REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA UNIVERSIDAD DEL ZULIA FACULTAD DE INGENIERÍA DIVISIÓN DE POSTGRADO PROGRAMA DE POSTGRADO EN CIENCIAS DEL AMBIENTE DISEÑO DE UNA RED DE MONITOREO DE CALIDAD DE AIRE PARA UN COMPLEJO PETROQUÍMICO Trabajo de Grado presentado ante la Ilustre Universidad del Zulia para optar al Grado Académico de MAGISTER SCIENTIARUM EN INGENIERIA AMBIENTAL Autor: Eudo José Nava González Tutor: Cézar García Co-tutor: Rina Simancas Maracaibo, julio de 2012 Nava González, Eudo José. Diseño de una red de monitoreo de calidad de aire para un complejo petroquímico (2012). Trabajo de grado. Universidad del Zulia. Facultad de Ingeniería. División de Postgrado. Maracaibo, Venezuela. 163 p. Tutor: MSc. Cézar García. RESUMEN A la luz de las regulaciones ambientales venezolanas, el Complejo Petroquímico Ana María Campos por su ubicación, número y magnitud de las diferentes operaciones generadoras de poluentes, está obligado a implementar y mantener un sistema confiable vigilancia de calidad del aire. Tomando como base la información presentada en la literatura combinada con experiencias personales, datos técnicos de los equipos involucrados y el conocimiento de las condiciones meteorológicas reinantes, en esta investigación se provee una guía para el diseño de la red de monitoreo de calidad de aire en la zona Nor-Oriental del Lago de Maracaibo y las poblaciones aledañas. La metodología abarcó cinco (5) etapas, a saber: i) modelación de la meteorología local; ii) estimación de la tasa de emisión de poluentes a través del uso adecuado de factores de emisión; iii) predicción de las concentraciones atmosféricas de partículas y gases empleando el modelo de dispersión gaussiana de Turner; iv) establecimiento de los balances de materiales para la localización óptima del número de estaciones locales de muestreo; v) propuesta de los requerimientos técnicos y administrativos para el funcionamiento de la red. La modelación meteorológica exhibe distribución significativa durante las 24 horas del día y más estratificada en el período de Mayo a Octubre. En la estimación de las emisiones las fuentes pertenecientes a planta de generadora de electricidad y producción de olefinas reportaron mayor potencial de emisión, se seleccionaron cuatro (4) sitios para el monitoreo de calidad de aire tomando en cuenta las zonas donde se estiman mayor concentración de gases y partículas alcanzando si una selección ajustada y razonable para la localización de dichos sitios. Se requiere el concurso de personal con experticia y la realización de estudios económicos para la implementación de la red de monitoreo de calidad de aire en las zonas propuestas por este trabajo. Palabras clave: emisiones, modelo de dispersión, complejo petroquímico, estaciones de muestreo, concentración de gases y partículas [email protected] Nava González, Eudo José. Design of a network of monitoring of air quality for a petrochemical complex (2012). Trabajo de grado. Universidad del Zulia. Facultad de Ingeniería. División de Postgrado. Maracaibo, Venezuela. 164 p. Tutor: MSc. Cézar García. ABSTRACT In the light of the Venezuelan environmental regulations, Ana Maria Campos Petrochemical Complex by its location, number and magnitude of the different pollutants-generating operations, is required to implement and keep a reliable system monitoring air quality. On the basis of the information presented in the literature combined with personal experiences, technical data of the equipment and the knowledge of the prevailing weather conditions, this study provide a guide for the design of the network of monitoring air quality in the North-Eastern area of the Maracaibo Lake and surrounding communities. The methodology included five (5) phases: i) local weather modeling, ii) estimate the rate of emission of pollutants through the appropriate use of emission factors; iii) prediction of atmospheric concentrations of gases and particulate matter using the Turner Gaussian dispersion model; (iv) establishment of material balances for the optimal location of the number of local stations sampling v) propose administrative and technical requirements for the operation of the network. Meteorological modeling exhibits significant 24 hours a day and distribution more stratified in the period from May to October. In estimating emissions sources belonging to electricity generating plant and production of olefins reported higher emission potential, four (4) sites were selected for the monitoring of air quality taking into account the areas where higher concentrations are estimated to gases and particles reaching if a selection set and reasonable for the location of such sites. The contest of personnel is needed with expertise and economic studies for the implementation of the network of monitoring air quality in areas proposed by this study. Key words: emissions, dispersion model, petrochemical complex, sampling stations, concentration of gaseous and particulate. [email protected] TABLA DE CONTENIDO RESUMEN………………………………………………………………………………………….…….. ABSTRACT………………………………………………………………………………………………… DEDICATORIA………………………………………………………………………………………….. AGRADECIMIENTO……………………………………………………………………………….…. TABLA DE CONTENIDO……………………………………………………………………………. LISTA DE TABLAS……………………………………………………………………………………. LISTA DE FIGURAS…………………………………………………………………………………… INTRODUCCIÓN……………………………………………………………………….…………..…. CAPÍTULO I. FUNDAMENTOS TEORICOS…………….………………………………………....… 1.1. Antecedentes de la investigación……………….………………….…… 1.2. Bases teóricas………………………………………………………………….…… 1.2.1. Meteorología………………….………………………………….……. 1.2.1.1. Calidad de aire…………… 1.2.1.2. Métodos para la determinación de calidad de aire…………………………………………………. 1.2.1.3. Trasporte y dispersión de los contaminantes………………………………………………….. 1.2.1.4. Parámetros meteorológicos………………...… 1.2.2. Área de estudio………………………………………………………. 1.2.3. Características climáticas regionales………….……… 1.2.4. Normativa Legal……………………………………………………… 1.2.5. Monitoreo de la calidad del aire………………………….… 1.2.5.1 Instrumentación para mediciones de Calidad del Aire…………………………………….. 1.2.5.2 Muestreadores empleados en Calidad del Aire en Venezuela……………………….….… 1.3. Estimación de Emisiones………………………………………………...… 1.3.1. Metodologías básicas de estimación de emisiones… 1.3.1.1. Factores de emisión…………………………………. 1.4. Modelos de dispersión…………………………….……………………. 1.4.1. Distribución Gaussiana o normal…………………..…………. 1.4.2. Modelo de dispersión Gaussiana.…………………… 1.4.2.1. Emisiones continuas.…………………..……….. 1.4.2.2. Conservación de masas …………………….. 1 4.2.3. Condiciones de estado estacionario…..…… 1.4.2.4. Distribución vertical y transversal de las concentraciones………..……………………….. 1.4.3. Fuentes puntuales al nivel del suelo…………………… 1.4.4. Clase de estabilidad de Pasquill …………………………….. 1.4.5. Descripción de los modelos de dispersión Atmosférica………………………………………………………… Página 3 4 5 6 7 10 12 14 16 16 21 21 42 24 24 25 32 34 37 40 45 47 50 50 51 54 54 55 56 56 57 57 58 60 62 1.4.5.1. Parámetros de dispersión de PasquillGifford…………………………………………………… 1.4.5.2. Parámetros de dispersión rural y urbano 1.4.5.3. Altura efectiva de la chimenea………………… II. DISEÑO DE REDES DE MONITOREO DE CALIDAD DEL AIRE……….. 2.1. Procedimiento de diseño básico de una red de monitoreo de calidad del aire……………….………………………..… 2.1.1. Fase de diagnostico inicial…………………………….……….. 2.1.1.1. Análisis de la información recolectada en el diagnóstico…………………………………….… 2.1.2. Fase de elaboración de diseño final………………………… 2.1.2.1. Definición del tipo de RMCA………………… 2.1.2.2. Pautas generales para el diseño detallado de RMCA ………………………….. 2.1.2.3. Objetivos de la ubicación de estaciones de una RMCA……………………………………….. 2.1.2.4. Número de estaciones……………………………. 2.1.2.5. Selección del número de estaciones de la RMCA……………………………………………………… 2.1.2.6. Criterios para establecer la distribución d los sitios de vigilancia en una RMC……. 2.1.2.7. Microlocalización de los sitios……………….. 62 64 64 71 71 73 78 79 80 81 81 83 85 89 94 III. METODOLOGÍA……………………………………………………………………………… 3.1. Revisión bibliográfica.……………………………………….……….. 3.2. Modelación meteorológica…………………………..………..……. 97 97 3.3. Estimación de las tasas de emisiones…..………………..…… 3 4. Determinación de concentraciones de gases y material particulado………………..…………………………………………….. 3.5. Determinación el número, ubicación y distribución de las estaciones de la RMCA…………..………………………….. IV. RESULTADOS, DISCUSIÓN Y REQUERIMIENTOS DE LA RMCA………………………………………………………………………………………………. 4.1. Modelación Meteorológica………………………………………….. 4.1.1 Velocidad del viento………………………………………………… 4.1.2 Dirección del viento……………………………………………… 4.2. Estimación de las emisiones………………………………………. 98 4.3 Estimación de la Concentración de Gases y Material Particulado………………………………………………………………….. 4.4. Determinación del número de estaciones……………………… 4.5. Distribución y ubicación de las estaciones……………………… 4.6 Requerimientos técnicos y administrativos………………… 4.6.1. Costos de inversión inicial…………………………………… 4.6.2. Instalación de las estaciones.……………………………. 4.6.3 Análisis………............................................................ 97 108 109 110 110 110 113 119 128 144 145 150 150 150 153 4.6.4 Mantenimiento……………………………………………………………….. 4.6.5 Aseguramiento de Calidad…………………………………………….. 4.6.6 Recurso Humano.…….……………………………………………………… CONCLUSIONES………………………………………………………………………………………. RECOMENDACIONES………………………………………………………………………………… REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS…………………………………………………………….. ANEXOS……………………………………………………………………………………………………. 153 153 154 155 160 162 163 LISTA DE TABLAS Tabla Página 1 Instalaciones de Pequiven…………………………………………………… 33 2 Empresas Mixtas del Complejo Ana María Campo……………… 35 3 Limites de calidad del aire y porcentaje de excedencias………………………………………………………………………… 38 4 Clasificación de zonas de acuerdo con las concentraciones de PTS………………………………………………............................... 39 5 Métodos de análisis de los contaminantes del aire.…………… 40 6 Clave para la clase de estabilidad de Pasquill………….. 61 7 Parámetro T de Pasquill Gifford ……………………………………..... 63 8 Parámetros a y b de Pasquill Gifford ……………………………..… 65 9 Parámetros de dispersión rurales y urbanos de Briggs……. 66 10 Factores de corrección de Δh………….………………………………….. 68 11 Coeficientes de corrección de la velocidad del viento………… 69 12 Valores de aire seco para diferentes combustibles…………… 70 13 Tipos de RMCA……………………………………………………………………… 82 14 Promedio Sugerido de Estaciones de Vigilancia en Zonas Urbanas según la densidad de Población según criterio de la Organización Mundial de la Salud…………………………………… 86 15 Promedio mínimo sugerido de sitios de vigilancia según criterio de la Agencia de Protección Ambiental………………….. 87 16 Criterio de número de estaciones para concentración de PM10 sugerido por la Agencia de Protección Ambiental……. 88 17 Determinación del número de estaciones mínimas, según criterio de CETESB……………………………………..………………………. 91 18 Condiciones del viento horarias y estabilidad atmosférica en el Complejo Petroquímica Ana María Campos ……………… 99 19 Velocidad del viento promedio según la estabilidad y direcciones predominantes ……………………….……………………… 100 20 Fuentes fijas de Planta Eléctrica ………………………………………… 102 21 Fuentes fijas de la planta de Amoníaco en el área de fertilizantes………………………………………………………………………….. 102 22 Fuentes fijas de área 45 de servicios industriales……………… 102 23 Fuentes fijas de la plantas de Olefinas, MVC-PVC, LGN.II, y PPE……………………………………………………………………………………. 103 24 Fuentes fijas de la Planta de Urea del área de Fertilizantes 104 25 Fuentes fijas de las empresas mixtas………………………………… 105 26 Factores de emisión para combustión con gas natural….… 106 27 Factores de emisión para combustión con Fueloil…………..… 106 28 factores de emisión para combustión en turbinas de gas natural generadoras de electricidad………………………………….. 106 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 Factores de emisión para mechurrios industriales……………. Factores de emisión para producción de fertilizantes agrícolas………….………………………………………………………………… Tasas de emisión estimadas la Planta Eléctrica………………… Tasas de emisión estimadas del área 45 de CTA………………. Tasas de emisión estimadas de la Planta de Amoníaco y área 90 de CTA…………………………………………………………………… Tasas de emisión estimadas de MVC-PVC; LGN II; Y PPE… Tasas de emisión de la Planta de Urea…………………………….. Tasas de emisión de Olefinas I y Olefinas II…………………..… Tasas de emisión de las Empresas Mixtas del CPAMC…….… Estimación de emisiones Totales por Planta en toneladas por Año………………………………………………………………………………… Identificación de las fuentes de mayor valor potencial de emisión………………….…………………………………………………………… Determinación del número de estaciones…………………………. Puntos de la RMCA del CPAMC……………………………………….…. Costos de inversión inicial según tipo de tecnología…………. 107 107 120 121 121 122 123 123 124 126 127 144 148 150 LISTA DE FIGURAS Figura Página 1 Rosa de los vientos……………………………….………………………………… 28 2 Cuenca Atmosférica del Estado Zulia ……………………………….… 36 3 Muestreador de partículas totales, tipo alto volumen tipo High………………………………………………………………………………………... 48 4 Muestreador de 3 gases, tipo three-gas sampler, para muestreo de NO2, SO2, NH3……………………………………………………. 49 5 Muestreador de bajo volumen, tipo PARTISOL, para captación de PM10 y PM2.5……………………………………………………………………………….….. 49 6 Estaciones Automáticas de monitoreo de Calidad del Aire…… 49 7 Sistema de coordenadas en la distribución Gaussiana en los ejes Horizontales y verticales……………………………………………… 57 8 Ubicación y distribución de las Plantas e instalaciones del CPAMC………………………………………………………………………………………… 101 9 Velocidad del viento horaria año 2009…………………………………….. 110 10 Velocidad del viento horaria año 2010……………………………………… 112 11 Rosa de los vientos año 2009……………………………………………………. 113 12 Rosa de los vientos año 2010…………………………………………………… 114 13 Rosa de los vientos horarias hora 0 a hora 11 año 20092010…………………………………………………………………………………………. 115 14 Rosa de los vientos horaria hora 12 a hora 23 año 20092010…………………………………………………………………………………………. 116 15 Rosas de de los vientos mensuales años 2009-2010……….…. 117 16 Concentración de SO2 como función de la distancia debajo de la fuente Caldera C3 Planta Eléctrica, combustible FuelOil……………………………………………………………………………………………… 128 17 Concentración de SO2 como función de la distancia debajo de la fuente, Caldera C14, Planta eléctrica……………………………………. 129 18 Concentración SO2 como función de la distancia debajo de la fuente, estabilidad C, caldera C3 Planta Eléctrica (gas natural), Chimenea SK-3A de Amoníaco y Horno H1 de Olefinas II……………………………………………………………………………..….. 130 19 Concentraciones de SO2 en el CPAMC……………………………………… 130 20 Concentración de PTS (PM) en función de la distancia debajo de la fuente, estabilidad C………………………………………………….…… 131 21 Concentración de PTS en función de la distancia debajo de la fuente, torre Prill 42AT2…………………………………………………………… 132 22 Concentración de PTS en el CPAMC…………………………………………… 132 23 Concentración de NO2 en función de la distancia debajo de la fuente, Caldera C3 de la Planta Eléctrica………………………………… 133 24 Concentración de NO2 en función de la distancia debajo de la fuente, Caldera C9 del Área 45……………………………………………… 134 25 Concentración de NO2 en función de la distancia debajo de la fuente chimenea SK-3A-B Amoníaco…………………………………….. 135 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 Concentración de NO2 en función de la distancia debajo de la fuente, Horno 1 Olefinas II………………………………………………………. Concentración de NO2 en función de la distancia debajo de la fuente, F8801-B Olefinas I………………………………………………………. Concentración de NO2 en función de la distancia debajo de la fuente, mechurrio F801 Venoco………………………………………………… Concentraciones de NO2 en el CPAMC…………………………………… Concentración de Amoníaco en función de la distancia debajo de la fuente Torre Prill 42AT2…………………………………………………… Concentraciones de NH3 en el CPAMC……………………………………… Zonas de intercepción de concentraciones del CPAMC…………… Zonas de mayor impacto del CPAMC………………………………………… Poblados Cercanos al CPAMC……………………………………………………. Concentraciones máximas en función de la distancia debajo de la fuente dirección ENE………………………………………………………. Concentraciones máximas en función de la distancia debajo de la fuente dirección NE…………………………………………………………… Concentraciones máximas en función de la distancia debajo de la fuente dirección SE…………………………………………………………. Concentraciones máximas en función de la distancia debajo de la fuente dirección SO………………………………………………………… Puntos propuestos de la RMCA vientos abajo………………………… Puntos propuestos de la RMCA vientos arriba…………………..…. Sitios propuestos en el poblado vientos abajo………………..…… Puntos propuestos interceptados con las zonas de mayor impacto…………………………………………………………………………………….. Puntos de la RMCA dentro del CPAMC………………………………..… Ubicación de la Red de Monitoreo dentro del CPAMC………..… 136 137 138 138 139 140 140 141 141 142 142 143 143 145 146 147 147 149 149 INTRODUCCIÓN En el estado Zulia existen industrias con diferentes actividades económicas (petroleras, carboníferas, cementeras; plantas termoeléctricas), así como un complejo petroquímico ubicado en la zona nororiental del Lago de Maracaibo, el cual debido a las características de sus procesos industriales y a su ubicación geográfica, pudiera afectar la calidad del aire de las ciudades vecinas a través de las descarga a la atmósfera de gases y material particulado producto de esos procesos. Ante esta situación el personal del complejo tiene la necesidad de realizar un diseño de una nueva red de monitoreo, ya que por diversas situaciones en estos momentos no puede contar con un medio más eficaz de vigilancia y cumplimiento de la normativa ambiental, que genere la revisión de los procesos en función de la calidad ambiental. Los sistemas de vigilancia de la calidad del aire pretenden realizar un control integral del área presumiblemente contaminada o contaminable para así disponer de una información correcta, desarrollar estrategias y políticas para minimizar los riesgos que representa la contaminación del aire a la salud y a los recursos naturales. Una gran parte de los sistemas de monitoreo se basan en controlar el cumplimiento de los estándares de calidad del aire. La ejecución del proyecto contribuirá a un avance significativo en el inicio de un programa de monitoreo continuo en el complejo petroquímico iniciándose con la implementación de la red de monitoreo y estableciendo los controles de calidad pertinentes así como los planes de mantenimiento y asignación del recurso humano adecuado. Este proyecto incide en la mejora de la calidad de vida, salud y salvaguarda de los trabajadores del complejo petroquímico y de los habitantes de poblaciones cercanas todo esto gracias a la capacidad de disponer de una herramienta para evaluar y gestionar la calidad del aire por lo tanto este trabajo tiene el objetivo de: Diseñar una red de monitoreo de calidad del aire para el diagnostico de concentración de gases y material particulado en el Complejo Petroquímico Ana María Campos y las poblaciones cercanas. Para cumplir este fin se requerirán de los siguientes objetivos específicos: 1. Establecer la modelación de la meteorología local de transporte y dispersión de contaminantes en el Complejo Petroquímico Ana María Campos. 2. Estimar las tasas de emisiones de las fuentes fijas del Complejo Petroquímico Ana María Campos a través de la elaboración de un inventario de emisión. 3. Determinar las concentraciones atmosféricas de gases y material particulado en el Complejo Petroquímico Ana María Campos y poblaciones cercanas utilizando el programa de simulación de Turner. 4. Establecer a través del balance de materiales la localización óptima de las estaciones de la red de monitoreo del Complejo Ana María Campos. 5. Proponer los requerimientos técnicos y administrativos para funcionamiento óptimo de la red de monitoreo de calidad de aire. el CAPÍTULO I FUNDAMENTOS TEÓRICOS 1.1. Antecedentes de la investigación El sostenido crecimiento económico que ha tenido el mundo en los últimos años ha traído consigo un gran incremento en la actividad productiva e industrial. Esto ha dado lugar a impactos sobre el medio ambiente que, en la mayor parte de los casos, no han sido dimensionados. El problema ambiental de la contaminación atmosférica es uno de los más relevantes, tanto por su magnitud como por la percepción de la comunidad y se manifiesta especialmente en asentamientos industriales, eso ha hecho que en algunos países regulen el monitoreo de calidad del aire partiendo de inventario modelos de emisiones y de dispersión atmosférica, en asentamientos urbanos y complejos industriales (Garrillo, 2010). Desde inicios de 1950 se observó en los países de América Latina y el Caribe una preocupación por la contaminación del aire. Las universidades y dependencias de los ministerios de salud fueron los organismos que realizaron las primeras mediciones de contaminación en el aire (Korp, 1999). En 1965, el Consejo Directivo de la OPS recomendó a su Director el establecimiento de programas de investigación de la contaminación del agua y del aire, con el objeto de colaborar con los Gobiernos Miembros en el desarrollo de políticas adecuadas de control. Al iniciar la OPS su programa regional, prácticamente ningún país conocía la magnitud real de sus problemas de contaminación atmosférica. Por medio del Centro Panamericano de Ingeniería Sanitaria y Ciencias del Ambiente (CEPIS), que iniciaba sus actividades, la OPS acordó establecer una red de estaciones de muestreo de la contaminación del aire (Korp, 1999). La Red Panamericana de Muestreo Normalizado de la Contaminación del Aire (REDPANAIRE) inició sus operaciones en junio de 1967, con la recolección de muestras mensuales de polvo sedimentable (PS) y muestras diarias de partículas totales suspensión (PTS) y de SO2. La REDPANAIRE comenzó con ocho estaciones y a fines de 1973 tenía un total de 88 estaciones distribuidas en 26 ciudades de 14 países (Korp, 1999). Hasta diciembre de 1973 se habían recogido más de 350,000 datos sobre la calidad del aire, los que indicaban que varias ciudades duplicaban y triplicaban los niveles de referencia recomendados. Algunas ciudades mostraban además una tendencia al incremento de los niveles de contaminación (Korp, 1999). En Venezuela La Dirección General Sectorial de Calidad Ambiental del Ministerio del Ambiente y de los Recursos Naturales Renovables, a través de la Dirección de Calidad del Aire, opera la Red Nacional de Evaluación de Calidad del Aire desde 1981. Esta red está Constituida por 11 estaciones fijas: cuatro en Caracas (El Silencio, El Cementerio, Los Ruices y Bello Campo); tres en el Estado Anzoátegui (Barcelona, Guanta y Puerto La Cruz); una en Valencia; dos en San Cristóbal y una en Puerto Ordaz. Así mismo, el Instituto para el Control y la Conservación de la Cuenca del Lago de Maracaibo (ICLAM), adscrito al Ministerio del Ambiente, está a cargo de seis estaciones de muestreo ubicadas en la ciudad de Maracaibo (Korp, 1999). En 1988 Petróleos de Venezuela PDVSA y el entonces Ministerio del Ambiente y de los Recursos Naturales Renovables, se inició la primera etapa de una estrategia para el control de la contaminación del aire por plomo, que contempló inicialmente la reducción del contenido de tetraetilo de plomo en las gasolinas (Guajardo y col, 2008). En el año 1991 se suscribió el Convenio de Cooperación Interinstitucional entre el entonces Ministerio del Ambiente y de los Recursos Naturales Renovables y el Centro de Investigación y Desarrollo de Petróleos de Venezuela “INTEVEP”, S.A, con miras a evaluar la efectividad de la medida de la reducción del plomo en la gasolina adoptada por la Industria Petrolera Nacional, así como analizar el comportamiento de otros contaminantes atmosféricos generados por vehículos automotores a saber: Dióxido de Nitrógeno, Dióxido de Azufre, Monóxido de Carbono y Partículas Totales Suspendidas, con el objeto de tomar las medidas de control necesarias para la preservación del ambiente (Guajardo y col, 2008). En el año 2003 se suscribe un Convenio Particular entre ambas Instituciones, el cual se renovó cuatro veces y tuvo vigencia hasta el pasado mes de mayo del año 2007.Para finalizar con este periodo de cuatro años, se amplió de la Red de Calidad del Aire a las ciudades de Maracay y Barquisimeto (Guajardo y col, 2008). El monitoreo de la calidad del aire ambiente se ha interpretado como el muestreo y análisis de aire mediante el uso de analizadores automáticos continuos o manuales. En un sentido más amplio se puede definir el monitoreo como un muestreo sistemático y planeado para determinar la calidad del aire utilizando los medios apropiados en frecuencia de recolección e intervalos de reporte para cumplir con los objetivos planteados a escala internacional y nacional se han realizado múltiples estudios utilizando diferentes metodologías para el diseño de redes de monitoreo de calidad del aire, entre los que se citan: En 1976 la Organización Mundial de la salud estableció unos requerimientos para el diseño de redes de monitoreos urbanas e industriales, las cuales fueron definidas en las características del sitio tales como meteorología, inventarios de emisiones y número de habitantes por área (OMS, 1976). La Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos (EPA) estableció como recomendaciones la instalación de un equipo de monitoreo continuo para SO2 para una población de 100000 habitantes y de tres equipos de monitoreo manual para NO2 para la misma población (EPA, 1977). Ludwig and E. Shelar (1977), realizo un estudio para la ubicación de estaciones de monitoreo para gases contaminantes de origen fotoquímico, tomando en cuenta las reacciones de éstos así como la influencia de la meteorología en la dispersión y transporte de poluentes y así poder ubicar las estaciones de monitoreo de calidad de aire (EPA, 1977). Noll y col (1977), utilizaron un método cuantitativo para determinar el número total y la ubicación de estaciones de monitoreo de calidad del aire basado en modelos de dispersión atmosférica, datos meteorológicos y elementos de la probabilidad y de la estadística. Noll y Mitsutomi (1983) presentaron una metodología de selección de lugares de muestreo de calidad de aire, ordenando esos sitios de acuerdo con la capacidad de cada uno de ellos para evaluar el dosaje originado por la exposición de contaminantes del aire cerca de las fuentes de emisión. Langstaff y otros (1987) desarrollaron un método objetivo destinado a diseñar redes óptimas de calidad del aire y aplicaron esta metodología al diseño de una red de monitoreo destinada a evaluar la exposición horaria al benceno en aire en la región sudeste del valle del Río Ohio (EE.UU.). Wu y Zydek (1992) utilizaron un método para diagramar una red de monitoreo de calidad del aire basado en la maximización de la información procedente de sitios no monitoreados. Haas (1992) presentó una metodología de diseño de una red de monitoreo mediante la cual se optimiza la combinación de la minimización de errores de predicción, la minimización de costos, la estimación de la varianza y el aumento de la probabilidad de detección de violaciones de las normas de calidad del aire. Oehlert (1996), presentó una guía destinada a la optimización de la magnitud de una red de monitoreo de calidad del aire basada en consideraciones estadísticas. Esta metodología proporciona resultados cuali-cuantitativos de la información perdida resultante de la no operatividad de diferentes muestreadores de una red de monitoreo. Mazzeo y Venegas (2005), utiliza una metodología desarrollada para diseñar la red de monitoreo de calidad de aire aplicando modelos de dispersión atmosférica y un método de análisis objetivo de situaciones de monitoreo simuladas. En la Ciudad de San Luis de Potosí en México, Velásquez (2008), diseñó una red de monitoreo basándose en el inventario de de emisiones de SO2 donde a través de los modelos de de dispersión atmosférica se ubicaron los sitios mas adecuados de monitoreo. En Venezuela se han encontrado pocos estudios publicados para diseño de redes de monitoreos, sin embargo se hace notar en la Ciudad de Valencia la implementación de una red de monitoreo con estaciones ubicadas en los 4 puntos cardinales y obteniendo así los respectivos resultados atmosféricos y de concentración de gases (Escalona, 1996). En el estado Zulia el Instituto para el Control y la Conservación de la Cuenca Hidrográfica del lago de Maracaibo (ICLAM) ha venido realizando varios estudios en Maracaibo y San Francisco, con el fin de realizar un inventario de las emisiones generadas por industrias localizadas en dichos municipios, partiendo del método AP.42 de la Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos (EPA).Dentro de fuentes estudiadas pueden mencionarse de una manera especial la planta de cemento y la planta de Química (ICLAM, 2010). 1.2. Bases teóricas 1.2.1. Meteorología 1.2.1.1 Calidad de aire La calidad del aire depende de las emisiones y de las condiciones atmosféricas. Las emisiones dependen del consumo de combustibles, calidad y tipo de combustibles y de las tecnologías de control de emisiones. El consumo de automotores, combustibles tecnologías depende de: industriales, de las tecnologías servicios y de vehículos volúmenes de producción, de la estructura urbana, estructura del transporte urbano y distancia recorrida por vehículos (Ortiz 1997). La exigencia de un aire limpio y puro proviene, en principio, del público en general ante su creciente preocupación por los problemas de contaminación atmosférica originados como consecuencia de la evolución de la tecnología moderna y la previsión de que las cada vez mayores emisiones de contaminantes a la atmósfera alteren el equilibrio natural existente entre los distintos ecosistemas, afecten la salud de los humanos y a los bienes materiales o incluso, provoquen cambios catastróficos en el clima terrestre. La atmósfera terrestre es finita y su capacidad de autodepuración, aunque todavía no es muy conocida, también parece tener sus límites. La emisión a la atmósfera de sustancias contaminantes en cantidades crecientes como consecuencia de la expansión demográfica mundial y el progreso de la industria, han provocado ya concentraciones de estas sustancias a nivel del suelo que han ido acompañadas de aumentos espectaculares de la mortalidad y morbilidad, existiendo pruebas abundantes de que, en general, las concentraciones elevadas de contaminantes en el aire atentan contra la salud de los seres humanos. En la mayoría de los países industrializados se han establecido valores máximos de concentración admisible, para los contaminantes atmosféricos más característicos. Estos valores se han fijado a partir de estudios teóricos y prácticos de los efectos que sobre la salud tiene la contaminación al nivel actual y los que puede alcanzar en el futuro. Los efectos se basan principalmente en el examen de factores epidemiológicos. Para la definición de criterios y pautas de salubridad del aire, se pueden utilizar varios procedimientos. Las técnicas experimentales se basan en el ensayo con animales o en el empleo de muestras de voluntarios en atmósferas controladas. Son muy útiles para el estudio de los efectos fisiológicos, bioquímicos y sobre el comportamiento, producidos por supuestos contaminantes. Los estudios epidemiológicos permiten investigar los efectos producidos por las fluctuaciones de la contaminación atmosférica sobre la totalidad de la población, o sobre grupos seleccionados y definidos. Determinar los efectos de la contaminación del aire es sumamente complejo, ya que la asociación entre un contaminante y una enfermedad o una defunción puede ser más accidental que causal. Las relaciones existentes entre las enfermedades humanas por la exposición a niveles bajos de contaminación durante un periodo largo de tiempo no se conocen en la actualidad con exactitud. En la evaluación de riesgos asociados a la contaminación y para la fijación de normas de calidad del aire, lo ideal sería disponer de una serie completa de curvas dosis-respuesta para los distintos contaminantes atmosféricos, para los diferentes efectos y para los distintos tipos de población expuesta. De momento no se dispone de esta información, para todos los contaminantes atmosféricos y aún es más difícil que llegue a reunirse para las combinaciones de sustancias que más frecuentemente se encuentran en el aire. Para tratar de evitar las lagunas e imprecisiones con que se conocen las relaciones dosis-respuesta y dado que, generalmente, está aceptado que ciertas concentraciones de contaminantes atmosféricos provocan efectos nocivos sobre la salud humana, se suele recurrir a la utilización de un coeficiente de seguridad cuando se fijan las normas sobre la calidad del aire. La magnitud del coeficiente de seguridad adoptado depende de muy diversas consideraciones; puede tratarse de consideraciones políticas en las que se tenga en cuenta, sobre todo, los análisis «coste-beneficio», o de la significación estadística y de la exactitud de los datos, o del grado de protección que se quiere dar a la población. En la mayoría de los países, las normas de calidad del aire tienen como objetivo inmediato el evitar enfermedades y fallecimientos en aquellos subgrupos de la población más sensibles. Hay que tener en cuenta que el objetivo a largo plazo ha de ser de protección contra todo posible efecto sobre la salud del hombre, incluidas las alteraciones genéticas y somáticas. Generalmente, la calidad del aire se evalúa por medio de los denominados niveles de inmisión, que vienen definidos como la concentración media de un contaminante presente en el aire durante un periodo de tiempo determinado. La unidad en que se expresan normalmente estos niveles son microgramos de contaminante por metro cúbico de aire, medidos durante un periodo de tiempo determinado. 1.2.1.2. Métodos para determinación de la calidad de aire Uno de los métodos para determinar la calidad del aire es realizar un inventario de emisiones, en el cual se establezcan una base de datos sobre las diferentes fuentes de emisiones clasificadas de acuerdo al tipo de actividad y a sus emisiones, estas últimas se estiman por medio de factores de emisiones y modelos de dispersión. Sin embargo, el método más confiable para evaluar la calidad del aire es medirla a través de un monitoreo atmosférico, preferiblemente a través de una red de monitoreo. Se entiende por monitoreo atmosférico (Martínez y Romieu 1997). Todas las metodologías diseñadas para muestrear, analizar y procesar en forma continua las concentraciones de sustancias o de contaminantes presentes en el aire en un lugar establecido y durante un tiempo determinado. La determinación de los parámetros meteorológicos es fundamental en todo estudio de calidad de aire, ya que parámetros tales como: la velocidad y dirección del viento, la humedad, la temperatura, la precipitación, la altura de mezclado, la estabilidad atmosférica, y en el caso de algunos agentes contaminantes la radiación solar, tienen un rol en el aumento o disminución de la contaminación atmosférica. Un periodo de tan sólo tres días de escasa mezcla atmosférica puede llevar a concentraciones elevadas de productos peligrosos en áreas de alta contaminación y, en casos extremos, producir enfermedades e incluso la muerte. 1.2.1.3. Transporte y dispersión de contaminantes en el aire ambiental El transporte y dispersión de contaminantes del aire ambiental están influenciados por complejos factores. Las variaciones globales y regionales del clima y las condiciones topográficas locales afectan el transporte y dispersión de los contaminantes. En una escala mundial, las variaciones del clima influyen sobre el movimiento de los contaminantes. Por ejemplo, la dirección predominante de los vientos en Centroamérica y norte de Sudamérica es de este a oeste y en Norteamérica y sur de Sudamérica es de oeste a este. En un nivel más local, los principales factores del transporte y dispersión son el viento y la estabilidad. La dispersión de contaminantes de una fuente depende de la cantidad de turbulencia en la atmósfera cercana. La turbulencia puede ser creada por el movimiento horizontal y vertical de la atmósfera. El movimiento horizontal es lo que comúnmente se llama viento. 1.2.3.4. Parámetros meteorológicos a) El viento El viento es la circulación del aire de un lugar a otro, con más o menos fuerza. Su principal efecto es el de mezclar distintas capas o bolsas de aire. Es el elemento básico en la circulación general de la atmósfera. Su denominación depende de la dirección de donde provienen. Así, un “viento del norte” es aquel que sopla de norte a sur y un “viento del oeste” es aquel que sopla de oeste a este. Cuando los vientos soplan con mayor frecuencia desde una dirección que desde otra, esta recibe el nombre de viento prevaleciente. En lo que se refiere a la dispersión, el viento juega un rol fundamental, el viento que interesa es el que afecta a las capas de aire próximas al suelo. La zona del suelo se considera aquella que comprende desde 0 a 1000m de espesor en altura. De día los vientos próximos al suelo son más fuerte que de noche a causa de la convección térmica (masa de aire caliente que se encuentra a una altura aproximada de 400 m). Esto hace que el viento en altura tienda a descender favorecido por la radiación solar. El viento tiende a equilibrar núcleos de bajas y altas presiones, fluyendo de los segundos hacia los primeros, realizándose el movimiento al ascender el aire en las zonas de baja presión y descender en los anticiclones. El viento, al transportar los contaminantes, produce su dispersión horizontal y determina la zona que va a estar expuesta a los mismos. Por lo general, una mayor velocidad del viento reducirá las concentraciones de contaminantes al nivel del suelo, ya que se producirá una mayor dilución y mezcla. No obstante, pueden producirse circulaciones cerradas de viento, como en el caso de las brisas del mar y las de valle y montaña, en las que los contaminantes lanzados a la atmósfera se incorporan a la circulación del viento con lo que se produce una acumulación progresiva de contaminantes, que da lugar a un aumento de la concentración de los mismos en las zonas barridas por este tipo de vientos. Efectos similares se producen cuando los vientos fuertes inciden perpendicularmente a las crestas montañosas, a un valle o sobre los edificios altos; en estas condiciones, los efectos aerodinámicos de estos obstáculos pueden tener consecuencias negativas para la dispersión de contaminantes, acumulándolos en determinadas zonas. Las bajas velocidades de viento producen la resuspensión de las partículas de menor diámetro, mientras que al incrementar la velocidad se emiten las partículas de mayor diámetro (Marticorena 1997). La zona estudiada tiene las siguientes características geográficas es: zona costera y a la vez núcleo urbano, esta situación puede originar el siguiente comportamiento: 1) Zona costera: se originan brisas desplazando los contaminantes hacia el interior (día) y al lago (noche). 2) Núcleo urbano: frenan la velocidad del viento y se originan turbulencias. Por otro lado el efecto llamado “isla de calor” (aumenta el aire caliente en el centro de la ciudad y el aire frío en la periferia), favorece la aparición de brisas urbanas que dificultan la dispersión y producen la “cúpula de contaminantes” sobre la ciudad. La dirección del viento es importante para determinar el lugar hacia donde serán arrastrados los contaminantes. Así por ejemplo, un viento norte podría transportar los contaminantes hacia el sur. La velocidad del viento influye en la dispersión de los contaminantes, siendo la dispersión directamente proporcional a la velocidad. La rosa de viento es un diagrama en el cual se presenta la distribución de la dirección del viento, en una ubicación dada a lo largo de un período considerable de tiempo. Es un gráfico pictórico que presenta las direcciones y velocidades prevalecientes del viento, siendo la dirección del viento la dirección a la cual esté soplando. Las rosas de viento varían de un lugar a otro y son en realidad una especie de huella meteorológica. Figura 1. Rosa de los vientos (INE) b) La humedad relativa La humedad relativa (HR), como parámetro meteorológico, sirve como indicador de la cantidad de vapor de agua que está presente en un lugar específico, para un tiempo determinado y para un cierto nivel de la troposfera. Depende, en parte, de la temperatura, ya que el aire caliente contiene más humedad que el frío. La humedad relativa se expresa en forma de tanto por ciento (%) de agua en el aire. Este parámetro depende directamente de la circulación del viento, es decir, de la estructura de los sistemas meteorológicos y de la interacción horizontal y vertical que guarden entre sí. A saber: si la configuración de los sistemas meteorológicos hace que en superficie el viento fluya de una masa acuosa; por ejemplo, un gran lago, algún golfo, el océano, etc. entonces habrá arrastre de humedad hacia la zona continental correspondiente. Al igual que para otros parámetros meteorológicos, el transporte de humedad se ve afectada por características inherentes al espacio en estudio y por la época del año, es decir, depende en mayor o menor medida de cada uno de los ciclos estacionales que se presentan a lo largo de los 365 días del año. Meteorológicamente hablando, y en el contexto de la humedad, el interés esta puesto no solamente en la humedad en superficie, si no también en la cantidad de humedad que pueda estar presente a distintos niveles de la troposfera, incluida la de superficie, por supuesto. Esto es importante porque la presencia de humedad en superficie no es indicadora de humedad en niveles superiores de la troposfera. Es más, con frecuencia se puede registrar alta humedad en superficie, precipitación registrarse pero no sucede nada en términos de pluvial. Lo contrario también es frecuente, puede no mucha humedad en superficie y sí presentarse grandes cantidades de precipitación, muy probablemente en alguna capa atmosférica sí había suficiente cantidad de humedad como para que se desarrollaran mecanismos meteorológicos con suficiente intensidad como para provocar la precipitación pluvial. La humedad juega un papel negativo en la evolución de los contaminantes ya que favorece la acumulación de humos y polvos. Por otra parte el vapor de agua puede reaccionar con ciertos aniones aumentando la agresividad de los mismos, por ejemplo el trióxido de azufre en presencia de vapor de agua se transforma en ácido sulfúrico, lo mismo ocurre con los cloruros y los fluoruros para dar ácido clorhídrico y fluorhídrico respectivamente. Estudios realizados confirman que cuando la humedad relativa excede aproximadamente al 70%, muchos tipos de partículas presentan un cambio de fase y se convierten en gotas de niebla, lo cual disminuye la visibilidad. Estas condiciones climatológicas favorecen la presencia y permanencia de niveles de concentración significativos de PTS en la atmósfera. c) La precipitación La lluvia es un fenómeno atmosférico que se inicia con la condensación del vapor de agua contenido en las nubes. Según la definición oficial de la Organización Meteorológica Mundial, la lluvia es la precipitación de partículas líquidas de agua de diámetro mayor de 0.5 mm o de gotas menores, pero muy dispersas. Se mide en milímetro al año, menos de 200 son insuficientes, entre 200 y 500 son escasas, entre 500 y 1000 son suficientes, entre 1000 y 2000 son abundantes y más de 2000 son excesivas. La lluvia depende de tres factores: la presión, la temperatura y especialmente, la radiación solar. La radiación solar contribuye a la formación de ozono y contaminantes secundarios en el aire. La humedad y la precipitación también pueden favorecer la aparición de contaminantes secundarios peligrosos, tales como las sustancias responsables de la lluvia ácida. La precipitación puede tener un efecto beneficioso porque lava las partículas contaminantes del aire y ayuda a minimizar las partículas provenientes de actividades como la construcción y algunos procesos industriales (EPA, 1981). En las últimas décadas, se ha producido un fenómeno que causa lluvias con mayor frecuencia cuando la radiación solar es menor, es decir, por la noche. Asimismo en los últimos años el régimen anual de lluvia de nuestra región, ha presentado un desfase con respecto al patrón de comportamiento establecido estadísticamente en los últimos 30 años, ocurriendo lluvia en meses característicos de sequía y viceversa. Es definitivo que para la caracterización climatológica de un lugar, se haga necesario contar con los valores precipitación, que no es más que la consecuencia de la humedad presente a los distintos niveles de la troposfera, incluidos los de superficie. d) La temperatura El principal factor que determina el grado de difusión vertical de contaminantes es la variación vertical de temperaturas en la atmósfera. Podemos determinar la capacidad de difusión vertical de contaminantes comparando la variación vertical de temperaturas de un estrato de aire atmosférico con el gradiente vertical adiabático del aire, que corresponde a una variación de -1° C por cada 100 metros de altura. De esta forma se obtienen tres clases diferentes de estabilidad atmosférica en el estrato, según que la variación de la temperatura con la altura sea mayor, igual o inferior que la correspondiente al gradiente vertical adiabático. El clima es el resultado de numerosos factores que actúan conjuntamente. Los accidentes geográficos, como montañas y mares, influyen decisivamente en sus características. Para determinar estas características podemos considerar como esenciales un reducido grupo de elementos: la temperatura, la humedad y la presión del aire. Sus combinaciones definen tanto el tiempo meteorológico de un momento concreto como el clima de una zona de la Tierra. La temperatura atmosférica es el indicador de la cantidad de energía calorífica acumulada en el aire. Aunque existen otras escalas para otros usos, la temperatura del aire se suele medir en grados centígrados (ºC). La temperatura depende de diversos factores, por ejemplo, la inclinación de los rayos solares. También depende del tipo de sustratos (la roca absorbe energía, el hielo la refleja), la dirección y fuerza del viento, la latitud, la altura sobre el nivel del mar, la proximidad de masas de agua. 1.2.2. Área de Estudio El Complejo Petroquímico Ana maría Campos (CPAMC) está ubicado en la costa oriental del Lago de Maracaibo del estado Zulia, este Complejo tiene una capacidad instalada de 3,5 MMTMA de Olefinas, resinas plásticas, vinilos y fertilizantes nitrogenados. Su construcción en 1976 aumentó significativamente la expansión de las actividades petroquímicas venezolanas e impulsó el aprovechamiento del gas natural como fuente básica de insumos para estas operaciones. En el Complejo a partir del Gas natural y la Sal, se desarrollan tres líneas de productos de naturaleza eminentemente estratégica para la región y el país, cuyos usos y aplicaciones están asociados con la vida diaria de la población. Clorosoda: Insumos para la purificación del agua y múltiples usos industriales Cloro Soda Caústica Hipoclorito de Sodio Ácido Clorhídrico Fertilizantes: Desarrollo agrícola Soberanía Agroalimentaria Urea y Amoníaco Plásticos: Polietilenos Polipropileno Policloruro de Vinilo Poliestireno Óxido de Etileno (Producto fuera del complejo) Etilenglicol Las instalaciones de Pequiven y sus Empresas Mixtas que operan en Complejo Petroquímico Ana María Campos están señaladas en la Tabla 1 y Tabla 2. Tabla 1. Instalaciones de Pequiven Instalaciones de Pequiven Productos Capacidad Etano 169 TMTPA Propano 163 TMTPA Etano 264 TMTPA Propano 214 TMTPA Olefinas I Etileno 250 TMTPA Olefinas II Etileno 386 TMTPA Planta Purificadora de Etano (PPE) Etano 270 TMTPA Amoníaco Amoníaco 300 TMTPA Urea Urea 360 TMTPA Cloro Soda Cloro 130 TMTPA EDC-MVC II MVC 130 TMTPA Policloruro de Vinilo II (PVC) PVC 120 TMTPA RAS Reutilización de Aguas Servidas 1300lts/seg Produsal Sal Industrial 800 TMTPA Orgánicos 14000-21000MCD Inorganicos 28463-42695MCD LGN I LGN II Efluentes Fuente: Pequiven 1.2.3. Características climáticas regionales. La Cuenca del Lago de Maracaibo es una amplia fosa de hundimiento, ocupada en la actualidad por el Lago de Maracaibo y extensas planicies aluviales; se encuentra delimitada por un marco montañoso en forma de herradura abierta hacia el norte, que abarca por el sur y el sureste la cordillera de los Andes, por el Oeste y el Noroeste la Sierra de Perijá, y por el Este La Serranía de Coro. La disposición del relieve de la hoya hidrográfica del Lago, constituye una barrera natural al desplazamiento de los vientos alisios, los cuales soplan en dirección norte-noreste (NNE) y predominan sobre la mayor parte del país. Esto origina lo que se ha denominado circulación ciclónica, las masas se desplazan en sentido contrario a las agujas del reloj dentro del perímetro de la cuenca. La circulación regional del aire determina variaciones marcadas en las rosas de vientos de diferentes sitios de la cuenca. Tal es lo observado en las estaciones Maracaibo y Mene Grande de la fuerza aérea. Asimismo contribuye al contraste climático existente en la parte norte de la cuenca, la cual tiene un clima seco y caliente y la más extensa porción sur, con un clima húmedo y caliente. En las áreas costeras del Lago, el sistema de vientos está constituido por dos tipos de vientos (a) los vientos alisios provenientes del NNE, que generalmente soplan desde noviembre hasta abril y, (b) los vientos locales que resultan del calentamiento desigual de las masa de tierra y agua durante el día. Como la tierra absorbe mayor radiación se calienta más rápido, la capa de aire adyacente a ella se calienta y al hacerlo asciende. Esto provoca una corriente más fresca, adyacente a la masa de agua, hacia el área de baja presión dejada por el aire caliente que ha ascendido. En la noche el proceso es a la inversa. Entre noviembre y abril, los vientos locales soplan con los alisios, a veces añadiéndose a su fuerza, en otras restándole o hasta anulándola. Entre mayo y octubre los vientos locales son los que determinan el régimen eólico (Figura 2). Tabla 2. Empresas Mixtas del Complejo Ana María Campos. Empresas Mixtas Productos Polietileno de Alta Densidad (PEAD) Polinter Polietileno de Baja Densidad (PEBD) Polietileno Lineal de Alta Densidad (PELAD) Polietileno de Alta Densidad (PEAD) TMTPA Capacidad 160 80 84 16 Propilven Pralca Indesca Polipropileno 84 Oxido de Etileno 21.6 Monoetilen Glicol 84 Dietilen Glicol 8.4 Trietilen Glicol 1.3 Fuente: Pequiven El régimen anual de lluvias presenta dos máximos y dos mínimos, siguiendo una distribución de doble onda. El máximo ocurre generalmente entre septiembre-noviembre y el máximo secundario entre mayo-junio. En cuanto a los mínimos, estos frecuentemente se presentan entre febreromarzo y entre julio-agosto. La evaporación es constantemente alta, registrándose valores promedios anual entre 1300 mm., y 2800 mm. Las temperaturas ambientales también tienden a ser constantemente altas, fluctuando los promedios anuales para toda la cuenca entre 26 y 29 °C con pequeñas variaciones anuales, observándose desde luego temperaturas menores en las zonas más altas de la cuenca. Las temperaturas medias mínimas ocurren en enero y las máximas en julio (Guajardo y col, 2008). Debido a los factores que determinan el transporte y dispersión de los contaminantes, la contaminación del aire producida en una región puede tener efectos adversos sobre los lagos y bosques de otra región. Las grandes ciudades rodeadas de una topografía compleja, como valles o cadenas montañosas, a menudo experimentan altas concentraciones de contaminantes del aire. Si bien poco puede hacerse para controlar las fuerzas naturales que crean estos problemas, existen técnicas que ayudan a dispersar los contaminantes. La manera más común de dispersar los contaminantes del aire es a través de una chimenea. Figura 2. Cuenca Atmosférica del Estado Zulia 1.2.4. Normativa Legal Las normas son un instrumento muy poderoso no sólo por su capacidad de regular y controlar los procesos productivos, sino particularmente por su capacidad de inducir cambios de conducta e internalizar costos ambientales, lo que las convierte en un mecanismo que promueve cambios tecnológicos. Estimados recientes de la OMS indican que más de 100 millones de personas en América Latina y el Caribe están expuestos a niveles de contaminantes del aire en exteriores que exceden los valores guía recomendados por la Organización Mundial de la Salud (OMS). Esto no incluye a millones de personas expuestas a la contaminación del aire en interiores debido a la quema de biomasa o de otras fuentes. Existen definidos valores máximos aceptables para la concentración de distintas sustancias, bajo los cuales no se observan efectos nocivos sobre la salud humana, estos niveles constituyen las llamadas normas de calidad del aire que fijan los máximos valores permisibles de concentración de contaminantes con la finalidad de proteger la salud de la población en general. En 1995, entran en vigencia las Normas sobre Calidad del Aire y Control de la Contaminación Atmosférica en Venezuela Decreto N° 638, donde se establecen límites de calidad de aire para algunos contaminantes de la atmósfera aceptables para proteger la salud y el ambiente. De igual forma La Organización Mundial de la Salud (OMS), la Agencia de Protección Ambiental (EPA), la Comisión de la Comunidad Europea (EC) y diferentes países han establecido normas sobre calidad del aire. A los efectos de estas normas en Artículo 3° del referido decreto, se establecen límites de calidad del aire para contaminantes de la atmósfera (Tabla 3). Tabla 3. Limites de calidad del aire y porcentaje de excedencias (Gaceta Oficial de la República Bolivariana de Venezuela Decreto 638, 1995). Límite (ug/m3) Porcentaje excedencia en lapso de muestreo Período de medición (horas) 80 50% 24 200 5% 24 250 2% 24 365 0.5% 24 75 50% 24 150 5% 24 200 2% 24 260 0.5% 24 10.000 50% 8 40.000 0.5% 8 100 50% 24 300 5% 24 5. Oxidantes totales expresados como ozono 240 0.02% 1 6. Sulfuro de hidrógeno 20 0.5% 24 7. Plomo en partículas suspendidas 1,5 50% 24 2 5% 24 10 2% 24 20 0.5% 24 10 2% 24 20 0.5% 24 10. Cloruro de hidrógeno 200 2% 24 11. Cloruros 200 2% 24 Contaminante 1. Dióxido de azufre 2. Partículas totales suspendidas 3. Monóxido de carbono 4. Dióxido de nitrógeno 8. Fluoruro de hidrógeno 9. Fluoruros El Decreto N° 638 de la norma venezolana, expresa en el artículo 5° que se establece la siguiente clasificación de zonas de acuerdo con los rangos de concentraciones de partículas totales calculadas en base a promedios anuales (Tabla 4). suspendidas (PTS), Tabla 4. Clasificación de zonas de acuerdo con las concentraciones de PTS (Gaceta Oficial de la República Bolivariana de Venezuela Decreto 638, 1995). Partículas (µg/m3) Zona < 75 Aire Limpio 75-200 Aire moderadamente contaminado 201-300 Aire altamente contaminado > 300 Aire muy contaminado Las zonas con niveles superiores a 300 µg/m3 serán objeto de la implantación de medidas extraordinarias de mitigación. Debido a que la normativa nacional no establece en sus estándares limites para PM10, estos son comparados con normativas internacionales como la agencia de protección ambiental EPA, la cual en 1987 sustituyó a las anteriores partículas totales suspendidas PTS estándar de calidad del aire con PM10 estándar. La nueva norma se centra en las partículas más pequeñas que son probablemente las responsables de los efectos adversos para la salud debido a su capacidad para llegar a las regiones bajas del tracto respiratorio. El PM10 estándar incluye las partículas con un diámetro de 10 micrómetros o menos (0,0004 pulgadas o una séptima parte del grosor de un cabello humano). Según la norma la calidad del aire para las PM10 es de 50 mg/m 3 (medido como media anual) y 150 mg/m 3 (medidos como concentración diaria). Las principales preocupaciones para la salud humana de la exposición a las PM10 son: efectos en la respiración y el sistema respiratorio, daño del tejido pulmonar, cáncer y muerte prematura. Ancianos, niños y personas con enfermedad pulmonar crónica, la gripe, o asma, son especialmente sensibles a los efectos de partículas ácida de PM10 también puede dañar los materiales hechos por el hombre y es una causa importante de reducción de la visibilidad en muchas partes de EE.UU. Tabla 5. Métodos de análisis de los contaminantes del aire. (Gaceta Oficial de la República Bolivariana de Venezuela Decreto 638, 1995). Contaminante Método de muestreo Período de medición Método analítico Dióxido de azufre Absorción (manual) 1 hora a 24 horas continuas Colorimetría (método de la pararosanilina) Absorción (manual) 1 hora a 24 horas continuas Conductimetría (método manual) Absorción (manual) 1 hora a 24 horas continuas Conductimetría (método automático) Instrumental (automático) 1 hora a 24 horas continuas Fotometría de llama (método automático) Instrumental (automático) 1 hora a 24 horas continuas Fluorescencia (método automático) Absorción (manual) 24 horas continuas Cromatografía Iónica Gran volumen 24 horas continuas Gravimetría Partículas totales suspendidas Monóxido de carbono Instrumental (automático) 1 hora u 8 horas continuas Espectrometría de infrarrojo no dispersivo (automático) Instrumental (automático) 1 hora u 8 horas continuas Electroquímico (método automático) Dióxido de nitrógeno Oxidantes totales Absorción (manual) 24 horas continuas Colorimetría (método arsenito de sodio) Instrumental automático 24 horas continuas Quimiluminiscencia (método automático) Absorción (manual) 1 hora continua Colorimetría (método del Ioduro de potasio en medio neutro) 1.2.5. Monitoreo de la calidad del aire Las tres herramientas principales para evaluar la calidad del aire son: • Monitoreo de calidad de aire. • Modelos de dispersión atmosféricas. • Inventarios o medición de emisiones. La finalidad última del monitoreo no es simplemente recopilar datos sino proporcionar la información necesaria para que los científicos, los encargados de formular políticas y los planificadores tomen decisiones fundamentadas sobre la gestión y mejoramiento del ambiente (Canelón R. 2007). El monitoreo cumple un papel principal en este proceso, ya que brinda la base científica necesaria y segura para el desarrollo de políticas y estrategias, el establecimiento de objetivos y la medición del cumplimiento de las metas y medidas coercitiva (Canelón R. 2007). No obstante, debe reconocerse que el monitoreo tiene limitaciones. En muchos casos la medición no basta o puede resultar poco práctica para definir la exposición de la población de una ciudad o país. Ningún programa de monitoreo, aunque esté bien fundamentado y diseñado, puede aspirar a cuantificar de manera integral los patrones de contaminación del aire en el espacio y en el tiempo. Como mucho, el monitoreo proporciona una figura incompleta, aunque útil, de la calidad actual del ambiente. Por consiguiente, generalmente se debe aplicar junto con otras técnicas objetivas de evaluación, que incluyen la elaboración de modelos de simulación, la medición e inventario de emisiones, la interpolación y el mapeo(Canelón R. 2007). Del mismo modo, tampoco se puede confiar únicamente en la elaboración de modelos de simulación. Si bien estos pueden ser una herramienta poderosa para interpolar, predecir y optimizar las estrategias de control, su calidad depende de la disponibilidad de datos confiables sobre las emisiones. Un inventario completo para una determinada ciudad o país puede requerir emisiones de fuentes puntuales, de área y móviles. En algunos casos, se deben evaluar los contaminantes transportados al área en estudio. También es importante que los modelos usados sean apropiados para las condiciones, las fuentes y la topografía locales, y que sean compatibles con la base de datos disponible sobre las emisiones y la meteorología (Canelón R. 2007). Las tres herramientas de evaluación son interdependientes en alcance y aplicación. Por lo tanto, el monitoreo, los modelos de simulación y las evaluaciones de las emisiones deben ser concebidos como componentes interrelacionados en todo enfoque integral para evaluar la exposición o determinar el cumplimiento de los criterios de calidad del aire. Por consiguiente, para obtener una figura completa de la exposición de la población, se tendrán que complementar los datos de monitoreo del ambiente con información de reportes sobre la exposición en microambientes y la exposición individual (Canelón R. 2007). El primer paso para diseñar o implementar un sistema de monitoreo es definir sus objetivos generales. Si se establecen objetivos de monitoreo difusos, demasiado restrictivos o ambiciosos, los programas serán ineficaces en función de los costos y sus datos serán poco útiles. Estas circunstancias impedirán el uso óptimo del personal y de los recursos disponibles. Para que se puedan definir objetivos apropiados en relación con la calidad de los datos, estos deben ser claros, realistas y alcanzables. Asimismo, esto permite un programa de aseguramiento de la calidad que esté destinado a un público específico y que sea eficaz en función de los costos (Canelón R. 2007). Al planificar un programa de monitoreo, se debe tomar en cuenta la relación entre los datos recolectados y la información que se va a obtener de ellos. Esta consideración enfatiza la necesidad de que los usuarios actuales y potenciales intervengan en la planificación de los estudios, no solo para garantizar que estos se adecúen a sus necesidades sino también para justificar la asignación de los recursos. Cabe observar que normalmente las redes de monitoreo se diseñan invariablemente para una diversidad de funciones. Esto puede incluir el desarrollo de políticas y estrategias, la planificación local o nacional, la medición según normas internacionales, la identificación o cuantificación del riesgo y la concienciación del público. Por consiguiente, todo estudio o red de monitoreo es diferente y está determinado por una combinación única de aspectos y objetivos locales y nacionales (Canelón R. 2007). Asimismo, otro aspecto clave a tomar en cuenta al momento de desarrollar un monitoreo es la disponibilidad de recursos, que se debe abordar desde el inicio del proceso de diseño de una red. Por lo general, en la práctica este es el principal determinante en el diseño de una red, que ejercerá una fuerte influencia en la selección del número de sitios de muestreo, de los contaminantes que se van a monitorear y del instrumental (Canelón R. 2007). Para el diseño de una red destinada a evaluar la exposición de la población y el cumplimiento de las guías de salud, es necesario abordar una serie de aspectos básicos: ¿Donde está la población? ¿Cuáles son las concentraciones a las que la población está expuesta? ¿Por cuánto tiempo? ¿En qué áreas o microambientes es importante la exposición? En la práctica, el número y distribución de las estaciones de monitoreo de calidad del aire que toda red requiere o los muestreadores necesarios en un estudio también dependen del área de cobertura, de la variabilidad espacial de los contaminantes que se van a medir y de la finalidad de uso de los datos (Martínez y Romieu, 1997). Asimismo, en un diseño de red, el número de sitios dependerá de: el uso y los objetivos de los datos; el área de cobertura; la variabilidad espacial de los contaminantes; la disponibilidad de recursos, y los instrumentos utilizados. Existen varios enfoques para diseñar una red y elegir los sitios de muestreo. La evaluación de la exposición deberá enfocar con frecuencia tanto los sitios de monitoreo orientados a la fuente (que muchas veces son sinónimo del peor de los casos o de ambientes especialmente críticos) como los sitios donde se miden las concentraciones de fondo, optimizados para cuantificar la exposición general de la población. Por lo tanto, de acuerdo con los contaminantes que se eva1úen, es probable que se requieran datos de una gran variedad de tipos de lugares a fin de obtener un panorama global de los patrones de exposición del ambiente. Las consideraciones relativas a la ubicación de puntos de muestreo de pequeña escala también son importantes para asegurar mediciones significativas y representativas. Para evaluar las concentraciones de la línea de base, los sitios de monitoreo se deben separar adecuadamente de las fuentes locales de contaminantes (por ejemplo, rutas terrestres o pequeños calderos) o sumideros. Por lo general, también son importantes la aerodinámica de sondeo y la protección del sitio. Para garantizar un muestreo representativo, es necesario que el aire fluya libremente alrededor de la entrada de la toma de muestra. Así mismo, se debe considerar: Seguridad pública; aspecto y estética del lugar (posible carácter intrusivo de la red); seguridad, vandalismo; acceso a las instalaciones y mantenimiento; licencias para la planificación; fuentes locales o sumideros, y espacio aerodinámico, protección. 1.2.5.1. Instrumentación para mediciones de Calidad del Aire. Las capacidades de los métodos de monitoreo del aire y los recursos que inevitablemente implican son factores decisivos para el diseño de la red. En esta sección se revisan algunos de estos aspectos. Los métodos de monitoreo del aire se pueden dividir en cuatro tipos genéricos principales con diferentes costos y niveles de desempeño. Incluyen muestreadores pasivos, activos, analizadores automáticos y sensores remotos. A continuación se describen brevemente estas tecnologías. a) Muestreadores pasivos. Los muestreadores pasivos ofrecen un método simple y eficaz en función de los costos para realizar el sondeo de la calidad del aire en una determinada área. A través de la difusión molecular a un material absorbente para contaminantes específicos, se recoge una muestra integrada durante un determinado periodo (que generalmente varía entre una semana y un mes). Los bajos costos por unidad permiten muestrear en varios puntos del área de interés, lo cual sirve para identificar los lugares críticos donde hay una alta concentración de contaminantes, como las vías principales o las fuentes de emisión, y donde se deben realizar estudios más detallados. Son los más económicos que se encuentran en el mercado, su costo oscila entre 10 y 70 US$ por muestra (Martínez y Romieu, 1997). b) Muestreadores activos. Las muestras de contaminantes se recolectan por medios físicos o químicos para su posterior análisis en el laboratorio. Por lo general, se bombea un volumen conocido de aire a través de un colector -como un filtro o una solución química- durante un determinado periodo y luego se retira para análisis. Hay una larga historia de mediciones con muestreadores en muchas partes del mundo, lo que provee datos valiosos de línea de base para análisis de tendencias y comparaciones. El costo de estos equipos es superior al de los muestreadores pasivos, oscila entre 1000 y 3000 US$ c/u (Martínez y Romieu, 1997). c) Analizadores automáticos. Los analizadores automáticos pueden proporcionar mediciones de alta resolución (generalmente en promedios horarios o mejores) en un único punto para varios contaminantes (SO2 NO2, CO y PTS), así como para otros contaminantes importantes como los COV. La muestra se analiza en línea y en tiempo real, generalmente a través de métodos electro-ópticos: absorción de UV o IR; la fluorescencia y la quimio-luminiscencia son principios comunes de detección. Para asegurar la calidad de los datos de los analizadores automáticos, es necesario contar con procedimientos adecuados para el mantenimiento, la operación y el (aproximadamente aseguramiento 10.000 US$ y control cada de calidad. analizador) y Son costosos requieren de mantenimiento y personal capacitado para su operación (Martínez y Romieu, 1997). d) Sensores remotos. Los sensores remotos son instrumentos desarrollados recientemente que usan técnicas espectroscópicas de larga trayectoria para medir las concentraciones de varios contaminantes en tiempo real. Los datos se obtienen mediante la integración entre un detector y una fuente de luz a lo largo de una ruta determinada. Los sistemas de monitoreo de larga trayectoria pueden cumplir un papel importante en diferentes situaciones de monitoreo, principalmente cerca de las fuentes. Son los mas costosos del mercado(Martínez y Romieu, 1997). 1.2.5.2. Muestreadores empleados en Calidad del Aire en Venezuela. En Venezuela el monitoreo de calidad del aire se inicia a principios de los años 80, como consecuencia de que se sospechaba que las concentraciones de plomo en el aire se encontraban elevadas (por encima de lo que establecía la OMS), siendo su principal fuente las gasolinas que contenían como antidetonante tetra etilo de plomo. Así mismo, como medidas de control establecidas por los parques industriales más grandes del país (industria petrolera y minera) se inician los monitoreos de calidad del aire a mediados de la década de los 90 por estas grandes fuentes emisoras. Los equipos empleados por los diferentes organismos que cuentan con redes de monitoreo de calidad del aire en Venezuela, se listan a continuación, y se observan en las Figuras de la 3 a la 6. a) Detectores de Alto Volumen para el muestreo de Partículas en el Aire de tamaños de PM-10 y PTS. b) Detección de Partículas por bajo flujo, para el muestreo manual o detección automática de c) Detección de gases PM-2.5, PM-10 y PTS. con muestreo manual a través de burbujeadores o recolección de muestras en Bolsas de Tedlar para su análisis en el Laboratorio d) Detección de gases por análisis automático, a través de instrumentos especializados para la detección de los diferentes gases: SO2, NO, NO2, NOx, CO, H2S, NH3, O 3, Total Hidrocarburos, COV, N2O, entre otros. e) Cromatografía portátil y fija de gases, en particular de Metanos, BTEX y VOC. Figura 3. Muestreador de partículas totales, tipo alto volumen tipo High. Figura 4. Muestreador de 3 gases, tipo three-gas sampler, para muestreo de NO2, SO2, NH3 Figura 5. Muestreador de bajo volumen, tipo PARTISOL, para captación de PM10 y PM2.5 Figura 6. Estaciones Automáticas de monitoreo de Calidad del Aire 1.3. Estimación de Emisiones. Fuente de emisión es toda actividad, proceso u operación, realizada por los seres humanos, o con su intervención, susceptible de emitir contaminantes al aire. Las denominadas fuentes fijas son todas aquellas situadas en un lugar determinado e inamovible, aún cuando la descarga de contaminantes se produzca en forma dispersa. Dichas fuentes fijas pueden ser puntuales (aquella que emite contaminantes al aire por ductos o chimeneas) o dispersas (cuando los focos de emisión de una fuente fija se dispersan en un área, por razón del desplazamiento de la acción causante de la emisión, como en el caso de las quemas abiertas controladas en zonas rurales o las emisiones fugitivas o dispersas de contaminantes por actividades de explotación minera a cielo abierto). Las fuentes puntuales incluyen entre otros a los siguientes sectores industriales: químico petrolero y petroquímico, de pinturas y tintas, de automóviles, de la celulosa y papel, del hierro y el acero, del vidrio, de la generación de electricidad, del asbesto, del cemento y la cal así como del tratamiento de residuos peligrosos. Además de las plantas localizadas en zonas industriales y las fuentes que afecten el equilibrio ecológico de una zona o país (ICLAM, 2010). 1.3.1. Metodologías básicas de estimación de emisiones. A nivel mundial existen diversas entidades que se encargan de determinar los métodos de medición de emisiones contaminantes en fuentes fijas, entre los que sobresalen la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (EPA), el Comité Europeo de Normalización (CEN) y la Organización Internacional de Estandarización (ISO). Sin embargo, la mayor parte de los países que cuentan con reglamentación para fuentes fijas utilizan los siguientes métodos propuestos por la EPA para determinar las emisiones contaminantes: • Muestreo en la fuente • Factores de emisión • Balance de masa • Modelos de emisión 1.3.1.1. Factores de emisión. Un factor de emisión es una relación entre la cantidad de contaminante emitido a la atmósfera con una unidad de actividad asociada a dicha emisión, como por ejemplo la cantidad de material procesado o la cantidad de combustible usado. En este caso la emisión se obtiene multiplicando el factor de emisión dado por la cantidad de material o combustible procesado: E = A x F x (1 - ER/100) (1.1) Donde: E = Estimado de emisión para la fuente (a nivel de proceso) A = Nivel de actividad (por ejemplo material producido) F = Factor de emisiones controladas (por ejemplo, Kg de contaminantes emitidos/t de material procesado) Si el factor de emisión fue desarrollado sin considerar la operación de un equipo de control, entonces se incorpora el término de efectividad del sistema de control (1-ER/100); por lo tanto, la ecuación queda así: Donde: E=AXF (1.2) E = Estimado de emisión para la fuente (a nivel de proceso) A = Nivel de actividad (por ejemplo, material producido) F = Factor de emisiones no controladas (por ejemplo lb de contaminantes emitidas/t de material procesado) ER = Eficiencia general en la reducción de emisiones totales, expresada en porcentaje, que es igual a la eficiencia del equipo de captura, multiplicada por la eficiencia del equipo de control. Si no hay un equipo de control, entonces, ER =0. La EPA realizó una recopilación de factores de emisión para contaminantes criterio denominada AP-42. Información necesaria para evaluar factores de emisión. a) Identificación de las fuentes de emisión: Es necesario realizar una descripción de las fuentes de emisión teniendo en cuenta las variables que afectan la emisión. b) Nivel de actividad: Es una medida del nivel real del tamaño o nivel real del establecimiento industrial, que se utiliza para afectar el factor de emisión para fuentes que no están controladas. Para fuentes de emisión de procesos industriales, corresponde a la tasa de producción (por ejemplo: masa de producto por unidad de tiempo). En fuentes de área que involucran procesos continuos o por lotes, es la cantidad de material transferido. Para otras categorías puede ser el área superficial que se puede alterar por fuerzas mecánicas o el viento. Si se tiene un sistema de control de emisión, el factor de emisión debe afectarse por el término adicional que refleja la fracción de control. Para la estimación de las emisiones se debe realizar una breve descripción del factor de emisión utilizado, la fuente, y los requerimientos del mismo para su utilización. Los cálculos por factores de emisión se dividen en dos tipos: por combustión y por proceso. 1) Cálculo de emisiones por combustión La información para estimar las emisiones por combustión de una industria en particular consiste en determinar la capacidad del equipo de combustión, el consumo y tipo de combustible utilizado, sistema de control de emisiones y horarios de operación. 2) Cálculo de emisiones por proceso Se debe analizar cada equipo u operación para cada etapa del proceso e identificar los factores de emisión adecuados por medio de una revisión de la información proporcionada por la empresa y el tipo de actividad de la misma También si cuenta con equipos de control, y en este caso tener información de su grado de eficiencia. En muchos países se han realizado múltiples estudios para determinar las tasas de emisión promedio de diferentes procesos que son fuentes de emisiones. Puesto que con frecuencia no se requiere ni es económicamente factible hacer un muestreo en cada fuente de emisión, se usan los resultados de muestreos de «fuentes representativas» para desarrollar factores de emisión, los cuales se expresan como unidades de masa de contaminante emitido por unidad de proceso. Entre las unidades de proceso más comunes se encuentran el consumo de energía, el consumo de materia prima, las unidades de producción, el calendario de operación, o el número de dispositivos ó las características de éstos. 1.4 Modelos de dispersión Un modelo de dispersión atmosférico, constituye una representación de los procesos de transporte y difusión que se presentan en la atmósfera y por ello son conocidos como modelos de simulación o de pronostico; es decir, proporcionan un modelo para pronosticar en qué grado afectarían ciertos contaminantes atmosféricos emitidos por fuente o grupo de fuentes, a la calidad de aire a diferentes distancias de la fuente o grupos de fuentes. Estos modelos pueden ser usados para cumplir objetivos como: desarrollo de estrategias de control, evaluación de impacto ambiental, selección del sitio apropiado para ubicar estaciones de muestreo, estudio de diseño de chimeneas, análisis de la tendencia de calidad del aire y otros. 1.4.1. Distribución Gaussiana o normal Se han desarrollado muchos modelos para estimar la concentración de contaminantes gaseosos viento abajo desde una fuente puntual. Aunque algunos posiblemente se aproximen a la situación real, usualmente un numero de suposiciones simplificadoras son necesarias en cualquier caso para obtener una solución matemática manejable. De lo anterior resulta que todas estas teorías tienden a llegar a la misma función de distribución para la concentración del contaminante, que es la distribución Gaussiana. Para entender el significado de este tipo de función de distribución en el contexto de la contaminación del aire, es relevante decir; que una variable x esta normalmente distribuida si la función de densidad f(x) satisface la relación: x 2 1 f ( x) exp 2 2 1 / 2 2 (1.3) Donde μ es cualquier número real y σ es cualquier número real con un valor mayor que cero. La variable σ se conoce como la desviación estándar. El valor de f(x) es la altura por encima del eje horizontal. El valor μ establece la situación del valor máximo de f(x) sobre el eje x, y la curva es simétrica con respecto a la posición de μ. Cuando μ = 0, la curva es simétrica alrededor del eje x = 0. Estas ecuaciones de dispersión tomaran la forma de una doble distribución Gaussiana. Una doble distribución Gaussiana en dos direcciones de coordenadas, como y y z, es decir, el producto de las distribuciones Gaussianas sencillas en cada una de las direcciones de las coordenadas, así: 2 2 1 y y z z exp f ( y, z) 2 2 2 yz 2 y 2z (1.4) 1.4.2 Modelo de dispersión Gaussiana. Un modelo matemático de dispersión debe tratar de simular el comportamiento de una pluma emitida desde una fuente a nivel del suelo o a la altura de la chimenea. Para fuentes puntuales tales como una chimenea, una apariencia general de la pluma puede ser representado por el esquema de la Figura 7. Aunque la pluma se origina a una altura hs, se eleva a una altura adicional h , debido al empuje de los gases calientes saliendo con una velocidad Vs de la chimenea. Por lo tanto, y con fines prácticos, la pluma aparece como si se originara en una fuente puntual a una altura equivalente la de chimenea, hs + h . Dicho punto de origen queda también algo hacia atrás de la línea de centro de la posición de la chimenea para X = 0. Un posible modelo de la situación física mostrado en la Figura 7 es basado en la dispersión de la masa del contaminante en las direcciones x, y, z, según un elemento fluido es arrastrado por el viento en la dirección X con una velocidad de viento μ (Turner, 1994). 1.4.2.1. Emisiones continuas Las emisiones de contaminantes en masa por unidad de tiempo desde una fuente puntual ocurre en forma continua y la tasa de estas emisiones no varía con el tiempo. 1.4.2.2. Conservación de masas Durante el transporte de contaminantes desde una fuente hacia un receptor, la masa que es emitida desde la fuente es asumida que permanece en la atmósfera. Ningún material es removido por reacciones químicas ni por pérdidas por reacciones en la superficie del suelo, sedimentación gravitacional, o impactación turbulenta. Se asume que cualquier poluente liberado es dispersado a la superficie de la tierra por remolinos turbulentos y esto es de nuevo dispersado desde la superficie de la tierra a otro subsiguiente remolino turbulento. Esto es conocido como efecto de reflexión. 1.4.2.3. Condiciones de estado estacionario Las condiciones meteorológicas se asumen que persisten constantes con el tiempo de transporte (tiempo de viaje) desde la fuente al receptor. Es muy fácil satisfacer esta suposición estrechamente en receptores bajo condiciones usuales. Sin embargo, para condiciones de vientos ligeros o receptores a grandes distancias, esta suposición no puede ser satisfecha. 1.4.2.4. Distribución vertical y transversal de las concentraciones Se asume que en el tiempo promedio (sobre una hora), el perfil de la concentración a cualquier distancia en la dirección transversal (perpendicular a la línea de trasporte) son representadas por una distribución Gaussiana o Normal y similarmente, el perfil de la concentración en la dirección vertical (también perpendicular a la línea de transporte de la pluma) es también representada por una distribución Gaussiana o Normal. Figura 7. Sistema de coordenadas en la distribución Gaussiana en los ejes Horizontales y verticales. 1.4.3. Fuentes puntuales al nivel del suelo La concentración del gas C viento abajo, en el (X, Y, Z) desde una fuente puntual al nivel del suelo esta dada por la ecuación general: C XYZ Y2 Z2 Q * exp * exp 2 2 * * Z * Y 2 * Y 2 * Z (1.5) Donde: CXYZ = Concentración del contaminante, μg/m3 Q = Tasa de emisión de contaminante, μg/s µ = Velocidad del viento en el punto de liberación, m/s σY = Desviación estándar en la distribución de concentración en la dirección transversal, m, a una distancia X viento debajo de la fuente. σZ = Desviación estándar en la distribución de la concentración en la dirección vertical, m, a una distancia X viento debajo de la fuente. = Constante matemática (pi) = 3.14159 exp = Base del logaritmo natural. Z = Altura desde el suelo, m. X = Distancia viento abajo a lo largo de la línea central de la pluma, m. Y =Distancia transversal desde la línea central de la pluma, m. Esta ecuación puede simplificarse si sólo es necesitada la concentración de los poluentes a lo largo de la línea central de la pluma. En este caso, y = 0, y las ecuaciones la siguiente: C X , 0, Z Z2 Q * exp 2 * * Z * Y 2 * Z (1.6) La ecuación 3.4 también puede ser simplificada si se quiere la concentración a lo largo de la línea central y al nivel del suelo desde una fuente puntual también al nivel del suelo: C X , 0, 0 Q * * Z * Y (1.7) 1.4.4 Fuente puntual a una altura h por encima del suelo con reflexión La concentración del gas, en el punto (X, Y, Z) desde una emisión continua a la altura efectiva H = h + Δh, sin reflexión esta dada por la ecuación siguiente: C( X ,Y , Z , H ) Y2 Q (Z H )2 * exp 2 2 2 * * * Y * Z 2 * 2 * Y Z (1.8) La restricción “sin reflexión” es extremadamente importante. La ecuación anterior constituye una expresión adecuada para la concentración en la dirección del viento, hasta llegar a un punto en la dirección y posición de X donde sea significativa la concentración al nivel del suelo (Z = 0). Tendría lugar entonces una apreciable “reflexión” del contaminante gaseoso, al difundirse regresivamente en la atmósfera desde el nivel del suelo. En un modelo de este tipo, se supone que la superficie terrestre no es sumidero para un contaminante. La reflexión del suelo puede ser modelada por una imagen virtual a una distancia –H, por debajo de la superficie de la tierra; en el área más allá desde la posición donde la pluma toca el suelo, la concentración aumentará sobre la suministrada normalmente por la fuente. Esta concentración aumentada se determina matemáticamente sumando dos ecuaciones como la ecuación 1.9. Sin embargo, una de las ecuaciones contiene el término (Z + H), en vez del término (Z – H). Esto da por resultado, que la ecuación de concentración para una fuente elevada con reflexión tome la forma: Y 2 (Z H )2 (Z H )2 Q * exp * exp * exp 2 2 2 2 * * * Y * Z 2 * Y 2 * Z 2 * Z (1.9) C( X ,Y , Z , H ) Para concentraciones calculadas a nivel del suelo, Z = 0, la ecuación anterior se simplifica de la siguiente manera: C( X ,Y , H ) Y 2 H 2 Q * exp * exp 2 2 2 * * * Y * Z 2 * Y 2 * Z (1.10) Cuando la concentración es calculada a lo largo de la línea central de la pluma, Y = 0, al nivel del suelo, Z = 0, la ecuación anterior se reduce a: C( X , H ) H2 Q * exp 2 2 * * * Y * Z 2 * Z (1.11) 1.4.4. Clase de estabilidad de Pasquill. Pasquill (1961), introduce un método de estimación de la estabilidad atmosférica incorporando consideraciones de turbulencia mecánica velocidad del viento y térmica (insolación y nubosidad). La mejor forma de éste método es citada por Turner (1994) y es presentada en la Tabla 6. Nota: 1. La insolación fuerte corresponde a un mediodía de verano en Inglaterra; la insolación ligera a similares condiciones pero en invierno. Tabla 6. Clave 1.994). para la Velocidad Del clase de estabilidad de Insolación Pasquill (Turner, Nubosidad (noche) Viento a 10m, m/s Fuerte Moderada Ligera Poco Nublado 3/8 O >4/8 de de Nubes Nubes <2 A A–B B --- --- 2–3 A-B B C E F 3–5 B B–C C D E 5–6 C C–D D D D >6 C D D D D 2. La noche se refiere al periodo comprendido entre una hora antes a la puesta del sol a una hora después del amanecer. 3. La categoría neutral D debería también ser usada indiferentemente de la velocidad del viento, para condiciones de nubosidad durante el día o la noche y para cualquier condición del cielo durante la hora precedente o siguiente de la noche. La turbulencia mecánica es considerada por la inclusión de la velocidad del viento en la superficie (a 10m por encima de la superficie). La generación positiva de la turbulencia térmica es considerada a través de la insolación (arribo de las radiaciones solares). La generación negativa de la turbulencia térmica es considerada a través de la noche cubierta de nubes. A menor nubosidad en la atmósfera mayor es la cantidad de calor que escapa de la superficie en forma de radiaciones infrarrojas. Las altas velocidades o nubosidad total pueden clasificarse como condición neutral o clase de estabilidad D. Las condiciones inestables son: Fuertemente inestable A, Moderadamente inestable B; y Ligeramente inestable C. Las condiciones estables es: Ligeramente estable E; y Moderadamente estable F. 1.4.5. Descripción de los modelos de dispersión atmosférica 1.4.5.1 Parámetros de dispersión de Pasquill-Gifford Pasquill sugirió que para estimar la dispersión se podría medir las fluctuaciones verticales y horizontales del viento. Si no son medidas estas fluctuaciones, otro método es presentado por Pasquill . Esto consistía en medir la extensión angular de la pluma a dos distancias viento debajo de la fuente, para diferentes estabilidades, y una presentación gráfica de la altura de la pluma, también a varias distancias viento abajo para diferentes estabilidades, estas consideraciones de sirvieron a Pasquill para desarrollar ecuaciones y gráficas para calcular el valor de estos parámetros. Desde luego, se asume una distribución Gaussiana en los ejes vertical y horizontal Las siguientes ecuaciones (1.12) y (1.13) son utilizadas para estimar los parámetros de dispersión vertical y horizontal de Pasquill-Gifford, son considerados aplicables a condiciones rurales: T 1000 x Tan 57.29569 y = 2 . 15 (1.12) donde: y = Parámetro de dispersión horizontal. x = Distancia a favor del viento en Km. T = Determinada para cada estabilidad como función de x (ver Tabla 7). z = a xb (1.13) donde: z = Parámetro de dispersión vertical. x = Distancia a favor del viento en Km. a y b = Determinada para cada estabilidad como función de x (ver Tabla 8) Tabla 7. Parámetro T de Pasquill Gifford Estabilidad Ecuación para T A T=24,167-2.5334*LN(X) B T=18,333-1;8096*LN(X) C T=12,5-1,0857*LN(X) D T=8,3333-0,72382*LN(X) E T=6,2500-0;54287*LN(X) F T=4,1667-0,36191*LN(X) Esta correlación fue basada sobre las siguientes restricciones: 1. La estimación de la concentración usada para estos términos corresponde a un tiempo de muestreo de 10 min. 2. Las desviaciones verticales y horizontales son validas para una superficie áspera de 3 cm. 3. Las estimaciones de las concentraciones representan pocos cientos de metros de atmósfera. 1.4.5.2. Parámetros de dispersión rural y urbano de Briggs. Briggs, después de muchos estudios experimentales, sugirió que las ecuaciones dadas en la Tabla 9 están clasificadas para condiciones urbanas y rurales, según la clase de estabilidad de Pasquill y la distancia viento abajo (X). Donde X se expresa en metros para un rango de distancias entre 100 y 1000 metros. 1.4.5.3. Altura efectiva de la chimenea. En cualquier consideración de concentración viento abajo desde una fuente, es deseable estimar la altura efectiva de la chimenea, H. La altura efectiva de la chimenea se define como la altura física sobre el piso más la ascensión de la pluma. Desde el punto de vista del control de la contaminación atmosférica, la altura efectiva es más importante que la altura física de la misma. La ascensión de la pluma se debe a efectos de impulsión y de flotabilidad. Hay cierto factores que afectan la elevación de pluma, conforme la pluma se eleva del tope de la chimenea se enfría debido a su aire frío. La elevación de la pluma esta controlada por tres factores: Parámetros del proyecto de ingeniería de la chimenea: Temperatura, diámetros, caudal, velocidad, y se puede incluir la altura física. Condiciones ambientales: Velocidad del viento y estabilidad. También reviste importancia la dirección del viento, la intensidad de la radiación solar y tipo de nubosidad. Tabla 8. Parámetros a y b de Pasquill Gifford Estabilidad Distancia (Km.) a b z(m) A >3,11 ................. ................. 5000 m A 0,50 a 3,11 453,85 2,1166 ................ .... ..... A 0,40 a 0,50 346,75 1,7283 ................ ..... A 0,30 a 0,40 258,89 1,4094 ................ ...... A 0,25 a 0,30 217,41 1,2644 ................ ...... A 0,20 a 0,25 179,52 1,1262 ................ ..... A 0,15 a 0,20 170,22 1,0932 ................ ...... A 0,10 a 0,15 158,08 1,0542 ................ ..... A <0,1 122,8 0,9447 ................ .... B >35 ................. ................. 5000 m ...... B 0,40 a 35 109,3 1,0971 ................ .... ..... B 0,20 a 0,40 98,483 0,98332 ................ ........ B <0,20 90,673 0,93332 ................ ...... C Todo X 61,141 0,91435 ................ ...... D >30 44,053 0,51179 ................ ........ D 10 a 30 36,053 0,56589 ................ ...... D 3 a 10 33,504 0,60486 ................ ...... D 1a3 32,093 0,64403 ................ ....... D 0,3 a 1 32,093 0,8166 ................ ...... D <0,3 34,459 0,86974 ................ ........ E >0,40 47,168 0,29592 ................ ....... E 20 a 40 35,42 0,37615 ................ ....... E 10 a 20 26,97 0,46713 ................ ....... E 4 a 10 24,703 0,50527 ................ ........ E 2a4 22,534 0,57154 ................ ....... E 1a2 21,628 0,63077 ................ ....... E 0,3 a 1 21,628 0,7566 ................ ....... E 0,1 a 0,3 23,331 0,81956 ................ ........ E <0,1 24,96 0,8366 ................ .. F >60 34,219 0,21716 ................ ....... F 30 a 60 27,074 0,27436 ................ ...... F 15 a 60 22,651 0,32681 ................ ..... F 7 a 15 17,836 0,415 ................ ...... F 3a7 16,187 0,4649 ................ ....... F 2a3 14,823 0,54503 ................ ........ F 1a2 13,953 0,63227 ................ ........ F 0,7 a 1 13,953 0,68465 ................ ...... F 0,2 a 0,7 14,457 0,78407 ................ .... F <0,2 15,209 0.81558 ................ ........ .... Tabla 9. Parámetros de dispersión rurales y urbanos de Briggs clase de σy(m) σz(m) estabilidad condiciones rurales condiciones rurales pasquill A 0.22*X*(1+0.0001*X)-0.5 0.20*X B 0.16*X(1+0.0001*X)-0.5 0.12*X C 0.11*X*(1+0.0001*X)-0.5 0.08*X*(1+0.0002*X)-0.5 D 0.08*X*(1+0.0001*X)-0.5 0.06*X*(1+0.0015*)-0.5 E 0.06*X*(1+0.0001*X)-0.5 0.03*X*(1+0.0003*X)-1 F 0.04*X 0.016*X*(1+0.0003*X)-1 condiciones urbanas condiciones urbanas A-B 0.32*X*(1+0.0004*X)-0.5 0.24*X*(1+.001*X)-0.5 C 0.22*X*(1+0.0004*X)-0.5 0.2*X D 0.16*X*(1+0.0004*X)-0.5 0.14*X*(1+0.0003*X)-0.5 E-F 0.11*X*(1+0.0004*X)-0.5 0.08*X*(1+0.0015*X)-0.5 Se pueden dar unas conclusiones generales, como por ejemplo: 1.- Cuanta más alta es la temperatura de los gases mayor es la elevación de pluma. 2.- Cuanto mayor es la fuerza de la fuente mayor es la elevación. 3.- Las velocidades altas del viento reducen la elevación. Los efectos que causa la impulsión se deben que cuando los gases se emiten verticalmente desde una chimenea ascienden parcialmente debido a su impulso. La ascensión atribuible a los efectos de la impulsión dependen de: - La tasa de másica de los gases. - La velocidad de los gases de escape. - La velocidad del viento. La diferencia de densidades entre los gases de escape, y la atmósfera los hace ascender. Esta diferencia de densidades se atribuye a la temperatura de los gases de escape o a su composición. Conforme la elevación de pluma continua ascendiendo, se vuelve diluida con la atmósfera y asciende progresivamente más lento. Una de las fórmulas más empleadas para el cálculo de esta elevación es la de Holland (DeNevers, 1995): Δh = Φchim Uhumo 1.4 Ts-Tamb Uw (1.14) Ts Donde: Δh: la elevación de la pluma por encima de la fuente emisora (m) Φchim: el diámetro interior del conducto de emisión (m) Uhumo: velocidad del humo o de salida de gases en la chimenea (m/s) Uw: la velocidad media del viento (m/s) Ts: la temperatura del contaminante (K) Ta: la temperatura ambiente atmosférica (K). Los valores de Δh obtenidos con esta fórmula deben corregirse mediante la Tabla 10, multiplicando por un factor, establecido por PasquillGifford-Turner (Turner, 1970), que es función de las condiciones meteorológicas, que se describen más adelante. Tabla 10. Factores de corrección de Δh. Fuente (Turner, 1994) Categorías de Factor de corrección estabilidad aplicado a Δh A-B 1,15 C 1,1 D 1,00 E-F 0,85 La velocidad del viento se mide normalmente a 10 metros de altura. Esta velocidad, a niveles más bajos de 10 metros, se ve reducida notablemente debido a los efectos de rozamiento. Para niveles distintos de este valor, la velocidad del viento debe corregirse según la relación (Arya, 1995): P Uw Z (1.15) U 10 10 Uw: velocidad del viento a la altura de la fuente emisora (m/s), U10: la velocidad del viento a la altura de 10 m (m/s) Z: la altura de la fuente emisora (m) p: coeficiente exponencial. Los valores de p son función de la estabilidad atmosférica y la rugosidad del suelo. En la tabla 11 se presentan tales valores. Tabla 11. Coeficientes de corrección de la velocidad del viento. Fuente (Turner, 1994) Estabilidad Coeficiente exponencial atmosférico p Urbano Rural A 0.15 0.07 B 0.15 0.07 C 0.2 0.10 D 0.25 0.15 E 0.4 0.35 F 0.6 0.55 Para el cálculo de las velocidades de salida de los gases de chimeneas estimados mediante la siguiente expresión, que es válida para todo tipo de Calderas y quemadores (Teho Y Torremblanza ,2003) CC= V.d2.Π. (273+ T0/298) /( Ae.EA/100+G.Sec) (1.16) 4 V: velocidad de salida de los gases Tº: Temperatura de salida D: diámetro interno (d) C.C: consumo de combustible EA: Porcentaje de Exceso de Aire Ae: Aire estequiométrico G.sec: Gas seco Los valores de de EA, Ae y G.sec están tabulados y normados cada tipo de combustible que utiliza caldera y quemadores. De esta manera, los valores utilizados para este caso y según tipo de combustible son los siguientes: Tabla 12. Valores de aire seco para diferentes combustibles Combustible Ae (m3N/kg) G.sec (m3N/kg) EA (%) Gas Natural Gas de Ciudad Gas Licuado Petróleo No 2 Petróleo No 5 Petróleo No 6 Kerosene Leña Carbón Bituminoso Fuente: SESMA 14,12 3,66 13,38 12,20 11,54 11,90 12,29 4,42 8,26 12,71 3,62 12,22 11,40 10,89 11,16 11,46 4,41 8,02 La velocidad de salida de los gases V (Uhumo): V= C.C.( Ae.EA/100+G.sec)/((273+T°)/298).Π.d2/4) (1.17) 5 5 5 20 40 50 20 150 100 CAPITULLO II DISEÑO DE REDES DE MONITOREO DE CALIDAD DEL AIRE 2.1 Procedimiento de diseño básico de una red de monitoreo de calidad del aire Se conoce como red de monitoreo de calidad de aire (RMCA) al conjunto de estaciones de muestreo, generalmente fijas y continuas, que se establecen para medir los parámetros ambientales necesarios para cumplir con los objetivos fijados y que cubren toda la extensión de un área determinada. Compara regularmente, concentraciones locales de parámetros ambientales con estándares de calidad del aire y las redes establecidas para vigilancia de alertas ambientales permiten implementar acciones en situaciones de emergencia (Martínez y Romieu, 1997). Debido a que las decisiones que se tienen que tomar para el diseño de una red de monitoreo dependen fundamentalmente de los objetivos de monitoreo, no existen reglas fijas y sencillas. Sin embargo, en la práctica el número y distribución de las estaciones de monitoreo de calidad de aire requeridas en cualquier red, dependen del área a cubrir, de la variabilidad espacial de los contaminantes que van a ser medidos y del requerimiento de datos que se necesitará utilizar. Si el factor importante es la identificación o cuantificación de los daños en la salud asociados con los contaminantes atmosféricos, el diseño de la red deberá enfocarse a este objetivo y considerar la necesidad y el uso de estudios epidemiológicos. Por lo que se requerirán, según sea el objetivo, enfoques específicos en cuanto a los sitios de muestreo y a los contaminantes que se van a muestrear (Martínez y Romieu, 1997). Las redes nacionales sirven para una variedad de funciones y son frecuentemente el caso de programas de mediciones de múltiples contaminantes. Por otro lado, también se pueden optimar las redes usándolas para estudios específicos, como la estimación de la exposición del ecosistema o la determinación de congruencia con los requerimientos legales para contaminantes individuales. En general estas mediciones ofrecen ventajas financieras y logísticas, pero no todas las funciones de las redes, ni todas las redes se pueden optimar. Actualmente existen dos enfoques en el diseño de redes, que se usan desde ciudades hasta escalas a nivel nacional. El primer enfoque utiliza un patrón de localización basado en una cuadrícula espacial en donde se muestra información detallada en cuanto a la variabilidad espacial y patrones resultados de la exposición de contaminantes. Mientras que el segundo, involucra la ubicación de estaciones de monitoreo o sitios de muestreo en lugares representativos, seleccionados cuidadosamente, con base en requerimientos de uso de los datos y patrones conocidos de emisión y dispersión de los contaminantes en estudio. Este último enfoque requiere de un número menor de sitios de monitoreo, por lo que es más barato de aplicar. De cualquier manera, los sitios deberán ser seleccionados con base en datos confiables o estudios piloto previos para asegurar que los datos medidos sean significativos. El diseño de una red de monitoreo está directamente relacionado con la determinación del número y distribución de los sitios de monitoreo y de su frecuencia de muestreo, en caso de no usar monitores continuos. Como ya se indicó, depende fundamentalmente de sus objetivos de monitoreo y de la variabilidad de los contaminantes. La labor de diseño de una RMCA debe llevarse a cabo en dos fases, una inicial de diagnostico y una final de elaboración del diseño propiamente dicho. A continuación, se describen cada una de estas dos fases. 2.1.1 Fase de diagnostico inicial En esta primera fase, un grupo técnico interdisciplinario designado por la corporación o la autoridad ambiental competente debe establecer las causas de la contaminación del aire en la zona de interés, evaluar su impacto en la sociedad es decir, realizar un diagnostico de línea base y determinar en ultimas si la ciudad o región bajo estudio necesita Un programa de vigilancia y evaluación de la calidad del aire (OMS, 2001). En este estudio se deberán efectuar las siguientes acciones: a) Caracterizar la geografía y el clima de la zona de interés, la industria y el transporte, la población y el desarrollo urbano. En particular, se deberá incluir una descripción de los siguientes puntos: Geografía y clima. Límites geográficos; Condiciones topográficas y climáticas; Estudio micrometeorólógico y/o meteorológico preliminar Establece los aspectos más relevantes para identificar la dispersión de contaminantes en la atmosfera en la zona de estudio y en la medida de lo posible, el comportamiento de la atmosfera superficial y superior. La resolución temporal y espacial dependerá del área de influencia de la red. Como mínimo se deberá reunir información acerca del comportamiento de los vientos (dirección y velocidad – rosa de vientos). Otros datos importantes son temperatura, presión, humedad relativa y radiación solar. Con estos datos mínimos se deben determinar predominancias en velocidad y dirección del viento con miras a establecer la dirección consecuente de los contaminantes y su grado de dispersión en la atmosfera. Por otra parte es importante el análisis de la pluviometría de la zona con fines de Determinar o acercarse a las implicaciones de la remoción húmeda en la zona (lavado atmosférico). La combinación de otros aspectos como perfiles atmosféricos, nubosidad y datos de superficie como temperatura, radiación solar y velocidad del viento deben llevar a la estimación de la estabilidad atmosférica (Tabla 6). Como parte de este estudio se deben determinar como mínimo los siguientes aspectos: Tendencias de vientos anuales durante los últimos anos (preferiblemente entre 5 y 10 años como mínimo de la serie multianual) Rosa de vientos diurna y nocturna Variaciones mensuales de la rosa de vientos Determinar si en el área de estudio existen varias condiciones micrometerologicas de vientos Tendencias de precipitación durante los últimos anos (preferiblemente entre 5 y 10 anos) Identificación de épocas secas y húmedas Comportamiento de la atmósfera superficial y superior Número y tipo de industrias b) Caracterizar las emisiones a la atmósfera de los contaminantes incluidos en las normas nacionales de calidad del aire, a través de la recopilación, revisión y síntesis de los inventarios de emisiones y estudios existentes. En el caso de que estos inventarios y estudios no estén disponibles o que la información sea incompleta, se deberá elaborar un inventario de emisiones mediante métodos rápidos y sencillos de evaluar como encuestas o pequeñas campañas de vigilancia. En particular, la caracterización de las fuentes de contaminación debe incluir los siguientes aspectos: Emisiones provenientes de fuentes fijas. Estas fuentes se dividen en fuentes puntuales y de área. Las fuentes de área son de gran magnitud y se les considera en conjunto como las refinerías y las plantas termoeléctricas. Las fuentes de puntuales son de menor magnitud y se les considera en forma individual, como las chimeneas de hornos y calderas. c) Evaluar la distribución espacial y temporal de las concentraciones de los contaminantes incluidos en las normas nacionales de calidad del aire a través de la recopilación, análisis e interpretación de los datos existentes. En caso de que esta información no esté disponible o sea incompleta, es recomendable realizar campañas de vigilancia preliminares. La descripción de la calidad del aire en la zona de interés deberá incluir los siguientes aspectos: La distribución espacial y temporal de los contaminantes del aire durante los episodios de alta contaminación y los escenarios meteorológicos que se presentan durante ellos. Los modelos conceptuales del comportamiento de la atmósfera y los contaminantes durante los episodios de alta contaminación, en la zona de interés. La comparación entre los niveles de concentración de los contaminantes del aire y las normas de calidad ambiental del aire. Las tendencias temporales de la concentración de contaminantes del aire si es posible durante un lapso prolongado entre cinco y diez años, de lo contrario se pueden desarrollar campañas especiales de vigilancia, con estaciones móviles o monitores pasivos, por periodos por lo menos de un año. Los vacíos más evidentes del programa de vigilancia (sí existiese), o todas las deficiencias identificables mediante una auditoria al mismo (sí pudiera realizarse o se hubiera realizado una recientemente).Esta información puede recopilarse y analizarse mucho más fácilmente, si se ha realizado previamente medición de variables ambientales y meteorológicas. d) Evaluar el impacto de la contaminación del aire en la sociedad y, si es posible, las consecuencias económicas del mismo a través de la recopilación, análisis e interpretación de la información existente. Como mínimo, se debe estimar el impacto de la contaminación del aire en la salud de la población. En el caso de que estos estudios no estén disponibles o sean incompletos, se deberá estimar el impacto mediante métodos rápidos de evaluación. En particular, se debe: Describir el impacto de la contaminación del aire en la salud de la población; Además de otro tipo de impactos en el bienestar humano por ejemplo, la visibilidad y los olores ofensivos; y los impactos en el ambiente asociados con la contaminación del aire por ejemplo, la disminución en la producción de los campos agrícolas, la corrosión de materiales y el deterioro del patrimonio cultural. Si es posible, también se debe describir las consecuencias económicas de estos impactos. Se debe incluir además un resumen de la cuantificación de las tasas de mortalidad y morbilidad atribuibles a la exposición de contaminantes del aire en la población de la zona de interés. Toda esta información debe estar en lo posible referenciada geográficamente. Al concluir esta fase, el grupo técnico deberá identificar los vacíos en la información existente y la capacidad operativa de las instituciones locales; luego establecerá una propuesta inicial del modelo conceptual de la calidad del aire que represente los procesos de transporte, transformación y remoción de los contaminantes del aire en la ciudad o región de interés, el impacto de la contaminación del aire en la sociedad y, si es posible, las consecuencias económicas de este impacto. Modelación preliminar Toda la información obtenida de condiciones locales (topografía, actividades económicas, uso del suelo, ordenamiento urbano, entre otras), meteorología, emisiones y calidad del aire será usada para el adecuado diseño de la RMCA. Los resultados de los modelos de simulación, pueden ser usados para predecir los patrones de depósito o de dispersión de los contaminantes, así como las reacciones atmosféricas probables, lo cual nos ayudará en la selección de los sitios de muestreo. Estos modelos son necesarios cuando se planea la instalación de alguna industria o cuando es imposible el monitoreo de algún contaminante en particular, por no contar con el instrumento adecuado o por ser muy costoso este monitoreo. Cuando se requiera, se podrá utilizar esta información para realizar una modelación preliminar que permita llenar vacios dejados y entender la dispersión de contaminantes en el área de estudio. En el capítulo I se describe el modelo de Dispersión atmosférica Gaussiano de Turner. 2.1.1.1. Análisis de la información recolectada en el diagnóstico El diagnostico llevara a un conocimiento integral del área donde se desea materializar la RMCA obteniendo acercamientos a las respuestas de las siguientes preguntas con la interpretación e integración de sus resultados: ¿Cuál es el comportamiento meteorológico de la zona? La interpretación del análisis meteorológico de la zona, es importante para establecer niveles de contaminación extrapolados (teniendo en cuenta las variaciones entre época seca y húmeda) así como las áreas mas afectadas por predominancia y velocidad del viento. ¿Cuáles son las fuentes críticas? A esta pregunta responderán el inventario de emisiones (IE), las campanas de medición y el modelo de dispersión, cuando se use. El IE presentara el aporte relativo de las diferentes fuentes presentes en el área de estudio. El impacto ocasionado en la calidad del aire puede ser determinado por las mediciones realizadas en las campanas o por la utilización de los modelos de dispersión. ¿Cuáles son los contaminantes críticos? Sera respondido con los elementos anteriores. Las campañas de monitoreo o el modelo de dispersión permiten conocer los contaminantes que merezcan mayor atención. Así mismo, el IE proporcionara información sobre los Contaminantes que se deben monitorear de acuerdo a las fuentes que se encuentran en el área de estudio. ¿Cómo se distribuyen los contaminantes en el dominio de la RMCA? Esta respuesta estará dada por el modelo de dispersión y los datos de monitoreo de calidad del aire. ¿Cuáles son los puntos de mayor y de menor concentración? Esta pregunta será respondida por el modelo de dispersión y los datos de monitoreo. La integración de todos los elementos del diagnostico será la base del diseño final del RMCA. 2.1.2 Fase de elaboración de diseño final Una vez llenos los vacíos identificados en la información inicial y en la capacidad operativa de las instituciones locales y establecida una propuesta inicial del modelo conceptual de la red, la corporación autónoma regional o la autoridad ambiental competente podrá convocar un grupo local de trabajo, conformado por representantes de los diferentes actores involucrados y / o afectados por la problemática de la calidad del aire en la ciudad o región, tales como las secretarias de salud, las industrias, las alcaldías, la sociedad civil, grupos ambientales, etc. Éste grupo local de trabajo, asesorado por el comité técnico de la autoridad ambiental y deberá validar la propuesta inicial del modelo conceptual y modificarla si es necesario, y con base en el resultado elaborar un plan de coordinación de esfuerzos entre los diferentes actores involucrados para la implementación del programa de gestión de la calidad del aire. El plan debe definir entre otros aspectos, las metas del programa, y con base en las mismas los objetivos de vigilancia de la RMCA. Después de haber sido establecidos los objetivos de vigilancia, el grupo técnico debe especificar cual tipo de vigilancia se debe implementar, para cumplir estos objetivos, y debe realizar el diseño detallado de la RMCA, siguiendo los lineamientos que a continuación se exponen: 2.1.2.1 Definición del tipo de red de Monitoreo de Calidad de Aire No existe una reglamentación única para el diseño detallado de una RMCA, dado que las decisiones sobre el número y ubicación de las estaciones de vigilancia, están sometidas a los objetivos y a las restricciones de los diferentes recursos que pueden ser radicalmente diferentes para cada ciudad ó región. Además una RMCA por lo general no debe estar orientada a un solo objetivo, por lo tanto algunas estaciones puede no obedecer a dos o más objetivos a la vez, lo que implica diferencias entre los equipos instalados en una estación u otra, con las consiguientes diferencias de costos de implantación y operación. Un diseño óptimo debe procurar que sea posible contrastar resultados entre varios sitios, sin duplicar o desperdiciar ni esfuerzos ni capital. La meta principal de diseño es asegurar la mayor cantidad de información con el mínimo esfuerzo. Teniendo en cuenta el conocimiento sobre las condiciones de calidad del aire en los principales centros urbanos del país, se definen varios tipos de sistemas de vigilancia de calidad del aire que deberán ser adaptados a las condiciones especificas de cada región teniendo en cuenta la evaluación preliminar realizada y la legislación vigente que regula la materia. Los sistemas de Vigilancia podrán ir evolucionando con el tiempo de acuerdo a las necesidades y cambio de objetivos del sistema. Se establecen seis tipos de Sistemas de Vigilancia de la Calidad del Aire, adaptados a las condiciones de población, territorio, objetivos y condiciones ambientales del país. En general, todos los tipos de RMCA tienen como objetivo inherente la comparación con la Normatividad vigente. 2.1.2.2 Pautas generales para el diseño detallado de RMCA El diseño involucrará el uso de estrategias de los tipos de RMCA Básico, Intermedio y Avanzado, dependiendo del tipo de fuentes involucradas y de la magnitud de la problemática puntual. 2.1.2.3 Objetivos de la ubicación de estaciones de un SVCAI Las estaciones ubicadas para este tipo de SVCAI deben responder a las siguientes características: Estaciones localizadas para determinar las concentraciones más altas en el dominio del RMCA. Estaciones localizadas para determinar el impacto en la calidad del aire de fuentes significativas. Estaciones adicionales localizadas para determinar concentraciones generales de fondo. Tabla 13. Tipos de RMCA. RMCA RMCA TIPO I: INDICATIVO Aplicación Poblaciones de 50.000 a menos de 150.000 habitantes en donde no existan problemáticas ambientales identificadas (ausencia de zonas industriales, mineras, otras fuentes relevantes) En poblaciones mayores o iguales a 150.000 habitantes y menores a 500.000 habitantes. Poblaciones hasta de 300.000 habitantes sin problemas de RMCA TIPO II: BÁSICO calidad del aire podrán basarse en los Criterios del SVCA Indicativo para diseñar su sistema. Poblaciones o zonas metropolitanas cuyo número de habitantes sea mayor o igual a 500.000 habitantes y menor a RMCA TIPO III: INTERMEDIO 1.500.000 habitantes. Poblaciones integradas al área metropolitana serán analizadas como un conjunto, para aquellas otras separadas del centro urbano de mayor tamaño se Deberá hacer un diseño separado. Para zonas metropolitanas en donde la población sea mayor a 1.500.000 habitantes. metropolitana serán Poblaciones analizadas integradas como un al área conjunto, para aquellas otras separadas del centro urbano de mayor tamaño RMCA TIPO IV: AVANZADO se deberá hacer un diseño separado; sin embargo, la administración del SVCA podrá ser realizada en conjunto. En poblaciones de cualquier número de habitantes bajo la influencia SEVCA – SISTEMAS ESPECIALES DE VIGILANCIA DE LA CALIDAD DEL AIRE de fuentes concentraciones refinerías, de zonas de gran fuentes petroleras) magnitud puntuales, o grupo (siderúrgicas, zonas de mineras, poblaciones ubicadas con cualquier número de habitantes ubicadas bajo la influencia de Fuentes de emisión de gran magnitud. SVCAI – SISTEMAS DE VIGILANCIA DE LA CALIDAD DEL AIRE INDUSTRIAL Actividades en complejos industriales, que como requerimiento de la autoridad ambiental realicen mediciones de calidad del aire. Fuente: EPA Code US Federal Register CFR40 Appendix D to Part 58—Network Design Criteria for Ambient Air Quality Monitorin 2.1.2.4. Número de estaciones Una RMCA es una iniciativa que demanda gran cantidad de compromisos y costos, por lo tanto la inversión (de capital y de operación), es el factor que en la práctica, más limita el diseño de la misma. La disponibilidad de recursos económicos para la implantación de la red y la sostenibilidad a largo plazo de su operación y mantenimiento, debe ser el primer aspecto en evaluarse, mucho antes de pensar siquiera en algún equipo especifico. Una vez establecida la citada disponibilidad de recursos, es posible establecer el número de estaciones de vigilancia que las restricciones de presupuesto permiten. Así las cosas, una red de muestreo óptima implica el mínimo número de estaciones con localizaciones precisas. Además los datos de esta red óptima deberían poder ser utilizados para obtener un análisis preciso de la distribución de la contaminación. Sin embargo, no puede establecerse una red óptima que sea aplicable universalmente a cualquier área urbana ó rural y para cualquier objetivo, debido a que la distribución de contaminantes y los factores meteorológicos, son fenómenos dinámicos que no sólo varían en el tiempo y en el espacio en un área dada de una misma zona urbana o de una región, sino que también varían de una región a otra. Las estaciones serán ubicadas y sus parámetros definidos de acuerdo con el inventario de emisiones, el modelo de dispersión y meteorología. En zonas con varias poblaciones involucradas, la ubicación de estaciones, como mínimo se deberá hacer teniendo en cuenta las siguientes consideraciones: 1. Una estación de fondo adicional (vientos arriba) 2. Estaciones adicionales ubicadas en las principales concentraciones de población de la región analizada y que se encuentra bajo la influencia de la actividad industrial. Esta ubicación será definida a partir de los resultados del modelo de dispersión. 3. Una estación vientos abajo de las fuentes de emisión objeto de la RMCA. 4. Las estaciones serán ubicadas fuera del lindero de cualquier fuente y de ser posible de forma triangular; además deberá considerar los sitios de las emisiones a evaluar. Se tendrá un número mínimo de dos estaciones fijas de PM10 ubicadas con los siguientes criterios: Una estación de fondo. Se ubicara de acuerdo a la rosa de vientos de la zona, vientos arriba de la actividad industrial analizada. Una estación vientos abajo de la actividad industrial que permita evaluar los incrementos debidos a la misma o ubicada en la población con mayor nivel de impacto en el área de influencia de la actividad industrial. De acuerdo con los análisis del inventario de emisiones, campana de monitoreo (extrapoladas o mediciones existentes) y la modelación, realizados en el diagnostico, se deberá complementar la RMCA según sea la necesidad. Estaciones localizadas para determinar concentraciones típicas de zonas densamente pobladas bajo influencia importante de la actividad industrial (determinado con el modelo de dispersión). Estaciones de ozono (O3) Se ubicaran vientos abajo de los sitios donde se encuentren las mayores emisiones de precursores de ozono, a no ser que la región de estudio colinde vientos arriba con otra área que se caracterice. Componente de meteorología. Se instalara una estación meteorológica portátil en el punto de mayor representatividad (Velocidad y dirección de viento, temperatura, radiación solar, humedad relativa, pluviometría, presión barométrica). . 2.1.2.5 Selección del número de estaciones de la RMCA En la mayoría de los casos la vigilancia en zonas urbanas se realiza en sitios representativos del área de estudio, tales como: centro de las ciudades, sectores industriales, zonas comerciales, zonas de gran densidad de tráfico y zonas residenciales. En general, el número de estaciones se elige en función de: La población que habita en el área que se pretende vigilar. La problemática de contaminación existente en el área a vigilar. El método de muestreo y los equipos a emplear. Los recursos económicos, humanos y tecnológicos disponibles Sin embargo, antes de definir el número y la localización de los sitios de muestreo, incurriendo en realizar instalaciones costosas y difíciles de reubicar, sobre todo cuando se pretende instalar una red permanente de monitoreo de calidad de aire, se recomienda utilizar estaciones temporal con unidades móviles para llevar a cabo un sondeo de cuáles son las condiciones del lugar a muestrear principalmente cuando la información con la que se cuenta no es confiable. Esto se puede lograr con una campaña piloto de monitoreo atmosférico por lo menos un año antes de definir la ubicación final de las estaciones. También es importante mencionar la necesidad de contar con estaciones libres de influencias urbanas, que se consideren “limpias” o de fondo. En función de los parámetros antes señalados, se presentan en las tablas 14 y 15, las guías de la OMS y USEPA, para determinar el número mínimo de equipos de muestreo por contamínate medido. La tabla 14, contiene los criterios propuestos por la OMS, para la determinación del número mínimo de sitios de muestreo para los parámetros a monitorear. Teniéndose en cuenta las siguientes modificaciones: En ciudades con alta densidad industrial deben instalarse más estaciones para medir PM y SO2 En zonas en donde se utilicen combustibles pesados se deben incrementar las estaciones de bióxido de azufre. En zonas con tráfico intenso se duplican las estaciones de monóxido de carbono, óxidos de nitrógeno y oxidante. Tabla 14. Promedio Sugerido de Estaciones de Vigilancia en Zonas Urbanas con respecto a la densidad de población según criterio de la Organización Mundial de la Salud, 1973. En ciudades con población mayor a 4 millones de habitantes, con tráfico ligero, se pueden reducir las estaciones de monóxido de carbono, óxidos de nitrógeno y oxidantes. En regiones con terreno accidentado, puede ser necesario incrementar el número de estaciones. Los criterios que tiene en cuenta la USEPA, para la determinación del número mínimo de sitios de vigilancia de la calidad del aire, se presentan en la Tabla 15. Tabla 15. Promedio mínimo sugerido de sitios de vigilancia según criterio de la Agencia Estadounidense de Protección Ambiental CONTAMINANTE POBLACIÓN(Habitantes) NUMERO MÍNIMO DE SENSORES Menos de 100.000 4 100.000-1.000.000 4+ 0.6 x cada 105 hab. 1.000.000-5.000.000 7.5+ 0.25 x cada105 hab PARTÍCULAS más de 5.000.000 12+ 0.16 x 105 hab. Menos de 100.000 1 100.000-1.000.000 1+ 0.15 x cada 105 hab. 1.000.000-5.000.000 + 0.05 x cada 105 hab. Menos de 100.000 1 100.000-1.000.000 1+ 0.15 x cada 105 hab. 1.000.000-5.000.000 + 0.05 x cada 105 hab. Menos de 100.000 3 100.000-1.000.000 4+ 0.6 x cada 105 hab. 1.000.000-5.000.000 10 SUSPENDIDAS TOTALES DIÓXIDO DE AZUFRE MONÓXIDO DE CARBONO DIÓXIDO DE NITROGENO Tabla 16. Criterio de número de estaciones de monitoreo para concentración de PM10 sugerido por la Agencia Estadounidense de protección Ambiental Densidad de población Alta concentración ( 20%exceso PM10 ) Media Concentración (80% de PM10) Baja concentración (<80%PM10) >1,000,000 6–10 4–8 2–4 500,000–1,000,000 4-8 2-4 1-2 250000-500000 3-4 1-2 0-1 10000-25000 1-2 0-1 0 También existen criterios que recomiendan un número de estaciones basándose no sólo en la densidad de población de una zona, sino en la concentración del contaminante que se va a medir, recomendando un mayor número de estaciones en aquellas zonas que presentan mayor densidad de población con altas concentraciones de contaminantes, que excedan los valores límite. Este es el caso de las reglamentaciones para SO2 y PM10 (fracción de la masa de las partículas cuyo D50 es 10 mm) (CFR40, 1994). La Compañía de Tecnología de Saneamiento Ambiental de Brasil (CETESB) recoge en su guía, para definición del número mínimo de estaciones de vigilancia (ver Tabla 17), la propuesta de la EPA, pero la torna más explícita, pues define tres (3) regiones hipotéticas donde las concentraciones de los contaminantes del aire a medir superan, igualan ó son inferiores a las normas de calidad del aire. En función de la problemática existente en el área hay otros criterios para seleccionar el número de estaciones de muestreo como es el caso de los criterios estadísticos. Sin embargo, hay que hacer hincapié en que todas estas técnicas estadísticas requieren de un conocimiento de la meteorología, las emisiones, datos previos sobre calidad del aire de la zona y otros. Es decir, para diseñar un modelo estadístico representativo se requiere de un conocimiento profundo del área en estudio, por lo que si no se cuenta con este conocimiento se recomienda basarse en criterios como el de densidad de población y estadísticas de actividades económicas, para el inicio del estudio e ir corrigiendo el número de sitios, con base en la experiencia y los datos obtenidos (Martínez y Romieu, 1997). Cualquiera que sea la opción escogida para la determinación del número de estaciones de muestreo, se debe tener en cuenta que tales valores corresponden a los números mínimos y que la autoridad ambiental correspondiente, de acuerdo a sus condiciones de recursos económicos, humanos y aspectos logísticos será quien determine la cantidad exacta de sitios de vigilancia y contaminantes a evaluar. 2.1.2.6. Criterios para establecer la distribución de los sitios de vigilancia en una RMCA. La distribución de los sitios de vigilancia requeridos en una red depende del tipo de vigilancia que se quiera realizar, (es decir, de los objetivos de vigilancia), de la extensión de la ciudad o región que debe cubrirse, de la variabilidad espacial de los contaminantes a estudiar, etc. Aunque lo ideal para cualquier red es maximizar el cubrimiento espacial y la representatividad, en la práctica esto sólo sería posible con abundantes recursos económicos para implantación y operación, recursos con los cuales poco se cuenta, por lo tanto una vez se tiene el número de estaciones de vigilancia se debe realizar una “selección cuidadosa” de las áreas de la ciudad o región, que contengan los sitios más representativos de los fenómenos que se quieren medir, para que los datos recolectados sean de gran utilidad. Para efectuar esta selección de áreas se debe evaluar la información recopilada en el estudio de diagnóstico a luz de los objetivos de vigilancia ya que, antes que todo, las áreas seleccionadas deben contener sitios que permitan que se cumplan estos objetivos (EPA, 1998). Según los objetivos a implementar, las áreas se pueden seleccionar así: Para la verificación del cumplimiento de las normas de calidad del aire, se deben seleccionar las áreas de mayores concentraciones de contaminantes o cerca de las fuentes contaminantes más importantes, seleccionar las áreas de mayor densidad poblacional donde la exposición de los receptores establecidos como objetivo puede ser significativa para identificar tanto la línea base como los peores casos de contaminación, escoger algunas en la periferia donde sea posible medir la exposición de población y el transporte de contaminantes junto con todas las variables meteorológicas. Se pueden seleccionar otras áreas en las que esté proyectado crecimiento urbano, otras donde sea posible evaluar los efectos de las medidas de control implementadas. En algunas áreas pueden perseguirse uno o más de los anteriores requerimientos. Para la vigilancia de episodios de emergencia deben buscarse áreas densamente pobladas, donde estén más amenazadas la salud y el bienestar de la población (áreas cerca de grandes fuentes fijas de polución, áreas con hospitales, áreas donde existan centros educativos o sitios de reunión de poblaciones de alto riesgo como niños y ancianos). Para un seguimiento de tendencias se deben seleccionar las áreas urbanas más densamente pobladas, escoger áreas no urbanas de topografías diferentes como, tierras de cultivo, bosques, montañas y costas. Estas ubicaciones no se seleccionan específicamente como blancos de control con “aire limpio”, para las estaciones urbanas, sino porque ellas, proveen una comparación relativa entre las áreas urbanas y las áreas no urbanas cercanas. Tabla 17. Determinación del número de estaciones mínimas según criterio de la Compañía de tecnología de Saneamiento Ambiental de Brasil, 1987. Contaminante Condiciones Método de Población Número mínimo ambientales Muestreo (habitantes de estaciones <10 Xa>95 ug/m3 Xm>325 ug/m3 Hi – Vol – 1 cada 6 dias PTS 5 4 105-106 4+0.6w 106-5x106 7.5+0.2w >5x10 6 1.5+0.16w Xa:60-95 ug/m3 Xm:150-325 ug/m3 Cinta cada 2 días Hi- Vol 3 Xa< a 60 ug/m3 Xm< a 150 ug/m3 Hi- Vol 1 <105 SO2 Xa>100 ug/m3 Xm>455 ug/m3 Burbujeador 24 horas cada 6 días 5 10 -10 6 10 -5x10 >5x10 2.5+0.5w 6 6 - 5 10 -5x10 >5x10 6.0+0.15w 11+0.05w <105 Continuo 6 6 1.0+0.15w 6+0.05w Xa:60-100 ug/m3 Xm: 260-450 ug/m3 Burbujeador - 3 continuo - 1 Xmh >170 ug/m3 - No es necesario <10 NO2 3 6 Xa >100 ug/m3 Burbujeador 5 10 -5x10 >5x10 Xa < 100 ug/m3 continuo 3 5 6 6 4+0.6w 10 No es necesario CO Xmh>21 mg/m3 Xm8h>14mg/m3 Xmh < a 21 mg/m3 Xm8< a 14 mg/m3 <105 1 Infrarrojo no dispersivo Infrarojo no dispersivo 10 -5x10 >5x106 6.0+0.05w Infrarrojo no dispersivo - No es necesario 5 6 1.0+0.05w Xa: Media aritmética anual. Xm: Concentración máxima (24 horas) ocurrida en un año. Xmh: Concentración máxima horaria ocurrida en un año. Xm8: Concentración máxima presentada intervalo de 8 horas, para un periodo de un año. Para mediciones para investigación deben ubicarse estaciones cerca de la población de estudio. La información sobre morbilidad y mortalidad debida a la incidencia de infecciones respiratorias agudas en la ciudad o región de interés recogida en el estudio de diagnostico, permitirá escoger con mayor certeza puntos en los cuales existe evidencia concreta de la exposición de la población más vulnerable a altos niveles de contaminación. Éste primer criterio debe aplicarse con base en el estudio de diagnostico, cruzando las estadísticas de población, salud y desarrollo urbano, las de tráfico vehicular, usos de suelo y las de consumo de combustibles, con los datos del inventario de emisiones. Después de obtener el resultado de la aplicación de este primer filtro se debe tener en cuenta las siguientes consideraciones para depurar más la selección. Meteorología y topografía. Las condiciones meteorológicas y topográficas específicas de la ciudad o región bajo estudio, afectarán el transporte y la difusión de los contaminantes. Si se trata de grandes accidentes como valles profundos, o cordilleras, causarán efectos en áreas grandes. Se debe revisar la información sobre las condiciones climáticas predominantes y la topografía local, recogida en el estudio de diagnostico para determinar si el objetivo de medición que se persigue puede verse afectado en un área específica. Por lo general se seleccionan áreas donde puedan presentarse estancamientos atmosféricos, volúmenes de mezcla pequeños, o inversiones, es decir donde ocurran condiciones que dificulten la dispersión de los contaminantes, y se evitan áreas que tengan muy buena dispersión, como en las faldas de las montañas, o cerca de obstrucciones naturales o de origen antrópico como edificios muy altos, dado que las lecturas allí obtenidas en ambos casos no son representativas. Distribución espacial y criterios de variabilidad de los contaminantes. Deben seleccionarse las áreas de acuerdo a la distribución espacial y la variabilidad de los contaminantes dentro de ambientes urbanos. Por ejemplo las concentraciones de contaminantes originados en procesos de combustión incompleta, como el CO, serán máximas en áreas con alto tráfico vehicular, especialmente al lado de las vías, mientras que las concentraciones de O3, aunque tienen mayor uniformidad espacial, tendrán mínimos cerca de las vías, porque reaccionarán rápidamente con las moléculas de NO2. Por estas razones casi nunca es adecuado medir todos los contaminantes criterio en todos los sitios de vigilancia de la red, se deben escoger entonces puntos para monitorear cada tipo de contaminante. homogénea para En general la variabilidad los contaminantes espacial secundarios que es para más los primarios, por ello los puntos de vigilancia que estén orientados a medir contaminantes primarios, por ello deben estar cerca de las fuentes, mientras que los puntos donde se quiera medir contaminantes secundarios, como NO2 y O3, deben ubicarse a una distancia, vientos abajo en la dirección predominante de viento, suficiente para que ocurran las reacciones que los originan, además de suficientemente alejados, de otras fuentes de contaminantes primarios como para albergar concentraciones significativas de contaminantes secundarios. Si están disponibles resultados de la aplicación de modelos de dispersión, o si pueden aplicarse sin gran esfuerzo, las áreas de interés pueden ser mucho mas fácilmente identificadas. Sin embargo cabe recordar que para que estos resultados sean realmente útiles, se necesita datos confiables de las emisiones y de las variables meteorológicas junto con un modelo apropiado y validado. Datos existentes sobre la calidad del aire. La información obtenida en el estudio de diagnostico, resultado de esfuerzos previos de mediciones o de campañas especiales realizadas en la zona de interés, debe usarse para detectar las áreas de mayor interés teniendo mucho cuidado con la confiabilidad de los datos con los que se cuenta, para cada contaminante evaluado. 2.1.2.7 Microlocalización de los sitios de vigilancia. Una vez definidos el número de estaciones de vigilancia, y seleccionadas las áreas donde se deben instalar y los contaminantes que se van a vigilar en cada una de ellas, debe evaluarse la microlocalización de todos los sitios propuestos y realizar las gestiones para lograr la autorización de uso de los mismos. Esta última labor puede convertirse en algunos casos en una verdadera dificultad, por lo cual se recomienda seleccionar por lo menos tres posibles ubicaciones para cada estación para tener alternativas en caso de que las autorizaciones se demoren o no se consigan. Para evaluar la microlocalización de un sitio específico dentro de un área debe tenerse en cuenta: Las Condiciones de Seguridad. Las condiciones de seguridad de un lugar en particular deben ser suficientemente valoradas a la hora de seleccionarlo acondicionarse como sitio usando de vigilancia. medidas Si el lugar convencionales de no puede seguridad (iluminación, cercas, etc.), es decir si estas medidas no son suficientes, debe optarse por otro lugar en las cercanías, que permita cumplir los objetivos de vigilancia, pero que no comprometa la seguridad de los equipos, ni de los operadores. Además debe pensarse en la seguridad del público en general dado que elementos como la torre meteorológica o los sensores de viento, pueden representar algún riesgo para las personas en las cercanías de la estación de vigilancia. Exposición de los toma muestras y sensores. Un adecuada condición de exposición de los toma muestras y o sensores es fundamental para poder lograr mediciones representativas y significativas. Los sitios de vigilancia deberán estar suficientemente separados de fuentes locales de contaminación, como parqueaderos, vías sin pavimento, o calderas, o sumideros como vegetación densa. Los toma muestras deberán estar expuestos para asegurar mediciones representativas, por lo cual deben evitarse sitios demasiado cubiertos o que presenten estancamientos locales (por ejemplo un callejón de vientos formado entre edificios altos). Además los toma muestras y los caminos de medición deben estar ubicados de tal manera que no se alteren las concentraciones de contaminantes en la muestra. En general deben seguirse las siguientes consideraciones: Para asegurar un flujo lo más libre posible, se deben evitar árboles y edificios en un área de 10 m. alrededor del sitio de muestreo y no tomar muestras en las superficies laterales de los edificios. Para medir los parámetros meteorológicos se recomienda instalar los instrumentos a una altura mínima de 10 m. sobre el nivel del suelo, y tomar mediciones a diferentes alturas con el objeto de obtener gradientes térmicos. Anteriormente se utilizaban torres meteorológicas de 100m, actualmente se utilizan técnicas de radiosondeo y sensores remotos. Se deben evitar también zonas de parqueo, depósitos de químicos o de combustibles. No se recomienda emplear generadores eléctricos para las estaciones. Se debe evitar sitios cercanos a acumulaciones de residuos sólidos o líquidos. Los sitios de vigilancia de PST deben estar alejados de carreteras sin pavimento, campos deportivos o lotes sin vegetación que los cubra Condiciones de Logística. El lugar debe tener facilidades de acceso permanente para los operadores, para los materiales consumibles y los repuestos, para equipos automáticos, debe contar con al menos una línea telefónica fija o celular para el envío de datos, debe tener electricidad y disponibilidad de carga para todos los equipos que serán instalados. CAPITULO III METODOLOGÍA La consecución del objetivo general de esta tesis, Diseño de la Red de Monitoreo de Calidad de Aire para un Complejo Petroquímico, determinó la formulación de objetivos específicos a ser desarrollados a lo largo de este trabajo. Para la consecución de estos objetivos se realizaron los pasos fases descritos a continuación: 3.1. Revisión bibliográfica Se realizó una revisión bibliográfica para conocer, interpretar y comparar diversos criterios propuestos para el diseño de redes de monitoreo atmosférico. Asimismo se efectuaron visitas programadas y entrevistas con a especialistas del Instituto para el Control y la Conservación de la cuenca del Lago de Maracaibo y el Ministerio del Poder Popular del Ambiente para discutir su experiencia en la planificación de la red de monitoreo. 3.2. Modelación meteorológica Se obtuvieron los datos meteorológicos horarios y rosas de los vientos de la zona a partir de la data histórica del 2009 y 2010 recopilada a través del programa Safer Sistem (Anexo A) aplicado en una estación meteorológica cercana al complejo petroquímico; ello permitió determinar las velocidad y dirección del viento promedio horarias por año y por mes a través de la Rosa de Los Vientos, lo cual permitirá modelar el comportamiento del viento en el complejo petroquímico para determinar la estabilidad atmosférica como herramienta en la dispersión de gases y material particulado. En la Tabla 18 se encuentran los promedios de velocidad del viento horario, dirección del viento (mayor porcentaje en la rosa de los vientos) y la determinación de la estabilidad atmosférica; los datos de insolación y nubosidad provienen de la data histórica reportada por la Fuerza Aérea Bolivariana de Venezuela para las estaciones meteorológicas de la ciudad de Cabimas. La determinación de la estabilidad atmosférica se realizó a través de las claves para la estabilidad de Pasquill presentada en la Tabla 6 (Turner 1994). Se promediaron las velocidades horarias promedio promedio predominantes para cada estabilidad de Pasquill y direcciones resultando 4 valores principales tal como es expuesto en la Tabla 19. 3.3. Estimación de las tasas de emisiones Se realizó una revisión bibliográfica exhaustiva con la finalidad de evaluar criterios disponibles para cálculo de las tasas de emisión tales como muestreo de la fuente, balance de masa, modelos de emisión y factores de emisión (Agencia Estadounidense de Protección Ambiental (EPA), Organización Internacional de Estandarización (ISO) y Comité Europeo de Normalización). Fue seleccionado el método de la EPA AP.42 basado en el uso de los factores de emisión (ecuación1.2) en virtud de la disponibilidad de tiempo y recursos de la empresa para la realización de este trabajo. Tabla 18. Condiciones del viento horarias y estabilidad atmosférica en el Complejo Petroquímica Ana María Campos Fuente: elaboración propia Velocidad del viento Dirección (m/s) del viento 0 3,13 ENE C 1 2,92 ENE C 2 2,77 ENE C 3 2,71 ENE C 4 2,71 ENE C 5 2,65 ENE 6 2,60 ENE-SE-E 7 2,51 8 Hora (insolación) Nubosidad (octavos) Estabilidad 4 D 1,9 3 C ENE-SE-E 5,6 5 B 2,76 ENE-SE-E 6,8 4 B 9 2,93 ENE-ESE-SE-E 7,4 5 B 10 2,71 NE-SO-SE-ENE 7,6 7 B 11 2,72 SO-NNE-NE 7,7 5 B 12 3,04 SO-NNE-NE 7,6 4 B 13 3,41 SO-NNE-NE 8,8 4 B 14 3,62 SO-NNE-NE 8,6 4 B 15 3,80 SO-NNE-NE 7,8 5 B 16 3,94 SO-NNE-NE 6,2 6 B 17 4,05 NE-NNE-ENE 5,3 6 C 18 3,85 NE-NNE-ENE 1,1 7 C 19 3,60 NE-ENE 8 D 20 3,64 NE-ENE 8 D 21 3,69 NE-ENE 7 D 22 3,63 NE-ENE 6 D 23 3,40 ENE C 24 3,10 ENE C Prom. 3,20 Pred. B-C Tabla 19. Velocidad del viento promedio según la estabilidad y direcciones predominantes ESTABILIDAD DIRECCIÓN VELOCIDAD DEL VIENTO (m/s) B SO 2,73 B SE 2,69 C ENE 2,96 D NE 3,44 Fuente: elaboración propia Al mismo tiempo se realizaron visitas a las plantas e instalaciones del CPAMC para realizar las encuestas industriales (Anexo B) considerando un año base (2010) y verificaciones de campo en plantas por observación de la ubicación de los equipos y estaciones de monitoreo encargados de recopilar los datos de las fuentes fijas del complejo petroquímico tales como: Datos de las plantas: a) Nombre de la planta b) Productos y promedio de producción c) Total de combustible que se consume d) Promedio de consumo anual de combustible e) Materia prima utilizada f) Promedio de consumo anual de materia prima Datos de las fuentes: a) Tipo de fuente (chimenea, mechurrio, etc.) b) Descripción de la fuente (nombre, número, etc.) c) Altura de elevación del suelo. d) Diámetro de descarga de la fuente. e) Temperatura de descarga de emisiones f) Tipo de combustible consumido g) Promedio de consumo anual de combustible por fuente Figura 8. Ubicación y distribución de las Plantas e instalaciones del CPAMC Fuente( http/ skyscrapercity.com, 2011) Se identificaron la actividad que generan emisión en cada fuente fija del CPAMC las Tablas 20, 21, 22, 23 ,24 y 25 describen las fuentes de cada planta con su actividad generadora de emisiones. A partir de la información suministrada por las empresas presentada en el Anexo B. Tabla 20. Fuentes fijas de Planta Eléctrica FUENTE ACTIVIDAD CHIMENEA C3 CALDERA C3 combustión gas natural PLANTA ELECTRICA CHIMENEA C3 CALDERA C3 combustión fuel oil CHIMENEA C4 CALDERA C4 combustión gas natural CHIMENEA C11 CALDERA C11 combustión gas natural CHIMENEA C12 CALDERA C12 combustión gas natural CHIMENEA C14 CALDERA C14 combustión gas natural CHIMENEA C14 CALDERA C14 combustión fuel oil CHIMENEA C15 CALDERA C15 combustión gas natural CHIMENEA C16 CALDERA C16 combustión gas natural CHIMENEA C17 CALDERA C17 combustión gas natural TURBOGENERADOR TG5 generación de electricidad TURBOGENERADOR TG6 generación de electricidad TURBOGENERADOR TG10 generación de electricidad Fuente: elaboración propia Tabla 21. Fuentes fijas de la planta de Amoníaco en el área de fertilizantes AMONÍACO FUENTE ACTIVIDAD CHIMENEA H5 HORNO H4 combustión gas natural CHIMENEA SK3A HORNO H1A combustión gas natural CHIMENEA SK3B HORNO H1B combustión gas natural CHIMENEA SK102 COMP C1 combustión gas natural CHIMENEA FB204 CALDERA combustión gas natural CHIMENEA FB205 CALDERA combustión gas natural Fuente: elaboración propia Tabla 22. Fuentes fijas de área 45 de servicios industriales (CTA) ÁREA 45 FUENTE ACTIVIDAD CHIMENEA C9 CALDERA C9 combustión gas natural CHIMENEA C10 CALDERA C10 combustión gas natural CHIMENEA C13 CALDERA C13 combustión gas natural Fuente: elaboración propia Tabla 23. Fuentes fijas de las Plantas de Olefinas, MVC-PVC, LGN.II, Y PPE FUENTE ACTIVIDAD combustión gas natural CHIMENEA CALDERA 103-BB OLEFINAS I combustión gas natural CHIMENEA CALDERA 103 BA combustión gas natural CHIMENEA CALDERA 201-BH combustión gas natural CHIMENEA CALDERA 104-B combustión gas natural CHIMENEA CALDERA 101-BB mechurrios industriales MECHURRIO F-8801B combustión gas natural HORNO 1 combustión gas natural HORNO 2 combustión gas natural HORNO 3 OLEFINAS II combustión gas natural HORNO 4 HORNO 5 combustión gas natural HORNO 6 combustión gas natural MECHURRIO F-8801A mechurrios industriales Tabla 23 (continuación). Fuentes fijas de la plantas de Olefinas, MVC-PVC, LGN.II, y PPE PLANTA FUENTE ACTIVIDAD FUENTE ACTIVIDAD PLANTA INCINERADOR C704 MVC-PVC LGN II PPE combustión gas natural HORNO R-401 combustión gas natural MECHURRIO R-401 mechurrios industriales HORNO H1-C combustión gas natural MECHURRIO LGN II mechurrios industriales MECHURRIO PPE mechurrios industriales Fuente: elaboración propia Tabla 24. Fuentes fijas de la Planta de Urea del área de Fertilizante PLANTA FUENTE ACTIVIDAD Producción agricola de UREA TORRE PRILL 42AT2 fertilizantes l Fuente: elaboración propia Del documento AP.42 de la EPA, se tomaron los factores de emisión disponibles que describen los procesos de las plantas del Complejo Petroquímico Ana María Campos, identificando la actividad y los gases de emisión, seleccionando los de mayor proporción en las fuentes fijas; la Tablas 25, 26, 27, 28 Y 29 señalan esos factores de emisión clasificados de acuerdo con las actividades principales del Complejo Industrial. MECHURRIO F-2301 mechurrios industriales CALDERA H-920A combustión gas natural MECHURRIO Z-950 mechurrios industriales VAPORIZADOR AX combustión gas natural POLINTER VAPORIZADOR BX combustión gas natural LINEAL MECHURRIO Z mechurrios industriales HORNO S-502A combustión fuel oil HORNO S-502C combustión gas natural HORNO S-502D combustión gas natural HORNO F-501 combustión gas natural MECHURRIO F-801 mechurrios industriales CALDERA 6B-201 combustión gas natural HORNO H-102 combustión gas natural HORNO H-101 combustión gas natural PROPILVEN POLINTER ALTA POLINTER BAJA VENOCO ESTIZULIA Tabla 25. Fuentes fijas de las empresas mixtas Fuente elaboración propia Tabla 26. Factores de emisión para combustión con gas natural COMBUSTIÓN CON GAS NATURAL Contaminante Factor de emisión 6 (kg / 10 m3 de Gas natural quemado) PM(total) 121,6 SO2 9,6 NOX 2240 CO 134,4 CH4 36,8 COV 88 Tabla 27. Factores de emisión para combustión con Fueloil COMBUSTIÓN CON FUELOIL Contaminante Factor de emisión (kg /m3 de fuel oíl quemado) PM(total) 0,24 SO2 17 NOX 2,88 CO 0,6 CH4 0,00624 COV 0,024 Tabla 28. Factores de emisión para combustión en turbinas de gas natural generadoras de electricidad. COMBUSTIÓN EN TURBINAS DE GAS NATURAL EN GENERACIÓN DE ELECTRICIDAD Contaminante Factor de emisión (kg / 106 m3 de gas natural) PM(total) 107,72 SO2 153,408 NOX 3916,8 CO 1240,32 CH4 140,03 COV 179,5 Tabla 29. emisión para mechurrios industriales MECHURRIOS INDUSTRIALES Contaminante Factor de emisión (lb/106 BTU) Factores de PM(total)c 0-274 NOX 0,068 CO 0,37 CH4 0,14 C: µg/L para Mechurrios de baja capacidad:0, ligera capacidad : 40, capacidad promedio 177 y alta capacidad 274 Tabla 30. Factores de emisión para producción de fertilizantes agrícolas PRODUCCION DE FERTILIZANTES AGRICOLAS (Urea) Contaminante Factor de emisión 6 (kg/10 kg de producción de Urea) PM(total) 1,9 NH3 0,43 Se calcularon las tasas de emisiones de las fuentes fijas por combustión a través de la ecuación (1.2) donde la actividad corresponde al combustible consumido de cada fuente (Anexo B) asumiendo que los equipos de combustión trabajan a su máxima capacidad. Las estimación de las emisiones por proceso corresponden a la torre Prill 42AT2 (Urea) donde la actividad (A) es la producción anual de Urea (Tabla 30), se asume la eficiencia general en la reducción de emisiones totales expresada en porcentaje igual a cero, así como las siguientes condiciones: Para combustión de fuel oíl , %S=1,1 Para mechurrios industriales c= 274 μg/m3 Se elaboró el inventario de emisiones con el nombre de la fuente por planta y las tasas de emisión calculadas de las fuentes fijas del CPAMC. 3.4. Determinación de concentraciones de gases y material particulado La selección del modelo de dispersión de Turner se realizó a través una revisión bibliográfica para el cálculo de las concentraciones de gases y material particulado. En la estimación de todas las variables; se introdujeron las ecuaciones para determinar sus valores a través de hojas de cálculos en Excel versión 2007. Se seleccionaron las fuentes con mayor potencial del inventario de emisiones por año tomando en cuenta las plantas con aportes mayores a 200 toneladas de emisiones por año. Se calcularon las velocidades de emisión a través de la ecuación 1.17 y las alturas de las descargas (altura efectiva) a través de la ecuación de Holland (1.14) para cada condición meteorológica de la tabla 19, asumiendo la temperatura ambiente a 29 °C. Las concentraciones para cada uno de los gases y material particulado se obtienen con el modelo de dispersión atmosférica para las fuentes fijas con respecto a la distancia debajo de la fuente (ecuación 1.11) utilizando los parámetros de dispersión en condiciones urbanas de Briggs (Tabla 9) para cada la dirección y velocidad del viento en atención a la estabilidad atmosférica de la zona resaltada en la Tabla 19. Los resultados gráficos reportan las concentraciones (µg/m3) en función de distancia x (km) debajo de la fuente para cada condición de la Tabla 19. Las concentraciones sobre la coordenada de cada fuente (anexo C) se proyectan en un mapa del complejo petroquímico y las áreas adyacentes señalando las zonas de mayor y menor concentración. Para determinar las concentraciones máximas se seleccionaron las fuentes con mayor tasa de emisión por poluente; en función de la distancia debajo de la fuente de los centros poblados más cercanos con respecto a las velocidades del viento prevalecientes. 3.5. Determinación el número, ubicación y distribución de las estaciones de la RMCA Se escogieron el número de estaciones a través del criterio de máximas concentraciones de la Compañía de tecnología de Saneamiento Ambiental de Brasil presentado en el Capítulo II (tabla 17), así como también la ubicación y distribución de la estaciones. Se compararon los costos de los tipos de estaciones y equipos de monitoreo existentes en el mercado así como el requerimiento de recurso humano para cada tipo de estación. CAPÍTULO IV RESULTADOS, DISCUSIÓN Y REQUERIMIENTOS DE LA RMCA A lo largo de este capítulo se exponen los resultados del estudio realizado Diseño de una red de Monitoreo para un Complejo Petroquímico. 4.1. Modelación Meteorológica Los datos meteorológicos de dirección y velocidad del viento utilizados corresponden a los datos obtenidos del 2009 y 2010 4.1.1 Velocidad del viento En la Figura 9 se muestra la variación horaria para el año 2009 pudiéndose distinguir varios cuatro periodos en los cuales la velocidad del viento exhibe un patrón bastante definido. VELOCIDAD DEL VIENTO HORARIA 2009 25,00 feb mar v(km/h) 20,00 abr may 15,00 jun 10,00 jul ago sep oct nov 5,00 dic 0,00 0 5 10 15 20 HORA Figura 9. Velocidad del viento horaria año 2009 a) Entre las 3:00 y 7:00: Caracterizado por las velocidades del viento más bajas del día, y prácticamente constantes durante todo el periodo, para cada mes del año. b) Entre las 7:00 y 11:00: Leve disminución de la velocidad del viento desde julio hasta octubre, con un aumento sostenido de febrero a abril y un comportamiento variable para los meses de Mayo y Junio. c) Entre las 11:00 y 18:00: Aumento constante de la velocidad del viento durante todos los meses del año, hasta alcanzar sus valores máximos entre las 16 y 17 a excepción del mes de mayo que la alcanza en la hora 15. d) Entre las 18:00 y 3:00: Disminución constante de la velocidad del viento, donde se alcanzan los valores más bajos en la hora 3:00. e) Los meses en que se exhibieron mayores valores de velocidad del viento fueron Febrero y Marzo (época seca) mientras en septiembre y octubre (época de lluvia) se registraron los más bajos. En la Figura 10, se muestra la variación horaria para el año 2010 aquí se puede distinguir varios periodos horarios: a) Entre las 3:00 y 7:00: Caracterizado por las velocidades del viento más bajas del día, y prácticamente constantes durante todo el periodo, para cada mes del año b) Entre las 7:00 y 11:00: Comportamiento variable en diferentes meses del año, se mantiene la velocidad constante desde junio hasta noviembre y en los meses de enero a mayo con aumento entre las 8:00 y las 9 :00 y con disminución entre las 10:00 y 11:00 Velocidad del viento horaria año 2010 20,00 V(km/h) 15,00 10,00 5,00 0,00 0 5 10 15 20 ene feb mar abr may jun jul ago sep oct nov hora Figura 10. Velocidad del viento horaria año 2010 c) Entre las 11:00 y 17:00: Aumento constante de la velocidad del viento durante todos los meses del año, hasta alcanzar sus valores máximos entre las 16 y 17, especialmente de los meses de enero a julio. d) Entre las 17:00 y 21:00: Velocidad del viento constante, especialmente en los meses de agosto, septiembre y octubre. e) Entre las 21:00 y 3:00: Disminución constante de la velocidad del viento, alcanzando su nivel más bajo en la hora 3:00. f) En los meses de junio a noviembre hubo menos variación de la velocidad horaria que en los meses de enero a mayo. g) Los meses que exhibieron mayores velocidades fueron de enero a abril y las menores velocidades horarias de agosto a noviembre. 4.1.2 Dirección del viento En la figura 11 se muestra la distribución de las frecuencias en la dirección del viento para el año 2009 (rosa de los vientos);se aprecia una presencia mayoritaria de los vientos provenientes del ENE con 34.96%, le siguen NE, con 22, 77%, E con 12,37%, NNE 8,28%, ESE 4,99% y SO con 3,44%, esto se debe a la presencia de los vientos Alisios, que son característicos de la zona norte del país ya que las direcciones relacionadas con el cuadrante Este (E) tuvieron mayor incidencia Figura 11. Rosa de los vientos año 2009 En la Figura 12 se distingue una presencia mayoritaria de los vientos provenientes del ENE con 27,82%, le siguen NE, con 18,60%, E con 11,02%, NNE 9,21%, ESE 6,19%, SO 5,19% y SE con 4,18%, esto se debe a la presencia de los vientos Alisios, que son característicos de la zona norte del país ya que las direcciones relacionadas con el cuadrante Este tuvieron mayor incidencia. Adicionalmente en la Figura 13 y 14 se muestran la dirección del viento para varios periodos horarios de la hora 0:00 a la 11:00 (Figura 13) y de la hora 12:00 a la 23:00 (figura 14) para los años 2009 al 2010; se pueden distinguir varios periodos horarios: Figura 12. Rosa de los vientos año 2010 Desde las 9:00 hasta las 16:00: se caracteriza por la aparición de direcciones con componentes oeste y sur, donde el porcentaje de frecuencia de estos componentes oeste alcanza su máximo valor en la hora 12 a la 13 de SO: 18,70%, OSO: 6,57%, Oeste: 5,03% (Figura 16) y en la hora 11 a 12 de SO: 14,80%, OSO: 7,13%, O: 6,34%, ONO: 5,27%. En este periodo se observan las mayores incidencias del cuadrante sur para la hora 9.00 a 10:00 ESE: 7,47 %, SE: 6,31 %, SSE: 5,15 %, S: 5 ,03%, SSO: 5,17%, SO: 7,81%, OSO: 4,20 %. Figura 13. Rosa de los vientos horarias hora 0 a hora 11 año 2009-2010 Figura 14. Rosa de los vientos horaria hora 12 a hora 23 año 2009-2010 Desde las 16:00 hasta las 9 :00 Este periodo se caracteriza por el predominio constante de las direcciones del cuadrante ESTE siendo más notable en la hora 0:00 a 1:00 donde ENE: 49,06%, NE: 12,39%, ESTE: 15,51%, y en la hora 20:00 a 21:00, donde ENE: 53,98%, NE: 20,78%, E: 7, 64%, la mayor aparición del cuadrante sur es a la hora 7:00 a 8 :00 donde ESE: 11,43%, SE: 8,94%, SSE: 5,87 %, S: 4,14%, SSO: 3,08%. Figura 15. Rosas de de los vientos mensuales años 2009-2010 En la figura 15 se muestra el comportamiento mensual de la dirección del viento para los años 2009 al 2010, se pueden distinguir varios periodos mensuales: Periodo Mayo a Octubre: Se caracteriza por la aparición de direcciones en las componentes sur y oeste, los más notables son el mes de Junio, SO: 3,57%, OSO: 2,84%, SSO: 2, 66%, Oeste: 1,69 %, Sur: 3,28%, SSE: 3,53%, SE: 4,59%. ESE: 5,45 %, en el mes de septiembre: OSO: 3.98%, SO: 6,31 %, SSE: 4,07%, SE: 6,54%. Periodo Noviembre a abril: Se caracteriza por tener predominancia constante con las direcciones del cuadrante Este, en el mes de Marzo se hace notable este comportamiento donde se tiene: ENE: 56,72%, NE: 32,93%, NNE: 6,13%. El comportamiento del viento en la zona de estudio es influenciado los vientos alisios característicos de la zona norte del país y cuyo predominio fue constante durante todo el año, los vientos provenientes de direcciones con componente sur se presentan en los meses de mayo – octubre correspondiente a las épocas de lluvia originado por el debilitamiento de los alisios. El comportamiento del viento en la zona de estudio está influenciado por la topografía del terreno, el ramal de la cordillera de los andes situado al sur y sureste del área, y la cordillera de Perijá al oeste del Lago de Maracaibo los cuales forman una barrera natural de desplazamiento de los vientos alisios que soplan del ENE; aunado a ello, la existencia de una zona de baja presión al sur del lago de Maracaibo, origina una circulación de vientos en la cuenca del lago de Maracaibo, cuyo comportamiento se observa en la Figura 3 y 4 , con una mayor frecuencia en el componente ENE de los vientos. Para las horas laborales de 11:00 AM a 5:00 pm (Figura 13 y 14) se observa para algunos periodos del año la aparición de dirección en las componentes sur y oeste. Para los meses de mayo a noviembre (Figura 15) se observa para algunas horas del día la aparición de direcciones del viento en los componentes sur y oeste. 4.2 Estimación de las Emisiones Una vez aplicado los factores de emisión a las diferentes actividades del CPAMC, se obtiene la estimación de las emisiones atmosféricas que estas pudieran generar; en la Tablas 31, 32, 33, 34, 35 y 36 se muestran las tasas de emisión de Partículas Totales Suspendidas PTS. (PM), el Dióxido de Azufre (SO2), Dióxido de Nitrógeno (NOx), Monóxido de Carbono (CO), Metano (CH4), Compuestos orgánicos Volátiles (COV) y Amoníaco (Tabla 35) de las 14 instalaciones visitadas por cada fuente fija. En la Tabla 31 se observa que tanto la caldera C3 como en la caldera C14 utilizan Gas natural y fuel-oil, las diferencias entre las tasas de emisión entre ambos casos es notable especialmente en la tasa de SO 2, donde para la caldera C3 genera un promedio de 1,23 toneladas al año si se utilizara gas natural y de 2020,84 toneladas al año si se utilizara Fueloil, la tasa de emisión de CH4 disminuye de 47,47 hasta 0,74 toneladas al año cuando se utiliza fuel-oil como combustible, en la planta eléctrica la fuente que genera mayor potencial de emisiones es la caldera C3 tanto cuando se utiliza Gas natural o cuando se utiliza fuel-oil como combustible. Los resultados del Área 45 (Tabla32) exhiben las mismas proporciones en las tasas de emisión, donde la mayor potencial por poluente es para el NOx y el menor es para el SO2, debido al uso del gas natural como combustible en la caldera C9, C10 y C13. En la planta de Amoníaco y Área 90 (Tabla 33) se reportan en la Chimenea SK3A-B de los Hornos Reformadores H1-A-B valores de 139,83 toneladas por año de NOX como mayor potencial de emisión, en el resto de las plantas la mayores tasas de emisión las registran las chimeneas de las calderas del los hornos 1 al 6 de la plantas Olefinas II, así como el mechurrio F-8801A y F-8801-B de Olefinas I y II (Tabla 36). Tabla 31. Tasas de emisión estimadas asociadas a la Planta Eléctrica. DATOS DE PLANTA FUENTE CHIMENEA C3 CALDERA C3 CHIMENEA C3 CALDERA C3 TASAS DE EMISIÓN TON /AÑO PM SO2 NOX CO CH4 COV 15,68 1,23 288,97 173,39 47,47 11,35 28,53 2020,84 342,35 71,32 0,74 2,85 15,68 1,23 288,97 173,39 47,47 11,35 8,45 0,67 155,60 93,36 25,56 6,11 8,45 0,67 155,60 93,36 25,56 6,11 10,48 0,83 193,14 115,89 31,74 7,58 19,53 1383,47 234,38 48,83 0,51 1,95 10,48 0,83 193,14 115,89 31,74 7,58 10,48 0,83 193,14 115,89 31,74 7,58 10,48 0,83 193,14 115,89 31,74 7,58 7,63 10,88 277,75 87,95 9,92 12,72 7,63 10,88 277,75 87,95 9,92 12,72 10,65 15,17 387,41 122,67 13,85 17,75 (FUEL OIL) CHIMENEA C4 CALDERA C4 CHIMENEA C11 CALDERA C11 CHIMENEA C12 CALDERA C12 PLANTA ELECTRICA CHIMENEA C14 CALDERA C14 CHIMENEA C14 CALDERA C14 (FUEL OIL) CHIMENEA C15 CALDERA C15 CHIMENEA C16 CALDERA C16 CHIMENEA C17 CALDERA C17 TURBOGENERADOR TG5 TURBOGENERADOR TG6 TURBOGENERADOR TG10 Los resultados presentados en la Planta de Urea (Tabla 35) reportan 44,45 toneladas al año de Amoníaco como Poluente, también se observa que el valor de Material Particulado (PM) es de 196,41 toneladas al año el cual representa la mayor proporción estimada de este poluente de todas las fuentes en las plantas e instalaciones del complejo. Tabla 32. Tasas de emisión estimadas del área 45 de CTA (servicios industriales). DATOS DE PLANTA TASAS DE EMISIÓN TON /AÑO FUENTE PM SO2 NOX CO CH4 COV CHIMENEA C9 CALDERA C9 8,45 0,67 155,60 93,36 25,56 6,11 CHIMENEA C10 CALDERA C10 8,45 0,67 155,60 93,36 25,56 6,11 CHIMENEA C13 CALDERA C13 8,45 0,67 155,60 93,36 25,56 6,11 ÁREA 45 Tabla 33. Tasas de emisión estimadas de la Planta de Amoníaco y del Área 90 DATOS DE PLANTA AMONÍACO TASAS DE EMISIÓN TON /AÑO FUENTE PM SO2 NOX CO CH4 COV CHIMENEA H5 HORNO H4 1,01 0,08 18,52 11,11 3,04 0,73 CHIMENEA SK3A HORNO H1A 7,59 0,60 139,83 83,89 22,97 5,49 CHIMENEA SK3B HORNO H1B 7,59 0,60 139,83 83,89 22,97 5,49 CHIMENEA SK102 COMP C1 6,03 0,48 11,12 66,67 18,25 4,36 CHIMENEA FB204 CALDERA 6,93 0,55 127,80 76,68 20,99 5,02 CHIMENEA FB205 CALDERA 6,93 0,55 127,80 76,68 20,99 5,02 Y ÁREA 90 Con relación a las fuentes de las empresas Mixtas, la Tasa de Emisión de mayor Potencial es el mechurrio F-801 (ver Tabla 37) de la empresa Venoco y el mechurrio F-2301 de Propilven, el resto de las fuentes presenta una disminución en las tasas de emisión. Tabla 34. Tasas de emisión estimadas de MVC-PVC; LGN II; Y PPE DATOS DE PLANTA TASAS DE EMISIÓN TON /AÑO PLANTA FUENTE PM SO2 NOX CO CH4 COV INCINERADOR C704 0,03 0,002 0,55 0,33 0,09 0,02 HORNO R-401 1,86 0,15 34,20 20,52 5,61 1,34 MECHURRIO R-401 0,01 - 0,066 0,36 0,14 - HORNO H1-C 0,35 0,02 6,40 3,84 1,05 0,25 MECHURRIO LGN II 0,14 - 0,03 0,15 0,06 - MECHURRIO PPE 0,15 - 0,02 0,14 0,055 - MVC-PVC LGN II PPE Tabla 35. Tasas de emisión estimadas de la Planta de Urea. DATOS DE PLANTA PLANTA UREA TASAS DE EMISIÓN TON /AÑO FUENTE PM NH3 TORRE PRILL 42AT 196,41 44,45 - - - 1,13 - 0,23 1,21 5,61 MECHURRIO FS-1 NOX CO CH4 Tabla 36. Tasas de emisión estimadas de Olefinas I y Olefinas II DATOS DE PLANTA TASAS DE EMISIÓN TON/AÑO PM SO2 NOX CO CH4 COV FUENTE 5,32 0,42 98,112 58,87 16,12 3,85 7,10 0,56 130,82 78,49 21,49 5,14 3,55 0,28 65,40 39,24 10,75 2,57 0,71 0,06 13,08 7,85 2,15 0,51 3,55 0,28 65,40 39,24 10,75 2,57 64,21 - 36,14 196,65 74,41 - 26,63 2,10 490,56 294,33 80,59 19,27 26,63 2,10 490,56 294,33 80,59 19,27 26,63 2,10 490,56 294,33 80,59 19,27 26,63 2,10 490,56 294,33 80,59 19,27 26,63 2,10 490,56 294,33 80,59 19,27 26,63 2,10 490,56 294,33 80,59 19,27 70,62 - 19,84 108,00 40,86 - CHIMENEA CALDERA 103-BB OLEFINAS I CHIMENEA CALDERA 103 BA CHIMENEA CALDERA 201-BH CHIMENEA CALDERA 104-B CHIMENEA CALDERA 101-BB MECHURRIO F-8801B HORNO 1 HORNO 2 HORNO 3 OLEFINAS HORNO 4 II HORNO 5 HORNO 6 MECHURRIO F-8801A Tabla 37. Tasas de emisión estimadas de las Empresas Mixtas del CPAMC. DATOS DE PLANTA PLANTA FUENTE TASAS DE EMISIÓN TON /AÑO PM SO2 NOX CO CH4 COV PROPILVEN POLINTER ALTA MECHURRIO F-2301 CALDERA H-920A MECHURRIO Z-950 VAPORIZADOR AX POLINTER VAPORIZADOR BX LINEAL MECHURRIO Z HORNO S-502A POLINTER BAJA HORNO S-502C HORNO S-502D HORNO F-501 VENOCO MECHURRIO F-801 CALDERA 6B-201 ESTIZULIA HORNO H-102 HORNO H-101 8,84 - 1,73 9,42 3,57 - 0,086 0,01 1,58 0,95 0,26 0,06 0,081 - 0,45 2,50 0,94 - 0,24 0,02 4,35 2,61 0,71 0,17 0,25 0,02 4,67 2,80 0,77 0,18 - - 0,45 2,49 0,94 - 0,05 4,02 0,68 0,14 0,0015 0,0057 0,089 0,07 1,63 0,98 0,26 0,064 0,089 0,07 1,63 0,98 0,26 0,064 0,012 0,00009 0,02 0,013 0,003 0,0008 13,58 - 76,57 416,66 157,65 13,58 0,0004 0,000003 0,0007 0,0004 0,00013 0.00003 0,00013 0.00001 0,0023 0,014 0,0038 0,00009 0,00003 0,000002 0,0006 0,0003 0,00009 0,00002 Los valores totales de las tasas de emisión por planta y por poluente se pueden observar en la Tabla 37; de las 14 instalaciones visitadas las que presentaron un aporte de emisiones estimadas mayores a 200 toneladas por año fueron Planta Eléctrica, Área 45, Amoníaco, Venoco, Olefinas I, Olefinas II y Urea. El mayor aporte de emisiones a la atmosfera estimado corresponde a la Planta Eléctrica con 8631,02 ton/año, seguido de Olefinas II con 5720 ton/año, Amoníaco y Área 90 con 1238,14 ton/año, Olefinas I con 1029,52 ton/año, Área 45 con 869,24 ton/año, Venoco con 727,51 ton/año y Urea con 219,08 ton/año. En total el CPAMC hace un aporte promedio al año de 19598,83 ton/año, donde el mayor potencial de emisión es de NOx con 7778, 31 ton/año (Tabla 38). Las fuentes fijas estacionarias de mayor potencial de emisión están expresadas en la Tabla 39, se agruparon de las plantas que presentan las más altas tasas de emisiones. Se observan que los valores son mayores para las Calderas C3 y C14; si éstas consumieran todo el año fuel-oil como combustible, sin embargo es necesario seleccionarlas ya que representan el mayor aporte de SO2 en el CPAMC. De las Fuentes que consumen Gas Natural se destacan el Horno 1 (también del 2 al 6) de Olefinas II con 913,48 ton/año así como el mechurrio F-801 de Venoco con 681,04 ton/año (Tabla 37). Las emisiones totales identificadas en la Tabla 39 fueron como valores de la variable tasa de emisión en la ecuación 1.11 permitiendo establecer las máximas concentraciones en el CPAMC a través del modelo de dispersión Gaussiano de Turner (Capítulo I). Tabla 38. Estimación de emisiones totales por planta en toneladas por año PLANTA PLANTA ELECTRICA PM SO2 NOX CO CH4 COV NH3 Total 164,19 3448,36 3181,39 1415,39 307,97 113,31 - 8631,02 25,35 2,00 466,8 280,08 76,68 18,33 - 869,24 36,09 2,85 664,90 398,94 109,23 26,12 - 1238,14 8,85 - 1,73 9,42 3,57 - 23,57 1,89 0,15 34,82 21,21 5,71 - 65,15 ÄREA 45 AMONIACO Y AREA 90 PROPILVEN 1,37 MVC II-PVC II 0,17 0,0070 1,64 1,24 0,37 0,062 - 3,48 0,48 0,039 9,48 7,91 2,42 0,35 - 20,70 0,23 4,035 3,95 2,10 0,54 0,13 - 10,99 76,57 0,0001 76,59 416,67 157,66 0,0008 - 727,51 84,45 1,60 372,81 420,35 135,66 14,64 - 1029,52 230,40 12,61 3141,43 2843,70 891,32 115,63 - 5720,30 0,48 0,027 0,73 3,86 1,0587 0,25 - 6,42 0,0002 0,00001 0,0036 0,0001 0,0006 0,0001 - 0,0047 207,36 - 0,22 1,21 0,46 - 9,82 219,08 0,14 - 0,003 0,02 0,006 - - 0,17 836,70 3471,68 7778,31 4852,85 1325,75 290,21 9,82 19598,83 POLINTER ALTA POLINTER LINEAL POLINTER BAJA VENOCO OLEFINAS I OLEFINAS II LGN II ESTIZULIA UREA PPE Totales Tabla 39. Identificación de las fuentes con mayor valor potencial de emisión. POLUENTE (TON/AÑO) PLANTA FUENTE PM SO2 NOX CO CH4 COV TOTAL 15,68 1,23 288,97 173,39 47,47 11,35 364,7 CHIMENEA C3 CALDERA C3 (FUEL OIL) 28,53 2020,84 342,35 71,32 0,74 2,85 2466,63 CHIMENEA C14 CALDERA C14 (FUEL OIL) 19,53 1383,47 234,38 48,83 0,51 1,95 1688,67 PLANTA ELECTRICA PLANTA CHIMENEA C3 CALDERA C3 ELECTRICA PLANTA ELECTRICA CHIMENEA C9 CALDERA C9 8,45 0,67 155,60 93,36 25,56 6,11 289,75 7,59 0,60 139,83 83,89 22,97 5,49 260,34 64,21 - 36,14 196,65 74,41 - 396,86 26,63 2,10 490,56 294,33 80,59 19,27 913,48 70,62 - 19,84 108,00 40,86 - 239,02 13,58 - 76,57 416,66 157,65 13,58 ÁREA 45 AMONÍACO Y CHIMENEA SK3A HORNO H1A ÁREA 90 OLEFINAS I MECHURRIO F-8801B OLEFINAS II HORNO 1 MECHURRIO OLEFINAS II F-8801A MECHURRIO VENOCO F-801 681,04 196,41 UREA - - - 240,46a TORRE PRILL 42AT a: A este valor se suma los 44,45 ton/año que aporta el gas amoníaco. 4.3 Estimación de la Concentración de Gases y Material Particulado En la Figura 16 se presenta la concentración de SO2 en las direcciones preferenciales de los vientos en función de la estabilidad atmosférica para la caldera C3 de la planta eléctrica, los valores máximos de 1100 µg/m 3 se alcanzan con estabilidad atmosférica C en la dirección ENE a una distancia de 200 m, para estabilidad atmosférica B en la dirección SO y SE se obtienen resultados similares con valores máximos 920 µg/m3 a la misma distancia de las estabilidad C y de 700 µg/m3 cuando la estabilidad atmosférica es D en dirección NE en una distancia de 550 m, las máximas concentraciones a mayor distancia se alcanza con la estabilidad atmosférica D y a menores distancia con estabilidad B y C, las concentraciones de SO2 disminuyen hasta su dispersión a partir de 4 Km. Figura 16. Concentración de SO2 como función de la distancia debajo de la fuente caldera C3 Planta Eléctrica, combustible Fuel-Oil. En la Figura 17 se presenta la concentración de SO2 en las direcciones preferenciales de los vientos en función de la estabilidad atmosférica para la caldera C14 de la planta eléctrica, los valores máximos de 1000 µg/m 3 se alcanzan con estabilidad atmosférica C en la dirección ENE a una distancia de 200 m, para estabilidad atmosférica B en la dirección SO y SE se obtienen resultados similares con valores máximos 730 µg/m3 a la misma distancia de las estabilidad C y de 640 µg/m3 cuando la estabilidad atmosférica es D en dirección NE en una distancia de 550 m. Figura 17. Concentración de SO2 como función de la distancia debajo de la fuente, Caldera C14, Planta Eléctrica. En la Figura 18 se observa que cuando las fuentes consumen gas natural los valores de la concentración no alcanzan 1 µg/m3, los valores máximos están en el intervalo de distancia de 100 m distancia de 2 km se dispersa completamente. a 300 m y a la Figura 18. Concentración SO2 como función de la distancia debajo de la fuente, estabilidad C, caldera C3 Planta Eléctrica (gas natural), Chimenea SK-3A de Amoníaco y Horno H1 de Olefinas II. En la Figura 19 se observa la proyección de las concentraciones de SO2 en un mapa satelital del CPAMC, las mayores concentraciones se agrupan en las zonas cercanas a las fuentes de la Planta Eléctrica. Figura 19. Concentraciones de SO2 en el CPAMC. En la figura 20 cabe destacar la gran diferencia de concentración de partículas totales suspendidas entre la torre Prill 42 AT42 y las otras fuentes seleccionadas, los valores máximos sobrepasan los 120 µg/m3, valor más cercano lo tiene el mechurrio de Olefinas II, F-8801A con 12 µg/m3 estas diferencias son por las variantes entre los procesos de producción de fertilizantes agrícolas y combustión. Figura 20. Concentración de PTS (PM) en función de la distancia debajo de la fuente, estabilidad C. En la Figura 21 se observa que para la torre Prill 42AT2 los valores máximos son de 125 µg/m3 y los alcanza en la estabilidad C a una distancia de 200 m y a la misma distancia alcanza valores de 116 µg/m3 para estabilidad B, las concentraciones máximas de 56 µg/m3 distancia se localizan a 600 m con estabilidad atmosférica D. con mayor Figura 21. Concentración de PTS en función de la distancia debajo de la fuente, torre Prill 42AT2 En la Figura 22 se observa la proyección de las concentraciones de PTS en el mapa del CPAMC, las mayores concentraciones se agrupan en las zonas cercanas a las fuentes de Urea, Planta eléctrica y Olefinas I y II. Figura 22. Concentración de PTS en el CPAMC En la Figura 23 se presenta la concentración de NO2 (NOx) en las direcciones preferenciales de los vientos en función de la estabilidad atmosférica para la caldera C3 de la planta eléctrica, cabe destacar que a la hora de realizar gráficos y proyecciones cartográficas , las concentraciones NOx , CO ,CH4, y COV tendrán las mismas zonas de máximas y mínimas concentraciones debido a su proporcionalidad en los procesos de combustión, de esta manera las concentración de NOx se tomará como referencia al graficar los poluentes restantes ( excepto el amoníaco, los valores máximos de 160 µg/m3 se alcanzan con estabilidad atmosférica C en la dirección ENE a una distancia de 200 m, para estabilidad atmosférica B en la dirección SO y SE se obtienen resultados similares con valores máximos 133 µg/m3 a la misma distancia de las estabilidad C y de 100 µg/m3 cuando la estabilidad atmosférica es D en dirección NE en una distancia de 550 m, las máximas concentraciones a mayor distancia se alcanza con la estabilidad atmosférica D y a menores distancia con estabilidad B y C, las concentraciones de NO2 disminuyen hasta su dispersión a partir de 5 Km. Figura 23. Concentración de NO2 en función de la distancia debajo de la fuente, Caldera C3 de la Planta Eléctrica En la Figura 24 se observa la concentración de NO2 (NOx) en las direcciones preferenciales de los vientos en función de la estabilidad atmosférica para la caldera C9 del Área 45 ,los valores máximos de 180 µg/m3 se alcanzan con estabilidad atmosférica C en la dirección ENE a una distancia de 200 m, para estabilidad atmosférica B en la dirección SO y SE se obtienen resultados similares con valores máximos 165 µg/m3 a la misma distancia de las estabilidad C y de 135 µg/m3 cuando la estabilidad atmosférica es D en dirección NE en una distancia de 300 m, las máximas concentraciones a mayor distancia se alcanza con la estabilidad atmosférica D y a menores distancia con estabilidad B y C, las concentraciones de NO 2 disminuyen hasta su dispersión a partir de 3 Km. Figura 24. Concentración de NO2 en función de la distancia debajo de la fuente, Caldera C9 del Área 45. En la Figura 25 se muestra la concentración de NO2 (NOx) en las direcciones preferenciales de los vientos en función de la estabilidad atmosférica para la chimenea SK-3A de la planta de amoníaco, los valores máximos de 200 µg/m3 se alcanzan con estabilidad atmosférica C en la dirección ENE a una distancia de 120 m, para estabilidad atmosférica B en la dirección SO y SE se obtienen resultados similares con valores máximos 180 µg/m3 a la misma distancia de las estabilidad C y de 107 µg/m3 cuando la estabilidad atmosférica es D en dirección NE en una distancia de 300 m, las concentraciones de NO2 disminuyen hasta su dispersión a partir de 3,5 Km. Figura 25. Concentración de NO2 en función de la distancia debajo de la fuente chimenea SK-3A-B Amoníaco En la Figura 26 se muestra la concentración de NO2 (NOx) en las direcciones preferenciales de los vientos en función de la estabilidad atmosférica para el horno 1 de la planta de Olefinas II, los valores máximos de 310 µg/m3 se alcanzan con estabilidad atmosférica C en la dirección ENE a una distancia de 200 m, para estabilidad atmosférica B en la dirección SO y SE obteniéndose resultados similares con valores máximos 235 µg/m 3 a la misma distancia de las estabilidad C y de 225 µg/m3 cuando la estabilidad atmosférica es D en dirección NE en una distancia de 600 m, las concentraciones de NO2 disminuyen hasta su dispersión a partir de 3 Km. Figura 26. Concentración de NO2 en función de la distancia debajo de la fuente, Horno 1 Olefinas II. En la Figura 27 se observa una disminución de los valores máximos de NO2 (NOx) para el mechurrio f8801 -B de Olefinas I, esto se debe a su tasa de emisión de NO2 y por la gran altura de esta fuente 102m valores máximos son cercanos a 30 µg/m3 y (anexo 2) los se alcanzan para estabilidad C dirección ENE, en este caso se nota una mayor diferencia de concentración entre las direcciones del viento SO y SE para la estabilidad B, y para la estabilidad D-NE las máximas concentraciones se alcanzan a partir de 1 km y disminuyen drásticamente a partir de 3 km. Figura 27. Concentración de NO2 en función de la distancia debajo de la fuente, F8801-B Olefinas I. En la Figura 28 se observa una mayor disminución de los valores máximos de NO2 (NOx) para el mechurrio F801 de Venoco, esto se debe a su tasa de emisión de NO2 los valores máximos son cercanos a 13 µg/m3 y se alcanzan para estabilidad C dirección ENE, en este caso no se nota diferencia de concentración entre las direcciones del viento SO y SE para la estabilidad B, y para la estabilidad D-NE las máximas concentraciones se alcanzan a partir de 1 km y disminuyen drásticamente a partir de 2,5 km. Figura 28. Concentración de NO2 en función de la distancia debajo de la fuente, mechurrio F801 Venoco. En la Figura 29 se observa se observa la proyección de las concentraciones de NO2 en el mapa del CPAMC, las mayores concentraciones están distribuidas en las zonas cercanas a las fuentes de Amoníaco, Planta eléctrica, área 45 y Olefinas I y II. Las concentraciones de COV, CH 4 y CO señalarían las mismas zonas de mayores concentraciones. Figura 29. Concentraciones de NO2 en el CPAMC. En la figura 30 se presenta la concentración de NH3 en las direcciones preferenciales de los vientos en función de la estabilidad atmosférica para la Torre Prill 42AT2 de la planta de Urea, los valores máximos de 28 µg/m 3 se alcanzan con estabilidad atmosférica C en la dirección ENE a una distancia de 200 m, para estabilidad atmosférica B en la dirección SO y SE, obteniéndose resultados similares con valores máximos 26 µg/m3 a la misma distancia de las estabilidad C y de 13 µg/m3 cuando la estabilidad atmosférica es D en dirección NE en una distancia de 500 m, las concentraciones de NH3 disminuyen hasta su dispersión a partir de 2 Km. Figura 30. Concentración de Amoníaco en función de la distancia debajo de la fuente Torre Prill 42AT2 En la proyección de las concentraciones de NH3 en el CPAMC, las mayores concentraciones están mapa del distribuidas en las zonas cercanas a las fuentes de Urea, Amoníaco y Planta Eléctrica (Figura 31). Figura 31. Concentraciones de NH3 en el CPAMC. En la figura 32 se observan todas las zonas de altas concentraciones interceptadas con el cruce de todos los poluentes y en la figura 33 se observan las zonas de mayor impacto teniendo como principales Zonas los alrededores de Amoníaco, Urea , Planta Eléctrica, Área 45, y Olefinas I y II. Figura 32. Zonas de intercepción de concentraciones del CPAMC Figura 33. Zonas de mayor impacto del CPAMC. En la figura 34 se presenta los Poblados más cercanos al CPAMC donde se señalan los 4 poblados más cercanos en las principales direcciones del viento, donde cabe destacar que el poblado 1 está a 8,6 Km en la dirección NE, el poblado 2 a 9,3 km dirección ENE, el poblado 3 a 4,2 km dirección SE y el poblado 4 a 4,7 km dirección SO. Figura 34. Poblados Cercanos al CPAMC En la figura 35 se observa que para las condiciones máximas de operación las concentraciones del poblado 1 ( 9,3 km) alcanza los 4 µg/m3 para SO2 , y menos de 1 µg/m3 para del NO2, PM y NH3. Figura 35. Concentraciones máximas en función de la distancia debajo de la fuente dirección ENE En la figura 36 se observa que para las condiciones máximas de operación las concentraciones del poblado 2 ( 8,6 km) alcanza los 6,3 µg/m3 para SO2 ,1,8 µg/m3 para el NO2 y menos de 1 µg/m3 para del, PM y NH3. Figura 36. Concentraciones máximas en función de la distancia debajo de la fuente dirección NE En la figura 37 se observa que para las condiciones máximas de operación las concentraciones del poblado 3 ( 4,2 km) alcanza los 3,5 µg/m3 para SO2 , y menos de 1 µg/m3 para del, PM, NO2 y NH3. Figura 37. Concentraciones máximas en función de la distancia debajo de la fuente dirección SE En la figura 38 se observa que para las condiciones máximas de operación las concentraciones del poblado 4 ( 4,7 km) alcanza los 3,15 µg/m3 para SO2 , y menos de 1 µg/m3 para del, PM, NO2 y NH3. Figura 38. Concentraciones máximas en función de la distancia debajo de la fuente dirección SO 4.4. Determinación del número de estaciones Para determinar el número de estaciones de la RMCA se tomaron los criterios de mayores concentraciones de CETESB (tabla 17) y las recomendaciones mostradas en la sección 2.1.2, la tabla 43 resalta las concentraciones máximas registradas a través del modelo de dispersión de Turner y el número mínimo de estaciones, estos requerimientos se aplicarán para población <105 hab. Determinándose un valor promedio es 2,33 y se aproxima a 2 el número mínimo de estaciones viento abajo. Tabla 40. Determinación del número de estaciones Poluente Concentración Número mínimo de Máxima estaciones vientos abajo (µ/m3) SO2 1100 3 PTS 120 1 NO2 310 3 NH3 26 No Aplica Promedio 2,33 Según las recomendaciones de la sección 2.1.2.4, se tiene que sumar una estación de fondo (vientos arriba). Por lo tanto: N= 2 estaciones + 1 estación de fondo = 3 estaciones. Según las recomendaciones de la sección 2.1.2.5, se incluye una estación en la ciudad con mayor densidad de población cercana al área de influencia del complejo. 4.5 Distribución y ubicación de las estaciones. Las estaciones se ubicarán en las zonas de mayor impacto de concentraciones resultantes del modelo de dispersión y en la población con mayor densidad ubicada vientos abajo, la Figura 35 muestra las poblaciones más cercanas a CPAMC y la distancia según la dirección del viento, las regiones de mayor densidad de población son el poblado 1 se encuentra a 8,6 km en dirección NE, el poblado 2 se encuentra a 9,3 km en dirección ENE. En la Figura 39 se muestran los sitios propuestos por el personal del CPAMC según los requerimientos de macrolocalización para la distribución de las estaciones. Figura 39. Puntos propuestos de la RMCA vientos abajo En la Figura 40 Se observan los 4 sitios propuestos por el personal de seguridad del CPAMC para la ubicación de la estaciones vientos arriba, se compara la ubicación de los puntos con la Rosa de los vientos, el Punto F (Embalse de Hidrolago) presenta mayor correspondencia con la dirección vientos arriba, en la Figura 41 se muestran los sitios propuestos para el poblado más cercano ubicado vientos abajo. Figura 40. Puntos propuestos de la RMCA vientos arriba En la Figura 42 se observan todos los sitios de ubicación de estaciones propuestos interceptados con las zonas de mayor impacto, el puntos A (Palmichal 1) y el punto E (Casita de PVC) tienen la mayor correspondencia con las zonas de mayor impacto de concentraciones. Figura 41. Sitios propuestos en el poblado vientos abajo. Figura 42. Puntos propuestos interceptados con las zonas de mayor impacto Tomando en cuenta todos los requerimientos anteriores se diseña la red de monitoreo con las siguientes estaciones (Tabla41): Tabla 41. Puntos de la RMCA del CPAMC Punto Descripción Coordenadas Características Zona A Palmichal 1 10.749246-71.535330 Casita PVC F 10.765773, -71.538033 Hidrolago 10.768767, -71.518378 Muelle 10.669820, -71.588580 para dirección NE, ENE, NNE,E de alto vientos impacto abajo para dirección SE y ESE vientos abajo para dirección SO Población 1 impacto abajo Estación Embalse de alto vientos Zona E de con alta densidad vientos abajo La figura 43 muestra los 3 puntos para la RMCA dentro del CPAMC, se observa los puntos A, E y F ya seleccionados. En La figura 44 se observa la Red de Monitoreo de calidad de Aire para el Complejo seleccionadas. Petroquímico Ana María campos con las 4 estaciones Figura 43. Puntos de la RMCA dentro del CPAMC Figura 44. Ubicación de la Red de Monitoreo dentro del CPAMC 4.6 Requerimientos técnicos y administrativos Los requerimientos técnicos y administrativos son tomados de diversos protocolos y manuales de calidad de aire internacionales tales como el de Ministerio de Ambiente, Vivienda y Desarrollo Territorial y del Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios ambientales de Colombia. 4.6.1. Costos de inversión inicial En la Tabla 42 se presentan los costos estimados de inversión inicial según el tipo de tecnología en dólares de Estados Unidos. Tabla 42. Costos de inversión inicial según tipo de tecnología Fuente (Información de fabricantes de las tecnologías disponibles) 4.6.2 Instalación de las estaciones. La instalación de las estaciones comprende costos de terrenos y su adecuación, la compra e instalación de los equipos de medición, etc. El terreno del sitio seleccionado, puede ser comprado, arrendado o en algunos casos usado sin costo alguno. La adecuación del sitio incluye el acceso, la seguridad y la electricidad. Puede ser posible que se requiera, una nivelación del terreno y la construcción de una plataforma para colocar la cabina (shelter) donde se protegerán los equipos, puede necesitarse además una vía de acceso y definitivamente será necesario tener en cuenta la acometida eléctrica para alimentar los equipos eléctricos, la línea telefónica para transmitir los datos, el cercado y la iluminación para prevenir en alguna medida robos y vandalismo. Después de preparar el sitio se debe transportar e instalar la cabina o shelter y los equipos, estos últimos se calibran en condiciones de operación, y deben preparase para la medición rutinaria. Los gastos en materiales consumibles, servicios, y personal son por lo general costos en los que se incurrirá solo una vez y se amortizaran en el tiempo de vida útil de la estación. se establece una vida útil de 5 anos para las estaciones. Los costos totales de instalación de una estación pueden llegar a ser muy significativos, sin embargo pueden reducirse si se buscan sitios de fácil acceso y con buenas condiciones de seguridad, cercanos a redes eléctricas y telefónicas, y cuyo uso no implique costo alguno para el RMCA (como predios de universidades, colegios, entes estatales, parques públicos). La cerca o malla de seguridad, debe tener de 2 a 3 metros de altura y debe llevar alambre o cerca eléctrica en el tope. Debe tener una puerta con sistema de seguridad y ser de dimensiones suficientes para permitir sacar la cabina sin necesidad de levantarla por encima de la cerca. Deben instalarse también lámparas de seguridad, que enciendan automáticamente al atardecer y se apaguen al amanecer, si es necesario. Los costos totales de adecuación del sitio e instalación de una estación, incluyendo acceso, electricidad y seguridad podrán variar ampliamente si el sitio es un área urbana de acceso disponible o si corresponde a un sitio rural, que requiere de adecuación de acceso y del sitio). No se incluyen los costos de arriendo o compra de terrenos, ya que dependen de las condiciones locales al momento de la selección del sitio de medición. En el monitoreo se incluye la operación y los desplazamientos necesarios para el servicio periódico en campo a cada estación, sus equipos, además de los consumibles, repuestos y energía que estos demandan. El servicio en campo consiste en las operaciones de rutina de mantenimiento preventivo que pueden ser realizadas por un técnico. Las tareas de mantenimiento correctivo y preventivo que involucran un mayor conocimiento técnico se deben considerar en el rubro de mantenimiento. Los costos de las calibraciones de rutina y chequeos del desempeño de los equipos se consideraran en el rubro de control y aseguramiento de calidad. Los costos de monitoreo dependen de las técnicas de medición, del sistema de medición utilizado y de las distancias que se deben recorrer para visitar las estaciones. Los diferentes sistemas de medición requieren diferentes servicios, diferentes medios de muestreo y consumibles. Por ejemplo, los sistemas automáticos de medición de ozono, dióxido de azufre y dióxido de nitrógeno, no requieren medios de muestreo, pero necesitan el cambio periódico de los filtros para funcionar adecuadamente. Dependiendo de la complejidad del RMCA y de las características de la localidad específica, los costos que deben tenerse en cuenta adicionales a los costos de personal son: energía de estaciones, comunicaciones (teléfono e internet), mantenimiento preventivo de equipos e infraestructura, combustible del vehículo, gastos de oficina (papelería, tintas), imprevistos, pesaje de filtros, análisis de soluciones o medios de muestreo (pasivos), costos de repuestos y consumibles. 4.6.3 Análisis Los analizadores automáticos no requieren análisis en laboratorio pero es recomendable para una RMCA automático incluir en este rubro el costo, de capital y de operación, de un laboratorio de referencia, donde reposan los equipos utilizados para verificar las mediciones y el desempeño de los demás equipos del RMCA. 4.6.4 Mantenimiento Los costos de mantenimiento de los equipos están representados por el valor de las operaciones rutinarias de mantenimiento preventivo y correctivo del equipo de medición. Las actividades específicas de mantenimiento dependen del sistema de medición implementado. El rubro incluye mano de obra, desplazamiento, equipos, repuestos y consumibles. El mantenimiento debe ser realizado por un técnico. Después de ser reparado un analizador o muestreado debe ser recalibrado, estos resultados deben ser incluidos en el rubro de mantenimiento. 4.6.5 Aseguramiento de Calidad El aseguramiento de calidad (AC) es un programa diseñado para alcanzar los objetivos de calidad de datos y certificar que los datos recopilados por el sistema de medición tienen una calidad conocida. El control de calidad (CC) es un conjunto de pruebas y procedimientos rutinarios diseñados para implementar un programa de aseguramiento de calidad. Un programa de AC implica el planeamiento de actividades, la implementación de procedimientos y la realización de pruebas para realizar un apropiado CC de datos y documentos. Este programa es un requerimiento en toda actividad de medición de calidad del aire. 4.6.6 Recurso Humano. El personal involucrado en las diferentes actividades que se llevan a cabo en una RMCA, es en general multidisciplinario. En las diferentes etapas que implica el diseño de un RMCA, se involucran ingenieros de diversas ramas, meteorólogos, químicos, operarios electromecánicos, entre otros. La RMCA debe tener Profesional experimentado responsable por administrar la totalidad del programa de vigilancia y establecer las políticas para cumplir las regulaciones relevantes. Esta persona deberá también revisar el trabajo de los demás operadores de LA RMCA. Coordinará las actividades con las demás instituciones involucradas en el programa de vigilancia. Se recomienda que este profesional tenga una especialización, maestría o doctorado en un campo ambiental. CONCLUSIONES Del análisis de los resultados sobre el diseño de la Red de Monitoreo de de Calidad de Aire para un Complejo Petroquímico se derivan las siguientes conclusiones: i) El microclima existente en la región del Complejo Petroquímico es influenciada por los vientos alisios y por la topografía de la zona, generando una distribución significativa en las direcciones del viento sobre períodos de tiempo. ii) La velocidad del viento tiene variaciones significativa durante las 24 horas del día con mayores valores entre las horas 15 a 20 , y en los meses de Enero a Marzo con los siguientes rangos: iii) Tiempo Rango, velocidad Hora 1-8 7 -12 km/h Hora 9-14 8-17 km/h Hora 15-20 17-20 km/h Hora 21-24 7-18 km/h Enero –Marzo 17-20 km/h Abril –Julio 8-18 km/h Agosto –Diciembre 7-9 km/h La dirección del viento exhibe una distribución significativa durante las 24 horas del día y más estratificada , en el período de Mayo a Octubre , con los siguientes valores característicos para la zona: Tiempo Rango, Dirección Enero-Abril ENE-NE Mayo-Octubre ENE-NE-SO-SE-ESE Noviembre-Diciembre ENE-NNE-E iv) La Hora 1-5 ENE Hora 6-9 ENE-SE-E-ESE Hora 10-16 SO-NNE-NE-SE Hora 17-24 NE-ENE caracterización y modelación meteorológica fue posible mediante el uso exhaustivo de la data local y regional disponible (micro y mesometeorología). Ello permitió optimizar la predicción de las direcciones más relevantes de la dispersión de los principales poluentes asociados al complejo petroquímico, conjuntamente con la estimación del (los) tipos(s) de estabilidad predominante(s). v) Los factores de emisión se presentan como un instrumento útil en los casos en los cuales tanto la información disponible como el tiempo y los recursos técnicos y económicos son limitados vi) El Complejo Petroquímico Ana María Campos genera una cantidad importante de emisiones, así: Planta Emisiones (ton/año) Planta Generadora de Electricidad 8631,02 Olefinas II 5720,30 Amoníaco 1238,14 Olefinas I 1029,52 Área 45 (CTA) 869,24 Venoco 727,51 Urea 219,08 MVC II –PVC II 65,15 Propilven 23,57 Polinter Lineal 20,70 Polinter Baja 10,99 LGN II 6,42 Polinter Alta 3,48 PPE 0,17 Estizulia 0,05 vii) El mayor aporte de emisiones a la atmosfera corresponde a la Planta generadora de electricidad, con los siguientes valores promedio: SO2: 3448,36 ton/año NOx: 3181,39 ton año CO: 1415,39 ton/año CH4: PTS COV: viii) 307,97 ton/año 165,19 ton/año 113,31 ton/año El menor aporte de emisiones a la atmósfera corresponde a la planta de Estireno del Zulia, con los siguientes valores promedio: SO2: 0,0001 ton/año NOx: 0,0036 ton año CO: 0,0001 ton/año CH4: 0,0006 ton/año PTS: 0,0002 ton/año COV: 0,0001 ton/año ix) La estimación de las tasas de emisiones por intermedio de la metodología AP 42 de la Enviromental Protection Agency reporta valores acoplados a las condiciones operacionales de las diferentes plantas petroquímicas. x) El modelo de dispersión atmosférica de Turner aplicado a las plantas generadoras de emisiones en el Complejo petroquímico Ana María Campos permite la selección de cuatro estaciones como puntos de muestreo bajo los criterios de La Compañía de Tecnología de Saneamiento Ambiental de Brasil. xi) Las estaciones de muestreo seleccionadas en los puntos cardinales para el monitoreo de las emisiones generadas por el complejo Petroquímico Ana María Campos, resultarán: Estación/punto cardinal Palmichal 1 / SO 10.749246- 71.535330 Casita PVC / NO 10.765773, -71.538033 Embalse de Hidrolago/ENE Muelle/ SO xii) ubicación geodésica 10.768767, -71.518378 10.669820, -71.588580 Los resultados de la dispersión de las emisiones generadas por las diferentes plantas del complejo petroquímico por el modelo de dispersión de Turner , mostrarían: 1) Las mayores concentraciones hacia el área de influencia de las fuentes, 2) La altura de la fuente ejerce para influencia en la dispersión , 3) Las condiciones meteorológicas diferenciadas contribuyen a una buena dispersión de las emisiones. xiii) Puede concluirse que fue alcanzada una selección ajustada y razonable de los posibles sitios para el monitoreo de la calidad del área de influencia del complejo petroquímico. xiv) Debido a que la red de monitoreo depende de múltiples factores, solo límites generales con respecto al requerimiento técnico, administrativo y humano son establecidos en este trabajo; para una planificación económicos y detallada concurso de se hace personal indispensable con estudios experticia establecer la logística de implementación de la red. para RECOMENDACIONES Implementar la red de monitoreo con los puntos recomendados en este trabajo. Adquirir Sistema de Seguridad eficaz para la Red de Monitoreo de Calidad de Aire del Complejo Petroquímico Ana María Campos. Asignar recurso humano capacitado para la administración y operación de la Red de Monitoreo de Calidad de Aire Se recomienda asignar un Coordinador con dedicación exclusiva para la Red de Monitoreo de Calidad de Aire. Realizar estimación de emisiones por otros métodos y comprobar su calidad. Instalar en el Complejo Petroquímico Ana María Campos con software actualizado que apliquen programas modelos de dispersión atmosférica para comparar los valores reales de la Red de Monitoreo de Calidad de Aire con los estimados en el programa. Mayor disposición y veracidad por parte del personal del Complejo Petroquímico Ana María Campos a la hora de suministrar datos de las plantas en las encuestas industriales para futuros estudios e investigaciones. Implementar en el Complejo Petroquímico Ana María Campos un programa definitivo de monitoreo de calidad de aire Establecer campañas de monitoreo para que el Complejo Petroquímico Ana María Campos se integre por completo a la Nueva Red Nacional de Calidad de Aire. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS Arya S. (1995). Air pollution meteorology and dispersion, Oxford University Press, New York. Borne, N.E. Lundergan R.J. (1983). Overview, results and conclusions for the EPRI plume model validation and development Project: planes site. EPRI report No EA -3074, project 161-1, final report, electric Power Research I, Ca.USA. Brasseur et al (1999) Atmospheric Chemistry and Global Changed. Edits G.P. Brasseur, JJ Orlando y GS Tyndal, Oxford University Press, New York. Briggs G. A., (1971). Some recent analyses of plume rise observations, Proceeding of The Second International Clear Air Congress. Englund H. M. and BARRY W. T.Editors Academic Press, New York, pp. 1029-1032. Canelón R. (2007). 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