Estudo e análise da dispersão depoluentes
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Estudo e análise da dispersão depoluentes: um estudo de caso para a cidade de Rio Grande - RS
Gerson Alberto Leiria [email protected]
Introdução Objetivos Revisão Tecnologias utilizadas Modelos desenvolvidos Interfaces desenvolvidas Cenários de simulação Contribuições Conclusões
Agenda
Esse trabalho propõe o estudo da dispersão de poluentes atmosféricos através da utilização de modelos computacionais para a cidade de Rio Grande - RS;
O sistema a ser desenvolvido pretende identificar os locais atingidos pela emissão de poluentes, bem como o potencial de contaminação dos ambientes naturais adjacentes;
Através destas simulações pode-se auxiliar as comunidades e órgãos envolvidos para a correta tomada de decisão, contribuindo para o aprendizado e análise de políticas públicas relacionadas ao meio ambiente.
Introdução
Meio ambiente e os aspectos sociais envolvidos;
Avaliar quais são as regiões mais impactadas quanto à dispersão de poluentes de Rio Grande - RS;
Auxiliar as comunidades e os demais órgãos envolvidos para a correta tomada de decisão quanto à implantação de novas fontes poluidoras;
Educar e alertar as comunidades sobre os problemas causados pela dispersão de poluentes na atmosfera.
Introdução – Motivação
Estudar modelos de dispersão de poluentes;
Estudar os modelos computacionais de dispersão de poluentes;
Desenvolver uma interface gráfica do usuário;
Desenvolver um simulador de dispersão de poluentes;
Avaliar os resultados obtidos pelo modelo.
Objetivos específicos do trabalho
O gerenciamento de recursos está cada vez mais dependente de:◦Suportes computacionais como GIS
(Geographic Information Systems);◦Sistemas de coleta de dados e redes de
sensores;◦Sistemas de alto desempenho para a
execução dos modelos computacionais;◦Sistema integrado e geograficamente
distribuído.
Revisão - Gerenciamento de Recursos Naturais
Os GIS são softwares capazes de tratar, visualizar e manipular computacionalmente dados geográficos; Eles permitem que cada conjunto de dados seja apresentado em diferentes camadas que podem ser representadas basicamente por três tipos:◦ Polígonos: representam algo que possua limites, tais como:
países, estados, municípios, lagoas, lagos e outros;◦ Linhas: representam coisas muito estreitas para serem
consideradas polígonos, tais como: ruas, estradas, rios, ferrovias e outros;
◦ Pontos: são usados para representar coisas pequenas, tais como: monumentos, hidrantes, postes e etc.
Revisão – GIS (Geographic Information System)
Grande volume de dados devido a avanços tecnológicos de sensores;
Desenvolvimento de respostas rápidas em tempo real para questões de emergência;
Padronizações para o desenvolvimento eficiente de programas de monitoramento.
Revisão – Sistemas de Alto Desempenho
Revisão – Princípios meteorológicos básicos Radiação Solar
◦ Energia eletromagnética radiante emitida pelo sol; Variações diárias e anuais do ângulo de elevação solar;
Ventos◦ Fluxo de gases, deslocamento do ar;
Temperatura do ar◦ Está ligada a radiação solar e ao aquecimento do solo;
Pressão Atmosférica◦ Peso da atmosfera por unidade de área horizontal
Camada Limite Planetária◦ camada inferior que está em contato direto com a
superfície terrestre;
Processo de mistura, transporte, propagação e espalhamento de poluentes(gases, aerossóis e partículas);
Pode ser avaliada por modelos computacionais que através de resolução de equações diferenciais, soluções numéricas e algoritmos simulam seu comportamento.
Revisão – Dispersão de Poluentes
Modelo Euleriano:
Modelo Gaussiano:
Resolução Analítica da Equação da Advecção e Difusão:
Revisão – Modelos
Revisão – Simulação Computacional
Tempo
Matlab (ferramenta de desenvolvimento)◦ Mapping toolbox
GIS◦ ArcGIS
SVN◦ Gerenciador de projetos, documentos e código
fonte.
Tecnologias utilizadas
Modelo Hipotético• Modelo hipotético:
• Para cada indústria era atribuído inicialmente um índice de poluição
• A simulação no final de N gerações tende a ficar totalmente poluída, pois os impactos são considerados cumulativos e vão sendo propagados com o passar das gerações;
n
ii
x
iindexx Pol
P
BPolPol
0
..
Modelo Hipotético
X1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
1 1 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 12 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 13 0 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 04 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 05 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 1 1 16 0 0 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0 07 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 08 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 09 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 0 010 0 0 0 0 0 1 0 0 1 1 1 0 0 011 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 1 1 0 012 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 1 113 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 1 114 1 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1
Modelo Hipotético
Modelo Hipotético - simulação
Evoluindo gerações - situação inicial
Evoluindo gerações - 15ª geração
Modelo Hipotético - simulação
Evoluindo gerações - 17ª geração
Modelo Hipotético - simulação
Evoluindo gerações - 19ª geração
Modelo Hipotético - simulação
Evoluindo gerações - 23ª geração
Modelo Hipotético - simulação
Evoluindo gerações - 26ª geração
Modelo Hipotético - simulação
• O modelo escolhido foi o gaussiano ISC (Industrial Source Complex)
- Modela as emissões das fontes presentes em um complexo industrial
- Apresentar um baixo custo computacional
- Possui uma série de simplificações climatológicas
• A base do modelo é a equação linear e estacionária de pluma Gaussiana que, com algumas modificações, é utilizada para modelar emissões de fontes simples em um ponto - as chaminés
Onde:Q é a taxa de emissão de poluentes K é o coeficiente de expansãoV é o termo vertical D é o termo de decaimento, αy e αz são os desvios padrões da distribuição das concentrações lateral e vertical Us é a velocidade do vento na altura da chaminéY a distância do vento cruzado.
Modelo ISC (Industrial Source Complex)
• Em função do modelo adotado ser estacionário não é mais verificada a dispersão de poluentes para as regiões vizinhas nem a inserção de varias indústrias
• Essa segunda versão verifica os eventuais riscos nas regiões próximas a uma indústria inserida em determinado ponto.
• Os testes foram realizados utilizando um shape correspondente aos limites dos bairros urbanos da cidade de Rio Grande.
• O local escolhido para inserção da indústria foi o complexo industrial de Rio Grande
Modelo ISC (Industrial Source Complex)
• O simulador gera uma matriz tridimensional georreferenciada com latitude, longitude e a concentração de poluentes em cada ponto apresentados na posição correta no mapa de acordo com a dispersão e o sentido do vento;• Os valores de concentração de poluentes são calculados e exportados para um arquivo shape de pontos;• Este arquivo de saída pode ser carregado em um GIS, o qual possibilita a visualização dos resultados.
Modelo ISC (Industrial Source Complex)
• Deste arquivo, foram extraídas isolinhas de concentração correspondentes aos valores de 60, 80, 150 e 240µg.m-3 de acordo com os valores-limite de Material Particulado Total estipulados pelo CONAMA ( Conselho Nacional do Meio Ambiente)
• Através do cálculo da distância em metros da fonte emissora até a isolinha de 150µg/m3 se pôde estimar a distância crítica em que o ambiente no entorno está sendo afetado nesse cenário de simulação, cujo valor corresponde a aproximadamente 5400 metros.
Mapa mostrando o buffer de distância crítica da fonte emissora
Modelo ISC (Industrial Source Complex)
Modelo não-estacionário que considera a variação horária das variáveis meteorológicas;
A pluma é representada por uma série de puffs discretos que se dispersa de acordo com uma distribuição gaussiana;
O transporte é feito de acordo com a trajetória do seu centro de massa determinado pela velocidade e sentido do vento.
Modelo CALPUFF
Modelo CALPUFF
Interfaces desenvolvidas
Interfaces desenvolvidas
Interfaces desenvolvidas
Qh = Fluxo de calor sensível; α = constante de uso do solo; R = radiação solar; Ho = fluxo de calor na ausência de nuvens; V = ângulo de elevação solar β = fator de redução na presença de nuvens;
Cálculo da altura da camada de mistura
Período instável (dia):
Período neutro (nascer do sol e pôr do sol)
Período estável (noite)
Cálculo da altura da camada de mistura
Cálculo das classes de estabilidade
Zona industrial da cidade de Rio Grande – RS◦ Variação do número de fontes poluidoras (1, 2, 3, 5 e
10);◦ Meses de Janeiro de Julho de 2010.
Cenários de simulação
Simulação / animação
Resultados de simulação
Resultados de simulação
Resultados de simulação
Resultados de simulação
Resultados de simulação
Alertar a sociedade sobre a importância dos problemas sociais que podem ocorrer devido a contaminação do ar e do meio ambiente na região;
Os níveis de alerta do CONAMA são ultrapassados mesmo subestimando-se o número de fontes poluidoras;
A sociedade deve exigir que seja feita uma fiscalização mais intensa e eficiente em Rio Grande – RS;
Conclusões
Interdisciplinaridade◦ Modelagem computacional;◦ Meteorologia;◦ Meio ambiente e sociedade;
Rotinas de manipulação de dados◦ Entradas e saída dos modelos;◦ Auxiliar a visualização análise dos resultados;
Criação das interfaces de simulação◦ Auxiliam na criação de novas simulações;
Contribuições
Simulation Tools to Analyze the Impact of Industries Installation (submitted);
Using GIS for Impact Analysis from Industries Installation; Um simulador para previsão de impactos gerados pela
instalação de indústrias; Um sistema para previsão de impactos gerados pela
instalação de indústrias e sua influência sobre ecossistemas costeiros no extremo sul do Brasil;
Um sistema de apoio à decisão baseado em agentes para simulação de impactos gerados pela instalação de indústrias;
Um Overview sobre a Utilização de Técnicas de Inteligência Artificial em Gerenciamento de Recursos Naturais;
Uma ferramenta de simulação para impactos ambientais; Sistemas Inteligentes no Gerenciamento de Recursos
Naturais.
Contribuições
Simular o comportamento e as decisões que são tomadas no mundo real através de um SAD (Sistema de Apoia à Decisão);
Desenvolver novas interfaces gráficas que façam a adequação dos dados coletados pelas estações meteorológicas de monitoramento ao modelo CALPUFF;
O desenvolvimento e disponibilização de um sistema web para a sociedade e órgãos fiscalizadores, onde seja possível configurar, criar e analisar simulações em qualquer região de interesse.
Trabalhos futuros