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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
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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)
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(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)
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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
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Evaluation du risque (notion)
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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.
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Evaluation du risque (notion)
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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
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Matrice de transfert hiérarchisée (Sol-Plante)
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Modélisation conceptuelle
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Matrice de transfert hiérarchisée (Sol-Plante)
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Modélisation conceptuelle
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Matrice de transfert hiérarchisée (Sol-Plante)
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Modélisation conceptuelle
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Matrice de transfert hiérarchisée (Rivière)
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Modélisation conceptuelle
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Inconnues
C Chemical
i Material
X Space
Concentration [C ]i
Irradiation Dose
Spatial density χi
Modélisation mathématique
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Stock χi [C ]i
Mass flux TM FM SM
Mass flux RM
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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)
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Modélisation mathématique
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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.
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Modélisation mathématique
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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.
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Modélisation mathématique
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Ex. : Croissance de biomasse du haricot
Modélisation mathématique
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Migration : Geophysical fluid f
Diffusion flux Advection flux
Mean velocity Dispersion tensor
Darcy_Richards law Strickler laws etc.
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Modélisation mathématique
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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
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Modélisation mathématique
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Effective kinetic rate of transfer
Effective « surface » of transfer
Exchange processes
Equilibrium coefficient
Effective « velocity » of transfer
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Modélisation mathématique
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Système Sol-Plante Bilan de masse
Dépôt sec (flux)
Système foliaire (concentration)
Prairie
?
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Application
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[137Cs ] et [90Sr ] dans l’herbe de pâture
Application
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Métabolisme animal Bilan de masse & fonction de transfert
Flux ingéré en C
Mediating system or pathway p
Concentration de C dans le lait
Mammifère
?
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Application
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Modèle métabolique (Mammifère) Farmland (UK)
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Application
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Modèle métabolique (Mammifère) Ecosys-87 (D), Astral (F)
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Application
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Mesures post Tchernobyl
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Application
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Fonction de transfert
Migration & exchange processes
physico-chemical transformations
Input (flux, conc.,…)
Mediating system or pathway p Output
(flux, conc.,…)
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Modélisation mathématique
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Dépôt atmosphérique
en C Concentration de C
dans l’eau à l’exutoire
Bassin versant
?
Erosion & Ruissellement hydrique Fonction de transfert
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Application
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Mesures avant/après Tchernobyl
Composante rapide
Taux de transfert (1/T) Coefficient de lessivage
Tchernobyl
Tirs atmosphériques
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Application
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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
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Plate-forme SYMBIOSE
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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
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Plate-forme SYMBIOSE
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Spatial model
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Plate-forme SYMBIOSE
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
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ANNEXES
Journées Modélisation, CEREGE 21/05/2008
Annexes
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Masse de polluant C
k
k k
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Modélisation mathématique
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Lagrangian approaches
Time budgets Circulation networks ( Agent-based models )
Migration : Human, animal, foodstuff i
Modélisation mathématique
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Modélisation mathématique
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Journées Modélisation, CEREGE 21/05/2008
Plate-forme SYMBIOSE