RAPPORT D'ETUDE Caractérisation des particules PM10 dans la région Hauts-de-France (MEL et CUD) - Caractérisation des particules PM10 ...
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www.atmo-hdf.fr RAPPORT D’ETUDE Caractérisation des particules PM10 dans la région Hauts-de-France (MEL et CUD) N° 01/2020/SZ/V0 Etude menée en 2019-2020 Auteurs : Shouwen ZHANG, Ezvin LE ROUX Relecteur : Nathalie DUFOUR Diffusion : 15 Mars 2021
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Atmo Hauts-de-France est une association de type « loi 1901 » agréée par le Ministère de la Transition
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Nom Qualité Visa
Nathalie Responsable du Service
Approbation
Dufour Etudes
Version du document : V3 basé sur trame vierge : EN-ETU-20
Date d’application : 01/01/2021
CARA 2020 - Rapport N°01/2020/SZ/V0 2 / 80
Sommaire
Sommaire ............................................................................................................................. 3
Annexes ................................................................................................................................ 4
Illustrations .......................................................................................................................... 5
Tableaux ............................................................................................................................... 7
Synthèse de l’étude ......................................................................................................... 8
Enjeux et objectifs de l’étude ........................................................................................ 9
Introduction : les particules atmosphériques ............................................................ 10
Granulométrie des particules.............................................................................................................................10
Origines et composition chimique des particules .....................................................................................10
Impacts environnementaux et sanitaires ......................................................................................................12
Matériels et méthodes .................................................................................................. 12
Stations de mesure et polluants mesurés .....................................................................................................12
Période étudiée .......................................................................................................................................................13
Techniques de mesure .........................................................................................................................................15
4.3.1. Mesures en continu ........................................................................................................................................................... 15
4.3.1. Mesures avec analyse différée ...................................................................................................................................... 15
Contexte environnemental .......................................................................................... 17
Émissions connues .................................................................................................................................................17
5.1.1. Différence entre émissions et concentrations ......................................................................................................... 17
5.1.2. Émissions à proximité des sites de mesure .............................................................................................................. 18
Contexte météorologique ...................................................................................................................................21
5.2.1. Roses des vents ................................................................................................................................................................... 21
5.2.2. Température, humidité relative et précipitations .................................................................................................. 23
5.2.3. Comparaison des paramètres météorologiques CARA2018 et CARA2020 sur la période du 1er janvier
au 22 mai ........................................................................................................................................................................................... 24
Épisodes de pollution ...........................................................................................................................................24
Jours de dépassement..........................................................................................................................................26
Résultats de l’étude ...................................................................................................... 27
Concentration massique totale des PM10....................................................................................................27
Influence des paramètres météorologiques sur les concentrations de PM10................................31
Roses de pollution .................................................................................................................................................33
Spéciation chimique des PM10.........................................................................................................................36
CARA 2020 - Rapport N°01/2020/SZ/V0 3 / 80
6.4.1. Bouclage chimique ............................................................................................................................................................ 36
6.4.2. Composition chimique ..................................................................................................................................................... 38
6.4.3. Espèces carbonées ............................................................................................................................................................. 40
6.4.4. Métaux .................................................................................................................................................................................... 45
Episodes de pollution ...........................................................................................................................................48
Impact du confinement .......................................................................................................................................52
Conclusion et perspectives........................................................................................... 55
Annexes
Annexe 1 : Glossaire .......................................................................................................... 57
Annexe 2 : Fiche émission PM10 de la CU de Dunkerque et de la Métropole
Européenne de Lille (année 2015) ................................................................................... 59
Annexe 3 : Stations de mesure et stations météo utilisées dans cette étude ............ 60
Annexe 4 : Roses des vents mensuelles sur la période étudiée de CARA 2018 et
CARA 2019-2020 pour chaque station ........................................................................... 60
Annexe 5 : Résumé statistique par mois des paramètres météorologiques .............. 64
Annexe 6 : Roses de pollution PM10 .............................................................................. 66
Annexe 7 : Roses de pollution mensuelles basées sur les valeurs maximales ........... 70
Annexe 8 : Roses des vents pendant les jours de dépassement .................................. 74
Annexe 9 : Concentrations journalières en PM10 modélisées par la plateforme
PREV’AIR pour les épisodes des particules PM10 en 2019 .......................................... 75
Annexe 10 : Concentrations journalières en PM10 modélisées par la plateforme
PREV’AIR pour les épisodes des particules PM10 en 2020 .......................................... 76
Annexe 11 : Concentrations journalières en PM10 et concentration maximum
horaire en ozone modélisées par la plateforme PREV’AIR pour les doubles
d’épisodes de pollution en 2019-2020 ........................................................................... 78
Annexe 12 : Tableau des valeurs réglementaires en air ambiant 2018 ...................... 79
CARA 2020 - Rapport N°01/2020/SZ/V0 4 / 80
Illustrations Figure 1 : Illustration de la taille des particules PM10 et PM2.5. Source : U.S. EPA................................10 Figure 2 : Principaux polluants atmosphériques (source : Atmo Hauts-de-France) ...............................11 Figure 3 : La région Hauts-de-France et ses départements (en vert), les stations de mesures (en bleu) sélectionnées pour l’étude, et les établissements publics de coopération intercommunale (EPCI, en rouge) où se trouvent ces stations.........................................................................................................13 Figure 4 : Stations de mesures sélectionnées pour cette étude ....................................................................14 Figure 5 : Analyseur TEOM-FDMS. Source : Thermofisher ...............................................................................15 Figure 6 : Photos de préleveurs DA80 (intérieur et tête de prélèvement) .................................................16 Figure 7 : Relation entre les émissions et les concentrations de polluants atmosphériques .............17 Figure 8 : Émissions de particules et leur répartition par secteur d’activité dans chaque EPCI qui comprend une des stations de mesures faisant l’objet de la présente étude. Les données d’émissions ont été extraites de la version A2015_M2017_V6 de l’inventaire d’Atmo Hauts-de- France ...................................................................................................................................................................................19 Figure 9 : Principales ICPE (installations classées pour la protection de l’environnement) situées à proximité du site de mesure DKI (Grande-Synthe). Sont montrées les ICPE classées « SEVESO » (en violet, avec étiquettes indiquant leurs noms), les ICPE soumises à autorisation (en jaune), et les ICPE soumises à enregistrement (en cyan) ......................................................................................................................20 Figure 10 : Principales ICPE (installations classées pour la protection de l’environnement) situées à proximité du site de mesure MC5 (Lille Fives). Sont montrées les ICPE classées « SEVESO » (en violet, avec étiquettes indiquant leurs noms), les ICPE soumises à autorisation (en jaune), et les ICPE soumises à enregistrement (en cyan) ......................................................................................................................20 Figure 11 : Roses des vents pour la même période étude (janvier à mai) des programmes CARA 2018 et 2020 ......................................................................................................................................................................22 Figure 12 : Moyennes journalières des températures, de l’humidité relative et des précipitations pour les 2 sites pour la période étudiée .................................................................................................................23 Figure 13 : Épisodes de pollution en particules PM10 constatés entre le 01/07/2019 et le 30/06/2020 en région Hauts-de-France..........................................................................................................................................25 Figure 14 : Moyennes journalières en PM10 pour les deux sites sur la période étudiée .....................27 Figure 15 : Moyennes mensuelles de PM10 pour les deux sites ...................................................................28 Figure 16 : Comparaison des moyennes journalières de PM10 CARA2018 et CARA2020 sur le site de Grande-Synthe entre le 1er janvier et le 22 mai (ligne en pointillé orange : seuil d'information et de recommandation, PM10 en moyenne journalière > 50 µg/m3 ; ligne en pointillé rouge : seuil d’alerte, PM10 en moyenne journalière > 80 µg/m3) ........................................................................................29 Figure 17 : Comparaison des moyennes journalières de PM10 CARA2018 et CARA2020 sur le site de Lille Fives entre le 1er janvier et le 22 mai (ligne en pointillé orange : seuil d'information et de recommandation, PM10 en moyenne journalière > 50 µg/m3 ; ligne en pointillé rouge : seuil d’alerte, PM10 en moyenne journalière > 80 µg/m3) ........................................................................................30 Figure 18 : Evolution des températures moyennes à Grande-Synthe et Lille Fives du 01/07/2019 au 30/06/2020.........................................................................................................................................................................31 CARA 2020 - Rapport N°01/2020/SZ/V0 5 / 80
Figure 19 : Evolution des précipitations à Grande-Synthe et Lille Fives du 01/07/2019 au 30/06/2020 ................................................................................................................................................................................................32 Figure 20 : Roses de pollution pour la même période étude (janvier à mai) des programmes CARA 2018 et 2020 ......................................................................................................................................................................33 Figure 21 : Roses de pollution sur la période étudiée (01/07/2019 au 30/06/2020), superposées sur les fonds de cartes correspondants. L’échelle de couleur indique la concentration moyenne en PM10 (µg/m3) observée pour la catégorie de vents correspondante. ........................................................35 Figure 22 : Comparaison des concentrations massiques en PM10 reconstituées par bouclage chimique à celles mesurées par TEOM-FDMS ......................................................................................................37 Figure 23 : Composition chimique moyenne des PM10 de 2 sites pour la période d’étude (juillet 2019 – juin 2020) . ...........................................................................................................................................................38 Figure 24 : Comparaison de la composition chimique moyenne des PM10 de 2 sites pour la même période en 2018 et en 2020. .......................................................................................................................................39 Figure 25 : Concentration en OC et EC dans les PM10 (axe de gauche) et ratio OC/EC (axe de droite) pour les deux sites. .........................................................................................................................................................41 Figure 26 : Comparaison des niveaux d’OC et d’EC en 2018 et en 2020 à Lille et à Grande-Synthe. ................................................................................................................................................................................................41 Figure 27 : Contributions relatives moyennes des 9 espèces organiques identifiées. ..........................42 Figure 28 : Evolution des moyennes mensuelles du lévoglucosan à Lille et à Grande-Synthe. ........44 Figure 29 : Comparaison des niveaux du lévoglucosan en 2018 et en 2020 pour les deux sites .....44 Figure 30 : Concentrations moyennes (sur la période étudiée) de métaux traceurs d’émissions industrielles. .......................................................................................................................................................................45 Figure 31 : Concentrations moyennes (sur la période étudiée) de métaux traceurs d’émissions du trafic routier. ......................................................................................................................................................................46 Figure 32 : Concentrations moyennes (sur la période étudiée) de métaux traceurs d’émissions de la combustion de fuel lourd. ............................................................................................................................................47 Figure 33 : Concentrations moyennes (sur la période étudiée) de métaux traceurs de poussière minérales.............................................................................................................................................................................48 Figure 34 : Composition chimique moyenne des PM10 pendant les jours de dépassement en été et en hiver 2019. ....................................................................................................................................................................49 Figure 35 Composition chimique moyenne des traceurs organiques pendant les jours de dépassement en été et en hiver 2019......................................................................................................................50 Figure 36 : Composition chimique moyenne des PM10 pendant les jours de dépassement au printemps 2020 et au printemps 2018. ...................................................................................................................51 Figure 37 Concentration moyenne des PM10 avant, pendant et après le confinement pour Grande- Synthe et Lille. ...................................................................................................................................................................52 Figure 38 Composition chimique moyenne des PM10 avant, pendant et après le confinement. ....54 CARA 2020 - Rapport N°01/2020/SZ/V0 6 / 80
Tableaux Tableau 1 : Stations de mesure sélectionnées pour cette étude ...................................................................14 Tableau 2 : Laboratoires et méthodes de quantification de la composition chimique des PM10 prélevées sur filtres .........................................................................................................................................................16 Tableau 3 : Émissions de PM10 par habitant (kg/an/habitant). Les données d’émissions ont été extraites de la version A2015_M2017_V6 de l’inventaire d’Atmo Hauts-de-France ..............................18 Tableau 4 : Moyennes journalières de PM10 dépassant 50 µg/m3, sur la période du 01/07/2019 au 30/06/2020 en région Hauts-de-France .................................................................................................................26 Tableau 5 : Résumé statistiques des concentrations mensuelles en PM10 pour les deux sites sur la période étudiée ................................................................................................................................................................28 Tableau 6 : Résumé statistiques des concentrations en PM10 pour les deux sites sur la période étudiée .................................................................................................................................................................................29 CARA 2020 - Rapport N°01/2020/SZ/V0 7 / 80
Synthèse de l’étude Cette étude a été réalisée dans le cadre du programme CARA (caractérisation chimique des particules) d’Atmo Hauts-de-France et cofinancée par la Métropole Européenne de Lille (MEL), le Laboratoire Central de Surveillance de la Qualité de l’Air (LCSQA) et la Direction Régionale de l’Environnement, de l’Aménagement et du logement (DREAL) Hauts-de-France. Son objectif est de caractériser et comprendre la composition des particules de taille inférieure à 10 µm (PM10) dans la région Hauts-de-France. Pour cela, les particules PM10 ont été prélevées sur filtres en deux points de la région : Lille (une station urbaine mesurant la pollution de fond), et Grande-Synthe (une station urbaine mesurant la pollution sous influence industrielle). La composition chimique des particules ainsi prélevées a été analysée afin de quantifier la concentration des différents constituants des particules. L’étude porte sur les mesures de la période du 1er juillet 2019 au 30 juin 2020. Les évolutions temporelles des particules PM10 sont relativement similaires pour les deux stations étudiées. Cette similitude suggère que les PM10 mesurées sur ces sites sont généralement sous influence régionale. Les concentrations printanière et estivale à Grande-Synthe sont cependant très supérieures aux concentrations mesurées (plusieurs dépassements à noter) sur le site de Lille, ce qui indique une influence plus locale dans ce cas. Concernant la composition chimique des particules, la matière organique (26-34%) et le nitrate d’ammonium (31%) sont généralement les composés dominants sur les deux sites et contribuent, à eux deux, à plus de 50% des particules PM10 mesurées. La matière organique provient de sources diverses liées aux activités humaines (chauffage, transports et activités économiques) mais aussi des activités naturelles (ex. les pollens). Le nitrate n’est pas directement rejeté dans l’atmosphère ; il résulte de réactions chimiques entre des composés émis par des sources variées (transports, industries, agriculture, etc.). Les profils chimiques des particules sont cependant, à certains égards, différents selon la typologie des sites et selon la saison pendant la période d’étude. Le chauffage au bois pendant la période froide présente une influence plus forte à Lille qu’à Grande-Synthe. Par contre, la contribution des métaux (8% contre 4%) et des sels marins (16% contre 11%) est plus importante à Grande-Synthe, site sous influence industrielle et proche de la mer. La valeur limite journalière (50 µg/m3 en moyenne journalière) a été dépassée durant dix jours à Grande- Synthe et 1 jour à Lille Fives. Lors de ces dépassements, au printemps, les composés inorganiques secondaires (nitrate d’ammonium et sulfate d’ammonium) sont les constituants dominants sur les deux sites. En été, les composés organiques (notamment les secondaires) et le sulfate sont les polluants principaux à Lille. En revanche, Grande-Synthe est plutôt impacté par les composés inorganiques secondaires. En hiver, les composés organiques lié au chauffage au bois sont élevés pour les deux sites. Le confinement lié à la pandémie du COVID-19 au printemps 2020 ne montre pas un impact significatif sur la composition des particules pour les deux sites. La particularité des épisodes typiques du Littoral des Hauts-de-France montre une nécessité d’étude spécifique sur cette zone. Celle-ci sera effectuée en 2021 pour mieux comprendre la composition et les sources de particules sur cette zone en collaboration avec Atmo Normandie et le LCSQA. CARA 2020 - Rapport N°01/2020/SZ/V0 8 / 80
Enjeux et objectifs de l’étude
Le programme CARA (caractérisation chimique des particules) a été mis en place en 2008 par le Laboratoire
Central de Surveillance de la Qualité de l’Air (LCSQA), afin d’améliorer la compréhension des sources et causes
des épisodes de pollution en PM10, ainsi que des concentrations observées en dehors des épisodes. Les
objectifs actuels de ce programme sont 1:
- Déterminer les sources qui contribuent le plus à la pollution particulaire, tant en « situation normale »
que lors des épisodes de pollution, afin d’aider à l’élaboration de plans d’actions adaptés.
- Apporter un appui technique et scientifique aux associations agréées pour la surveillance de la
qualité de l’air (AASQA) dans la mise en œuvre de campagnes de spéciation chimique des particules
sur leurs territoires, y compris par des mesures automatiques.
- Élaborer des guides méthodologiques et des protocoles d’assurance et de contrôle de qualité
portant sur différentes techniques pertinentes à la spéciation chimique des particules et à l’étude de
leurs sources.
- Assurer un retour d’expérience et une veille scientifique sur les méthodologies et projets visant
l’amélioration des connaissances relatives à la pollution particulaire.
- Réaliser des études de comparaisons inter-laboratoires portant sur la mesure des espèces
chimiques.
- Optimiser les modèles de chimie-transport via une comparaison des mesures aux sorties de ces
modèles, afin de permettre une meilleure anticipation des épisodes de pollution particulaire.
Depuis 2012, dans le cadre du programme CARA, les particules PM10 sont prélevées sur des filtres en plusieurs
points de la région Hauts-de-France. La composition chimique des particules ainsi prélevées est ensuite
analysée par différents laboratoires. Les études sur le site de Nogent-sur-Oise pendant la période 2013–2016
et sur 4 sites de la région en 2018 sont déjà publiées2,3.
La présente étude porte sur les mesures du programme CARA d’Atmo Hauts-de-France effectuées en 2019-
2020. Elle est cofinancée par la Métropole Européenne de Lille (MEL), le Laboratoire Central de
Surveillance de la Qualité de l’Air (LCSQA), la région Hauts-de-France et la Direction Régionale de
l’Environnement, de l’Aménagement et du logement (DREAL) Hauts-de-France. Afin de mieux
comprendre la chimie des particules pendant et hors des épisodes de pollution, 2 points de prélèvement
implantés dans des environnements distincts les uns des autres ont été choisis dans la région : Lille (urbain) et
Dunkerque (urbain sous influence industrielle). Des prélèvements par filtre, chacun d’une durée de 24 heures,
ont été réalisés entre le 1er juillet 2019 et le 30 juin 2020. Les objectifs principaux de cette étude sont de :
(1) caractériser et comprendre la composition chimique des particules pendant et hors des épisodes de
pollution ;
(2) comparer entre eux les résultats obtenus sur les 2 sites sélectionnés ;
(3) comparer les résultats 2020 avec les résultats de CARA 2018 sur la même période (1er semestre).
1
Olivier FAVEZ et al., “Bilan Des Travaux 2017 Du Programme CARA,” 2018, https://www.lcsqa.org/system/files/rapport/LCSQA2017-
bilan%20prog%20CARA%202017.pdf.
2
Atmo HdF, “Programme CARA Nogent-Sur-Oise 2013-2016,” Rapport d’étude (Atmo Hauts-de-France, November 2018),
http://www.atmo-hdf.fr/joomlatools-files/docman-files/Rapport_et_synthese_etudes/rapport_complet_nogent_min.pdf.
3
Atmo HdF, “Caractérisation Des Particules PM10 Dans La Région Hauts-de-France,” March 2019, https://www.atmo-hdf.fr/joomlatools-
files/docman-files/Rapport_et_synthese_etudes/Rapport_CARA_2018_VF.pdf.
CARA 2020 - Rapport N°01/2020/SZ/V0 9 / 80
Introduction : les particules
atmosphériques
Les particules atmosphériques sont constituées de matière solide et/ou liquide en suspension dans l’air. Elles
sont généralement composées d’un mélange complexe de substances chimiques organiques et inorganiques.
Ces particules en suspension sont souvent désignées par l'abréviation PM qui provient de l'anglais "Particulate
Matter".
Granulométrie des particules
Dans le cadre de l’étude de la qualité de l’air, les particules atmosphériques sont classées en fonction de leur
diamètre aérodynamique. L’ensemble des particules dont le diamètre est inférieur à 10 micromètres (µm) est
appelé PM10. De manière similaire, les termes PM2.5 et PM1 désignent les particules dont le diamètre est
inférieur à 2.5 et à 1 µm, respectivement. La Figure 1 illustre la taille des particules atmosphériques en les
comparant à un cheveu humain (50 à 70 µm).
Figure 1 : Illustration de la taille des particules PM10 et PM2.5. Source : U.S. EPA4
Origines et composition chimique des particules
Les particules atmosphériques sont émises par des sources naturelles ainsi que par des sources anthropiques.
Les particules naturelles proviennent principalement des éruptions volcaniques, des activités sismiques, des
embruns marins, du transport par le vent de poussières du désert, de l’érosion des sols, des feux de forêts, et
de la végétation (e.g. pollens). Les principales sources anthropiques sont le trafic routier (échappement et hors
échappement), les autres transports motorisés (transport aérien, ferroviaire, maritime et fluvial, etc.), la
production et la distribution d’énergie, le chauffage résidentiel (notamment au bois), certaines activités
industrielles et agricoles, le traitement des déchets, et les activités de construction.
4
https://www.epa.gov/sites/production/files/2016-09/pm2.5_scale_graphic-color_2.jpg, consulté le 23/11/2018.
CARA 2020 - Rapport N°01/2020/SZ/V0 10 / 80Deux catégories de particules sont à distinguer (Figure 2) selon leurs processus de formation :
- Les particules primaires, qui sont émises directement dans l'atmosphère par différentes sources
anthropiques et naturelles.
- Les particules secondaires, qui sont formées dans l’atmosphère par des réactions physico-chimiques
à partir de précurseurs gazeux (e.g. SO2, NOx, NH3, composés organiques volatils).
Figure 2 : Principaux polluants atmosphériques (source : Atmo Hauts-de-France)
La composition chimique des particules varie fortement en fonction de leurs processus de formation et de leur
vie dans l’atmosphère. Les particules sont généralement composées d’un mélange de :
- Matière organique (OM). La matière organique est la fraction qui contient l’ensemble des composés
organiques. Le carbone contenu dans cette matière organique est appelé carbone organique (OC). Il
peut être émis directement dans l'atmosphère (OC primaire), et aussi être formé par condensation ou
nucléation de composés organiques volatils (OC secondaire).
- Carbone suie (ou black carbon, noté BC). Le carbone suie est un polluant primaire, formé par la
combustion incomplète de combustibles carbonés (combustibles fossiles, biocarburants, biomasse,
etc.).
- Ions inorganiques (nitrates, sulfates, carbonates, chlorures, ammonium, etc.). Ils peuvent être
émis directement dans l’atmosphère (ex. NaCl provenant des embruns marins) ou être formés à partir
de précurseurs gazeux (ex. le nitrate est formé à partir de NOx gazeux).
- Éléments métalliques. Ils peuvent être émis par des sources naturelles (ex. Ca, Al, Fe provenant de la
croûte terrestre), ainsi que par des sources anthropiques (ex. As, Cd, Pb émis par certains processus
industriels).
CARA 2020 - Rapport N°01/2020/SZ/V0 11 / 80Impacts environnementaux et sanitaires
L’exposition aux particules est associée à des maladies respiratoires et cardiovasculaires 5 et à un risque accru
de contracter le cancer. Ces effets peuvent être exacerbés pour certaines populations considérées comme
sensibles (jeunes enfants, personnes âgées, personnes asthmatiques, etc.).
L’influence des particules sur le climat est complexe. Les particules peuvent influencer le climat de manière
directe en interagissant avec les rayonnements solaires et terrestres. Elles peuvent également influencer le
climat de manière plus indirecte, par exemple en participant à la formation de nuages. Certains composés,
principalement le carbone élémentaire, ont un effet réchauffant sur le climat. En revanche, dans leur ensemble,
les particules ont un effet refroidissant. L’incertitude sur ces estimations est élevée6.
Matériels et méthodes
Stations de mesure et polluants mesurés
Deux stations de mesure, immatriculées Grande-Synthe (DKI), et Lille Fives (MC5) réparties sur la région des
Hauts-de-France ont été sélectionnées pour cette étude. Ces stations sont respectivement situées dans les
communes de Grande-Synthe et de Lille.
Lille est la préfecture du département du Nord. Cette ville est située à une dizaine de kilomètres de la frontière
franco-belge. La Métropole Européenne de Lille (MEL) est constituée de Lille et de 94 autres communes,
formant ainsi une agglomération de 1 146 200 habitants. La densité moyenne de population à Lille est de 6
684 hab/km2, pour une superficie d’environ 35 km 2. Cette densité est la plus élevée parmi les 2 sites
sélectionnés pour l’étude. La station de Lille Fives est une station urbaine qui mesure la pollution de fond. Elle
mesure les polluants réglementés suivants NO, NO2, ozone, PM2.5, et PM10. Elle mesure également le carbone
suie (black carbone) (non réglementé).
Avec presque 23 000 habitants, Grande-Synthe est la principale ville de la périphérie de Dunkerque (densité
moyenne de population : 1 071 hab/km2). Le grand port maritime de Dunkerque, troisième de France en
matière de trafic, comporte des installations industrielles de pétrochimie, de métallurgie et de sidérurgie. Cette
région portuaire est également la première plateforme énergétique des Hauts-de-France, du fait de la présence
de la centrale nucléaire de Gravelines, de la centrale DK6 et d’un terminal méthanier. La station de Grande-
Synthe est implantée en milieu urbain et mesure des concentrations directement influencées par les activités
industrielles environnantes. Cette station mesure les polluants réglementés suivants : CO, NO2, NO, PM10, SO2,
les HAP (hydrocarbures aromatiques polycycliques, dont le benzo(a)pyrène) et 4 métaux lourds (plomb, arsenic,
cadmium et nickel).
5
C. Arden Pope and Douglas W. Dockery, “Health Effects of Fine Particulate Air Pollution: Lines That Connect,” Journal of the Air & Waste
Management Association 56, no. 6 (June 1, 2006): 709–42, https://doi.org/10.1080/10473289.2006.10464485.
6
T. F. Stocker et al., 2013: Technical Summary. Dans: Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I
to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [T.F. Stocker, D. Qin, G.-K. Plattner, M. Tignor, S.K. Allen,
J. Boschung, A. Nauels, Y. Xia, V. Bex, P.M. Midgley (eds.)]. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY,
USA.
CARA 2020 - Rapport N°01/2020/SZ/V0 12 / 80Sur la Figure 3, les deux sites d’étude ont été choisis afin de caractériser les particules et leurs compositions à
divers points du territoire et dans des contextes distincts. Chacun de ces sites est influencé par des émissions
et des conditions météorologiques qui lui sont propres. La station est implantée en milieu dit « urbain » de
Lille Fives mesure les niveaux de pollution de fond alors que les concentrations de polluants mesurés à la
station de Grande-Synthe sont directement influencées par les activités industrielles situées à proximité.
Figure 3 : La région Hauts-de-France et ses départements (en vert), les stations de mesures (en bleu) sélectionnées pour
l’étude, et les établissements publics de coopération intercommunale (EPCI, en rouge) où se trouvent ces stations
Période étudiée
Cette étude porte sur les mesures de PM10 effectuées entre le 1er juillet 2019 et le 30 juin 2020.
CARA 2020 - Rapport N°01/2020/SZ/V0 13 / 80Tableau 1 : Stations de mesure sélectionnées pour cette étude
Station Commune EPCI
Densité Densité
Polluants mesurés en Influence des Population Population
Immatriculation Typologie Nom moyenne de Nom moyenne de
continu mesures en 2017* en 2017*
population* population*
Grande-Synthe PM10, NOx, CO, SO2,
Urbaine Industrielle Grande-Synthe 22 966 1 071,2 CU de Dunkerque (CUD)** 199 893 666,6
(DKI) HAP, métaux lourds
Lille Fives
Urbaine PM10, NOx, O3, PM2.5, BC Fond Lille 232 787 6 683,5 Métropole Européenne de Lille (MEL) 1 146 320 1769,6
(MC5)
* Source : INSEE, Recensement de la population RP2017 en géographie au 01/01/2019 (https://www.insee.fr, consulté le 07/07/2020).
** Source : INSEE, Recensement de la population RP2015 en géographie au 01/01/2017 (https://www.insee.fr, consulté le 07/07/2020).
DKI (Grande-Synthe) MC5 (Lille Fives)
Figure 4 : Stations de mesures sélectionnées pour cette étude
CARA 2020 - Rapport N°01/2020/SZ/V0 14 / 80Techniques de mesure
Du 1er juillet 2019 au 30 juin 2020, les particules PM10 ont été mesurées de deux manières différentes en
parallèle pour chacune des 2 stations. Les deux techniques de mesure utilisées (mesures en continu et
mesures avec analyse différée) sont décrites ci-dessous.
La concentration massique des PM10 (sans distinction de leur composition) est mesurée
en continu par un analyseur TEOM-FDMS (Figure 5). Cet appareil permet d’obtenir des
concentrations avec un pas de temps de 15 min. Les données exploitées dans le présent
rapport sont en revanche les moyennes horaires, les moyennes journalières et mensuelles
sont calculées à partir de ces données quart-horaires. La méthode de mesure utilisée
(conforme à la norme NF EN 16450) est équivalente à la méthode de référence par pesée
gravimétrique (norme NF EN 12341).
Figure 5 : Analyseur TEOM-FDMS. Source : Thermofisher7
Les PM10 sont prélevées sur des filtres en quartz par un préleveur haut débit DA80 (débit = 30 L/min, photos
sur la Figure 6). Les prélèvements durent chacun 24 heures et sont effectués tous les jours de minuit à minuit
(temps universel – TU). Les filtres ainsi obtenus peuvent être poinçonnés et chaque poinçon est envoyé à un
laboratoire qui analyse la composition chimique des particules prélevées sur le filtre. Les laboratoires et
méthodes de quantification choisis pour chaque famille de composés à analyser sont listés dans le Tableau 2.
Ces analyses permettent de calculer la concentration atmosphérique (phase particulaire uniquement) de
chaque composé étudié. Les concentrations ainsi mesurées sont des concentrations moyennes journalières.
Les filtres à analyser par les laboratoires sont sélectionnés selon les critères suivants :
- Un filtre sur six (i.e. un jour de prélèvement sur six) est systématiquement analysé. Un filtre sur trois a
été systématiquement analysé pendant le confinement en lien avec la crise sanitaire Covid19 entre
mars - juin 2020.
- Si la concentration massique journalière des PM10 telle que mesurée par TEOM-FDMS est supérieure
à 40 µg/m3 à au moins sur l’une des stations, alors les filtres de cette journée sont analysés pour les
deux stations.
7
Source : https://www.thermofisher.com/order/catalog/product/TEOM1405F
CARA 2020 - Rapport N°01/2020/SZ/V0 15 / 80Figure 6 : Photos de préleveurs DA80 (intérieur et tête de prélèvement)
A noter que les ions et les sucres sont analysées par LSCE (Laboratoire des Sciences du Climat et de
l'Environnement) pour les prélèvements en 2019 et par l’INERIS (Institut national de l'environnement industriel
et des risques) pour les prélèvements en 2020. Parmi les sucres, il y a 9 espèces qui sont analysées en 2019.
Par contre, seulement 3 espèces sont analysées en 2020, en lien avec les laboratoires partenaires.
Tableau 2 : Laboratoires et méthodes de quantification de la composition chimique des PM10 prélevées sur filtres
Espèces Méthode(s) Laboratoire
mesurées
OC/EC TOT (analyse thermo-optique en LASAIR/Airparif
transmission)
Ions IC (Chromatographie ionique) LSCE (Laboratoire des
Sciences du Climat et de
l'Environnement) /INERIS
(Institut national de
l'environnement industriel et
des risques)
Métaux ICP-MS (inductively coupled plasma mass Institut Mines Telecom Lille-
spectrometry) et ICP-AES (inductively Douai
coupled atomic emission spectrometry)
Sucres HPLC-PAD (high performance liquid LSCE/INERIS
chromatography coupled to a pulsed
amperometric detection)
CARA 2020 - Rapport N°01/2020/SZ/V0 16 / 80Contexte environnemental
Émissions connues
Les émissions de polluants sont les quantités de polluants directement rejetées dans l'atmosphère par les
activités humaines ou par des sources naturelles (voir section 3). Les émissions de polluants s’expriment en
masse de polluant émise par unité de temps, généralement en tonnes par an.
Les émissions de polluants sont à ne pas confondre avec les concentrations atmosphériques de polluants. Ces
concentrations caractérisent la qualité de l'air que l'on respire, et s'expriment souvent en microgrammes de
polluant par mètre cube d’air (µg/m³). Elles sont influencées non seulement par les quantités de polluants
émises, mais également par les phénomènes atmosphériques qui influencent le devenir de ces espèces
chimiques dans l’air. En effet, une fois émis dans l’atmosphère, les polluants peuvent être dispersés et
transportés par des masses d’air, peuvent réagir entre eux pour former d’autres polluants (ou des espèces
moins polluantes), et peuvent être déposés sur les sols et dans les corps d’eau. La Figure 7 illustre la relation
entre émissions et concentrations de polluants.
Figure 7 : Relation entre les émissions et les concentrations de polluants atmosphériques
CARA 2020 - Rapport N°01/2020/SZ/V0 17 / 80Les émissions de particules à proximité des stations de mesure sélectionnées pour l’étude, ainsi que les
contributions relatives des différents secteurs émetteurs, sont très différentes d’un site à l’autre (Figure 8). Dans
cette discussion, sont considérées comme « à proximité de la station de mesures », les émissions situées dans
le même établissement public de coopération intercommunale (EPCI) que la station.
D’après la dernière version d’inventaire A2015_M2017_V6 d’Atmo Hauts-de-France (Tableau 3), les émissions
de PM10 par habitant sont de 9 fois plus importantes pour la CUD par rapport à la MEL.
Les émissions par habitant de la CUD sont également 4 fois plus élevées que la moyenne française et 3 fois
plus élevées que la moyenne régionale des Hauts-de-France.
Les émissions par habitant de la MEL sont plus faibles que les moyennes régionales et nationales, d’un facteur
qui varie entre 3 et 2 respectivement.
Les émissions de PM10 par habitant de la région Hauts-de-France sont quant à elles supérieures à la
moyenne nationale avec 5,2 kg/an/habitant contre 4,1 kg/habitant.
Les fiches émissions de la CUD et de la MEL sont disponibles en Annexe 2, respectivement.
Tableau 3 : Émissions de PM10 par habitant (kg/an/habitant). Les données d’émissions ont été extraites de la version
A2015_M2017_V6 de l’inventaire d’Atmo Hauts-de-France
EPCI : Emissions de PM10 (kg/an/habitant)
Version A2015_M2017_V6 de l’inventaire d’Atmo Hauts-de-France
CU de Dunkerque (CUD) 16.2
Métropole Européenne de Lille (MEL) 1.8
Région Hauts-de-France 5.4
France 4.1
*source d’émissions nationales : CITEPA, avril 2018
Les données ci-dessous ont été extraites sur Myemissair depuis les données d’inventaire de la version
A2015_M2017_V6. La différence de pourcentage avec les fiches émissions de la CUD et de la MEL présentées
ci-dessus sont expliquées par le regroupement en 4 grands secteurs d’émissions : Transports ; Agriculture et
autres ; Résidentiel – Tertiaire et Industrie, déchets, énergie, construction.
CARA 2020 - Rapport N°01/2020/SZ/V0 18 / 80CUD MEL
Transports
10%
3% 21%
4% Agriculture et autres
38%
Résidentiel - Tertiaire
Industrie, déchets,
énergie, construction 33%
83% 8%
Emissions PM10 CUD/MEL
3000
CUD MEL
2500
Tonnes/an
2000
1500
1000
500
0
Transports Agriculture et Résidentiel - Industrie, déchets,
autres Tertiaire énergie,
construction
Figure 8 : Émissions de particules et leur répartition par secteur d’activité dans chaque EPCI qui comprend une des stations
de mesures faisant l’objet de la présente étude. Les données d’émissions ont été extraites de la version A2015_M2017_V6 de
l’inventaire d’Atmo Hauts-de-France
D’après cette l’inventaire, les émissions de PM10 dans la CUD sont relativement élevées (3244 tonnes par an),
en raison d’une forte activité industrielle qui représente 83% des émissions de PM10 sur ce territoire. Les
émissions industrielles à la CUD (2692 tonnes/an) sont environ 6 fois élevées que pour la MEL (441 tonnes/an).
La contribution relative du secteur des transports aux émissions de PM10 est de 39% pour la MEL, soit plus
d’un tiers des émissions (819 tonnes/an), alors qu’il contribue seulement pour 10% des émissions de la CUD
(324 tonnes/an).
La contribution relative du secteur résidentiel-tertiaire pour la MEL est de 33% (693 tonnes/an) contre
seulement 4% (129 tonnes/an) pour la CUD.
Enfin, le secteur agricole ne contribue que faiblement aux émissions de PM10 pour les 2 EPCI avec 3% (97
tonnes/an) et 8% (168 tonnes/an), pour la CUD et la MEL, respectivement.
Il est important de noter que les émissions totales par EPCI présentées sur la Figure 8 correspondent, pour
chaque station, à l’EPCI dans lequel se trouve la station. Les deux EPCI ont des superficies et un nombre
CARA 2020 - Rapport N°01/2020/SZ/V0 19 / 80d’habitants différent. Les sites industriels, les principaux axes routiers, les zones densément habitées, et les espaces plus ruraux situés autour des sites de mesure étudiés ici sont présentés sur les figures ci-dessous (Figure 9Erreur ! Source du renvoi introuvable. à Figure 10). La station de Grande-Synthe est séparée de la côte au nord par une zone d’activités industrielles qui s’étend sur plusieurs kilomètres le long du littoral. L’autoroute A14 passe au sud de la station. Figure 9 : Principales ICPE (installations classées pour la protection de l’environnement) situées à proximité du site de mesure DKI (Grande-Synthe). Sont montrées les ICPE classées « SEVESO » (en violet, avec étiquettes indiquant leurs noms), les ICPE soumises à autorisation (en jaune), et les ICPE soumises à enregistrement (en cyan) La station de Lille Fives est située dans un quartier résidentiel et commercial de Lille, à l’est de la route nationale N356. Relativement peu d’industries se trouvent à proximité de ce site de mesure. Figure 10 : Principales ICPE (installations classées pour la protection de l’environnement) situées à proximité du site de mesure MC5 (Lille Fives). Sont montrées les ICPE classées « SEVESO » (en violet, avec étiquettes indiquant leurs noms), les ICPE soumises à autorisation (en jaune), et les ICPE soumises à enregistrement (en cyan) CARA 2020 - Rapport N°01/2020/SZ/V0 20 / 80
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