Modelamiento de Fugacidad

8/12/2019 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

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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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Modelamiento de Fugacidad