Análise do processo de dispersão de emissões atmosféricas visando a escolha da posição de uma fonte emissora Estudo de caso

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1 Análise do processo de dispersão de emissões atmosféricas visando a escolha da posição de uma fonte emissora Estudo de caso 1. Introdução Alberto Avellar Barreto* - aab@cdtn.br Fernanda Lambertucci Araújo Alberto* - ferllam@hotmail.com Paulo César Horta Rodrigues* - pchr@cdtn.br *CDTN/CNEN Centro de Desenvolvimento da Tecnologia Nuclear/ Comissão Nacional de Energia Nuclear Neste estudo foi realizada uma análise prévia do processo de dispersão das emissões atmosféricas a serem liberadas a partir do prédio da Unidade de Pesquisa e Produção de Radiofármacos (UPPR) do Centro de Desenvolvimento da Tecnologia Nuclear CDTN, localizado no Campus Pampulha da Universidade Federal de Minas Gerais UFMG. O objetivo principal foi contribuir para a definição da posição da chaminé de exaustão do sistema de condicionamento do ar interno desse prédio. Como conseqüência, espera-se obter uma melhoria na dispersão das possíveis emissões atmosféricas. Para tanto, foram consideradas as influências dos seguintes parâmetros: topografia e condições meteorológicas da região; altura da chaminé; posição da chaminé no prédio da UPPR; e influência das construções vizinhas. O poluente escolhido para análise foi o material particulado (PTS Particulados Totais em Suspensão), pois esse é o principal poluente monitorado no Programa de Monitoramento Ambiental (PMA) do CDTN. A metodologia escolhida se baseou na aplicação de modelagem computacional por meio do modelo de dispersão atmosférica de poluentes ISC-PRIME, proposto pela agência norte-americana de proteção ambiental (EPA) para substituir o ISCST3 ( Industrial Source Complex Model-Short Term) em situações que consideram a influência de edificações (EPA, 2003; Velloso, M. F. A. et al., 2007). O PRIME (Plume RIse Model Enhancements) foi desenvolvido para incorporar ao ISC dois fatores fundamentais associados com a influência de edificações em processos de dispersão de poluentes ( building downwash): a intensificação dos coeficientes de dispersão da pluma (nuvem de material particulado) devido a processos de turbulência; a redução da ascensão da pluma causada pela combinação das linhas de correntes descendentes, nas posições dos prédios protegidos do vento, com o aumento do arrasto (Schulman, L.L. et al.,2000). Os resultados deste estudo levaram a considerações sobre as posições estudadas para a chaminé e a sugestões para o posicionamento de uma nova Estação de Monitoramento do Ar, escolhida em função das posições onde ocorrem picos de concentração (máximos). 2. Metodologia 2.1. Dados da fonte de emissão Os parâmetros da fonte de emissão foram estimados baseando-se em informações do projeto da UPPR. Posição: foram consideradas três possibilidades para a instalação da chaminé, sendo P1 no segundo pavimento e P2 e P3 no primeiro pavimento(fig. 1). As posições P2 e P3 foram sugeridas pela coordenação da construção da UPPR, tendo em vista facilidades construtivas. A posição P1 foi escolhida para verificação da alteração na condição de dispersão devido ao aumento da altura de emissão. Elevação da base: 850 m; definido a partir da base topográfica utilizada. Altura de emissão: variou em função da posição. Foi utilizada uma altura de 20 m acima do solo para a posição P1. Para as posições P2 e P3 foi utilizada uma altura de 10 m acima do solo. Esses valores foram definidos em função da viabilidade e custo de construção. Taxa de emissão: 1 g/s; é um valor fictício, foi utilizado para facilitar a

2 interpretação dos resultados. Temperatura dos gases de saída: 23 ºC; definido a partir do relatório elaborado pela empresa de refrigeração. Diâmetro interno da chaminé: 0,30 m; foi considerada uma chaminé com uma secção circular. Velocidade de saída dos gases: 7 m/s; definido a partir do relatório elaborado pela empresa de refrigeração. P1 P3 P2 P2 P1 Figura 1 Identificação das posições avaliadas para a instalação da chaminé no prédio da UPPR (esquerda em corte; direita em planta) Informações meteorológicas O CDTN possui uma Estação Meteorológica com instrumentação a 10 metros (vento, temperatura e umidade), 40 metros (vento e temperatura) e ao nível do solo (precipitação, radiação solar, temperatura e evaporação). Essa Estação está localizada em uma posição de altitude máxima em relação à região estudada (ver Fig.3). O objetivo é gerar informações adequadas para a realização de Estudos de dispersão de poluentes atmosféricos. N Vetor Resultante 32, deg - 58% 30% 25 % 20 24% 18,5 15, % 10,7 10,0 7, % 0 6% W A B C D E Classe de Estabilidade F E Velocidade do vento (m/s) >= 11,1 8,8 11,1 5,7 8,8 3,6 5,7 2,1 3,6 0,5 2,1 S Calms: 4.77% % ,3 34,8 16,6 4,8 0,5 Calms 0,5-2,1 2,1-3,6 3,6-5,7 5,7-8,8 8,8 11,1 >= 11,1 Classes de Vento (m/s) Figura 2 Rosa dos ventos (esq.); Distribuição de freqüência das classes de estabilidade e vento (dir). Neste estudo foram utilizados dados do ano de O banco de dados foi composto por dados horários dos 365 dias do ano (24 x 365 = horas). Para cada hora, foram utilizadas as informações de temperatura do ar, velocidade e direção do vento. A estabilidade atmosférica e a altura da camada de mistura atmosférica foram avaliadas a partir dos dados de superfície. Uma breve síntese dos dados meteorológicos utilizados neste estudo é apresentada por meio dos gráficos contidos na Fig. 2. A rosa dos ventos foi elaborada considerando a direção de onde o vento sopra. Verificou-se a predominância de ventos vindos de ENE. A

3 classe de velocidade dos ventos entre 0,5 a 2,1 m/s ocorreu em 43,3% dos dados. A estabilidade foi definida a partir dos dados de ventos (velocidade e flutuação da direção). Observa-se que a classe dominante é a D (32,8%) que representa uma condição neutra de estabilidade. As demais classes representam: A extremamente instável; B moderadamente estável; C levemente estável; E moderadamente estável Topografia da região O modelo digital de elevação (MDE), gerado para consideração da topografia local, está representado na Fig.3. Também estão representados os contornos dos prédios considerados neste estudo. O MDE foi elaborado utilizando-se os recursos computacionais existentes no Laboratório de Geoprocessamento do CDTN (LABGEO). Os dados originais foram obtidos a partir de imagens de satélite com uma definição de 90x90 metros (SRTM, 2007) Região de influência das construções vizinhas Figura 3 Posicionamento dos principais prédios e da Estação Meteorológica do CDTN. Um estudo sobre a influência das construções no processo de dispersão de uma pluma emitida a partir de uma fonte fixa (chaminé) requer, inicialmente, a verificação de quais construções influenciam nesse processo. Nessa etapa leva-se em consideração, entre outros aspectos, o campo de ventos, a altura e a largura dos prédios e a posição relativa destes em relação à chaminé. Nos gráficos da Fig.3a e 3b observa-se o posicionamento dos principais prédios do CDTN. Estão destacados os prédios próximos à UPPR que poderiam influenciar no processo de dispersão da pluma. O resultado da pré-avaliação para a identificação das áreas de influência de cada prédio está apresentado na Fig.3c por meio dos círculos que envolvem cada prédio. Somente os prédios cujos círculos alcançam a UPPR entraram neste estudo. Esse resultado foi válido para as três posições analisadas para a chaminé (P1, P2 e P3) Principais parâmetros adotados para o modelo Neste estudo o modelo para análise de problemas de dispersão de poluentes atmosféricos, ISC-PRIME, foi utilizado com as seguintes considerações: Não foram considerados os efeitos de deposição úmida e seca; O poluente analisado foi o PTS (partículas totais em suspensão);

4 Foram avaliados valores médios horários, diários e anual; Foram utilizados valores padrões para regiões urbanas para os coeficientes de dispersão; Não foi considerado nenhum tipo de decaimento para os poluentes; O tipo de terreno foi considerado como elevado, sendo o algoritmo para terreno simples + complexo escolhido para a representação do terreno; Foi considerado o efeito da influência das construções; Foi utilizada uma malha cartesiana (Fig.4 ) uniforme com (80x80) pontos de avaliação (receptores). A área analisa corresponde a m 2 (395x395). 3. Resultados do estudo Para cada situação analisada foi realizada uma simulação do processo de dispersão de poluentes atmosféricos ao longo de horas (365 dias) consecutivas de liberação (fluxo contínuo). Assim, foi estudado o comportamento da pluma durante um ano completo de dados com o objetivo de levar em consideração as condições atmosféricas verificadas durante um ano corrente. Entretanto, devido ao uso de uma taxa de emissão fictícia (1,0 g/s), é importante ressaltar que os valores de concentração obtidos servem somente para a comparação entre as situações estudadas, não tendo significado, portanto, realizar a comparação dos valores deste estudo com padrões de qualidade do ar. As Figs 5 a 7 apresentam as isolinhas de concentração de poluentes para as situações analisadas. Na Fig. 5 estão representados os valores médios anuais de concentração, ou seja, a média dos valores horários obtidos. Na Fig. 6 estão apresentados os valores máximos diários (24 horas) obtidos entre os 365 dias analisados, ou seja, a pior condição diária obtida em cada ponto da malha estudada. Finalmente, na Fig. 7 são apresentados os valores horários que se referem à pior condição observada durante as horas estudadas. Figura 5 Comparação das médias anuais para as posições da chaminé (P1, P2 e P3). Figura 6 Comparação das máximas em 24 horas para as posições da chaminé (P1, P2 e P3).

5 4. Conclusões Figura 7 Comparação das máximas horárias para as posições da chaminé (P1, P2 e P3). Das posições analisadas, a que apresentou melhores condições de dispersão baseado nos parâmetros estudados (médias anuais, máximas diárias e máximas horárias) foi a P1, ou seja, a chaminé posicionada no topo do módulo mais alto do prédio. A posição P2 apresentou os piores resultados, provavelmente, devido à influência do módulo com maior altura do prédio. Para P3 os resultados foram semelhantes aos de P2, porém com um deslocamento da pluma para fora posição do prédio. Observou-se uma variação da posição onde ocorrem os picos de concentração, principalmente em relação a P1. Entretanto, esses picos tendem a ocorrer próximo ao prédio da UPPR ou sob esse. Portanto, baseando-se neste estudo, conclui-se que a melhor posição para a chaminé é a posição P1, localizada no topo do módulo mais alto. Também se conclui que é aconselhável a instalação de um ponto de amostragem próximo ao prédio. 5. Referências Schulman, L.L.; Strimaitis, D.G.; Scire J.S.. Development and Evaluation of the PRIME Plume Rise and Building Downwash Model. Journal of the Air & Waste Management Association, vol. 50, nº3, p , SRTM - Shuttle Radar Topography Mission. Disponível em: < srtm/>. Acesso em: dez/2007. Velloso, M. F. A.; D`Aiuto, B. C. ; Pimentel, L. C. G.; Guerrero, J. S. P. Avaliação dos modelos de qualidade do ar AERMOD e ISC para a região de Nova Iguaçu, RJ. Ciência e Natura, v. Especial, p , United States. EPA - Environmental Protection Agency. Comparison of regulatory Design Concentrations: AERMOD vs ISCST3, CTDMPLUS, ISC-PRIME. Research Triangle Park, North Carolina, (EPA-454/R ).