Estudo de Impactos Ambientais com SIG Simulação para o Caso da Co-Incineração de Souselas

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1 Estudo de Impactos Ambientais com SIG Simulação para o Caso da Co-Incineração de Souselas José Paulo E. D. de Almeida Depº. de Matemática-Secção de Engenharia Geográfica, Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra, Coimbra, Portugal zepaulo@mat.uc.pt João Coutinho-Rodrigues Depº. Engenharia Civil, Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra, Coimbra, Portugal coutinho@dec.uc.pt Resumo Os problemas ambientais ligados a fontes poluidoras que afectam o ambiente urbano pela disseminação de poluentes através da atmosfera têm assumido uma importância crescente. Veja-se, por exemplo, em Portugal o problema recentemente levantado pela co-incineração. O estudo científico deste tipo de problemas faz-se habitualmente recorrendo a métodos baseados na modelação do fenómeno físico da dispersão, destacando-se, de entre esses, os modelos gaussianos da dispersão atmosférica. Podem, assim, ser obtidos valores das concentrações quer em áreas geográficas contínuas, quer em pontos de especial interesse, como sejam os que correspondem a equipamentos urbanos que, pela sua natureza, requerem uma maior atenção no que se refere a impactos deste género, como hospitais, jardins de infância, lares de terceira idade, entre outros. Descrevem-se aqui a implementação dum modelo gaussiano e respectiva ligação, em tempo real, ao protótipo dum Sistema de Informação Geográfica (SIG), bem como os resultados obtidos com uma posterior simulação efectuada, no contexto urbano da cidade de Coimbra e seus arredores, usando como origem das emissões a fábrica cimenteira de Souselas. Palavras chave: Sistemas de Informação Geográfica, Modelos Gaussianos da Dispersão Atmosférica.

2 1 Introdução Nos últimos tempos têm vindo a colocar-se com uma acuidade cada vez maior os problemas relacionados com os impactos ambientais ligados, nomeadamente, à industrialização crescente e ao desenvolvimento tecnológico que concomitantemente se tem verificado. Não obstante este desenvolvimento ter vindo a proporcionar, eventualmente, melhores condições económicas às populações, tem, por outro lado, provocado uma degradação crescente do ambiente devido, nomeadamente, ao aumento da população humana num espaço cada vez mais limitado e à utilização mais intensiva dos recursos oferecidos pela natureza. Estes problemas constituem ameaças cuja percepção pela opinião pública na sua dimensão local e internacional, já que a poluição não conhece fronteiras, tem sido cada vez maior, de tal modo que hoje em dia a protecção do ambiente se tornou uma prioridade nas políticas económicas de um grande número de países com o objectivo de se alcançar um desenvolvimento sustentável. É bem conhecido, em particular, o problema da poluição atmosférica pela presença no ar de substâncias sob a forma de gases, sólidos ou líquidos em quantidades ou em concentrações prejudiciais à saúde do Homem, das plantas, dos animais, e também para as habitações e outros bens. Ela constitui um dos problemas mais sérios verificados nas áreas urbanas, visto afectar directamente a qualidade de vida dos seus habitantes, e, por isso, interessa-nos aqui tratar como caso de estudo os efeitos da poluição atmosférica num ambiente urbano, seja sobre uma área geográfica contínua, seja sobre equipamentos concretos. Neste último caso, assumem particular interesse equipamentos em que, por razões de maior sensibilidade ou limitações de mobilidade por parte dos seus utentes, o impacto de certas cargas de poluentes atmosféricos pode levar a maiores prejuízos em termos de saúde. Destes destacamos as unidades hospitalares, os jardins de infância, os lares de terceira idade, entre outros. O estudo científico deste tipo de problemas relacionados com a poluição atmosférica é feito com base em métodos e modelos adequados, como é o caso dos modelos gaussianos da dispersão atmosférica, ferramentas estas por si só muito poderosas mas que se pensa poderem ser amplamente potenciadas se forem ligadas a convenientes meios de visualização e representação espacial, como é o caso dos Sistemas de Informação Geográfica (SIG), visto traduzirem fenómenos com uma forte componente espacial. Assim, no domínio do ambiente, um SIG pode constituir uma ferramenta eficaz para a representação deste tipo de ocorrências, para apoio na previsão de impactos e na definição de estratégias quer de controlo das emissões de poluentes quer de prevenção.

3 Neste artigo é descrita a implementação em computador de um modelo de representação de impactos, relativos à dispersão de poluentes através da atmosfera, e a sua ligação e interacção com um SIG aproveitando deste modo as facilidades disponibilizadas por este para visualização dessa informação e sua combinação com informação cartográfica diversa. Para se levar a cabo tal ligação, foi necessário desenvolver uma interface de comunicação entre as duas aplicações em causa recorrendo a uma linguagem de programação de alto nível. Posteriormente fizeram-se algumas simulações, a título de exemplo no contexto urbano da cidade de Coimbra, tomando-se para o efeito como fonte poluente a unidade fabril cimenteira localizada em Souselas, a norte da cidade. 2 O modelo gaussiano da dispersão atmosférica Considerando as emissões de um poluente a partir de uma fonte pontual, de acordo com o modelo gaussiano adoptado, a concentração c do poluente em questão num ponto genérico de coordenadas (x, y, z) é dada pela equação gaussiana (1), referida a um sistema de coordenadas tridimensionais cuja origem se situa no solo ao nível da base da fonte emissora, o eixo x é definido pela direcção do vento, o eixo y é perpendicular à direcção do vento e o eixo z é perpendicular a estes dois últimos [Boubel 1994], [Gordon 1985], [Mahoney 1974]: Q c ( x, y, z) = * exp 1 2 y 2*Π * σ y * σ z * U 2 σ * exp 1 z h 2 y 2 σ + exp 1 z + h z 2 σ z eixo do penacho horizontal vertical em que: c, é a concentração média do poluente, µg/m 3 ; Q, é o caudal de emissão, µg/s; U, é a velocidade média do vento na direcção do eixo dos x, m/s; σ y, é o desvio padrão da distribuição horizontal da concentração gaussiana do penacho (calculado em função da distância x à fonte e do tipo de classe de estabilidade atmosférica de Pasquill-Gifford), m; σ z, é o desvio padrão da distribuição vertical da concentração gaussiana do penacho (calculado em função da distância x à fonte e do tipo de classe de estabilidade atmosférica de Pasquill-Gifford), m; (1)

4 h, é a altura efectiva de emissão, soma da altura real da fonte hs com a sobrelevação h, m; x, é a distância do receptor à fonte medida na direcção do vento, m; y, é a distância do receptor ao eixo do penacho, m; z, é a altura do receptor acima da superfície do solo, m. Nesta expressão c é a concentração média do poluente para o mesmo intervalo de tempo a que são referidos os σ s. Estes desvios padrão da distribuição da concentração gaussiana do penacho são funções do tempo de deslocamento e, portanto, da distância percorrida na direcção do vento, isto é, na direcção x. A equação é apresentada como o produto de três termos representando, respectivamente, a concentração no eixo do penacho como função da distância à fonte emissora e as variações vertical e horizontal do valor da concentração relativamente ao valor no eixo do penacho. A altura do eixo do penacho, h, é igual à soma da altura física da fonte, hs, e da sobrelevação do penacho, h. A equação gaussiana básica assume que o penacho atinge a sua altura de equilíbrio, h, imediatamente no ponto de emissão. Assim, neste caso, a equação representa a emissão de material a partir de uma fonte de coordenadas (0,0,h), no sistema de eixos usado. Os valores dos coeficientes σ y e σ z dependem da distância à fonte emissora, medida na direcção do vento, representando os desvios padrão do penacho em dispersão, na direcção transversal e na direcção vertical respectivamente, os quais estão relacionados com as condições meteorológicas. É principalmente devido a estas duas quantidades que o uso do modelo gaussiano mantém uma certa flexibilidade, porque se podem usar diferentes métodos para obter σ y e σ z sem alterar o sistema de cálculo. Um dos métodos existente é o das classes de estabilidade atmosférica de Pasquill-Gifford [Boubel et al 1994], [Gordon 1985], [Mahoney 1974], [Pasquill 1974], [Pasquill 1961]. Existem vários tipos de ábacos, tabelas e expressões analíticas que permitem calcular os valores dos coeficientes horizontal e vertical de dispersão atmosférica, σ y e σ z respectivamente, em função da distância a jusante, relativamente à fonte, do ponto receptor e da classe de estabilidade atmosférica. Para se poder calcular a concentração de um poluente atmosférico num ponto receptor do espaço (dentro dos limites de validade do modelo) há então que saber o caudal da emissão e a respectiva altura efectiva, a direcção e velocidade do vento, as classes de estabilidade atmosférica e os valores dos coeficientes horizontal e vertical de dispersão atmosférica.

5 3 Outros modelos Dado que o objectivo principal do trabalho que se descreve neste artigo era a exploração do estabelecimento de ligações e interacção em tempo real entre modelos matemáticos e SIG, optou-se desta forma, e no âmbito dos modelos gaussianos, pela sua formulação mais simples. No entanto, não queremos deixar de mencionar que nos últimos tempos se tem trabalhado e evoluído significativamente na modelação da dispersão de poluentes na atmosfera, sendo vários os modelos que têm vindo a ser desenvolvidos desde o mais simples ao mais complexo. Podem ser classificados de diferentes formas [Conceição 1994], [Miranda 1994] como passamos a descrever de seguida sucintamente. Em função do tipo de fonte emissora que consideram podem classificar-se em modelos de fonte pontual, modelos multifonte, de fonte em linha e de fonte em área. Existem também modelos desenvolvidos para diferentes tipos escalas temporais e diferentes escalas espaciais. Sempre que o terreno não possua obstáculos superiores à altura da fonte em questão, ou ele próprio não ultrapasse essa altura, considera-se que se está em presença de terreno de orografia simples. Na tabela seguinte resumem-se alguns modelos seleccionados para aplicações em terrenos desta natureza. Tabela 1 Diferentes modelos para aplicações em terrenos de orografia simples. Curto prazo Uso do solo Modelo Fonte pontual Meio rural CRSTER; POLUX Meio urbano RAM; POLUX Fonte múltipla Meio rural MPTER Meio urbano RAM Fonte complexa Meio ISC-ST rural/urbano Longo prazo (mensal, sazonal, Uso do solo Modelo anual) Fonte pontual Meio rural CRSTER; POLUX Meio urbano RAM; POLUX Fonte múltipla Meio rural MPTER Meio urbano CDM2;RAM Fonte complexa Meio rural/urbano ISC-LT Por sua vez, alguns dos modelos indicados na Tabela 1 possuem opções que lhes permitem cobrir diferentes tipos de situações. Com a excepção do POLUX que foi desenvolvido no

6 Departamento de Ambiente e Ordenamento da Universidade de Aveiro, todos os outros modelos fazem parte de um pacote disponibilizado pela Environmental Protection Agency (E.U.A.). Os modelos de dispersão em terreno de orografia complexa são normalmente aplicados a fontes fixas, emissoras de dióxido de enxofre e de partículas (considerados poluentes não reactivos). Apesar das dificuldades de simulação destas situações, é possível efectuar algumas aproximações ao problema recorrendo, por exemplo, aos modelos VALLEY, COMPLEX-I, SHORTZ, LONGZ e RTDM. Fontes móveis, geralmente associadas a emissões do tráfego automóvel, são simuladas como fontes em linha contínua com uma taxa de emissão uniforme, sendo cada linha considerada como um conjunto de pontos de dimensão finita. Os modelos mais usuais para as fontes móveis são CALINE, HIWAY e ROADWAY. Qualquer um deles considera os poluentes como não reactivos e não incluem o efeito do relevo nas suas estimativas. A Environmental Protection Agency, entidade que os desenvolveu, aconselha a utilização preferencial do CALINE. 4 Programação e ligação de um modelo gaussiano a um SIG A programação e ligação do modelo descrito na secção anterior a um protótipo dum SIG elaborado com recurso ao MapGrafix, consistiu num trabalho de desenvolvimento computacional que envolve a elaboração de um programa em linguagem de alto nível (neste caso em Pascal) que efectua o cálculo dos valores da concentração de poluentes no espaço, em áreas ou pontos discretos pré-definidos, e mostra os resultados dos cálculos numa representação conveniente sobre um mapa digital, num nível de informação (ou layer, na terminologia anglófona), podendo eventualmente essa informação vir a integrar a base de dados do próprio SIG. Isto é conseguido através da intercomunicação entre aplicações que alguns sistemas operativos modernos proporcionam (neste caso pela passagem de eventos, como se ilustra na Fig. 1), nomeadamente nas versões 7.0 e posteriores do sistema operativo MacOS usado nas máquinas AppleMacintosh, equipadas com o processador RISC Power PC, e em que foi efectuada esta implementação [Apple Computer 1991], [ComGrafix 1994].

7 AppleEvents Aplicação Externa Sistema Apple Event Manager MapGrafix AppleEvents Definição dos parâmetros para os Apple Events AppleEvents Figura 1 - InterApplication Comunication (IAC) do sistema operativo MacOS 7, [ComGrafix 1994]. Na prática, mantêm-se activadas simultaneamente em memória do computador duas aplicações: uma delas (A1) é a que corresponde ao programa especificamente desenvolvido para o estudo, envolvendo a execução do modelo gaussiano depois de especificados pelo utilizador todos os parâmetros necessários (p. e., localização da fonte emissora, dados meteorológicos, dados geométricos da fonte, etc.); a outra (A2) é a que corresponde ao SIG que gere toda a informação geográfica, nomeadamente a respeitante à área ou pontos discretos do espaço em estudo. Estas duas aplicações A1 e A2 podem comunicar entre si em tempo real através dos AppleEvents. Para o efeito, a aplicação A1 envia à aplicação A2 os eventos que requerem a esta última a execução de uma determinada tarefa. Daí A1 constituir a chamada Aplicação Externa (ou Client Application) e A2 a Aplicação Servidora (ou Server Application). A aplicação A1 calcula a dispersão do poluente através da atmosfera e traduz essa informação numérica em termos de entidades representáveis num SIG. Estas entidades são, genericamente, objectos gráficos que metaforicamente representam os referidos valores numéricos e constituem a informação que é transmitida através dos AppleEvents pela aplicação A1 à aplicação A2. Estes objectos gráficos são também eles resultado de programação em linguagem informática. Conforme o pedido do utilizador, neste caso, podem traduzir o impacto sobre uma área plana contínua, ou sobre pontos receptores discretos correspondentes a unidades de equipamento urbano. Para o impacto sobre uma área geográfica contínua (a definir pelo utilizador), os objectos transmitidos por A1 a A2 constituem as células de uma grelha plana, como a que se exemplifica na Fig. 2, que traduz uma matriz com quatro dimensões: as coordenadas tridimensionais e a carga poluente associadas ao centroide de cada uma. A cor com que cada célula é colorida (que é uma das 80 que constituem a paleta do mapa construída para este efeito) traduz a intensidade da concentração do poluente calculada para o centroide da célula em causa.

8 y Fonte Poluidora x Figura 2 - Exemplo genérico da grelha representativa de uma área em estudo. Dado que os cálculos dos valores da concentração do poluente se reportam ao sistema de coordenadas associado ao modelo gaussiano, antes de enviar os referidos objectos à aplicação A2 e com vista à sua representação cartográfica, a aplicação A1 efectua uma transformação das coordenadas bidimensionais daqueles no sistema do modelo para o sistema de coordenadas da carta de base, como se ilustra na Fig. 3. Esta transformação de coordenadas envolve uma translação, em função das coordenadas da fonte emissora na carta de base, e uma rotação, esta em função do rumo da direcção do vento. Y N.C. y X Fonte Poluidora x y P Y x Direcção do vento Figura 3 - Transformação das coordenadas bidimensionais da grelha, do sistema do modelo gaussiano para o sistema da carta de base. Para o impacto sobre uma determinada família de equipamentos urbanos, será transmitido de A1 para A2 um vector de objectos constituído por polígonos cujos centroides terão as coordenadas das respectivas unidades de equipamento no sistema da carta de base, e cores que traduzem a grandeza global do impacto para cada caso. As representações cartográficas veiculadas da aplicação externa A1 através dos AppleEvents, são depois efectuadas no SIG em novos níveis de informação do mapa digital construído. X

9 5 Algumas simulações num contexto urbano Na Fig. 4 representa-se o resultado do cálculo do impacto sobre uma área rectangular, definida numa carta digitalizada, que abrange o aglomerado urbano de Coimbra assim como a região localizada a norte deste. Os valores da concentração do poluente são, como se disse atrás, calculados para os centros dos quadrados que integram a grelha correspondente, em planta, à área rectangular em estudo. Essas quantidades são depois traduzidas visualmente por um gradiente de cores. A fonte emissora encontra-se assinalada num dos níveis de informação do mapa digital. Figura 4 - Impacto ambiental sobre uma área rectangular. Nas Figs. 5 e 6, estão representados os resultados de cálculos efectuados para a previsão do impacto ambiental sobre dois tipos de equipamentos urbanos existentes em Coimbra: unidades hospitalares e jardins de infância, respectivamente. Para este estudo consideraram-se os mesmos parâmetros especificados anteriormente para o caso representado na Fig. 4. Os cálculos só são efectuados apenas para os pontos correspondentes aos elementos identificados no SIG como

10 pertencentes à área temática dos equipamentos em questão, podendo o próprio SIG fornecer alguns dados respeitantes a estes como as coordenadas planas dos seus centroides, ou o número máximo de utentes associado a cada um. Nas referidas Figs. 5 e 6 a representação do impacto faz-se através de círculos cujos raios são proporcionais ao impacto total naquele ponto, tendo em conta a capacidade máxima em número de utentes do respectivo equipamento urbano e o valor calculado da concentração do poluente. A cor do círculo exprime a intensidade relativa da concentração do poluente em cada equipamento. Figura 5 - Impacto sobre os equipamentos hospitalares.

11 Figura 6 - Impacto sobre os jardins de infância. Os impactos representados nas Figs. 4, 5 e 6 referem-se a valores de concentrações do poluente calculados para determinadas condições particulares, nomeadamente, para determinada direcção e velocidade média do vento. Nestes casos, para o rumo do vento foi considerado o mais frequente registado em Coimbra na década de 1979 a 1988 (de noroeste - NW), e para velocidade o valor médio registado no mesmo período (9m/s). A aplicação externa desenvolvida (A1) permite ainda obter um mapa de impacto máximo, relativo à mesma fonte poluente, sobre os equipamentos considerados anteriormente. Este traduz a situação mais gravosa para cada equipamento em particular entrando-se nos cálculos, por isso, em linha de conta com a respectiva direcção do vento mais desfavorável. Este estudo considera o número de observações efectuadas para o vento, na já referida década de 1979 a 1988, na Estação Meteorológica de Coimbra e que consta do Anuário Climatológico de

12 Portugal. Desta forma, atendendo ao número de vezes que se observou anualmente cada um dos oito rumos indicados naquela publicação (N, NE, E, SE, S, SW, W e NW), é possível estimar a probabilidade de uma dada direcção do vento ocorrer e utilizar esse valor no cálculo do mencionado impacto máximo. Assim, o impacto máximo calculado pela aplicação externa traduz aquilo a que se designou por impacto máximo probabilístico. Na Fig. 7 apresenta-se o mapa de impacto máximo probabilístico, a título de exemplo só sobre os jardins de infância, relativo à referida fonte poluidora assinalada no mapa (localizada em Souselas, portanto). Figura 7 - Impacto máximo probabilístico sobre os jardins de infância.

13 6 Conclusões As previsões de impacto ambiental têm assumido uma importância cada vez maior tanto em termos de opinião pública como em estudos técnicos ou na investigação científica. Os impactos relacionados com emissões de poluentes e sua disseminação através da atmosfera constituem um caso particular muito importante. Para o estudo deste tipo de problemas existem modelos adequados, como o modelo gaussiano aqui descrito sucintamente, que permitem, nomeadamente, avaliar a dispersão de cargas provenientes de fontes pontuais. Por outro lado, tratando-se esses impactos de fenómenos que podem ser referenciados espacialmente, torna-se útil para o seu estudo o uso de sistemas de informação geográfica (SIG). Implementar o modelo em computador por meio de um programa especificamente desenvolvido para o efeito e estabelecer uma comunicação em tempo real entre esse programa e um SIG, constituiu o trabalho relativo ao desenvolvimento de um protótipo aqui descrito. Este pode considerar-se distinto das já tradicionais operações de ligação de dados cartográficos a informação alfanumérica armazenada e gerida pelo sub-sistema de gestão de bases de dados, nas quais os SIG são amplamente usados. Contudo, pode servir-se dessas técnicas, nomeadamente para ligação dos elementos espaciais à informação que lhes está associada, como é o caso dos equipamentos urbanos. Desta forma, foram exploradas as possibilidades de ligação de modelos externos (neste caso concreto, para calcular a dispersão de cargas poluentes através da atmosfera) a SIG. A elaboração de mapas de risco ambiental e a simulação de situações podem constituir aspectos importantes seja na previsão de impactos ambientais, seja na definição de estratégias e de atitudes de intervenção em problemas ambientais. 7 Referências Apple Computer, Inside Macintosh ver. 7.0, Vol. VI, 6, Boubel R. W., et al., Fundamentals of Air Pollution, 3 rd. ed., 19, pp , Comgrafix, MapGrafix User's Manual 2.5, Clearwater, Florida (E.U.A.), Conceição M., A gestão do ar e o desenvolvimento sustentável - Curso de Modelação da Dispersão e Transporte de Poluentes Atmosféricos, Departamento de Ambiente e Ordenamento da Universidade de Aveiro, Gordon S. I., Computer Models in Environmental Planning, New York, 4, pp , Mahoney J. R., Meteorological Aspects of Air Pollution. In Industrial Pollution, 15, pp , 1974.

14 Miranda A. I., Introdução aos Modelos Gaussianos, Selecção de Modelos - Curso de Modelação da Dispersão e Transporte de Poluentes Atmosféricos, Departamento de Ambiente e Ordenamento da Universidade de Aveiro, Pasquill F., Atmospheric Diffusion, 2 nd edition, New York, Pasquill F., Meteorological Mag., 90(1063), pp , Gifford F. A., Use of routine meteorological observations for estimating atmospheric dispersion. In Nuclear Safety, 1961, 2, pp Gifford F. A., Nuclear Safety, 1976, 17(1), pp Maguire D. et al., eds., Geographical Information Systems: Principles and Applications, 1991, London. Pasquill F., Atmospheric Dispersion in Gaussian Plume Modeling, Part II. Possible Requirements for Change in the Turner Workbook Values, 1976, Research Triangle Park, NC (E.U.A.).