Simulation of the spatial distribution of SO₂ emitted by large fixed sources during 2003 at northwestern Chiapas and central Tabasco, Mexico

Arturo VALDÉS–MANZANILLA¹, Germán FERNÁNDEZ–GARCÍA², Sergio RAMOS–HERRERA¹, Raúl G. BAUTISTA–MARGULIS¹

¹ División Académica de Ciencias Biológicas, UJAT, carretera Villahermosa–Cárdenas Km. 0.5, Villahermosa, Tabasco 86100. Correo electrónico: avmanzanilla@hotmail.com

² Universidad Autónoma de Guadalajara Campus Tabasco, Villahermosa, Tabasco

(Recibido agosto 2007, aceptado febrero 2008)

RESUMEN

El modelo de dispersión CALPUFF fue usado para simular la distribución espacial de la concentración de SO₂ emitido por los complejos procesadores de gas de Petróleos Mexicanos (PEMEX) en Cactus, en el noroeste de Chiapas, Nuevo PEMEX y Ciudad PEMEX, en el centro de Tabasco, durante 2003. Se encontró que la zona con mayor concentración de SO₂ está localizada al suroeste de las instalaciones de la empresa petrolera. La zona, donde la norma de la Organización Mundial de la Salud para el SO₂ es sobrepasada (20 µg/m³), incluye la ciudad de Reforma, Chiapas y Ciudad PEMEX, Tabasco.

Palabras clave: calidad del aire, bióxido de azufre, emisiones, modelos

ABSTRACT

The CALPUFF dispersion model was used to simulate the spatial distribution of the SO₂ emitted by Petróleos Mexicanos' (PEMEX) gas–processing complexes in Cactus, NW Chiapas, Nuevo PEMEX and Ciudad PEMEX, in central Tabasco, during 2003. It was found that the zone with the highest concentrations of SO₂ is located SW from the PEMEX facilities. The zone, where the World Health Organization's norm for SO₂ is surpassed (20 µg/m³), includes the city of Reforma, Chiapas and Ciudad PEMEX, Tabasco.

Key words: air quality, sulfur dioxide, emissions, models

INTRODUCCIÓN

Un primer paso sería la determinación de la cantidad de emisiones que hay en un cierto lugar, o inventario de emisiones, realizado por Mendoza (2002) en el área petrolera de Samaria–Iride, en el centro de Tabasco. Encontró que en esa zona se producen 1,523 toneladas de SO₂ anuales, repartidas en nueve instalaciones estudiadas.

Por otro lado, Villaseñor et al. (2003) realizaron un inventario de emisiones y simulación del transporte y dispersión de SO₂ emitido por las instalaciones petroleras ubicadas en la Sonda de Campeche y zona costera de Tabasco usando el modelo de dispersión CALPUFF (Scire et al. 2000) con datos meteorológicos de un experimento realizado durante cuatro días en febrero de 1999. Al comparar las concentraciones de SO₂ simuladas con las observadas en el puerto de Dos Bocas, Tabasco, encontraron que el modelo subestimaba las concentraciones de SO₂, lo que atribuyeron a que no se tomaron en cuenta las emisiones de los complejos procesadores de gas que tiene PEMEX en la región.

Valdés et al. (2004) analizaron la distribución espacial y estacional de la concentración de SO₂ en la parte norte de Chiapas y centro de Tabasco usando datos observados de la red de estaciones de monitoreo de contaminantes del Sistema Automático de Monitoreo Atmosférico de la Región Sur (SAMARS) de PEMEX–Exploración y Producción. Encontraron que hay un máximo de la concentración de SO₂ en el área de Reforma, Chiapas, durante todas las estaciones del año, lo que atribuyeron a la cercanía de los Complejos Procesadores de Gas de Cactus y Nuevo PEMEX.

Ruiz (2004) describe el programa de disminución de emisiones de SO₂ en el periodo de 1999–2002 por medio de la instalación de plantas recuperadoras de azufre en los complejos procesadores de gas de PEMEX–Gas y Petroquímica Básica. Por medio de este programa, sólo se emiten 12 kg de SO₂ por las 1513 toneladas/día de azufre procesado en el Complejo Procesador de Gas de Cactus, Chiapas, 23 kg de SO₂ por las 800 toneladas/día de azufre procesado en el complejo Procesador de Gas de Nuevo PEMEX, Tabasco y 23 kg de SO₂ por las 816 toneladas/día de azufre procesado en el Complejo Procesador de Gas de Ciudad PEMEX, Tabasco. Estos valores hacen a estas instalaciones las fuentes fijas más grandes en la emisión de SO₂ en la región.

Priego (2004) estudió los suelos y la vegetación alrededor de las instalaciones petroleras en el norte de Chiapas y centro de Tabasco y encontró que la vegetación más perturbada y los suelos más ácidos se encontraban alrededor de los complejos de Cactus y Nuevo PEMEX.

Herrera (2006), al estudiar la base de datos de concentraciones observadas de la red SAMARS, encontró una tendencia negativa, entre los años 2001 a 2004, en las concentraciones de SO₂ en la estación de monitoreo de Reforma, Chiapas.

El objetivo de este trabajo es determinar la distribución espacial de SO₂ emitido por los complejos procesadores de gas de PEMEX en el noroeste de Chiapas y centro de Tabasco, usando un modelo de dispersión atmosférica.

MATERIALES Y MÉTODOS

El área de estudio fue de 140 km en la dirección oeste–este y 70 km en la dirección norte–sur, con el vértice sureste en las coordenadas UTM 430,000 m este y 1,940,000 m norte, lo que abarcó un área de la planicie tabasqueña relativamente alejada de la costa del Golfo de México (25 km), en el noroeste de Chiapas y el centro de Tabasco. En la figura 1 se muestra el área de estudio. La malla del modelo fue de 71 x 36 nodos, siendo el tamaño de malla de 2.0 km. El periodo de estudio fue de un año, del 1 de enero al 31 de diciembre de 2003.

Los datos meteorológicos de superficie usados para correr el modelo fueron datos horarios del 1 de enero al 31 de diciembre de 2003, procedentes tanto del observatorio meteorológico de la Comisión Nacional del Agua (CNA), en la colonia Gaviotas de la ciudad de Villahermosa, como del Aeropuerto Internacional Carlos Rovirosa de Villahermosa. Ambas son estaciones representativas de la zona de estudio, ya que se encuentran en su parte central y cuentan con datos de nubosidad necesarios para correr el modelo. Los datos meteorológicos obtenidos fueron temperatura ambiente, velocidad y dirección del viento, cobertura y altura nubosas.

Los datos meteorológicos de altura usados para correr el modelo fueron sondeos simulados del modelo meteorológico ETA, debido a la falta de una estación de radiosondeo cercana a la región de estudio en esa fecha. Este modelo se corre con una malla de 80 km y abarca toda la región. Estos sondeos se obtuvieron, vía Internet (www.arl.noaa.gov/ready/ametus.html) y del Air Resources Laboratory de la National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA), en forma de termodiagramas. A partir de ellos se calculó, en forma gráfica, la altura de la capa de mezcla que se usó en el modelo. Los valores de la altura de la capa de mezcla fueron valores diarios durante el periodo estudiado.

Los datos meteorológicos fueron capturados en formatos digitales especiales y posteriormente procesados por el programa PCRAMMET, de la EPA, del cual se obtuvo un archivo con el formato necesario para su inclusión como datos de entrada al modelo de dispersión CALPUFF.

Para analizar las condiciones meteorológicas durante 2003 en la región se utilizaron datos de reanálisis del modelo global espectral AMIP (Kanamitsu 1991), obtenidos del Climatic Diagnostic Center de la NOAA, vía Internet (www.cdc.noaa.gov/cgi-bin/DataMenus.pl?dataset=NCEP).

Los datos de emisión (flujo másico) de las fuentes fijas mayores –los complejos procesadores de gas de PEMEX– fueron obtenidos de una conferencia impartida por el Ing. José Manuel Ruiz Pons en el tercer congreso nacional de tecnología ambiental (Ruiz 2004). Para los demás datos de emisión se supusieron los siguientes valores: la altura de la chimenea de 40 m, el diámetro de la chimenea de 2 m, la temperatura de salida del gas de 330 °K y la velocidad de salida de los gases de 9 m/s. El cuadro I muestra los valores de flujo másico para cada una de las fuentes fijas usadas en la simulación.

Se usaron los datos de la red de estaciones de monitoreo de SAMARS del año 2003 para calcular la concentración observada en la región. Esta red está compuesta por seis estaciones repartidas alrededor del área cercana a la ciudad de Reforma, Chiapas (Cuadro II y Fig. 1).

Las gráficas de distribución espacial de contaminantes fueron realizadas usando el paquete geoestadístico comercial SURFER versión 8.0 (Golden Software 2002). La rosa de vientos se realizó usando el software WRPLOT View (Lakes Environmental Software 2006).

Para comparar las concentraciones simuladas del modelo con las observadas por la red de monitoreo SAMARS, se realizó un análisis estadístico usando la metodología de Wilmott (1981).

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Según los datos de reanálisis del modelo global, a lo largo del año los vientos provinieron en su mayoría del este en la región de estudio durante 2003 (Fig. 2). Esto se aprecia mejor al observar la rosa de vientos de las mediciones combinadas del observatorio de la CNA en Villahermosa y del Aeropuerto (Fig. 3): la mayor parte del tiempo los vientos provienen del este–noreste, lo que sugiere que el transporte y dispersión del SO₂ va a ser hacia el suroeste.

La rosa de vientos del observatorio de la CNA (Fig. 4) es muy similar a la del aeropuerto (Fig. 5), lo que justifica la combinación de los datos de las dos estaciones meteorológicas en una sola para subsanar la falta de información en algunos periodos del día; también, que haya una representativa de la circulación de los vientos en la planicie tabasqueña y por lo tanto del flujo de vientos en el área de estudio.

Las simulaciones del modelo para todo el periodo de estudio muestran que los máximos de concentración de SO₂ se encuentran al suroeste de los complejos procesadores de gas, en consonancia con la dirección del viento, que es predominantemente del este–noreste (Fig. 3). En el caso de los complejos procesadores de gas de Cactus y Nuevo PEMEX, se aprecia que la zona que abarca la ciudad de Reforma, Chiapas, y algunas pequeñas comunidades de sus alrededores, la concentración de SO₂ sobrepasa la norma oficial de la Organización Mundial de la Salud (OMS 2006), de 20 µg/m³ promedio en un año (Fig. 6). Si se compara la distribución espacial de SO₂ estimada por el modelo con la medida por la red de estaciones de monitoreo de la SAMARS (Fig. 7), se puede ver la gran similitud entre las dos distribuciones, coincidiendo ambas en el máximo cerca de Reforma; sin embargo, en la distribución medida de SO₂ no se aprecia el otro máximo cerca del complejo procesador de gas de Cactus, al noroeste de la ciudad arriba mencionada.

En el caso del complejo procesador de Ciudad PEMEX, Tabasco, la zona de mayor concentración de SO₂ se encuentra al oeste–suroeste del complejo (Fig. 8), en consonancia con la dirección del viento dominante. Por otro lado, la zona donde la concentración de SO₂ sobrepasa la norma oficial de la Organización Mundial de Salud (OMS 2006) abarca Ciudad PEMEX, la ranchería Vernet segunda sección y el pueblo de La Curva.

En cuanto a la bondad del modelo para reproducir las observaciones, se puede ver en el cuadro III y en la figura 9, al comparar la media de las observaciones con la media de las predicciones o estimaciones del modelo , que éste sobrestima las concentraciones de SO₂ aproximadamente en 52 %; esto puede ser debido a que los valores de emisión de las chimeneas necesitan ser más exactos. Por otro lado, el valor del error cuadrático medio no sistemático (MSE_NS) es sólo 25 % del error cuadrático medio total (MSE), lo que indica una buena exactitud del modelo, y que se corrobora por el valor de R²de 0.89.

CONCLUSIONES

Se encontraron concentraciones altas de SO₂ al suroeste de los Complejos Procesadores de Gas de Cactus, Nuevo PEMEX y ciudad PEMEX durante 2003. La zona donde las concentraciones de SO₂ sobrepasan la norma de la Organización Mundial de Salud incluye localidades importantes como Reforma, Chiapas, Ciudad Pemex y La Curva en Tabasco. El modelo sobrestima del orden de 52 % las concentraciones de SO₂.

Se recomienda usar valores más representativos de la emisión de SO₂, de las características de las chimeneas y estudiar con mayor detalle las concentraciones de fondo para mejorar las estimaciones de concentración de SO₂ en la región.

AGRADECIMIENTOS

Se agradece al personal del área de Seguridad Industrial y Protección Ambiental de PEMEX–Exploración y Producción, las facilidades para realizar este trabajo, en especial el acceso a los datos de inmisiones y emisiones de contaminantes atmosféricos.

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