FACULTAD DE INGENIERASINGENIERA DE SEGURIDAD INDUSTRIAL Y MINERA

AGENTES AMBIENTALES

TEMA: PRACTICA 2 APLICACIN DE MODELOS DE DISPERSIN DE CONTAMINANTES DEL AIRE INTEGRANTES:

DOCENTEMG. MARCO ANTONIO VALDIVIA MALAGA

CICLO: VII TURNO: TARDEAULA: 20

AREQUIPA- PER2015INDICE

1. INTRODUCCION:22. MODELOS DE DISPERSIN DE CONTAMINANTES ATMOSFRICOS.43. TIPOS DE MODELOS.43.1. Tipo bsico de modelos existentes.43.2. Por Escala espacial de aplicacin.53.3 Por Escala temporal.53.4. Segn el tratamiento de las ecuaciones de transporte.63.5. Segn el tratamiento de distintos procesos63.6. Segn el fin para que se empleen.64. APLICACIN DE MODELOS74.1 Modelos de dispersin de los contaminantes en la atmsfera para fuentes fijas104.2 Modelos de dispersin de los contaminantes en la atmsfera para fuentes mviles105. MODELO CALPUFF APLICADO EN LA OROYA116. CONCLUSIONES:147. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS15

1. INTRODUCCION:

Con los crecientes problemas de contaminacin y el nfasis dado a las normas de calidad del aire en los ltimos aos en la Unin Europea, en los pases en vas de desarrollo los modelos de dispersin estn siendo cada vez ms usados en evaluaciones de impacto ambiental, as como para apoyar la elaboracin de planes de accin locales para mejorar la calidad del aire. Estos modelos fueron desarrollados y se han usado en pases industrializados y pueden ser tiles en pases en vas de desarrollo. Sin embargo, su uso puede requerir de una adaptacin o calibracin de acuerdo a la topografa y patrones meteorolgicos propios del lugar y condiciones bajo las que son utilizados. Por ejemplo, en reas tropicales o cordilleranas.Los modelos de dispersin de calidad del aire consisten en un grupo de ecuaciones matemticas que sirven para interpretar y predecir las concentraciones de contaminantes atmosfricos causadas por la dispersin y por el impacto de las plumas. Estos modelos incluyen en su desarrollo las diferentes condiciones meteorolgicas, incluidos los factores relacionados con la temperatura, la velocidad del viento, la estabilidad y la topografa (CEPIS, 2005). Los modelos matemticos de dispersin de contaminantes en la atmsfera, forman tres clases importantes: empricos, semi-empricos y numricos.Los modelos empricos se basan en anlisis estadsticos de datos obtenidos de calidad del aire, datos de fuentes de emisin y datos meteorolgicos registrados para una localidad especfica. Los modelos numricos son obtenidos a partir de las caractersticas qumicas y fsicas, relacionadas con los fenmenos de transporte, difusin, transformacin y remocin de contaminantes y, requieren de informacin cientfica experimental muy extensa. Los modelos empricos requieren de una cantidad importante de datos meteorolgicos y de una buena base de datos de emisin, y son calificados sobre la base de un anlisis de pruebas estadsticas estndar. 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 elaboracin de estos modelos puede lograr su extrapolacin a otros sitios. Sin embargo, los modelos semi-empricos, que son una conjugacin de las dos primeras clases, son los ms utilizados actualmente, tanto por su facilidad de aplicacin como por el tiempo requerido para su solucin: estos modelos son del tipo gaussiano. Se les llama semi-empricos porque tienen principios cientficos, como el de la conservacin de la masa, pero se apoyan en parmetros definidos y obtenidos de manera emprica, tales como los coeficientes de dispersin de los contaminantes (Ruz, 2002).Los miembros de las familias de los modelos empricos, semi-empricos y numricos, poseen una variedad de caractersticas que permiten hacer una seleccin preliminar del mejor modelo de aplicacin. Estas caractersticas son el resultado de las condiciones meteorolgicas y topogrficas, las escalas del espacio y tiempo, propias de la aplicacin del modelo, el procedimiento matemtico para resolver los sistemas de ecuaciones y, los mecanismos de reaccin requeridos para poder solucionar un problema especfico.

2. MODELOS DE DISPERSIN DE CONTAMINANTES ATMOSFRICOS.

La dispersin de contaminantes atmosfricos es un proceso complejo para cuya evaluacin es necesaria la aplicacin de modelos. Los fenmenos que se desarrollan en la atmsfera no son controlables, ni reproducibles completamente en laboratorio. Por este motivo los modelos de dispersin de contaminantes son herramienta imprescindible en el estudio de la contaminacin atmosfrica Las ltimas directivas europeas relativas a la calidad del aire plantean un enfoque nuevo en la evaluacin de la contaminacin atmosfrica, dando un importante uso a las tcnicas de modelizacin. En la Directiva 62/1996 sobre la evaluacin y gestin de la calidad del aire ambiente, se refiere a ests tcnicas de estimacin para su empleo de forma complementaria a las medidas que se realizan.3. TIPOS DE MODELOS.

Los modelos que describen la dispersin y transporte de contaminantes atmosfricos pueden ser diferenciados por distintos campos.3.1. Tipo bsico de modelos existentes.

Fsicos: como representaciones a pequea escala, como puede ser una rplica de una determinada rea y el empleo de un tnel de viento.Matemticos: basados en sistemas conceptuales y principios fsico-qumicos. A su vez dentro de estos modelos se pueden distinguir dos grupos, los modelos determinsticos basados en ecuaciones matemticas (principalmente la ecuacin de adveccin-difusin que representa los procesos atmosfricos) y los modelos empricos, basados en relaciones estadsticas y empricas entre los datos relativos a la contaminacin (tanto los datos de emisin de la fuente como los de calidad del aire) y otras variables que puedan tener influencia sobre ellas.

3.2. Por Escala espacial de aplicacin.

Street canyon: estiman las concentraciones a nivel de calle, teniendo en cuenta las influencias derivadas de los edificios. Se trabaja en dominios espaciales de clculo inferiores a 1 km (microescala). Escala local, el dominio habitual es de unos pocos kilmetros hasta distancias de unos 20 km de las fuentes emisoras. Local a regional, de aplicacin a problemas de calidad del aire referidos al ozono, donde las reacciones fotoqumicas entre compuestos orgnicos voltiles y xidos de nitrgeno tiene gran importancia. El dominio espacial de estudio puede estar definido entre 20 y 500 km. Regional a continental (escala sinptica), en esta escala son de importancia los fenmenos meteorolgicos de gran escala. Global, simulan el transporte de contaminantes en toda la atmsfera terrestre. Se suele aplicar a estudios relativos de efecto invernadero, destruccin de la capa de ozono.3.3 Por Escala temporal.

Modelos episdicos (short term) , cubren perodos temporales desde una hora a varios das. Su objetivo es predecir situaciones de contaminacin atmosfrica debidas a situaciones meteorolgicas adversas. Modelos climatolgicos (long term), perodos de uno o varios aos con objeto de estudiar la contaminacin promedio en una zona. Modelos meteorolgicos de pronstico, proporcionan una prediccin de la evolucin de la atmsfera a partir de unas condiciones iniciales y de contorno y son por tanto modelos de mayor complejidad. Modelos meteorolgicos de diagnstico, proporcionan un diagnstico de las condiciones presentes en cada instante a partir de datos registrados en estaciones meteorolgicas. Los resultados de estos modelos son campos de diferentes parmetros meteorolgicos obtenidos a partir de interpolaciones y/o extrapolaciones de las medidas meteorolgicas disponibles.3.4. Segn el tratamiento de las ecuaciones de transporte.

Modelos gaussianos, es el ms comn de los modelos de contaminacin atmosfrica. Este modelo asume que la distribucin de la concentracin de contaminantes dentro de la pluma tiene una distribucin gaussiana Modelos eulerianos Modelos lagrangianos Modelos de receptores: en contraste con los modelos de dispersin, los modelos receptores comienzan con la observacin de las concentraciones que llegan al receptor para posteriormente definir las fuentes que las provocan. 3.5. Segn el tratamiento de distintos procesos

Modelos qumicos o fotoqumicos: incluyen mdulos para el clculo de las transformaciones qumicas. Estos mdulos incluyen desde las reacciones qumicas ms sencillas hasta la descripcin de las reacciones fotoqumicas ms complejas. Modelos de deposicin hmeda o seca.3.6. Segn el fin para que se empleen.

Propsito de regulacin (1): de uso para estudios de evaluacin de impacto ambiental y estudios de contaminacin atmosfrica industrial. Apoyo a decisiones polticas (2): aplicable a regulacin urbanstica e industrial Informacin pblica (3): procesos fotoqumicos y generacin de ozono,...definicin de redes de calidad del aire y complementado de la informacin Investigacin cientfica (4): aplicables a estudios de cambio climtico, lluvia cidaEn la siguiente tabla se recoge un resumen de las distintas reas de aplicacin de los distintos tipos de modelos dependiendo de la escala y el fenmeno de la dispersin. (Segn EEA)

FIGURA 1: MDS Modelo Documentation System(Sistema de Documentacin de Modelos)4. APLICACIN DE MODELOS

No slo son de aplicacin en el mbito de estudio cientfico sino que tambin son de gran utilidad en el apoyo a la gestin de la calidad del aire. La normativa actual recoge la aplicacin de modelos para evaluar el estado de la calidad del aire, tal y como se recoge en los prximos apartados. Los modelos de difusin atmosfrica son herramientas imprescindibles para abordar diferentes problemas relacionados con los procesos de evaluacin ambiental incluyndose como instrumentos en los siguientes tipos de estudios:A. En los Estudios de Impacto Ambiental de instalaciones industriales donde la contaminacin atmosfrica es originada por uno o varios focos de carcter puntual, lineal o superficial existentes o previstos, de tal manera que se evale el impacto existente y se definan distintas alternativas para identificar la de menor impacto. B. Optimizacin de alturas de chimeneas para grandes y medianas instalaciones industriales. En la actualidad la definicin de la altura de chimenea se establece legalmente en la Orden de 18 de octubre de 1976. Los modelos de contaminacin atmosfrica sirven en este caso de herramientas de contraste y correccin de las alturas tericas determinadas mediante las ecuaciones recogidas en esta normativa. C. Estudios de operaciones pre-operacionales o estudios de contaminacin de fondo. Estos estudios son de aplicacin de forma previa a la instalacin de las nuevas industrias, si bien para la aplicacin de los mismos hay que disponer de toda la informacin del entorno existente. Suelen realizarse de forma prctica mediante mediciones reales. D. Modelos urbanos de difusin, son de aplicacin para la definicin de las condiciones de capacidad de carga de un centro urbano en la implantacin de nuevos polgonos industriales o implantacin de industrias aisladas, determinando la afeccin de las mismas a la implantacin. Tambin deben de ser de aplicacin en el sentido contrario, para la urbanizacin de nuevas reas prximas a instalaciones industriales. Este tipo de aplicaciones de los modelos est relacionada con la planificacin urbana e industrial (escala regional, local y nacional). E. Diseo de redes de calidad de aire. Una red de vigilancia de la contaminacin atmosfrica tiene como misin analizar en tiempo real la concentracin de contaminantes en la atmsfera. Para dimensionar y localizar las estaciones de la red de vigilancia deben tenerse en cuenta muchos aspectos entre los que se encuentran la poblacin y la contaminacin a la que sta est expuesta. Para adecuar su ubicacin pueden emplearse modelos de difusin. Asimismo, en las redes de calidad del aire que se encuentran ya en funcionamiento, se emplean como complemento, ya que permiten dar estimaciones de calidad del aire en zonas no cubiertas por estaciones de medida. [1]F. Predicciones de Contaminacin Potencial. Programas de Prevencin. Este tipo de modelizaciones se realizan en complejos sistemas informticos en tiempo real, de tal manera que se pueda informar a la poblacin de eventos de contaminacin episdicos.G. Estudios epidemiolgicos, estudios de relacin entre niveles de contaminantes en la atmsfera y el nmero de muertes y hospitalizaciones debidos a afecciones pulmonares. 8. Apoyo a la elaboracin de legislacin y reglamentacin para mejorar la calidad del aire, incidiendo sobre la limitacin de las emisiones de contaminantes. 9. Gestin de emergencias por contaminacin urbana e industrial o por escapes accidentales de material txico o radiactivo que pueden provocar episodios de contaminacin aguda. Estas aplicaciones se realizan con modelos especficos desarrollado para su aplicacin con gases densos o radiactivos.Independientemente del empleo de los modelos para abordar los diferentes problemas planteados anteriormente, de forma general los tipos de estudios pueden estar relacionados con los siguientes contaminantes. Estudios de calidad del aire urbano [PM10; CO; NOx; SO2] Estudios de ozono troposfrico (modelos fotoqumicos) [CO; COVs; NOx] Estudios de lluvia cida [NH3; NOx; SO2] Estudio de contaminantes relacionados con cambio climtico [CO2; CH4; N2O] Estudios de contaminantes relacionados con eutrofizacin de las aguas (superficiales y subterrneas) [NH3; NOx] [1]4.1 Modelos de dispersin de los contaminantes en la atmsfera para fuentes fijasLos modelos de dispersin tienen muchas aplicaciones en el control de la contaminacin del aire, pues son herramientas que ayudan a los cientficos a evaluar la dispersin de la contaminacin del aire. La exactitud de los modelos est limitada por los problemas inherentes al tratar de simplificar los factores complejos e interrelacionados que afectan el transporte y dispersin de los contaminantes del aire (CEPIS, 2005). Existen diferentes modelos de dispersin de contaminantes atmosfricos 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 dispersin gaussiano y se emplea bsicamente para modelar fuentes puntuales y lineales con empuje trmico en sus emisiones. Este modelo se emplea bsicamente en actividades industriales especficas. Otro modelo es el CTDMPLUS, tambin de tipo gaussiano, usado para condiciones estables y terrenos complejos. El CALPUFF es un modelo de dispersin 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 estimacin puede comprender hasta cientos de kilmetros.4.2 Modelos de dispersin de los contaminantes en la atmsfera para fuentes mvilesDentro de los modelos desarrollados por la EPA para la simulacin de la dispersin de contaminantes atmosfricos emitidos por fuentes mviles se encuentran los modelos CALINE4, MOVES, PAL y TEXIN2.CALINE4 es un programa desarrollado por el Departamento de transporte de California y est basado en el modelo de la pluma gaussiana que usa el concepto de zona de mezcla para caracterizar el contaminante que se est dispersando sobre la va. Proporcionndole como datos las emisiones de las fuentes, la meteorologa y la geometra del sitio, busca predecir concentraciones de contaminantes en receptores localizados hasta 500 metros de la va.5. MODELO CALPUFF APLICADO EN LA OROYA

EL MODELO DE CALIDAD DEL AIRE Se seleccion el sistema CALPUFF de modelos de calidad del aire (Earth Tech, 2000) para su aplicacin en La Oroya. CALPUFF es un modelo gua de la Agencia de Proteccin Ambiental de los Estados Unidos (USEPA, 2003) recomendado para aplicaciones reguladoras y de otro tipo en las que debe considerarse un transporte de contaminantes de largo alcance y/o campos de vientos complejos con variaciones a lo largo del tiempo y del espacio. El sistema CALPUFF consta de varios mdulos de clculo separados: CALMET para analizar y definir variables meteorolgicas, CALPUFF para simular la dispersin de los contaminantes y CALPOST para facilitar el procesamiento de los impactos pronosticados por el modelo. El modelo es capaz de analizar el transporte, la dispersin y la deposicin de contaminantes gaseosos y particulados. Considera tambin la transformacin qumica y fsica de los contaminantes en la atmsfera, los efectos de terrenos complejos, la sedimentacin gravitacional de las partculas y las caractersticas de la fuente contaminante (altura, temperatura y velocidad de los gases, generacin de efectos de estela, etc.). El modelo CALPUFF es un modelo que simula las emisiones de contaminantes del aire desde una fuente dada como una serie de soplos (puff en ingls, de all su nombre). Cada soplo se mueve y dispersa tal como lo dicta el viento local y otras condiciones meteorolgicas en sucesivos lapsos de tiempo. Por lo tanto, cada soplo discreto de contaminante proveniente de una fuente puede cambiar de direccin al ser influenciado por vientos cambiantes en el tiempo y el espacio.Por el contrario, los modelos ms comnmente usados asumen condiciones de estado estable; es decir, se asume que la velocidad del viento, la direccin del viento y otras condiciones climatolgicas son las mismas en todas partes y constantes a lo largo de un perodo de tiempo determinado. Dichos modelos no pueden simular con precisin el transporte de contaminantes en reas donde el viento es diferente en diversas ubicaciones o donde el viento cambia con el tiempo durante el transporte del penacho. El modelo CALPUFF fue desarrollado especficamente para considerar un transporte de largo alcance, donde debe esperarse que las condiciones cambien a lo largo de la ruta y el tiempo de viaje del contaminante, as como para condiciones de menor alcance en las que se sabe que los vientos se ven afectados por caractersticas locales del terreno y por rpidos cambios temporales en la meteorologa. El rea de La Oroya claramente representa este ltimo caso. Estudios anteriores de contaminacin del aire en La Oroya (McVehil-Monnett Associates, 2004) analizaron las condiciones climticas y los niveles de contaminacin del aire en las estaciones de monitoreo del aire de Doe Run Per en el rea de La Oroya. Estos anlisis concluyeron que los impactos en la contaminacin del aire dependan en gran medida del flujo de aire local que generalmente desciende por los valles de los ros Mantaro y Yauli en la noche y se invierte para fluir ascendentemente por los valles durante el da. Los mayores impactos en la contaminacin del aire normalmente ocurren durante las horas de la maana, cuando el flujo de aire invierte su direccin en combinacin con una fuerte mezcla vertical (causada por el calentamiento solar), lo que hace que contaminantes acumulados en capas superiores del aire desciendan al nivel del suelo. Estas condiciones rpidamente cambiantes, con vientos que siguen a los valles de ros serpenteantes, no pueden ser modeladas de manera efectiva con un modelo de estado estable. El modelo CALPUFF representa el modelo ms refinado y fcilmente accesible con capacidad de tratar las condiciones en La Oroya. Existe una serie de requerimientos de informacin para una aplicacin exitosa del CALPUFF. stos incluyen informacin sobre la ubicacin y las caractersticas de todas las fuentes de contaminacin, incluyendo el ritmo al cual emiten contaminantes cada una de ellas, las elevaciones del terreo y las caractersticas generales de uso de la tierra en el rea que se va a modelar, as como las condiciones meteorolgicas. Si bien las fuentes y los parmetros geogrficos son relativamente constantes en el tiempo, la meteorologa cambia constantemente por lo que es necesario contar con informacin adecuada para permitir que el modelo represente el campo de vientos cambiante a lo largo del tiempo y los correspondientes parmetros de dispersin atmosfrica.Se usa el procesador meteorolgico CALMET para definir una distribucin detallada de vientos y temperaturas a lo largo del dominio de modelamiento en intervalos horarios. Las ecuaciones matemticas en el procesador CALMET se basan en las leyes de la fsica y definen distribuciones de flujo de aire que son consistentes con los efectos del terreno, las gradientes de la temperatura y los otros procesos fsicos que determinan el movimiento y la mezcla del aire. Sin embargo, es necesario conocer las condiciones climticas a mayor escala y el movimiento general del aire en la regin. Por lo tanto, el procesador CALMET requiere informacin sobre las condiciones meteorolgicas reales con sus variaciones en el tiempo en un nmero suficiente de puntos en el suelo y por encima del suelo para generar campos de vientos que verdaderamente representen la realidad. Cuanto mayor sea la cantidad de mediciones meteorolgicas precisas que se pueda suministrar, ms precisos sern los campos meteorolgicos tridimensionales generados por el procesador CALMET y posteriormente usados en el modelo CALPUFF para estimar las concentraciones de contaminantes. La disponibilidad y el uso de datos de entrada para el procesador CALMET y el modelo CALPUFF se describen en la siguiente seccin.

6. CONCLUSIONES:

Los modelos de dispersin son mtodos para calcular la concentracin de contaminantes a nivel del suelo y a diversas distancias de la fuente. Los cientficos usan estos datos como insumodel modelo de computacin y para predecir cmo los contaminantes se dispersarn en la atmsfera. Los niveles deconcentracin pueden calcularse para diversas distancias y direccin dela chimenea.

En los Estudios de Impacto Ambiental de instalaciones industriales donde la contaminacin atmosfrica es originada por uno o varios focos de carcter puntual, por lo cual es necesario determinar un modelo para realizar el estudio.

En general el viento es que indica la velocidad y la direccin del movimiento de la masa de las columnas de humo y afecta tambin la magnitud de dispersin que pueda tener ese lugar.

7. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

1. Montes de Oca, L.* Rodrguez, R., Pierra, A., Cuesta, O., Tricio, V. (2008). Planes de accin locales para mejorar la calidad del aire y estudios de impacto ambiental apoyados en modelos de dispersin atmosfrica. CONAMA 9. Madrid. Espaa2. http://directory.google.com/Top/Science/ Environment/Air_Quality/Air_Dispersion_Mode ling/3. Pierra, A., I. Casals y L. Montes de Oca (2004): Modelacin de emisiones de partculas debidas al transporte de mineral en minas a cielo abierto. En www.cubasolar.cu/biblioteca/Ecosolar/Ecosolar17/HTML/articulo05.htm4. Empresa de Proyectos para la Industria Bsica, CECE, 1989: Obra: 1114 UPI Planta de Nquel las Camariocas, Objeto: 115.3 Estudio Chimenea de Sinterizacin, Proyecto: 500.0, Ingeniera Mecnica.5. http://api.eoi.es/api_v1_dev.php/fedora/asset/eoi:45572/componente45570.pdf6. http://revistasinvestigacion.unmsm.edu.pe/index.php/quim/article/viewFile/4502/35967. http://datateca.unad.edu.co/contenidos/358007/Contenido_en_linea_Caraterizacion/leccin_21_modelos_de_dispersin_de_contaminantes_atmosfricos.html