República de Colombia SIMULACIÓN DE LA DISPERSIÓN DE MATERIAL PARTICULADO POR CHIMENEAS INDUSTRIALES EN BOGOTÁ HENRY OSWALDO BENAVIDES BALLESTEROS Ingeniero.

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1 República de Colombia SIMULACIÓN DE LA DISPERSIÓN DE MATERIAL PARTICULADO POR CHIMENEAS INDUSTRIALES EN BOGOTÁ HENRY OSWALDO BENAVIDES BALLESTEROS Ingeniero Químico Subdirección de Meteorología INSTITUTO DE HIDROLOGIA, METEOROLOGÍA Y ESTUDIOS AMBIENTALES IDEAM

2 CONTENIDO 1. INTRODUCCION Y GENERALIDADES
República de Colombia CONTENIDO 1. INTRODUCCION Y GENERALIDADES 2. RED DE CALIDAD DEL AIRE DEL DAMA 3. DESCRIPCION DEL MODELO ISCST3 4. DESCRIPCION DEL CLIMA DE BOGOTÁ 5. ESTIMACIÓN DE EMISIONES 6. APLICACIÓN DEL MODELO ISCST3 7. CONCLUSIONES

3 1. INTRODUCCION Y GENERALIDADES
República de Colombia 1. INTRODUCCION Y GENERALIDADES 1.1. OBJETIVO GENERAL Generar una metodología para simular la dispersión de material particulado (MP10) emitido por chimeneas industriales en la Ciudad de Bogotá mediante la aplicación de un modelo de dispersión de emisiones. 1.2. JUSTIFICACIÓN - De los registros obtenidos en la Red de Calidad del Aire, el DAMA ha determinado que los contaminantes que presentan mayor problemática, en su orden, son: el material particulado (como MP10), el ozono y el NO2. Varios estudios indican que el contaminante que causa mayor daño Estación Merck. Datos del 01/09/1999 al 01/07/2001 a la salud humana son las partículas Finas en suspensión con un diámetro menor a 10 micrones (MP10) 1208/03: 180g/m3

4 1. INTRODUCCION Y GENERALIDADES
República de Colombia 1. INTRODUCCION Y GENERALIDADES Un aumento de 10 g/m3 en la concentración de MP10 produce un aumento de por lo menos el 8% en el número de consultas por enfermedades respiratorias en niños menores de 14 años (Universidad Javeriana y el DAMA). Problemas de visibilidad, olores y suciedad. El MP10 está asociado al incremento del riesgo de muerte por problemas cardiorrespiratorios. Las partículas están relacionadas con el incremento de las reacciones químicas en la atmósfera; aumento de la nubosidad y posibilidad de precipitación. Es deseable además de conocer la calidad del aire en “puntos estratégicos”, poder tener una idea sobre la calidad del aire en gran parte del área urbana Se escogió la ciudad de Bogotá para realizar el presente trabajo porque cuenta con información meteorológica y de calidad del aire adecuada para validar la metodología y porque en esta se concentra el 15,2% de la población del país.

5 2. RED DE CALIDAD DEL AIRE DEL DAMA 2.1. LOCALIZACIÓN DE ESTACIONES
República de Colombia 2. RED DE CALIDAD DEL AIRE DEL DAMA 2.1. LOCALIZACIÓN DE ESTACIONES 14 estaciones automáticas que miden: Concentración de contaminantes Parámetros meteorológicos Universidad El Bosque Min. Medio Ambiente Hospital Olaya Sony Universidad Nacional Carrefour Escuela de Ingeniería Central de Mezclas Universidad Sto. Tomas Universidad Corpas CADE Cazucá Merck Fontibón El Dorado (IDEAM) Estación

6 2. RED DE CALIDAD DEL AIRE DEL DAMA
República de Colombia 2. RED DE CALIDAD DEL AIRE DEL DAMA 2.2. SENSORES DE MEDICIÓN X X IDRD X

7 2. RED DE CALIDAD DEL AIRE DEL DAMA
República de Colombia 2. RED DE CALIDAD DEL AIRE DEL DAMA 2.3. ANÁLISIS DEL COMPORTAMIENTO DEL MATERIAL PARTICULADO Universidad El Bosque Min. Medio Ambiente Hospital Olaya Sony Universidad Nacional Carrefour Escuela de Ingeniería Central de Mezclas Universidad Sto. Tomas Universidad Corpas CADE Cazucá Merck Fontibón 90000 100000 Variabilidad espacial Análisis de Información comprendida entre agosto de 1997 y julio de 2001.

8 2. RED DE CALIDAD DEL AIRE DEL DAMA
República de Colombia 2. RED DE CALIDAD DEL AIRE DEL DAMA 2.3. ANÁLISIS DEL COMPORTAMIENTO DEL MATERIAL PARTICULADO Variabilidad horaria 7-9 a.m. 9-12 p.m.

9 3. DESCRIPCION DEL MODELO ISCST3
República de Colombia 3. DESCRIPCION DEL MODELO ISCST3 3.1. GENERALIDADES Se escogió el modelo ISCST3 por ser uno de los más referenciados y de mayor aplicación: Argentina, Chile, Perú, México, España, entre otros. La base del modelo es la ecuación de penacho Gaussiana en estado estacionario para una fuente continua: - Modela una amplia variedad de fuentes que pueden estar presentes en un complejo típico de fuentes industriales: fuentes puntuales, de área, línea y de volumen. Acepta registros de datos meteorológicos horarios. Estima el valor de la concentración (g/m3) o depositación (g/m2). Localización de los receptores puede ser en cuadrícula o discreta

10 3. DESCRIPCION DEL MODELO ISCST3
República de Colombia 3. DESCRIPCION DEL MODELO ISCST3 3.2. COMPONENTES DEL SOFTWARE DEL MODELO Hay dos tipos básicos de entradas que son necesarios para correr los modelos ISC: El archivo de entrada de datos El archivo de datos meteorológicos. A. Archivo de entrada de datos CO para especificar las opciones de control generales; SO para especificar la información de las fuentes; RE para especificar la información de los receptores; ME para especificar la información meteorológica; OU para especificar las opciones de salida. B. Archivo Meteorológico Para este caso se uso el formato ASCII por defecto:

11 Presenta vientos de baja intensidad.
República de Colombia 4. DESCRIPCION DEL CLIMA DESCRIPCIÓN GENERAL DEL CLIMA Clima de montaña tropical, es frío y con tendencia a la sequía hacia el sur y sur occidente del área urbana. Presenta vientos de baja intensidad. Gran variabilidad espacial y temporal. El desplazamiento de la ZCIT ocasiona que en la mayor parte de Colombia se presente, durante el año, un doble máximo y un doble mínimo de precipitaciones y, por supuesto, también de los demás elementos meteorológicos.

12 I. Variación estacional
República de Colombia 4. DESCRIPCION DEL CLIMA RADIACIÓN GLOBAL I. Variación estacional II. Ciclo diurno de la radiación global incidente (11-1)

13 I. Promedio mensualde la temperatura
República de Colombia 4. DESCRIPCION DEL CLIMA 4.3. TEMPERATURA I. Promedio mensualde la temperatura II. Promedio horario de la temperatura (11/1, 5-6)

14 III.Variabilidad espacial de la temperatura
República de Colombia 4. DESCRIPCION DEL CLIMA 4.3. TEMPERATURA III.Variabilidad espacial de la temperatura

15 I. Circulación promedio del viento
República de Colombia 4. DESCRIPCION DEL CLIMA 4.4. VIENTO I. Circulación promedio del viento Eldorado VV = 1,1 m/s Circulación Predominante de los vientos en Bogotá Escuela de Ingeniería Universidad Corpas Engativa Universidad El Bosque El Dorado (IDEAM) Carrefour Fontibón Universidad Sto. Tomas Universidad Nacional Merck Min. Medio Ambiente CADE Sony Cazucá Hospital Olaya Central de Mezclas

16 República de Colombia 4. DESCRIPCION DEL CLIMA II. Variabilidad estacional y horaria de la velocidad y dirección del viento SONY (Suroriente)

17 República de Colombia 4. DESCRIPCION DEL CLIMA II. Variabilidad estacional y horaria de la velocidad y dirección del viento MERCK (Centro)

18 4. DESCRIPCION DEL CLIMA 4.5. NUBOSIDAD Y PRECIPITACION
República de Colombia 4. DESCRIPCION DEL CLIMA 4.5. NUBOSIDAD Y PRECIPITACION

19 República de Colombia 4. DESCRIPCION DEL CLIMA 4.6. ALTURA DE MEZCLA La altura en la atmósfera hasta donde los contaminantes alcanzan a ser mezclados y dispersados. Depende de la rugosidad superficial local, de la velocidad del viento, la radiación solar, entre otras. La estimación de la altura de mezcla se fundamentó en la metodología reportada por Sozzi y Ruiz Variables meteorológ medias horarias = Parámetros turbulentos: RN, Ho, U*, T*

20 U* = Uo [ 1+α ln﴾1+bQo/Q*) ]
República de Colombia 4. DESCRIPCION DEL CLIMA RN = K K I I + Horas diurnas Flujo de calor sensible: se relaciona a la turbulencia térmica: Ho = 0,3 Rg + A Velocidad de fricción: es la que caracteriza el nivel de turbulencia mecánica generado por la cortante del viento. Depende de: U, Ho, K, el perfil vertical del viento en la capa superficial U* = Uo [ 1+α ln﴾1+bQo/Q*) ] Horas nocturnas CDN U T U* = ( 1+C0,5 ) T* = Ho = ρ Cp U* T* K g A Depende del gradiente potencial de temperatura, de U y K

21 República de Colombia 4. DESCRIPCION DEL CLIMA Cálculo de la altura de capa de mezcla. hmec. = 1330 U* (hconv )t2 = √ (hconv )2t1 + 2,4Ho(t2 - t1) / ρ Cp γ En las horas estables (noche) hmix = hmec. En las horas convectivas (dia) hmix = Valor máximo entre hmec y hconv

22 4. DESCRIPCION DEL CLIMA 4.7. Estabilidad atmosférica.
República de Colombia 4. DESCRIPCION DEL CLIMA 4.7. Estabilidad atmosférica. El grado de estabilidad atmosférica se determina a partir de la diferencia de temperatura entre una porción de aire y el aire circundante. Categoría de Pasquill – Gifford a. Estable A (extremadamente inestable), D (neutra), F (estable) HORAS DIURNAS b. Neutro HORAS NOCTURNAS c. Inestable

23 5. ESTIMACION DE EMISIONES
República de Colombia 5. ESTIMACION DE EMISIONES 5.1. ANÁLISIS DEL INVENTARIO Información obtenida del “Inventario de fuentes fijas de emisión de contaminantes a la atmósfera en la ciudad de Bogotá” realizado por el DAMA en el año 2001 Se realizaron encuestas en establecimientos que inventariaron equipos. I. Clasificación por tipo de combustibles Sirve como primer paso en la selección de las fuentes que finalmente van a ser incluidas dentro del modelo, descartando: Las que no generan o generan una mínima cantidad de emisiones de MP10 como son: el gas natural, el gas propano, el (GLP) y la energía eléctrica (3.065 equipos). El ítem No aplica (4.434). Ejm: inyectoras, mezcladoras, compresores, extractor pint. Reduciendo el número a equipos posibles a ser incluidos. 1.101 equipos que utilizan combustibles líquidos 569 que utilizan combustibles sólidos

24 5. ESTIMACION DE EMISIONES
República de Colombia 5. ESTIMACION DE EMISIONES II. Indicadores de uso y consumo de combustibles por localidad Fue necesario homogeneizar las unidades de consumo de combustibles de cada equipo a galones por hora y por año y kilogramos por hora y por año.

25 5. ESTIMACION DE EMISIONES
República de Colombia 5. ESTIMACION DE EMISIONES

26 5. ESTIMACION DE EMISIONES
República de Colombia 5. ESTIMACION DE EMISIONES

27 5. ESTIMACION DE EMISIONES
República de Colombia 5. ESTIMACION DE EMISIONES Se validó información con: - Un archivo en Excel, suministrado por el DAMA sobre 665 equipos. Propuesta metodológica para la obtención de factores de emisión de partículas a partir de mediciones isocinéticas en calderas a base de carbón en Bogotá (Martínez, 1998), se presenta información, de 14 expedientes radicados en el DAMA y los resultados de 332 muestreos isocinéticos realizados en Bogotá por CORPODIB. 5.2. SELECCIÓN DE FUENTES INCLUIDAS EN EL MODELO. Criterio de Selección de los equipos con mayores consumos anuales fue: I. Combustible líquidos: mas de galones al año (111 equipos) II. Combustibles sólidos: mas de kilogramos por año (91 equipos). Los equipos seleccionadas que usan combustibles líquidos utilizan cerca de 23,6 millones de galones al año, (86,5%) y los que utilizan combustibles sólidos, consumen 62,0 millones de kilogramos al año( 98%).

28 5. ESTIMACION DE EMISIONES
República de Colombia 5. ESTIMACION DE EMISIONES CARACTERIZACIÓN DE COMBUSTIBLES Caracterización del carbón mineral (tipo bituminoso muy volatil – ASTM D 388) Caracterización de los combustibles líquidos

29 5. ESTIMACION DE EMISIONES
República de Colombia 5. ESTIMACION DE EMISIONES ANÁLISIS DE FACTORES DE EMISIÓN. Mayores a 0,3 micras Vapor = condensa aerosoles mayor a 1,0 micras

30 5. ESTIMACION DE EMISIONES
República de Colombia 5. ESTIMACION DE EMISIONES 5.5. CÁLCULO DE EMISIONES. E = FE * A * (1-ER/100) A = Intensidad de la actividad (consumo de combustibles) ER = Eficiencia en la reducción de emisiones (%)

31 5. ESTIMACION DE EMISIONES
República de Colombia 5. ESTIMACION DE EMISIONES 5.6. INTENSIDAD DE USO DE LOS EQUIPOS I. Combustibles líquidos II. Combustibles sólidos

32 6. APLICACIÓN DEL MODELO ISCST3
República de Colombia 6. APLICACIÓN DEL MODELO ISCST3 6.1. GENERACIÓN DEL ARCHIVO DE ENTRADA DE DATOS La altura de la base de las fuentes es cero. Localización de fuentes Sistema de Información de Norma Urbana (S.I.N.U.) del Departamento Administrativo de Planeación Distrital Resolución de un metro El observatorio nacional tiene asignadas las coordenadas planas x= : y= en el POT X= 95082, y = Pto de referencia para generar cartografía en coordenadas planas

33 6. APLICACIÓN DEL MODELO ISCST3
República de Colombia 6. APLICACIÓN DEL MODELO ISCST3

34 6. APLICACIÓN DEL MODELO ISCST3
República de Colombia 6. APLICACIÓN DEL MODELO ISCST3 - Altura de la chimenea (15 m. Dec 02/82) A x B - Diámetro de la chimenea (en rectangulares Dequiv) Dequiv = A + B - Velocidad y temperatura de los gases de salida: 332 muestreos isocinéticos y por características similares Ruta Receptor Red de receptores uniforme. XYINC Red de receptores discreta. DISCCART DISCCART DISCCART DISCCART DISCCART DISCCART DISCCART DISCCART DISCCART DISCCART DISCCART

35 6. APLICACIÓN DEL MODELO ISCST3
República de Colombia 6. APLICACIÓN DEL MODELO ISCST3 6.2. GENERACIÓN DEL ARCHIVO DE ENTRADA METEOROLOGICO Debido a que el modelo usa el vector de flujo (dirección hacia donde se mueve el viento) como dato de entrada, para convertir los datos de entrada como dirección del viento (dirección desde donde viene el viento) a vector de flujo se debe rotar 180°.   6.3. APLICACIÓN DEL MODELO ISCST3 EN LA CIUDAD DE BOGOTÁ Corridas con diferentes tipos de categorías de estabilidad: una inestable, otra neutra y otra estable para un día de abril y para un día de agosto (jueves 10 de agosto del 2000 y el miércoles 11 de abril del 2001). - Condiciones neutras: entre las 5 y las 8 de la mañana - Condiciones inestables: las primeras horas de la tarde (de 1 p.m. a 4 p.m.). - Condiciones estables: las primeras horas del día (de 1 a.m a 4 a.m.). En cada corrida se utilizarán los tres escenarios de emisión definidos. El modelo se ejecuta en cada escenario de emisión el número de estaciones a tener en cuenta.

36 6. APLICACIÓN DEL MODELO ISCST3
República de Colombia 6. APLICACIÓN DEL MODELO ISCST3 Selección de estaciones  Estudio de auditoria a las estaciones del DAMA (IDEAM DAMA, 2002)

37 6. APLICACIÓN DEL MODELO ISCST3
República de Colombia 6. APLICACIÓN DEL MODELO ISCST3 Para cada corrida se aplicó el modelo en las siete estaciones con las fuentes asociadas a cada estación. Los resultados de cada ejecución se integraron para obtener el valor agregado en cada receptor. Consideraciones generales para las corridas - Para el día del mes de agosto y de abril se escogió la información meteorológica de Sony para modelar las fuentes asociadas a Central de Mezclas.(altas VV, altas T, altas A de M). - Los valores de la nubosidad de Eldorado para todas las estaciones. - La temperatura en Sony se tomo como el promedio de Merck y Central de Mezclas y para CADE los valores de Merck.

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República de Colombia 6. APLICACIÓN DEL MODELO ISCST3 - Se tomaron los promedios horarios de la radiación de Eldorado para Carrefour, Merck y CADE y los promedios de Central de Mezclas para Sony. Para los dos días: Carrefour los valores de Esc. de Ingeniería y el resto con información de Central de Mezclas. - En la condición neutra se modelan todas las fuentes seleccionadas. En la condición estable se eliminan 52 fuentes que utilizan combustibles líquidos y 51 equipos que utilizan combustibles sólidos. En la condición inestable se descartan 8 fuentes que utilizan combustibles líquidos y 27 que utilizan combustibles sólidos. III grafica de resultados Los resultados se convierten a cobertura de puntos con el software de ARCINFO que incluyen los atributos del valor de concentración de MP10 en cada punto receptor. A partir de los puntos de esta cobertura se realiza una interpolación en ERDAS-IMAGINE. Finalmente, esta cobertura se superpone sobre el mapa de la cobertura de las localidades y las UPZ (Unidades de Planeación Zonal) de Bogotá.

39 6. APLICACIÓN DEL MODELO ISCST3
República de Colombia 6. APLICACIÓN DEL MODELO ISCST3 V. Corrida para los dos días - Comparación de los valores promedios de concentración modeladas en las tres horas con las tres horas reales (medidas en estación) asumiendo una participación del 67% en la emisión de MP10 por las fuentes fijas (DAMA – Taller U Andes ) - El método de validación de los resultados de la dispersión tiene todavía un nivel de incertidumbre alto, sirve en cierto grado para justificar la consideración de que el escenario alto es el que mejor representa las posibles condiciones reales de la dispersión de partículas en la ciudad de Bogotá. Se observa que dentro del escenario alto las condiciones estables son las que tienen el RECM (Raíz del Error Cuadrático Medio) más bajo seguido por la inestable y la neutra.

40 6. APLICACIÓN DEL MODELO ISCST3
República de Colombia 6. APLICACIÓN DEL MODELO ISCST3 V. Corrida para los dos días ABRIL

41 República de Colombia 8. CONCLUSIONES Se desarrolló una metodología adecuada para la dispersión de MP10 que puede ser implementada para el análisis de la dispersión de otros contaminantes. Los resultados en la aplicación del modelo ISCST3 (especialmente en el escenario alto de emisiones) respecto a los promedios de concentración de MP10 son consistentes con las medidas reportadas por la red de calidad del aire. El modelo ISCST3 modela en buena forma la dispersión de MP10 emitido por chimeneas industriales en Bogotá. - El escenario alto, constituido en su mayor parte por factores de emisión de la JICA se utilizó en 135 equipos de los 202 seleccionados. Se aprecia, una alta relación entre la ubicación de la zona de confluencia y el área en donde se presentan, las concentraciones mas altas, esto es, en Puente Aranda. El modelo ISC3 es sensible a los cambios en la intensidad de la velocidad del viento, a los cambios en la categoría de estabilidad y a las variaciones en la altura de mezcla. -

42 República de Colombia 8. CONCLUSIONES - Se definieron indicadores de consumo de combustibles por localidad que ayudan a sustentar los resultados de la modelación. - En el cálculo de la altura de mezcla se observó que la metodología es muy sensible a la velocidad del viento y a la variación de la altura del anemómetro. - Se pudo establecer que en la ciudad se presenta una alta variabilidad estacional y horaria en la velocidad y dirección del viento.

43 República de Colombia 9. RECOMENDACIONES - Se sugiere suministrar Información más específica y descriptiva sobre la intensidad de uso de los equipos en el día, la semana y el mes. Este aspecto es fundamental para saber que equipos se involucran en el modelo a cualquier hora del día y la semana. - Incluir en las corridas del modelo más fuentes y otras que no fueron escogidas y que pueden estar generando considerables cantidades de material particulado como los extractores, molinos y silos. En el momento de hacer el rediseño de la red de calidad del aire, se recomienda mejorar la densidad de estaciones al sur de la ciudad, en zonas como Usme y Rafael Uribe, con el objetivo de tener una mejor información meteorológica para la modelación de contaminantes, así como información de calidad del aire en zonas que, pueden estar presentando niveles altos de concentración de contaminantes. -