CARACTERISTICAS DEL VIENTO Y DEPOSITO DE MATERIAL PARTICULADO EN BUENOS AIRES (ARGENTINA) Laura E. Venegas* - Paula B. Martin - Nicolás A. Mazzeo* * Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas Departamento de Ciencias de la Atmósfera y los Océanos- FCEyN - UBA Ciudad Universitaria - Pab.2 - 1428-Buenos Aires. Argentina [email protected]

ABSTRACT In many atmospheric diffusion problems, a description of the steadiness of wind direction is desired. Three years of hourly data at Aeroparque Buenos Aires have been analyzed. The results have been used to obtain an estimation of the particulate matter emitted from the Electric Power Plants located in Buenos Aires City, that may settle at the City and its surroundings. Only about 2% of these emissions may settle at the City and 3% may settle at the suburbs.

INTRODUCCION La dosis de contaminantes recibida por los receptores depende de su concentración en aire y del tiempo durante el cual los receptores están sometidos a esa concentración. Por lo tanto, las condiciones más desfavorables desde el punto de vista de la calidad del aire pueden estar asociadas con la permanencia de condiciones atmosféricas que persisten durante un tiempo determinado. En particular, el estudio de las características del viento permite conocer un aspecto importante de las condiciones de la atmósfera que actúan en el transporte y dispersión de los contaminantes emitidos en ella. La variación de la dirección del viento favorece el transporte y la dispersión de los contaminantes hacia diferentes direcciones, disminuyendo la dosis recibida por un receptor. La intensidad del viento está relacionada con la distancia recorrida por los contaminantes en un tiempo determinado y además, por ejemplo, permite obtener una estimación del “tiempo de permanencia” de los contaminantes emitidos en una ciudad dentro del área. El objetivo de este trabajo es estudiar la persistencia del viento en la Ciudad de Buenos Aires (Argentina) y aplicar los resultados obtenidos en la estimación de la posibilidad de que el material particulado emitido desde las Centrales Termoeléctricas ubicadas en la Ciudad de Buenos Aires deposite dentro de los límites de la ciudad o en algunas zonas del Gran Buenos Aires.

EL VIENTO EN LA CIUDAD DE BUENOS AIRES En la Ciudad de Buenos Aires, a orillas del Río de la Plata existen dos importantes centrales térmicas de generación de energía eléctrica: la Central Puerto y la Central Costanera En la Figura 1 se presenta la ubicación de ambas Centrales. Estas Centrales operan generalmente con gas natural, pero también utilizan el fuel oil y gas oil como combustibles. Para estimar la fracción del tiempo en que los contaminantes emitidos desde cada una de las Centrales Termoeléctricas se dirigen hacia la zona urbana comprendida por la Ciudad de Buenos Aires y el Gran Buenos Aires, se utilizó la información horaria de la dirección del viento registrada en la Estación Meteorológica Aeroparque Aero (perteneciente al Servicio Meteorológico Nacional). La ubicación de esta estación meteorológica se incluye en la Figura 1. En la Figura 2 se presenta la distribución anual de frecuencias relativas de direcciones del viento. La información analizada corresponde a valores horarios registrados durante un período de tres años (1994-1996). De las Figuras 1 y 2 se obtiene que las emisiones de la Central Puerto se dirigen hacia la ciudad durante el 52% del tiempo (con direcciones del viento del N, NNE, NE, ENE, E, ESE y NNW). Las emisiones de la Central Costanera , se dirigen hacia el área urbana el 58% del tiempo (con viento desde el N, NNE, NE, ENE, E, ESE, SE y NNW). La frecuencia anual de calmas es del 3.8%. El resto del tiempo los contaminantes son transportados hacia el Río de la Plata.

San Fernando

Tigre

San Isidro

RIO DE LA PLATA

Vicente López

l.S ra G

General Sarmiento

an t in ar M

s ro se Ca

Est.Met. Aeroparque

C.T.Puerto

BUENOS AIRES C.T.Costanera

Ria c

hu elo

Morón

Merlo

Avellaneda Lanús

San Justo

Quilmes Lomas de Zamora

Berazategui

Almirante Brown

Esteban Echeverría

Florencio Varela

escala 1 : 500000

Figura 1. Ubicación de las Centrales Termoeléctricas Puerto y Costanera en la Ciudad de Buenos Aires. Límite de la zona suburbana considerada

14 12

fr(%)

10 8 6 4 2 CAL

NNW

NW

WNW

W

WSW

SW

SSW

S

SSE

SE

ESE

E

ENE

NE

NNE

N

0

DIRECCION DEL VIENTO

Figura 2. Frecuencias relativas de direcciones del viento registrado en Aeroparque Aero (1994/1996)

En la Figura 3 se presenta la distribución anual de frecuencias acumuladas porcentuales de intervalos de intensidad del viento. Se observa que durante el 84% del tiempo la intensidad del viento en la Ciudad de Buenos Aires es inferior a 6 m/s.

100 90

Frec. acumulada (%)

80 70 60 50 40 30 20 10 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

Límite superior del intervalo (m/s)

Figura 3. Distribución de frecuencias acumuladas porcentuales de intervalos de intensidad del viento en Aeroparque Aero (1994/1996)

PERSISTENCIA DE LA DIRECCIÓN DEL VIENTO Para estudiar la persistencia del viento, consideraremos el ’factor de constancia del viento’ (S) introducido por Singer (1967) y cuya expresión es:

S=

2 arcsin ( k ) π

(1)

donde k es el factor de persistencia dado por:

k

(u =

2

+ v

2

)

1/2

(2)

V

u es el valor medio de la componente zonal de la intensidad del viento, v es el valor medio de la componente meridional de la intensidad del viento y V es la intensidad media del viento, durante un número de N horas. La utilidad del factor S, definido como la transformación de k dada por la relación (1), es que presenta una variación lineal con el ángulo de la fluctuación de la dirección del viento. Se verifica que S decrece en 0.1 cada vez que el ángulo de la fluctuación de la dirección del viento se incrementa en 18°. Cuando la dirección del viento permanece constante durante N horas, k=S=1. A partir de los valores horarios de intensidad y dirección del viento registrados en la Estación Meteorológica Aeroparque Aero, se calcularon los valores de S para intervalos de tiempo entre 2 h y 720 h. Los valores máximos de S obtenidos para cada período de tiempo se presentan en la Figura 4. Se obtuvieron valores máximos de S iguales a la unidad hasta períodos de 32 h y muy cercanos a la unidad para períodos de hasta 36 horas (Smáx= 0.96). Estos altos valores de S indican la ocurrencia de condiciones de ‘constancia’ del viento que pueden mantenerse durante estos períodos.

0.5 0.4 0.3

400 500 600 700 800

300

200

40 50 60 70 80 90 100

30

20

4 5 6 7 8 9 10

3

0.1

2

0.2

1

Valores máximos de S

1 0.9 0.8 0.7 0.6

HORAS Figura 4. Variación de los valores máximos de S obtenidos para diferentes períodos de tiempo.

Para estudiar la persistencia en la dirección del viento se identificaron las ‘rachas’ o número de horas consecutivas en las que el viento permanece en una misma dirección (considerando una rosa de viento con 16 direcciones). En la Figura 5 se presenta la distribución de frecuencias relativas de ‘rachas’ correspondientes a períodos de 2h, 3h, 4h, 5h, y mayores que 6h consecutivas con viento de cada una de las direcciones. Se observa que todas las direcciones del viento presentaron situaciones de persistencia de más de 6 h consecutivas. El porcentaje mayor de estos casos (1.03%) corresponde a la dirección E. En el análisis realizado la ‘racha’ de mayor número de horas corresponde a una situación de viento con dirección ESE durante 32 horas.

8 7 6

2 horas

3 horas

5 horas

>= 6 horas

4 horas

fr(%)

5 4 3 2 1 NNW

NW

WNW

W

WSW

SW

SSW

S

SSE

SE

ESE

E

ENE

NE

NNE

N

0

DIRECCION DEL VIENTO

Figura 5. Distribución de frecuencias relativas de ‘rachas’ de dirección del viento para períodos de 2h, 3h, 4h, 5h y mayor e igual a 6h.

Las direcciones del viento (N, NNE, NE, ENE, E, ESE y NNW) que llevan los contaminantes emitidos desde la Central Puerto hacia la zona urbana presentaron un 25% de ‘rachas’ de 2 o más horas y un 3.4% de ‘rachas’ de 6 o más horas de persistencia en la dirección del viento. Las direcciones del viento (N, NNE, NE, ENE, E, ESE, SE y NNW) que transportan los contaminantes desde la Central Costanera hacia la zona urbana presentaron un 28% de ‘rachas’ de 2 o más horas y un 4% de ‘rachas’de 6 o más horas de persistencia en una misma dirección.

APLICACION A LA ESTIMACION DEL DEPOSITO DE MATERIAL PARTICULADO EN LA CIUDAD Y SUS ALREDEDORES Entre los contaminantes generados por las Centrales Termoeléctricas debido a la combustión de fuel-oil y gas-oil, se encuentra el material particulado. Las partículas emitidas se encuentran sometidas simultáneamente al proceso de transporte y dispersión de la atmósfera y al efecto gravitatorio. De acuerdo con el tamaño de las partículas emitidas, puede considerarse que una fracción de las mismas permanecerá en suspensión y otra depositará en la superficie. En la Tabla I se presenta la distribución del tamaño del diámetro medio (d) de las partículas emitidas utilizando combustibles líquidos (USEPA, 1992) y se incluye la velocidad de depósito (vS) considerada para cada intervalo (Reist, 1984):

Tabla I. Distribución del tamaño de partículas y su velocidad de depósito. Diámetro medio de la partícula [µm] 0 2.5 6.0 10.0

d < 2.5 d < 6.0 d < 10.0 d

Fracción másica [%] 52 6 13 29

Velocidad de depósito [cm/s] 0.005 0.05 0.2 1.2 (para d= 20 µm)

Asumiendo una altura efectiva de emisión media de 70m, representativa de las diferentes chimeneas que conforman ambas Centrales Termoeléctricas, a partir de los valores de velocidad de depósito (vS) incluidos en la Tabla I es posible estimar el tiempo requerido por las partículas de diferentes clases de tamaño para alcanzar la superficie del suelo. Las partículas cuyo diámetro pertence al primer grupo requieren de un tiempo medio de 390h para recorrer la distancia vertical hasta llegar al suelo, las del segundo grupo lo harán en un tiempo medio de 39h y las del tercer grupo tardarán en promedio 10h en alcanzar el suelo. Las partículas de mayor tamaño (10.0µm d) alcanzarán el suelo en un tiempo de aproximadamente 1.6 h (considerando un diámetro medio de d=20µm). En la Tabla II se presenta la distancia aproximada entre cada Central Termoeléctrica y el límite de la Ciudad de Buenos Aires (D1) y el límite de la zona del Gran Buenos Aires (D2) indicada en la Figura 1, según la dirección del viento. Asimismo, en la Tabla II se incluye la velocidad del viento necesaria para transportar en cada dirección, el material particulado de mayor tamaño emitido desde las Centrales hasta el límite de la ciudad (Vc1) y hasta el límite de la zona suburbana (Vc2) en el tiempo requerido (1.6h) para que las partículas de mayor tamaño alcancen la superficie.

Tabla II. Distancia desde las Centrales Puerto y Costanera al límite de la Ciudad de Buenos Aires y al límite de la zona suburbana indicada en la Figura 1, en cada dirección del viento. Velocidades críticas Vc1 y Vc2.D1: distancia al limite de la Ciudad [km]; D2: distancia al límite de la zona suburbana [km]. Direc. del D1 [km] viento NNW 7.1 N 9.0 NNE 10.4 NE 15.3 ENE 14.5 E 11.6 ESE 9.4 SE -----

Central Puerto Vc1 D2 [km] [m/s] 1.2 18.0 1.5 23.6 1.8 27.4 2.6 25.5 2.5 27.7 2.0 26.2 1.6 20.2 ---------

Vc2 [m/s] 3.1 4.0 4.7 4.4 4.7 4.5 3.7 -----

D1 [km] ----------------14.6 17.0 16.3 15.1

Central Costanera Vc1 D2 [km] [m/s] ----10.7 ----14.0 ----25.5 ----23.8 2.5 25.7 2.9 33.7 2.8 27.4 2.6 25.2

Vc2 [m/s] 1.8 2.4 4.4 4.1 4.4 5.8 4.7 4.3

El valor Vc1 es considerado como una velocidad crítica debido a que si la velocidad del viento es inferior a Vc1, las partículas alcanzarán la superficie dentro de la Ciudad. Si la velocidad del viento es superior a Vc1 pero inferior a Vc2, las partículas emitidas podrían depositar fuera de la Ciudad pero dentro de la zona suburbana indicada en la Figura 1. Es condición necesaria que la dirección del viento se mantenga constante durante 2 o más horas consecutivas. Si la velocidad del viento es superior a Vc2, el material particulado emitido será transportado fuera de las áreas de estudio antes de alcanzar el suelo. Durante la condición de vientos débiles (V < Vc1) o de calma, el flujo de depósito de material particulado en la Ciudad será mayor cuanto más grande sea el tiempo de persistencia de la dirección del viento. Estimaremos la fracción porcentual de material particulado emitido por las Centrales Puerto y Costanera que puede depositar en la Ciudad de Buenos Aires y en sus alrededores teniendo en cuenta la ocurrencia de persistencia de la dirección del viento y asumiendo que la intensidad del viento conserva la distribución de frecuencias para cada dirección presentada en la Figura 3. En el caso del material particulado emitido desde la Central Puerto , se obtuvo que el 44.2 % del tiempo el viento lo transporta hacia el Río de la Plata y el 52% hacia la zona urbana (hay un 3.8% de calmas). Considerando las condiciones de persistencia de la dirección del viento durante 2 o más horas y las calmas, se obtiene que el 28.8% del tiempo las condiciones son favorables para que el material particulado de mayor tamaño deposite dentro de los límites de la Ciudad de Buenos Aires. Se presentó un 27% de rachas de 1h con viento hacia la zona urbana que serán consideradas como situaciones en las que el material no llega a depositar debido a que para que alzance el suelo, se necesita un período de 1.6h de dirección constante. Estos casos fueron considerados como favorables para que el material sea transportado lejos o se mantenga en suspensión. Teniendo en cuenta la frecuencia de rachas por dirección del viento presentada en la Figura 5, obteniendo a partir de la Figura 3 la frecuencia de ocurrencia de velocidades del viento menores que Vc1 (Tabla II) para cada dirección y considerando que en estas condiciones sólo el 29% del total del material particulado emitido depositaría, se obtuvo que sólo el 2% de la emisión de material particulado proveniente de la Central 1 depositaría en la Ciudad de Buenos Aires. Asimismo, se determinó la fracción que deposita en la zona suburbana. Considerando las direcciones de interés y obteniendo a partir de la Figura 3 la frecuencia de velocidades del viento comprendidas entre Vc1 y Vc2 (Tabla II), se encontró que el 3% del material particulado emitido por la Central Puerto depositaría en la zona suburbana del Gran Buenos Aires indicada en la Figura 1. En el análisis de la posibilidad de depósito del material particulado emitido por la Central Costanera se encuentra que el 38.2% del tiempo el viento transporta los contaminantes emitidos hacia el Río de la Plata y el 58% hacia la zona urbana (3.8% calmas). Debido a que las direcciones del viento que se dirigen hacia la zona urbana (Ciudad de Buenos Aires + Gran Buenos Aires) presentaron un 28% de rachas con 2 o más horas, las

condiciones favorables para que las partículas de mayor tamaño emitidas por esta Central depositen en la zona urbana se presentan el 31.8% (se incluyeron los casos de calma). Las ‘rachas’ de 1h con viento hacia la zona urbana tienen una frecuencia del 30%. Considerando la frecuencia de rachas de direcciones del viento desde la Central Costanera hacia la Ciudad de Buenos Aires y la frecuencia de ocurrencia de intensidades del viento inferiores a la velocidad crítica correspondiente (Vc1 en Tabla II) se obtuvo que el 2.2% de las emisiones de material particulado proveniente de la Central Costanera depositaría dentro del área de la Ciudad de Buenos Aires. De la misma manera, considerando la frecuencia de ocurrencia de intensidades del viento comprendidas entre los valores Vc1 y Vc2 correspondientes a cada dirección y presentados en la Tabla II, se obtuvo que el 3.2% del material particulado emitido por la Central Costanera depositaría en la zona suburbana del Gran Buenos Aires delimitada en la Figura 1.

CONCLUSIONES Del estudio de la persistencia del viento en la Ciudad de Buenos Aires se pueden encontrar las siguientes conclusiones: ü las emisiones de la Central Puerto son transportadas hacia la ciudad el 52% del tiempo y las de la Central Costanera el 58% del tiempo, ü las condiciones de constancia del viento desde una dirección pueden mantenerse por períodos de 32 horas, ü los vientos con dirección Este durante más de 6 horas consecutivas, pueden superar el 1% de los casos de persistencia, ü las condiciones de ‘rachas’ de viento con la misma dirección, que transportan los contaminantes emitidos desde la Central Puerto hacia el área urbana, presentan el 25% de ‘rachas’ con 2 o más horas y el 3.4% de ‘rachas’ con 6 o más horas, ü las condiciones de ‘rachas’ de viento con la misma dirección, que transportan los contaminantes emitidos desde la Central Costanera hacia el área urbana, presentan el 28% de ‘rachas’ con 2 o más horas y el 4% de ‘rachas’ con 6 o más horas, ü el 2% del material particulado emitido desde la Central Puerto depositaría en Buenos Aires y el 3% lo haría en la zona suburbana del Gran Buenos Aires considerada en el trabajo, ü el 2.2% del material particulado emitido por la Central Costanera, depositaría en Buenos Aires y el 3.2% en la zona suburbana del Gran Buenos Aires considerada en el trabajo.

AGRADECIMIENTOS La información meteorológica utilizada fue suministrada por el Servicio Meteorológico Nacional (República Argentina). Este trabajo fue financiado por los Proyectos: UBA-TX03 y CONICET-PIP 0424/98

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS REIST, P. Introduction to Aerosol Science, New York, Macmillan Pub. Co., 1984, 299p. SINGER, I. A. Steadiness of the Wind, Journal of Applied Met., v.6, n.6, p.1033-1038, 1967. U.S.E.P.A. Volatile Organic Compound (VOC) / Particulate Matter (PM) Speciate Data System, Version 1.5 . EPA-450/4-91-027, 1992.