DESENVOLVIMENTO DE UM MÉTODO PARA OTIMIZAÇÃO DA ALTURA E LOCALIZAÇÃO DA FONTE PONTUAL ATRAVÉS DA DISPERSÃO ATMOSFÉRICA DE SUA EMISSÃO

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1 DESENVOLVIMENTO DE UM MÉTODO PARA OTIMIZAÇÃO DA ALTURA E LOCALIZAÇÃO DA FONTE PONTUAL ATRAVÉS DA DISPERSÃO ATMOSFÉRICA DE SUA EMISSÃO Jaqueline dos Santos Vieira¹; Carlos Henrique Portezani² ¹ Estudante do Curso de Licenciatura em Física da UEMS, Unidade Universitária de Dourados; jaqueline.vieira_ddos@hotmail.com; Bolsista PIBIC/UEMS; ² Pesquisador do Centro Integrado de Análise e Monitoramento Ambiental CInAM/UEMS, Professor Doutor do Curso de Licenciatura em Física e Engenharia Física da UEMS, Unidade Universitária de Dourados; carlos@uems.br Área de Conhecimento do CNPq: Ciências Exatas e da Terra. Resumo No processo de implantação de uma fonte pontual a determinação da localização e altura desta é importante para obtermos baixos níveis de concentrações de poluentes nas regiões próximas. Visando este fato, esta pesquisa teve como objetivo o desenvolvimento de um método para otimização da altura e localização da fonte pontual através da dispersão atmosférica de sua emissão. Os níveis de concentrações foram obtidos de simulações da dispersão atmosféricas das emissões da fonte com distintos valores de altura e localização desta, utilizando o modelo de dispersão ISC-PRIME (Industrial Source Complex Plume Rise Model Enhancements). Através das simulações foi estabelecido o método proposto, que atua calculando as médias das concentrações médias dos poluentes nas regiões próximas a fonte, além do desvio padrão em torno das médias para conjuntos pré-definidos de altura e localização da fonte pontual, buscando por meio de uma análise desses resultados o menor valor de média e o correspondente conjunto de altura e localização da fonte que a gerou. Um software gerenciador do processo de simulação da dispersão atmosféricas através do ISC- PRIME e um software de cálculo e análise das médias foram desenvolvidos no ambiente de programação Scilab ou similar com a finalidade de automatizar o método devido ao grande número de informações avaliadas. Conclui-se que o método proposto é viável para otimizar a altura e a localização de uma fonte emissora pontual, podendo se tornar parte de uma ferramenta útil no estudo de impactos ambientais para a implantação de indústrias que possuam fontes emissoras pontuais, tais como chaminés. Palavras-chave: Poluição do ar. Expansão industrial. Monitoramento ambiental.

2 1. Introdução O processo de expansão industrial, geralmente, acarreta um aumento das preocupações com os problemas ambientais que envolvem a atmosfera, pois entre as indústrias que irão compor o processo de expansão encontram-se aquelas que possuem fontes de emissões de poluentes atmosféricos, contribuindo assim para o aumento dos níveis de concentrações médias dos poluentes, principalmente nas regiões próximas a tais fontes (receptores). Atualmente, não há um método específico para a determinação da localização e altura ideal de implantação de uma fonte pontual (por exemplo, uma chaminé) para que se obtenham os mais baixos níveis possíveis de concentrações de poluentes nas regiões ao redor da fonte. Estando a fonte emissora em fase de projeto, não existindo fisicamente, é praticamente impossível estabelecer um método de determinação da localização e altura ideais da fonte através de uma medida direta dos níveis de concentrações médias dos poluentes nos receptores por meio de uma rede de estações de monitoramento da qualidade do ar. Uma solução alternativa seria obter os níveis de concentrações médias dos poluentes nos receptores por meio de modelagem da dispersão atmosférica das emissões da fonte pontual, considerando-se as condições meteorológicas, topográficas e de edificações próximas aos possíveis locais de implantação da fonte, bem como as taxas de emissões estimadas desta. O objetivo desta pesquisa foi o desenvolvimento de um método para otimização da altura e localização de uma fonte emissora pontual através da dispersão atmosférica de sua emissão, obtendo deste modo os menores níveis de concentrações médias dos poluentes em receptores situados ao redor desta fonte. 2. Materiais e Métodos A metodologia utilizada para o desenvolvimento do método de otimização proposto pode ser dividida, basicamente, em três etapas, sendo estas descritas a seguir. Na primeira etapa foram realizadas 576 simulações de cenários dispersivos, os quais caracterizaram os 576 conjuntos analisados de localizações e alturas da fonte pontual (144 localizações e 4 alturas possíveis para a fonte pontual, sendo estas 20, 30, 40 e 50 metros). Para cada simulação realizada foi obtido um arquivo de concentrações médias do poluente nos receptores (optou-se pelo poluente monóxido de carbono, mas outro poluente poderia ser utilizado). As 576 simulações foram realizadas através do modelo de dispersão atmosférica ISC-PRIME (Industrial Source Complex Plume Rise Model Enhancements) (SCHULMAN;

3 STRIMAITIS; SCIRE, 1998 e 2000 e US EPA, 1995 e1997) o qual é certificado pela United States Environmental Protection Agency (US EPA). A simulação de cenários dispersivos através do modelo ISC-PRIME requer a disponibilidade de certos parâmetros de entrada tais como parâmetros meteorológicos, topográficos, de edificações e de emissões das fontes emissoras. O processo de gerenciamento das simulações foi realizado através de um software desenvolvido durante esta pesquisa no ambiente de programação Scilab (ambiente similar ao Matlab), isto devido ao elevado número de simulações realizadas o qual torna o processo não automatizado inviável. Os dados obtidos através das simulações foram utilizados como subsídios para verificar qual a melhor localização e altura da fonte, através de uma análise dos níveis de concentrações dos poluentes nos receptores ao redor desta fonte. A segunda etapa consistiu-se em encontrar o melhor conjunto de altura e localização da fonte pontual, que gere os menores níveis possíveis de concentrações médias nos receptores, foi efetuado o cálculo das médias das concentrações médias nos receptores para cada um dos cenários dispersivos, além do respectivo desvio padrão em torno desta média. Uma análise destes valores foi realizada com a finalidade de se encontrar a menor média para as concentrações médias do poluente nos receptores e caso houvesse dois ou mais casos de menores médias, a análise seria estendida ao valor do desvio padrão buscando neste caso o menor valor deste. Portanto, através da análise anterior foi possível otimizar conjunto de altura e localização da fonte emissora pontual que gerou os menores níveis de concentrações médias dentre os cenários dispersivos verificados. O procedimento de análise foi implementado através de um software desenvolvido no ambiente de programação Scilab, sendo assim possível analisar um grande número de casos em pouco período de tempo. A terceira e última etapa da metodologia empregada nesta pesquisa foi a verificação da funcionalidade do método proposto, sendo esta realizada através de uma comparação entre os resultados obtidos por uma otimização através do método proposto e resultados obtidos através de uma otimização visual, sendo para isso selecionado 6 cenários simulados (3 localizações e 2 alturas possíveis para a fonte pontual) dos 576 realizados inicialmente. A otimização visual consiste em se construir uma representação gráfica dos níveis de concentrações médias do poluente em que os receptores ficaram suscetíveis, para cada cenário simulado e através de uma análise visual destas representações estabelecer a melhor localização e altura da fonte pontual que gere os menores níveis de concentração do poluente nos receptores de um modo geral.

4 3. Resultados e Discussão Os valores das médias das concentrações médias e seus desvios padrões, obtidos com a utilização do método proposto, são apresentados na Figura 1a e 1b. Observando o comportamento das curvas presentes nestas figuras, verificou que o caso otimizado para a localização da fonte pontual foi o de número 133 com a altura da fonte em 50 metros, sendo este o mesmo caso identificado pelo método aqui proposto. Figura 1- (a) Gráfico das médias das concentrações médias em função do número de identificação da localização da fonte e (b) Gráfico do desvio padrão das médias das concentrações médias em função número de identificação da localização da fonte, ambos para a fonte pontual com uma altura de 20, 30, 40 e 50 metros em relação ao solo. A cerca do procedimento de verificação da funcionalidade do método proposto os resultados obtidos pela aplicação deste são apresentados na Tabela 1, sendo o caso otimizado o de número 4. As representações gráficas utilizadas na otimização visual são apresentadas nas Figuras 2a, 2b, 2c, 2d, 2e e 2f, onde se observa a fonte pontual destacada em vermelho e por meio de uma escala de cores é possível verificar em que região ocorreu o menor e o maior nível de concentração média do poluente, nestes casos representados, respectivamente, nas cores branca e azul mais escura. Nota-se através da inspeção visual das Figuras 2 que o caso otimizado é realmente o de número 4, como havia previsto o método proposto. Tabela 1 Resultados obtidos pela aplicação do método proposto para os casos selecionados para verificação da funcionalidade do mesmo. Caso Altura Analisada da Média das Concentrações Desvio Padrão (%) Fonte Pontual (m) Médias (μg/m³) da Média ,98 11, ,94 36, ,63 74, ,57 7, ,78 20, ,81 33,36

5 Figura 2 - Representação gráfica, em vista superior, dos níveis de concentrações médias ao longo da área modelada, onde (a), (b) e (c) representam, respectivamente, os casos 1, 2 e 3 para a fonte com altura de 20 metros e (d), (e) e (f) representam, respectivamente, os casos 4, 5 e 6 para a fonte com altura de 50 metros.

6 4. Conclusões A implementação computacional do método proposto torna o mesmo viável a analisar um grande número de conjunto de localizações e alturas de uma fonte pontual em uma quantidade de tempo menor, quando comparado ao tempo gasto para se aplicar um processo de otimização visual para tais conjuntos. Visto a funcionalidade do método aqui proposto, conclui-se que o mesmo pode ser empregado como parte de uma metodologia de auxilio para o estudo de impactos ambientais na implantação de novas industriais que possuem uma fonte emissora pontual, tal como chaminés, obtendo assim os mais baixos níveis possíveis de concentrações de poluentes em receptores ao redor desta. 5. Agradecimentos Os autores agradecem a Universidade Estadual do Mato Grosso do Sul pela bolsa concedida através do Programa Institucional de Bolsas de Iniciação Cientifica (PIBIC). 6. Referências SCHULMAN, L. L., STRIMAITIS D. G., and SCIRE J. S. Development and evaluation of the prime plume rise and building downwash model. In 10th Joint Conference on the Applications of Air Pollution Meteorology, Phoenix, AZ. Paper No. 4B.1. SCHULMAN, L. L., STRIMAITIS D. G., and SCIRE J. S. Development and evaluation of the prime plume rise and building downwash model. Journal of the Air & Waste Management Association, 2000, vol. 50, n. 3, p US EPA. Addendum to ISC3 user s guide: The prime plume rise and building downwash model. Earth Tech, Inc., Concord, MA: Submitted by Electric Power Research Institute. Prepared by Schulman L. L., Strimaitis D. G. and Scire J. S., p. US EPA. User s guide for the industrial source complex (ISC3) dispersion models. Volume II - Description of model algorithms. EPA-454/B b. Research Triangle Park, NC: United States Environmental Protection Agency, 1995.