INFORME MODELOS DE DISPERSION GAUSSIANO E ISC3 (EPA)
Integrantes:
Marcos Amilkar Blanco VaccaSelene Daza CastroAdreina Hernandez
ManjarresStefany Jimnez OspinoEiber Orozco OateLuis Alfonso Pinto
Del Valle
Presentado a:Ing. ngel Polo Crdoba
UNIVERSIDAD POPULAR DEL CESARFACULTAD DE INGENIERAS Y
TECNOLOGIASPROGRAMA: INGENIERIA AMBIENTAL Y SANITARIACONTROL DE LA
CONTAMINACIN ATMOSFERICAVALLEDUPAR-CESAR2014
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INTRODUCCCIN
La modelizacin del transporte de contaminantes sirve para la
determinacin de la variacin de la concentracin de un determinado
contaminante en el espacio y en el tiempo. De esta manera, podremos
estimar ciertos parmetros de emisin desde una fuente fija para
mantener los lmites indicados por la legislacin en las zonas
circundantes al foco emisor cuando se disea una chimenea
industrial, en la planificacin del territorio, etc. Existen varios
tipos de modelos y paquetes de software destinados a la estudiar la
evolucin de los contaminantes en la atmsfera. De todos los modelos
desarrollados, uno de los ms usados, cuando los contaminantes no
son reactivos, es el modelo de dispersin gaussiano. ste modelo
parte de varias suposiciones, lo que hace que no sea totalmente
preciso en donde encontramos las siguientes:
La velocidad y direccin del viento entre el foco emisor y el
receptor de contaminantes es constante, todo el vertido permanece
en la atmsfera sin reaccin alguna y no existe deposicin en forma de
lluvia o partculas, la dispersin se puede describir por una
distribucin de Gauss.
Por otra parte existen diversos factores de los que depende la
dispersin de contaminantes, Naturaleza fsica y qumica de la emisin,
meteorologa de la zona, ubicacin y tamao de la chimenea,
caractersticas orogrficas del terreno.
En el siguiente informe se quiere simular por medio del software
MATLAB las emisiones provenientes de una fuente fija variando los
diferentes parmetros por los cuales se rige el modelo anteriormente
descritos, con el fin de determinar la variacin de las emisiones
que son alteradas por este cambio de datos; Para luego ser
comparadas con el modelo de dispersin ISC3 (EPA).
FUNDAMENTACIN DEL MODELO DE DISPERSIN GAUSSIANO
La ecuacin general del modelo de Gauss para la medida de la
contaminacin en cualquier punto (frmula de Sutton):
Donde:C: Concentracin de contaminante en el punto (x,y,z).Q:
Caudal de emisin del contaminante.yz:Son las desviaciones estndar
en las direcciones "y" y "z" respectivamente:u: Velocidad del
viento en la boca de la chimenea:H: Altura efectiva de la
chimenea.
Las desviaciones estndar en las direcciones y y z se calculan de
la siguiente manera:
NOTA: estas variables tambin pueden ser calculadas utilizando
los mtodos grficos y matemticos.El resto de constantes dependen de
la distancia al foco y del tipo de estabilidad atmosfrica:x1km
EstabilidadacDfcdf
A213440,81,9419,27459,72,094-9,6
B156106,61,1493,3108,21,0982,0
C10461,00,911061,00,9110
D6833,20,725-1,744,50,516-13,0
E50,522,80,678-1,355,40,305-34,0
F3414,350,740-0,3562,60,180-48,6
La estabilidad atmosfrica se puede hallar en la siguiente
tabla:Velocidad de Viento de Superficie (a 10 m)
(m/s)InsolacinNoche
FuerteModeradoLeveLigeramente nublado o pequea cubierta de nubes
4/8Cubierta de nubes de 3/8
< 2AA-BB--
2-3A-BBCEF
3-5BB-CCDE
5-6CC-DDDD
> 6CDDDD
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RESULTADOS DE LA SIMULACIN MODELO DE DISPERSION GAUSSIANO FUENTE
CONTINA
A continuacin se presenta la simulacin correspondiente al modelo
de dispersin Gaussiano utilizando el software Matlab, teniendo en
cuenta la variabilidad presentada en la velocidad de salida del gas
de la siguiente manera:
Grafico 2. En condiciones mnimas de Velocidad de salida del gas.
Grafico 1. En condiciones estndar de Velocidad de salida del gas.
(Valor por defecto)
RESULTADOS Y DISCUSINComo se puede observar en los Grficos 1, 2
y 3 no se presentan variaciones en la concentracin de las emisiones
cuando se cambian los valores de velocidad de salida del gas
teniendo como resultado 182.175 ppm. De igual forma los Grficos
anteriormente citados permiten interpretar que a medida que la
velocidad de salida de los gases aumenta la distancia recorrida por
estos en el eje horizontal disminuye y por consiguiente hay un
menor alcance de las emisiones contaminantes que se traduce en una
mayor dispersin vertical de los mismos como se puede observar en el
grafico 2. Por otra parte en los grficos 1 y 3 donde se tienen
valores de velocidad de salida del gas bajas la pluma de dispersin
supera una distancia de 120 m, sin embargo esta se hace muy fina
disminuyendo la concentracin de las emisiones medidas en g/m3,
Representadas en el eje de las y. Grafico 3. En condiciones altas
de velocidad de salida del gas.
A continuacin se presenta la simulacin correspondiente al modelo
de dispersin Gaussiano utilizando el software Matlab, teniendo en
cuenta la variabilidad presentada en la Altura de la Fuente de la
siguiente manera:
Grafico 4. Altura estndar de La Fuente. (Valor por defecto)
Grafico 5. Altura mnima de La Fuente.
RESULTADOS Y DISCUSINLa altura de la chimenea es un parmetro muy
importante cuando se quiere tener una buena dispersin. Como se
puede observar en los Grficos 4, 5 y 6 se presentan variaciones en
la concentracin de las emisiones cuando se cambian los valores de
la altura de la fuente, partiendo de la conjetura que a medida que
la altura de la fuente aumenta la concentracin de las emisiones
disminuyen lo que permite determinar que estas dos variables tienen
un comportamiento inverso; Esto se da debido a que a mayor altura
de la chimenea mayor ser la probabilidad de que los contaminantes
se dispersen y diluyan.
Grafico 6. Altura mxima de la Fuente.
A continuacin se presenta la simulacin correspondiente al modelo
de dispersin Gaussiano utilizando el software Matlab, teniendo en
cuenta la variabilidad presentada en la temperatura del gas de la
siguiente manera:
Grafico 8. En condiciones mnimas de Temperatura del Gas.Grafico
7. En condiciones estndar de Temperatura del Gas. (Valor por
defecto)
RESULTADOS Y DISCUSINA partir de los Grficos 7, 8 y 9 se puede
inferir que la temperatura del gas es directamente proporcional a
la dispersin de la misma aunque esta no infiera de forma directa en
la concentracin de las emisiones provenientes de la actividad
desarrollada.En conclusin se seala que en cuanto ms alta es la
temperatura de salida de los gases, mayor ser la flotabilidad de
stos, y por lo tanto, ascendern a una mayor altura a la que
normalmente alcanzaran por efecto de la velocidad a la que son
expulsados. Conjetura que est demostrada en los Grficos de
superficie simuladas en el software y que estn citadas en el prrafo
anterior.
Grafico 9. En condiciones altas de Temperatura del Gas.
A continuacin se presenta la simulacin correspondiente al modelo
de dispersin Gaussiano utilizando el software Matlab, teniendo en
cuenta la variabilidad presentada en la cantidad de emisiones de la
siguiente manera:
Grafico 11. Bajas cantidades de emisiones. Grafico 10.
Cantidades estndar de emisiones. (Valor por defecto)
RESULTADOS Y DISCUSINPor razones lgicas a medida que aumentan
las cantidades de emisiones la concentracin de los contaminantes
presentes en el punto de descarga aumentan y se hacen resistentes a
los factores de dispersin propios del modelo empleado y condiciones
meteorolgicas del ambiente lo que permite que se pueda observar
concentraciones significativas de contaminantes a distancias
considerables del foco de emisiones como se puede observar en el
grafico 12 que presenta concentracin de 485.799 ppm.
Concentraciones altas teniendo en cuenta que su distancia recorrida
en el eje horizontal supera los 120 m.
Grafico 12. Altas cantidades de emisiones.
A continuacin se presenta la simulacin correspondiente al modelo
de dispersin Gaussiano utilizando el software Matlab, teniendo en
cuenta la variabilidad presentada en la temperatura ambiente de la
siguiente manera:
Grafico 14. En condiciones mnimas de Temperatura Ambiente.
Grafico 13. En condiciones estndar de temperatura ambiente. (Valor
por defecto)
RESULTADOS Y DISCUSINComo se puede observar en los Grficos 13,
14 y 15 no se produjo una variacin considerable en la concentracin
de las emisiones respecto a la temperatura ambiente en donde se
encuentra la fuente fija teniendo como resultado una pluma de
dispersin practicante idntica a medida que se cambia la temperatura
asignada; debido a que la temperatura presente en el ambiente es
mucho menor que la temperatura con que salen los gases de escape de
la chimenea lo cual no impide el movimiento de los mismos logrando
la dispersin generalmente normal. Cabe resaltar que a medida que
aumenta la temperatura del ambiente aumenta la concentracin de las
emisiones esto debido a que la temperatura ambiente elevada
consigue una condicin idnea para el aumento en la dispersin y
concentracin teniendo en cuenta que esta se asemeja a la
temperatura de los gases de emisin.Grafico 15. En condiciones altas
de Temperatura Ambiente.
A continuacin se presenta la simulacin correspondiente al modelo
de dispersin Gaussiano utilizando el software Matlab, teniendo en
cuenta la variabilidad presentada en la velocidad del viento de la
siguiente manera:
Grafico 16. En condiciones estndar de velocidad del viento.
(Valor por defecto)Grafico 17. En condiciones mnimas de velocidad
del viento.
RESULTADOS Y DISCUSINLa velocidad del viento vara con el tipo de
terreno: urbano o rural. Por tanto, el tipo de terreno afecta a su
vez a la velocidad del viento. En el Grafico 17 se puede observar
que la pluma de dispersin para velocidad del viento de 1 m/seg no
supera una distancia horizontal de recorrido de 90 m con una
concentracin de 910.874 ppm bastante considerable a diferencia de
las temperaturas mayores a 5 m/seg que la distancia recorrida por
la pluma de dispersin supera los 120 m y la concentracin de los
contaminantes disminuye drsticamente dato que se puede observar en
los grficos 16 y 18 este ltimo con la concentraciones ms bajas
menores a 60 ppm.La velocidad del viento puede afectar en gran
medida la concentracin de contaminantes en un rea. Mientras mayor
sea la velocidad del viento, menor ser la concentracin de
contaminantes. El viento diluye y dispersa rpidamente los
contaminantes en el rea circundante.
La velocidad del viento vara con el tipo de terreno: urbano o
rural. Por tanto, el tipo de terreno afecta a su vez a la velocidad
del viento.
Grafico 18. En condiciones altas de velocidad del Viento.
RESULTADOS DE LA SIMULACIN MODELO DE DISPERSION GAUSSIANO ISC3
(EPA)
A continuacin se presenta la simulacin correspondiente al modelo
de dispersin Gaussiano ISC3 (EPA), utilizando el software Matlab,
teniendo en cuenta la variabilidad presentada en la velocidad de
salida del gas de la siguiente manera:Grafico 20. En condiciones
mnimas de Velocidad de salida del gas. Grafico 19. En condiciones
estndar de velocidad de salida del gas. (Valor por defecto)
RESULTADO Y DISCUSIN Como se puede observar en los Graficos19 Y
20 LAS GRAFICAS de dispersin muestran un pico en las
concentraciones de las emisiones de 0,0177 g/m3 a una distancia
aproximada de 500 metros desde el foco de la chimenea simulada por
el software Matlab. En primera instancia se puede inferir que al
variar la velocidad de salida de los gases no se presenta ningn
tipo de modificacin en la dispersin y distancia recorrida por la
masa de aire emanada de la chimenea lo que da a conocer que la
velocidad de salida del gas no impacta directamente en la
concentracin de las emisiones.
A continuacin se presenta la simulacin correspondiente al modelo
de dispersin Gaussiano ISC3 (EPA), utilizando el software Matlab,
teniendo en cuenta la variabilidad presentada en la altura de la
fuente de la siguiente manera:
Grafico 22. En condiciones mnimas de altura de chimenea. Grafico
21. En condiciones estndar de altura chimenea. (Valor por
defecto)
RESULTADOS Y DISCUSINEn los Grficos 21 a 23 se puede notar que
la altura de la chimenea es un factor fundamental para tener una
buena dispersin, cuando se desea mantener baja la concentracin de
contaminantes, una buena opcin es construir chimeneas con altura
suficiente para obtener una buena dispersin. Que es el caso del
grafico 23 que representa la altura mayor de las tres expuestas en
este anlisis. Por otro lado se puede deducir que a medida que se
disminuye la altura de la chimenea se aumenta la concentracin de
los contaminantes en una menor rea como es el caso del grafico 21
en el cual se presenta la mayor concentracin y menor dispersin de
los tres casos evaluados.Por tanto los resultados obtenidos indican
que, cuando se desea mantener baja la concentracin de
contaminantes, una buena opcin es construir chimeneas con altura
suficiente para obtener una buena dispersin.
Grafico 23. En condiciones mximas de altura de la chimenea.
A continuacin se presenta la simulacin correspondiente al modelo
de dispersin Gaussiano ISC3 (EPA), utilizando el software Matlab,
teniendo en cuenta la variabilidad presentada en la Temperatura del
gas de la siguiente manera:Grafico 25. En condiciones mnimas de
temperatura del gas.
RESULTADOS Y DISCUSINEn los Grficos 24, 25 y 26 se puede notar
que las tres graficas se presentan idnticas aunque vari la
temperatura de las gases que estn siendo emitidos por la fuente
fija, esto representa una dificultad en cuanto a su anlisis debido
a que los gases salientes de la chimenea si estn muy fros, la
concentracin es ms alta en la zona cercana a la chimenea; el valor
mximo tiende a permanecer en el mismo sitio, pero la concentracin
vara, lo cual no es el caso en cuestin debido a que la pluma se
encuentra aproximadamente 500 m del foco de emisiones (distancia
considerable) y que la concentracin se mantiene constante sin
importar la variacin de la temperatura de los gases de sala. Lo que
permite concluir que en este caso el simulador no tiene en cuenta
los criterios bsicos antes mencionados para representar lo que
sucedera en la realidad si se cambiara la temperatura de los
gases.
Grafico 23. En condiciones mximas de temperatura del gas.Grafico
24. En condiciones estndar de temperatura del gas. (Valor por
defecto)
A continuacin se presenta la simulacin correspondiente al modelo
de dispersin Gaussiano ISC3 (EPA), utilizando el software Matlab,
teniendo en cuenta la variabilidad presentada en la velocidad del
viento de la siguiente manera:Grafico 16. En condiciones estndar de
velocidad del viento. (Valor por defecto)
Grafico 2. En condiciones bajas de Velocidad del viento.
RESULTADOS Y DISCUSINSe puede establecer que la velocidad del
viento debe ser preferiblemente alta; sin embargo, es posible notar
que el efecto no es muy marcado en la zona prxima a la chimenea.
Esto se debe en parte a que en las ecuaciones de Briggs (utilizadas
en el este modelo de dispersin), el incremento en la altura de la
pluma es inversamente proporcional a la velocidad del viento, y por
lo tanto a menores velocidades del viento, mayor ser el incremento
de altura, y por consiguiente la concentracin disminuir. Como se
puede ver en los Grficos 24 a 26.
Grafico 23. En condiciones mximas de velocidad del viento.
CONCLUSINES
En conclusin se puede mencionar que los modelos de dispersin
atmosfrica es la simulacin matemtica de cmo los contaminantes del
aire se dispersan en la atmsfera ambiente. Se realiza con los
programas informticos que resuelven las ecuaciones y algoritmos que
simulan la dispersin de contaminantes matemticos. Los modelos de
dispersin se utilizan para estimar o predecir la concentracin a
favor del viento de contaminantes o toxinas emitidas por fuentes
tales como plantas industriales, el trfico vehicular o liberaciones
accidentales de productos qumicos.Los gases emitidos por las
chimeneas muchas veces son impulsados por sistemas de ventilacin. A
medida que los gases de escape turbulentos son emitidos por la
pluma, se mezclan con el aire del ambiente. Esta mezcla del aire
ambiental en la pluma se denomina arrastre. Durante el arrastre en
el aire, la pluma aumenta su dimetro mientras viaja a sotavento. Al
entrar en la atmsfera, estos gases tienen un momentum. Muchas veces
se calientan y se vuelven ms clidos que el aire externo. En estos
casos, los gases emitidos son menos densos que el aire exterior y,
por lo tanto, flotantes que es el caso de los grficos 13, 14 y 15
que en consecuencia la combinacin del momentum y la flotabilidad de
los gases hace que estos se eleven. Este fenmeno, conocido como
elevacin de la pluma, permite que los contaminantes emitidos al
aire en esta corriente de gas se eleven a una altura mayor en la
atmsfera. Al estar en una capa atmosfrica ms alta y ms alejada del
suelo, la pluma experimentar una mayor dispersin antes de llegar a
este lo que disminuye la concentracin de las emisiones.En los
grficos 16 a 18 se puede observar que el viento diluye los
contaminantes a medida que son emitidos y los transporta lejos de
su fuente. Normalmente, la dilucin de los contaminantes est en
proporcin directa con la velocidad media del viento a travs de la
columna de humo del contaminante. En general, el viento es el que
indica la velocidad y la direccin del movimiento de la masa de esta
columna de humo y afecta tambin la magnitud de la dispersin que
puede tener lugar. En este caso los grficos muestran una mayor
concentracin de contaminantes cuando la velocidad de los vientos
son menor y que se presentan mayores concentraciones en el foco de
emisin que a distancias ms apartadas de este.En cuanto a la altura
de la chimenea para el caso de fuentes fijas se pudo determinar con
la simulacin por ambos modelos que hay un desplazamiento del punto
mximo de concentracin (ver Grficos 21 a 23), obtenindose valores ms
bajos y ms alejados, para mayores alturas de chimenea; cabe sealar,
que al incrementar la altura, tambin aumenta la velocidad del
viento en la zona de descarga de los gases, lo cual es beneficioso
en pro de lograr una disposicin eficiente y eficaz de las emisiones
contaminantes.En conclusin la dispersin de los contaminantes y su
concentracin est ligada a diferentes variables que generan cambios
significativos en el comportamiento de las emisiones y dispersin de
las mismas aunque es importante resaltar que la temperatura de los
gases, velocidad del viento, cantidad de emisiones, altura de la
chimenea, y temperatura ambiente representan factores relevantes en
cuanto a las caractersticas propias del modelo de dispersin
gaussiano de fuentes continuas y el modelo ISC3 (EPA).