Modelagem e Simulação da Dispersão Atmosférica

8/3/2019 Modelagem e Simulao da Disperso Atmosfrica

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S I M U L A O D A D I S P E R S O

ATMOSFE R IC A D E PARTIC ULA S

[DIGITE O SUBTTULODO DOCUMENTO]

MODELO DE SIMULAO DA DISPERSOATMOSFRICA DE MATERIAL PARTICULADO

Dr. GEORGES KASKANTZIS

[email protected]


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MODELAGEM E SIMULAO DA DISPERSO ATMOSFERICA DE

EMISSES GASOSAS E MATERIAL PARTICULADO

DISPERSO ATMOSFRICA

Na modelagem da disperso atmosfrica dos compostos consideram-se diversos

fatores, como, por exemplo as condies meteorolgicas e climticas, e as caractersticas

das fontes emissoras, Os parmetros usuais considerados em estudos dessa natureza so:

temperatura mdia ambiente, umidade relativa do ar; as distribuies de frequncias da

velocidade e das direes dos ventos; a radiao solar; as condies de estabilidade da

atmosfera; o relevo; e outros,

A disperso atmosfrica um processo complexo, A movimentao e a circulao

das correntes na regio baixa da atmosfera, chamada camada limite atmosfrica

(referncia) so governadas pela turbulncia, que o fenmeno de transporte de

quantidade de movimento de natureza aleatria, significando que o estudo desse tipo de

fenmeno exige a utilizao de ferramentas estatsticas,

O significativo nmero de variveis envolvidas no processo da disperso atmosfrica

dificulta a modelagem e a simulao, sendo necessria a utilizao de equaes e

programas de computador sofisticados para simular os cenrios de interesse, Estes

modelos matemticos devem ser capazes o suficiente para representar os campos de

velocidade sob efeitos da turbulncia, assim como o transporte e disperso dos compostos

em superfcies irregulares sob condies de extrema estabilidade da atmosfera,

SISTEMA AERMOD

O sistema digital de simulao dos fenmenos da disperso atmosfrica

denominado AERMOD da Sociedade Americana de Meteorologia e Agencia de ProteoAmbiental Americana (EPA) foi desenvolvido visando reposio do sistema Industrial

Source Complex - Disperson Model ISC3, O AERMOD o atual estado da arte na

modelagem e simulao da disperso atmosfrica,

O sistema AERMOD constitudo pelo programa principal, AERMOD, e por duas

rotinas para o pr-processamento dos dados: AERMET, AERMAP, O AERMET organiza os

dados meteorolgicos para processamento no AERMOD, O AERMAP prepara os dados do

terreno, das fontes emissoras e receptores para serem utilizados no AERMOD, A


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incorporao da disperso de compostos na camada limite convectiva o ponto que

diferencia o sistema AERMOD dos demais modelos regulatrios existentes na atualidade,

O AERMET a rotina de computador responsvel pela organizao dos dados de

meteorologia visando a determinao da camada limite atmosfrica, Os dados de entradarequeridos pela rotina AERMET so: os registros horrios das variveis na superfcie e ao

longo da altitude, Os dados de superfcie so coletados nas estaes meteorolgicas

manuais ou automticas, enquanto os dados de altitude so obtidos atravs de bales que

possuem equipamentos de radiossondagem,

O AERMET prepara os dados de entrada em trs etapas, Inicialmente, os dados

meteorolgicos de entrada so organizados em funo da data e da hora em que foram

registrados, Em seguida, a rotina separa os dados horrios e na terceira etapa o AERMET

faz a leitura dos dados agrupados e a estimativa dos parmetros da camada limite,

Os dados de entrada necessrios no AERMET so: a) caractersticas da superfcie,

tais como: a reflexo (nmero de Albedo) e a rugosidade; b) dados meteorolgicos tais

como: campo de velocidade, direo do vento, temperatura ambiente e cobertura de

nuvens, Os dados de sada do AERMET so: a velocidade de frico; o comprimento de

Monin-Obukhov; a altura de mistura; as escalas da velocidade convectiva e da temperatura;

o fluxo de calor,

Os resultados do AERMET so transferidos pela interface meteorolgica do

AERMOD, visando a estimativa do perfil vertical de velocidades dos ventos, dos

coeficientes de turbulncia vertical e lateral e gradientes de temperaturas,

O AERMAP foi elaborado para o processamento dos dados de entrada, tais como:

do terreno, receptores e fontes emissoras, Os modelos de disperso utilizados para

simulao do movimento dos poluentes sobre superfcies planas ou irregulares requerem na

entrada as caractersticas do terreno, consideradas relevantes, porque elas interferir nos

resultados de sada do programa,

Os dados de entrada do AERMAP so: localizao das fontes emissoras e

receptores e modelo digital do terreno, Os dados de sada do AERMAP so: grade de

localizao das fontes emissoras e receptores; a elevao do terreno; a altura da base e a

escala de altura das fontes emissoras,

Os dados de entrada requeridos no AERMOD so os valores iniciais das variveis

meteorolgicas de superfcie e de altitude, Os dados meteorolgicos de superfcie so:


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temperatura; velocidade e direo do vento; data do registro, Os dados de altitude so os

valores da temperatura em funo da altitude,

EQUAES DO MODELO

Utilizando os resultados do processamento inicial dos dados, a interface do

AERMOD estima: o perfil vertical da velocidade do vento; o perfil da direo do vento; o

perfil do gradiente da temperatura potencial; o perfil da temperatura potencial e os valores

dos coeficientes de disperso turbulenta vertical e lateral, As equaes e as rotinas de

clculo do AERMOD se encontram anexos no documento EPA-454/R-03-004 (EPA, 2004),

O AERMOD um sistema digital avanado que interliga um conjunto de rotinas de

computador, como, por exemplo o programa do modelo matemtico da disperso

atmosfrica de compostos no estado estacionrio, Esse programa calcula o campo dasconcentraes em funo da posio do receptor, a partir do valor mdio horrio de

variveis de condies meteorolgicas Esse modelo foi desenvolvido para estudar os

fenmenos e impactos oriundos das emisses de compostos sobre terrenos planos e

complexos (irregulares),

Na regio estvel da camada limite atmosfrica, o modelo AERMOD adota que a

distribuio dos valores das concentraes dos compostos Guassiana em todas as

direes, Na regio convectiva da camada limite, adota-se tambm que a distribuiovertical do perfil das concentraes segue a funo de densidade de probabilidades bi-

Gaussiana, A equao geral que calcula os valores da concentrao do composto que

dispersa na atmosfera em condies estveis e convectivas tem a forma:

}pz,ry,r{xsc,f).C(1}rz,ry,r{xsc,f.C}rz,ry,r{xTC

onde: CT {xr, yr, zt}: a concentrao total; CT {xr, yr, zr} a concentrao da pluma na

direo horizontal; Cc,s {xr, yr, zp} a concentrao na superfcie; f a funo peso da

pluma; z p a altura do receptor no solo; z r a altura do receptor em relao ao local da

fonte; z t a elevao do terreno em relao posio do receptor; e o subscrito c e s

indicam condio estvel e convectiva, respectivamente,

Para calcular os campos das concentraes do composto da camada limite

convectiva e da camada limite estvel, em geral, so utilizadas as equaes:

Concentrao na Camada Limite Convectiva

}rz,ry,r{xpC}rz,ry,r{xrC}rz,ry,r{xdC}rz,ry,r{xcC


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onde: Cc {xr, yr, z r} a concentrao do composto na camada limite convectiva; Cd {xr, yr, z

r} a contribuio da concentrao da fonte direta; Cr {xr, yr, zr} a concentrao da fonte

indireta; Cp {xr, yr, zr} a contribuio da fonte penetrao,

Concentrao na Camada Limite Estvel

-m 2zs

2

2)

ieffzm2

esh(z

exp

2zs

2

2)

ieffzm2-

esh-(z

exp

yF.

zs

~u2

Q}

rz,

ry,

r{xs

C

onde: C{xr, yr, zr } a contribuio no resultado da concentrao direta da fonte; hes a

altura da fonte estvel; Fy representa a funo de distribuio lateral do coeficiente dedisperso; o coeficiente de disperso,

DADOS METEOROLGICOS

Visando o estudo da disperso atmosfrica dos compostos responsveis pelos maus

odores identificados na regio de estudo, provavelmente, na sua grande maioria,

provenientes da estao de tratamento de gua de Santa Quitria, foram utilizados os

dados meteorolgicos registrados no perodo de 01/01/2005 a 30/10/2008, na estao

meteorolgica WMO 82840, A citada estao se encontra estabelecida no Aeroporto Afonso

Pena de Curitiba, no municpio de So Jos dos Pinhais, nas coordenadas geogrficas: 25

31S; 4910 W, a 908m de altitude do nvel do mar,

Os registros dos dados horrios das variveis de superfcie foram adquiridos da

National Climatic Data Center (NCDC), na pgina eletrnica do NCDC da rede mundial de

computadores - Internet, O arquivo do NCDC dos EUA contm 42,657 registros,

Inicialmente, o arquivo eletrnico do NCDC foi organizado, visando obteno dosdados de entrada requeridos pelo AERMOD para simular a disperso atmosfrica do

composto estudado, Na sequncia, com os dados meteorolgicos do NCDC foram

elaboradas as rosas dos ventos, visando a determinao das frequncias das direes e

das velocidades predominantes dos ventos na regio de estudo, Os resultados desta etapa

se encontram apresentados na tabela C e nas figuras J O,

Na tabela acima indica-se que as frequncias das direes e velocidades dos

ventos, determinadas com os 16056 registros da estao meteorolgica WMO 82840,


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apresentam quatro faixas de distribuio de frequncias. Os resultados da tabela indicam

que as velocidades do vento variam na faixa de 0,5 a 2,1 m/s, com frequncias de 37%.

A rosa dos ventos foi elaborada a partir dos dados registrados em 2007 e 2008, para

as quatro estaes do ano (primavera, vero, outono e inverno e para os quatro perodos dodia: de 24:00 as 06:00 h; de 06:00 as 12:00 h; de 12:00 as 18:00 h, de 18:00 as 24:00 h. Os

resultados dessa etapa se encontram ilustrados nos grficos das figuras 19 26.

Tabela 11, Frequncias das velocidades e das direes predominantes dos ventos.

Direo (graus) e faixa develocidade do vento (m/s)

0,5 - 2,1 2,1 - 3,6 3,6 - 5,7 5,7 - 8,8 8,8 - 11,1 >= 11,1 Registros

348,75 - 11,25 585 169 123 30 1 1 90911,25 - 33,75 846 316 178 33 0 0 137333,75 - 56,25 795 318 292 91 0 1 1497

56,25 - 78,75 733 375 558 205 3 0 187478,75 - 101,25 836 588 954 366 6 2 2752101,25 - 123,75 707 565 926 373 2 2 2575123,75 - 146,25 282 157 225 85 0 0 749146,25 - 168,75 109 46 47 18 1 0 221168,75 - 191,25 89 42 46 21 0 0 198191,25 - 213,75 101 76 112 47 5 1 342213,75 - 236,25 150 107 169 80 8 3 517236,25 - 258,75 139 115 158 114 11 6 543258,75 - 281,25 146 112 172 146 6 9 591281,25 - 303,75 145 101 186 163 21 6 622303,75 - 326,25 218 129 222 192 17 2 780326,25 - 348,75 200 111 124 74 4 0 513

Total de registros 6081 3327 4492 2038 85 33 16056Contribuio (%) 37,87 20,72 27,98 12,69 0,53 0,21 100

Na tabela acima indica-se que as frequncias das direes e velocidades dos

ventos, determinadas com os 16056 registros da estao meteorolgica WMO 82840,

apresentam quatro faixas de distribuio de frequncias. Os dados da tabela indicam que

as velocidades do vento variam de 0,5 a 2,1 m/s, com frequncias de 37%.

A rosa dos ventos foi elaborada com os dados de 2007 e 2008, para as quatro

estaes do ano (primavera, vero, outono e inverno e para quatro perodos do dia: de24:00 as 06:00 h; de 06:00 as 12:00 h; de 12:00 as 18:00 h, de 18:00 as 23:00 h. Os

resultados dessa etapa se encontram ilustrados nos grficos das figuras 19 26.

Na figura 19, nota-se que a predominncia do vento e do Leste (E), com 23,3% das

ocorrncias, com velocidades de 0,5 a 2,1 m/s, 37,87% das ocorrncias. Levando em conta

as contribuies de todas as componentes da direo do vento, o vetor resultante est a 69

graus (ENE), com 41% das ocorrncias. Para o vetor fluxo do vento a predominncia para

Oeste (W) e, o vetor resultante 41 graus para oeste-sudoeste (WSW). Na figura 20, pode-se notar a predominncia de estabilidade atmosfrica neutra (D), com 46% das ocorrncias.


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As caractersticas do vento nas estaes do ano: primavera, vero, outono e inverno

esto nas figuras 21 a 25. Na figura 26, pode-se observar o comportamento do vento em

funo dos perodos do dia. Na estao da primavera a predominncia do vento de Leste

(E), com 21,11% das ocorrncias, com velocidade de 3,6 a 5,7 m/s, 35,6% das ocorrncias

Figura 19. Direo da velocidade para o perodo de 22 meses, de 1/1/07 a 31/10/08


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Figura 20. Fluxo do vento para o perodo de 2007 a 2008

Figura 21. Distribuio das frequncias de velocidade dos ventos e das classes deestabilidade atmosfrica, para o perodo de 22 meses, de 01/01 2007 a 31/10/2008


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Figura 22. Distribuio de frequncias das velocidades e direes do vento e das classesde estabilidade atmosfrica para a estao da primavera


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Figura 23. Distribuio de frequncias das velocidades e direes do vento e das classesde estabilidade atmosfrica para a estao do vero


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Figura 24. Distribuio de frequncias das velocidades e direes do vento e das classes

de estabilidade atmosfrica para a estao do outono


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Figura 25. Distribuio de frequncias das velocidades e direes do vento e das classesde estabilidade atmosfrica para a estao do inverno


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(A)Perodo do dia: 00h 06h; V mdia = 2,88 m/s

(B)Perodo do dia: 06h -12h; V mdia = 2,64 m/s

(C)Perodo do dia: 12h 18h; V mdia = 4,40 m/s

(D)Perodo do dia 18h 23h; V mdia = 4,52 m/s

Figura 26. Comportamento do vento em funo do perodo do dia


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No vero, a predominncia do vento de leste-sudeste (ESE), com 22,57% das

ocorrncias, e a velocidade na faixa de 0,5 a 2,1 m/s, com 33,3% das ocorrncias. No

outono a predominncia do vento de leste-sudeste (ESE), 17,71% das ocorrncias, e

a velocidade varia na faixa de 0,5 a 2,1 m/s, com 43,6% das ocorrncias. Finalmente,

na estao do inverno nota-se predominncia do vento de Nordeste (NE), 12,41% das

ocorrncias, e a velocidade varia de 0,5 a 2,1 m/s, com 42,51% das ocorrncias.

Na Figura 26 indica-se o comportamento do vento em funo dos perodos do

dia. Da meia-noite s seis horas da manh, a velocidade mdia do vento 2,88 m/s e

predomina classe de estabilidade atmosfrica E, com 41,1% das ocorrncias. Das seis

horas da manh ao meio-dia, a velocidade mdia do vento 2,64 m/s, predominando

a classe de estabilidade atmosfrica D, com 48,56% das ocorrncias.

No perodo do meio-dia s seis horas, a velocidade mdia do vento 4,40 m/s,

e a classe de estabilidade atmosfrica predominante e D, 61,14% das ocorrncias. No

perodo da noite, das seis horas da tarde s onze horas da noite, a velocidade mdia

do vento 4,52 m/s, e a classe de estabilidade atmosfrica que predomina a D, com

52,18% das ocorrncias.

Considerando todos os resultados acima pode-se afirmar que a velocidade do

vento baixa e a direo predominante de Leste. Com relao s estaes do ano,

o vento apresenta um comportamento semelhante nas estaes da primavera, vero eoutono, alterando esse comportamento, a sua direo, apenas na estao do inverno.

A partir do resultado do comportamento do vento determinado em funo dos

perodos do dia, pode-se afirmar que no perodo da manh a velocidade mdia do

vento baixa, aumentando a partir do meio-dia e a classe de estabilidade atmosfrica

que predomina a D.

Dr. Georges Kaskantzis Neto

Modelagem e Simulação da Dispersão Atmosférica

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