Caso de estudio: Comparación de valores de exposición a los olores usando campos de viento en 2D y 3D con CALPUFF

sesion04 murguia05  El presente caso de estudio fue realizado en un centro de tratamiento de residuos gestionado por la Entitat de Medi Ambiente del Área Metropolitana de Barcelona (AMB). Dicho centro de tratamiento procesa aproximadamente 240.000 toneladas de residuos urbanos al año mediante procesos de compostaje y digestión anaerobia.

Murguia Walter1, Pagans Estel·la2, Heike Hauschildt3

1. Odournet México, Jardines de Madrid 7622, Monterrey, México. wmurguia@odournet.com T. +52 (55) 5677 1319

2. Odournet SL, Parc de Recerca UAB · Edificio Eureka, Barcelona, Spain.

3. Odournet Gmbh, Frauenhoferstr. 13, Kiel, Germany.

  Conflictos de interés: El autor declara que no existe conflicto de intereses.

  Editor académico: Carlos N Díaz.

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  Cita: Murguia Walter, Pagans Estel·la, Heike Hauschildt, 2014, Caso de estudio: Predecir los niveles de exposición a olores. Una comparación entre modelos CALPUFF de campos de viento 2D y 3D, Seminario Internacional de Olores en el Medio Ambiente, Santiago de Chile, www.olores.org

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  Palabras claves: AERMOD, modelo Gaussiano, exposición al olor, campo de viendo 2D, campo de viento 3D , CALPUFF.

 

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Resumen

  El presente caso de estudio fue realizado en un centro de tratamiento de residuos gestionado por la Entitat de Medi Ambiente del Área Metropolitana de Barcelona (AMB). Dicho centro de tratamiento procesa aproximadamente 240.000 toneladas de residuos urbanos al año mediante procesos de compostaje y digestión anaerobia. La planta tiene un amplio sistema de contención, y control de olores (lavado de gases, biofiltración, y dilución mediante dispersión) para minimizar las molestias inducidas por olores en la población.

  Como parte de su compromiso con la comunidad, la instalación ha realizado diversos estudios de olores con métodos estandarizados. Uno de los más difundidos fue el comisionado en 2006 por la AMB para evaluar en campo durante 9 meses la exposición a olores experimentada por la población. La evaluación de campo fue realizada en cumplimiento con la normativa Alemana VDI3940 Parte 1.

  De acuerdo a la normativa VDI 3940 Parte 1, un grupo de asesores Olfativos entrenados, y seleccionados en cumplimiento al estándar EN13725, mide los olores ambientales en la zona de influencia de la planta en una malla de receptores fija durante un número determinado de meses, días y horas del año en curso. El enfoque realizado provee las bases estadísticas necesarias para evaluar el nivel de molestias por olores en la localidad.

  Los hallazgos fueron reportados en una publicación[3] de divulgación científica, que dieron pie a considerar al modelo CALPUFF como una herramienta alternativa, y útil para efectos de modelación de olores en España. Los resultados del panel de campo VDI3940 generados por la AMB están disponibles al dominio público y fueron usados como base para evaluar las predicciones de CALPUFF 2D Lite, CALPUFF 3D Noobs, y CALPUFF 3D Hibrido.

Antecedentes

  CALPUFF es un sistema avanzado de modelación meteorológica, y de calidad del aire desarrollado en los Estados Unidos de América por ASG scientists, y adoptado por la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (US EPA) como modelo recomendado para aplicaciones de largo alcance (decenas a cientos de kilómetros). El modelo incluye algoritmos para considerar efectos en el corto alcance (p.e. terrenos accidentados) y para evaluar fenómenos de largo alcance como la remoción de contaminantes causada por deposición, transformación química, y efectos de visibilidad de concentración de material particulado.

  En Septiembre de 2008, la US EPA emitió un comunicado[4] para clarificar el status regulatorio del uso de CALPUFF en distancias menores a 50km. El documento denota que CALPUFF es recomendado para estimar la dispersión de contaminantes en el corto alcance cuando es necesario dar tratamiento adecuado a las variaciones en tiempo y espacio de los efectos meteorológicos de zonas complejas.

  A diferencia de modelos Gaussianos en estado estacionario, CALPUFF permite trayectorias variables, y/o curvas de las plumas de contaminantes, así como condiciones meteorológicas variables en estado no estacionario, y procesamiento de periodos de calma/baja velocidad de vientos mientras mantiene información de emisiones realizadas en horas previas. Este tipo de características es particularmente útil cuando es necesario evaluar en el corto alcance situaciones de dispersión complejas frecuentemente presentes en el sur de Europa. Algunas de las más comunes incluyen:

  • Topografía compleja que promueve la generación de caudales fríos, Terrain channeling, flujos pendiente arriba.
  • Estancamiento durante horas de calma, y vientos de baja velocidad.
  • Recirculación de contaminantes en condiciones de costa.
  • Fenómenos de acumulación de contaminantes, estancamiento, inversión, recirculación, fumigación.
  • Dominios de modelación con usos de suelo No homogéneos: residencial, comercial, industrial, ríos, mares, lagos, bosques, pantanos, tundra, nieve, hielo, suelos de agricultura, tierra no fértil, pastizales, entre otros.

  Los componentes principales del sistema de modelación son: CALMET, (un modelo meteorológico tridimensional), CALPUFF (un modelo de dispersión atmosférica de “puffs” en estado no estacionario), y Calpost (un software de postprocesamiento de datos).

  En términos muy sencillos, CALMET es un modelo meteorológico que genera campos de vientos horarios de vientos y temperatura en un dominio de modelación tridimensional. Campos bidimensionales asociados incluyen alturas de mezclado, características de superficie, y propiedades de dispersión. CALPUFF es un modelo de dispersión que emite “pufs” (nubes) de material de los focos de contaminantes, simulando dispersión y procesos de transformación en su trayectoria. Para tales efectos utiliza típicamente los campos tridimensionales generados por CALMET a partir de datos meteorológicos prognosticos por si solos, o aunado a datos meteorológicos de superficie y/o radiosondajes de estaciones de la zona. Esta configuración es conocida como CALPUFF Noobs y CALPUFF Hibrido respectivamente. Alternativamente existe la posibilidad de usar archivos de meteorología de otros modelos de dispersión como el Aermod. Este tipo de modelos son conocidos coloquialmente como CALPUFF Lite.

  Una de las grandes ventajas de que CALPUFF sea un modelo en estado no estacionario es que los “puffs” pueden cambiar de dirección conforme el viento cambia, permitiendo trayectorias curvas hasta que los “puffs” de materiales salen del dominio de modelación. Este mecanismo de trayectorias variables/curvas es válido en CALPUFF Lite, CALPUFF Noobs, y CALPUFF hibrido.

  Habiendo dicho esto, debe notarse que cuando se decide realizar un CALPUFF Lite las variaciones espaciales de los campos de vientos seleccionados no son incorporadas en la distribución de los “pufs” (nubes) de contaminantes en el periodo de simulación. En otras palabras la habilidad de CALPUFF de modificar las características de dispersión en función de las características de superficie (topografía y uso de suelo) son deshabilitadas por completo.

Metodología

  Un estudio comparativo de 3 modelos (CALPUFF 2D Lite, CALPUFF 3D Noobs, y CALPUFF 3D Hibrido) fue realizado para predecir la distancia de impacto por olores de un Centro de Tratamiento de residuos orgánicos. Para tales efectos las versiones más actuales disponibles de Aermet, CALMET y CALPUFF fueron usados para calcular las concentraciones de olor al 98 percentil en los alrededores del centro de residuos ubicado en una zona topográfica compleja.

  La mayor diferencia entre los archivos de meteorología utilizada en CALPUFF Lite, ,CALPUFF Noobs y CALPUFF Hibrido corresponde al tratamiento de usos de suelos, y la variabilidad espacial y temporal en cada uno de los puntos de la malla de modelación.

  La meteorología de CALPUFF Lite corresponde a la usada en Aermod. En términos abstractos una compilación de datos horarios superficiales, y perfiles verticales de viento, temperatura, turbulencia, y parámetros micro-meteorológicos (basados en el tipo de uso de suelo local). Los parámetros micro-meteorológicos son fijados en secciones de 1 grado de amplitud en todo el dominio de modelación.

  El cálculo de campos de vientos de CALPUFF 3D Noobs e Hibrido se realizó en un dominio de modelación anidado. El dominio exterior fue configurado en 100km por 100km con un paso de malla de 1km. El dominio interior de modelación de 10kmx10km con un paso de malla de 100m.

  Para ambos dominios se establecieron 7 niveles verticales de cálculo: 0, 20, 80, 120, 280, 520, 1.480 y 2.520m. Las características geofísicas de ambos dominios fueron extraídas de la base de datos Corine Land Cover y de Shuttle Radar Topography Mission.

  En términos generales CALMET hace una Primera Estimación de las condiciones meteorológicas en el Dominio exterior con base a las observaciones meteorológicas y las características geofísicas del terreno. Dicha primera estimación, conocida también como Campos de Vientos Gruesos, es usada como Semilla para el cálculo de los Campos de Vientos en el dominio interior. Estos últimos también conocidos como Campos de Vientos Finos, son ingresados a CALPUFF para conducir la dispersión de los olores en los alrededores de la planta.

  El cálculo de campos de vientos del CALPUFF Noobs se realizó utilizando únicamente datos meteorológicos de TAPM [5]. El cálculo de vientos de CALPUFF 3D Híbrido se calculó usando Observaciones meteorológicas de 1 estación representativa de la zona, y datos meteorológicos de TAPM para definir los perfiles verticales de vientos y datos observacionales faltantes. Esto corresponde a los mejores datos meteorológicos disponibles para el periodo de modelación y la planta de estudio.

  CALMET fue configurado para que los datos medidos por la estación meteorológica domine sobre los datos simulados por CALMET en las cercanías de la estación, y que los datos simulados por CALMET dominen sobre los datos medidos conforme se aleja de ella.

Figura 1: Rosa de vientos CALPUFF 2D Lite y 3D Hibrido (izquierda), CALPUFF 3D Noobs (derecha)

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Figura 2: Propiedades geofísicas del dominio de modelación CALPUFF 2D Lite (izquierda) y CALPUFF 3D Noobs/Hibrido (derecha).

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Resultados

  Los resultados de la modelación se presentan en la forma de contornos de olor (isopletas, líneas conectando puntos con igual frecuencia de ocurrencia) en promedios de concentración en 1 hora de x ouE·m-3 al 98 percentil. En notación corta: C98, 1-hora = x ouE·m-3.

  Los contornos representan al área donde el 98% de las horas del año, la máxima concentración a nivel de terreno promediada en 1 hora será de x ou E·m-3. Por ejemplo si el modelo predice que el contorno de 3 ouE·m-3 abarca 100 m del límite de las instalaciones, esto significa que se espera que la concentración sea mayor a 3 ouE·m-3 durante un máximo de 175 horas al año.

  Los resultados de la campaña de mediciones en campo en conformidad con el estándar VDI3940 se presentan en el mapa de fondo de los contornos de cada modelo.

  Las frecuencias de horas de olor de las observaciones se presentan en números amarillos en el cuadrante de observación. Los cuadros con una frecuencia de horas de olor menor al 10% aplicable a casas residenciales en Alemania se muestran en verde. Cuadros con una frecuencia de olor entre 10-15% aplicable para zonas industriales y comerciales se muestra en amarillo. Cuadros con una frecuencia mayor al 15% aplicable a zonas en donde se considera que existe una molestia justificable por olor se muestran en rojo.

Figura 3: Contorno de C98, 1-hour = 3 ouE/m3 de CALPUFF 2D Lite

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Figura 4: Contorno de C98, 1-hour = 3 ouE/m3 de CALPUFF 3D Noobs

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Figura 5: Contorno de C98, 1-hour = 3 ouE/m3 de CALPUFF 3D Hibrido

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  Si nos referimos al contorno azul de C98-1hora = 3 ouE/m3 que delimita la distancia máxima donde espera se presenten molestias justificables[6] por olor en receptores residenciales, notaremos que dependiendo la meteorología alimentada a CALPUFF, la distancia de impacto varia significativamente.

  Considerando que los resultados VDI3940 proveen una imagen clara de la exposición de olores a la cual se ve sujeta la población, salta a la vista que las predicciones del modelo CALPUFF 2D Lite están fuera de la realidad de molestias por olores experimentadas en la zona. Por su parte las predicciones del CALPUFF 3D Noobs presentan un mucho mejor ajuste con la realidad, siendo algo conservadores. Cuando a CALPUFF 3D se le agregan Observaciones meteorológicas de una estación de la zona (CALPUFF 3D Hibrido) el ajuste mejora hasta en 12%. Si nos referimos a los resultados de modelación con CALPUFF 3D Híbrido [7] realizados en el estudio original de la planta, en donde se ingresaron al modelo observaciones meteorológicas de múltiples estaciones de superficie, notaremos que el ajuste de datos entre VDI3940 y predicciones de modelación mejora hasta en 30%. Este comportamiento es normal y esperado si consideramos que el CALPUFF 3D Hibrido mejora sus predicciones entre mayor información meteorológica tenga de la zona de estudio.

  Dichos resultados indican que puede ser recomendable ingresar a CALMET los datos de tantas estaciones meteorológicas representativas como haya disponibles en la zona de estudio. Dependiendo del nivel de emisiones de olores, se pueden considerar un radio aproximado de influencia que oscile entre 5 y 25km de la planta industrial.

  Este enfoque proveerá a CALMET tener diversos puntos reales de vientos de referencia en el dominio de modelación, permitiendo que los datos medidos por las estaciones meteorológicas dominen los campos de vientos, y se acerquen a la complejidad meteorológica de la zona.

Conclusiones

  Los resultados del presente caso de estudio dan pie a realizar las siguientes conclusiones:

  • Las predicciones de extensión de impacto hechas por CALPUFF 2D Lite sobreestiman significativamente la distancia de impacto por olores. Los beneficios de usar CALPUFF 2D Lite sobre Aermod son poco evidentes.
  • El contorno de C98, 1-hour = 3 ouE/m3 fijado por el borrador de Ley de olores de Catalunya parece representar un criterio de calidad del aire, en términos de molestias por olores, más ambicioso al fijado por la metodología/legislación Alemana VDI3940.
  • Considerando que los resultados de paneles de campo VDI3940 proveen un espejo preciso de la exposición de olores a la cual se ve sujeta la población, el CALPUFF 3D Noobs, e Hibrido tiene un desempeño conservador pero adecuado para estudios de impacto por olores en locaciones con meteorología y topografía compleja.
  • Los resultados del presente estudio sugieren conducir CALPUFF con las mejores Observaciones meteorológicas disponibles, y combinarlos con datos meteorológicos de TAPM. En función del nivel de emisiones de olores de la planta en cuestión, se estima que un radio de influencia de estaciones entre 5 y 25km podría ser suficiente para caracterizar una zona.
  • Considerando la complejidad de operar y mantener la red de estaciones meteorológicas existente en España, es normal y esperado que la calidad y conteo de datos de las Observaciones meteorológicas sea en ocasiones limitada. En este tipo de situaciones se estima que los resultados de CALPUFF 3D Noobs es una opción adecuada para estimar el impacto por olores de una instalación.

Referencias

1. EPA preferred/recommended models http://www.epa.gov/ttn/scram/dispersion_prefrec.htm

1. Scire Joseph, Robe Francoise, Fernau Mark, Yamartino Robert, A user’s guide for the CALMET Meteorological model (Version 5), Earth tech Inc, 2000.

2. Scire Joseph, Strimaitis David, Yamartino Robert, A user’s guide for the CALPUFF Dispersion Model, Earth tech Inc, 2000.

3. Feliubadaló Joan, et al, Odour impact of a waste management plant in the Barcelona area, charachterised by VDI 3940 field observations, Gaussian ISCT modelling and CALPUFF modelling, Infoenviro, 2006.

4. Carper Elizabeth et al, Significance of a CALPUFF Near field Analysis, A&WMAs 96th Annual conference proceedings, June 2003.

5. Brode Roger, eta al, Technical Issues Related to CALPUFF Near-field Applications, US EPA 2008.

6. Borrador del Anteproyecto de Ley contra la Contaminación Odorifera, Comunidad Autónoma de Catalunya, España 2006.

7. VDI 3940 Part 1: Measurement of Odour Impact by Field Inspection - Measurement of the Impact Frequency of Recognizable Odours Grid Measurement.



[3] Feliubadaló Molins, et al, Odour impact of a waste management plant in the Barcelona Area, charachterised by VDI3940 field observartions, Gaussian ISCST and CALPUFF modelling, Infoenviro, 2007.

[4] Broder Roger, US EPA, Technical Issues Related to CALPUFF Near-field Applications, September 2008.

[5] The Air Pollution Model (TAPM) developed by CSIRO Australia, http://www.csiro.au

[6] Borrador del Anteproyecto de Ley contra la Contaminación Odorifera, Comunidad Autónoma de Catalunya, España 2006.

[7] Feliubadaló Molins, et al, Odour impact of a waste management plant in the Barcelona Area, charachterised by VDI3940 field observartions, Gaussian ISCST and CALPUFF modelling, Infoenviro, 2007.

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