modelamiento de fugacidad
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QUE ES UN MODELO?
Expresin (matemtica o fsica) que simula el movimiento
de
los compuestos qumicos INTRA e INTERcompartimentos (suelo, sedimentos, agua, biota y aire).
Fsicos: simulacin de un segmento del medio receptor(micro, mesocosmos, tunel de viento) en el cual se observael comportamiento de un compuesto o mezcla decompuestos qumicos.
Matemticos: mediante la utilizacin de algoritmos sesimulan los procesos que actan sobre un compuestoqumico y en funcin de ello se estiman susconcentraciones y destino final.
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Especficos:
Simulan el comportamiento de un compuesto qumico o mezclaen una situacin particular. Ej. Balance de masa, plumaefluentes.
Evaluativos:
Describen el comportamiento de los compuestos qumicos en unambiente hipottico ("Unidad de Mundo).
MODELOS MATEMTICOS
Estimar las concentracioncompuestos qumicos.
Interpretar y comprenderregulan la distribucin y contaminantes en el ambien
Visualizar las vas de exposic
Identificar compartimeblanco.
Evaluar la eficiencia de med
OBJETIVOS
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COMPONENTES Variables internas: Caractersticas del medio receptor (ej.
velocidad de corriente, caudal,profundidad, biota, etc.).
Variables externas: Influyen sobre el estado del sistema (ej.
carga de txicos, precipitaciones,
temperatura, radiacin solar, etc.).
Ecuaciones matemticas: Representan procesos fsicos-qumicos y
biolgicos que relacionan las variables deexternas y de estado (ej. tasa de dilusin,de sedimentacin, de biodegradacin,etc).
Parmetros: En base a ello se conf
ecuaciones matemticas el modelo. Pueden ser partir de las propiedadecompuestos qumicos (coparticin, solubilidad).
Constantes univers Propiedades moleculares
compuesto qumico (pesopunto de fusin, de ebull
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CONTAMINANTESMaterias o formas de energa que implican riesgomolestia grave para las personas y bienes de cual
naturaleza, causada por fuentes naturales o antro
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Los contaminantes son de origen
Natural
Se originan en los procesosbiolgicos y geolgicos.
Antropognico
Derivados de la actividad delhombre: industriales, comercrurales, transporte, domstic
generacin de energa.
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Contaminantes principales y susefectos
Monxido de carbono (CO)
Gas incoloro e inodoro que en concentraciones altas puede ser letal.
En la naturaleza se forma por la descomposicin de la
materia orgnica.
La principal fuenteantropognica : quemaincompleta de combustiblescomo la gasolina.
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xidos de azufre (SOx )
La fuente primaria es la quema decombustibles.
Contribuyen a la formacin de
cida
Perjudican el sistema respiratorio,
especial-mente de las personas quesufren de asma y bronquitis crnica.
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xidos de nitrgeno (NOx)La emisin natural es 14 veces mayor que la
realizada por el hombre.
Fuentes:
Naturales bacteriana, nitratos orgnicos,
incendios forestales y de pastos, y actividad
volcnica.Antropognicas escapes de los vehculos y
la quema de combustibles fsiles.
Daa el sistema respira
Contribuye a la formacin de
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Ozono (O3)Contaminante criterio secundario.
Se forma mediante una serie
compleja de reacciones en la
atmsfera.
El principal componentedel smog fotoqumico o
niebla fotoqumica y causa
efectos nocivos en seres
humanos y plantas.
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Material particulado
PTS partculas slidas o lquidas del
aire, como el polvo y holln y partculas
lquidas producidas por la
condensacin de vapores.
PM10 partculas con menos de 10
micrmetros de dimetro aerodinmico
Las partculas ms pequeas son ms
peligrosas para el hombre
Plomo
La fuente primaria de contaminacin del aire por
plomo ha sido el uso de combustibles con plomo
en automviles.
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Contaminantesen interiores
Agentes qumicos
NOx CO SO2 -Combustin
O3 Fotocopiadoras,
COV Materiales deconstruccin
Hidrocarburos
Metales
Pesticidas
Materialparticulado
Agentes fsicos Radiaciones
Calor
Agentes biolgicos
Bacterias
Virus Hongos
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MODELOS
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Modelos de Fugacidad - Mackay (1979)
Fugacidad (f): tendencia de una sustancia qumica a escapardesde una fase a otra. Unidades de presin (Pa).
Puede interpretarse en trminos de difusin de masa(temperatura-calor; perfumes). El compuesto difunde desdeuna fase con alta fugacidad a una de baja.
Capacidad ambiental de cada compartimento (Z) apartir de la cual se puede calcular la concentracin esperadaen el compartimento considerado, despus de que unacantidad es emitida al ambiente:
C= fZ
El equilibrio es alcanzado cuando se igualan las fugacidadesen todos los compartimentos, es decir cuando: f1=f2=f3=fn
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Niveles de complejidad Puede aplicarse a varios niveles de
complejidad de acuerdo a los datosdisponibles y las necesidades demodelacin.
Determinantes del nivel de complejidad:
Nmero de compartimentosconsiderados
Equilibrio entre algunas o todaslas fases
Incorpora procesos detransformacin
Incorpora flujos advectivos
Estado estable o dependencia deltiempo (concentracin o tasa deemisin)
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plicaciones Determinar el comportamiento de
compuestos qumicos en trminos departicin entre fases.
Identificacin de procesos dedegradacin dominantes.
Identificacin de procesos detransferencia entre fases.
Persistencia de compuestos en
compartimentos (blanco).
Estimacin de las concentracionesambientales esperadas.
Evaluacin del riesgo de compuestosqumicos.
Validacin experimmesoescala Modelos derivados del c
fugacidad como el SoilFug (D
al, 1994) probaron ser muypredecir las concentrapesticidas en aguas superficde microcuenca
Tericamente no hay conceptuales para la aplicatipo de modelos a una amplia. En la prctica, dificultad tiene que veheterogeneidad espacial de
gran tamao. Algunos resultados
indicaron buenos niveles de pcuencas de 100 km2 (B1995).
Una forma de resolver econsiste en el uso de los Informacin Geogrficos (Sdescripcin del escenario amb
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Son protocolos matemticos que proporcionan estimaciones de concentracin de un
contaminante en funcin de una serie de parmetros meteorolgicos, qumicos,
topogrficos y de cantidad y velocidad de emisin
Parmetros deentrada
Importante:estos modelo se aplican slo a un contaminante determinado
Si se quiere aplicar a varios es necesario aplicar el modelo a cada uno de ellos
Cantidad de contaminante emitida pounidad de tiempo, posicin y altura dla emisin
Velocidad y direccin de los vientodominantes, estabilidad atmosfricaaltura de mezcla
Comportamiento qumico del
contaminante: posibles reacciones, vidamedia
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El objetivo de un MD es la integracin de aelementos que inciden en la calidad del aire
- condiciones atmosfricas
- localizacin de los focos e intensmismos
- situacin de los receptores
- influencia de la topografa, orog
Con la finalidad de adecuar las medidas co
viables econmica y tcnicamente
Importancia de los modelos de dispersin
La previsin y cuantificacin del impacto ambientalatmosfrico slo es posible cuando se ha conseguido (con
la suficiente representatividad) la modelizacin de lascaractersticas bsicas de los medios emisor, difusor yreceptor en su interrelacin temporal y espacial
Aportacin de los modelos:
Los resultados se pueden obtener con antelacin aque se presente el problema de CA
Cualquier simulacin matemtica de un fenmenotan complejo como es la dispersin atmosfrica noes nunca exacta, pero los resultados de un modeloson el instrumento ms vlido en la decisin de laplanificacin y en la adopcin de medidascorrectoras ya que con ellos se identifican aquellaszonas con mayor y menor incidencia de la CA
i d ilid d l i i bl
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Evaluaciones de Impacto de uno o varios focos de CA de carcter puntual,lineal o superficial existentes o previstos
Optimizacin de alturas de chimeneas para instalaciones industriales
Estudios de contaminacin de fondo
Planificacin urbana e industrial (escala regional, local y nacional) Diseo de redes de calidad de aire
Predicciones de Contaminacin Potencial
Programas de Prevencin
La fiabilidad de un modelo est directamente relacionada con la base de datos de que sedisponga y es fundamental que la informacin meteorolgica est sustentada por elconocimiento de series suficientemente extensas y detalladas de los diferentes parmetrosclimticos
Los MD son instrumentos de gran utilidad en los siguientes problemas:
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TIPOSPRINCIPALESDEMOD
ELOSDE
DISPERSIN
MODELOS DE CELDA FIJA (vertidos homogneos)VentajasComplejidad matemtica pequea
DesventajasHiptesis ideales
MODELOS GAUSSIANOS (vertidos puntuales)
VDificultad matemtica media
DHiptesis ideales tambin(no hay reacciones qumicas)
MODELOS COMBINADOS (celda mltiple, etc..)
VIntroduce las posibles reacciones qumicas
D - Se requiere conocer una serie amplia de datos
MODELO DE CELDA FIJA
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Vientodominante, u
Entrada de airecontaminando
(o limpio)Concentracin de
fondo, b(masa/volumen)
Altura mxima de mezclaConcentracin de contaminantesen el aire urbano, Ce(masa/volumen)
Emisiones difusas
MODELO DE CELDA FIJA
Se utilizan para obtener estimaciones de concentracin de contaminante para emisionedifusas, diseminadas en una determinada superficie (Ej. una ciudad) que conducen a undeterminada concentracin de equilibrio, Ce, de cada contaminante
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La ciudad se representa por una caja cuya base es un rectngulo con dimensiones W y L,
uno de sus lados paralelo a la direccin del viento (normalmente L) y su altura la de la
de mezcla, H
Las emisiones se producen con una tasa Q (masa/tiempo) y se mezclan de forma homogne
toda la caja, dando una concentracin uniforme, Ce
El aire entra a la caja por una de sus caras, con velocidad u y nivel de concentracin b (n
de fondo) y sale por la cara opuesta, con velocidad u y concentracin Ce(nivel de equilib
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Modelo de celda fija: Hiptesis esenciales
1. La turbulencia atmosfrica produce el mezclado completo y total del contaminante hasta la altura de mezclno hay mezcla por encima de esa altura por lo que se puede asumir que existe una concentracin homognque es igual en todo el volumen de aire de la celda (concentracin de equilibrio)
2. El viento sopla en la direccin x con velocidad u, constante e independiente del tiempo, lugar o elevaciencima del suelo
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3. La concentracin de fondo, b, del contaminante es constante y representa la aportacin del entorno de lacelda a la concentracin de equilibrio
Se denomina concentracin de fondo a la concentracin ambiente debida al aporte de otras fuentes
distintas a las analizadas y puede ser fruto del aporte de fuentes naturales o de otras fuentes que
contribuyan a la contaminacin ambiental en la zona de estudio, identificadas o no
4. La tasa de emisin por unidad de rea, q, es constante y no vara con el viento (se da, por ej., en g s -1m-2)
con lo que la tasa de emisin total, Q, es
Q = q*A= q*W*L
siendo A = W*L, el rea de la ciudad
5. No entra o sale ningn contaminante por los lados perpendiculares a la direccin del viento, ni por el
lado superior
6. El contaminante es estable (no se destruye ni crea en la atmsfera, la nica fuente son las emisiones)
m m
*L *L = (tasa de emisin,t * S t
Q)
q W L
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Importante
Cees tanto mayor cuanto mayor sea la emisin (q) y la extensin dela celda en la direccin del viento (L) (independiente de la anchura,
W)A mayor u y H, la concentracin es menor
El trmino del denominador (u H) se denomina factor de ventilacin
(valor inversomedida del potencial de contaminacin del lugar)
e
q LC = b +
u H
Promedio sobre diversas condiciones meteorolgicas
Concentracin Promedio:
Concentracin en la condicin meteorolgica i-sima: ci
Frecuencia con la que se produce cada condicin
meteorolgica: fi
i iic = c f
Uso del modelo de celda para calcular l
Pregunta: Si para unas condiciones dad
de emisin conduce a una concentraci
ha de ser el nivel de emisin para cons
dada?
q1c1 q2?
1
1 2
(c - b) u H (cq = q =
L
22 1
1
(c - bq = q
(c - b
Modelo de celda No estacionaria
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Cantidad que entra cantidad que se crea - cantidad que sale = cantidad que se acumuLa solucin que se obtiene al resolver la ecuacin diferencial que resulta es:
donde Cees la concentracin de equilibrio que se obtendra si el rgimen fuese estacionare
q L C = b +
u H
Estado no estacionario:
la concentracin puede variarcon el tiempo
dC
0 C = C(t)dt
Para cada contaminante, por unidad de tiempo, el balance de materia e
Ciudad
Q
C(t)Concentracin de
fondo: b
Velocidaddel viento:u
x
y
zH
L W
e e
uC(t) = C + b - C exp - t
L
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A mayor velocidad del viento, ms horizontal ser el movimiento de la pluma
La velocidad del viento aumenta con la distancia al suelo por lo que, medida que lapluma se eleva, los vientos ms fuertes hacen que se incline an ms
Este proceso persiste, en general, hasta que la pluma parece paralela al suelo
La distancia donde la pluma parece llana puede encontrarse bastante lejos de lachimenea (a sotavento)
La elevacin de la pluma debida a su flotabilidad es una funcin de la diferencia detemperatura entre la pluma y la atmsfera circundante
Atmsfera inestablela flotabilidad de la pluma aumenta al elevarse la alturafinal de la pluma se incrementa
Atmsfera estable la flotabilidad de la pluma disminuye a medida que se elevaAtmsfera neutra constante
La pluma pierde flotabilidad a travs del mismo mecanismo que la hace serpentear, elviento
La mezcla dentro de la pluma arrastra elaire atmosfrico hacia su interior
A mayor velocidad del viento, ms rpidaser esta mezcla
FORMACIN DE "PENACHOS"
Penacho de espiral: condiciones muy inestablesgeneralmente favorables para la dispersin
Algunas veces se pueden producir altasconcentraciones momentneas al nivel del suelo
Penacho de abanico: condiciones establesUna inversin impide el movimiento verticalpero no el horizontal y el penacho se puedeextender varios km a sotavento de la fuente
Ocurren con frecuencia en las primeras horasde la maana (inversin por radiacin)
Penacho de cono: condiciones neutrales o
ligeramente establesMayor probabilidad de producirse entre lainterrupcin de una inversin por radiacin y eldesarrollo de condiciones diurnas inestables
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Formacin de "penachos"
Penacho de flotacin: Condiciones inestables por encima deuna inversin
Penacho de fumigacin: Se forma justo debajo de una capa deinversin y puede producir una grave situacin de
contaminacin
Modelo gaussiano para contaminantes que no reaccionan
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Suponiendo constantes la tasa de emisin, Q(masa de contaminante emitida en la unidad detiempo) y las condiciones atmosfricas, se llegaa un estado estacionario, en la cual el penachoadquiere una forma constante en el tiempo
La concentracin de contaminante es mximaen el eje del penacho, disminuyendo hacia losbordes (distribucin normal o de Gauss)
Hiptesis fundamental del modelo gaussiano
La concentracin de contaminantes en lasdirecciones perpendiculares a la del vientopuede ser descrita utilizando una distribucinnormal o de Gauss como la de la figura(campana de Gauss) cuya forma depende de losparmetros my s
m
x
12
1f x = exp
2
Expresin matemuna distribucin
m(valor medio) indica la posicin de la campana (parmetro de centralizacin) ses el parmetro de dispersin o desviacin estndar
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Objetivo: cul es la concentracin a cierta distancia de la fuente?
Un modelo gaussiano parte de unas hiptesis y si las condiciones reales se alejan mucho de ellas, sus estimacionesse hacen poco precisas
Es til para estimar la concentracin de un contaminante para distancias ~ 20 km No sirve para problemas como la lluvia cida, que implican cientos de km El modelo se basa en la resolucin de la ecuacin de difusin atmosfrica Aunque el modelo gaussiano se aplica a una fuente puntual (chimenea), puede ser usado para considerar fuentes
lineales (carreteras), o fuentes superficiales (que se modelan como un gran nmero de fuentes puntuales)
Representacin esquemtica de una
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Representacin esquemtica de unapluma gaussiana (Fuente: Turner 1970)
h
z = Direccin verticalx = Distancia en direccin del vientoy = Direccin ortogonal al plano xzDh = Sobreelevacin del penachoh = Altura de chimeneaH = Altura efectiva = h + D h
Doble distribucin
gaussiana en lasdirecciones y - z
El coeficiente de dispersin se mide en metros e indica cunto se ha dispersado la minicial cuando la pluma alcanzan una distancia dada desde la fuente de emisin
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