Comparación preliminar del sistema de modelos AERMOD
e ISCST3

Preliminary comparison of the system of AERMOD and
ISCST3 models

Leonor Turtós Carbonell, Lariza Curbelo Garea y Norberto Díaz Rivero
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Resumen
La Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (Environmental Protection Agency, EPA), el 21 de octubre del 2005 establece el AERMOD como modelo de uso recomendado para la dispersión de contaminantes a escala local, en sustitución del ISCST3, hasta ese momento usado. Al aparecer, un modelo de dispersión nuevo es necesario para la comunidad científica establecer una comparación entre los resultados arrojados por el nuevo modelo y el anterior. Teniendo en cuenta esto, este trabajo se propone una comparación preliminar de las concentraciones máximas calculadas por cada modelo (ISCST3 y AERMOD) para un caso de estudio específico que consiste en once baterías distribuidas en Ciudad de La Habana, generando en régimen base y empleando fuel oil de 4 % de azufre, además de un dominio de modelación de 50 x 37 km con celdas de 1 x 1 km, para un total de 1 850 puntos de cálculo (receptores), que incluye toda Ciudad de La Habana y los municipios aledaños de la provincia La Habana. En cada uno de estos puntos se realizaron cálculos y se modeló la dispersión de SO2 y NOx.
Palabras clave: Modelación de la dispersión, dispersión de contaminantes, contaminación atmosférica, AERMOD y ISCST3.

Introducción
Muchas actividades industriales, en particular las energéticas que involucran a combustibles fósiles, pudieran ser altamente contaminantes y afectar de manera directa la calidad del aire y, consecuentemente, la salud humana. Conocer en qué proporciones se ve afectada la calidad del aire que depende de factores característicos de la fuente contaminante y la localización de los receptores es importante a la hora de trazar las estrategias de desarrollo energético, para lo cual es imprescindible el uso de modelos de calidad del aire.

Los modelos de calidad de aire utilizan técnicas numéricas y matemáticas para simular los procesos físicos y químicos que afectan a los contaminantes en el aire, es decir, cómo ellos se dispersan y reaccionan en la atmósfera. Basados en la entrada de datos meteorológicos, topografía, uso del terreno e información de la fuente emisora estos modelos caracterizan los contaminares primarios que son emitidos directamente en la atmósfera y, en algunos casos, los contaminantes secundarios resultados de reacciones químicas que tienen lugar en la atmósfera.

Estos modelos son útiles para identificar la contribución de las fuentes a la contaminación del aire y sirven de apoyo a la hora de establecer estrategias del desarrollo energético y buscar soluciones para mitigar la contaminación atmosférica. Dentro de los modelos de calidad del aire están los clasificados como de dispersión, los cuales se usan para estimar la concentración de contaminantes en receptores que rodean las fuentes a determinado nivel sobre la tierra; estos a su vez se dividen en modelos de dispersión local o regional, en dependencia de la distancia de la fuente en la que se dispersan los contaminantes.

AERMOD
The American Meteorological Society/Environmental Protection Agency Regulatory Model Improvement Comité (AERMIC) [EPA-454, 2004] fue formado para actualizar los modelos de dispersión de la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (EPA), de acuerdo con el nivel de estado del arte en el tema. A través del AERMIC se incorporó el sistema de modelos AERMOD [Technology Transfer…], el que incorpora la dispersión de contaminantes en el aire basada en la estructura de turbulencia de la capa límite planetaria y en conceptos de escala, incluyendo tratamientos de superficies y elevación de las fuentes, y teniendo en cuenta tanto terrenos complejos como simples. Existen dos preprocesadores de datos de entrada que son componentes regulatorios del AERMOD: AERMET [User´s Guide for the AERMOD Meteorological…, 2004], preprocesador de datos meteorológicos y el AERMAP [User´s Guide for the AERMOD Terrain…], preprocesador de los datos del terreno. Se considera que en corto plazo se adicione el AERSURFACE, un preprocesador de datos de uso de suelos.

La Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (Environmental Protection Agency, EPA), el 21 de octubre del 2005 estableció el AERMOD como el modelo de uso recomendado para la dispersión de contaminantes a escala local, en sustitución del ISCST3, hasta ese momento usado [Environmental Protection Agency…, 2005]. Ha sido demostrado y documentado, tanto por evidencias científicas como por estudios de validación, que el AERMOD representa un sólido y significativo avance respecto al ISCST3. La formulación del AERMOD ha sido sometida a una revisión profunda e independiente, lo que permite concluir que las bases científicas del AERMOD están al nivel del estado del arte de la ciencia [U.S. Environmental…, 2002; Cimorelli, et. al., 2005; Perry, et. al., 2005, y Paine, et. al., 1998]. Por otra parte, están disponibles en www.epa.gov./scram001diecisiete bases de datos de resultados de mediciones en diferentes ambientes (terreno llano o complejo, áreas rurales y urbanas, con obstáculos importantes en el terreno o sin ellos), que fueron usadas para evaluar los resultados del modelo y que pueden ser descargadas libremente para tareas propias de validación.

De forma resumida, AERMOD representa una técnica de dispersión que incorpora las técnicas más avanzadas de parametrización de la capa límite planetaria, dispersión convectiva, formulación de la elevación de la pluma e interacciones complejas del terreno con la pluma. En comparación con el ISCST3, AERMOD contiene nuevos o mejorados algoritmos para:

1. Dispersión tanto en las capas límite estable como convectiva.
2. Flotabilidad y elevación de la pluma.
3. Penetración de la pluma dentro de la inversión elevada.
4. Tratamiento de fuentes elevadas y bajas.
5. Perfiles verticales de viento, temperatura y turbulencia.
6. Tratamiento de receptores en todo tipo de terrenos.

Caso de estudio
El programa de generación eléctrica distribuida que se desarrolla actualmente en el país contempla, entre otras acciones, la instalación en diferentes puntos de Ciudad de La Habana (Fig. 1), de un conjunto de instalaciones conformadas por grupos electrógenos estructurados en baterías. Las baterías están concebidas para generar en régimen base (funcionamiento continuo las 24 horas del día), con una potencia total instalada de 450,8 MW empleando fuel oil como combustible.

Fig. 1. Ubicación de las baterías de grupos electrógenos en Ciudad de La Habana.

Como en todas las instalaciones basadas en la combustión de combustibles fósiles, durante el funcionamiento de estos equipos se emiten a la atmósfera gases contaminantes, fundamentalmente óxidos de azufre (SO2) y nitrógeno (NO2) y material particulado (PM10 y PM25), que al dispersarse deterioran la calidad del aire a nivel del suelo y a baja altura (aire que está en contacto con las personas) en los alrededores de los emplazamientos y zonas ubicadas a sotavento de éstos.
Estas afectaciones dependen fundamentalmente de los factores siguientes:

• Flujo de contaminantes emitidos.
• Tiempo de funcionamiento.
• Altura de la expulsión.
• Velocidad y temperatura a que son expulsados los contaminantes.
• Variables meteorológicas de la zona donde son emitidos, fundamentalmente el régimen de vientos y la temperatura ambiente.
• Topografía del terreno, etcétera.

Fuentes
En las tablas 1 y 2 se observa la composición de cada una de las baterías que se instalarán y sus características técnicas, así como las emisiones según información entregada por el fabricante. Se consideró un escenario de referencia con todas las máquinas trabajando a plena carga simultáneamente en régimen base (24 horas) y quemando fuel oil.

Datos meteorológicos
Los datos meteorológicos empleados correspondieron a las series reales horarias disponibles en el Instituto de Meteorología para el 2003 en la estación de Casablanca. Los datos utilizados se muestran en la tabla 3.

Para crear el fichero de entrada del ISCST3 se usó un preprocesador de datos meteorológicos PCRAMMET y el AERMET para crear el fichero de entrada para el AERMOD.

Receptores
Para calcular las concentraciones en el aire se conformó un dominio de modelación
de 50 x 37 km con celdas de 1 x 1 km, para un total de 1 850 puntos de cálculo (receptores), que incluye toda Ciudad de La Habana y los municipios aledaños de la provincia La Habana. En cada uno de estos puntos se realizaron cálculos (Fig. 2).

Fig. 2. Rejilla de receptores.

Resultados de la comparación preliminar del AERMOD con el ISCST3
Al aparecer un nuevo modelo es útil conocer si este predice valores de concentraciones mayores o menores que el anterior modelo. Para esto definiremos el parámetro r, que no es más que la división entre la máxima concentración calculada por el nuevo modelo (AERMOD) divididos por la máxima calculada por el modelo anterior (ISCST3). De manera que r < 1 implica que el AERMOD predice concentraciones menores que el ISCST3, y la situación contraria cuando r > 1.

En el figura 3 se muestra la frecuencia de los valores de r para NOx y SO2 en los períodos de un año, 24 horas y una hora, y en las tablas 4 y 5 los valores promedio, máximos y mínimos de r.

Fig. 3. Frecuencia de los valores de r. a) NOx. b) SO2.

Existe una distribución similar de los valores de r para la modelación con SO2 y NOx para cada período evaluado. Si se analiza por separado la distribución de los valores de r para cada período se observa que en el anual los valores de r se comportan de manera diferente, y tiene como valor promedio 1,4; es decir, para la mayoría de los casos la concentración máxima reportada por el AERMOD es mayor que la del ISCST3, y alrededor de 80 % de las concentraciones del AERMOD poseen un factor de 2 (menor o mayor) que el ISCST3. Para los períodos de 24 y una horas se observa un desplazamiento de la frecuencia de r hacia valores menores, alrededor de 0,50, lo que indica que la concentración máxima del ISCST3 es dos veces mayor que la del AERMOD.

En una fuente consultada [U.S. EPA, 2003] se realiza una comparación de las concentraciones máximas del ISCST3 y el AERMOD para 396 receptores y en condiciones de modelación diversas se obtienen como resultados generales, que:

1. En condiciones rurales con chimeneas medianas, valores de AERMOD menores.
2. Para períodos largos en zonas rurales y con chimeneas altas, valores de AERMOD mayores.
3. Para períodos cortos y chimeneas pequeñas, tanto en zonas urbanas como rurales, valores de AERMOD menores.
4. Para chimeneas muy altas en zonas urbanas (AERMOD menor).

Por tanto, los valores de r dependen de las condiciones en las que se realiza la modelación. Teniendo en cuenta las condiciones en que se realizó nuestra modelación, es decir, zona urbana, con chimeneas cortas, se ajusta más a nuestras condiciones de modelación el punto 3 y concuerdan con nuestros resultados.

En nuestro trabajo siempre se obtuvo que, excepto para el período anual, los valores del AERMOD fueron como promedio la mitad de los estimados por el ISCST3, lo que está en concordancia con los resultados de la referencia citada. Las condiciones del período de un año (período largo, zonas urbanas, chimenea corta), no están recogidas en los puntos anteriores.

Conclusiones
El propósito de nuestro trabajo fue realizar una comparación preliminar entre los valores de concentración  reportados por el ISCT3 y el sistema de modelo AERMOD, para lo cual se trabajó con el parámetro r (r = máxima concentración calculada por AERMOD/máxima calculada por ISCST3). Se obtuvo que para las condiciones de modelación estudiadas (zona urbana, chimenea corta), los  valores de concentración máxima para el período de un año tienden a ser mayores cuando son estimados por el AERMOD (r tiene un promedio de 1.4); lo contrario ocurre para los períodos de 24 hora y un año (períodos cortos), en el que los valores de concentración máxima calculados por el  ISCT3 son generalmente mayores que los estimados por el AERMOD, lo que está  en concordancia con los resultados de la  referencias. No se aprecia una diferencia marcada de la distribución  de los valores de r para la modelación con SO2 y NOx en cada período evaluado.

Bibliografía
Cimorelli, A. et. al. «AERMOD: A Dispersion Model for Industrial Source Applications. Part I: General Model Formulation and Boundary Layer Characterization». Journal of Applied Meteorology, 44(5): 682–693, 2005.
Environmental Protection Agency. 40 CFR Part 51 [AH–FRL–7990–9] RIN 2060–AK60 Revision to the Guideline on Air Quality Models: Adoption of a Preferred General Purpose (Flat and Complex Terrain) Dispersion Model and Other Revisions, Federal Register / Vol. 70, No. 216 / Wednesday, November 9, 2005 / Rules and Regulations.
EPA-454/B-03-001. User´s Guide for the AMS/EPA Regulatory Model-AERMOD, U.S. Environmental Protection Agency, Office of Air Quality Planning and Standards Emissions, Monitoring, and Analysis Division Research Triangle Park, North Carolina 27711, September 2004.
Paine R. J., et. al. Evaluation Results for AERMOD, Draft Report. Docket No. A–99–05; II–A– 05. 1998. Disponible en www.epa.gov./scram001/.
Perry, S., et. al. «AERMOD: A Dispersion Model for Industrial Source Applications. Part II: Model Performance against 17 Field Study Databases». Journal of Applied Meteorology, 44(5): 694-708, 2005.
Technology Transfer Network Support Center for Regulatory Atmospheric http://www.epa.gov/scram001/dispersion_prefrec.htm#aermod.
U.S. Environmental Protection Agency. Compendium of Reports from the Peer Review Process for AERMOD. February 2002. Disponible en www.epa.gov/scram001.
U.S. EPA. Comparison of Regulatory Design Concentrations, Staff Report, EPA-454/R-03-002. June 2003.
User´s Guide for the AERMOD Meteorological Preprocessor (AERMET), U.S. Environmental Protection Agency, Office of Air Quality Planning and Standards Emissions, Monitoring, and Analysis Division Research Triangle Park, North Carolina 27711, 03-002, November 2004.
User´s Guide for the AERMOD Terrain Preprocessor (AERMAP), U.S. Environmental Protection Agency, Office of Air Quality Planning and Standards Emissions, Monitoring, and Analysis Division Research Triangle Park, North Carolina 27711.