TEMA 3. DINÁMICA DE LA ATMÓSFERA Y DISPERSIÓN DE CONTAMINANTES

TECNOLOGÍA DEL MEDIO AMBIENTEBLOQUE 1: CONTAMINACIÓN ATMOSFÉRICA

DINÁMICA DE LA ATMÓSFERA Y DISPERSIÓN DE CONTAMINANTES (I)

1.Estructura y propiedades de la atmósfera

2.Movimientos horizontales en la atmósfera: vientos

3.Movimientos verticales en la atmósfera: concepto de estabilidad atmosférica

3.1. Modelización: gradiente adiabático seco

3.2. Fenómenos de inversión térmica

4.Dispersión de contaminantes en la atmósfera

4.1. La relación emisión-inmisión: modelos de dispersión

4.2. Factores que afecta a la dispersión de contaminantes

4.3.Chimeneas: factores y estrategias de diseño

5.Modelos de caja fija

6.Modelo del penacho gaussiano

6.1.Modelo base

6.2.Influencia de las condiciones atmosféricas: condiciones de Pasquill

DINÁMICA DE LA ATMÓSFERA Y DISPERSIÓN DE CONTAMINANTES (II)

6.3. Modificaciones al modelo base

- Efecto del suelo. Efectos topográficos

- Capas de inversión

- Emisión de partículas

- Emisiones de flotabilidad negativa

- Emisiones discontinuas y fuentes no puntuales

7. Sobreelevación del penacho: concepto y evaluación

7.1. Fórmula de Holland

7.2. Fórmula de Briggs

8. Diseño de chimeneas mediante fórmula

Estructura y composición de la atmósfera

Capa límite planetaria (1 km)

20 % masa

80 % masa

20 % masa

Movimientos horizontales en la atmósfera: vientos

• La circulación global del aire viene dada por las células de Hadley

•Sin embargo la dirección e intensidad de los vientos son modificadas por diversos factores:

•Gradientes de presión

•Fuerza de Coriolis

•Fuerza centrifugas

• Fenómenos de fricción

• Vientos locales

Vientos geostróficos

Vientos de gradiente

Vientos locales

Brisas de mar y tierra Gradientes de valle y montaña Circulación urbana = islas de calor

Pueden tener un peso mayor que los componentes globales

Movimientos verticales en la atmósfera: ESTABILIDAD

ATMÓSFERA NEUTRA(adiabática)

• Los procesos de cambio de volumen de una masa de aire para conseguir el equilibrio térmico con los alrededores, pueden considerarse adiabáticos

m100/Cº1m/K00976.0c

g

dz

dT

P

Movimientos verticales en la atmósfera: ESTABILIDAD

ATMÓSFERA INESTABLE (superadiabática)

Movimientos verticales en la atmósfera: ESTABILIDAD

ATMÓSFERA ESTABLE(subadiabática)

Fenómenos de Inversión

Inversión de superficie Inversión por radiación Inversión advectiva

Inversiones en altura Inversión por subsidiencia Inversión frontal Inversión advectiva

z

z

T

T

Fenómenos de Inversión

Inversión por radiación Inversión por subsidiencia

Dispersión de contaminantes: penachos

Se trata de buscar modelos que relacionen emisión con inmisión

La dispersión dependerá de: Caudal de contaminante emitido Altura Condiciones de temperatura y vientos Velocidad de los gases en chimenea Temperatura de los gases

Diseño de chimeneas Mediante fórmula Modelos de dispersión

De caja fija (sólo efecto del caudal emitido sobre el nivel de inmisión)

Modelos gaussianos

Dispersión de contaminantes: penachos

SERPENTEANTE

CÓNICO

TUBULAR

FUMIGANTE

ANTIFUMIGANTE

ATRAPADO

Modelos de dispersión de caja fija

Plantea el balance de materia a un elemento de control

Es una sistemática sencilla y útil para dar resultados aproximados

Puede prever efectos aditivos

No es útil para el diseño de chimeneas (sólo permite estudiar el caudal emitido)

Las suposiciones del modelo son problemáticas (grado de mezcla, uniformidad, altura)

Variantes:• Euleriana (elemento de

control fijo)• Lagrangiana (elemento

de control estacionario)

Modelización de la dispersión de contaminantes en la atmósfera

MODELO BASE

Término convectivo

Término dispersivoTérmino de RQ

Otras entradas y salidas

Modelos de dispersión: penacho gausiano

= Relación entre coeficiente de dispersión y parámetro

Modelos de dispersión: penacho gausiano

MODELO BÁSICO

Caudal de emisión constante

Velocidad del viento constante

Contaminante conservativo

No efectos topográficos

2

2

2

2*

2)(

exp2

exp···2

),,(zyzy

HzyuQ

zyxC

Estimación de parámetros

Aspectos metereológicos (Categorías de Pasquil)

• Velocidad del viento

• Estabilidad atmosférica

p

refref z

Huu

Estimación de parámetros

Estimación de parámetros

fcxax dzy 894.0

x < 1 km x > 1 km

a c d f C d f

A 213 440.8 1.941 9.27 459.7 2.094 -9.6

B 156 106.6 1.149 3.3 108.2 1.098 2.0

C 104 61.0 0.911 0 61.0 0.911 0

D 68 33.2 0.725 -1.7 44.5 0.516 -13.0

E 50.5 22.8 0.678 -1.3 55.4 0.305 -34.0

F 34 14.35 0.740 -0.35 62.6 0.180 -48.6

•Los valores calculados se expresarán en metros cuando x se exprese en kilómetros.

Coeficientes de dispersión

Estimación de parámetros

Concentraciones máximas a nivel de suelo

max

max

Q

Cu

u

Qc H

H

(CuH/Q)max (m-2)

x max

(k

m)

(H, m)

Modificaciones del modelo básico del penacho gaussiano

Efecto del suelo descrito mediante la teoría especular

Capas de inversión En superficie: categoría F En altura: teoría especular

Efectos no conservativos (partículas), Ec. de Bonsaquet

Efectos topográficos

Efectos de edificios: Efectos de bañado Efectos de apantallamiento

Efectos aditivos (superposición de penachos, emisiones lineales)

2

2

2

2

2

2*

2)(

exp2

)(exp·

2exp

···2),,(

zzyzy

HzHzyuQ

zyxC

Penacho gaussiano con inversión en altura

LyH

XxparaLu

QxC 2

)2()0,(

2/1

•XL = distancia en la dirección del viento donde la columna interactúa primero con la

capa de inversión.

Lz XxparaHL )(47.0

•Para x<XL: ecuación general

•Para distancias entre XL y 2XL: interpolación entre valores calculados para x =XL y x=2XL

Modificaciones del modelo básico del penacho gaussiano

Emisiones lineales Emisiones Fuentes

Móviles Columnas

chimeneas

Emisiones instantáneas (nube, puff)

Emisiones de flotación negativa

Fórmula de Van Ulde

a

apo

VgtRR

0

3/1022

)·2

2

2

2

22

66.0

·

2

1exp

·2),,,(

zyxzyx

m zytuxQtzyxC

u

qxC

z ··2

2)(

Caudal de emisión (g/(m·s))

A nivel de suelo, fuente móvil perpendicular al viento

Evaluación de la sobreelevación del penacho

Hace referencia a la altura que suben los gases a la salida de chimenea sin sufrir fenómenos de dispersión apreciables. Dependerá tanto de las características de la corriente emitida como de las condiciones atmosféricas

Metodologías: FÓRMULAS GENERALES (Holland). FÓRMULAS ESPECÍFICAS (Briggs)

s

ass

TTT

DPuDv

h)(

··10·68.25.1 3

Ec. de Holland

Evaluación de la sobreelevación del penacho: Fórmulas de Briggs

Categorías E y F (estabilidad)

Catagorías A-D (inestable)

3/1

·6.2

SuF

hh

s

as T

TvrgF 1·· 2

mCzT

Tg

S a

a

/º01.0

Flotabilidad del penacho

Parámetro de estabilidad

h

f

u

xFh

32

31

··6.1

344.0 /55·120 smFFx f

3485

/55·50 smFFx f

Programas de simulación de dispersión

Environmental Protection Agency, EPA

Proyecto CALIOPE

Programa Características

Support Center for Regulatory Air Models (SCRAM)

Modelo gaussianoFórmulas de Briggs

Industrial Source ComplexModel short-term (ISCST3)

Modelo gaussianoParámetros (velocidad de emisión y datos meteorológicos) constantes durante el ensayo

Industrial Source Complex Model long-term (ISCLT3)

Similar a ISCST3 pero varía parámetros

Screening Models (SCREEN 3) Se emplea en casos en que hay pocas fuentes o emisiones no muy largas. Tiene en cuenta efectos topográficos

CALPUFF Construye el penacho como una serie de nubes.Modelo de dispersión no estacionario.Simula el espacio/tiempo.Tienen en cuenta variación de condiciones meteorológicas y reactividad

Bibliografía

MASTERS, G.M. “Introduction to EnvironmentalEngineering and Science”, Ed. Prentice-Hall, UpperSadle River (1998)

WARK, K.; WARNER, C.F.; "Contaminación del aire: origen y control", Limusa, Méjico (1999)

SEINFELD, J.H., S.N. PANDIS, “Atmospheric Chemistry and Physics: from air pollution to climate change”, Wiley, Nueva Jersey (2006)