minem gia calidad de aire

REPBLICA DEL PER MINISTERIO DE ENERGA Y MINAS

GUA PARA LA EVALUACIN DE IMPACTOS EN LA CALIDAD DEL AIRE POR ACTIVIDADES MINERO METALRGICAS

SUB - SECTOR MINERA

Volumen XXI

Direccin General de Asuntos Ambientales Mineros

REPBLICA DEL PER MINISTERIO DE ENERGA Y MINAS

GUA PARA LA EVALUACIN DE IMPACTOS EN LA CALIDAD DEL AIRE POR ACTIVIDADES MINERO METALRGICAS

SUB - SECTOR MINERA DIRECCIN GENERAL DE ASUNTOS AMBIENTALES MINEROS

LIMA - PER

Preparado por Anthony Ccicone, Ph.D., P.Eng. Dr. Jorge Chvez Fernando Medina, M.Phil. por encargo del

Todos los derechos reservados. Esta gua no puede ser total o parcialmente reproducida, memorizada en sistemas de archivo o transmitida en cualquier forma o medio electrnico, mecnico, fotocopia o cualquier otro sin la autorizacin previa del Ministerio de Energa y Minas del Per. Primera Edicin: Setiembre de 2007

ndice

Seccin 1. 2.

Pgina

Presentacin .............................................................................................................. xiii Introduccin......................................................................................................... 1 Marco Legal ......................................................................................................... 3 2.1 Estndares de Calidad Ambiental y Lmites Mximos Permisibles Nacionales ................................................................................................. 32.1.1 2.1.2 2.1.3 Estndares Nacionales de Calidad Ambiental del Aire.............................. 3 Niveles de Estados de Alerta ..................................................................... 5 Lmites Mximos Permisibles de Emisiones Gaseosas............................. 5 Grupo del Banco Mundial......................................................................... 11 Organizacin Mundial de la Salud............................................................ 12 Criterios Federales del Canad................................................................ 13 Criterios Locales de Calidad del Aire en Ontario ..................................... 14

2.2

Estndares Internacionales ..................................................................... 62.2.1 2.2.2 2.2.3 2.2.4

3.

Emisiones Tpicas de las Operaciones Mineras............................................. 15 3.1 3.2 3.3 3.4 Minera Subterrnea................................................................................ 17 Minera a Tajo Abierto............................................................................. 17 Operaciones Metalrgicas ..................................................................... 18 Minera No Metlica................................................................................. 20 Descripcin del Inventario de Emisiones ............................................. 23 Escenarios de Emisiones Mximas....................................................... 24 Tcnicas de Estimacin de Emisiones ................................................. 244.3.1 4.3.2 4.3.3 4.3.4 4.3.5 Evaluacin de Fuentes ............................................................................. 25 Balance de Masa...................................................................................... 29 Software/Modelos..................................................................................... 30 Factores de Emisin................................................................................. 31 Clculos de Ingeniera.............................................................................. 34 Minera Subterrnea y a Tajo Abierto ...................................................... 34 Operaciones de Fundicin ....................................................................... 34 Fuentes de Combustin ........................................................................... 37 Chancado y Molienda............................................................................... 38 Pilas de Almacenamiento......................................................................... 39

4.

Inventario de Emisiones ................................................................................... 23 4.1 4.2 4.3

4.4

Emisiones de Procesos .......................................................................... 344.4.1 4.4.2 4.4.3 4.4.4

4.5 5.

Emisiones Fugitivas ............................................................................... 384.5.1

MODELAMIENTO DE LA DISPERSIN DE CONTAMINANTES ..................... 45 5.1 Consideraciones Generales ................................................................... 465.1.1 5.1.2 5.1.3 5.1.4 Escalas Espacial y Temporal ................................................................... 47 Requerimientos de Cmputo.................................................................... 47 Acceso a Datos Confiables ...................................................................... 48 Calidad de la Prediccin........................................................................... 48 Capa Lmite Atmosfrica .......................................................................... 50 Estabilidad ................................................................................................ 52 Velocidad y Direccin del Viento.............................................................. 54 Turbulencia............................................................................................... 56 Longitud Monin-Obukhov ......................................................................... 57

5.2

Meteorologa............................................................................................ 485.2.1 5.2.2 5.2.3 5.2.4 5.2.5

Repblica del Per

iii

Ministerio de Energa y Minas

ndice

5.3

Modelamiento de la Dispersin ............................................................. 585.3.1 5.3.2 5.3.3 Propagacin de la Pluma en Base a la Estabilidad ................................. 60 Elevacin de la Pluma .............................................................................. 61 Altura de Mezcla....................................................................................... 63 Efectos Aerodinmicos............................................................................. 64 Terreno Complejo..................................................................................... 66 Seleccin de Modelos .............................................................................. 68 Clases de Modelos ................................................................................... 72 Niveles de Sofisticacin de los Modelos .................................................. 74 ISC PRIME ............................................................................................ 75 AERMOD.................................................................................................. 78

5.4

Consideraciones para el Modelamiento................................................ 645.4.1 5.4.2

5.5

Disponibilidad de los Modelos .............................................................. 685.5.1 5.5.2 5.5.3

5.6

Modelos Comnmente Utilizados.......................................................... 755.6.1 5.6.2

5.7 6. 6.1 6.2 7. 7.1 7.2

Exactitud del Modelo de Dispersin...................................................... 84 Rendimiento de las Operaciones Ambientales .................................... 87 Mtodos de Evaluacin del Impacto ..................................................... 88 Introduccin ............................................................................................ 93 Inventario de Emisiones ......................................................................... 937.2.1 7.2.2 7.2.3 Antecedentes............................................................................................ 94 Descripcin del Proyecto.......................................................................... 94 Estimacin de las Emisiones.................................................................... 95 Fuentes de Emisin................................................................................ 102 Receptores ............................................................................................. 105 Meteorologa........................................................................................... 105 Terreno Complejo................................................................................... 105 Depositacin por Edificaciones .............................................................. 107

Interpretacin de los resultados ...................................................................... 87

Ejemplos ............................................................................................................ 93

7.3

Modelo de Dispersin ........................................................................... 1027.3.1 7.3.2 7.3.3 7.3.4 7.3.5

7.4 8.

Resultados del Modelamiento.............................................................. 107

Referencias ...................................................................................................... 111

LISTA DE FIGURAS Figura 4-1 Figura 4-2 Figura 4-3 Figura 4-4 Figura 5-1 Figura 5-2 Figura 5-3 Figura 5-4 Figura 5-5 Figura 5-6 Figura 5-7 Figura 5-8 Sensibilidad del Riesgo segn Estimacin de Emisiones ..................... 25 Muestra de Balance de Masa en el Proceso de Fundicin y Refinacin.............................................................................................. 35 Velocidad Promedio Horario vs. Velocidad Observada......................... 41 Velocidad Umbral de Friccin................................................................ 43 Circulacin General de la Atmsfera..................................................... 49 Flujos Mesoscala................................................................................... 50 Capa Lmite Atmosfrica ....................................................................... 50 Balance de Energa Superficial ............................................................. 51 Perfil Vertical de la Temperatura ........................................................... 51 Variacin Diurna de la ABL ................................................................... 52 Perfiles de la Temperatura de la Capa de Mezcla ................................ 53 Variacin de la Velocidad del Viento con la Altura ................................ 55

Repblica del Per

iv


ndice

Figura 5-9 Figura 5-10 Figura 5-11 Figura 5-12 Figura 5-13 Figura 5-14 Figura 5-15 Figura 5-16 Figura 5-17 Figura 6-1 Figura 6-2 Figura 6-3 Figura 6-4 Figura 6-5 Figura 7-1 Figura 7-2 Figura 7-3 Figura 7-4 Figura 7-5 Figura 7-6

Ejemplo de una Rosa de Viento ............................................................ 56 Escalas de Turbulencia ......................................................................... 57 Dispersin de la Pluma y Estabilidad Atmosfrica ................................ 59 Efectos del Promedio en el Tiempo....................................................... 60 Elevacin de la Pluma ........................................................................... 62 Ecuaciones de la Elevacin de la Pluma de Briggs .............................. 62 Deflexin del Aire por la Punta de la Chimenea.................................... 64 Efectos de Estela de Edificios ............................................................... 65 Flujo sobre Terreno Elevado ................................................................. 67 Clave para el Uso de Diagramas de Enlace.......................................... 88 Diagrama de Enlace para Calidad de Aire ............................................ 89 Diagrama de Enlace para la Depositacin de cido ............................. 89 Diagrama de Enlace para el Ozono ...................................................... 90 Diagrama de Enlace para el Olor .......................................................... 90 Archivo de Control del AERMOD ........................................................ 103 Distribucin de las Instalaciones del Proyecto .................................... 104 Ubicacin de los Receptores............................................................... 106 Diagrama Tpico de Elevaciones......................................................... 108 Isopletas de Concentraciones Anuales Mximas de Material Particulado........................................................................................... 109 Isopletas de Concentraciones Mensuales Mximas de Material Particulado........................................................................................... 110

LISTA DE TABLAS Tabla 2-1 Tabla 2-2 Tabla 2-3 Tabla 2-4 Tabla 2-5 Tabla 2-7 Tabla 3-2 Tabla 4-1 Tabla 4-2 Tabla 5-1 Tabla 5-2 Tabla 5-3 Tabla 6-1 Tabla 6-2 Tabla 7-1 Tabla 7-2 Tabla 7-3 Tabla 7-4 Tabla 7-5 Tabla 7-6 Tabla 7-7 Tabla 7-8 Estndares Nacionales de Calidad Ambiental para el Aire ..................... 4 Estndares de Calidad de Aire Introducidos por la RM 315-96EM/VMM.................................................................................................. 4 Niveles de Estados de Alerta Nacionales para Contaminantes del Aire .......................................................................................................... 5 Niveles Mximos Permisibles para Emisiones Gaseosas....................... 5 Emisiones Mximas Permisibles para Dixido de Azufre ....................... 5 Lmites de Emisin del Grupo del Banco Mundial................................. 10 Fuentes de Emisin para el Procesamiento de Oro.............................. 18 Lista de Mtodos de Pruebas de Fuentes Aprobadas .......................... 28 Factores de Emisin para las Descargas de Tubos de Escape de los Vehculos en la Mina........................................................................ 38 Escalas Utilizadas para los Estudios de Modelamiento Meteorolgico y de Calidad de Aire....................................................... 47 Efecto de los ndices de Lapsos Atmosfricos en el Comportamiento de la Pluma ................................................................ 54 Comparacin de Modelos de Dispersin Comnmente Utilizados ....... 75 Gua Internacional de Emisiones........................................................... 87 Muestra de Magnitudes del Impacto ..................................................... 91 Actividades Operacionales de la Mina .................................................. 94 Emisiones por Voladura ........................................................................ 97 Anlisis Estadstico de Erosin Elica................................................... 99 Factores y Tasas de Emisin y Segmentos ........................................ 101 Descripcin de Fuentes Puntuales...................................................... 102 Fuentes Superficiales .......................................................................... 102 Fuentes Asociadas a los Caminos ...................................................... 102 Tasas de Emisin de Material Particulado Modelado ......................... 105

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v


Acrnimos

LISTA DE ACRNIMOS AERMAP AERMET AERMOD AMS BPIP CAS CCMA CEM CHIEF CSIRO DEM DIGESA DS ECA EEA EFR EMC FIRE GEP IFC ISC LMP MOE NMP NOAA NPI PRIME RD RM SCC TAPM TTN Web USEPA Air Dispersion Modelling SystemTerrain Preprocessor Air Dispersion Modelling System Meteorological Data Preprocessor Air Dispersion Modelling System Air Dispersion Model American Meteorological Society Building Profile Input Program Chemical Abstract Service Canadian Council of Ministers of the Environment (Consejo Canadiense de Ministros del Ambiente) Continuous Emisions Monitoring (Monitoreo de Emisiones Continuas) Clearinghouse for Inventories & Emissions Factors (Portal Electronico del Inventario de Emisiones/ Factores de Emision de la USEPA) Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation (Australia) Digital Elevation Model Direccin General de Salud Ambiental de Ministerio de Salud (Per) Decreto Supremo Estndar de Calidad Ambiental European Environmental Agency (Agencia Ambiental Europea) Emission Factor Rating (Cdigo de Factor de Emisin) Emission Measuremen Center (Centro de Medicion de Emisiones de la USEPA) Factor Information Retrieval Data System (Sistema de Recuperacion de Datos de Factores) Good Engineering Practice (Buena prctica de ingeniera) International Finance Corporation (Corporacin Financiera Internacional, brazo financiero del Grupo del Banco Mundial) Industrial Source Complex Lmite Mximo Permisible Ministry of Environment (Ministerio del Ambiente de Canad) Nivel Mximo Permisible National Oceanic and Atmospheric Administration (Administracin Ocenica y Atmosfrica Nacional de los Estados Unidos) National Pollutants Inventory (Inventario Nacional de Contaminantes de Australia) Plume Rise Model Enhancements Resolucin Directoral Resolucin Ministerial Source Classification Code (Codigo de Clasificacion de Fuentes) The Air Pollution Model (Modelo australiano de calidad de aire) Technology Transfer Network (Red de Transferencia de Tecnologia de la USEPA) United States Environmental Protection Agency (Agencia de Proteccin Ambiental de los Estados Unidos)

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vii


Glosario

GLOSARIOTrmino Adveccin Definicin Proceso de transporte de una propiedad atmosfrica debido nicamente a movimiento de masa de la atmsfera. La adveccin puede ser representada matemticamente por la siguiente ecuacin:

u = u x + v y + w z Donde:

:

u = (u , v, w) :

La propiedad atmosfrica (e.g., la concentracin de un contaminante) Vector velocidad

= x , y , z : Gradiente de El signo negativo es necesario porque el transporte ocurre en la direccin opuesta al gradiente (i.e., en la direccin en la que la propiedad desciende). ABL Capa Limite Atmosfrica (Atmospheric Boundary Layer). La capa ms baja de la atmsfera relacionada con el calentamiento/enfriamiento de la superficie y donde se descargan las emisiones. Cociente de la radiacin de onda corta reflejada por la superficie de la tierra respecto de la radiacin incidente. Altura de buena prctica de ingeniera; i.e., la altura del edificio ms 1.5 veces la altura o ancho del edificio, segn cul sea el ms pequeo. Viento hmedo y clido que se eleva por una ladera y que a su paso se condensa provocando la formacin de nubes de tipo lenticular en la cima Relacin de flujos de energa de un medio a otro por calor sensible y latente respectivamente.

Albedo Altura GEP Anabtico (viento)

Bowen, relacin de

B=

Qh Qe

Donde: Qh = Calor sensible Qe = Calor latente Brunt-Visl, frecuencia de Frecuencia a la cual una celda de aire desplazada verticalmente oscila en un ambiente estticamente estable.

g d dz Donde: = temperatura potencial (K) N=Catabtico (viento) Celda de aire CIL z = altura (m) 2 g = aceleracin de la gravedad (9,81 m/s ) Aire fresco y seco que desciende a sotavento de la montaa, despus de haberse condensado toda la humedad de lado de barlovento Volumen imaginario de un fluido (e.g., aire atmosfrico) al que se le asignan diversas propiedades termodinmicas y cinticas en un modelo de dispersin. Carbn en Lixiviado (Carbon in Leach). Proceso de obtencin de metales preciosos por cianuracin, en el cual el carbn activado es agregado a la solucin cargada. Carbn en Pulpa (Carbon in Pulp). Proceso de obtencin de metales

CIP

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ix


Glosario

Trmino

Conveccin Condiciones Estndar CO CO2 Coriolis

DALR

dscm Estndar Ambiental de Calidad

Estado de Alerta

EF EFR GIS h H2SO4 H2S HCN Hg K L Lmite Mximo Permisible

n

Definicin preciosos por cianuracin, en el cual el carbn activado es agregado a la pulpa. Movimiento de masa dentro de un fluido resultando en el transporte y mezcla de las propiedades del fluido. 0C de temperatura y 1 atm de presin. Monxido de carbono Dixido de carbono Fuerza aparente que acta sobre objetos en movimiento en un sistema no inercial de coordenadas. En meteorologa, el efecto Coriolis determina la deflexin de las masas de aire o partculas en suspensin hacia la derecha en el hemisferio norte, o hacia la izquierda en el hemisferio sur, debido a la rotacin de la tierra (ver tambin Parmetro de Coriolis). Tasa de lapso adiabtico seco (Dry Adiabatic Lapse Rate). La tasa de decrecimiento de la temperatura con la altitud de una celda de aire seco que asciende por un proceso adiabtico reversible en equilibrio hidrosttico a travs de la atmsfera. Metros cbicos secos estndar (Dry Standard cubic metres), i.e., en condiciones estndar. Nivel de concentracin o grado de elementos, sustancias o parmetros fsicos, qumicos y biolgicos, presentes en el aire, agua o suelo, en su condicin de cuerpo receptor, que no representa riesgo significativo para la salud de las personas ni al ambiente. Segn el parmetro en particular a que se refiera, la concentracin o grado podr ser expresada en mximos, mnimos o rangos. (Art. 31 de la Ley 28611). Estado en el cual la concentracin de un contaminante atmosfrico puede causar efectos significativos en la salud de las personas. El DS 009-2003-SA distingue tres tipos de estados de alerta: Estado de Cuidado. Corresponde a la concentracin de contaminantes atmosfricos que presenta riesgo de provocar efectos en la salud de cualquier persona y efectos serios en los grupos sensibles de la poblacin. Estado de Peligro. Corresponde a la concentracin de contaminantes atmosfricos que presenta riesgo de provocar efectos serios en la salud de cualquier persona. Estado de Emergencia. corresponde a la concentracin de contaminantes atmosfricos que presenta alto riesgo de provocar efectos serios en la salud de cualquier persona. Factor de Emisin (Emission factor) Factor de Emisin asociado Sistema de Informacin Geogrfica (Geographical Information System) Altura (e.g., de una chimenea). cido sulfrico Sulfuro de hidrgeno (en solucin: cido sulfhdrico) Cianuro de hidrogeno (en solucin: cido cianhrdico) Mercurio Grados Kelvin (K = C-273) Longitud de Monin- Obukhov. Altura sobre el terreno donde la turbulencia producida mecnicamente (por corte vertical) es balanceada por los efectos negativos del empuje. Concentracin o grado de elementos, sustancias o parmetros fsicos, qumicos y biolgicos, que caracterizan a un efluente o una emisin, que al ser excedida causa o puede causar daos a la salud, al bienestar humano y al ambiente. Su cumplimiento es exigible legalmente por la respectiva autoridad competente. Segn el parmetro en particular a que se refiera, la concentracin o grado podr ser expresada en mximos, mnimos o rangos (Art. 32 de la Ley 28611). Nmero de perturbaciones por ao

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x


Glosario

Trmino NH3 NOx O3 P Parmetro de Coriolis Amoniaco xidos de Nitrgeno Ozono Precipitacin

Definicin

f = 2sen

PC Pluma PTS PM10 PM2,5 ppmv Puff Q SIZ SO2 SVOC

Temperatura Potencial

Donde: es la velocidad de rotacin de la tierra; y es el ngulo de latitud Computadora personal Flujo contino de la salida desde una chimenea. Partculas totales en suspensin o material particulado. Material particulado inhalable; i.e., de dimetro aerodinmico menor o igual a 10 m. Material particulado respirable; i.e., de dimetro aerodinmico menor o igual a 2,5 m. Partes por milln en volumen. Volumen discreto de emisiones salidas por una chimenea que pudiesen sufrir transformaciones en la atmsfera. ndice de Emisin Zona de Influencia de la Estructura (Structure Influence Zone) Dixido de Azufre (anhdrido sulfuroso) Compuestos Orgnicos Semi-Voltiles (Semi Volatile Organic Carbon); incluyendo clorobencenos, clorofenoles, bifenilos policlorados (PCB), hidrocarburos aromticos policclicos (PAH), dioxinas y furanos. La temperatura de una celda de aire seco no saturado que se mueve en condiciones adiabticas y reversibles a una presin estndar, p0 (usualmente 100 kPa).

= T 0 p Donde: : Constante Poisson; frecuentemente tomado como 2/7. Hidrocarburos totales Velocidad umbral del viento Velocidad de friccin Un punto en el ambiente donde se evala el impacto de una operacin. Los receptores sensibles pueden incluir hospitales o escuelas. Compuestos Orgnicos Voltiles (Volatile Organic Carbon); definidos como cualquier compuesto de carbono, excluidos CO, CO2, cido carbnico, carburos o carbonatos metlicos y carbonatos de amonio, que participan en reacciones fotoqumicas de la atmsfera y poseen una presin de vapor de 0,01 kPa o ms a 25 C. Estacin de Trabajo (Work Station)

p

THC Ut U* Receptor VOC

WS

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xi


Presentacin

PRESENTACINLa minera cumple un rol fundamental en la economa del Per y constituye un gran factor de desarrollo. Es el primer proveedor de divisas y aporta hoy ms del 60% del total de nuestros ingresos por exportaciones; no obstante, tiene tambin un potencial de generacin de impactos ambientales que, de no recibir un tratamiento tcnico integral y oportuno, puede contaminar y afectar los recursos naturales, como de hecho ya ha ocurrido en el pasado. La experiencia internacional demuestra no slo que es viable desarrollar las actividades mineras cuidando el ambiente, sino que la excelencia ambiental constituye un imperativo tico imprescindible de solidaridad con las futuras generaciones y para el logro del Bien Comn que es la causa final del Estado y la sociedad en todo sistema democrtico que se expresa en la seguridad y el bienestar general de las personas sin distincin de raza, sexo, condicin econmica o de cualquiera otra ndole. La evaluacin del impacto de las actividades mineras sobre la calidad del aire constituye una tarea muy importante, tanto para las empresas mineras y sus consultores como para el propio Ministerio de Energa y Minas, en su calidad de autoridad ambiental sectorial. Por ello me complace presentar esta Gua, elaborada con el concurso de expertos canadienses y peruanos, gracias a la colaboracin de la Agencia Canadiense de Desarrollo Internacional - ACDI, a travs del Proyecto de Reforma del Sector de Recursos Minerales del Per - PERCAN. Esta Gua ser de gran utilidad para los responsables de las empresas mineras, consultores, funcionarios del Estado y para todas las personas e instituciones interesadas en la identificacin, evaluacin, prevencin y mitigacin del impacto de las actividades mineras en la calidad del aire. El Ministerio de Energa y Minas renueva as su compromiso con los objetivos trazados por el Gobierno en la lucha contra la pobreza y en la promocin de las inversiones responsables en nuestro pas. Lima, 10 de setiembre de 2007

Arq. Juan Valdivia Romero Ministro de Energa y Minas

Repblica del Per

xiii


Introduccin

1.

INTRODUCCIN

La presente Gua para la Evaluacin de Impactos en la Calidad del Aire por Actividades Minero-Metalrgicas ha sido preparada por el equipo del Proyecto de Reforma del Sector Pblico Minero (PERCAN), bajo los auspicios de la Agencia Canadiense de Desarrollo Internacional (ACDI) para el Ministerio de Energa y Minas (MEM). El objetivo de la Gua es proporcionar al personal del MEM responsable de la evaluacin de estudios ambientales una base para la revisin de los aspectos de calidad del aire de los Estudios de Impacto Ambiental de proyectos del sector minero. La Gua desarrolla los principales aspectos relacionados con las emisiones de contaminantes atmosfricos propias de las actividades mineras, de procesamiento de minerales y de metalurgia extractiva, los inventarios de emisiones, el modelamiento del transporte de contaminantes atmosfricos y la interpretacin de los resultados del modelamiento.

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1


Marco Legal

2.

MARCO LEGAL

Los criterios para la evaluacin de la calidad del aire estn dados por dos tipos de instrumentos legales. Los Estndares de Calidad Ambiental (ECA) proporcionan los criterios de calidad que se aplican al aire ambiental en su condicin de cuerpo receptor de emisiones de contaminantes atmosfricos (i.e. emisiones gaseosas o de de material particulado). Los Lmites Mximos Permisibles (LMP)1 proporcionan los criterios de calidad exigidos para las fuentes puntuales de emisin de contaminantes atmosfricos. Los ECA y los LMP estn definidos por las siguientes normas: Reglamento de Estndares Nacionales de Calidad Ambiental del Aire DS 074-2001PCM. Valor Anual de Concentracin de Plomo DS 069-2003-PCM. Niveles Mximos Permisibles de elementos y compuestos presentes en emisiones gaseosas provenientes de las unidades minero-metalrgicas - RM 315-96-EM/VMM (19/07/96)2.

En esta Seccin se han incluido tambin a modo de referencia los criterios de calidad del Grupo del Banco Mundial y del Consejo Canadiense de Ministerios del Ambiente (CCMA).

2.12.1.1

ESTNDARES DE CALIDAD AMBIENTAL Y LMITES MXIMOS PERMISIBLES NACIONALESEstndares Nacionales de Calidad Ambiental del Aire

Los ECA se definen como aquellos "niveles de concentracin mxima de contaminantes del aire que en su condicin de cuerpo receptor es recomendable no exceder para evitar riesgo a la salud humana. Como estos estndares protegen la salud, son considerados estndares primarios"3. El valor correspondiente para la concentracin del plomo fue establecido por DS 069-2003-PCM (15/06/03). En la Tabla 2-1 se muestran los parmetros regulados. Los ECA son "referencia obligatoria en el diseo y aplicacin de las polticas ambientales y de las polticas, planes y programas pblicos en general. Ninguna autoridad judicial o administrativa podr hacer uso de los estndares nacionales de calidad ambiental del aire, con el objeto de sancionar bajo forma alguna a personas jurdicas o naturales"4.

1

2

3

4

La RM 315-96-EM/VMM utiliza la denominacin "Niveles Mximos Permisibles". Sin embargo, la Ley General del Ambiente (Ley 28611) acoje el trmino "Lmite Mximos Permisible" de uso ms difundido. A la fecha de cierre de esta edicin, existe una propuesta de nuevos LMP para emisiones atmosfricas de la industria minero-metalrgica, presentada por el MEM y en proceso de consulta. Art. 3 del D.S. 074-2001-PCM. El trmino "estndares primarios" hace referencia a la Ley del Aire Limpio de los Estados Unidos (Clean Air Act), la cual define los estndares primarios como aquellos establecidos para proteger la salud pblica, incluyendo a las poblaciones sensibles como los asmticos, nios y ancianos; mientras que los estndares secundarios son establecidos para proteger el bienestar pblico, incluyendo la proteccin frente a la reduccin de visibilidad y los daos a animales, cultivos, vegetacin y edificios (ver adems en el glosario la definicin de ECA proporcionada por la Ley General del Ambiente). Art. 8 del DS 074-2001-PCM. Repblica del Per

3


Marco Legal

Tabla 2-1

Estndares Nacionales de Calidad Ambiental para el AireCriterio Perodoanual 24 h anual 24 h 8h 1h anual 1h 8h anual mensual 24 h anual anual 24 h 1h 8h anual

ParmetroDixido de azufre (SO2) PM10 Monxido de carbono (CO) Dixido de nitrgeno (NO2) Ozono (O3) Plomo (Pb) Sulfuro de hidrgeno (H2S) Valores Transitorios Dixido de azufre (SO2) PM10 Dixido de nitrgeno (NO2) Ozono (O3) Plomo (Pb)5

Valor Lmite (g/Nm3)*80 365 50 150 10 000 30 000 100 200 120 0,5 1,5 100 80 200 250 160 1,0

ObservacionesMedia aritmtica anual No debe excederse ms de una vez al ao Media aritmtica anual No debe excederse ms de 3 veces al ao Promedio mvil No debe excederse ms de 1 vez al ao Promedio aritmtico anual No debe excederse ms de 24 veces al ao No debe excederse ms de 24 veces al ao Promedio aritmtico de los valores mensuales. En la fraccin PM10. No debe excederse ms de 4 veces al ao (por definir en el futuro) Promedio anual Promedio anual No debe excederse ms de 3 veces al ao No debe excederse ms de 24 veces al ao No debe excederse ms de 24 veces al ao anual

* : A condiciones estndar (0C de temperatura y 1 atm de presin). - : No hay informacin.

Por otro lado, la RM 315-96-EM/VMM tambin estableci estndares de calidad de aire ambiental aplicables en el rea de influencia de las operaciones minerometalrgicas con carcter provisional, en tanto no se aprobaran los Estndares Nacionales de Calidad de Aire6. Con la promulgacin del DS 074-2001-PCM, se entiende que dichos estndares quedaron sin efecto. No obstante, la RM 315-96EM/VMM introdujo un estndar para arsnico, el cual no ha sido recogido por el DS 074-2001-PCM. La Tabla 2-2 muestra los estndares establecidos por la citada RM. Tabla 2-2 Estndares de Calidad de Aire Introducidos por la RM 315-96EM/VMMMedia Aritmtica Diaria* g/Nm3 (ppm) 572 (0,2)(a) 350(a) -6 Media Aritmtica Anual* g/Nm3 (ppm) 172 (0,06) -0,5 -Media Geomtrica Anual* g/Nm3 -150 --Notas (1) (2) (1) (3)

Parmetro Dixido de azufre Material particulado (PTS) Plomo(b) Arsnico(c)*(a) (b)

A condiciones estndar (0C de temperatura y 1 atm de presin). No debe excederse ms de una vez al ao. 3 Concentracin mensual de plomo = 1,5 ug/Nm . (c) 3 Concentracin de arsnico para 30 minutos, no debe excederse ms de una vez al ao = 30 g/m . -- = No hay lineamientos. (1) Valor reemplazado por el DS 074-2001-PCM. (2) El DS 074-2001-PCM no considera este parmetro, pero en su lugar considera PM10. (3) Parmetro no considerado en el DS 074-2001-PCM.

5 6

Tambin referido como Anhdrido Sulfuroso. Disposicin Transitoria de la RM 315-96-EM/VMM. Repblica del Per

4


Marco Legal

2.1.2

Niveles de Estados de Alerta

Mediante DS 009-2003-SA (25/06/03) se aprob el Reglamento sobre los Niveles de Estados de Alerta Nacionales para Contaminantes del Aire. Esta norma define los diferentes estados de alerta para contaminantes de aire basados en las concentraciones crticas (PM10, SO2, CO y H2S). Los estados de alerta que han sido definidos son: de cuidado, peligro y de emergencia. El organismo responsable de declarar y suspender los estados de alerta es la DIGESA. Los valores establecidos se muestran en la Tabla 2-3. Tabla 2-3Tipo de Alerta De cuidado

Niveles de Estados de Alerta Nacionales para Contaminantes del AirePM-10 (g/m3) >250 Prom. aritmtico de 24 h >350 Prom. aritmtico de 24 h >420 Prom. aritmtico de 24 h SO2 (g/m3) >500 Prom. mvil de 3 h consecutivas >1 500 Prom. mvil de 3 h > 2 500 Prom. mvil de 3 h CO (g/m3) >15 000 Prom. mvil de 8 h >20 000 Prom. mvil de 8 h >35 000 Prom. mvil de 8 h H2S (g/m3) >1 500 Prom. aritmtico de 24 h >3 000 Prom. aritmtico de 24 h >5 000 Prom. aritmtico de 24 h

De peligro

De emergencia

De acuerdo con el DS 009-2003-SA, a cada nivel de estado de alerta se asocian cierto tipo de medidas para la proteccin de la salud humana ante dichos escenarios. 2.1.3 Lmites Mximos Permisibles de Emisiones Gaseosas

Mediante RM 315-96-EM/VMM (19/07/96) se establecieron los LMPs para emisin de contaminantes a la atmsfera. Estos valores se miden en la fuente y son aplicables nicamente a fuentes puntuales. Los niveles de emisin para material particulado, plomo y arsnico son valores constantes y se muestran en la Tabla 2-4. Los niveles de emisin de dixido de azufre estn dados en funcin del azufre total que ingresa al proceso y son mostrados en la Tabla 2-5. Tabla 2-4 Niveles Mximos Permisibles para Emisiones GaseosasParmetro Material particulado total Plomo Arsnico Valor en Cualquier Momento 3 (mg/Nm ) 100 25 25

Tabla 2-5

Emisiones Mximas Permisibles para Dixido de AzufreAzufre que ingresa al Proceso (t/d) 1 500 Emisin Mxima Permisible para Dixido de Azufre (t/d) 66 72 81 90 99 108 117 126 135 155 175 195 201 207 213 0,142 (S)*

*

(S) = Azufre total ingresando al proceso.

2.2

ESTNDARES INTERNACIONALES

Existe una gran diversidad de estndares de calidad de aire y emisiones en las diferentes jurisdicciones. Adems, existen estndares emitidos por entidades de nivel supranacional, tales como el Grupo del Banco Mundial y la Organizacin Mundial de la Salud (OMS). En esta seccin se presentan los estndares de calidad de aire y emisiones de estas instituciones, as como los del Gobierno Federal de Canad y de la Provincia de Ontario, a manera de referencia. Los estndares de calidad del aire de la OMS y el Grupo del Banco Mundial han sido diseados para alcanzar una calidad del aire que proteja la salud pblica en diversos contextos y como tal no reflejan necesariamente los estndares de calidad del aire ambiental de los pases en forma individual. El Grupo del Banco Mundial es el nico organismo que se ha revisado y resumido en este documento que proporciona lmites de emisin de fuente puntual especficamente para la industria de fundicin y refinera. Los estndares canadienses de calidad del aire varan segn el enfoque adoptado para equilibrar los riesgos a la salud, la factibilidad tecnolgica, las consideraciones econmicas y otros factores polticos y sociales diversos que, a su vez, dependern, entre otras cosas, del nivel de desarrollo y la capacidad nacional en el manejo de la calidad del aire. En la mayora de las jurisdicciones y organismos internacionales los estndares de calidad de aire ambiental se encuentran establecidos en la regulacin y los estndares de emisin son calculados de manera especfica para cada proyecto con el fin de asegurar el cumplimiento del estndar de calidad de aire ambiental aplicable. nicamente la Corporacin Financiera Internacional (Grupo del Banco Mundial) define lmites de emisin para las actividades minero-metalrgicas. En la Tabla 2-6 se muestra un resumen de los diferentes estndares de calidad de aire ambiental que son discutidos en las siguientes secciones y en la Tabla 2-7 se muestran los estndares de emisin del Grupo del Banco Mundial.

Repblica del Per

6


Tabla 2-6Material Particulado Partculas Totales en Suspensin (PTS) Media Media Mximo Mximo geomtrica aritmtica promedio de promedio de anual anual 24-h -h g/m g/m g/m g/m g/m g/m g/m g/m g/m PM10 (dimetro nominal 99.1% (para % SO2 en emisin 4%) > 99.7% (para % SO2 en emisin > 4%) Z0)

4-10

u u* z z0 0,4

= velocidad del viento [m/s] a la altura z; = velocidad de friccin [m/s]; = altura de la medicin [m]; = altitud de rugosidad [m]; y, = constante de von Karman.

Asumiendo una altura de rugosidad de 0,5 cm (0,005 m) y una altura medida de 10 m, la ecuacin anterior se convierte en:

u (z ) =

u* 10 ln 0,4 0.005 4-11

u = 19u* u* = 0,0526u

Para determinar la velocidad de friccin asociada con la milla ms rpida para la ecuacin 4-11, la Ecuacin 4-12 se convierte en:

u* = 1,24(0,0526u ) u* = 0,0653udonde, 4-12

u u*

= velocidad de viento promedio [m/s] durante las perturbaciones; y = velocidad de friccin [m/s].

La velocidad umbral de friccin (u*t) es la velocidad de viento mnima requerida para llevar material particulado al aire y puede estimarse de la estructura seca del material superficial. Cualquier formacin de costra natural de la superficie fija el material erosionable y reduce el potencial de erosin. Para las superficies sin costra, USEPA AP-42 recomienda estimar la velocidad umbral de friccin a travs del modo de la granulometra de muestras de material superficial (de acuerdo al procedimiento de tamizado descrito en AP42). Se puede estimar la velocidad umbral de friccin interpolando el valor en un grfico (Figura 4-4).

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Inventario de EmisionesFigura 4-4 Velocidad Umbral de Friccin1000

Velocidad Umbral de Friccin (cm/s)

100

10

1 0.01

0.1

1

10

100

Modo de Distribucin del Tamao (mm)

Una vez conocida la velocidad umbral de friccin puede sustituirse por la Ecuacin 416 para determinar la velocidad umbral del viento (ut).

1 u*t 0,0653 u t = 15,3 u*t ut =

4-13

Una vez conocida ut, es simple calcular mensualmente el nmero de perodos en que el viento sobrepasa el valor ut. Esto puede usarse para calcular los valores de Pi y EF. Se sugiere el siguiente mtodo para calcular las emisiones fugitivas de reas de relaves: Determinar la velocidad umbral de friccin u*t,. Calcular la velocidad de viento umbral correspondiente, ut. A partir de los datos representativos del clima, determinar el nmero de das hmedos con al menos 0,25mm de precipitacin (P). Para los das sin precipitaciones, determinar la velocidad del viento mxima promedio, u. Para aquellos das donde u excede a ut, calcular u*. Usando u* y u*t, calcular el potencial de erosin diaria, Pi. Multiplicar Pi por el rea expuesta para obtener las emisiones fugitivas diarias para ese da. Repetir para cada da sin precipitacin y sol.

Adems, el contenido de metal de las emisiones de relaves deber basarse en muestreos representativos de la matriz superficial de relaves.

Repblica del Per

43


Modelamiento Dispersin Contaminantes

5.

MODELAMIENTO DE LA DISPERSIN DE CONTAMINANTES

Despus de desarrollar el inventario de emisiones, deber realizarse el modelamiento de la dispersin de contaminantes para evaluar el impacto potencial de las emisiones en el medio circundante. Este modelamiento usa una representacin matemtica del medio local para predecir el destino de los contaminantes emitidos al ambiente. Considerando la meteorologa y las caractersticas del terreno, los modelos de dispersin pueden predecir cmo se dispersar o se diluir la emisin en el ambiente. La mayora de los modelos son semi empricos y orientados a la fuente. Los modelos pueden usarse para evaluar los escenarios que se clasifican desde simples (e.g. una fuente en un terreno llano), hasta muy complejos (e.g., mltiples fuentes en una regin montaosa, con emisiones que sufren reacciones qumicas en la atmsfera) durante diferentes tiempos promedio (e.g., de 1 hora a 24 horas hasta anual). Las fuentes son representadas por fuentes puntuales, fuentes lineales, fuentes volumtricas o fuentes superficiales. Esta designacin no slo afectar la manera cmo se modelar la descarga de contaminantes, sino tambin cmo stos se dispersan o transformarn en la atmsfera. Por ejemplo, una pluma de una fuente puntual emitida desde un edificio podra verse afectada significativamente por la estela que se forma a barlovento del edificio. Para evaluar la dispersin de contaminantes, los modelos requieren alguna informacin general. En este captulo se presentarn algunos modelos comunes y la informacin requerida. Todos los modelos requieren por lo menos de la siguiente informacin: Informacin meteorolgica, incluyendo velocidad y direccin de viento, precipitacin, turbulencia, estabilidad atmosfrica y altura de mezcla; Generalmente, se requiere contar con datos de por lo menos un ao de informacin horaria para determinar los parmetros de dispersin. Si esto no es posible, se debe contar como mnimo con datos horarios de un mes por estacin climtica en el ao. Lo ideal es contar con datos continuos de 5 aos de monitoreo para validar los datos estadsticos. Descripcin de la instalacin: incluyendo la ubicacin de todos los edificios en el sitio y lmites de la propiedad; Descripcin de las fuentes: incluyendo el tipo de fuente (e.g. puntual superficial, volumen, etc.), ubicacin, altura de descarga, ndice de flujo contaminante, dimetro de salida, temperatura de descarga, velocidad de descarga; Descripcin del terreno circundante: incluyendo la topografa y rugosidad superficial; Ubicacin de los receptores: los puntos donde las concentraciones de contaminantes debern evaluarse (e.g. residencias cercanas, zonas ecolgicamente sensibles, etc.); y, Definicin del rea de estudio, debiendo incorporar a los receptores ms sensibles dentro de la cuenca atmosfrica de inters que pudiesen ser impactados por las emisiones. Generalmente, el rea de estudio debe extenderse unos 5 km desde los lmites de la propiedad o desde la fuente de emisin.

Una discusin detallada sobre los criterios para el modelamiento de calidad de aire se presenta en la Gua de Modelos de Calidad de Aire de la USEPA (2003a). Asimismo, la USEPA cuenta con un servicio de asesoramiento e informacin sobre modelamiento de calidad de aire llamado Support Center for Regulatory Air Modeling (SCRAM), el cual est disponible en el sitio electrnico de la USEPA (http://www.epa.gov/scram001). El SCRAM contiene una descripcin y documentacin sobre los modelos recomendadosRepblica del Per

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por la USEPA en la Gua de Modelos de Calidad de Aire, as como de otros modelos alternativos aceptados por la USEPA para casos especficos.

5.1

CONSIDERACIONES GENERALES

Antes de pensar en aplicar un modelo de calidad de aire, deben tenerse en cuenta las siguientes consideraciones contenidas en la Gua de Modelos de Calidad de Aire de la USEPA: No existe un modelo capaz de responder apropiadamente a todas las situaciones posibles, an dentro de una categora especfica como las fuentes puntuales. Los fenmenos meteorolgicos asociados con las excedencias de los estndares de calidad ambiental son raras veces susceptibles de tratamiento matemtico simple, requirindose del anlisis caso por caso y del juicio profesional. En la medida en que los esfuerzos de modelamiento se vuelven ms complejos, es cada vez ms importante que stos sean dirigidos por especialistas altamente competentes con amplia experiencia y conocimientos en meteorologa de la calidad del aire. La aplicabilidad de un modelo especfico de calidad de aire depende de varios factores, incluyendo: (1) la complejidad meteorolgica y topogrfica del rea, (2) el nivel de detalle y precisin requerido, (3) la competencia del personal a cargo del modelamiento, (4) los recursos disponibles y (5) el nivel de detalle y precisin de la base de datos, i.e., inventario de emisiones, datos meteorolgicos y datos de calidad de aire. Antes de intentar cualquier modelamiento debe asegurarse que se cuenta con la informacin apropiada. Un modelo que requiere datos de entrada detallados y precisos no debe ser empleado cuando no se dispone de dichos datos. No obstante, asumiendo que dichos datos estn disponibles, cuanto mayor sea el detalle con que el modelo considera las variaciones temporales y espaciales de las emisiones y condiciones meteorolgicas, mayor ser su habilidad para evaluar los impactos de las fuentes y distinguir los efectos de las diferentes estrategias de control. Los modelos de calidad de aire han sido aplicados con la mejor exactitud, o el mnimo grado de incertidumbre, a las simulaciones de promedios de largo plazo en reas con topografa relativamente simple. Las reas sujetas a mayores influencias topogrficas experimentan complejidades meteorolgicas que son extremadamente difciles de simular. Aunque existen modelos apropiados para tales circunstancias, stos son generalmente especficos para el sitio y demandan grandes recursos. Los modelos son herramientas altamente especializadas. Contar con personal competente y experimentado es requisito para la aplicacin exitosa de los modelos de simulacin. La necesidad de especialistas es crtica cuando se usan los modelos ms sofisticados o cuando el rea investigada tiene componentes topogrficos o meteorolgicos complicados. Un modelo aplicado de manera inapropiada o con datos inapropiados puede conducir a serios errores en la interpretacin de los impactos de las fuentes o los resultados de una estrategia de control. Los recursos requeridos por los diferentes modelos varan ampliamente dependiendo de las aplicaciones especficas. Los requerimientos de recursos dependen de la naturaleza del modelo y su complejidad, el nivel de detalle de los datos de entrada, las dificultades en la aplicacin y la cantidad y nivel de los expertos requeridos. Los costos de personal y requerimientos computacionales pueden ser tambin factores importantes en la seleccin y uso de un modelo para un anlisis especfico. Sin embargo, debe tenerse en cuenta que bajo determinadas circunstancias fsicas y requerimientos de exactitud podran no existir ningn modelo apropiado.

En general, debe tenerse en cuenta que la simulacin numrica de los fenmenos de calidad de aire es una ciencia que se encuentra en proceso de desarrollo y, aunque en los ltimos aos los desarrollos en la informtica han brindado nuevas herramientas para el desarrollo de los modelos numricos, en la actualidad los modelos de calidad deRepblica del Per

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aire todava son bastante imperfectos y no siempre se comportan bien ante situaciones de meteorologa y topografa complejas. Antes de pretender utilizar un modelo de dispersin de contaminantes atmosfricos para la prediccin y la toma de decisiones importantes como son la implementacin de un plan de contingencias para eventos crticos, deber desarrollase un detallado conocimiento de la naturaleza del fenmeno de contaminacin que se desea modelar y se requerir de un cuidadoso perodo de pruebas de validacin del modelo. De otro modo, el riesgo de tomar decisiones equivocadas ser alto, con los costos que ello implique. Los procesos de dispersin atmosfrica son estocsticos, mientras que los modelos en general predicen solo clculos promedios y no clculos individuales. Esto significa que hay un problema conceptual bsico con el procedimiento de comparar directamente los estimados de un modelo con las observaciones, por lo que no se puede esperar que tengan la misma distribucin estadstica. Cuando se comparen los clculos del modelo con los valores estimados de tasas de emisin, se debe considerar que la meteorologa haya sido medida de modo tal que se asegure una adecuada comparacin. 5.1.1 Escalas Espacial y Temporal

Las escalas espacial y temporal para el modelamiento de la prediccin de calidad de aire deben ser claramente definidas debido a que estas escalas determinan el tipo de requerimientos meteorolgicos y otros requerimientos de datos. Las diferentes escalas espacial y temporal se resumen en la Tabla 5-1. Tabla 5-1 Escalas Utilizadas para los Estudios de Modelamiento Meteorolgico y de Calidad de AireAlcance Espacial 4,000 km 20,000 km 400 km 4,000 km 10 km 400 km 5 km - 50 km 500 m - 5 km Alcance Temporal 1 - 2 semanas 1 da 1 semana 1 hr 1 da 1h-4h 1 min 1 hr

Escala Global Sinptica Mesoescala Urbana De Vecindario

En base a la escala que se requiere para la resolucin de datos, la prediccin debe considerar caractersticas meteorolgicas y geogrficas importantes, tales como: brisa del mar viento de montaas/valles; inversiones trmicas; y, grandes alturas para considerar la eficiencia de los procesos de combustin.

5.1.2

Requerimientos de Cmputo

La prediccin de la contaminacin del aire requiere considerar recursos de equipos de cmputo. Los estudios de modelamiento ms completos (e.g., para correr un modelo meteorolgico de mesoescala) requieren contar con recursos de cmputo de alto rendimiento. Sin embargo, muchos estudios pueden realizarse en computadoras personales (PC) o estaciones de trabajo (WS) ya que se dispone rpidamente de los datos de pronstico del tiempo (e.g., del Internet).Repblica del Per

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Por ejemplo, el modelo TAPM de CSIRO incluye toda la informacin GIS necesaria para operarla en cualquier parte del mundo. Es un modelo de prediccin de contaminacin de aire 3-D para PC. 5.1.3 Acceso a Datos Confiables

Es esencial el acceso a datos de prediccin sinptica para un sistema de pronstico que calcula concentraciones de la calidad de aire y parmetros meteorolgicos. Por ejemplo, en los Estados Unidos, estos datos estn disponibles a travs de la Administracin Atmosfrica y Ocenica Nacional (NOAA). Los datos se encuentran en diferentes formatos y pueden obtenerse a travs del Internet. Adems de los datos del tiempo, los datos del inventario de emisiones son tambin de considerable importancia. La calidad del inventario determinar en gran medida la calidad de la prediccin. 5.1.4 Calidad de la Prediccin

La calidad tambin vara considerablemente y depende sobremanera de la disponibilidad de la informacin y de cmo se ingresen los datos. Por las razones anteriormente mencionadas, es necesario que los datos sean de adecuada calidad. Estos datos son empleados en la prediccin y en las etapas de evaluacin.

5.2

METEOROLOGA

El movimiento global de la atmsfera resulta de la interaccin de los siguientes efectos (Figura 5-1): El calentamiento en el ecuador y el enfriamiento en los polos resulta en la transferencia de energa del ecuador a los polos, a travs de una serie de celdas convectivas; La rotacin de la tierra da lugar a vientos del este en el ecuador, ya que la tierra rota ms rpido que la atmsfera; En latitudes medias, la atmsfera se mueve ms rpido que la tierra, lo que desarrolla vientos del oeste; En latitudes altas, predominan los vientos polares del este; y El calentamiento diferencial de los ocanos y las reas continentales dan lugar a reas con baja presin sobre los continentes en verano y reas con alta presin sobre los continentes en invierno.

Estos efectos producen patrones de clima a escala sinptica en forma de ondas de presin alta y baja responsables de los patrones de clima principales mayores a latitud media.

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Figura 5-1

Circulacin General de la Atmsfera

En menor escala, las influencias a mesoescala pueden modificar los patrones sinpticos de flujo (Figura 5-2). Las caractersticas resultantes incluyen: La brisa marina durante el da, cuando la temperatura en tierra es mayor que sobre el agua; La brisa de la tierra durante la noche, cuando la temperatura del agua es mayor que sobre la tierra; Los flujos anabticos del calentamiento superficial que produce un flujo ascendente; Los flujos catabticos nocturnos ms fros; Diferentes condiciones de flujo que dependen de las condiciones meteorolgicas, de las caractersticas importantes del terreno; en algunos casos las caractersticas del terreno pueden conducir a deflexin del viento; Canalizacin topogrfica por las caractersticas de terreno, en donde la forma del terreno juega un rol importante; y Circulacin de la isla de calentamiento urbano.

Mientras que los fenmenos globales, sinpticos y de mesoescala contribuyen con el transporte de emisiones atmosfricas, un cientfico de calidad de aire se preocupa ms de la Capa Lmite Atmosfrica (Atmospheric Boundary Layer - ABL). La ABL es la capa ms baja de la atmsfera relacionada con el calentamiento/enfriamiento de la superficie y donde se descargan las emisiones (Figura 5-3).

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Figura 5-2

Flujos Mesoscala

Brisa del Mar

Brisa del Valle Montaoso

Efectos Topogrficos

Canalizacin Topogrfica

Isla de Calentamiento Urbano

Deflexin del aire en el terreno

Figura 5-3

Capa Lmite Atmosfrica

5.2.1

Capa Lmite Atmosfrica

La ABL o capa de mezcla se puede clasificar ampliamente como convectiva, neutral o estable, de acuerdo al flujo del calor de la superficie (el ndice de transferencia de energa del suelo al aire). La Figura 5-4 muestra el balance del calor en la atmsfera y en la Figura 5-5 se presenta la variacin de la temperatura con la altura. Los perodos en los que el flujo de calor en la atmsfera es positivo (da) se llaman convectivos o inestables. La profundidad de ABL aumenta durante el da, variando entre algunos cientos de metros despus de la puesta del sol hasta 1,000 a 2,000 m aRepblica del Per

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media tarde. La capa lmite convectiva se encuentra bastante mezclada debido a los remolinos grandes generados por el calor superficial. Estos remolinos provocan la mezcla rpida y uniforme de los contaminantes atmosfricos. Figura 5-4 Balance de Energa Superficial

Aire

Suelo

Rn = H 0 + LE GRn = Radiacin neta de ondas recibidas por la superficie; G = flujo del calor hacia el suelo que origina cambios en la temperatura del suelo; LE = flujo de calor latente que ocurre por la evaporacin o condensacin del agua en la superficie; y Ho = flujo de calor sensible directamente responsable por el cambio de temperatura atmosfrica.

Figura 5-5

Perfil Vertical de la Temperatura

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51



Al ocaso, el flujo del calor es negativo, lo que reduce o suprime la turbulencia en la atmsfera. Estos perodos se denominan estables y los contaminantes no estn bien mezclados, tendiendo a permanecer de forma ms compacta y no diseminndose rpidamente. A diferencia de las condiciones convectivas, en la ABL predominan los efectos de corte del viento y su profundidad vara entre 100 y 300 m. Las condiciones neutrales ocurren cuando la turbulencia no es ni reforzada ni suprimida, en los perodos de transicin (convectivas a estables y viceversa) o bajo velocidades de viento altas cuando las fuerzas mecnicas de corte dominan la produccin de turbulencia. La Figura 5-6 muestra la variacin diurna de ABL. Tal como se muestra, cuando cesa el calentamiento superficial (al caer la noche), el lmite convectivo colapsa, y empieza a formarse la capa estable. De manera similar, en horas de la maana el calentamiento de la superficie y el lmite convectivo empieza a formarse. Figura 5-6 Variacin Diurna de la ABL

Los parmetros de la capa lmite atmosfrica cambian con la altura sobre el suelo, as como con el tiempo de da. Son dos los parmetros importantes: la temperatura y la velocidad de viento. 5.2.2 Estabilidad

La estabilidad atmosfrica se determina por la gradiente vertical de la temperatura. El ndice de lapso es el parmetro usado para describir la gradiente de la temperatura atmosfrica:

T T1 T = 2 z z 2 z1Repblica del Per

5-1

52



donde

T/z = ndice del lapso [K/km]; T = temperatura [K]; y z = altitud [km], siendo z2 ms alto que z1.El signo negativo en la ecuacin del ndice del lapso es una convencin: por lo general, la temperatura en la atmsfera disminuye con la altitud. Cuando ste es el caso, la gradiente de la temperatura se definir como un ndice de lapso positivo. Debido a la disminucin de la presin con la altura, una celda de aire que se eleva de un nivel a otro generalmente enfriar a 1C/100 m, lo que se denomina ndice de lapso adiabtico seco (DALR o ) (Figura 5-7). Figura 5-7 Perfiles de la Temperatura de la Capa de Mezcla

Convectivo: Si una celda de aire ubicada en el punto A se eleva, continuar elevndose porque es ms caliente que su ambiente. Si una celda de aire ubicada en el punto A desciende, continuar descendiendo porque es ms fra que su ambiente. Durante las condiciones inestables, los movimientos verticales se refuerzan. Estable: Si una celda de aire ubicada en el punto A se eleva, retornar al punto A porque es ms fra que su ambiente. Si una celda de aire ubicada en el punto A desciende, retornar al punto A porque es ms clida que el ambiente. Durante condiciones estables, se suprimen los movimientos verticales. Neutral: Una celda de aire ubicada en el punto A puede ascender y descender sin ninguna tendencia para continuar el movimiento o retornar a su posicin original.Repblica del Per

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Los ndices de lapso afectarn directamente la dispersin de las plumas emitidas a la atmsfera. La Tabla 5-2 presenta una lista de algunos ndices de lapsos atmosfricos y el comportamiento de la pluma que generan. Tabla 5-2 Efecto de los ndices de Lapsos Atmosfricos en el Comportamiento de la PlumaComportamiento de la Pluma Pluma de Espiral; la pluma tienden a oscilar en direccin vertical ndice de lapso menor que DALR Pluma de Cono; la pluma presenta forma de cono en la atmsfera, con la punta en el punto de emisin ndice de lapso negativo (Inversin) Pluma de Abanico; la pluma presenta una profundidad vertical muy pequea ndice de lapso negativo (Inversin) cerca al suelo, ndice de lapso positivo en las partes altas Pluma de Flotacin; la pluma es casi horizontal en la parte inferior, pero se expande con la distancia de la fuente hacia la parte superior ndice de lapso positivo cerca al suelo, ndice de lapso negativo (Inversin) en las partes altas; ndice de lapso positivo mayor a DALR ndice de lapso positivo cerca al suelo, ndice de lapso negativo (Inversin) en las partes altas; ndice de lapso positivo menor a DALR Pluma de Fumigacin; la pluma es casi horizontal en la parte superior, pero su parte inferior alcanza el suelo Pluma Entrampada; la pluma es casi horizontal en la parte superior, pero su parte inferior se acerca lentamente al suelo

Descripcin del ndice de Lapso ndice de lapso mayor que DALR

Nota: la velocidad y direccin de viento rigen la conducta horizontal.

5.2.3

Velocidad y Direccin del Viento

La velocidad y direccin del viento son factores determinantes para la dispersin de las emisiones de aire. La velocidad del viento afecta el grado de dispersin, mientras que la direccin determina dnde ocurrirn los mayores impactos. Una mayor velocidad del viento incrementa la dispersin, lo que significa que la concentracin de contaminantes disminuir en cualquier lugar y se expandir el rea del impacto. Sin embargo, el aumento de la velocidad del viento tambin puede incrementar la resuspensin del polvo de la superficie de ciertos terrenos. Por el contrario, una menor velocidad del viento disminuye la dispersin, lo que significa una mayor concentracin de contaminantes cerca al punto de emisin. Asimismo, una menor velocidad del viento disminuir la resuspensin del polvo de superficie. La velocidad el viento aumenta con la altitud, pero se mide en la superficie. Sin embargo, para el modelamiento de dispersin es necesaria la velocidad del viento a la altura de la emisin. Para el clculo de velocidad del viento puede usarse la siguiente ecuacin.

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u (z ) =donde,

u* z ln 0,4 z 0

(z > z0)

5-2

u u* z z0

= = = =

velocidad del viento [m/s] a la altura z; velocidad de friccin [m/s]; altura de la medicin [m]; altura de rugosidad [m]; y, constante de von Karman.

0,4 =

Las regiones con poca rugosidad de terreno (e.g. reas rurales) presentan una gradiente empinada de velocidad de viento, lo que significa que la velocidad del viento se incrementa rpidamente con la altura (Figura 5-8). Por lo tanto, la velocidad del viento se acerca a un valor constante a una altura relativamente baja. Por el contrario, las regiones con alta rugosidad (e.g. reas urbanas) tienden a presentar una velocidad del viento que aumenta gradualmente con la altura y slo se acerca a un valor constante cuando llega a una altura mucho mayor. Figura 5-8 Variacin de la Velocidad del Viento con la Altura

La direccin del viento afectar el lugar donde ocurrirn los impactos por emisiones atmosfricas. La direccin del viento tambin se mide en la superficie, pero tambin puede cambiar con la altitud. Por ejemplo, sobre un terreno plano, la direccin del viento a 1500 m de altura puede diferir en 15 a 30 en sentido horario, de la direccin del viento a nivel del suelo. La velocidad y direccin del viento a menudo se reportan grficamente con una rosa de viento. En la Figura 5-9 se muestra un ejemplo de la rosa de viento. La direccinRepblica del Per

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de donde proviene el viento se muestra alrededor de permetro del crculo exterior. Los crculos concntricos representan el incremento de la frecuencia. De hecho, una rosa de viento es muy similar a un grfico de barras, slo que representado en un crculo. Cada brazo que se origina en el centro del crculo representa una direccin del viento. La longitud del brazo indica la frecuencia de ese viento en particular, segn se mida en los crculos concntricos. El brazo tambin muestra las frecuencias de velocidad del viento, como se describe en la leyenda al pie del grfico. Generalmente, los vientos menores de 0.5 m/s son considerados como calma y no tienen una direccin asociada. Figura 5-9 Ejemplo de una Rosa de VientoNNW NW N NNE NE

WNW

ENE

W

E

WSW

5% 10 %

ESE0.5 - 2.0 m/s

SW SSW

15 % 20 %

SE SSE

2.0 - 3.5 m/s 3.5 - 5.0 m/s 5.0 - 6.5 m/s > 6.5 m/s

S

5.2.4

Turbulencia

Existen dos componentes principales para la turbulencia: el componente mecnico y el componente trmico. La turbulencia mecnica es una funcin de la velocidad del viento y la rugosidad de la superficie. Ocurre cuando cambia la velocidad del viento cerca a la superficie. Puede ocurrir un cambio en la velocidad del viento cuando existe un obstculo que interrumpe el flujo del viento sobre la superficie. La rugosidad de la superficie se define por una longitud caracterstica (z0), como se muestra en la Ecuacin 5-2. Los rboles y los edificios presentan alta rugosidad de superficie, mientras que el agua y la arena presentan baja rugosidad de superficie. La turbulencia trmica tambin es conocida como turbulencia inducida ascendente. Esta ocurre cuando el aire caliente cercano al suelo se eleva, disturbando el aire sobre este. La turbulencia trmica tiende a ser mxima cuando comienza la tarde y mnima cuando se acerca el ocaso, siguiendo una tendencia de temperatura diurna de la superficie de la Tierra. Esto significa que la turbulencia tambin resulta afectada por elRepblica del Per

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albedo de la superficie. El albedo de la superficie es la fraccin de radiacin solar incidente que se refleja a la atmsfera. La fraccin restante (i.e., 1 albedo), es la radiacin absorbida por la superficie, lo que consecuentemente afectara su temperatura. Las superficies con un alto nivel de albedo (e.g., las regiones rticas cubiertas de nieve) probablemente presentarn una pequea fluctuacin diurna en la temperatura de la superficie, y por lo tanto una pequea turbulencia trmica. Otro parmetro importante en la caracterizacin de la superficie para el modelamiento de dispersin es la relacin Bowen. Esta es la relacin entre el calor emitido hacia arriba por la superficie de la Tierra (flujo de calor sensible) y la prdida de energa de la superficie por la evaporacin del agua (flujo de calor latente). Mientras que esta relacin por s sola no afecta directamente el ascenso trmico, tanto el flujo de calor sensible como el latente contribuiran a la turbulencia atmosfrica. La turbulencia puede ocurrir tanto a pequea como a gran escala. La turbulencia a pequea escala puede considerarse una turbulencia dentro de una misma rfaga, mientras que una turbulencia a gran escala, podra producir el desplazamiento de la rfaga en la atmsfera. (Figura 5-10). Figura 5-10 Escalas de Turbulencia

5.2.5

Longitud Monin-Obukhov

Un parmetro que a menudo se discute en relacin a la meteorologa y el modelamiento de dispersin es la Longitud Monin-Obukhov (L). Esta escala de longitud se utiliza para describir la estabilidad de la atmsfera. A elevaciones por debajo de la Longitud Obukhov, la principal causa de turbulencia son los efectos mecnicos antes que los efectos ascendentes. La Longitud Obukhov generalmente es de una a decenas de metros. Cuando L es cero, la atmsfera presenta estabilidadRepblica del Per

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neutral, cuando L es positivo la atmsfera es estable, y cuando L es negativo la atmsfera es inestable. Se utiliza la siguiente frmula para calcular el valor de L:

L=donde,

3 c pa a u* Ta

kgH 0

5-3

u* T cpa

= velocidad de friccin; = temperatura ambiental; = calor especfico de la atmsfera; = densidad del aire; = constante de von Krmn; = aceleracin debido a la gravedad; y = flujo de calor en la superficie.

k g H05.3

MODELAMIENTO DE LA DISPERSIN

Los modelos de calidad de aire proporcionan un vnculo fundamental entre las emisiones y los cambios en el aire del ambiente. El enfoque regulatorio ms comn es la aplicacin de los modelos gaussianos de dispersin para calcular las concentraciones a nivel del suelo (USEPA 2005). La ecuacin de la distribucin gaussiana es la siguiente (USEPA 2005):

=donde

Q 2 y z u

e

1 y 2 y

2

1 z + H 1 z H 2 z 2 z +e e 2

2

5-4

Q

= concentracin del contaminante a nivel del suelo (g/m); = ndice de emisin (masa/tiempo); = desviacin estndar de la concentracin del contaminante (direccin horizontal perpendicular a la direccin de la pluma); = desviacin estndar de la concentracin contaminante (direccin vertical); = velocidad del viento; = distancia en direccin horizontal (perpendicular a la direccin de la pluma); = distancia en direccin vertical; y = altura efectiva de la chimenea.

y zu y z H

La anterior ecuacin bsicamente asume que: el viento promedio causa el transporte, y la desviacin del viento causa la dispersin.Repblica del Per

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Los modelos que se basan en la ecuacin de distribucin gaussiana asumen que las plumas presentan una distribucin gaussiana (i.e., en forma de campana) alrededor de su lnea cntrica, tanto en direccin vertical como horizontal (USEPA 2005). La concentracin del contaminante en la pluma se calcula en base a dos variables de dispersin (y, z) (USEPA 2005). La pluma es isotrpica cuando y es igual a z y anisotrpica cuando no son iguales (Figura 5-11). Estos parmetros de dispersin son funciones de la velocidad del viento, cobertura de nubes y calentamiento de la superficie por el sol (i.e., estabilidad atmosfrica). Figura 5-11 Dispersin de la Pluma y Estabilidad AtmosfricaEstticamente: Estable Neutra Inestable

Isotropa: Anisotrpica Conducta: En abanico Desviaciones estndar: z < y

isotrpica en cono

anisotrpica en espiral

w < v

z = y w = v

z > y w < v

Los coeficientes o sigmas de la dispersin constituyen el ndice de propagacin de la pluma. La ecuacin de distribucin utiliza las variables atmosfricas de tiempo promedio (promediando perodos de 10 minutos a 1 hora), lo que valida la suposicin de una distribucin gaussiana de contaminantes en la pluma (Figura 5-12). Los supuestos planteados al aplicar la ecuacin de distribucin gaussiana al modelamiento de la dispersin son los siguientes (USEPA 2005): La propagacin de la pluma presentan una distribucin gaussiana; El ndice de emisin (Q) es constante y continuo; La velocidad y direccin del viento es uniforme; y La reflexin total de la pluma tiene lugar en la superficie (i.e., no se pierde masa de la pluma cuando toca el suelo).

Repblica del Per

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Cabe indicar que en un terreno complejo, la suposicin de una distribucin gaussiana en la pluma ya no es vlida y debe realizarse algunos ajustes a la ecuacin (USEPA 2005). Figura 5-12 Efectos del Promedio en el Tiempo

5.3.1

Propagacin de la Pluma en Base a la Estabilidad

Los parmetros de dispersin pueden estar relacionados con la cantidad de turbulencia atmosfrica o la clase de estabilidad atmosfrica, la distancia a sotavento y el tiempo promedio. Pasquill (1961) formul un esquema de clases de estabilidad atmosfrica que se convirti en las Clases de Estabilidad de Pasquill-Gifford (USEPA 2005). Este esquema presenta seis clases de estabilidad que se basan en cinco categoras de velocidad del viento de superficie, tres tipos de insolacin diurna y dos tipos de nubosidad nocturna (USEPA 2005). El esquema de clasificacin se encuentra en la Tabla 5-3 (USEPA 2005). La estabilidad decrece de la Clase A (ms inestable) a la Clase F (ms estable), representando la Clase D condiciones neutrales. Como se muestra en la Tabla 5-3, la estabilidad depende del sol y la velocidad del viento. En base a las Clases de Estabilidad de Pasquill-Gifford, pueden determinarse los coeficientes de dispersin para los modelos gaussianos. Los modelos regulatorios de la USEPA utilizan las ecuaciones de Pasquill-Gifford para los parmetros de dispersin y se basan en un promedio de tiempo de 3 minutos y una rugosidad de superficie (zo) de 3 cm para distancias de hasta 1 km y un zo de 30 cm para distancias entre 10 y 100 km. Estos parmetros estn diseados para captar la concentracin mxima.

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Tabla 5-3Velocidad de Viento de Superficie (a 10 m) (m/s) 6Nota: Fuente:

Clases de Estabilidad de Pasquill-GiffordInsolacin Fuerte A A-B B C C Moderado A-B B B-C C-D D Leve B C C D D Noche Ligeramente nublado o pequea cubierta de nubes 4/8 E D D D Cubierta de nubes de 3/8 F E D D

Las condiciones de nubosidad (diurna o nocturna) corresponden a la Clase D. USEPA (2005).

5.3.2

Elevacin de la Pluma

La elevacin de la pluma es un factor muy importante a considerar en el modelamiento de la dispersin. Cuando una pluma sale de una chimenea usualmente tiende a elevarse. Esta elevacin es controlada por dos fuerzas: el momento y la flotacin (USEPA 2005). El momento de la pluma cambiar despus de salir de la chimenea debido a la influencia del viento. Cuando el viento golpea la pluma que se eleva, provocar un momento horizontal en la pluma. La magnitud del momento horizontal depender de la velocidad del viento y la direccin de la pluma depender de la direccin del viento. Como se indic anteriormente, la velocidad del viento tiende a aumentar con la altura, de manera que los vientos tendrn un mayor efecto en el momento de la pluma en las partes altas de la atmsfera. El efecto de flotacin en la elevacin de la pluma se rige por la diferencia de temperatura entre la pluma emitida y el aire ambiental (USEPA 2005). Mientras mayor sea la diferencia, mayor ser el efecto de flotacin y mayor la elevacin de la pluma. En una atmsfera inestable, la pluma ascendente continuar elevndose (de manera similar a una celda de aire desplazada, tal como se discute en la Seccin 5.2.2), mientras que en una atmsfera estable se conglomerar la flotacin de la pluma. El incremento de la velocidad del viento provoca una mayor mezcla y una prdida ms rpida de la flotabilidad (USEPA 2005). La altura de la pluma (Figura 5-13) se define como la distancia entre el suelo y el centro horizontal de la pluma (USEPA 2005). Existen muchos medios para calcular la elevacin de la pluma, pero los mtodos ms comnmente empleados son los propuestos por Briggs (USEPA 2005). El mtodo de Briggs es semi-emprico y depende de la velocidad de salida de la pluma, la diferencia de temperatura respecto del aire ambiental, la altura de descarga y la estabilidad atmosfrica. Estos parmetros se basan en la elevacin de la chimenea (h). La Figura 5-14 muestra la ecuaciones de Riggs de elevacin de la pluma, con la siguiente informacin adicional, principalmente el parmetro de flujo de flotacin (Fb) y el(los) parmetro(s) de estabilidad.

T T Fb = g vs rs2 s a T s Repblica del Per

5-5

61



Figura 5-13 Elevacin de la Pluma

Viento Lnea Central de la Pluma

Borde del Pluma

Figura 5-14 Ecuaciones de la Elevacin de la Pluma de Briggs

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donde,

g vs rs Ts Ta

= = = = =

aceleracin gravitacional [9,81 m/s2]; velocidad de salida vertical de la pluma [m/s]; radio de la chimenea en el punto de salida [m]; temperatura de salida de la pluma [K]; y temperatura ambiental a la altura de la salida [K].

El ISC-PRIME utiliza este mtodo. AERMOD utiliza este mtodo cuando la atmsfera es estable, pero en una atmsfera inestable, AERMOD cambia su mtodo de clculo para considerar la conveccin (USEPA 2003). 5.3.3 Altura de Mezcla

La altura de mezcla atmosfrica o capa lmite atmosfrica es la profundidad de la regin, desde el suelo hasta cierta altitud, en donde la atmsfera se encuentra bien mezclada. En una noche clara, puede ocurrir una inversin cerca a la superficie de la tierra, es decir, la temperatura aumenta con la altura. Sin embargo, una vez que el sol sale y comienza a calentar el aire, empieza a formarse una gradiente vertical negativa. Casi a la mitad del da, se forma una capa inestable y mezclada (Figura 5-6). La altura de la capa de mezcla se basa generalmente en observaciones del aire en la parte ms alta. Bajo ciertas condiciones, las plumas pueden interactuar con los techos de inversin. Si la pluma puede penetrar totalmente la inversin, entonces la concentracin a nivel del suelo se reducir debido a que la inversin evitar la dispersin a sotavento. Si la pluma no puede penetrar la inversin, entonces las emisiones quedarn atrapadas dentro de la capa atmosfrica. Los contaminantes emitidos por debajo de la altura de mezcla pueden dispersarse dentro de la capa mezclada, pero no pueden escapar de forma vertical. Por lo tanto, la altura de la capa de mezcla determinar el volumen de aire disponible para la dispersin y, consecuentemente, las concentraciones de contaminantes.

g T A z T + = z z s=donde,

5-6

g Ta T/z /z

= aceleracin gravitacional [9,81 m/s2]; = temperatura ambiental [K]; = gradiente de temperatura vertical o gradiente vertical (K/km); = gradiente de temperatura vertical potencial (K/km); y = DALR (1 K/100 m).

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5.45.4.1

CONSIDERACIONES PARA EL MODELAMIENTOEfectos Aerodinmicos

En algunas circunstancias una pluma emitida por una chimenea puede ser capturada en la estela aerodinmica de la chimenea o de un edificio. Una estela aerodinmica es una regin de flujo turbulento a sotavento de una obstruccin. Deflexin del aire por la punta de chimenea Si el momento de emisin de la chimenea (i.e., la velocidad) es muy bajo, la pluma puede ser dirigida al rea de baja presin localizada a sotavento de la chimenea. Cuando una pluma es capturada en esta estela de la chimenea de emisin, se denomina deflexin del aire por la punta de la chimenea (Figura 5-15). Esto tiende a ocurrir cuando la velocidad del viento es significativamente mayor que la velocidad de salida de la pluma (USEPA 2005). Figura 5-15 Deflexin del Aire por la Punta de la Chimenea Viento

Se ha desarrollado un mtodo para ajustar la elevacin de la pluma cuando ocurre deflexin del aire por la punta de la chimenea, en base al mtodo de elevacin de la pluma de Briggs. El ajuste utiliza un factor de correccin, f, que depende del clculo de la velocidad de salida de la chimenea y velocidad del viento. La elevacin de la pluma es ajustada de acuerdo a:

donde:

5-7 Si la velocidad de salida de la chimenea es menor o igual que la velocidad del viento, no se observar elevacin de la pluma; la pluma es capturada en la estela de la chimenea inmediatamente despus de su emisin (i.e., f=0). Si la velocidad de salida de la chimenea es mayor que 1,5 veces la velocidad del viento, no se observar deflexin del aire por la punta de la chimenea, la pluma no es afectada (f=1). Si la velocidad de salida de la chimenea es mayor a la velocidad del viento, pero menor o igual a 1,5 veces la velocidad del viento, entonces:

h = f h

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f =donde:

3(v s u ) vs

5-8

u = velocidad del viento a la altura de la chimenea. vs = velocidad de salida de la chimenea.

Deflexin del Aire por Edificios La deflexin del aire por edificios es similar a la deflexin del aire por la punta de la chimenea, i.e., se crea una zona de baja presin o cavidad a sotavento del edificio. El flujo de aire sobre y alrededor de un obstculo tal como un edificio puede producir una cavidad de deflexin del aire que se extiende 0,5 veces la longitud del edificio por encima de ste y de 2 a 4 veces la longitud del edificio a sotavento del obstculo, cuando la longitud del edificio es menor a la altura o ancho del edificio. A distancias de sotavento de 10 a 20 veces la longitud del edificio, el flujo de aire retorna a las condiciones previas al obstculo. La dispersin de contaminantes es tratada de dos maneras: 1. se reduce la elevacin de la pluma; y 2. se mejoran los coeficientes de dispersin (en forma vertical y horizontal). El potencial de que ocurra una deflexin del aire por edificios depende, por lo menos en parte, de la altura de emisin de la pluma (Figura 5-16). Si la chimenea es lo suficientemente alta, no ser necesario tomar en cuenta los efectos de la deflexin del aire por edificios. USEPA define una altura GEP de chimenea (i.e., de Buena Prctica en Ingeniera) como la altura del edificio ms 1,5 veces la altura o ancho del edificio, el que fuera ms pequeo (USEPA 2005). Las emisiones de las chimeneas que cumplen este criterio de altura no necesitan ser evaluadas con relacin a los efectos de la deflexin del aire por edificios. Es necesario considerar la altura de todos los edificios aledaos en esta evaluacin. Figura 5-16 Efectos de Estela de Edificios

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Para determinar qu edificios se encuentran cerca, puede definirse un rea de influencia para cada edificio (MOE 2005). Una Zona de Influencia de la Estructura rectangular (Structure Influence Zone - SIZ) puede definirse de la siguiente manera, donde L es la altura del edificio o ancho proyectado, el que fuera ms pequeo (MOE 2005):1. Dos lneas, una a 5L a sotavento del edificio, y otra a 2L a barlovento; y 2. Dos lneas que conectan las dos lneas anteriores formando un rectngulo, cada una ubicada a 0,5L de cada lado del edificio.

Un mtodo comnmente utilizado para la contabilizacin de los efectos de la estela del edificio en el modelamiento de la dispersin es el PRIME: Plume Rise Model Enhancements (Mejoramiento del Modelo de Elevacin de la Pluma). Este algoritmo ha sido aplicado tanto en el ISCST3 (para producir ISC-PRIME) como en el AERMOD (MOE 2005). PRIME realiza las siguientes dos funciones (MOE 2005):1. modela el incremento de dispersin en la estela de turbulencia, incrementando los valores de los coeficientes de dispersin, y y z; y 2. disminuye la elevacin de la pluma para aumentar el arrastre del aire ambiental en la pluma y el retorno de las lneas de flujo desplazadas a sus vectores originales.

Los modelos que incorporan el algoritmo PRIME requieren ingreso de datos producidos por otro programa, BPIP-PRIME: Building Profile Input Program Plume Rise Model Enhancement (Programa para Ingreso de Perfiles de Edificio Mejoramiento del Modelo de Elevacin de la Pluma) (MOE 2005). El BPIP-PRIME realiza las siguientes tareas (MOE 2005):1. una evaluacin inicial de las chimeneas que sern afectadas por las estelas de los edificios (si hubieran); y 2. para estructuras que afecten las emisiones de la chimenea, se calculan las alturas GEP y los anchos proyectados para los edificios.

5.4.2

Terreno Complejo

La trayectoria que sigue una pluma y la turbulencia que causa su dispersin son afectadas por varias caractersticas del terreno incluyendo: Vientos del valle (anabtico, catabtico); Brisa de la Tierra/Mar; Convergencia de Canalizacin/Banda de sotavento; y Levantamiento orogrfico.

La magnitud de los efectos del terreno depende de factores tales como la elevacin, la forma del terreno, la altura relativa de la pluma con relacin al terreno y las condiciones meteorolgicas prevalecientes. Cuando el viento se aproxima a un obstculo que se encuentra en su camino, ste bordear el obstculo, pasar por encima de l, o har ambas cosas (Figura 5-17). En algunos casos, golpear directamente en la colina. Puede usarse el nmero de Froude (Fr) para calcular lo que har la pluma. ste representa la relacin de energa cintica en el fluido para que la energa potencial pase por encima de la colina. El nmero de Froude est dado por:

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Energa cintica del fluido

Fr =Energa potencial necesaria para sobrepasar la colinaRemolinos

Fr =

Up NH t5-9

N2 = s =

g T A z T = + z z

5-10

donde,

N Up Ht g Ta T/z /z

= Frecuencia de Brunt-Vaisala; = velocidad del viento en la cima de la chimenea hasta la capa de la altura de la colina; = altura de la colina; = aceleracin gravitacional [9,81 m/s2]; = temperatura ambiental [K]; = gradiente vertical de temperatura o ndice del lapso [K/km]; y = gradiente de temperatura vertical potencial [K/km].

Figura 5-17 Flujo sobre Terreno Elevado

Una lnea de flujo divisoria (Hd) representa la divisin del flujo de aire alrededor y sobre la colina (Figura 5-17) y se define de la siguiente manera:

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Modelamiento Dispersin ContaminantesH d = H h (1 Fr )Donde,

5-11

Hh Fr

= altura de la colina: y = Nmero Froude.

El ISC-PRIME y el AERMOD son capaces de manejar terrenos complejos. El AERMOD utiliza la teora de la lnea de flujo anteriormente descrito, mientras que el ISC-PRIME presenta un enfoque simplificado.

5.55.5.1

DISPONIBILIDAD DE LOS MODELOSSeleccin de Modelos

Tal como lo establece la Gua de Modelos de Calidad de Aire de la USEPA (2003a), la aplicabilidad de un modelo especfico de calidad de aire para la evaluacin del impacto de una fuente depende de varios factores, entre los cuales se incluyen: el nivel de detalle y precisin requerido para cumplir con los objetivos del anlisis, el detalle, precisin y disponibilidad de los datos de entrada necesarios para el modelo (i.e., inventario de emisiones, informacin meteorolgica, informacin de calidad de aire) la naturaleza fsica del sistema a ser analizado (i.e., caractersticas de los contaminantes, fuentes y procesos de transporte y dispersin en el rea), la competencia tcnica de las personas que realizarn el modelamiento, los recursos disponibles (e.g., computadoras, software).

Los objetivos del anlisis pueden incluir la seleccin de ubicaciones para las estaciones de monitoreo de calidad de aire o la evaluacin del cumplimiento de una fuente con los estndares de calidad de aire ambiental. En los estudios de seleccin de ubicaciones deben identificarse las reas de mayor frecuencia de concentraciones altas. Cuando se trata de evaluar el cumplimiento de una fuente, slo la mayor o la segunda mayor concentracin estimada podran ser de inters. Los enfoques para el modelamiento en estos dos casos podran no ser los mismos. Deben estar disponibles los datos apropiados antes de pretender aplicar un modelo. Un modelo que requiera datos de entrada detallados y precisos no debera ser usado cuando tales datos no estn disponibles. Sin embargo, asumiendo que los datos son los adecuados, cuanto mayor sea el detalle con el que un modelo considera las variaciones espaciales y temporales en las emisiones y las condiciones meteorolgicas, mayor ser su capacidad para evaluar el impacto de la fuente y distinguir los efectos de diferentes estrategias de control. La mayora de los programas de procesamiento de informacin meteorolgica y los modelos de dispersin de aire requieren datos completos de todos los parmetros por una determinada cantidad de horas. Los datos que falten deben ser reemplazados con datos promedio para asegurar que los modelos de dispersin de aire puedan funcionar. En los casos en que falten datos de una o dos horas, se puede realizar una interpolacin linear de los datos.

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Para los periodos en que falten datos de hasta siete das, se pueden sustituir los datos con promedios sintetizados de los registros de la estacin meteorolgica. Para periodos continuos mayores a siete das, se debe considerar que falta informacin y la extensin de la base de datos debe reducirse a la extensin de los datos que faltan. Por ejemplo, en el caso de que falten datos de tres semanas de muestreo, la extensin total de la base de datos c

minem gia calidad de aire

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