Nome do Projeto
Aplicação de um sistema de modelos computacionais para simular a dispersão e a concentração de poluentes emitidos por uma termelétrica
Ênfase
Pesquisa
Data inicial - Data final
01/03/2021 - 01/03/2024
Unidade de Origem
Coordenador Atual
Área CNPq
Ciências Exatas e da Terra
Resumo
O conhecimento sobre a poluição atmosférica bem como as ferramentas capazes de quantificar os impactos das diversas fontes de poluição evoluíram significativamente durante os últimos anos. Tal fato tem auxiliado poderes decisórios em muitas partes do mundo a reverter tendências de crescimento de emissões, pelo menos para alguns dos poluentes tradicionalmente mais relevantes. No que diz respeito ao estudo de emissão, transporte, deposição e concentração de poluentes na atmosfera, a modelagem numérica computacional, usando sistemas de modelos, representa o estado da arte para o estudo da poluição. Nesse sentido, esse projeto propõe a aplicação de um sistema de modelos capaz de diagnosticar e prognosticar a dispersão atmosférica e os níveis de concentração em uma região de grandes taxas de emissão de poluentes. Na região a ser estudada, estão instaladas três estações automáticas de qualidade do ar em locais estratégicos, o que permitirá avaliar não somente a evolução temporal como também a variabilidade espacial do campo de concentração de poluentes. A aplicação do sistema de modelos permitirá, adicionalmente, avaliar a contribuição das emissões de uma usina termelétrica para a concentração da bacia aérea da região (concentração de fundo).

Objetivo Geral

Aplicar um sistema de modelos computacional para estudar a dispersão e a concentração de poluentes em uma região de altas taxas de emissão, onde está instalada uma grande usina termelétrica. A utilização do sistema de modelos permitirá avaliar não somente a evolução temporal como também a variabilidade espacial do campo de concentração dos poluentes, uma vez que três estações automáticas de qualidade do ar estão instaladas em localidades diferentes na área de interesse.

Justificativa

O estudo justifica-se pelo fato que a aplicação de um sistema de modelos formado por um modelo meteorológico e por um modelo de dispersão representa o estado da arte para avaliar a dispersão e a concentração de poluentes atmosféricos. O modelo meteorológico permite simular as variações no tempo e no espaço dos parâmetros meteorológicos para serem utilizados como dados de entrada no modelo de dispersão. Isso permite cálculos de dispersão e de concentração não-estacionários (variável no tempo) e não-homogêneos (variável espacial). Esse é o método computacional mais eficiente para a avaliação proposta e será complementado pela validação de dados observados de concentração de poluentes em três localidades diferentes dentro da área de estudo.

Metodologia

Área de Estudo
A área de estudo para a aplicação do sistema de modelo encontra-se no município de Candiota-RS. O município localiza-se na metade sul do estado do Rio Grande do Sul, próximo à fronteira com o Uruguai, na mesorregião Sudeste Rio-grandense. Nessa área está instalada a Usina Termelétrica Presidente Médice (UTPM), a qual compõe o sistema de geração de energia da Eltrobras CGT Eletrosul (CGTEE). A área onde as fontes de emissão estão instaladas é predominante rural e a orografia revela altitudes que podem alcançar 500 m em relação ao nível médio do mar. De acordo com a classificação climática de Köppen, o clima da região de Candiota-RS é temperado úmido com verão quente (Cfa), tal que a temperatura média no mês mais frio é inferior a 18 oC (mesotérmico) e temperatura média no mês mais quente acima de 22 oC. O monitoramento da concentração de poluentes na área de interesse é realizado atualmente por três estações de qualidade do ar, instaladas a sul-sudeste e a nordeste das fontes de emissão da UTPM. Os poluentes emitidos na região tendem a serem transportados para sudoeste e para noroeste dos pontos de emissão, de tal forma que as estações de qualidade do ar coletam, com grande frequência, dados de concentração a partir de fontes da UTPM. Os dados coletados pelas estações de qualidade do ar serão utilizados para avaliar os resultados das simulações. Além da avaliação do sistema de modelo, os dados coletados permitirão estimar a cooperação das emissões da UTPM para a bacia aérea na região.

Sistema WRF-CALMET-CALPUFF
O sistema de modelagem computacional utilizado para avaliar a dispersão e a concentração dos poluentes será composto por três módulos: modelo WRF (Weather Researchand Forecasting), modelo CALMET (CALifornian METeorological model) e modelo CALPUFF (CALifornian PUFF Model). Os modelos rodam em sistema operacional Linux e exigem computadores de alto desempenho (cluster de computadores) para simulações de longos períodos. A seguir, é apresentado um resumo de cada um dos módulos que compõe o sistema.

Modelo WRF
WRF é um sistema computacional de previsão de tempo de mesoescala designado tanto para o serviço operacional quando para as necessidades de pesquisa. O modelo é totalmente compressível, Eureliano e pode ser integrado em modo não hidrostático. No WRF, são calculadas as componentes da velocidade do vento, a temperatura potencial, o geopotencial, o campo de pressão em superfície e várias quantidades físicas. Possibilita, também, gerar outras variáveis, incluindo energia cinética turbulenta e as razões de mistura de vapor d’água, chuva/neve e água/gelo das nuvens. A física do modelo inclui, ainda, cálculo de turbulência não-local para a camada limite atmosférica (CLA) e determinação de radiação de onda longa e onda curta em várias bandas espectrais. O período de simulação com o modelo WRF (últimos 2 anos consecutivos) permite realizar o estudo levando-se em conta todas as condições meteorológicas que influenciam o transporte e a difusão de poluentes na região, incluindo variações diurnas e sazonais. O modelo é utilizado numa configuração com grades aninhadas, centradas nas coordenadas do empreendimento. As parametrizações físicas, que são utilizadas na simulação com o WRF, incluem parametrização da CLA, parametrização de superfície, parametrização de cumulus, parametrização de microfísica de nuvens e parametrização de radiação.

Modelo CALMET
CALMET é um modelo meteorológico constituído por um módulo que permite reconstruir o campo de vento diagnóstico e por dois módulos micrometeorológicos para a camada limite marítima e terrestre. Para a determinação do campo de vento, o módulo de vento diagnóstico usa uma aproximação em duas fases. Na fase I, o campo inicial é ajustado levando em conta a não homegeneidade do terreno, através de algoritmos específicos tais como: escoamento inclinado, efeito cinemático do terreno e efeitos de bloqueio do terreno. A fase II consiste de uma análise objetiva para a introdução, no campo produzido na fase I, de dados observados. Para tal, utiliza-se um método que fornece um peso maior aos pontos de grade mais próximos da estação de observação. O campo de vento resultante é submetido a uma filtragem que leva em conta eventuais descontinuidades devido à introdução dos valores observados. Na sequencia, um ajustamento opcional da velocidade vertical é realizado e, por fim, um processo iterativo de minimização da divergência é feito. Para levar em conta as diferentes propriedades aerodinâmicas e térmicas da superfície terrestre e marítima, CALMET possui dois módulos micrometeorológicos para a determinação dos parâmetros da camada limite nos dois diferentes ambientes. Na camada limite terrestre, o método de balanço energético é utilizado para calcular de hora em hora, em cada ponto da grade, o fluxo de calor sensível, a velocidade de fricção superficial, o comprimento de Monin-Obukhov e a velocidade convectiva. A partir do fluxo de calor superficial calculado e de perfis de temperatura é possível determinar a espessura da camada de mistura. Na camada limite marítima é utilizado uma técnica de perfil que valida os parâmetros meteorológicos a partir das diferenças de temperatura ar-água.

Modelo CALPUFF
CALPUFF é um modelo de dispersão de puff Gaussiano Lagrangeano não estacionário que permite validar um campo de concentração, simulando o transporte, a transformação e a remoção dos poluentes na atmosfera a partir de condições meteorológicas variáveis no espaço e no tempo. Nos modelos de puff, uma emissão contínua de um poluente é descrita por uma sucessão temporal de elementos (puffs) do material poluente, onde todos se movem no domínio de cálculo por efeito de um campo de vento tridimensional variável no tempo. Matematicamente, a concentração de poluentes em cada puff é representada por uma distribuição Gaussiana evoluindo no tempo e no espaço. O movimento de cada puff é calculado em cada intervalo de tempo, movendo-se o seu centro de massa de acordo com o vento presente naquele ponto e naquele instante. O campo de concentração a cada passo de tempo é calculado somando a contribuição de cada puff. Um inconveniente tradicional desta aproximação é a necessidade de liberar um elevado número de puffs para representar adequadamente uma pluma contínua próxima a fonte. Tal inconveniente, pode ser superado utilizando puffs não circulares, que são mais alongados na direção do vento. O esquema proposto no modelo CALPUFF é do tipo híbrido, puffs circulares/alongados. Deste modo são mantidas as vantagens destes dois algoritmos. O modelo CALPUFF permite calcular os valores dos coeficientes de dispersão horizontal e vertical, utilizando os campos dos parâmetros de escala micrometeorológica (velocidade de fricção, escala de velocidade convectiva, comprimento de Monin-Obukhov e altura da camada de mistura turbulenta), gerados por CALMET, baseando-se na teoria de similaridade. Este modelo contém, ainda, algoritmos para tratar os efeitos de interação costa-oceano, de terreno complexo, de deposição seca e úmida, de plume rise, de transformação química, etc.... Para os efeitos de terreno complexo, CALPUFF prevê uma subrotina (CTSG: Complex Terrain algorithm for Sub-Grid scale features) que permite tratar os efeitos do terreno não resolvidos na grade do campo de vento. Em tal caso, especifica-se uma série de grandezas que permitem parametrizar a orografia. O módulo da deposição seca é baseado nas propriedades da atmosfera, da superfície e do poluente, permitindo parametrizar os fatores mais importantes que influenciam a velocidade de deposição.


Avaliação Estatística
Para analisar quantitativamente as diferenças entre simulação e observação, serão aplicados índices estatísticos específicos para permitir a análise dos resultados. Os índices estatísticos considerados serão Erro Quadrático Médio Normalizado, Erro Fracional, Desvio Padrão Fracional e Coeficiente de Correlação. A avaliação estatística será realizada tanto para dados meteorológicos quanto para dados de qualidade do ar (concentração de poluentes).

Dados de Emissão e Concentração
Os dados de emissão da UTPM e os dados de concentração monitorados já foram disponibilizados pela CGTEE. Portanto, não há risco para o desenvolvimento do projeto no que diz respeito a disponibilidade das informações referentes às fontes de emissão e às coletas de dados de concentração.

Avaliação através Legislação Vigente
A avaliação do significado das concentrações máximas dos poluentes, calculadas pelo sistema de modelos, serão comparadas com padrões de qualidade do ar estabelecidos pelo Conselho Nacional do Meio Ambiente (CONAMA) através da Resolução No 491 de 19 de novembro de 2018. De acordo com a Resolução CONAMA 491/2018, poluente atmosférico é qualquer forma de matéria em quantidade, concentração, tempo ou outras características, que tornem ou possam tornar o ar impróprio ou nocivo à saúde, inconveniente ao bem-estar público, danoso aos materiais, à fauna e flora ou prejudicial à segurança, ao uso e gozo da propriedade ou às atividades normais da comunidade. A CONAMA 491/2018 define, ainda, padrão de qualidade do ar como um dos instrumentos de gestão da qualidade do ar, determinado como valor de concentração de um poluente específico na atmosfera, associado a um intervalo de tempo de exposição, para que o meio ambiente e a saúde da população sejam preservados em relação aos riscos de danos causados pela poluição atmosférica. Os padrões de qualidade do ar são classificados como: padrões de qualidade do ar intermediários (PI), estabelecidos como valores temporários a serem cumpridos em etapas, e padrão de qualidade do ar final (PF), definido pela Organização Mundial da Saúde (OMS) em 2005.

Indicadores, Metas e Resultados

Pretende-se disponibilizar um sistema de modelos de dispersão atmosférica e de concentração de poluentes para a área de interesse. Os resultados gerados pelo sistema de modelos deverão ser avaliados para garantir aplicações futuras satisfatórias no controle e qualidade do ar. Os resultados deverão revelar qual a cooperação das emissões da usina termelétrica para a concentração de fundo e o seu impacto na bacia da aérea da região. Indicadores estatísticos serão utilizados para avaliar os resultados das simulações, considerando a comparação com dados de concentração monitorados por estações de qualidade do ar. Esses resultados devem ser publicados em revistas especializadas nas áreas de meteorologia, matemática aplicada e meio ambiente.

Equipe do Projeto

NomeCH SemanalData inicialData final
ANDERSON LAMEIRÃO ANTHONISEN
JOAO CARLOS TORRES VIANNA2
JONAS DA COSTA CARVALHO4

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