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UniversidadedoEstadodoRiodeJaneiro
CentrodeTecnologiaeCiências
InstitutodeQuímica
CesarMarceloCajazeiraVidal
DescriçãodaMetodologiadoCálculodeDispersãodePlumas
AplicadaaumComplexoIndustrial
RiodeJaneiro
2008
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CesarMarceloCajazeiraVidal
DescriçãodaMetodologiadoCálculodeDispersãodePlumas
AplicadaaumComplexoIndustrial
Dissertaçãoapresentadacomorequisito
parcial para a obtenção do título de
mestre,aoProgramadePósGraduação
emQuímica,daUniversidadedoEstado
do Rio de Janeiro. Área de
concentração:QuímicaAmbiental
Orientador:Prof.SérgioMachadoCorrêa
RiodeJaneiro
2008
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CATALOGAÇÃO NA FONTE
UERJ/REDE SIRIUS/CTC/Q
Autorizo, apenas para fins acadêmicos e científicos, a reprodução total ou parcial desta
dissertação.
____________________________________ _____________________
Assinatura Data
V648 Vidal, César Marcelo Cajazeira.
Descrição da metodologia do cálculo de dispersão de
plumas aplicada a um complexo industrial. / César Marcelo
Cajazeira Vidal. – 2008.
91 f.
Orientador: Sérgio Machado Corrêa
Dissertação (Mestrado) – Universidade do Estado do
Rio de Janeiro, Instituto de Química.
1. Ar – Poluição - Teses. 2. Simulação (Computadores)
- Teses. I. Corrêa, Sérgio Machado. II. Universidade do
Estado do Rio de Janeiro. Instituto de Química. III. Título.
CDU 61471
Cesar Marcelo Cajazeira Vidal
Descrição da Metodologia do Cálculo de Dispersão de Plumas Aplicada a
um Complexo Industrial
Dissertação apresentada como requisito
parcial para a obtenção do título de
mestre, ao Programa de Pós Graduação
em Química, da Universidade do Estado
do Rio de Janeiro. Área de
concentração: Química Ambiental
Aprovado em:___________________________
___________________________________
Prof. Dr. Sérgio Machado Corrêa (orientador)
Faculdade de Tecnologia da UERJ
___________________________________
Prof. Dr. António Filipe Falcão Montalvão
PETROBRAS
___________________________________
Profa. Dra. Mônica Regina Marques Palermo de Aguiar
Instituto de Química da UERJ
Rio de Janeiro
2008
DEDICATÓRIA
À minha esposa Andreza e aos meus filhos Ian e Larissa, que muito me
apoiaram e souberam compreender minhas ausências.
Aos meus pais Carlos e Isa pelo incentivo e apoio.
À querida Avó Teresinha e Tia Neuza, as quais devo muito pelo
incentivo e apoio.
AGRADECIMENTOS
A INB, em especial ao Coordenador Sr. Jorge Barros por me proporcionarem a
viabilidade financeira e apoio no ingresso e conclusão deste mestrado.
Ao professor, doutor e amigo Sérgio Machado Corrêa
Aos amigos da INB
Ao Centro Universitário de Volta Redonda - UniFOA
Aos Senhores Silvio de Oliveira, Luiz Palma, Leslie Molnary
RESUMO
VIDAL, César Marcelo Cajazeira. Descrição da metodologia do cálculo de dispersão de
plumas aplicada a um complexo industrial. 2008. 91 f. Dissertação (Mestrado em
Química) – Instituto de Química, Universidade do Estado do Rio de Janeiro, Rio de
Janeiro, 2008.
O cálculo de dispersão de plumas é uma ferramenta empregada para se estimar o
alcance dos poluentes emitidos por uma chaminé nas suas redondezas. É empregada nos
países desenvolvidos há alguns anos e recentemente vem sendo exigida pelas agências
ambientais brasileiras como um dos requisitos para concessão das licenças de operação.
Baseia-se em um cálculo gaussiano, onde os dados de entrada são as taxas de emissão, os
dados físicos da chaminé, dados meteorológicos e topográficos. Como é uma técnica
recente no Brasil, este trabalho se propõe a fazer uma descrição da metodologia e suas
etapas, indicando quais são os dados mais relevantes e quais simplificações podem ser
feitas. O estudo de caso foi realizado nas instalações das Indústrias Nucleares do Brasil
(INB). Os resultados indicaram que a influência de edificações adjacentes à fonte emissora
é um dos parâmetros mais importantes, seguido da influência do relevo da região. Foi
também realizada uma comparação entre os dois softwares comerciais existentes, o
ISCST3, de maior complexidade, e o SCREEN mais simplificado, e indicou que o
SCREEN pode ser usado como uma ferramenta de avaliação inicial, quando todos os dados
de entrada necessários para se usar o ISCST3 não estão disponíveis.
Palavras-chave: Atmosfera, Modelagem, Dispersão, Plumas.
ABSTRACT
The plume dispersion modeling is a tool used to estimate the pollutants distribution
in the vicinities of a chimney. It has been widely used in developed countries for a long
time and now is started to be used by Brazilian environmental agencies as one of the
requirements to obtain the operation license. It is based on a Gaussian modeling where
input data are the emissions rate, physical data from the stack, meteorological data, and
topographical characteristics. As this technique recently used in Brazil, this work proposes
to describe the methodology and its steps, indicating the most relevant parameters, the
possible simplifications, and details necessary. The case study was done at the site of
Indústrias Nucleares do Brasil (INB). The results indicated that the edifications near the
emission source are the most relevant parameter, followed by the topographical
characteristics. A comparison was also done between the two commercial softwares
available, the ISC3, with more details, and the SCREEN with simpler features. The results
indicated that the SCREEN software can be used as an initial evaluation tool, whenever all
input data necessary to process ICS3 are not available.
Keywords: Atmosphere, Modeling, Dispersion, Plume
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1 - Ciclo do Combustível Nuclear ............................................................................ 19
Figura 2 - Elemento Combustível Nuclear .......................................................................... 20
Figura 3 - Torre meteorológica da INB ............................................................................... 21
Figura 4 - A troposfera e suas camadas (Stull in: Álvares et al., 2002) .............................. 31
Figura 5 - Perfil do vento na CLP instável (SMHI in: Álvares et al., 2002) ....................... 32
Figura 6 - Sistema de Coordenas Cartesianas ..................................................................... 36
Figura 7 - Coeficiente de dispersão horizontal (σ
y
) (Seinfeld e Pandis, 1998) ................... 38
Figura 8 - Coeficiente de dispersão vertical (σ
z
) (Seinfeld e Pandis, 1998) ....................... 39
Figura 9 - Influência da estabilidade da atmosfera na forma da pluma (Boubel et al. In:
Moraes & Maliska, 2001) .................................................................................................... 44
Figura 10 - Dispersão esquemática da pluma ...................................................................... 44
Figura 11 - Site da INB ao centro e região .......................................................................... 51
Figura 12 - Fábrica do Elemento Combustível (FCN), Enriquecimento (FEU) de Urânio e
Pó e Pastilha (FPP), Administração (ADM) e Torre Meteorológica (TM). ........................ 52
Figura 13 - Curva de nível da região ao redor da INB ........................................................ 55
Figura 14 - Visão tridimensional da topografia ao redor da INB ........................................ 55
Figura 15 - Rosa dos Ventos ............................................................................................... 57
Figura 16 - Rosa dos Ventos por classe de estabilidade ...................................................... 58
Figura 17 - Concentração Máxima de MP para as chaminés FPP e SS, 470,9 µg m
-3
, Média
1 hora - Caso Base ............................................................................................................... 61
Figura 18 - Concentração. Máxima de MP para as chaminés FPP e SS, 537,7 µg m
-3
,
Média 1 hora (com edificações e sem relevo) ..................................................................... 62
Figura 19 - Concentração Máxima de MP para as chaminés FPP e SS, 225,1 µg m
-3
, Média
1 hora (sem edificações e com relevo) ................................................................................ 63
Figura 20 - Concentração Máxima de MP para as chaminés FPP e SS, 153,4 µg m
-3
, Média
1 hora (sem edificações e sem relevo) ................................................................................. 64
Figura 21 - Concentração Máxima de MP para a chaminé FPP, 107,3 µg m
-3
, Média 1 hora
(com edificações e com relevo) ........................................................................................... 65
Figura 22 - Concentração Máxima de MP para a chaminé SS, 470,9 µg m
-3
, Média 1hora
(com edificações e com relevo) ........................................................................................... 66
Figura 23 - Concentração Máxima de MP para a chaminé FPP, 36,5 µg m
-3
, Média 1hora
(com edificações e sem relevo) ........................................................................................... 67
Figura 24 - Concentração Máxima de MP para a chaminé SS, 537,7 µg m
-3
, Média 1hora
(com edificações e sem relevo) ........................................................................................... 68
Figura 25 - Concentração Máxima de MP para a chaminé FPP, 107,3 µg m
-3
, Média 1hora
(sem edificações e com relevo) ........................................................................................... 69
Figura 26 - Concentração Máxima de MP para a chaminé SS, 223,4 µg m
-3
, Média 1hora
(sem edificações e com relevo) ........................................................................................... 70
Figura 27 - Concentração Máxima de MP para a chaminé FPP, 16,7 µg m
-3
, Média 1hora
(sem edificações e relevo) ................................................................................................... 71
Figura 28 - Concentração Máxima de MP para a chaminé SS, 148,4 µg m
-3
, Média 1hora
(sem edificações e relevo) ................................................................................................... 72
Figura 29 - Concentração Máxima de MP para as chaminés FPP e SS, 470,9 µg m
-3
, Média
1 hora - Caso Base ............................................................................................................... 77
Figura 30 - Concentração Máxima de MP para as chaminés FPP e SS, 236,0 µg m
-3
, Média
3 horas ................................................................................................................................. 78
Figura 31 - Concentração Máxima de MP para as chaminés FPP e SS, 96,1 µg m
-3
, Média
12 horas ............................................................................................................................... 79
Figura 32 - Concentração Máxima de MP para as chaminés FPP e SS, 72,5 µg m
-3
, Média
24 horas ............................................................................................................................... 80
Figura 33 - Concentração Máxima de MP para as chaminés FPP e SS, 16,4 µg m
-3
, Média
Anual ................................................................................................................................... 81
LISTA DE GRÁFICOS
Gráfico 1 - Distribuição da freqüência por classe de vento ................................................. 56
Gráfico 2 - Distribuição da Freqüência por Classe de Estabilidade .................................... 57
Gráfico 3 - Análise Gráfica das Figuras 17, 18, 19 e 20 ..................................................... 73
Gráfico 4 - Análise Gráfica das Figuras 17, 18, 19 e 20 ..................................................... 74
Gráfico 5 - Análise Gráfica das Figuras 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27 e 28 ............................. 75
Gráfico 6 - Análise Gráfica das Figuras 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27 e 28 ............................. 75
Gráfico 7 - Concentração Máxima de MP para chaminé FPP, 19,0 µg m
-3
, Média Horária
............................................................................................................................................. 82
Gráfico 8 - Concentração Máxima de MP para chaminé SS, 191,7 µg m
-3
, Média Horária83
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Padrões Nacionais de Qualidade do Ar .............................................................. 24
Tabela 2- Coeficientes nas dispersões de plumas gaussianas .............................................. 39
Tabela 3 - Definição da Estabilidade Atmosférica segundo Pasquill-Gifford .................... 40
Tabela 4 - Dados de Entrada do Modelo ISCST3 ............................................................... 50
Tabela 5 - Distribuição da Freqüência (Contagem) ............................................................. 58
Tabela 6 - Distribuição da Freqüência (Normalizada) ........................................................ 59
Tabela 7 - Concentração Máxima de Material Particulado, Média de 1 hora - ISCST3 ..... 73
Tabela 8 - Concentração Máxima de Material Particulado, Média de 1, 3, 12, 24 horas e
Anual ................................................................................................................................... 82
Tabela 9 - Comparação dos resultados obtidos com o ISCST3 e SCREEN (sem relevo e
prédio) .................................................................................................................................. 83
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas
ADM Administração
CECA Conselho Estadual de Controle Ambiental
CETESB Companhia Estadual de Engenharia e Saneamento
CLP Camada Limite Planetária
CONAMA Conselho Nacional do Meio Ambiente
EIA Estudo de Impacto Ambiental
FCN Fábrica de Combustível Nuclear
FEEMA Fundação Estadual de Engenharia do Meio Ambiente
FEU Fábrica de Enriquecimento de Urânio
FPP Fábrica de Pó e Pastilha
IBAMA Instituto Brasileiro do Meio Ambiente e Recursos Renováveis
INB Indústrias Nucleares do Brasil
ISCST3 Industrial Source Complex Short Therm Version 3
LO Licença Operacional
MCT Ministério de Ciências e Tecnologias
PROCON AR Programa de Auto Controle do Ar
RIMA Relatório de Impacto Ambiental
RPD Rodovia Presidente Dutra
SLAP Sistema de Licenciamento de Atividades Poluidoras
SS Secador Spray
TM Torre Meteorológica
USEPA United States Environmental Protection Agency
SUMÁRIO
INTRODUÇÃO ............................................................................................................ 18
1. OBJETIVOS ............................................................................................................. 22
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ................................................................................ 23
2.1. Prognóstico da Qualidade Ambiental da Área de Influência................................... 24
2.2. Amostragem em Chaminés e Dutos e PROCON AR ................................................ 25
2.2.2. Amostragem em Chaminés ou Dutos ................................................................ 25
2.2.3. PROCON AR .................................................................................................... 26
2.3. Principais Poluentes Atmosféricos ........................................................................... 28
2.3.1. Material Particulado .......................................................................................... 28
2.3.2. Dióxido de Enxofre e Aerossóis Ácidos ........................................................... 29
2.3.3. Monóxido de Carbono ....................................................................................... 29
2.3.4. Ozônio ............................................................................................................... 30
2.3.5. Óxidos de Nitrogênio ........................................................................................ 30
2.4. Camada limite planetária (CLP) .............................................................................. 31
2.5. Difusão Atmosférica ................................................................................................. 32
2.6. Equação Geral de Plumas Gaussianas .................................................................... 33
2.6.1. Coeficientes de Dispersão ................................................................................. 37
3.6.1.1. Correlações para
σ
y
e
σ
z
baseada na teoria de semelhança ........................ 37
2.6.1.2. Correlações para σy e σz com base nas classes de estabilidade de Pasquill
................................................................................................................................. 38
2.6.1.3. Determinação dos Coeficientes de Dispersão no Modelo Estatístico de
Gauss ....................................................................................................................... 40
2.7. Elevação da pluma ................................................................................................... 41
2.8. Influência da Estabilidade ........................................................................................ 41
2.9. Fatores que influenciam a dispersão dos poluentes atmosféricos ........................... 43
2.10. Altura de Mistura e Inversão Térmica ................................................................... 45
2.11. Modelos de Dispersão de Pluma Gaussiana .......................................................... 46
2.11.1. Gestão e Proteção da Qualidade do Ar ............................................................ 46
2.11.1.1. Modelo ISCST3 ........................................................................................ 46
2.11.1.2. Modelo SCREEN ..................................................................................... 47
3. METODOLOGIA ..................................................................................................... 50
3.1. Dados de Entrada dos Modelos ............................................................................... 50
3.2. Região Circunvizinha da INB ................................................................................... 52
3.3. Área de influência ..................................................................................................... 53
3.4. Recursos d’água superficial da INB ......................................................................... 53
3.5. Influência da Topografia .......................................................................................... 54
3.6. Meteorologia ............................................................................................................ 56
4. RESULTADOS E DISCUSSÃO ............................................................................. 60
5. CONCLUSÕES ......................................................................................................... 84
6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................... 85
Apêndice 1 – Arquivo de saída do screen da chaminé da fpp .................................. 88
Apêndice 2 – Arquivo de saída do screen da chaminé da SS .................................... 91
18
INTRODUÇÃO
A poluição do ar causada pela emissão de fontes fixas (chaminés) pode resultar em
problemas que variam desde os arredores até quilômetros de distância. O controle das
emissões requer uma avaliação dos poluentes nos níveis qualitativo e quantitativo. Para
estimar os impactos da emissão dos poluentes e a aplicabilidade de medidas de controle é
preciso o uso de ferramentas matemáticas e dados experimentais. Um dos métodos
utilizados é o cálculo de dispersão de plumas atmosféricas, que pode prever com que
concentrações os poluentes emitidos por uma chaminé irão atingir o nível do solo e em que
localidade será atingida a concentração máxima, assim como as suas vizinhanças.
Existem diversos modelos para o cálculo de dispersão de plumas atmosféricas. Com
base no algoritmo de cálculo, existem os modelos Gaussianos, Numéricos, Estatísticos e
Físicos, sendo os Gaussianos mais empregados por sua simplicidade, por já terem sido
testados exaustivamente e por serem de ampla aceitação pelas agências ambientais.
No modelo apresentado neste estudo, o algoritmo de cálculo empregado é
integrante dos softwares SCREEN e ISCST3, de livre distribuição, pela Agência de
Proteção Ambiental Norte Americana (USEPA). O algoritmo usado pelo software
SCREEN baseia-se em um cálculo gaussiano de uma fonte fixa, podendo ser estendido
para múltiplas fontes de acordo com uma metodologia para agrupamento de fontes. O
cálculo também pode ser efetuado para fontes de áreas como emissões de aterros ou
incêndios e de fontes volumétricas como um bloco. Já o software ISCST3, também da
USEPA, é empregado para avaliações de fontes individuais múltiplas e de grande
complexidade, como múltiplos prédios e terrenos assimétricos como é o caso de uma
refinaria.
Vários são os parâmetros que devem ser monitorados e requeridos para o cálculo de
dispersão de plumas atmosféricas, portanto, as informações sobre fonte de emissão,
meteorologia, poluentes, edificações e topografia merecem destaque.
Com base nas informações das condições de contorno, é possível realizar uma
simulação através do cálculo de dispersão de plumas atmosféricas para a avaliação dos
poluentes emitidos para a atmosfera.
A INB (Indústrias Nucleares do Brasil), empresa estatal vinculada ao Ministério da
Ciência e Tecnologia (MCT), responsável pela produção do combustível que abastece as
usinas nucleares brasileiras, investiu na ampliação e modernização do seu parque industrial
19
para produzir com segurança, qualidade, responsabilidade social e ambiental, transparência
e auto-suficiência econômica.
A INB Resende, localizada no sul do estado do Rio de Janeiro, em Engenheiro
Passos distrito de Resende, incorpora a Fábrica de Combustível Nuclear (FCN). Nessa
unidade industrial, estão localizadas a produção de pó e de pastilhas de dióxido de urânio,
componentes e montagem do elemento combustível, enriquecimento de urânio, área
administrativa e o centro zoobotânico. A INB começou seu processo produtivo no ano de
1982, possui uma área de 637 hectares, sendo 2 hectares ocupados e dispõe atualmente de
520 colaboradores diretos, e 300 indiretos, aproximadamente.
O ciclo do combustível nuclear (Figura 1) é o conjunto de etapas do processo
industrial que transforma o mineral urânio, desde quando ele é encontrado em estado
natural até sua utilização como combustível, dentro de uma usina nuclear.
GERAÇÃO DE
GERAÇÃO DE
ENERGIA
ENERGIA
PASTILHAS
PASTILHAS
ELEMENTO
ELEMENTO
COMBUSTÍVEL
COMBUSTÍVEL
CONVERSÃO
CONVERSÃO
RECONVERSÃO
RECONVERSÃO
MINERAÇÃO
MINERAÇÃO
ENRIQUECIMENTO
ENRIQUECIMENTO
Figura 1 - Ciclo do Combustível Nuclear
Na natureza, o elemento químico urânio é um metal encontrado em formações
rochosas da crosta terrestre. Após um conjunto de operações, que tem como objetivo
descobrir uma jazida e fazer sua avaliação econômica, prospecção e pesquisa, determina-se
o local onde será realizada a extração do minério do solo, e o início dos procedimentos
para Mineração e Beneficiamento.
Na usina de beneficiamento o urânio é extraído do minério, purificado e
concentrado sob a forma de um sal de cor amarela, conhecido como "yellowcake".
20
Na usina de conversão, o urânio sob a forma de yellowcake, é dissolvido e
purificado, obtendo-se então o urânio nuclearmente puro. A seguir, é convertido para o
estado gasoso, em hexafluoreto de urânio, para permitir a transformação seguinte, o
enriquecimento isotópico.
O urânio 235 é o isótopo físsil responsável pela reação em cadeia nos reatores
nucleares. A operação de enriquecimento do urânio tem por objetivo aumentar a
concentração do urânio 235 acima da natural, 0,7 % para em torno de 3%,
conseqüentemente permitindo sua utilização como combustível para geração de energia.
Na fábrica de pó e pastilha, a produção de pastilhas de dióxido de urânio (UO
2
),
que após serem submetidas a diversos testes; dimensionais, metalográficos e químicos,
estarão aptas a compor o elemento combustível, combustível para centrais nucleares.
O elemento combustível nuclear (Figura 2) é composto pelas pastilhas de dióxido
de urânio montadas em tubos de uma liga metálica especial (zircaloy), formando um
conjunto de varetas, cuja estrutura é mantida rígida por reticulados chamados grades
espaçadoras.
Figura 2 - Elemento Combustível Nuclear
A INB possui uma torre meteorológica (Figura 3) de 60m de altura, com tomada de
dados em dois níveis, provida de sensores meteorológicos que fornecem dados para cálculo
de dispersão de plumas atmosféricas visando:
• Planejamento, simulação e treinamento de ações de controle de emergências;
• Criar uma base de dados climatológicos.
21
Figura 3 - Torre meteorológica da INB
Instrumentos meteorológicos foram instalados na torre para efetuarem as seguintes
medidas:
• No nível de 60 m: velocidade e direção do vento horizontal e temperatura do ar;
• No nível de 10 m: velocidade e direção do vento horizontal, temperatura e umidade
relativa do ar;
• No nível do solo próximo à torre: precipitação, irradiação solar global e pressão
atmosférica.
Junto à base da torre existe um dispositivo de controle de dados, para aquisição e
armazenamento dos dados coletados. Estes dados são visualizados em tempo real e
armazenados em arquivos para o tratamento estatístico a posterior.
Os efluentes gasosos da INB são constituídos por poluentes específicos do
seguimento industrial em questão. No entanto, são lavados, filtrados e lançados pela
chaminé, sendo, contudo monitorados por um contador de partículas alfa e beta que opera
24 horas por dia para certificar-se de que estão abaixo dos níveis operacionais de liberação
estabelecidos pela Comissão Nacional de Energia Nuclear (CNEN) e o Instituto Brasileiro
do Meio Ambiente e dos Recursos Naturais Renováveis (IBAMA).
22
1. OBJETIVOS
Propor uma metodologia de abordagem para decisão de escolha dos softwares
(SCREEN e ISCST3) a ser empregado no cálculo de dispersão de plumas atmosféricas, ou
seja, decidir sobre quais simplificações podem ser feitas e quais detalhamentos não podem
ser desprezados.
Descrever brevemente a equação de pluma gaussiana, bem como o transporte e a
difusão de poluentes lançados na atmosfera. Como são numerosos e complexos os métodos
para esse estudo, não é possível descrevê-los sem a utilização dos modelos matemáticos
(Moreira & Tirabassi, 2004).
Estimar o alcance do transporte de poluentes da INB nas redondezas e as possíveis
áreas mais afetadas, para dar subsídios a INB frente às situações de controle e
monitoramento ambiental.
23
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
A poluição do ar é caracterizada pela presença de um ou mais poluentes
atmosféricos provenientes das emissões de fontes antropogênicas ou naturais. Vale
ressaltar que muito antes de o homem iniciar seu sistemático, crescente e eficiente processo
de poluir a atmosfera, nela já era possível detectar a presença de poluentes atmosféricos.
Estes poluentes são provenientes da emissão das chamadas fontes naturais, tais como
vulcões, ação dos ventos sobre areia, argila e água do mar, grandes incêndios, descargas
elétricas durante tempestades etc. (Philippi et al., 1982).
Definições:
• A ABNT NBR 8969/85, define poluente atmosférico como toda e qualquer forma de
matéria e/ou energia que, segundo suas características, concentração e tempo de
permanência no ar, possa causar ou venha a causar danos à saúde, aos materiais, à
fauna e à flora e seja prejudicial à segurança, ao uso e ao gozo da propriedade, à
economia e ao bem-estar da comunidade.
• A resolução CONAMA nº 03, de 1990, define poluente atmosférico como qualquer
forma de matéria ou energia com intensidade e em quantidade, concentração, tempo
ou características em desacordo com os níveis estabelecidos, e que tornem ou possam
tornar o ar:
(1) Impróprio, nocivo ou ofensivo à saúde;
(2) Inconveniente ao bem-estar público;
(3) Danoso aos materiais, à fauna e flora;
(4) Prejudicial à segurança, ao uso e gozo da propriedade e às atividades normais da
comunidade.
Ainda segundo a Resolução CONAMA nº 03, 1990, de acordo com a origem os
poluentes atmosféricos podem ser divididos em:
• Padrões primários de qualidade do ar são as concentrações de poluentes que,
ultrapassados poderão afetar a saúde da população.
• Padrões secundários de qualidade do ar são as concentrações de poluentes
atmosféricos abaixo das quais se prevê o mínimo efeito adverso sobre o bem estar da
população, assim como o mínimo dano à fauna e à flora, aos materiais e ao meio
ambiente em geral.
24
Os padrões nacionais de qualidade do ar, apresentados na Tabela 1, são
estabelecidos pela Resolução CONAMA nº 03, 1990.
Tabela 1 - Padrões Nacionais de Qualidade do Ar
Poluentes
Tempo de
Amostragem
Padrão (
µ
g m
-3
)
Método de Medição
Primário Secundário
Partículas totais em suspensão
24 horas (1)
MGA (2)
240
80
150
60
Amostrador de grandes volumes
Dióxido de Enxofre
24 horas
MAA (3)
365
80
100
40
Pararosanilina
Monóxido de Carbono
1 hora (1)
8 horas
40.000
10.000
40.000
10.000
Infravermelho não dispersivo
Ozônio 1 hora (1) 160 160 Quimiluminescência
Fumaça
24 horas (1)
MAA (3)
150
60
100
40
Reflectância
Partículas Inaláveis (PM10)
24 horas (1)
MAA (3)
150
50
150
50
Separação Inercial / Filtração
Dióxido de Nitrogênio
1 hora (1)
MAA (3)
320
100
190
100
Quimiluminescência
Onde: (1) Não deve ser excedido mais que uma vez ao ano
(2) Média geométrica anual
(3) Média aritmética anual
Considerando uma série de problemas relativos à poluição atmosférica, a Resolução
CONAMA nº 382, 2006, estabelece limites máximos de emissão de poluentes atmosféricos
para fontes fixas dos segmentos industriais, citados em seus anexos.
2.1. Prognóstico da Qualidade Ambiental da Área de Influência
No Estado do Rio de Janeiro a elaboração do Estudo de Impacto Ambiental (EIA) e
seu respectivo Relatório de Impacto Ambiental (RIMA), deve ser de acordo com a
Resolução CONAMA 01/86, a Lei Estadual nº 1.356/88 e a Diretriz da FEEMA DZ-
041.R-13, aprovada pela Deliberação CECA 3.667/97.
De acordo com a FEEMA, para elaboração do EIA/RIMA, está o desenvolvimento
do prognóstico da qualidade ambiental da área de influência, especificamente com relação
à qualidade do ar, o prognóstico da área de influência deverá ser elaborado por meio da
utilização de modelo matemático ISCST3, devendo caracterizar os poluentes tradicionais
25
previstos na Resolução CONAMA 03/90, e principalmente os poluentes específicos do
segmento industrial em questão. Também deve ser levado em consideração o que
determina o item 7 do anexo VIII da Resolução CONAMA 382/06, referente aos limites de
emissão para poluentes atmosféricos.
Para a modelagem, deverão ser considerados:
• Série mínima de três anos consecutivos de dados meteorológicos, representativos da
região do empreendimento;
• Características topográficas da região;
• Grade cartesiana com resolução de 500 x 500 metros em coordenadas UTM;
• Base cartográfica em escala adequada, em coordenadas UTM, que permita a
sobreposição das saídas gráficas do modelo;
• Raio mínimo de 5.000 metros ao redor da fonte;
• Realizar uma análise crítica sobre os resultados obtidos na modelagem em relação à
qualidade do ar, apresentando, para cada poluente, tabelas contendo os valores das 20
maiores concentrações máximas de curto período e das 10 maiores concentrações
médias de longo período, com as respectivas localizações, e fornecer, em meio digital,
as informações referentes aos dados de entrada e saída do modelo, fatores de emissão
utilizados comprovados por documentação pertinente, memorial contendo cálculos de
emissão e respectivas transformações de unidades, informações sobre a topografia
considerada e arquivo meteorológico utilizado.
2.2. Amostragem em Chaminés e Dutos e PROCON AR
2.2.2. Amostragem em Chaminés ou Dutos
A amostragem em chaminés ou dutos é um procedimento experimental que se
utiliza para avaliar as características dos fluxos gasosos industriais e determinar qualitativa
e quantitativamente os poluentes gerados em processos e atividades industriais.
O princípio básico da amostragem consiste em extrair uma amostra, de volume
conhecido, do efluente gasoso e após análises laboratoriais, tornar possível o cálculo da
quantidade total do poluente analisado.
26
Assim, a amostragem deve coletar uma amostra representativa do que está sendo
emitido pela fonte, para que haja correlação entre a quantidade do poluente medido com o
total emitido pela fonte geradora, evitando desvios nos resultado. Portanto, a técnica
escolhida para execução da amostragem é extremamente importante e preponderante para a
confiabilidade dos resultados.
Os principais resultados obtidos numa amostragem são as características do
efluente gasoso (pressão, temperatura, velocidade, vazão e teor de umidade), a
concentração e a taxa de emissão dos poluentes analisados. Com os valores determinados
para essas variáveis estão vinculados às condições de operação da fonte emissora e de seu
sistema de controle (se existir) é fundamental um planejamento adequado para que, através
da análise dos dados, possa-se atingir o objetivo que norteou a execução de tal
amostragem. Além disso, o planejamento deve se desenvolvido no sentido de se orientar as
condições em que a amostragem deva se executada e, conseqüentemente, evitar
desperdício de tempo e de recurso (materiais e humanos).
O objetivo da amostragem é a determinação da concentração e taxa de emissão do
poluente ou determinação da eficiência do equipamento de controle. Em função desse
objetivo é possível definir a amostragem quanto à seleção dos poluentes a serem
amostrados, bem como determinar as condições de operação do processo e o número de
coletas por poluente, também estão vinculados ao objetivo da amostragem a coleta de
amostras (como, por exemplo, combustíveis, matérias primas, água de lavagem etc.) e o
parâmetros a serem observados e registrados durante a amostragem (CETESB, 2003).
2.2.3. PROCON AR
A Fundação Estadual de Engenharia do Meio Ambiente (FEEMA) através da DZ-
545.R5 tem com o objetivo de estabelecer as diretrizes gerais para implantação de um
programa denominado Programa de Autocontrole de Emissões Para a Atmosfera
(PROCON AR), no qual os responsáveis pelas atividades poluidoras informam
regularmente a FEEMA, por intermédio de relatórios específicos, os resultados das
amostragens periódicas e contínuas em chaminés e da qualidade do ar efetuadas segundo
condições predeterminadas, como parte integrante do Sistema de Licenciamento de
Atividades Poluidoras (SLAP).
27
O PROCON Ar tem as seguintes finalidades:
a) Ampliar a ação fiscalizadora da FEEMA no controle da poluição do ar;
b) Verificar o atendimento aos padrões de emissão para poluentes do ar;
c) Formular exigências de controle;
d) Subsidiar o estabelecimento de padrões e de fatores de emissão adequados ao
Estado do Rio de Janeiro;
e) Subsidiar a elaboração de estratégias de controle de emissões para a
atmosfera, através de identificação das fontes mais significativas de emissão, e
da quantidade de poluentes emitidos.
As atividades poluidoras sujeitas ao PROCON AR são todas as atividades efetivas
ou potencialmente poluidoras do ar.
Todas as atividades vinculadas ao PROCON AR deverão atender aos padrões de
emissão para a atmosfera, aprovados pela Comissão Estadual de Controle Ambiental
(CECA).
Atender às condições especificadas na Licença de Operação (LO).
Adotar os métodos de amostragem e análise aprovados pela CECA. Outros
métodos poderão ser considerados, desde que previamente submetidos à aprovação da
FEEMA.
Calibrar os vários componentes do trem de amostragem em firmas ou entidades
aceitas pela FEEMA, ou excepcionalmente, na própria FEEMA.
Realizar as amostragens quando a atividade estiver operando entre 95% e 100% de
sua capacidade nominal, ou em outras condições, desde que aprovadas previamente pela
FEEMA.
A atividade obrigada à realização de amostragens periódicas de emissões para a
atmosfera deverá enviar a FEEMA os seguintes relatórios:
• Relatório Preliminar de Amostragem em Chaminé ou Duto (REP) a ser preenchido e
enviado a FEEMA, 30 dias antes da realização de cada amostragem, conforme modelo
apresentado no anexo da DZ-545.R5.
• Relatório de Amostragem Periódica de Emissões para a Atmosfera (RAP) a ser
preenchido e enviado a FEEMA, até 30 dias após o término da amostragem, conforme
modelo apresentado no anexo da DZ-545.R5.
28
A atividade é obrigada realizar amostragem contínua de emissões para a atmosfera
e deverá enviar a FEEMA o Relatório de Amostragem Contínua de Emissões para a
Atmosfera (RAC), cuja forma e prazo de apresentação serão determinados para cada
situação específica.
A atividade é obrigada realizar amostragem da qualidade do ar e deverá enviar a
FEEMA a cada 30 dias seus resultados, segundo modelo descrito no Método FEEMA de
medição de cada parâmetro.
Observadas as condições estabelecidas na LO, a FEEMA definirá a época e a
freqüência das amostragens, poderá fixar datas, épocas e freqüências diferentes das
previamente determinadas para atender a condições atípicas de funcionamento da atividade
poluidora.
A FEEMA poderá supervisionar a execução da amostragem, assim como executar
outras, quando julgar necessário.
O responsável pela atividade poluidora, ao observar que o valor da amostragem de
pelo menos um dos parâmetros medidos está acima do permitido informará a FEEMA a
ocorrência da irregularidade e as providências tomadas para saná-la, utilizando, para isso, o
campo específico do relatório. Este procedimento poderá suscitar diminuição ou suspensão
da penalidade, por esta infração.
O não atendimento ao disposto na DZ-545.R5, sujeitará a atividade poluidora às
penalidades previstas na legislação vigente.
2.3. Principais Poluentes Atmosféricos
2.3.1. Material Particulado
O material particulado é uma mistura de partículas líquidas e sólidas em suspensão
no ar. Sua composição e tamanho dependem das fontes de emissão. O tamanho das
partículas é expresso em relação ao seu tamanho aerodinâmico, definido como o diâmetro
de uma esfera densa que tem a mesma velocidade de sedimentação que a partícula em
questão (Dockery & Pope, 1994, apud Braga et al., 2002).
Segundo Braga et al, (2002) é oportuno salientar que a determinação da EPA para
controle de partículas menores ou iguais a 10 µm (PM10), também chamadas de partículas
inaláveis, se baseou no fato de que estas são as partículas que podem atingir as vias
29
respiratórias inferiores, e não na sua composição química. Este material particulado
inalável apresenta uma característica importante que é a de transportar gases adsorvidos em
sua superfície até as porções mais distais das vias aéreas, onde ocorrem as trocas de gases
no pulmão.
2.3.2. Dióxido de Enxofre e Aerossóis Ácidos
Resultado da combustão de elementos fósseis, como carvão e petróleo, têm como
fontes principais os automóveis e termelétricas. Uma vez lançado na atmosfera, o SO
2
é
oxidado pelo radical OH e em seguida pela reação com a água, formando ácido sulfúrico
(H
2
SO
4
). Esta transformação depende do tempo de permanência no ar, da presença de luz
solar, temperatura, umidade e adsorção do gás na superfície das partículas. A permanência
no ar por um período grande de tempo faz com que o SO
2
e seus derivados (aerossóis
ácidos) sejam transportados para regiões distantes das fontes primárias de emissão,
aumentando a área de atuação destes poluentes.
O SO
2
é altamente solúvel em água a 30 ºC. A maior parte do SO
2
inalado por uma
pessoa em repouso é absorvido nas vias aéreas superiores. Atividade física leva a um
aumento da ventilação, com conseqüente aumento da absorção nas regiões mais distais do
pulmão. Sua eliminação se faz, basicamente, de dois modos: pela expiração,
principalmente através das narinas, e pela urina, com a eliminação na forma de sulfato e
éster sulfato, de uma parte do SO
2
inalado.
Dissolvidos nas gotas de água presentes na atmosfera, encontramos os aerossóis
ácidos mais comuns: sulfato (SO
4
--
) e bissulfato (HSO
4
-
). O ácido sulfúrico (H
2
SO
4
) é o
aerossol ácido mais irritante para o trato respiratório, apresentando pH menor que um. O
ácido sulfúrico e seus sais de amônia constituem a maior parte das partículas finas (Braga
et al., 2002)
2.3.3. Monóxido de Carbono
O Monóxido de Carbono (CO) é um gás incolor e inodoro. Possui uma afinidade
com a hemoglobina do segue maior que o oxigênio e forma a carboxiemoglobina, a qual
reduz a capacidade transportadora de oxigênio pelo sangue até as células. É, portanto, um
gás insidioso e venenoso, podendo ocasionar a morte.
30
A poluição com monóxido de carbono se deve principalmente à combustão de
hidrocarbonetos com deficiência de oxigênio e, portanto, aos veículos com motores de
combustão interna que trafegam nas cidades, notadamente os de motores diesel
(Macintyre, 1990).
2.3.4. Ozônio
O Ozônio (O
3
) é uma variedade alotrópica do oxigênio, se apresentado sob a forma
de um gás azul pálido, de odor picante característico. Agente oxidante muito ativo e tóxico
é considerado com poluente em concentrações superiores a 120 µg/m
3
. Na alta atmosfera,
onde se forma a partir das radiações solares ultravioletas de ondas curtas, existem níveis
bem mais elevados, uma pequena fração terminando por se misturar na baixa atmosfera. O
ozônio também se origina das descargas elétricas na atmosfera e de reações fotoquímicas
onde entram os hidrocarbonetos e os óxidos de nitrogênio (por exemplo, nos gases
emitidos pela exaustão dos automóveis com motores de combustão interna) (OMS, 1987,
apud Duchiade, 1992).
2.3.5. Óxidos de Nitrogênio
Os óxidos de nitrogênio, designados genericamente por NO
x
, constituem uma série
de sete compostos, dos quais três são importantes na atmosfera. O óxido nitroso (N
2
O –
óxido nitroso ou gás hilariante), gás incolor, o mais abundante dos compostos
atmosféricos, não é importe enquanto poluente, apesar de jogar papel destacado no ciclo do
nitrogênio. O monóxido de nitrogênio, ou óxido nítrico (NO), é um gás tóxico incolor que
reage espontaneamente com o oxigênio, e muito fortemente com o ozônio, formando o
dióxido de nitrogênio. Forma-se nos processos de combustão, por exemplo, nas caldeiras e
motores de combustão interna, aumentando sua produção com a elevação de temperatura e
participando ativamente das reações atmosféricas que são a causa do smog fotoquímico. O
dióxido de nitrogênio (NO
2
) é um gás avermelhado fortemente tóxico (vapores nitrosos).
Nas temperaturas correntes, o vapor é uma mistura de NO
2
e do dímero N
2
O
4
- com o
aumento da temperatura, N
2
O
4
se dissocia, aumentando, assim o teor de NO
2
. Acima de
140 ºC, o NO
2
se dissocia em NO e oxigênio. O termo dióxido de nitrogênio e a formula
NO
2
designam a mistura NO
2
e N
2
O
4
em equilíbrio. O termo “óxidos de nitrogênio” e o
31
símbolo NO
x
são utilizados na literatura sobre poluição do ar para designar a mistura de
NO e NO
2
no ar (OMS, 1987, apud Duchiade, 1992).
2.4. Camada limite planetária (CLP)
A camada mais próxima da superfície terrestre e mais importante em termos de
poluição antropogênica é chamada de Camada Limite Planetária (CLP) (Figura 4).
Figura 4 - A troposfera e suas camadas (Stull in: Álvares et al., 2002)
Esta camada se estende desde o solo até algumas centenas de metros, e se
caracteriza por ser fortemente influenciada pela superfície terrestre.
Na CLP, o vento e, por conseqüência, o transporte dos poluentes, sofre interferência
do fluxo predominante do ar nos níveis acima da CLP e do atrito exercido pela superfície,
causando um efeito de cisalhamento do vento, fenômeno que ocorre devido ao aumento da
velocidade do vento com a altitude.
A Figura 5 ilustra o efeito do vento na CLP sob condições de instabilidade, onde se
percebe o aumento da velocidade do vento com a elevação da altitude (representado pelos
vetores à esquerda da Figura 5).
32
Figura 5 - Perfil do vento na CLP instável (SMHI in: Álvares et al., 2002)
O perfil vertical de temperatura (variação da temperatura em função da altitude)
também tem um efeito importante na condição do vento, principalmente do vento vertical
(movimentos ascendentes e descendentes de ar) na CLP. É a temperatura nesta camada que
determina o que se chama de condição de estabilidade da atmosfera, que pode ser neutra,
estável ou instável. Quanto mais instável for a atmosfera, maior a dispersão dos poluentes.
Assim, a estabilidade atmosférica é um dos parâmetros meteorológicos mais importantes
em termos de poluição do ar.
As características do vento e da temperatura na CLP causam um fenômeno também
de grande interesse nos estudos de poluição atmosférica, que é o processo de difusão
turbulenta. Fisicamente, a atmosfera na CLP se comporta como um fluido que escoa em
regime turbulento (Álvares et al., 2002).
2.5. Difusão Atmosférica
Segundo a ABNT NBR 8969/85, difusão é o processo de transferência de massa
que ocorre com substâncias de concentrações diferente, em direção à região de menor
concentração, atribuído ao movimento molecular. Difusão atmosférica é o resultado de um
movimento rápido e irregular de porções macroscópicas de fluido (chamadas redemoinhos)
em regime turbulento.
A definição mais adequada de difusão é dada pela físico-química, que relata a
difusão como a tendência das moléculas a equilibrar o potencial químico, que é uma
propriedade mais genérica, função de temperatura, pressão e número de moléculas. Por
exemplo, pode ocorrer difusão sem gradiente de concentração apenas com gradiente de
temperatura.
33
É comum referir-se ao comportamento dos gases e partículas em fluxo turbulento
como “difusão” turbulenta, ou, como “difusão” atmosférica, embora os processos
responsáveis pelo espalhamento ou dispersão observados não são os mesmos que os que
agem na difusão molecular comum. Um termo, mais preciso, poderia talvez, ser dispersão
atmosférica, porém para estar em conformidade com a terminologia comum, a expressão
correta é difusão atmosférica.
Existem duas maneiras para descrever a difusão turbulenta; a primeira trata da
abordagem Euleriana, na qual o comportamento da espécie é descrito em relação a um
sistema coordenado fixo. A descrição Euleriana é a maneira comum de tratar os fenômenos
de transferência de calor e massa. A segunda abordagem é a Lagrangeana, na qual as
mudanças de concentração são descritas em relação ao movimento do fluido (Seinfeld e
Pandis, 1998).
2.6. Equação Geral de Plumas Gaussianas
Para entendimento da equação geral de plumas gaussianas, foi levado em
consideração o desenvolvimento da expressão Lagrangiana básica para concentração.
média:
Equação 1
O primeiro termo do lado direito representa as partículas presentes em t
0
, e o
segundo termo do lado direito se refere às partículas acrescentadas das fontes entre t
0
e t.
A Equação 1 é a relação Lagrangiana fundamental para a concentração. média de
uma espécie em fluxo turbulento. A determinação de 〈c(x, t)〉, dado que 〈c(x
0
, t
0
)〉 e S(x
’
,
t), depende da avaliação da probabilidade de transição Q(x, t⏐x
’
, t
’
). Se Q fosse conhecido
por x, x
’
, t, a concentração média 〈c(x, t)〉 poderia ser computada simplesmente avaliando a
Equação 1. No entanto, existem dois problemas substanciais ao se utilizar a Equação 1.
Primeiramente, a equação se mantém apenas quando as partículas não sofrem reações
químicas. Em segundo lugar, o conhecimento completo das propriedades da turbulência,
∫∫∫∫
∫∫∫
∞
∞−
∞
∞−
∞
∞−
∞
∞−
∞
∞−
∞
∞−
+=
t
t
o
dxdttxStxtxQ
dxtxctxtxQtxc
''''''
00000
),(),,(
),(),,(),(
34
necessário para se conhecer Q geralmente não está disponível, exceto nas circunstâncias
mais simples.
Segundo o modelo de pluma gaussiana o cálculo consiste de fórmulas com base
gaussiana, são importantes para aplicação prática e calculam a concentração dos poluentes
emitidos por uma fonte fixa através da equação de pluma gaussiana (Equação 2).
Equação 2
A densidade de probabilidade de transição Q expressa fisicamente a probabilidade
de uma partícula traçadora, que está em x’, y’, z’, num tempo t’, estar em x, y, z, num
tempo t. Sob condições estacionárias, a turbulência homogênea Q tem a forma Gaussiana.
Por exemplo, no caso de vento médio dirigido ao longo do eixo x, isto é, v = w = 0 e um
domínio infinito; Q é dado pela Equação 3.
Equação 3
Onde as variâncias
σ
2
x
,
σ
2
y
, e
σ
2
z
são funções do tempo de viagem, t – t’ .
Até esse ponto foi considerado um domínio infinito. Para aplicações atmosféricas,
um limite em z = 0, ao nível do solo. Devido à barreira à difusão em z = 0, é necessário
modificar a dependência de z de Q para considerar esse fato. Pode-se separar a
dependência de z na Equação 4 escrevendo
Equação 4
Para determinar Q
z
(z, t ⏐ z’, t’) são enumeradas as seguintes possibilidades:
1. Forma do limite superior:
(a) 0 ≤ z ≤ ∞
(b) 0 ≤ z ≤ H sem difusão através de z = H (isto é, camada de inversão)
∫∫∫
∞
∞−
∞
∞−
∞
∞−
+=
00000000000
),,,(),,,,,,(),,,( dzdyxdxtzyxctzyxtzyxQtzyxc
∫∫∫∫
∞
∞−
∞
∞−
∞
∞−
t
t
dzdydxdttzyxxStzyxtzyxQ
0
'''')',',','()',',',',,,(
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
−
−
−
−
−−−
−=
2
2
2
2
2
2
2/3
2
)'(
2
)'(
2
))'('(
exp
)2(
1
)',',',',,,(
zyxzyx
zzyyttuxx
tzyxtzyxQ
σσσσσσπ
)',',(
2
)'(
2
))'('(
exp
2
1
)',',',',,,(
2
2
2
2
tztzQ
yyttuxx
tzyxtzyxQ
z
yxyx
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
−
−
−−−
−=
σσσπσ
35
2. Tipo de interação entre o material de difusão e a superfície:
- reflexão total;
- absorção total;
- absorção parcial;
Reflexão total z = 0 Assume-se que ao nível do solo z = 0, pode ser considerado o
resultado de Concentração resultante de uma fonte hipotética em z = -z’ para outra fonte z
= z’ na região z ≥ 0. Em seguida, Q
z
assume a forma da Equação 5.
Equação 5
Absorção total z = 0 se o solo é um absorvedor perfeito, a concentração de material
em z = 0 é zero. A forma de Q
z
pode ser obtida de forma idêntica pelo mesmo método de
uma fonte de imagem em -z’, com a mudança de Q agora se subtrai à distribuição da fonte
em -z’ daquela para a fonte em +z’. O resultado é dado pela Equação 6.
Equação 6
O caso de absorção parcial z = 0, não pode ser tratado pela mesma abordagem da
fonte de imagem, visto que algumas partículas são refletidas e algumas são absorvidas.
Esse caso será brevemente considerado.
Muda-se agora para o caso de uma fonte continua. A concentração média de uma
fonte fixa contínua de força q, na altura h (reflexão total) sobre o solo (convencionalmente
h representa a altura da fonte) é dado pela Equação 7.
Equação 7
Como é feito usualmente, o interesse é no caso de pequena pluma, assim se avaliará
a integral no limite de
σ
x
→ 0 da integral referida na página 898, Equação 17.67 (Seinfeld
e Pandis, 1998). O resultado é dado pela Equação 8.
Equação 8
()
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎣
⎡
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
+
−+
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
−
−=
2
2
2
2
2/1
2
)'(
exp
2
)'(
exp
)2(
1
',',
zzz
z
zzzz
tztzQ
σσσπ
()
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎣
⎡
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
+
−−
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
−
−=
2
2
2
2
2/1
2
)'(
exp
2
)'(
exp
)2(
1
',',
zzz
z
zzzz
tztzQ
σσσπ
()
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
+
−+
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
−
−
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
−=
2
2
2
2
2
2
2
)(
exp
2
)(
exp
2
exp
.2
,,
Zzy
zy
hzhz
x
y
u
q
zyxc
σσσ
σσπ
()
∫
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
+
−+
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
−
−
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
−
−
−=
∞→
t
Zzyxzyx
t
dt
hzhz
x
ytuxq
zyxc
0
2
2
2
2
2
2
23/2
'
2
)(
exp
2
)(
exp
22
)'(
exp
)2(
lim,,
σσσσσσσπ
36
Para uma superfície absorvedora total em z = 0, o resultado é expresso pela
Equação 9.
Equação 9
Onde:
c = Concentração do poluente nas coordenadas em x, y e z, g m
-3
x = distância horizontal da emissão ao receptor (m)
y = distância horizontal do ponto de medição a uma distância y da linha central da
pluma (m)
z = altura do receptor (m)
q = taxa de emissão do poluente (g/s)
σ
y
,
σ
z
= Coeficientes de dispersão vertical e horizontal (m)
u = velocidade média do vento na altura da chaminé (m/s)
h = Altura efetiva de lançamento (m)
A equação gaussiana é um recurso analítico simples da equação da difusão, na
hipótese em que o vento e o coeficiente de difusão turbulenta são constates com a altura.
No sistema de coordenas cartesianas (Figura 6), observa-se à distribuição gaussiana, ao
longo do eixo da pluma.
Figura 6 - Sistema de Coordenas Cartesianas
()
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
+
−−
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
−
−
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
−=
2
2
2
2
2
2
2
)(
exp
2
)(
exp
2
exp
.2
,,
Zzy
zy
hzhz
x
y
u
q
zyxc
σσσ
σσπ
37
2.6.1. Coeficientes de Dispersão
3.6.1.1. Correlações para
σ
y
e
σ
z
baseada na teoria de semelhança
As variâncias das dimensões médias de pluma podem ser expressas em termos do
movimento de partículas individuais liberadas da fonte. (Em um instante particular o
contorno da pluma é definido pela estatística das trajetórias de duas partículas liberadas
simultaneamente na fonte (não foi considerado o problema de duas partículas). Em um
esforço para superar as dificuldades práticas para se obter resultados para
σ
y
e
σ
z
, Pasquill
(in: Seinfeld & Pandis, 1998), sugeriu uma definição alternativa que retinha os aspectos
essenciais da teoria estatística de Taylor, que é mais fácil para criar parâmetros em termos
de quantidades Euleriana prontamente medidas. Conforme adotado por Draxler, American
Meteorological Society e Irwin (in: Seinfeld & Pandis, 1998) a representação de Pasquill
leva a:
yvy
Ft..
σ
σ
=
Equação 10
zwz
Ft..
σ
σ
=
Equação 11
onde
σ
v
e
σ
w
são desvios-padrão das flutuações da velocidade do vento nas direções y e z,
respectivamente, F
y
e F
z
são funções universais de um conjunto de parâmetros que
especificam as características da camada limite atmosférica. As formas exatas de F
y
e F
z
serão determinadas a partir de dados experimentais.
As variáveis das quais se supõe que F
y
e F
z
sejam dependentes são: velocidade de
fricção u
*
, o comprimento L de Monin-Obukhov, o parâmetro ƒ de Coriolis, a
profundidade da camada de mistura z
i
, a escala de velocidade convectiva w
*
, a rugosidade
superficial z
0
, e a altura de liberação do poluente acima do solo h.
As variâncias
σ
2
y
e
σ
2
z
são tratadas como coeficientes de dispersão empíricos, cujas
formas funcionais são determinadas, casando a solução gaussiana com os dados. Desse
modo,
σ
2
y
e
σ
2
z
de fato compensam efetivamente desvios de condições homogêneas
estacionárias, que são inerentes à distribuição gaussiana presumida.
Dos dois desvios padrões,
σ
y
e
σ
z
sabe-se mais sobre
σ
y
. Primeiro, a maioria dos
experimentos dos quais os valores
σ
y
são deduzidos envolvem medições ao nível do solo.
Tais medições fornecem uma indicação adequada de
σ
y
, em que distribuições de
Concentração vertical são necessárias para determinar
σ
z
. Também, sabe-se que a
38
expressão gaussiana para distribuição de concentração. vertical não é obedecida para
liberações ao nível do solo. Assim, a adaptação de uma medida de distribuição vertical a
uma forma gaussiana é muito mais difícil do que para a distribuição horizontal, em que a
simetria lateral e uma forma gaussiana aproximada são boas suposições.
2.6.1.2. Correlações para σy e σz com base nas classes de estabilidade de Pasquill
As correlações
σ
y
e
σ
z
, mais amplamente usadas, com base nas classes de
estabilidade de Pasquill, foram àquelas desenvolvidas por Gifford (in: Seinfeld & Pandis,
1998). As correlações, comumente chamadas de curvas de Pasquill-Gifford, aparecem nas
Figuras 7 e 8.
Figura 7 - Coeficiente de dispersão horizontal (σ
y
) (Seinfeld e Pandis, 1998)
Para uso de fórmulas de dispersão é conveniente ter expressões analíticas para
σ
y
e
σ
z
como funções de x. Muitas das formas empiricamente determinadas podem, ser
representados por expressões de lei de potência,
y
r
yy
xR .=
σ
Equação 12
z
r
zz
xR .=
σ
Equação 13
39
Figura 8 - Coeficiente de dispersão vertical (σ
z
) (Seinfeld e Pandis, 1998)
Tabela 2- Coeficientes nas dispersões de plumas gaussianas
Fonte
Tempo Médio
(min)
Coeficiente
Classe de Estabilidade
A B C D E F
Pasquill-Gifford 10 R
y
0,443 0,324 0,216 0,141 0,105 0,071
(Turner, 1969;
Martin, 1976 r
y
0,94 0,894 0,894 0,894 0,894 0,894
ASME (1973) 60 R
y
0,40 0,36 0,32 0,31
r
y
0,91 0,86 0,78 0,71
R
z
0,40 0,33 0,22 0,06
r
z
0,91 0,86 0,78 0,71
Klug (1969) 10 R
y
0,469 0,306 0,230 0,219 0,237 0,273
r
y
0,903 0,885 0,855 0,764 0,691 0,594
R
z
0,017 0,072 0,076 0,140 0,217 0,262
r
z
1,380 1,021 0,879 0,727 0,610 0,500
Pasquill-Gifford 10 I
y
-1,104 -1,634 -2,054 -2,555 -2,754 -3,143
(Turner, 1969) J
y
0,9878 1,0350 1,0231 1,0423 1,0106 1,0148
K
y
-0,0076 -0,0096 -0,0076 -0,0087 -0,0064 -0,0070
I
z
4,679 -1,999 -2,341 -3,186 -3,783 -4,490
J
z
-1,7172 0,8752 0,9477 1,1737 1,3010 1,4024
K
z
0,2770 0,0136 -0,0020 -0,0316 -0,0450 -0,0540
Aplicação restrita para não exceder a distância downwind em 10 Km (Hanna et al., 1982)
σ
y
(x)= R
y
x
ry
σ
z
(x) = R
z
x
rz
σ
y
(x) = exp[I
y
+ J
y
ln x + K
y
(ln x)
2
]
σ
z
(x) = exp [I
z
+ J
z
ln x + K
2
(ln x)
2
]
40
onde R
y
, R
z
, r
y
, e r
z
dependem da classe de estabilidade e do tempo médio. Alguns
coeficientes de dispersão, geralmente usados, incluindo os de Pasquill-Gifford (P-G), estão
resumidos na Tabela 2. Ambos os coeficientes de dispersão ASME e Klug podem ser
expressos pelas Equações 12 e 13. Embora a correlação de
σ
y
para os coeficientes P-G
possa ser expressa na equação 12, a correlação para
σ
z
requer uma forma de três
parâmetros.
[
]
2
))(ln(lnexp xKxJI
zzzz
++=
σ
Equação 14
Para σ
y
também a forma está na Tabela 2 para as correlações de P-G. Os três
conjuntos de coeficientes na Tabela 2 são baseados em diferentes dados. Escolhendo um
conjunto para uma aplicação particular, deve-se prestar atenção em usar o conjunto mais
representativo das condições de interesse.
2.6.1.3. Determinação dos Coeficientes de Dispersão no Modelo Estatístico de Gauss
Para utilização correta dos coeficientes de dispersão, se faz necessário estabelecer a
estabilidade atmosférica incorporando considerações sobre turbulência térmica e mecânica.
A turbulência mecânica é considerada pela velocidade do vento medida a 10 m de
altura, e a turbulência térmica positiva e negativa são consideradas pela irradiação solar
incidente e pela cobertura de nuvens, respectivamente. Tais critérios para estabelecer a
classe de estabilidade atmosférica em um dado momento estão demonstrados na Tabela 3
(Pasquill citado em Turner, 1994, apud Kawano, 2003).
Este método dá indicações representativas para áreas rurais, mas é menos confiável
para áreas urbanas. Esta diferença é devida primariamente à influência da superfície de
uma cidade e da formação de efeitos de ilhas calor (Turner, 1994, apud Kawano, 2003).
Os meteorologistas dividem o céu em oito seções, a fim de avaliar o grau de
cobertura por nuvens. Se quatro ou mais seções têm nuvens, considera-se céu nublado, se
são três ou menos se considera claro (Lora, 2002).
Tabela 3 - Definição da Estabilidade Atmosférica segundo Pasquill-Gifford
41
Velocidade do vento
m/s (a 10 m)
Dia
Noite
Radiação solar incidente
Forte Moderada Leve
Levemente
Nublado ≥ 4/8
Claro ou pouco
Nublado ≤ 3/8
0 à 2 A A-B B --- ---
2 à 3 A-B B C E F
3 à 5 B B-C C D E
5 à 6 C C-D D D D
> 6 C D D D D
Fonte: Turner, 1994.
Onde: A: muito instável
B: moderadamente instável
C: levemente instável
D: neutra
E: moderadamente estável
F: muito estável
2.7. Elevação da pluma
Outro parâmetro utilizado nos modelos de pluma gaussiana é a altura efetiva de
lançamento do poluente (H), que corresponde à soma da altura física da chaminé (h) e
altura de elevação da pluma
(∆H) como mostra a Equação 15. A altura de elevação da
pluma é definida como a distância vertical entre o topo da chaminé e a posição em que a
pluma assume a mesma direção do vento. Tal distância considera os efeitos de quantidade
de movimento vertical devido à velocidade vertical de saída da pluma, e do empuxo
térmico, no caso de gases lançados à temperatura diferente daquela do ar na descarga
(Levantamento 2005).
H = h +
∆H Equação 15
2.8. Influência da Estabilidade
A estabilidade da atmosfera pode ser definida como sendo a sua capacidade de
resistir ou intensificar os movimentos verticais. Quando ela resiste aos movimentos
verticais é chamada de atmosfera estável, quando intensifica os movimentos verticais é dita
atmosfera instável ou convectiva, e quando é indiferente a qualquer tipo de movimento
vertical é chamada atmosfera neutra. Através do perfil de temperatura potencial
(θ) na
vertical, pode-se determinar o grau de estabilidade da atmosfera, e cada tipo de
42
estabilidade atmosférica irá proporcionar uma melhor ou pior dispersão dos poluentes. A
temperatura potencial pode ser definida como a temperatura que uma parcela de ar teria, se
fosse trazida adiabaticamente de um determinado nível até o nível de 1000 mbar. O
conceito de temperatura potencial está intimamente relacionado com o conceito de
estabilidade estática, ou seja, um arranjo do fluido em que a porção mais leve fica acima da
porção mais pesada. Assim, de duas parcelas com
θ diferentes, aquela com maior θ será a
mais leve (Lemes e Moura apud Moraes & Maliska, 2001).
Portanto, o perfil vertical de temperatura próximo ao solo é um dos fatores que
mais influenciam a dispersão dos poluentes na atmosfera. Condições neutras são
caracterizadas pela ocorrência de um perfil vertical de temperatura adiabático
(aproximadamente constante com a altura). Essas condições ocorrem geralmente durante
as transições do dia para noite e vice-versa, em dias nublados, ou com fortes ventos (com
velocidades maiores do que 6 m/s). Em atmosferas neutras o aspecto da pluma assume uma
forma cônica (caso B), conforme mostra a Figura 9.
Nesses casos a turbulência pode ser considerada homogênea, com turbilhões de
mesmo tamanho aproximadamente, atuando em todas as direções. Condições instáveis ou
convectivas ocorrem durante o dia, com forte entrada de radiação (dias bastante
ensolarados). Essas condições proporcionam uma forte mistura vertical dos poluentes
provocada por movimentos convectivos organizados gerados pelo aquecimento solar da
superfície (Carvalho apud Moraes & Maliska, 2001). Em atmosferas convectivas, o
aspecto da pluma assume uma forma serpenteante (caso A). Diversos estudos de
observação e simulação revelaram a presença desses movimentos. Resultados obtidos por
Lamb (in: Moraes & Maliska, 2001), com um modelo de simulação de grandes vórtices
(Large Eddy Simulation), mostraram bem esse comportamento.
Condições estáveis são caracterizadas por um perfil superadiabático (aumento da
temperatura com a altura). Quando a parcela de ar, ao elevar-se na atmosfera, encontrar ar
circundante mais quente a sua tendência é descer. Em situações estáveis qualquer
movimento vertical é inibido. Logo, a turbulência convectiva não está presente e a única
turbulência atuante é a mecânica. O aspecto da pluma em uma atmosfera estável é tubular
(caso C). Sob essas condições, com ventos fracos, o poluente pode viajar a grandes
distâncias mantendo altas concentrações.
Existem ainda situações mistas, onde o perfil de temperatura sofre uma inversão
com a altura e a pluma pode ser, por exemplo, aprisionada nessa camada de inversão. É o
43
caso da fumigação (caso E), onde uma inversão de altura impossibilita a dispersão para
altitudes mais elevadas, enquanto que na camada abaixo o perfil é instável. Dessa forma, o
poluente é disperso em direção ao solo pelas correntes descendentes e os níveis de
Concentração ao nível do solo podem ser bem altos. Esse tipo de condição ocorre
geralmente pela manhã ou à noite.
Outra situação bem próxima da fumigação é a chamada trapping. Nesse caso a
atmosfera encontra-se em estado neutro e logo acima, na altura da pluma, uma camada de
inversão se forma. Assim os poluentes mais uma vez são aprisionados e se dispersam em
formato cônico (caso F). O inverso desse caso é a chamada condição do tipo antifumegante
(caso D), onde uma inversão localizada abaixo da altura da chaminé impede que os
poluentes cheguem ao solo (Moraes & Maliska, 2001).
2.9. Fatores que influenciam a dispersão dos poluentes atmosféricos
A dispersão dos poluentes atmosféricos, após serem emitidos por determinada fonte
de poluição, ocorre por uma interação complexa entre as características físicas da fonte
emissora, as características físico-químicas dos poluentes, as condições meteorológicas da
região e sua topografia (World Bank in: Philippi Jr, 2005). No caso de uma chaminé, por
exemplo, a pluma de poluentes, ao ser emitida, possui, muitas vezes, uma tendência
ascensional, em função de parâmetros do próprio efluente, das dimensões e características
da chaminé (altura, velocidade de lançamento e temperatura) e da influência dos
parâmetros meteorológicos no momento da emissão. Logo em seguida, a pluma adquirirá
um movimento transversal paralelo ao solo, acompanhado de difusão em torno de sua linha
central, que caracteriza o componente de difusão e transporte, conforme ilustra a (Figura
10) (Philippi Jr, 2005).
44
Figura 9 - Influência da estabilidade da atmosfera na forma da pluma (Boubel et al.
In: Moraes & Maliska, 2001)
Figura 10 - Dispersão esquemática da pluma
45
Os parâmetros meteorológicos são fundamentais para a dispersão dos poluentes. É
um fator primário que determina o efeito de diluição da atmosfera. Normalmente, é
necessário o levantamento da distribuição conjunta de classes de velocidade dos ventos e
categorias de estabilidade atmosféricas para as diversas direções do vento. Essa matriz é
utilizada como dado de entrada de diversos modelos (Derisio, 2000).
O movimento dos poluentes na atmosfera é determinado pelos seguintes fatores:
•
Turbulência mecânica provocada pelo vento na instabilidade direcional e de
velocidade;
•
Turbulência térmica resultante de parcelas de ar superaquecido que ascendem
da superfície terrestre, sendo substituídas pelo ar mais frio em sentido
descendente;
•
Topografia da região.
A concentração resultante na atmosfera varia de acordo com o ponto no espaço em
consideração, a quantidade e as condições de emissão e nos fatores citados anteriormente,
somados aos fatores de chuva e condições de inversão térmica. Resumindo, a
Concentração do poluente na atmosfera é função da quantidade e das condições de
emissão, das condições meteorológicas e da topografia (Uehara, 2003).
2.10. Altura de Mistura e Inversão Térmica
A altura que se estende desde o nível do solo até a base de uma camada estável,
uma região onde ocorre vigorosa mistura vertical é a altura de mistura.
A inversão térmica é um fenômeno em que, a certa altitude, ocorre uma inversão
algébrica do gradiente térmico da atmosfera (geralmente negativo). A camada de inversão
é a camada de ar da atmosfera onde ocorre o fenômeno de inversão térmica. Esta camada é
caracterizada pelas alturas de sua base e do seu topo e pela magnitude do gradiente
térmico, sempre positiva (ABNT NBR 8969, 1985).
Nos meses de inverno, sob condições de calmaria (ausência de ventos) e céu claro,
ocorre perda de calor por radiação durante a noite, o que faz com que o ar em contato com
o solo se resfrie e se torne mais denso do que a camada de ar imediatamente acima. Com o
aumento da camada fira, os gases e fumaças poluídos ficam então “presos” na interface de
uma camada quente e outra fria. A situação normal (queda da temperatura do ar com o
aumento de altitude) é assim revertida, o ar frio ficando abaixo de uma “tampa” de quente
46
e poluído, o que gera o fenômeno da dita inversão térmica, que surge acompanhada de
camadas de denso nevoeiro a baixa altitude (Hollanda et al., 1979, apdu Duchiade, 1992).
2.11. Modelos de Dispersão de Pluma Gaussiana
2.11.1. Gestão e Proteção da Qualidade do Ar
Moreira & Tirabassi (2004), descrevem que a gestão e a proteção da qualidade do
ar pressupõem o conhecimento do estado do ambiente. Tal conhecimento envolve um
aspecto propriamente cognitivo e um interpretativo. A rede de pesquisa, juntamente com o
inventário das fontes de emissão, é de fundamental importância para a construção do
quadro cognitivo, mas não do interpretativo. Na realidade, o controle da qualidade do ar
requer instrumento interpretativo capaz de extrapolar no espaço e no tempo os valores
medidos na posição dos analisadores. Enquanto a melhoria da atmosfera pode ser obtida
somente com planos que reduzam as emissões e, então, com instrumentos (como o modelo
matemático de dispersão na atmosfera) capazes de ligar a causa (a fonte) de poluição com
o efeito (a concentração. do poluente).
2.11.1.1. Modelo ISCST3
O modelo de dispersão ISCST3 (Industrial Source Complex - Short Term Version
3) é um modelo de pluma Gaussiana de estado estacionário que pode ser utilizado na
avaliação de concentrações de poluentes e/ou nos fluxos de deposição a partir de uma
grande variedade de fontes associadas a uma fonte industrial complexa.
Nos Estados Unidos, o ISCST3 foi substituído pelo AERMOD, no Brasil, o mesmo
ainda é recomendado especificamente com relação estudos de qualidade do ar, e
prognóstico da área de influência.
O modelo de dispersão ISCST3 da Agência de Meio Ambiente Norte Americana
(EPA) foi projetado para suportar as opções de regulamentação dos modelos, conforme
especificado nas diretrizes sobre os modelos de qualidade do ar (Ed. Revista). Algumas das
habilidades da modelagem com o ISCST3 incluem:
•
O modelo ISCST3 pode ser utilizado para modelar poluentes primários e emissões
contínuas de poluentes tóxicos e perigosos;
47
•
O modelo ISCST3 pode lidar com fontes múltiplas, incluindo os tipos ponto,
volume, área e cavidades abertas. Fontes lineares também podem ser modeladas
como fontes de corrente de volume ou áreas alongadas;
•
As taxas de emissão das fontes podem ser tratadas como constantes ou podem
variar por mês, estação, horário ou outros períodos opcionais, tanto para uma única
fonte ou para um grupo de fontes;
•
O modelo pode considerar os efeitos de downwash aerodinâmicos devido à
proximidade de edifícios com as emissões da fonte pontual;
•
O modelo contém algoritmos para modelar os efeitos de deposição e remoção
(através da deposição seca) de particulados grandes, bem como modelar os efeitos
das remoções por precipitação para gases ou particulados;
•
A localização de receptores pode ser especificada tanto em receptores em grade
e/ou discretos, num sistema de coordenadas polares ou cartesianos;
•
O ISCST3 incorpora os algoritmos de modelos de visualização de dispersão
COMPLEX 1 para receptores em terrenos complexos.
•
O modelo ISCTS3 utiliza dados meteorológicos em tempo real para considerar as
condições atmosféricas que afetam a distribuição dos impactos da poluição do ar na
área modelada;
•
Resultados de saída (output) para Concentração, deposição total, e fluxo de
deposição seca e/ou úmida.
Segundo Negri (2002), o modelo ISCST3 permite associar cenários climáticos
próximos da realidade física, sendo utilizado tanto pela comunidade acadêmica como pelas
agências nacionais e internacionais de controle ambiental. O cálculo de concentração de
poluentes permite a obtenção de resultados nas escalas espacial e temporal, os quais são
comparados posteriormente aos padrões vigentes no país (Resolução CONAMA nº
03/90).
O modelo aceita dados de entrada de mais de 500 fontes simultâneas tipo pontual e área e
gera cerca de mais de 1.500 receptores na superfície. Os receptores são distribuídos dentro
de uma grade cartesiana, cujas quadrículas aceitam áreas variáveis. Esse modelo permite
incorporação das fontes pontuais equivalentes e as fontes áreas estabelecidas para as fontes
móveis (veiculares) e agrícolas (queima de cana), por exemplo.
2.11.1.2. Modelo SCREEN
De acordo com a EPA (1995), o modelo SCREEN3 foi desenvolvido para fornecer
um método de simples manuseio para a obtenção de estimativas da concentração de
48
poluentes. Essas estimativas se baseiam no documento “Procedimentos de Visualização
para Estimativas do Impacto da Qualidade do Ar de Fontes Estacionarias”.
A versão SCREEN3 3.0 do modelo SCREEN pode fornecer todos os cálculos em
curto prazo de uma única fonte, no documento de procedimentos de visualização da EPA,
incluindo:
•
Estimativa de concentrações máximas ao nível do solo e a distância até o valor
máximo;
•
Incorporação dos efeitos de “building downwash” nas concentrações máximas tanto
nas laterais próximas como nas mais distantes regiões;
•
Estimativa de concentrações na zona de recirculação de cavidade;
•
Estimativa de concentrações devido à quebra de inversão e fumigação no litoral;
•
Determinação da elevação da pluma para liberação dos gases de queimadores;
•
Incorporação dos efeitos da simples elevação do terreno nas concentrações
máximas;
•
Estimativa de concentrações médias de 24 horas devido ao impacto da pluma em
terreno complexo, por meio da utilização do procedimento de visualização de 24
horas, usando o modelo VALLEY;
•
Modelagem de fontes de área simples utilizando uma abordagem de integração
numérica;
•
Pode ser usado para modelagem dos efeitos de fontes de volume simples usando
um procedimento de fonte pontual virtual;
•
Cálculo da Concentração máxima, a qualquer distância especificada pelo usuário
em terreno plano ou elevado simples, incluindo distâncias até 100 km para
transportes de longo alcance.
•
Exame de uma ampla faixa de condições meteorológicas, incluindo todos os tipos
de classes de estabilidade e velocidade eólica para calcular os impactos máximos;
•
Inclusão dos efeitos da dispersão induzida pela força ascencional (buoyancy-
induced dispersion (BID);
•
Cálculo explícito dos efeitos de reflexões múltiplas da pluma tanto fora da inversão
elevada como acima do solo;
•
Quando calcula concentrações abaixo das condições limites da mistura;
O modelo SCREEN3 não será capaz de realizar o seguinte:
49
•
Determinar explicitamente os impactos máximos a partir de múltiplas fontes,
excetuando-se os procedimentos de manipulação de múltiplas fontes próximas, pela
fusão das emissões em uma única chaminé “representativa”.
Nota: À exceção da estimativa de 24 horas para impactos em terrenos complexos, os
resultados do SCREEN3 são estimados para concentrações máximas de 1 hora.
O modelo SCREEN foi desenvolvido para se obter a concentração de poluentes no
nível do solo em regiões onde não existam dados meteorológicos disponíveis. Portanto, é
de grande utilidade para a estimativa da concentração de poluentes em regiões carentes de
informações. Apresenta resultados de concentração de poluentes superestimados,
vinculados à classe de estabilidade atmosférica mais crítica. Contudo, no caso de
disponibilidade de dados meteorológicos locais, o modelo SCREEN possibilita diretamente
a entrada dessas informações. Tem como principal limitação a incorporação de apenas uma
fonte pontual, não tendo a representação de fontes tipo área. Neste caso, as fontes móveis e
agrícolas devem ser distribuídas na área típica.
Com o advento e multiplicação dos computadores pessoais, muitos modelos foram
desenvolvidos utilizando os métodos de diferenças finitas ou métodos de elementos finitos.
Os modelos são desenvolvidos em parceria com Universidades e Instituições de
Pesquisas Atmosféricas na linguagem de programação Fortran e divulgados no sistema
Disk Operating System (DOS). Todos os modelos da USEPA são gratuitos e
disponibilizados em seu site, após vários testes de laboratório, campo e computacional.
Não são disponibilizados para o sistema operacional Windows.
À medida que uma empresa se interessa em comercializar um modelo com interface
gráfica para o sistema operacional Windows, é necessário que haja autorização da USEPA,
porque ela é detentora dos direitos do programa fonte. A interface gráfica possibilita a
utilização integrada, linguagem acessível, fácil entrada e modificação de dados, assim
como visualização gráfica dos resultados.
50
3. METODOLOGIA
3.1. Dados de Entrada dos Modelos
Os dados de entrada para o processamento do modelo foram cedidos pelas
Indústrias Nucleares do Brasil (INB), Resende - RJ.
O levantamento topográfico em torno da INB cujo raio foi de 1,7 Km utilizou-se a
base de cartas topográficas digitais terrestre da Missão SRTM (Shuttle Radar Topography
Mission), (U.S. Geological Survey, 2007). Embora este raio seja inferior a área de
influência da empresa, os resultados obtidos evidenciaram valores baixos no limite desta
área.
As informações das edificações (altura, comprimento e largura) e das chaminés
(diâmetro, altura, taxa de emissão, velocidade e temperatura de saída dos gases), Tabela 4,
foram disponibilizados através dos desenhos de projeto e relatório de amostragem das
chaminés.
Uma foto aérea georeferenciada (Figuras 11 e 12) foi utilizada como forma de
ilustrar o caminho percorrido pela pluma e o reconhecimento dos pontos de concentração
na região de interesse, cuja escala é 1:57.901
Foi pré-processado um arquivo meteorológico para uso no ISCST3 com base de
dados meteorológicos médios horários coletados pela torre meteorológica, no período de
2006.
Tabela 4 - Dados de Entrada do Modelo ISCST3
LOCALIZAÇÃO DA FONTE E CHAMINÉS
PARÂMETROS DE LIBERAÇÃO Pó e Pastilha Secador Spray
Coordenada UTM X [m] 536983,16 537159,84
Coordenada UTM Y [m] 7511316,69 7511314,63
Altura de liberação dos gases [m] 35 20
Taxa de emissão [g/s] 1,0 1,0
Temperatura de saída dos gases [K] 292,1 323
Diâmetro interno da chaminé [m] 1,6 0,48
Velocidade de saída dos gases [m/s] 18,1 8,5
Vazão de saída dos gases [m
3
/s] 36,39 1,54
51
Coordenadas da Torre Meteorológica em UTM
Zona: 23 (W 48 para W 42) (Sul)
Coordenada X [m] 536412,15 Coordenada Y [m] 7511464,40
1º GRADE CARTESIANA
121 Receptores
Eixo X Eixo Y
Coordenada SW [m] 536000 7510800
Numero de pontos 45 45
Espaço [m] 200 200
Extensão [m] 8800 8800
2º GRADE CARTESIANA
2025 Receptores
Eixo X Eixo Y
Coordenada SW [m] 532000 7507000
Numero de pontos 11 11
Espaço [m] 100 100
Extensão [m] 1000 1000
Figura 11 - Site da INB ao centro e região
Represa
do Funil
Engenheiro
Passos
INB
Nhangapi
R.P.D.
Sentido
S.P./R.J.
52
Figura 12 - Fábrica do Elemento Combustível (FCN), Enriquecimento (FEU) de
Urânio e Pó e Pastilha (FPP), Administração (ADM) e Torre Meteorológica (TM).
3.2. Região Circunvizinha da INB
Abrangendo um raio de até 4 Km do local de instalação da INB no município de
Resende, a Área de Interesse Especial contempla cerca de 5 unidades rurais fronteiriças ao
imóvel, incluindo 2 hotéis na localidade de Engenheiro Passos e respectiva vila da
COHAB (Resende). O município de Resende, com área de 1.155 km
2
, limita-se ao Norte
com o Estado de Minas Gerais, ao Sul e a Oeste com o Estado de São Paulo. Nesta região,
o tráfego de veículos na Rodovia Presidente Dutra (BR-116) apresenta um fluxo diário de
aproximadamente 145.000 veículos pedagiados, dos quais 57% veículos de passeio e 43%
caminhões e ônibus. Itatiaia, antigo distrito de Resende, com área de 248 km
2
, limita-se ao
Norte com Minas Gerais, ao Sul com São Paulo, a Leste com Resende e a Oeste com
Minas Gerais e São Paulo. No Vale do Paraíba Paulista, o município de Queluz, com 243
km
2
, limita-se a Oeste com o Estado do Rio de Janeiro (Resende) e ao Norte com Minas
Gerais. Com 316 km
2
, o município de Areias limita-se com o Estado do Rio de Janeiro
(Resende) e Queluz ao Norte, com Silveiras a Leste, a Oeste com São José do Barreiro e ao
Sul com Cunha. O município de São José do Barreiro, com 710 km
2
, limita-se ao Norte
F.C.N
F.P.P
F.E.U
T.M
ADM.
53
com o município de Resende (RJ), a Leste com Bananal (SP), ao Sul com Cunha, a Oeste
com Areias (SP) e a Sudeste com Paraty e Angra dos Reis (EIA/RIMA-INB, 1998).
3.3. Área de influência
A partir da caracterização técnica preliminar do empreendimento, a área de
influência está definida em dois níveis: uma área de influência indireta que cobre os
municípios de Resende, Itatiaia, São José do Barreiro, Areias e Queluz, analisada do ponto
de vista geobiofísico em escala 1:100.000 e no contexto ecológico e sócio-econômico da
região do médio Paraíba; e uma área de influência direta, ou área de interesse especial,
definida como o entorno imediato do empreendimento nos municípios de Itatiaia, Resende
e Queluz, analisada em escalas de 1:50.000 e mais e objeto de pesquisas diretas de campo
(EIA/RIMA-INB, 1998).
3.4. Recursos d’água superficial da INB
Os recursos d’água superficial da INB compõem-se, principalmente, pelas águas da
represa do Funil, o ribeirão da Água Branca e numerosos pequenos cursos d’água locais,
afluentes tanto do ribeirão como da represa.
O reservatório do Funil é um corpo d’água artificial construído na década de 60
com a finalidade de geração de energia elétrica. O rio Paraíba do Sul é, evidentemente, o
principal tributário do reservatório do Funil, que também recebe a contribuição de
inúmeros ribeirões, córregos e outros cursos menores, destacando-se os ribeirões
Vermelho, Santana e Barreiro.
A usina hidroelétrica do Funil, situada no município de Itatiaia/RJ, na divisa dos
Estados do Rio de Janeiro e São Paulo, foi construída no final da década de 1960, com uma
potência nominal de 210 MW, obtida através das suas três unidades geradoras.
O lago formado ocupa uma superfície de 40 km
2
, com capacidade para armazenar
um volume de 890 milhões de m
3
de água na sua cota máxima de operação. O formato do
reservatório é tentacular, com um canal central e dois braços secundários. A profundidade
máxima é de 70 m nas proximidades da barragem, sendo a sua profundidade média de 22,2
m.
54
As águas do reservatório provêm, principalmente, do rio Paraíba do Sul, com
pequenas contribuições de outros cursos d’água, tais como os ribeirões Santana, Vermelho
e Barreiro, todos com as nascentes em território paulista.
O rio Paraíba do Sul alcança o reservatório com uma vazão média anual da ordem
de 200 m
3
/s, após atravessar uma das regiões mais industrializadas do país e com elevada
taxa de crescimento urbano. Sua bacia hidrográfica cobre uma superfície de 16.680 km
2
, a
maior parte situada no Estado de São Paulo. Conforme a CETESB, o vale do Paraíba no
Estado de São Paulo ocupa 31 municípios, sendo que os situados no médio vale do Paraíba
apresentam alta densidade demográfica devido à estruturação das atividades econômicas
em consonância com as facilidades locais e acessos viários.
3.5. Influência da Topografia
A topografia influencia a dispersão dos poluentes por ocasionar variação na
direção/velocidade do vento.
A área da INB possui (Figuras 13 e 14), na sua parte leste, uma topografia
essencialmente pouco acidentada, constituída por terrenos aplainados, em virtude de terem
sido utilizados como áreas de empréstimo, quando da construção da barragem auxiliar de
Nhangapi da represa do Funil. Na sua porção leste e sul, a área apresenta uma topografia
ondulada, com altitudes variando de 450 a pouco mais de 600 m. A porção extremo leste
da área está numa cota inferior a da crista da barragem, que é de 469,5 m.
O local está situado na parte meridional da região geologicamente denominada
Bacia de Resende. Ao norte, situa-se o maciço do Itatiaia, que constitui as grandes altitudes
da região, atingindo cotas superiores a 2.500 m. Ao sul, ocorre uma faixa acidentada de
terreno, com altitudes máximas variando entre 530 e 615 m.
55
Figura 13 - Curva de nível da região ao redor da INB
Figura 14 - Visão tridimensional da topografia ao redor da INB
56
3.6. Meteorologia
A partir dos eventos médios horários analisados e considerados válidos no período
do ano de 2006 (total de 8760 horas), (Gráfico 1 e 2), foram concluídas as seguintes
observações:
•
Eventos Calmos - 0,41 % (36);
•
Classe de Estabilidade (A), eventos observados durante condições fortemente
instáveis - 1,2 % (105,12);
•
Classe de Estabilidade (B), eventos observados durante condições moderadamente
instáveis - 7,3 % (640);
•
Classe de Estabilidade (C), eventos observados durante condições ligeiramente
instáveis - 10,1 % (885);
•
Classe de Estabilidade (D), eventos observados durante condições neutras - 53,9
% (4722);
•
Classe de Estabilidade (E), eventos observados durante condições ligeiramente
estáveis - 12,1 % (1060);
•
Classe de Estabilidade (F), eventos observados durante condições moderadamente
estáveis - 14,9 % (1305,24).
Gráfico 1 - Distribuição da freqüência por classe de vento
Os valores mostrados nas Figuras 15 e 16 em função do setor radial de direção do
vento originam-se a rosa-dos-ventos observada no sítio da INB no período de 2006,
57
analisado por velocidade do vento e classe de estabilidade, respectivamente. Assim,
conclui-se eu o efeito da canalização, direção predominante Leste, baixa contribuição de
ventos Norte e do Sul, velocidade média do vento 2,54 m/s e 0,41 % dos ventos são
calmos.
Gráfico 2 - Distribuição da Freqüência por Classe de Estabilidade
Figura 15 - Rosa dos Ventos
58
Figura 16 - Rosa dos Ventos por classe de estabilidade
As Tabelas 5 e 6 apresentam a distribuição das freqüências combinadas da velocidade e
direção do vento por contagem e normalizada.
Tabela 5 - Distribuição da Freqüência (Contagem)
Direção do Vento 0,5 - 2,1 2,1- 3,6 3,6 - 5,7 5,7 - 8,8 8,8 - 11,1 ≥ 11,1 Total
348,75 - 11,25 82 1 0 0 0 0 84
11,25 - 33,75 69 3 1 0 0 0 73
33,75 - 56,25 101 20 6 1 0 0 128
56,25 - 78,75 257 158 179 42 0 0 636
78,75 - 101,25 688 737 864 169 0 0 2458
101,25 - 123,75 603 537 263 15 0 0 1418
123,75 - 146,25 343 80 13 1 0 0 437
146,25 - 168,75 250 53 2 1 0 0 306
168,75 - 191,25 124 9 1 0 0 0 134
191,25 - 213,75 53 5 2 0 0 0 60
213,75 - 236,25 72 8 3 0 0 0 83
CLASSE DE ESTABILDADE
59
236,25 - 258,75 118 21 16 0 0 0 155
258,75 - 281,25 537 77 37 0 0 0 651
281,25 - 303,75 1088 90 39 1 0 0 1218
303,75 - 326,25 623 35 20 2 0 0 680
326,25 - 348,75 187 16 0 0 0 0 203
Sub-Total: 5196 1850 1446 232 0 0 8724
Calmos: 36
Total:
8760
Tabela 6 - Distribuição da Freqüência (Normalizada)
Direção do Vento 0,5 - 2,1 2,1- 3,6 3,6 - 5,7 5,7 - 8,8 8,8 - 11,1 ≥ 11,1 Total
348,75 - 11,25 0,00948 0,00011 0 0 0 0 0,00959
11,25 - 33,75 0,00788 0,00034 0,00011 0 0 0 0,00833
33,75 - 56,25 0,01153 0,00228 0,00069 0,00011 0 0 0,01461
56,25 - 78,75 0,02934 0,01804 0,02043 0,00480 0 0 0,07260
78,75 - 101,25 0,07854 0,08413 0,09863 0,01929 0 0 0,28059
101,25 - 123,75 0,06884 0,06130 0,03002 0,00171 0 0 0,16187
123,75 - 146,25 0,03916 0,00913 0,00148 0,00011 0 0 0,04989
146,25 - 168,75 0,02854 0,00605 0,00023 0,00011 0 0 0,03493
168,75 - 191,25 0,01416 0,00103 0,00011 0 0 0 0,01530
191,25 - 213,75 0,00605 0,00057 0,00023 0 0 0 0,00685
213,75 - 236,25 0,00822 0,00091 0,00034 0 0 0 0,00948
236,25 - 258,75 0,01347 0,00240 0,00183 0 0 0 0,01769
258,75 - 281,25 0,06130 0,00879 0,00422 0 0 0 0,07432
281,25 - 303,75 0,12420 0,01027 0,00445 0,00011 0 0 0,13904
303,75 - 326,25 0,07112 0,00400 0,00228 0,00023 0 0 0,07763
326,25 - 348,75 0,02135 0,00183 0 0 0 0 0,02317
Sub-Total: 0,99589
Calmos: 0,00411
Total:
1,00000
60
4. RESULTADOS E DISCUSSÃO
Com o objetivo de estimar concentrações de particulados totais em suspensão,
levando em consideração dados de topografia e edificações no processamento do cálculo
de dispersão de plumas em um tempo de exposição de 1 hora (cenário mais crítico - Caso
Base) para emissão das chaminés da Fábrica de Pó e Pastilha (FPP) e Secador Spray (SS),
foram processados no ISCST3 as médias aritméticas das concentrações horárias
(isoconcentrações ou isopletas) deste período com diferentes cenários apresentados nas
(Figuras 17, 18, 19 e 20).
61
A Figura 17 apresenta os resultados levando-se em consideração a influência das
edificações, relevo e das duas chaminés em estudo, para material particulado, com
resultados mais conservadores de 1 hora.
Figura 17 - Concentração Máxima de MP para as chaminés FPP e SS, 470,9 µg m
-3
,
Média 1 hora - Caso Base
62
A Figura 18 apresenta os resultados do processamento levando em consideração a
presença das edificações e a ausência da topografia.
Figura 18 - Concentração. Máxima de MP para as chaminés FPP e SS, 537,7 µg m
-3
,
Média 1 hora (com edificações e sem relevo)
Os perfis das concentrações, do processamento com a ausência da topografia e
presença das edificações, indicaram circulações locais em torno dos prédios o que propicia
o aumento das concentrações em áreas mais próximas dos prédios.
63
A Figura 19 apresenta os resultados do processamento levando em consideração a
ausência das edificações e a presença da topografia.
Figura 19 - Concentração Máxima de MP para as chaminés FPP e SS, 225,1 µg m
-3
,
Média 1 hora (sem edificações e com relevo)
64
A Figura 20 apresenta os resultados do processamento levando em consideração a
ausência das edificações e da topografia.
Figura 20 - Concentração Máxima de MP para as chaminés FPP e SS, 153,4 µg m
-3
,
Média 1 hora (sem edificações e sem relevo)
A distribuição da concentração, do processamento com a ausência da topografia e
das edificações, está diretamente condicionada à distribuição do campo de ventos em torno
da INB.
65
As Figuras 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27 e 28 apresentam os resultados de
isoconcentrações de particulados totais em suspensão em um tempo de exposição de 1 hora
(cenário mais crítico - Caso Base) por chaminé.
Os perfis de concentração da Chaminé da Fábrica de Pó e Pastilhas, levando em
consideração a presença da topografia e das edificações, estão apresentados na Figura 21.
Figura 21 - Concentração Máxima de MP para a chaminé FPP, 107,3 µg m
-3
, Média 1
hora (com edificações e com relevo)
66
Os perfis de concentração da Chaminé do Secador Spray, levando em consideração
a presença da topografia e das edificações, estão apresentados na Figura 22.
Figura 22 - Concentração Máxima de MP para a chaminé SS, 470,9 µg m
-3
, Média
1hora (com edificações e com relevo)
67
Os perfis de concentração da Chaminé da Fábrica de Pó e Pastilhas, levando em
consideração a ausência da topografia e presença das edificações, estão apresentados na
Figura 23.
Figura 23 - Concentração Máxima de MP para a chaminé FPP, 36,5 µg m
-3
, Média
1hora (com edificações e sem relevo)
68
Os perfis de concentração da Chaminé do Secador Spray, levando em consideração
a ausência da topografia e presença das edificações, estão apresentados na Figura 24.
Figura 24 - Concentração Máxima de MP para a chaminé SS, 537,7 µg m
-3
, Média
1hora (com edificações e sem relevo)
69
Os perfis de concentração da Chaminé da Fábrica de Pó e Pastilhas levando em
consideração a presença da topografia e ausências das edificações estão apresentadas na
Figura 25.
Figura 25 - Concentração Máxima de MP para a chaminé FPP, 107,3 µg m
-3
, Média
1hora (sem edificações e com relevo)
70
Os perfis de concentração da Chaminé do Secador Spray, levando em consideração
a presença da topografia ausência das edificações, estão apresentados na Figura 26.
Figura 26 - Concentração Máxima de MP para a chaminé SS, 223,4 µg m
-3
, Média
1hora (sem edificações e com relevo)
71
Os perfis de concentração da Chaminé da Fábrica de Pó e Pastilhas, levando em
consideração ausência da topografia e das edificações, estão apresentados na Figura 27.
Figura 27 - Concentração Máxima de MP para a chaminé FPP, 16,7 µg m
-3
, Média
1hora (sem edificações e relevo)
72
Os perfis de concentração da Chaminé do Secador Spray, levando em consideração
a ausência da topografia e das edificações, estão apresentados na Figura 28.
Figura 28 - Concentração Máxima de MP para a chaminé SS, 148,4 µg m
-3
, Média
1hora (sem edificações e relevo)
73
Com base nos resultados de concentração máxima da Tabela 7, a concentração
integrada das chaminés é resultante da superposição das duas plumas a uma determinada
distância das chaminés. No entanto, isso não representa o somatório da concentração das
duas chaminés.
Tabela 7 - Concentração Máxima de Material Particulado, Média de 1 hora - ISCST3
Figuras
Identificação Conc. *Localização **Distância
Cenário
das Chaminés
[µg m
-3
]
UTM x e y [m] [m]
Figura 17 FFP e SS 470,9 537000 e 7511200 128,5 184,0 Com relevo e com prédios
Figura 18 FFP e SS 537,7 537200 e 7511400 251,3 100,1 Sem relevo e com prédios
Figura 19 FFP e SS 225,1 536200 e 7511700 849,5 1012,4 Com relevo e sem prédios
Figura 20 FFP e SS 153,4 536500 e 7510900 625,3 764,9 Sem relevo e sem prédios
Figura 21 FFP 107,3 537400 e 7512200 981,2
Com relevo e com prédios
Figura 22 SS 470,9 537000 e 7511200 184,0
Figura 23 FFP 36,5 537000 e 7511100 225,9
Sem relevo e com prédios
Figura 24 SS 537,7 537200 e 7511400 100,1
Figura 25 FFP 107,3 537400 e 7512200 981,2
Com relevo e sem prédios
Figura 26 SS 223,4 536200 e 7511700 1012,4
Figura 27 FFP 16,7 538200 e 7510800 1344,7
Sem relevo e sem prédios
Figura 28 SS 148,4 536500 e 7510900 764,9
Pelo Gráfico 3, observa-se que o relevo e principalmente os prédios influenciam
diretamente no aumento da concentração. Conseqüentemente, a ausência do relevo e em
especial dos prédios evidenciam a redução da concentração.
Gráfico 3 - Análise Gráfica das Figuras 17, 18, 19 e 20
0
100
200
300
400
500
600
Concentração [mg/m
3
]
Com relevo e
com prédios
Sem relevo e
com prédios
Com relevo e
sem prédios
Sem relevo e
sem prédios
Cenários
Pó e Pastilha e Secador Spray
74
No Gráfico 4, a distância de deposição da concentração máxima ratifica que o
relevo e preponderante os prédios influenciam na distância de deposição do poluente
próximo as instalações.
Gráfico 4 - Análise Gráfica das Figuras 17, 18, 19 e 20
0,0
200,0
400,0
600,0
800,0
1000,0
1200,0
Distância de
Deposição [m]
Com relevo e
com prédios
Sem relevo e
com prédios
Com relevo e
sem prédios
Sem relevo e
sem prédios
Cenários
Pó e Pastilha Secador Spray
No cenário sem relevo e com prédios (Gráfico 4), observa-se também, que os
prédios influenciam na distância de deposição do efluente gasoso do Secador Spray,
depositando-se próximo da fonte devido a direção predominante do vento na saída da
chaminé e de encontro com os prédios da fábrica de Pó e Pastilha.
Os demais cenários (Gráfico 4) confirma-se que a distância de deposição da
Concentração de máxima da chaminé da fábrica de Pó e Pastilha é menor que a do Secador
Spray, sendo a vazão de saída dos gases, o principal fator que contribui para esse
acontencimento.
No Gráfico 5, consolida-se que a concentração máxima está diretamente
proporcional a configuração da fonte e observa-se também que os prédios não influenciam
na concentração máxima do efluente da fábrica de Pó e Pastilha.
75
Gráfico 5 - Análise Gráfica das Figuras 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27 e 28
0
100
200
300
400
500
600
Concentração [mg/m3]
Com relevo e
com prédios
Sem relevo e
com prédios
Com relevo e
sem prédios
Sem relevo e
sem prédios
Cenários
Pó e Pastilha Secador Spray
A distância de deposição (Gráfico 6), confirma que a influência dos prédios sobre a
concentração máxima é maior para a chaminé da fábrica de Pó e Pastilha. Observa-se
também que os prédios não influenciam na distância de deposição da concentração máxima
do efluente da fábrica de Pó e Pastilha.
Gráfico 6 - Análise Gráfica das Figuras 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27 e 28
0,0
200,0
400,0
600,0
800,0
1000,0
1200,0
1400,0
Distância de
Deposição [m]
Com relevo e
com prédios
Sem relevo e
com prédios
Com relevo e
sem prédios
Sem relevo e
sem prédios
Cenários
Pó e Pastilha Secador Spray
76
A distância (Gráfico 6) onde é observada a concentração máxima (Gráfico 5) é
inversamente proporcional à própria concentração. Ou seja, quanto maior a distância que a
pluma percorre, maior será seu espalhamento nas direções y e z (vertical e horizontal), e
com isso os poluentes serão diluídos. Conclui-se que um estudo preliminar antes da
implantação de um empreendimento, que fará uso de uma chaminé para a dispersão de
poluentes é de grande importância. Este estudo possibilitará indicar que, na direção
predominante do vento, não deve haver obstáculos, como edificações e relevo acidentado,
para a pluma poder percorrer um caminho livre e não formar regiões de estagnações,
possibilitando assim a diluição dos poluentes.
Levando em consideração o cenário completo de emissões, as figuras 29, 30, 31 e
32, evidenciam as médias aritméticas das concentrações de particulados totais em supensão
para períodos curtos de exposição 1, 3, 12, 24 horas. O cálculo para períodos 3, 12 e 24
horas são médias aritiméticas da concentração horária desses períodos. Consequentemente,
quanto maior o período menor é a concentração, por isso o período de 1 hora é o caso mais
crítico. Média anual (Figura 33) é calculada a média horária durante um ano.
77
Figura 29 - Concentração Máxima de MP para as chaminés FPP e SS, 470,9 µg m
-3
,
Média 1 hora - Caso Base
78
Figura 30 - Concentração Máxima de MP para as chaminés FPP e SS, 236,0 µg m
-3
,
Média 3 horas
79
Figura 31 - Concentração Máxima de MP para as chaminés FPP e SS, 96,1 µg m
-3
,
Média 12 horas
80
Figura 32 - Concentração Máxima de MP para as chaminés FPP e SS, 72,5 µg m
-3
,
Média 24 horas
81
Figura 33 - Concentração Máxima de MP para as chaminés FPP e SS, 16,4 µg m
-3
,
Média Anual
Os resultados de concentração observados na Tabela 8 ratificam que quanto maior o
período de exposição menor é a concentração. No entanto, a distância de deposição do
poluente em relação ao período de exposição não segue uma correlação, porque um
parâmetro é independente do outro.
82
Tabela 8 - Concentração Máxima de Material Particulado, Média de 1, 3, 12, 24 horas e
Anual
Figuras Período
Identificação Concentração Localização Distância Cenário
das Chaminés
[µg m
-3
]
UTM x e y [m] [m]
Figura 29 1
FFP e SS
470,9 537000 e 7511200 128,5 e 184,0
Com relevo e
com prédios
Figura 30 3 236,0 536900 e 7511400 98,6 e 251,5
Figura 31 12 96,1 536900 e 7511200 136,8 e 267,6
Figura 32 24 72,5 536800 e 7511200 202,3 e 359,6
Figura 33 Anual 16,4 537000 e 7511300 45,0 e 140,3
O ISCST3 é um software de alta complexidade, para sua utilização, muitos dados
são necessários e nem sempre estão disponíveis, requer treinamento adequado para quem
vai utilizá-lo, e algumas simplificações podem ser feitas pelo o uso do SCREEN.
A comparação entre os softwares (ISCST3 e SCREEN), foi realizada indicando se
realmente existe a possibilidade de substituir o ISCST3 pelo SCREEN. Foi realizado o
processamento do SCREEN, com base no cenário que evidenciou melhor similaridade
(sem relevo e sem edificações).
O processamento no SCREEN, em função de sua limitação, foi realizado
idividualmente para cada chaminé, conforme observado nas Gráficos 7 e 8.
Gráfico 7 - Concentração Máxima de MP para chaminé FPP, 19,0 µg m
-3
, Média Horária
83
Gráfico 8 - Concentração Máxima de MP para chaminé SS, 191,7 µg m
-3
, Média Horária
Os resultados de concentração máxima de material particulado e distância de
deposição são apresentados na Tabela 9, confrontando os sfotwares ISCST3 e SCREEN.
Tabela 9 - Comparação dos resultados obtidos com o ISCST3 e SCREEN (sem relevo e
prédio)
Chaminé
Conc. (
µ
g m
-3
)
Distância (m)
ISCST3 SCREEN ISCST3 SCREEN
FPP 16,7 (Fig. 27) 19,0 1344,7 (Fig. 26) 1340
SS 148,4 (Fig. 28) 191,7 764,9 (Fig. 27) 780
As diferenças não são tão grandes quando se deixa de considerar as edificações e o
relevo. O erro foi de 13,8 % para concentração da chaminé da fábrica de pó e pastilha e
29,2 % para chaminé do secador spray.
Espereva-se que o resultado do SCREEN fosse realmente maior devido sua
característica mais conservativa em relação ao ISCST3. No entanto, menos preciso
comparado ao ISCST3, pois o mesmo é um modelo mais sofisticado.
84
5. CONCLUSÕES
O cálculo de dispersão de plumas atmosféricas a partir de modelos gaussianos é um
instrumento de estudo simplificado da realidade e passível de uma série de críticas,
segundo os pontos de vista teórico e de aplicação prática. Todavia, tal modelo tem sido
aceito como uma ‘ferramenta de trabalho’ em estudos de avaliação para a emissão de
fontes fixas, pois serve para ilustrar comparativamente diferentes cenários de emissão de
poluentes. Além disso, não existe um ganho significativo de informação gerado pela
aplicação de modelos mais sofisticados se não existirem dados adequados para o uso de
tais modelos. Portanto, aplicação do modelo de ‘pluma gaussiana’ deve ser considerada em
função dos objetivos da análise em questão, dos recursos disponíveis e das condições
locais existentes.
No caso específico da INB, observou-se uma grande influencia das edificações e do
relevo no resultado final dos cálculos, tanto no alcance da pluma como nas concentrações
máximas obtidas.
Uma comparação entre o ISCST3 e o SCREEN indicou que é possível usar esta
ferramenta simplificada para estimar os efeitos de uma fonte fixa na INB.
Neste trabalho não foram consideradas as influências dos corpos de água no
entorno da INB, que certamente tem relativa influência no cálculo.
Por questão de sigilo, as taxas de emissões dos poluentes foram usadas
parametrizadas, mas que não influenciam na forma da pluma e de seu alcance, bastando
multiplicar a taxa de emissão pelo respectivo fator de correção e conseqüentemente as
concentrações obtidas.
85
6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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Emissões Atmosféricas.
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CIMORELLI, A. J.; VENKATRAM, A.; Weil, J.C.; PAINE, R. J.; WILSON, R.B.; LEE,
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Editora, 2000.
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using a modified Gaussian model”, Atmosphere Environment; 38; 821-831.
86
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Mecânica. Professor Clóvis Raimundo Maliska, Universidade Federal de Santa Catarina.
Florianópolis, dez./2001.
MOREIRA, D.; TIRABASSI, T. Modelo Matemático de Dispersão de Poluentes na
Atmosfera: um instrumento técnico para a gestão ambiental.
Ambiente & Sociedade. v.
7, n. 2, p. 159-173, jul./dez., 2004.
NATIONAL INSTITUTE OF WATER AND ATMOSPHERIC RESEARCH.
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Practice Guide for Atmospheric Dispersion Modelling. Nova Zelândia, jun./2004.
Disponível em: <http://www.mfe.govt.nz>. Acesso em 04 nov., 2005.
PANOFSKY, H.A.; DUTTON, J.A.; 1984; “Atmospheric turbulence: Models and methods
for engineering applications.”; Johan Wiley and Sons; 417 pg.
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desenvolvimento sustentável. São Paulo: Manole, 2005.
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Dispersão Atmosférica. Disponível em: <http://www.maxwell.lambda.ele.puc-
rio.br/cgibin/PRG_0599.EXE/5174_3,PDF?NrOcoSis=13311&CdLinPrg=pt>.
Certificação Digital nº 9925056/CA. Acesso em 10 nov., 2005.
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STERN, A. C. (Ed.).
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ed. New York: Academic Press, 1976. v.1.
87
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model for regulatory applications”; Atmosphere Environment; 35; 4211-4221.
88
APÊNDICE 1 – ARQUIVO DE SAÍDA DO SCREEN DA CHAMINÉ DA FPP
10/23/06
19:34:02
*** SCREEN3 MODEL RUN ***
*** VERSION DATED 96043 ***
C:\SCREEN\Ch-a.scr
SIMPLE TERRAIN INPUTS:
SOURCE TYPE = POINT
EMISSION RATE (G/S) = 1.00000
STACK HEIGHT (M) = 35.0000
STK INSIDE DIAM (M) = 1.6000
STK EXIT VELOCITY (M/S)= 18.1000
STK GAS EXIT TEMP (K) = 292.1000
AMBIENT AIR TEMP (K) = 290.4000
RECEPTOR HEIGHT (M) = .0000
URBAN/RURAL OPTION = RURAL
BUILDING HEIGHT (M) = .0000
MIN HORIZ BLDG DIM (M) = .0000
MAX HORIZ BLDG DIM (M) = .0000
THE NON-REGULATORY BUT CONSERVATIVE BRODE 2 MIXING HEIGHT OPTION WAS SELECTED.
THE REGULATORY (DEFAULT) ANEMOMETER HEIGHT OF 10.0 METERS WAS ENTERED.
BUOY. FLUX = .661 M**4/S**3; MOM. FLUX = 208.450 M**4/S**2.
*** STABILITY CLASS 3 ONLY ***
*** ANEMOMETER HEIGHT WIND SPEED OF 1.00 M/S ONLY ***
**********************************
*** SCREEN AUTOMATED DISTANCES ***
**********************************
*** TERRAIN HEIGHT OF 0. M ABOVE STACK BASE USED FOR FOLLOWING DISTANCES ***
DIST CONC U10M USTK MIX HT PLUME SIGMA SIGMA
(M) (UG/M**3) STAB (M/S) (M/S) (M) HT (M) Y (M) Z (M) DWASH
------- ---------- ---- ----- ----- ------ ------ ------ ------ -----
100. .3442E-03 3 1.0 1.1 115.0 111.65 23.01 20.73 NO
200. .4407E-01 3 1.0 1.1 115.0 111.65 32.21 26.01 NO
300. .3052 3 1.0 1.1 115.0 111.65 40.69 29.88 NO
400. 1.265 3 1.0 1.1 115.0 111.65 49.73 34.34 NO
500. 3.335 3 1.0 1.1 115.0 111.65 58.99 39.14 NO
600. 6.355 3 1.0 1.1 115.0 111.65 68.31 44.14 NO
700. 9.722 3 1.0 1.1 115.0 111.65 77.64 49.26 NO
800. 12.84 3 1.0 1.1 115.0 111.65 86.95 54.45 NO
89
900. 15.35 3 1.0 1.1 115.0 111.65 96.21 59.69 NO
1000. 17.16 3 1.0 1.1 115.0 111.65 105.41 64.94 NO
1100. 18.29 3 1.0 1.1 115.0 111.65 114.57 70.21 NO
1200. 18.88 3 1.0 1.1 115.0 111.65 123.67 75.48 NO
1300. 19.03 3 1.0 1.1 115.0 111.65 132.72 80.75 NO
1400. 18.88 3 1.0 1.1 115.0 111.65 141.71 86.01 NO
1500. 18.51 3 1.0 1.1 115.0 111.65 150.66 91.26 NO
1600. 18.00 3 1.0 1.1 115.0 111.65 159.55 96.50 NO
1700. 17.41 3 1.0 1.1 115.0 111.65 168.40 101.72 NO
1800. 16.79 3 1.0 1.1 115.0 111.65 177.20 106.94 NO
1900. 16.16 3 1.0 1.1 115.0 111.65 185.96 112.13 NO
2000. 15.54 3 1.0 1.1 115.0 111.65 194.68 117.32 NO
MAXIMUM 1-HR CONCENTRATION AT OR BEYOND 100. M:
1294. 19.03 3 1.0 1.1 115.0 111.65 132.09 80.38 NO
DWASH= MEANS NO CALC MADE (CONC = 0.0)
DWASH=NO MEANS NO BUILDING DOWNWASH USED
DWASH=HS MEANS HUBER-SNYDER DOWNWASH USED
DWASH=SS MEANS SCHULMAN-SCIRE DOWNWASH USED
DWASH=NA MEANS DOWNWASH NOT APPLICABLE, X<3*LB
*********************************
*** SCREEN DISCRETE DISTANCES ***
*********************************
*** TERRAIN HEIGHT OF 0. M ABOVE STACK BASE USED FOR FOLLOWING DISTANCES ***
DIST CONC U10M USTK MIX HT PLUME SIGMA SIGMA
(M) (UG/M**3) STAB (M/S) (M/S) (M) HT (M) Y (M) Z (M) DWASH
------- ---------- ---- ----- ----- ------ ------ ------ ------ -----
1340. 19.00 3 1.0 1.1 115.0 111.65 136.32 82.85 NO
DWASH= MEANS NO CALC MADE (CONC = 0.0)
DWASH=NO MEANS NO BUILDING DOWNWASH USED
DWASH=HS MEANS HUBER-SNYDER DOWNWASH USED
DWASH=SS MEANS SCHULMAN-SCIRE DOWNWASH USED
DWASH=NA MEANS DOWNWASH NOT APPLICABLE, X<3*LB
***************************************
*** SUMMARY OF SCREEN MODEL RESULTS ***
***************************************
CALCULATION MAX CONC DIST TO TERRAIN
PROCEDURE (UG/M**3) MAX (M) HT (M)
-------------- ----------- ------- -------
SIMPLE TERRAIN 19.03 1294. 0.
***************************************************
** REMEMBER TO INCLUDE BACKGROUND CONCENTRATIONS **
90
***************************************************
91
APÊNDICE 2 – Arquivo de saída do screen da chaminé da SS
10/23/06
20:56:30
*** SCREEN3 MODEL RUN ***
*** VERSION DATED 96043 ***
E:\SCREEN\Ch-b.scr
SIMPLE TERRAIN INPUTS:
SOURCE TYPE = POINT
EMISSION RATE (G/S) = 1.00000
STACK HEIGHT (M) = 20.0000
STK INSIDE DIAM (M) = .4800
STK EXIT VELOCITY (M/S)= 8.5000
STK GAS EXIT TEMP (K) = 323.0000
AMBIENT AIR TEMP (K) = 291.0000
RECEPTOR HEIGHT (M) = .0000
URBAN/RURAL OPTION = RURAL
BUILDING HEIGHT (M) = .0000
MIN HORIZ BLDG DIM (M) = .0000
MAX HORIZ BLDG DIM (M) = .0000
THE NON-REGULATORY BUT CONSERVATIVE BRODE 2 MIXING HEIGHT OPTION WAS SELECTED.
THE REGULATORY (DEFAULT) ANEMOMETER HEIGHT OF 10.0 METERS WAS ENTERED.
BUOY. FLUX = .476 M**4/S**3; MOM. FLUX = 3.749 M**4/S**2.
*** STABILITY CLASS 4 ONLY ***
*** ANEMOMETER HEIGHT WIND SPEED OF 1.00 M/S ONLY ***
**********************************
*** SCREEN AUTOMATED DISTANCES ***
**********************************
*** TERRAIN HEIGHT OF 0. M ABOVE STACK BASE USED FOR FOLLOWING DISTANCES ***
DIST CONC U10M USTK MIX HT PLUME SIGMA SIGMA
(M) (UG/M**3) STAB (M/S) (M/S) (M) HT (M) Y (M) Z (M) DWASH
------- ---------- ---- ----- ----- ------ ------ ------ ------ -----
100. .1484E-02 4 1.0 1.1 32.3 31.06 8.79 5.62 NO
200. 7.771 4 1.0 1.1 32.3 31.06 15.88 9.07 NO
300. 73.29 4 1.0 1.1 32.3 31.06 22.83 12.50 NO
400. 146.8 4 1.0 1.1 32.3 31.06 29.62 15.59 NO
500. 188.4 4 1.0 1.1 32.3 31.06 36.28 18.57 NO
600. 201.3 4 1.0 1.1 32.3 31.06 42.83 21.45 NO
700. 198.0 4 1.0 1.1 32.3 31.06 49.29 24.24 NO
800. 187.2 4 1.0 1.1 32.3 31.06 55.66 26.97 NO
92
900. 174.0 4 1.0 1.1 32.3 31.06 61.96 29.63 NO
1000. 160.8 4 1.0 1.1 32.3 31.06 68.20 32.25 NO
MAXIMUM 1-HR CONCENTRATION AT OR BEYOND 100. M:
620. 201.6 4 1.0 1.1 32.3 31.06 44.20 22.04 NO
DWASH= MEANS NO CALC MADE (CONC = 0.0)
DWASH=NO MEANS NO BUILDING DOWNWASH USED
DWASH=HS MEANS HUBER-SNYDER DOWNWASH USED
DWASH=SS MEANS SCHULMAN-SCIRE DOWNWASH USED
DWASH=NA MEANS DOWNWASH NOT APPLICABLE, X<3*LB
*********************************
*** SCREEN DISCRETE DISTANCES ***
*********************************
*** TERRAIN HEIGHT OF 0. M ABOVE STACK BASE USED FOR FOLLOWING DISTANCES ***
DIST CONC U10M USTK MIX HT PLUME SIGMA SIGMA
(M) (UG/M**3) STAB (M/S) (M/S) (M) HT (M) Y (M) Z (M) DWASH
------- ---------- ---- ----- ----- ------ ------ ------ ------ -----
780. 189.7 4 1.0 1.1 32.3 31.06 54.39 26.43 NO
DWASH= MEANS NO CALC MADE (CONC = 0.0)
DWASH=NO MEANS NO BUILDING DOWNWASH USED
DWASH=HS MEANS HUBER-SNYDER DOWNWASH USED
DWASH=SS MEANS SCHULMAN-SCIRE DOWNWASH USED
DWASH=NA MEANS DOWNWASH NOT APPLICABLE, X<3*LB
***************************************
*** SUMMARY OF SCREEN MODEL RESULTS ***
***************************************
CALCULATION MAX CONC DIST TO TERRAIN
PROCEDURE (UG/M**3) MAX (M) HT (M)
-------------- ----------- ------- -------
SIMPLE TERRAIN 201.6 620. 0.
***************************************************
** REMEMBER TO INCLUDE BACKGROUND CONCENTRATIONS **
***************************************************
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