8º CONGRESO IBEROAMERICANO DE INGENIERIA MECANICA Cusco, 23 al 25 de Octubre de 2007

COMPARACIÓN DE UN MODELO DE PRONÓSTICO METEOROLÓGICO Y DISPERSIÓN DE CONTAMINANTES EN UNA CENTRAL

TERMOELÉCTRICA EN PETACALCO, MEXICO

Serrano Gutiérrez Juan Ángel*o, Rodríguez Valdés Alejandro*, Palacio Pérez Arturo*

*Instituto de Ingeniería, UNAM CD Universitaria México D.F:,

oe-mail: jserranog@iingen.unam.mx Área temática: Aspectos medioambientales

RESUMEN Se realiza una comparación entre dos programas para simular la dispersión de contaminantes en torno de una planta termoeléctrica ubicada en la costa del estado de Michoacán, México. El primero de ellos es el programa The Air Pollution Model 2.0 (TAPM) y el segundo es el Industrial Source Complex Short Term 3.0 (ISC). El ISC representa a los modelos convencionales de dispersión de contaminantes que usan aproximaciones semi-empíricas o teóricas de plumas Gaussianas con datos meteorológicos obtenidos previamente en el lugar de interés. Por otra parte, el TAPM es un programa basado en los modelos de meteorología pronosticada que resuelven las ecuaciones fundamentales de la mecánica de fluidos y ecuaciones de transporte para predecir la meteorología y dispersión de contaminantes. Los resultados de ambos programas son comparados con un estudio previo. Los datos meteorológicos del sitio, necesarios para el ISC fueron obtenidos del TAPM. Los resultados del ISC muestran niveles bajos de concentración en comparación con los del TAPM. Gracias al uso del TAPM se pudo explicar un fenómeno el que las estaciones meteorológicas aledañas a la central medían altas concentraciones de PST, SO2 y NO2 cuando la dirección del viento era opuesta a la ubicación de la central termoeléctrica. PALABRAS CLAVE: Modelado de contaminación atmosférica, meteorología pronosticada, modelos de mesoescala, meteorología sinóptica.

Código: 1376

INTRODUCCIÓN

La creciente demanda por la sociedad para el cumplimiento de los estándares de calidad del aire para la protección de los habitantes en el entono de desarrollos industriales implica el desarrollo de metodologías y herramientas de cálculo confiables que coadyuven a la toma de decisiones con plena transparencia. El desarrollo de procesadores de cómputo cada vez más rápidos, aunado de las técnicas de simulación numérica permiten incorporar mayor complejidad en los modelos que pretenden reproducir el fenómeno de dispersión atmosférica de contaminantes. En el presente trabajo se desarrolla una comparación de modelos que son aplicables a fines de regulación. The Air Pollution Model (TAPM)

The Air Pollution Model es un programa capaz de pronosticar la meteorología y dispersión de contaminantes en 3D. Utiliza bases de datos de la topografía del lugar, uso de suelo, temperatura de suelo y mar y análisis sinópticos de la meteorología. Consiste de dos componentes principales acopladas, la primera de meteorología pronosticada y la segunda el módulo que resuelve la dispersión de contaminantes.

Para el módulo de meteorología utiliza un sistema coordenado tridimensional cuyas coordenadas en el eje z siguen al terreno. El modelo resuelve las ecuaciones de momentum para los componentes horizontales del viento, la ecuación de momentum para medios incompresibles es resuelta para el componente vertical y ecuaciones escalares para la temperatura potencial virtual y humedad específica del vapor de agua, humedad de las nubes y la cantidad de lluvia. Procesos microfísicos de la nubosidad son incluidos. Los términos turbulentos en estas ecuaciones han sido determinados resolviendo las ecuaciones para la energía cinética turbulenta y la tasa de disipación viscosa para entonces utilizar estos valores para representar los flujos verticales mediante un gradiente de difusión, incluyendo un término de contragradiente para el flujo de calor. Un esquema de caracterización del suelo es utilizado, mientras que los flujos de radiación tanto en la superficie como en niveles superiores son incluidos. La radiación solar en la superficie es utilizada para el cálculo de las condiciones de frontera y para escalar variables, incluye componentes de onda corta y larga para cielo despejado con modificaciones por la humedad presente en la atmósfera. La temperatura y humedad en la superficie son calculadas mediante un promedio ponderado para valores de suelo y vegetación. Una aproximación de restablecimiento forzado es utilizada para la temperatura y humedad del suelo y un balance de energía en el suelo es utilizado para la temperatura de la vegetación. Las condiciones de frontera para los flujos turbulentos son determinados mediante las variables de escala de Monin-Obukhov.

El módulo de dispersión de contaminantes utiliza la meteorología y turbulencia pronosticada del módulo meteorológico y consta de cuatro módulos. El módulo Euleriano, que resuelve las ecuaciones de pronóstico para concentraciones y para correlaciones cruzadas de concentración y temperatura potencial virtual. El módulo Lagrangiano de partículas, que puede ser utilizado para representar la dispersión de fuentes cercanas con mayor precisión. El módulo de levantamiento de pluma es utilizado para tomar en cuenta el momentum de la pluma, así como efectos de flotación de las plumas de emisión. El módulo de estelas para edificios, que permite al módulo de levantamiento de pluma en modo Euleriano o Lagrangiano incluir los efectos de las estelas de los edificios. Opcionalmente, este módulo también incluye reacciones fotoquímicas para fases gaseosas y reacciones químicas para fases acuosas y gaseosas, principalmente para modelar las reacciones de bióxido de azufre y partículas. Efectos de deposición húmeda y seca también son incluidas. Los detalles sobre cada uno de los aspectos de este programa pueden ser consultados en [1]. Industrial Source Complex (ISC)

El programa Industrial Source Complex es un programa avalado por la Agencia de Protección Ambiental de E.U.A. (EPA) para calcular los impactos en la calidad del aire debido a un grupo de fuentes de contaminación. El modelo ISC calcula la dispersión de un contaminante en estado permanente, suponiendo que éste se dispersa obedeciendo a una ecuación de tipo Gaussiano. El modelo contempla una gran variedad de tipos de fuentes de emisión, con las cuales pueden modelarse las diferentes fuentes de los complejos industriales. El uso de este modelo es apropiado para el estudio de las fuentes de emisión industrial; en áreas urbanas o rurales; terreno plano; distancias de transporte menores a 50 km; dispersión de contaminantes primarios (CO, NO2, PM10, PST, SO2) y emisiones continuas de otros contaminantes que se encuentren en el aire [2].

El modelo incorpora los algoritmos de dispersión para receptores en terreno complejo donde la elevación del receptor está por encima de la elevación de la fuente. Además, contiene un algoritmo para modelar los efectos de la eliminación de gases o partículas por precipitación húmeda o por mecanismos secos.

Para el cálculo, el modelo requiere de información meteorológica horaria, la cual considera constante y uniforme en todo el dominio de cálculo, durante cada hora. Se supone que la velocidad vertical del viento es cero. Las concentraciones horarias calculadas en los receptores provocadas por cada fuente son sumadas para obtener la

concentración total. El modelo cuenta con varios tipos de algoritmos, pero para efectos de normatividad en la modelación la EPA ha determinado un conjunto que se denomina características reguladoras [3]. ESTUDIO DE CASO

La central termoeléctrica se ubica en la zona costera de la frontera de los estados de Michoacán y Guerrero,

México. Sus coordenadas geográficas son 17°59'0.00"N y 102° 7'0.00"O. Sus patios de almacenamiento de carbón tienen una capacidad de 1'920,000 toneladas. El combustóleo se almacena en 4 tanques con capacidad de 34,600 m3 cada uno. La C.T. de Petacalco es una de las dos únicas centrales carboeléctricas de México que utiliza carbón importado como combustible primario. En la figura 1 se muestra una fotografía aérea de la Cd. Lázaro Cárdenas sobre el delta del río Balsas. En el centro se ubica la CTE, y las demás banderas señalan las estaciones de muestreo. También son apreciables las zonas pobladas y la zona industrial sobre la costa. Sus emisiones fueron obtenidas de un estudio previo hecho en el año 2000 [4] y se resumen en la tabla 1.

Figura 1: Imagen satelital de la zona de estudio. A-Presa, B-Poblado “La mira”, C-Poblado “San Francisco”, D-Ciudad “Lázaro Cárdenas”, EM#n- Estaciones meteorológicas, C.T.E.- Central Temoeléctrica.

Tabla 1: Geometría de chimeneas y características de las emisiones de la CTPPEC.

Unidad

Altura

[m]

Diámetro

[m]

EmisiónNOX [g/s]

EmisiónSO2 [g/s]

EmisiónPST [g/s]

Velocidad gases [m/s]

Temperatura salida [K]

1 120 6 81.56 1,096 97.12 19 432

2 120 6 85.76 1,342 104.42 19 432

3 120 6 94.60 1,388 94.49 19 432

4 120 6 82.00 1,278 99.00 19 432

5 120 6 75.40 1,334 91.15 19 432

6 120 6 86.12 1,240 91.04 19 432

RESULTADOS

La simulación para el programa TAPM fue realizada para el año 2002, debido a que se disponen las bases de datos de meteorología a partir de ese año; y a la disponibilidad de un estudio de campo durante el cual se llevó a cabo el monitoreo de parámetros de calidad del aire [4].Los datos meteorológicos necesarios para correr el programa ISC fueron obtenidos del programa TAPM. De esta forma se pretende que los datos meteorológicos coincidan en el punto en donde las emisiones son liberadas al ambiente. Cabe señalar que en estudios previos de impacto de la CTE con base en el ISC, se utilizaron los datos de meteorología de Acapulco para la variación de la altura de capa de mezclado ya que no existen mediciones locales. Acapulco está a 270 km hacia el este de Lázaro Cárdenas sobre la misma línea costera.

Los resultados comprenden gráficas de concentraciones promedio anuales para PST y SO2 así como el valor más alto para los promedios de una o veinticuatro horas que establece la normatividad mexicana de concentración máxima en la calidad del aire para la protección de la población. Normas [5], [6] y [7] para el PST, NO2 y SO2 respectivamente.

Para el TAPM el dominio se centró en las coordenadas geográficas 17°59' Norte y 102°7' Oeste, las cuales son las coordenadas de la central termoeléctrica. Consta de cuatro mallas anidadas, la superior tiene un espaciamiento entre nodos de dx=dy=10,000m, le siguen unas de dx=dy=5,000m, dx=dy=2,500m y finalmente una de dx=dy=1,000m (el centro de la malla superior coincide con el centro de las mallas interiores). Todas ellas con 40 x 40 elementos en sentido horizontal y con 20 elementos en sentido vertical (10, 50, 100, 150, 200, 300, 400, 500, 750, 1000, 1250, 1500, 2000, 2500, 3000, 4000, 5000, 6000, 7000 y 8000 m sobre el nivel del suelo). Los resultados que aquí se presentan corresponden a la malla de dx=dy=1,000m. En la configuración del módulo de meteorología se consideró solo la presión hidrostática, se tomó en cuenta el tipo de suelo y se estimó la tasa de disipación viscosa. En la configuración del módulo de dispersión de contaminantes se trabajó con el sistema de referencia Euleriano y no se consideraron reacciones fotoquímicas.

Para el ISC, como se mencionó anteriormente, los datos meteorológicos requeridos por el ISC fueron obtenidos del dominio de cálculo de la simulación del programa TAPM para el sitio de la CTPPEC. Estos resultados incluyen valores horarios para la velocidad de viento, dirección, temperatura y tipo de estabilidad principalmente. Estos datos junto con los datos de los puntos de emisión (tabla 1) son suficientes para hacer la corrida correspondiente.

PST. Para el TAPM: Los promedios de 24 horas, así como el promedio anual, nunca rebasaron de los límites establecidos por la norma. El valor máximo para los promedios de 24 horas fue de 54 µg/m3, que representa el 20.8% del valor máximo permitido por la norma [5] (figura 2). El valor máximo para el promedio anual fue de 14.3 µg/m3, representa el 19.1% del máximo permitido por la norma [5] (figura 4). Tanto para el promedio de 24 horas (figura 2), como para el promedio anual (figura 4) puede observarse que la región con mayor nivel de concentración es la de los sitios “C” y “EM#3” (aproximadamente 5 km hacia el norte de la CTPPEC). Para el ISC: Tanto los promedios de 24 horas como el promedio anual nunca rebasaron del límite establecido por la norma. El valor máximo en el dominio de cálculo para los promedios de 24 horas fue de 32.6 µg/m3, que representa el 12.5% del valor establecido por la norma (figura 3). El valor máximo para el promedio anual fue de 0.52 µg/m3, que representa el 0.69% del valor permitido (figura 5).

NOx. Para el TAPM: Se pronosticó que en solo dos ocasiones se rebasó el límite máximo promedio de una hora establecido por la norma [6], la zona afectada tiene un área aproximada de 6 km2 y su centro se localiza a 2 km al NO de la C.T.E (figura 6). El valor máximo en el dominio de cálculo para este promedio fue de 468 µg/m3 (figura 4), que es superior en 18.5% al límite máximo de la norma. Para el ISC: En ningún momento se rebasaron los límites del promedio de una hora establecido por la norma. El valor máximo en el dominio de cálculo para el promedio de 1 hora fue de 222 µg/m3, que representa el 56.2% del valor máximo permitido por la norma (figura7).

SO2. Para el TAPM: Los promedios de 24 horas y el promedio anual fueron excedidos en algunas zonas del dominio (figuras 12 y 13). El valor máximo para el promedio de 24 horas fue de 720 µg/m3, valor que excede en 2.11 veces al valor máximo normado [7] (figura 8). La zona en donde este promedio fue rebasado en al menos una ocasión tiene un área superior1 a los 400 km2 (figura 13) y la zona más afectada se localiza 5 km al N de la C.T.E. El valor máximo para el promedio anual fue de 192.2 µg/m3, valor que excede en 2.43 veces al valor máximo permitido [7] y la zona más afectada se encuentra a 5 km al N de la C.T.E. (figura 10). La superficie en donde se sobrepasa este valor promedio tiene una extensión ligeramente superior2 a los 250 km2 (figura 12). Para el ISC: Los promedios de 24 horas fueron excedidos en una sola ocasión. El valor máximo para el promedio de 24 horas fue de 433 µg/m3, que está 1.27 veces arriba del valor de la norma (figura 9). La zona afectada tiene un área aproximada de 1.6 km2 y está ubicada aproximadamente a 4 km al NE del la C.T.E. El valor máximo para el promedio anual fue de 6.9 µg/m3, que representa el 8.7% del valor máximo permitido (figura 11).

1 Se menciona que es superior ya que en la figura 13 se puede apreciar que la zona afectada sale del dominio. 2 Se menciona que es superior ya que en la figura 12 se puede apreciar que la zona afectada sale del dominio.

5 10 15 20 25 30 35 40km

5

10

15

20

25

30

35

40

km C.T.E.

EM#4

A

B C

D

EM#2

EM#1

EM#3 EM#5

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000

m

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

40000

m

0

5

10

15

20

25

30

C.T.E.

EM#4

A

B C

D

EM#2

EM#1

EM#3 EM#5

Figura 2: Isopletas para concentración máxima de PST en promedio de 24 hr para el año 2002 obtenida en TAPM. Valor máximo: 54 µg/m3.

Figura 3: Isopletas para concentración máxima de PST en promedio de 24 hr para el año 2002 obtenida en ISC. Valor máximo: 32.6 µg/m3.

5 10 15 20 25 30 35 40

km

5

10

15

20

25

30

35

40

km C.T.E.

EM#4

A

B C

D

EM#2

EM#1

EM#3 EM#5

0

2

4

6

8

10

12

14

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000m

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

40000

m

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

C.T.E.

EM#4

A

B C

D

EM#2

EM#1

EM#3 EM#5

Figura 4: Isopletas para concentración promedio de PST para el año 2002 obtenida en TAPM. Valor máximo 14.3 µg/m3.

Figura 5: Isopletas para concentración promedio de PST para el año 2002 obtenida en ISC. Valor máximo 0.52 µg/m3.

5 10 15 20 25 30 35 40km

5

10

15

20

25

30

35

40

km C.T.E.

EM#4

A

B C

D

EM#2

EM#1

EM#3 EM#5

020406080100120140160180200220240260280300320340360380400420440460

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000

m

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

40000

m

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

C.T.E.

EM#4

A

B C

D

EM#2

EM#1

EM#3 EM#5

Figura 6: Isopletas para concentración máxima de NOx en promedio de 1 hora para el año 2002 obtenida en TAPM. Valor máximo 468 µg/m3.

Figura 7: Isopletas para concentración máxima de NOx en promedio de 1 hora para el año 2002 obtenida en ISC. Valor máximo 222 µg/m3.

5 10 15 20 25 30 35 40km

5

10

15

20

25

30

35

40

km C.T.E.

EM#4

A

B C

D

EM#2

EM#1

EM#3 EM#5

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

650

700

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000

m

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

40000

m

0

25

50

75

100

125

150

175

200

225

250

275

300

325

350

375

C.T.E.

EM#4

A

B C

D

EM#2

EM#1

EM#3 EM#5

Figura 8: Isopletas para concentración máxima de SO2 en promedio de 24 horas para el año 2002 obtenida en TAPM. Valor máximo 720 µg/m3.

Figura 9: Isopletas para concentración máxima de SO2 en promedio de 24 horas para el año 2002 obtenida en ISC. Valor máximo 433 µg/m3.

5 10 15 20 25 30 35 40km

5

10

15

20

25

30

35

40

km C.T.E.

EM#4

A

B C

D

EM#2

EM#1

EM#3 EM#5

0

15

30

45

60

75

90

105

120

135

150

165

180

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000

m

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

40000

m

0

1

2

3

4

5

6

7

C.T.E.

EM#4

A

B C

D

EM#2

EM#1

EM#3 EM#5

Figura 10: Isopletas para concentración promedio de SO2 para el año 2002 obtenida en TAPM. Valor máximo 192.2 µg/m3.

Figura 11: Isopletas para concentración promedio de SO2 para el año 2002 obtenida en ISC. Valor máximo 6.9 µg/m3.

5 10 15 20 25 30 35 40

km

5

10

15

20

25

30

35

40

km C.T.E.

EM#4

A

B C

D

EM#2

EM#1

EM#3 EM#5

5 10 15 20 25 30 35 40

km

5

10

15

20

25

30

35

40

km C.T.E.

EM#4

A

B C

D

EM#2

EM#1

EM#3 EM#5

1

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

70

75

80

Figura 12: Zona en donde el nivel de SO2 promedio anual rebasó a la norma en TAPM.

Figura 13: Número de veces que el promedio establecido por la norma de 24 horas para el año 2002 fue excedido para el SO2 en TAPM. Valor máximo 80 ocasiones.

CONCLUSIONES Se puede observar que las concentraciones para el ISC son menores en comparación con el TAPM. Para las PST

promedio 24 horas y promedio anual representan el 60.4% y el 3.6% de los niveles pronosticados por el TAPM respectivamente. Para el NOX promedio 1 hora y promedio anual representa el 47.4% y el 3.7%. Para el SO2 promedio 24 horas y promedio anual representa el 60.1% y el 3.6%. Al parecer esto se debe a que el TAPM es capaz de simular mejor las estabilidades atmosféricas y la interacción entre el mar y la tierra de la zona de estudio (costa) y por ende la capacidad que tiene la atmósfera de dispersar un contaminante. El ISC, aunque trabaja con un archivo meteorológico del sitio de la central termoeléctrica, hace la suposición de que tanto la dirección del viento, la altura de la capa de mezclado y su estabilidad son constantes en todo el dominio durante el periodo de una hora, además de no considerar la interacción entre el mar y la tierra en la zona costera (potencial de fumigación a ciertas horas). Mientras que el TAPM puede obtener valores distintos para estas variables en todo el dominio de cálculo en un mismo instante. Debido a la falta de datos de concentraciones en el estudio previo, no es posible calificar el grado de certeza de dichos programas, pero si es posible asegurar que no hay similitud tanto en los valores como en la forma de las isopletas, sin embargo el TAPM se acerca mucho más a lo reportado en el estudio de campo de calidad del aire.

El TAPM hace una importante contribución a las conclusiones que fueron reportadas en el estudio previo. Este programa, al hacer un pronóstico de la meteorología del lugar, obtiene un campo de velocidades más apegado a la realidad y con ello explica porque en ciertas estaciones meteorológicas y durante periodos en los que el viento no provenía de la C.T.E se obtuvieron valores altos para todos los contaminantes (figura 16 y 17). Fue posible simular el movimiento de vaivén de la nube de contaminantes gracias a que los datos de la malla más interna se encuentran anidados en mallas más grandes y con ello la nube de contaminantes no se pierde al abandonar el dominio más interno.

Como se puede apreciar, este es un trabajo que contribuye a la búsqueda de opciones de mayor precisión para simular dispersión de contaminantes en estudios de impacto ambiental. En este se presenta un método alternativo y que promete dar resultados más precisos en comparación con el modelo de pluma Gaussiana. Aunque el tiempo de cálculo en el programa TAPM es mayor (requiere 48 h de cálculos en una PC de 2.8 GHz de doble núcleo) al necesario para correr el ISC (que prácticamente es instantáneo), este resulta de poca relevancia ya que la calidad de los datos es superior y que el ISC necesita de mediciones previas de estaciones meteorológicas de las que no siempre se dispone.

Finalmente, se puede hacer la siguiente recomendación: en una primera aproximación para un estudio de impacto ambiental se puede utilizar el ISC como una herramienta de cálculo sencilla, rápida y económica (si se disponen de los datos meteorológicos); mientras que el TAPM puede ser utilizado para calcular y explicar con mayor detalle los niveles de contaminación y los patrones de flujo relevantes para la dispersión de contaminantes en una determinada localidad. Tanto la confiabilidad de los resultados obtenidos con el TAPM, como la probabilidad que ocurran eventos de incumplimiento con la normatividad, son significativamente mayores que aquellos que arroja el ISC [8] [9].

Figura 16: Campo de velocidades para el día 5 de Diciembre de 2002 a las 2:00 horas. El cuadro negro indica la localización de la estación EM#4.

Figura 17: Nube de PST viajando de regreso para el día 5 de Diciembre de 2002 a las 2:00 horas. El cuadro negro indica la localización de la estación EM#4.

REFERENCIAS [1] P.J. Hurley. The Air Pollution Model (TAPM) Version 2. Part 1: Technical Description. CSIRO Atmospheric

Research, Aspendale Vic 3195, Australia. [2] S. Pal Arya. Air pollution meteorology and dispersion. Oxford University Press, 1999. [3] Karl B. Schnelle Jr., Partha R. Dey. Atmospheric Dispersion Modeling Copliance Guide. McGraw-Hill, 2000. [4] Diagnóstico ambiental en la zona de influencia de la central termoeléctrica Plutarco Elías Calles. UNAM, 2000. [5] NOM-024-SSA1-1993, 1993. [6] NOM-023-SSA1-1993, 1993. [7] NOM-022-SSA1-1993, 1993. [8] Ashok K. Luhar, P.J. Hurley. Evaluation of tapm, a prognostic meteorological and air pollution model, using

urban and rural point-source data. Atmospheric Environment, vol. 37, pp. 2795-2810, 2003. [9] P.J. Hurley, Adrian Blockley, Ken Rayner. Verification of a prognostic meteorological and air pollution model

for year-long predictions in the Kwinana industrial region of Western Australia. Atmospheric Environment, vol. 35, pp. 1871-1880, 2001.

UNIDADES Y NOMENCLATURA Concentraciones [µg/m3] considerando condiciones estándar en la atmósfera (20 [°C] y 1 [atm] de presión)