21 ago. 2014

Modelos de dispersión de contaminantes atmosféricos.


 
Físicamente, la dispersión es la evolución del estado de los contaminantes respecto a un sistema de referencia, ella depende de muchos factores relacionados como: la naturaleza física y química de los contaminantes, las características meteorológicas del ambiente, el terreno sobre el cual se transportan y se difunden y la altura de las fuentes respecto a la superficie.
 
Los modelos de dispersión de calidad del aire consisten en un grupo de ecuaciones matemáticas que sirven para interpretar y predecir las concentraciones de contaminantes atmosféricos causadas por la dispersión y por el impacto de las plumas. Estos modelos incluyen en su desarrollo las diferentes condiciones meteorológicas, incluidos los factores relacionados con la temperatura, la velocidad del viento, la estabilidad y la topografía (CEPIS, 2005). Los modelos matemáticos de dispersión de contaminantes en la atmósfera, forman tres clases importantes: empíricos, semi-empíricos y numéricos.
 
Los modelos empíricos se basan en análisis estadísticos de datos obtenidos de calidad del aire, datos de fuentes de emisión y datos meteorológicos registrados para una localidad específica. Los modelos numéricos son obtenidos a partir de las características químicas y físicas, relacionadas con los fenómenos de transporte, difusión, transformación y remoción de contaminantes y, requieren de información científica experimental muy extensa. Los modelos empíricos requieren de una cantidad importante de datos meteorológicos y de una buena base de datos de emisión, y son calificados sobre la base de un análisis de pruebas estadísticas estándar. Por desgracia, solo pueden ser aplicados en las localidades que dieron origen a esas bases de datos, y solo un estudio profundo de los criterios de elaboración de estos modelos puede lograr su extrapolación a otros sitios. Sin embargo, los modelos semi-empíricos, que son una conjugación de las dos primeras clases, son los más utilizados actualmente, tanto por su facilidad de aplicación como por el tiempo requerido para su solución: estos modelos son del tipo gaussiano. Se les llama semi-empíricos porque tienen principios científicos, como el de la conservación de la masa, pero se apoyan en parámetros definidos y obtenidos de manera empírica, tales como los coeficientes de dispersión de los contaminantes (Ruíz, 2002).
 
Los miembros de las familias de los modelos empíricos, semi-empíricos y numéricos, poseen una variedad de características que permiten hacer una selección preliminar del mejor modelo de aplicación. Estas características son el resultado de las condiciones meteorológicas y topográficas, las escalas del espacio y tiempo, propias de la aplicación del modelo, el procedimiento matemático para resolver los sistemas de ecuaciones y, los mecanismos de reacción requeridos para poder solucionar un problema específico. A continuación se presenta posibles aspectos a tener en cuenta en la selección del modelo (Ruíz, 2002):
 
  • Escalas de tiempo y espacio bien definidas
  • Dependencia del régimen en estado estacionario o tiempo
  • Marco referencial ambiental
  • Tipo de contaminante y mecanismos de reacción
  • Tratamiento matemático de la turbulencia atmosférica
  • Consideraciones para múltiples fuentes
  • Tratamiento matemático de la topografía
  • Tratamiento matemático del error inducido
 
La selección de escala tiempo, desde el punto de vista de la aplicación del modelo, depende de los efectos específicos para cada contaminantes, de las normas de calidad del aire y la variabilidad de la emisiones y de la meteorología. Las normas de calidad del aire están relacionadas con escalas de tiempo o rangos de exposición, en las cuales es posible que puedan existir efectos en la salud. La variabilidad de las emisiones está en función de la operación de la planta industrial, por citar un ejemplo; mientras que la variabilidad en la meteorología tiene que ver con la estabilidad atmosférica.
 
Los modelos son de flujo estacionario o de tiempo variable, dependiendo si el tiempo esta explícito en su formulación. Si el sistema representa el promedio de un estado del fenómeno en cierto periodo, el modelo es de estado estacionario. Los modelos de estado estacionario son aplicables cuando el tiempo y la escala espacial es pequeña o cuando el resultado deseado sea lo suficientemente extenso como para que puedan ser ignoradas o promediadas las variabilidades en los efectos de los contaminantes, las emisiones y la meteorología (Ruíz, 2002).
 
El marco de referencia de los modelos de calidad del aire, excepto para alguno modelos empíricos, es un sistema de coordenadas x, y, z. No obstante, si el sistema de referencia esta fijo, sobre la superficie de la tierra, a la fuente de emisión, se dice que es marco euleriano; y si el sistema de referencia se fija en una nube, o puff, de contaminantes que se mueven en una corriente, viento debajo de la fuente, se llama lagrangiano (Ruíz, 2002).
 
El tratamiento de la turbulencia en los modelos queda cubierto matemáticamente, considerando: un volumen de mezclado perfecto, coeficiente de difusión semi-empírico o difusividad de “Eddy” la cual se basa en estudios teóricos, físicos y numéricos de la capa límite planetaria. Los coeficientes semi-empíricos son los parámetros más importantes en los modelos gaussianos y funcionan bastante bien cuando se trata de modelar concentración de gases no reactivos.
 
La topografía de una localidad específica puede: generar campos de turbulencia, modificar vientos horizontales y verticales y, cambiar las distribuciones de temperatura y humedad dentro de la capa límite planetaria. Estos factores influyen en el tipo del tratamiento del modelo; así, se pueden tener modelos para terreno plano homogéneo, terreno plano no homogéneo o complejo, o bien para valles o terrenos accidentados (Ruíz, 2002).
 
El desarrollo de modelos de dispersión tiene límites. Los modelos de pronóstico de calidad del aire describen matemáticamente el comportamiento de gases y partículas en la atmósfera; sin embargo, el contaminante puede presentar transformaciones físicas, químicas o ambas. De esta manera, los modelos de dispersión pueden estar desarrollados para considerar diversos tipos de mecanismos de transformación. Los modelos pueden ser para contaminantes no reactivos y reactivos y, pueden, además, considerar transformaciones de gas a partículas, procesos de gas depositado en partículas y procesos de partícula a partícula (Ruíz, 2002).
 
Los modelos para gases no reactivos, son los más comunes y menos complejos; estos modelos se han utilizado con buenos resultados para determinar el comportamiento de gases como el monóxido de carbono y partículas que se comportan como gases, es decir aquellas con diámetro menor a 20 micrómetros. Se han utilizado estos modelos para dióxido de azufre con ciertas restricciones, ya que el SO2 presenta algunas propiedades de reacción bajo ciertas condiciones ambientales especiales, aunque por su vida media en la atmósfera de 6,4 días, es posible considerarlo como no reactivo (Ruíz, 2002).
 
Los modelos reactivos han sido desarrollados para determinar la formación de depósitos de sulfatos a partir de SO2 o para modelar la formación y concentración de oxidantes a partir de hidrocarburos y óxidos de nitrógeno, ambas emisiones provenientes de fuentes móviles y estacionarias (Ruíz, 2002).
 
Distribución gaussiana
 
El modelo de dispersión gaussiano, que utiliza la ecuación de distribución gaussiana, es uno de los más usados. La ecuación de distribución gaussiana usa cálculos relativamente simples, que sólo requieren dos parámetros de dispersión, sy y sz, para identificar la variación de las concentraciones de contaminantes que se encuentran lejos del centro de la pluma. Esta ecuación determina las concentraciones de contaminantes en el nivel del suelo sobre la base de las variables atmosféricas de tiempo promedio, por ejemplo la temperatura y la velocidad del viento. Por lo tanto, no es posible obtener un cuadro instantáneo de las concentraciones de la pluma. Sin embargo, cuando se emplean promedios de tiempo de diez minutos a una hora para estimar las variables atmosféricas de tiempo promedio necesarias en la ecuación, se puede asumir que las concentraciones de contaminantes en la pluma están distribuidas normalmente, como se señala en la Figura 20 (CEPIS, 2005).
 
 
 

Modelos de dispersión de los contaminantes en la atmósfera para fuentes fijas
 
Los modelos de dispersión tienen muchas aplicaciones en el control de la contaminación del aire, pues son herramientas que ayudan a los científicos a evaluar la dispersión de la contaminación del aire. La exactitud de los modelos está limitada por los problemas inherentes al tratar de simplificar los factores complejos e interrelacionados que afectan el transporte y dispersión de los contaminantes del aire (CEPIS, 2005). Existen diferentes modelos de dispersión de contaminantes atmosféricos para fuentes fijas, los cuales han sido desarrollados ya sea por entidades oficiales o por entidades privadas.
 
Como ejemplos de este tipo de modelos se citan el Bouyant Line and Point Source Model BLP – el cual es un modelo de dispersión gaussiano y se emplea básicamente para modelar fuentes puntuales y lineales con empuje térmico en sus emisiones. Este modelo se emplea básicamente en actividades industriales específicas. Otro modelo es el CTDMPLUS, también de tipo gaussiano, usado para condiciones estables y terrenos complejos. El CALPUFF es un modelo de dispersión lagrangiano que trabaja con estados estables y no estables simulando los efectos del las variaciones del viento con respecto al tiempo; este modelo considera varios tipos de fuente y su estimación puede comprender hasta cientos de kilómetros.
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