El objetivo de la modelización de la contaminación del aire es la estimación de las concentraciones de contaminantes en el exterior provocadas, por ejemplo, por procesos de producción industrial, emisiones accidentales o tráfico. El modelado de la contaminación del aire se utiliza para determinar la concentración total de un contaminante, así como para encontrar la causa de niveles extraordinariamente altos. Para proyectos en la etapa de planificación, la contribución adicional a la carga existente puede estimarse por adelantado y las condiciones de emisión pueden optimizarse.

Figura 1. Sistema de Monitoreo Ambiental Global/Gestión de la contaminación del aire

Dependiendo de los estándares de calidad del aire definidos para el contaminante en cuestión, son de interés los valores medios anuales o las concentraciones pico a corto plazo. Por lo general, las concentraciones deben determinarse donde las personas están activas, es decir, cerca de la superficie a una altura de unos dos metros sobre el suelo.

Parámetros que influyen en la dispersión de contaminantes

Dos tipos de parámetros influyen en la dispersión de los contaminantes: los parámetros de la fuente y los parámetros meteorológicos. Para los parámetros de fuente, las concentraciones son proporcionales a la cantidad de contaminante que se emite. Si se trata de polvo, se debe conocer el diámetro de las partículas para determinar la sedimentación y la deposición del material (VDI 1992). Como las concentraciones en la superficie son más bajas con una mayor altura de chimenea, este parámetro también debe conocerse. Además, las concentraciones dependen de la cantidad total de gases de escape, así como de su temperatura y velocidad. Si la temperatura del gas de escape excede la temperatura del aire circundante, el gas estará sujeto a flotabilidad térmica. Su velocidad de escape, que se puede calcular a partir del diámetro interior de la chimenea y el volumen de los gases de escape, provocará una flotabilidad dinámica. Se pueden usar fórmulas empíricas para describir estas características (VDI 1985; Venkatram y Wyngaard 1988). Hay que subrayar que no es la masa del contaminante en cuestión sino la del gas total la que es responsable de la flotabilidad del momento térmico y dinámico.

Los parámetros meteorológicos que influyen en la dispersión de los contaminantes son la velocidad y dirección del viento, así como la estratificación térmica vertical. La concentración de contaminantes es proporcional al recíproco de la velocidad del viento. Esto se debe principalmente al transporte acelerado. Además, la mezcla turbulenta aumenta con el aumento de la velocidad del viento. Como las llamadas inversiones (es decir, situaciones en las que la temperatura aumenta con la altura) dificultan la mezcla turbulenta, se observan concentraciones superficiales máximas durante la estratificación altamente estable. Por el contrario, las situaciones convectivas intensifican la mezcla vertical y por lo tanto muestran los valores de concentración más bajos.

Los estándares de calidad del aire, por ejemplo, valores medios anuales o percentiles 98, generalmente se basan en estadísticas. Por lo tanto, se necesitan datos de series temporales para los parámetros meteorológicos pertinentes. Idealmente, las estadísticas deberían basarse en diez años de observación. Si solo se dispone de series cronológicas más cortas, debe asegurarse de que sean representativas para un período más largo. Esto se puede hacer, por ejemplo, mediante el análisis de series temporales más largas de otros sitios de observación.

La serie temporal meteorológica utilizada también debe ser representativa del sitio considerado, es decir, debe reflejar las características locales. Esto es especialmente importante con respecto a los estándares de calidad del aire basados ​​en fracciones máximas de la distribución, como 98 percentiles. Si no se dispone de tales series temporales, se puede utilizar un modelo de flujo meteorológico para calcular uno a partir de otros datos, como se describe a continuación.

El programa Global Atmospheric Watch (GAW) (Miller y Soudine 1994) proporciona datos y otra información sobre la composición química y las características físicas relacionadas de la atmósfera, y sus tendencias, con el objetivo de comprender la relación entre el cambio de la composición atmosférica y los cambios en la atmósfera global. y el clima regional, el transporte atmosférico a larga distancia y la deposición de sustancias potencialmente nocivas sobre los ecosistemas terrestres, de agua dulce y marinos, y el ciclo natural de los elementos químicos en el sistema global atmósfera/océano/biosfera, y los impactos antropógenos al respecto. El programa de la VAG consta de cuatro áreas de actividad: el Sistema mundial de observación del ozono (GO3OS), la vigilancia mundial de la composición atmosférica de fondo, incluida la Red de vigilancia de la contaminación del aire de fondo (BAPMoN); dispersión, transporte, transformación química y depósito de contaminantes atmosféricos sobre la tierra y el mar en diferentes escalas de tiempo y espacio; intercambio de contaminantes entre la atmósfera y otros compartimentos ambientales; y seguimiento integrado. Uno de los aspectos más importantes de la VAG es el establecimiento de Centros de Actividades Científicas de Garantía de Calidad para supervisar la calidad de los datos producidos bajo la VAG.

Conceptos de modelado de la contaminación del aire

Como se mencionó anteriormente, la dispersión de los contaminantes depende de las condiciones de emisión, el transporte y la mezcla turbulenta. El uso de la ecuación completa que describe estas características se denomina modelo de dispersión euleriana (Pielke 1984). Mediante este enfoque, las ganancias y pérdidas del contaminante en cuestión deben determinarse en cada punto de una cuadrícula espacial imaginaria y en distintos pasos de tiempo. Dado que este método es muy complejo y consume mucho tiempo informático, normalmente no se puede manejar de forma rutinaria. Sin embargo, para muchas aplicaciones, se puede simplificar usando las siguientes suposiciones:

• sin cambios en las condiciones de emisión con el tiempo

• sin cambios en las condiciones meteorológicas durante el transporte

• velocidades del viento superiores a 1 m/s.

En este caso, la ecuación mencionada anteriormente se puede resolver analíticamente. La fórmula resultante describe una pluma con distribución de concentración gaussiana, el llamado modelo de pluma gaussiana (VDI 1992). Los parámetros de distribución dependen de las condiciones meteorológicas y de la distancia a favor del viento, así como de la altura de la chimenea. Deben determinarse empíricamente (Venkatram y Wyngaard 1988). Las situaciones en las que las emisiones y/o los parámetros meteorológicos varían considerablemente en el tiempo y/o el espacio pueden describirse mediante el modelo de soplo gaussiano (VDI 1994). Bajo este enfoque, se emiten bocanadas distintas en pasos de tiempo fijos, cada uno siguiendo su propio camino de acuerdo con las condiciones meteorológicas actuales. En su camino, cada bocanada crece de acuerdo con la mezcla turbulenta. Los parámetros que describen este crecimiento, nuevamente, deben determinarse a partir de datos empíricos (Venkatram y Wyngaard 1988). Sin embargo, se debe enfatizar que para lograr este objetivo, los parámetros de entrada deben estar disponibles con la resolución necesaria en tiempo y/o espacio.

Con respecto a las emisiones accidentales o estudios de casos únicos, un modelo de partículas o de Lagrange (Directiva VDI 3945, Parte 3) se recomienda. De este modo, el concepto es calcular las trayectorias de muchas partículas, cada una de las cuales representa una cantidad fija del contaminante en cuestión. Los trayectos individuales se componen de transporte por el viento medio y de perturbaciones estocásticas. Debido a la parte estocástica, los caminos no concuerdan completamente, sino que representan la mezcla por turbulencia. En principio, los modelos lagrangianos son capaces de considerar condiciones meteorológicas complejas, en particular, viento y turbulencia; Los campos calculados por los modelos de flujo que se describen a continuación se pueden utilizar para el modelado de dispersión lagrangiana.

Modelado de dispersión en terreno complejo

Si es necesario determinar las concentraciones de contaminantes en un terreno estructurado, puede ser necesario incluir los efectos topográficos sobre la dispersión de contaminantes en el modelado. Dichos efectos son, por ejemplo, el transporte siguiendo la estructura topográfica, o sistemas de viento térmico como brisas marinas o vientos de montaña, que cambian la dirección del viento en el transcurso del día.

Si dichos efectos tienen lugar en una escala mucho mayor que el área del modelo, la influencia puede considerarse utilizando datos meteorológicos que reflejen las características locales. Si no se dispone de tales datos, la estructura tridimensional impresa en el flujo por la topografía se puede obtener usando un modelo de flujo correspondiente. Sobre la base de estos datos, el propio modelo de dispersión puede llevarse a cabo suponiendo una homogeneidad horizontal como se describe anteriormente en el caso del modelo de pluma gaussiana. Sin embargo, en situaciones donde las condiciones del viento cambian significativamente dentro del área del modelo, el propio modelo de dispersión debe considerar el flujo tridimensional afectado por la estructura topográfica. Como se mencionó anteriormente, esto se puede hacer usando un soplo gaussiano o un modelo lagrangiano. Otra forma es realizar el modelado euleriano más complejo.

Para determinar la dirección del viento de acuerdo con el terreno estructurado topográficamente, se puede utilizar un modelo de flujo de diagnóstico o consistente en masa (Pielke 1984). Usando este enfoque, el flujo se ajusta a la topografía variando los valores iniciales lo menos posible y manteniendo constante su masa. Como este es un enfoque que conduce a resultados rápidos, también se puede usar para calcular estadísticas de viento para un sitio determinado si no hay observaciones disponibles. Para hacer esto, se utilizan estadísticas de vientos geostróficos (es decir, datos de aire superior de radiosondas).

Sin embargo, si los sistemas de viento térmico tienen que ser considerados con más detalle, deben usarse los llamados modelos de pronóstico. Dependiendo de la escala y la pendiente del área del modelo, es adecuado un enfoque hidrostático, o el no hidrostático aún más complejo (VDI 1981). Los modelos de este tipo necesitan mucha potencia informática, así como mucha experiencia en la aplicación. La determinación de concentraciones basadas en medias anuales, en general, no es posible con estos modelos. En cambio, se pueden realizar estudios del peor caso considerando solo una dirección del viento y aquellos parámetros de estratificación y velocidad del viento que dan como resultado los valores más altos de concentración en la superficie. Si esos valores en el peor de los casos no superan los estándares de calidad del aire, no se necesitan estudios más detallados.

Figura 2. Estructura topográfica de una región modelo

Las Figuras 2, 3 y 4 demuestran cómo se puede presentar el transporte y la distribución de contaminantes en relación con la influencia de las climatologías del terreno y del viento derivadas de la consideración de las frecuencias de los vientos geostróficos y superficiales.

Figura 3. Distribuciones de frecuencia de superficie determinadas a partir de la distribución de frecuencia geostrófica

Figura 4. Concentraciones medias anuales de contaminantes para una región hipotética calculadas a partir de la distribución de frecuencia geostrófica para campos de viento heterogéneos

Modelado de dispersión en caso de fuentes bajas

Teniendo en cuenta la contaminación del aire causada por fuentes bajas (es decir, alturas de chimenea del orden de la altura del edificio o emisiones del tráfico rodado), se debe considerar la influencia de los edificios circundantes. Las emisiones del tráfico rodado quedarán atrapadas hasta cierto punto en los cañones de las calles. Se han encontrado formulaciones empíricas para describir esto (Yamartino y Wiegand 1986).

Los contaminantes emitidos por una chimenea baja situada en un edificio serán capturados en la circulación del lado de sotavento del edificio. El alcance de esta circulación de sotavento depende de la altura y el ancho del edificio, así como de la velocidad del viento. Por lo tanto, los enfoques simplificados para describir la dispersión de contaminantes en tal caso, basados ​​únicamente en la altura de un edificio, generalmente no son válidos. La extensión vertical y horizontal de la circulación de sotavento se ha obtenido a partir de estudios de túnel de viento (Hosker 1985) y se puede implementar en modelos de diagnóstico consistentes en masa. Tan pronto como se haya determinado el campo de flujo, se puede utilizar para calcular el transporte y la mezcla turbulenta del contaminante emitido. Esto se puede hacer mediante modelos de dispersión lagrangianos o eulerianos.

Solo se pueden realizar estudios más detallados (sobre emisiones accidentales, por ejemplo) utilizando modelos de flujo y dispersión no hidrostáticos en lugar de un enfoque de diagnóstico. Como esto, en general, exige una gran potencia informática, se recomienda un enfoque en el peor de los casos, como se describe anteriormente, antes de un modelo estadístico completo.

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