

A transfère vers B (ex. : transfert de matière/énergie=irradiation ) A contient B (ex. : une PLANTE contient un RADIONUCLEIDE C )

Interaction (COMPOSANTE A, COMPOSANTE B)

A est associé à B (ex. : une PLANTE est associée à un SOL ) A influence B (ex. : la PLUIE influence le Transfert sol-plante) …

Modélisation conceptuelle


Matrice de transfert hiérarchisée (Sol-Plante)









Matrice de transfert hiérarchisée (Rivière)



Inconnues

C Chemical

i Material

X Space

Concentration [C ]i

Irradiation Dose

Spatial density χi

Modélisation mathématique


Stock χi [C ]i

Mass flux TM FM SM

Mass flux RM

Approche mathématique (simplifiée)

1. Bilan de masse

Masse de polluant Masse de matière biotique & abiotique ( Quantité de mouvement ) ( Energie )

2. Fonction de transfert (semi-empirique)

Fonction de transfert (hors équilibre) Facteur de transfert (à l’équilibre)



Masse de polluant C

Stock Concentration

Migration Exchange p(i↔ j)

Physico-chemical transformations

Source term Stock in an animal population Stock in a phyto-plankton population Stock in soil water Stock in river water etc.



Masse de matière i

Spatial density

Migration Exchange p(i↔ j)

Component growth/decay

Animal population density Phyto-plankton biomass Water content in soil Water section in a river reach Granulometric aerosol class etc.




Ex. : Croissance de biomasse du haricot


Migration : Geophysical fluid f

Diffusion flux Advection flux

Mean velocity Dispersion tensor

Darcy_Richards law Strickler laws etc.



Mean velocity

Migration : Suspended matter i

Dispersion tensor in fluid f

Suspended matter in a river Atmospheric aerosols (solid & liquid) Colloids in a soil solution

Diffusion flux Advection flux



Effective kinetic rate of transfer

Effective « surface » of transfer

Exchange processes

Equilibrium coefficient

Effective « velocity » of transfer



Système Sol-Plante Bilan de masse

Dépôt sec (flux)

Système foliaire (concentration)

Prairie

?


Application


[137Cs ] et [90Sr ] dans l’herbe de pâture

Application

Métabolisme animal Bilan de masse & fonction de transfert

Flux ingéré en C

Mediating system or pathway p

Concentration de C dans le lait

Mammifère

?


Application

Modèle métabolique (Mammifère) Farmland (UK)


Application

Modèle métabolique (Mammifère) Ecosys-87 (D), Astral (F)


Application

Mesures post Tchernobyl


Application

Fonction de transfert

Migration & exchange processes

physico-chemical transformations

Input (flux, conc.,…)

Mediating system or pathway p Output

(flux, conc.,…)



Dépôt atmosphérique

en C Concentration de C

dans l’eau à l’exutoire

Bassin versant

?

Erosion & Ruissellement hydrique Fonction de transfert


Application

Mesures avant/après Tchernobyl

Composante rapide

Taux de transfert (1/T) Coefficient de lessivage

Tchernobyl

Tirs atmosphériques


Application

SYMBIOSE Objectives

Assessing the fate & transport of pollutants in environmental systems, and their impact on human health and biota

Dealing with a wide range of situations, from simple generic studies to complex spatial site-specific scenarios

Clients, application purposes

EDF/SEPTEN & CIDEN : NPP under normal/accidental operating conditions, decomissionning

IRSN/Nuclear Emergency Center : accidentel & post-accidental scenarios

IRSN/Waste Safety Department : safety assessment of radioactive waste disposal facilities

IRSN/Radioecology Department : radioecological research studies


Plate-forme SYMBIOSE

Modeling scope RELEASE SYSTEM Release Release Release Release

ATMOSPHERIC SYSTEM Deposition Deposition Inhalation

Exposition

RIVER SYSTEM Irrigation

Water Food

collecting

Inhalation Exposition Ingestion

MARINE SYSTEM

Food collecting

Inhalation Exposition Ingestion

Watershed erosion

AGRICULTURAL SYSTEM Migration

Food collecting Inhalation

Exposition

Exfiltration Irrigation VADOZE & AQUIFER

Feeding FOOD SYSTEM Ingestion

DOSES To MAN



Spatial model



Spatial components

River network

River use point

Sea grid, use point

Cropland grid

Farm animal population

Aquifer grid

Foodstuff station Village

City Human

population

Release station

Atmosphere grid

Spatial agregation Spatial interaction

Food collecting

Release

Irrigation

Ingestion

Feeding

Food & water collecting

ANNEXES


Annexes

Masse de polluant C

k

k k



Lagrangian approaches

Time budgets Circulation networks ( Agent-based models )

Migration : Human, animal, foodstuff i






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