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Modelos de contaminación atmosférica
La directiva 1996/62/CEE sobre evaluación y gestión de la calidad del aire ambiente, establece el uso de otras técnicas de evaluación de la calidad del aire, además de los sistemas de medición, en particular la modelización. Los modelos para evaluar la calidad del aire se han utilizado especialmente en la evaluación de impactos ambientales y en trabajos de planificación ambiental. Sin embargo, su uso como método complementario de la medición directa de las concentraciones de contaminante no ha sido del todo desarrollado. Los modelos numéricos para evaluar la contaminación atmosférica pueden tener los siguientes usos:
Pueden ser usados como sistema de evaluación en zonas de bajos niveles de contaminación por debajo del valor umbral.
Pueden ser usados para interpolar y extrapolar los resultados obtenidos en estaciones de medida a partes distantes de las mismas, incluso por encima del valor umbral de contaminación.
Para elaborar propuestas de medidas, planes o programas en el caso de la superación de los límites de calidad del aire establecidos.
Para realizar estudios de riesgo sobre la posible evolución de la contaminación y sus efectos sobre el medio ambiente.
Según la normativa vigente de la UE, se podrán usar los modelos para estudiar la calidad del aire en los casos anteriores.
Hasta hace muy poco tiempo la capacidad de cálculo de los sistemas informáticos limitaba la aplicación de los modelos de calidad del aire debido a la necesidad de utilizar grandes recursos informáticos, con los costes asociados que conllevaban. En la actualidad, debido al aumento de la potencia de cálculo y de unos costes informáticos mucho más reducidos, es posible un uso mucho más amplio de estos medios lo que se traduce en el uso de los modelos de calidad del aire como un instrumento más de gestión.
Un modelo numérico para evaluar la contaminación atmosférica es un sistema por el cual podemos relacionar las emisiones de contaminantes a la atmósfera con las concentraciones de dichos contaminantes en el aire, a nivel del suelo, y en cualquier punto, es decir, las concentraciones de inmisión. Hace uso de leyes físicas y químicas que se traducen en ecuaciones fundamentales de la mecánica de fluidos, termodinámica,... Los modelos de interés para los estudios medioambientales profesionales los agruparemos en dos tipos:
Modelo local.- Modelo local para distancias entre 15 Y 20 Km de la fuente emisora. Especial para estudiar fenómenos de contaminación en rango corto. En esta zona se suelen presentar los mayores valores de inmisión para contaminantes primarios por lo que son de gran interés.
Modelo episódico.- Se aplican a episodios temporales desde una hora hasta pocos días (short-term). Estudian la contaminación atmosférica en una situación episódica.
El campo de vientos lo calcula conociendo el valor del vector viento en un punto determinado y a una altura determinada del suelo (altura del anemómetro). Mediante un esquema de interpolación obtiene valores para el vector viento en el punto de salida del contamínate que es el que determinará la dirección del penacho contaminante. El viento se supondrá constante (dirección, sentido y valor) en todo el campo de aplicación.
El modelo gaussiano es un modelo analítico que integra la ecuación de transporte-difusión después de asumir ciertas hipótesis. Puede considerar fuentes puntuales, lineales y áreas superficiales (difusas). Cualquier partícula de menos de 10 mm de diámetro puede ser evaluada con este modelo (están incluidos todos los gases contaminantes). También considera el efecto turbulento que ejercen los edificios (downwash) en la dispersión de los gases (lavado descendente del penacho). Si las chimeneas tienen menos de 20 m (alto típico de un edificio) el efecto puede ser importante. Si la chimenea es media (entre 20 m y 100 m) dicho efecto es relativo y si la chimenea tiene más de 100 m, tiene un papel muy poco relevante.
En cuanto a sus condiciones de aplicabilidad, el modelo gaussiano que usa DISPER ha sido usado reglamentariamente (regulatory) en las últimas décadas en EE.UU para evaluar el impacto de penachos producidos por chimeneas. El modelo está basado en hipótesis de flujo estacionario y uniformidad horizontal. Estas dejan de tener validez, cuando las complejidades del terreno (valles grandes y profundos, montañas altas) provocan circulaciones locales y mesoescalares. Para los diferentes modelos de dispersión atmosférica, el terreno sobre el que se mueven los contaminantes pueden dividirse en tres tipos diferentes:
TERRENO PLANO Y HOMOGÉNEO.- Las características del terreno (tipo de suelo, uso, rugosidad, albedo, humedad,...) son muy homogéneas y, por tanto, su influencia es uniforme en el flujo de la capa límite. En esta situación el sistema se puede considerar en equilibrio local y, por tanto, los perfiles verticales de las variables meteorológicas vendrán determinados por las características de la superficie (calor,...) mediante un modelo simple unidimensional.
TERRENO PLANO Y NO HOMOGÉNEO.- El terreno es plano pero hay diferencias entre diferentes puntos de su superficie. Por ejemplo, un área urbana generará una temperatura superficial mayor en una determinada región y la creación de capas límites internas debido a efectos advectivos. Los contaminantes podrían quedar atrapados en flujos de recirculación y el modelo no funcionaría aquí correctamente.
TERRENO CON COLINAS.- Funcionaría bien en un terreno ondulado sin grandes complejidades topográficas.
Mapa vertical (XZ) de las concentraciones de Óxidos de Nitrógeno (NOx) generadas por una chimenea industrial que emite 1 g/s de NOx bajo un viento de 5 m/s en dirección E generadas por DISPER 4.0.
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