INFORME: DISPERSIÓN DE CONTAMINANTES - AERMOD
Presentado por: Jesus Hernando Moreno Rojas - 201322444
Presentado a: Ingeniero Javier Cuervo
UNIVERSIDAD PEDAGÓGICA Y TECNOLÓGICA DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE INGENIERÍA AMBIENTAL TUNJA 2018
CONTENIDO INTRODUCCIÓN .............................................................................................................................. 3 OBJETIVOS ...................................................................................................................................... 3 Objetivo General ......................................................................................................................... 3 Objetivos específicos: .............................................................................................................. 3 MARCO TEÓRICO .......................................................................................................................... 4 HERRAMIENTAS ............................................................................................................................. 4 METODOLOGIA ............................................................................................................................... 5 PROCEDIMIENTO ........................................................................................................................... 8 ANALISIS DE RESULTADOS ..................................................................................................... 23 CONCLUSIONES ........................................................................................................................... 23 REFERENCIAS .............................................................................................................................. 24
INTRODUCCIÓN
La dispersión de contaminantes es un tema muy importante tratado desde hace décadas a nivel mundial. Esto debido a que los contaminantes en la atmosfera ocasionan cambios graves en la estabilidad atmosférica, por consecuencia de estos genera un aporte al cambio climático. Sabiendo esto, es necesario usar modelos que nos permitan saber, por medio de diferentes factores, como pueden llegar a dispersarse los contaminantes generados puntualmente y como estos van a tener influencia en un área específica. En el presente, se usó la herramienta “ AERMOD” para modelar la dispersión de contaminantes de tres fuentes puntuales, en este caso tres ladrilleras ubicadas en las fueras de Tunja en Pirgua sector de la cascada.
OBJETIVOS
Objetivo General
Realizar un modelado de la dispersión de contaminantes de tres fuentes puntuales por medio de la herramienta “ AERMOD”
Objetivos específicos:
Recolectar la información necesaria para poder modelar adecuadamente, tanto datos de las chimeneas como los datos meteorológicos. Usar diferentes programas para realizar el proceso adecuadamente, Excel, Word, AERMOD y ArcGIS) Generar mapas de las diferentes horas analizadas, con sus respectivas cargas.
MARCO TEÓRICO
Dispersión de Contaminantes: Transporte de los contaminantes en el aire, dep ende del estado de la atmósfera y de las condiciones meteorológicas (turbulencias atmosféricas, velocidad y dirección del viento, radiaciones solares, etc.). Diferentes tipos de fenómenos de dispersión de los contaminantes provocan bien acumulación en zonas próximas a las fuentes de emisión o transporte de los mismos a zonas más o menos alejadas. (Environment, 2018) AERMOD: un modelo de estado estacionario que incorpora dispersión de aire basada en la estructura de turbulencia de la capa límite planetaria y conceptos de escalado, incluido el tratamiento de fuentes tanto superficiales como elevadas, y terrenos tanto simples como complejos. Hay dos procesadores de datos de entrada que son componentes reguladores del sistema de modelado AERMOD: AERMET, un preprocesador de datos meteorológicos que incorpora dispe rsión de aire basada en la estructura de turbulencia de la capa límite planetaria y conceptos de escalado, y AERMAP, un preprocesador de datos del terreno que incorpora terreno complejo utilizando USGS Datos digitales de elevación. Otros componentes no reguladores de este sistema incluyen: AERSCREEN, una versión de detección de AERMOD; AERSURFACE, un preprocesador de características de superficie, y BPIPPRIM, un programa de dimensiones de múltiples edificios que incorpora los procedimientos técnicos GEP para aplicaciones PRIME. (EPA, Agencia de Proteccion Ambiental de los Estados Unidos (EPA), 2018)
HERRAMIENTAS
Excel: para realizar tablas dinámicas y organizar los datos adecuadamente para procesarlos posteriormente. Word: para eliminar espacios que generan errores y ordenar los datos
AERMOD: se usa para el procesamiento de los datos de las chimeneas y meteorológicos. En el caso de las chimeneas se tienen los datos de ubicación, altura, velocidad de salida, carga o caudal, temperatura de salida, diámetro, altura y forma de salida. Y en el caso de los datos meteorológicos se toman la velocidad y dirección del viento, temperatura ambiente entre otros que se listaran más adelante. En caso de no contar con todos los datos, se procede a usar datos de fuentes que presenten características meteorológicas similares. ArcGIS: Se usará para obtener las diferentes alturas y coordenadas de las diferentes chimeneas, además, se va a usar para crear la red con la cual se obtendrán los datos iniciales y para finalmente generar los mapas de dispersión.
METODOLOGIA
En este apartado se explica la composición del programa AERMOD. Inicialmente se tienen 3 archivos INPUT, SURFFILE y PROFFILE, estos dos últimos se encargan de guardar datos meteorológicos de superficie y perfil, entre estos velocidad, temperatura y dirección del viento. En el archivo INPUT se organizan todos los datos de entrada para ejecutarse posteriormente. Estos datos se organizan en diferentes secciones expuestas a continuación. 1. Opciones de modelado o control (CO Pathway): Las opciones de modelado se introducen en el modelo sobre la vía de control , estas tienen como nombre clave CO. Son las siguientes: 1.1.
STARTING: Indica el comienzo de entradas de la vía; esta palabra clave es obligatoria en cada una de las vías.
1.2.
TITLEONE: Una línea de título especificado por el usuario (hasta 68 caracteres) que aparecerá en cada página del archivo de salida
impresa (una segunda línea de título opcional también está disponible con la palabra clave del título DOS) 1.3.
MODELOPT: Controla las opciones de modelado seleccionados para una carrera en particular a través de una serie de palabras clave secundaria.
1.4.
AVERTIME: Identifica los períodos de referencia para ser calculadas para una carrera en particular. En este caso pueden ser 1, 2, 3, 4, 6, 8, 12 y 24.
1.5.
POLLUTID: Identifica el tipo de contaminante que se está modelando.
1.6.
FINISHED: Indica que el usuario ha terminado con las entradas para esta vía; esta palabra clave es también obligatoria en cada una de las otras vías.
2. Especificación de entradas de fuente (SO Pathway): Contiene los datos de la fuente emisora de contaminantes. 2.1.
ELEVUNIT: Unidades de entrada para la elevación de la fuente.
2.2.
LOCATION: Identifica un ID de fuente particular y especifica el tipo de fuente y ubicación de esa fuente. Esta ID es el nombre de cada fuente, en este caso el nombre de cada ladrillera. El tipo de fuente será puntual (POINT) y la ubicación para cada ladrillera es la ubicación en coordenadas proyectadas (X, Y, Z)
2.3.
SRCPARAM: Especifica los parámetros de fuente para un ID de fuente particular identificado por una tarjeta de ubicación anterior. Los parámetros de la fuente van en el siguiente orden QS para tasa de emisión (g / s), HS para altura de la pila (m), TS para la temperatura de salida de la chimenea (K), VS para velocidad de salida (m / s), y DS para diámetro de la chimenea (m).
2.4.
SRCGROUP: Especifica cómo se agrupan las fuentes para fines de cálculo. Siempre hay al menos un grupo, a pesar de que puede ser el grupo de TODAS (ALL) las fuentes e incluso si sólo hay una fuente.
3. Especificaciones de la red receptora (RE Pathway): en estas opciones se hace una red donde se encuentran los puntos máximos y mínimos donde hay una dispersión, con su respectiva carga. 3.1.
GRIDCART GRID STA: este sub-parámetro define el inicio de la red.
3.2.
GRIDCART GRID XYINC: Palabra clave que identifica el inicio de la red, esta se organiza según los parámetros Xinit (Inicio de la red en X), Xnum (Numero de Columnas) Xdelta (Separación entre eje y eje) Yinit (Inicio de la red en Y) Ynum (Numero de filas) Ydelta (Separación entre eje y eje)
3.3.
GRIDCART GRID ELEV: Palabra clave para especificar que siguen las elevaciones del receptor (opcional) Indica qué fila (la coordenada y) se está ingresando (Fila = 1 significa primero, es decir, la fila más al sur)
3.4.
GRIDCART GRID HILL: Palabra clave para especificar que siguen las escalas de altura de colina (opcional) Indica qué fila (coordenada y) se está ingresando (Fila = 1 significa primero, es decir, la fila situada más al sur)
3.5.
RE GRIDCART GRID END: este sub-parámetro define el fin de la red.
4. Opciones de datos meteorológicos (ME Pathway): Orden de datos meteorológicos con los que se va a realizar el procesamiento. 4.1.
SURFFILE: Especifica el nombre de archivo y formato para el archivo de datos meteorológicos de la superficie de entrada. Debe tener el mismo nombre que los archivos, a su vez debe encontrarse dentro de la misma carpeta.
4.2.
PROFFILE: Especifica el nombre de archivo y formato para el archivo de datos meteorológicos del perfil de entrada. Debe tener el mismo nombre que los archivos, a su vez debe encontrarse dentro de la misma carpeta.
4.3.
SURFDATA: Especifica la información sobre los datos meteorológicos de superficie que serán utilizados en el modelado.
4.4.
UAIRDATA: Especifica la información sobre los datos meteorológicos de aire en la parte superior que serán utilizados en el modelado.
4.5.
PROFBASE: Especifica la elevación de la base (por encima de MSL) para el perfil de potencial temperatura generada por AERMOD para su uso en los cálculos de elevación de la pluma.
5. Configuración de las opciones de salida (OU Pathway): Como bien lo dice su nombre, son todas las configuraciones que se deben realizar al momento de finalizar el proceso. El modelo advertirá al usuario si no se solicitan salidas impresas y se detendrá el procesamiento si no se seleccionan las salidas (resultados impresos o salidas de archivos). El usuario dispone de una gran flexibilidad para seleccionar sólo las salidas que son necesarios para una aplicación particular. 5.1.
RECTABLE: Especifica la selección de alto valor mediante las opciones de salida del receptor de la tabla. Estas pueden ser las primeras, segundas o terceras mediciones más altas. Luego de escribir el RECTABLE se coloca la hora (1-24; sabiendo que se debe hacer para todas) y la medición (FIRST, SECOND, THIRD)
(EPA, User's Guide for the AMS/EPA Regulatory Model (AERMOD), 2018)
PROCEDIMIENTO
Lo primero que se debe hacer es tratar un DEM para que quede con coordenadas proyectadas, ya que solo así funciona en el AERMOD. Para esto procedemos crear un nuevo proyecto en ArcGIS y luego se debe cambiar el tipo de coordenadas de las capas, colocándolas en Proyectadas WGS 1984 Zona 18N que corresponden a Colombia, a continuación, se debe montar el DEM y se deb e exportar seleccionando las coordenadas de las capas.
Ilustración 1 Herramienta Exportar
Fuente: Autor
Al terminar este proceso el nuevo DEM tendrá coordenadas proyectadas. Ilustración 2 DEM Coordenadas Proyectadas
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Ahora se deben localizar las chimeneas, para esto se crea un shapefile de la ubicación de las chimeneas, en formato punto. Luego de ubicar los puntos de las chimeneas se procede a obtener las alturas de cada una de las chimeneas, para hacer esto se debe realizar una extracción de datos a través de puntos, en la cual se usará el DEM y el shape de las chimeneas recién creado. Ilustración 3 Ubicación Chimeneas
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Con lo anterior procedemos generar una red de puntos que van a servir de base para tener las alturas para generar la dispersión más adelante, inicialmente se debe crear un shapefile de polígono de 5 Km 2. Ilustración 4 Zona de Estudio
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Este lo usamos para a crear la red por medio de la herramienta crear red, esta creará una red de puntos separados dependiendo lo que necesitemos, en este caso será cada 100 metros y un tamaño de pixel de 100 ya co n esto realizamos una extracción por puntos con respecto al DEM y a la red recién creada. Ilustración 5 Herramienta Crear Red
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Se necesita crear 2 nuevas columnas que serán los valores de X y Y para cada punto, se calculan y junto con las alturas se exportan a Excel donde se hará una tabla dinámica que debe contener las alturas, las coordenadas en X y las coordenadas en Y. Ilustración 6 Red con Coordenadas
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En la tabla dinámica los valores serán las alturas, las columnas serán las coordenadas en x y las filas serán las coordenadas en Y. Las coordenadas en X se organizan de menor a mayor y las coordenadas en Y se organizan de mayor a menor. Ilustración 7 Tabla Dinámica Excel
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A continuación, procedemos a copiar la tabla obtenida a una nueva hoja de Excel en la cual vamos a eliminar los valores correspondientes a los límites para cada parámetro (es necesario guardar los valores máximos y mínimos, para X como para Y). Ilustración 8 Datos Organizados
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Ahora se deben numerar las columnas de valores, en este caso se numeran de 1 a 50 y se realiza una copia de todos los valores (incluida la numeración) que se pegara debajo de estos últimos. Con esto último organizado nombramos las columnas para insertar los datos correctamente en el archivo de entrada de AERMOD. Las primeras 50 columnas se nombran como RE GRIDCART GRID ELEV y las ultimas RE GRIDCART GRID HILL, estos nombres son los valores de la cuadricula de las elevaciones y de las montañas. En Excel quedara organizado de la siguiente manera: Ilustración 9 Tabla Organizada 1
Fuente: Autor Ilustración 10 Tabla Organizada 2
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Todo lo anterior se realizó para poder ejecutar AERMOD adecuadamente, en este punto se debe organizar el archivo de entrada INPUT. Ahora procedemos a organizar el archivo INPUT según la metodología planteada, es necesario mencionar que para disminuir la posibilidad de errores, se deben eliminar los espacios extra, para esto se reemplazan los múltiples espacios por espacios sencillos (se puede hacer ya sea en Word o en un bloc de notas). Parámetros de Control (CO Pathway): Ilustración 11 CO Configuración
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Parámetros de origen (SO Pathway) Ilustración 12 Parametros fuente
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Parámetros del receptor (RE Pathway) Ilustración 13 Configuración Receptor
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Parámetros meteorológicos (ME Pathway) Ilustración 14 Parámetros meteorológicos
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Parámetros de salida (OU Pathway) Ilustración 15 Configuración de salida
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Ya con esta configuración de le entrada o INPUT, configuramos los archivos de SURFFILE y PROFFILE que son los datos meteorológicos. Configuración archivo SurfFile, este es el archivo de datos meteorológicos de la superficie de entrada. Ilustración 16 Configuración SurfFile
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Configuración archivo ProfFile, este es el archivo de datos meteorológicos del perfil de entrada. Ilustración 17 Configuración ProfFile
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Finalmente se procede a iniciar el programa AERMOD, este procesa los archivos que ya configuramos y nos entrega un informe de procesos OUTPUT. Para saber si los archivos fueron correctamente ingresados, el archivo OUTPUT brindara un informe de errores o de éxito. Ilustración 18 Mensaje de Error
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En el caso anterior se nos reportan 3 mensajes de advertencia y posteriormente la ubicación del error. Si no existe ningún error el mensaje que se mostrara es el siguiente: Ilustración 19 Configuración correcta
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Al tener los resultados adecuados, es necesarios procesarlos y ordenarlos para finalmente graficarlos en ArcGIS. Los resultados que vamos a buscar son los relacionados a la carga contaminante y dispersión para cada una de las horas que seleccionamos antes. Estos se muetran de la siguiente manera: Ilustración 20 Concentración Contaminante
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Para cada una de las horas aparecerán varios listados, esto debido a la cantidad de datos procesados. También es necesario tener en cuenta las coordenadas de cada lista ya que de esta depende como se vayan a organizar mas adelante.
Al ordenarlos se deben eliminar las coordenadas en X, las coordenadas en Y y los paréntesis (incluido su contenido). Además de lo anterior también se deben eliminar los espacios extra y dejar espacios sencillos. Al ordenar quedara de la siguiente manera: Ilustración 21 Datos corregidos
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Ahora es necesario terminar la configuración colocando los siguientes valores antes de los valores mostrados antes, ingresar el número de columnas, numero de filas, coordenadas mínimas de X y Y, el tamaño de la celda y los valores sin datos. Ilustración 22 Datos de entrada ASC
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Esto lo debemos copiar y pegar en un archivo de texto y se guarda cambiando la extensión “txt” por “asc” Ilustración 23 Archivo ASC
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Este proceso se debe hacer para cada una de las horas (1, 2, 3, 4, 6, 8, 12, 24) Para finalizar debemos añadir estos archivos a ArcGIS para visualizar como sería la dispersión de los contaminantes, según los datos obtenidos. Ilustración 24 ASC en ArcGIS
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Este proceso se debe realizar para todas las horas, para cada una el resultado será similar al anterior. Al abrir la tabla de contenido se verán los valores de carga contaminante en microgramos por metro cubico. Ilustración 25 Valores ASC
Fuente: Autor
Continuando, usamos la herramienta de “Raster a Punto” para cada uno de los archivos asc, con el campo “Value”. Ilustración 26 Red de valores ASC
Fuente: Autor
Para terminar, usamos estos puntos para realizar una interpolación con el método “Krigging” y campo de valores “Z_GRID” Ilustración 27 Krigging de puntos
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Esto se debe hacer para cada hora. Al abrir la tabla de contenido se verán los valores de carga contaminante en microgramos por metro cubico en la que los colores verdes representan valores más bajos de concentración y los rojos/blancos concentraciones más altas. Ilustración 28 Valores Krigging
Fuente: Autor
ANALISIS DE RESULTADOS Al revisar los resultados, se observa que los valores de la hora 1 y la hora 24 distan bastante, esto debido a que en la hora 1 ocurre la descarga que se comienza a dispersar y en la hora 24 el material liberado esta en menor concentración. Gráficamente se nota que en las dos fuentes que están más cercanas ocurre una confluencia de material, esta se nota a distancia de estas ya que el viento aleja el material de la fuente y los une en un punto en común. Al realizar la comparación de los datos con los resultados gráficos, son coherentes ya que la distribución de la dispersión está acorde a la dirección del viento, por tanto, los procedimientos y datos que fueron usados en todos los pasos fueron los adecuados para que los resultados fueran los que se esperaban.
CONCLUSIONES
Es necesario revisar que los datos estén perfectamente ingresados ya que un mínimo error hace que los resultados cambien y más adelante se generen más errores en cadena. El programa es adecuado para realizar esta clase de visualización ya que nos brinda muchas posibilidades al momento de procesar una cantidad de datos. Además, podemos visualizar como a medida que pasa el tiempo una fuente puede dispersar contaminantes más lejos con ayuda del viento. Es necesario nombrar todos los archivos adecuadamente par a que no haya errores de procesamiento, para obtener resultados más prácticos, se necesita una gran cantidad de datos para que se convierta en algo más real, es decir, al tener pocos datos los resultados van a ser más genéricos si no se tienen valores propios del sitio.
REFERENCIAS Diccionario, G. (2018). Diccionario de Google . Obtenido de https://www.google.com.co/search?rlz=1C1SQJL_esCO787CO787&q=Diccionario#dobs=al goritmo Environment, R. E. (2018). La calidad del aire en Aragon. Obtenido de La calidad del aire en Aragon: http://www.aragonaire.es/moreinfo.php?n_action=pollutants EPA. (31 de Agosto de 2018). Agencia de Proteccion Ambiental de los Estados Unidos (EPA) . Obtenido de Centro de soporte para el modelado reglamentario de la atmósfera (SCRAM): https://www.epa.gov/scram/air-quality-dispersion-modeling-preferred-andrecommended-models#aermod EPA. (2018). User's Guide for the AMS/EPA Regulatory Model (AERMOD). Environmental Protection Agency . EPA, (. d. (6 de Julio de 2018). EPA. Obtenido de Epa: https://www.epa.gov/waterresearch/epanet Lopez, D. (2016). MAPLE, HERRAMIENTA DIDÁCTICA PARA LA ENSEÑANZA DE LA ESTADÍSTICA EN ECONOMÍA, CIENCIAS E INGENIERÍAS . Sotelo Davila, G. (1998). Hidraulica General. Vikidia. (16 de Abril de 2018). Vikidia contributors . Obtenido de Vikidia: https://es.vikidia.org/w/index.php?title=Acueducto&oldid=89207
