🌪️ Modelo de Dispersión de Olores

Documentación Técnica Completa y Diccionario de Términos

📖 Introducción

Propósito de la Herramienta

Esta herramienta implementa un modelo de dispersión atmosférica específicamente diseñado para predecir la dispersión de olores provenientes de instalaciones ganaderas porcinas. Utiliza el modelo gaussiano estándar de la EPA (Environmental Protection Agency) con coeficientes de dispersión de Pasquill-Gifford.

Aplicaciones Principales

📍 Evaluación de Impacto

Predicción de concentraciones de olores en diferentes ubicaciones alrededor de granjas porcinas.

🏘️ Planificación Urbana

Determinación de distancias mínimas entre granjas y zonas residenciales.

📊 Análisis Temporal

Evaluación de patrones de dispersión bajo diferentes condiciones meteorológicas.

🌹 Rosa de Olores

Análisis estadístico de predominancia direccional y percentiles de concentración.

Nota Importante: Esta herramienta está diseñada para fines de evaluación preliminar y no reemplaza estudios ambientales detallados requeridos por las autoridades competentes.

🔬 Fundamentos Científicos

Modelo de Dispersión Gaussiano

El modelo de dispersión utilizado se basa en la ecuación gaussiana de dispersión atmosférica, ampliamente reconocida y validada para la predicción de concentraciones de contaminantes en la atmósfera.

Principios Físicos

Supuestos del Modelo

Supuestos Importantes:
  • Terreno plano y homogéneo
  • Fuentes de emisión constantes
  • Condiciones meteorológicas uniformes espacialmente
  • No hay reacciones químicas ni deposición significativa
  • Válido para distancias de 100m a 10km desde la fuente

Clases de Estabilidad Atmosférica

El sistema de clasificación de Pasquill-Gifford categoriza la estabilidad atmosférica en seis clases que determinan el grado de dispersión vertical y horizontal.

Clase Descripción Condiciones Típicas Dispersión
A Muy Inestable Día soleado, vientos débiles Muy alta
B Moderadamente Inestable Día soleado, vientos moderados Alta
C Ligeramente Inestable Día parcialmente nublado Moderada-Alta
D Neutral Día nublado o noche con viento Moderada
E Ligeramente Estable Noche con vientos débiles Baja
F Moderadamente Estable Noche clara y tranquila Muy baja

🔢 Modelo Matemático

Ecuación de Dispersión Gaussiana

La concentración en cualquier punto receptor se calcula utilizando la ecuación fundamental del modelo gaussiano para fuentes puntuales:

C(x,y,z) = (Q / (π × u × σy × σz)) × exp(-0.5 × (y/σy)²) × exp(-0.5 × (H/σz)²)

Donde:

Parámetro Descripción Unidades
C(x,y,z) Concentración en el punto receptor OUe/m³
Q Tasa de emisión de la fuente OUe/s
u Velocidad del viento a altura de emisión m/s
σy Desviación estándar de dispersión horizontal m
σz Desviación estándar de dispersión vertical m
x Distancia downwind desde la fuente m
y Distancia crosswind desde la fuente m
H Altura efectiva de emisión m

Cálculo de Coeficientes de Dispersión

Los parámetros σy y σz se calculan usando las fórmulas de Pasquill-Gifford corregidas según las recomendaciones de EPA ISC3:

σy = a × x^b
σz = c × x^d
Donde x está en kilómetros

Coeficientes por Clase de Estabilidad

Clase a b c d
A 0.22 0.894 0.20 0.841
B 0.16 0.894 0.12 0.841
C 0.11 0.894 0.08 0.841
D 0.08 0.894 0.06 0.841
E 0.06 0.894 0.03 0.841
F 0.04 0.894 0.016 0.841
Referencias: EPA-454/B-95-003a (ISC3), Turner (1970), Hanna (1982)

Sistema de Coordenadas

El sistema utiliza una transformación de coordenadas geográficas a un sistema rotado alineado con la dirección del viento:

x = Δlng × sin(θ) + Δlat × cos(θ)
y = Δlng × cos(θ) - Δlat × sin(θ)
Donde θ es la dirección del viento en radianes
Convención de Dirección del Viento: La dirección del viento se especifica como "hacia dónde va el viento" (270° = viento hacia el Oeste). Las flechas visuales y los cálculos están alineados con esta convención.

⚙️ Implementación Técnica

Arquitectura del Sistema

🖥️ Frontend

  • HTML5 + CSS3 + JavaScript
  • Leaflet.js para mapas interactivos
  • Interfaz responsive y accesible
  • Visualización en tiempo real

🔧 Backend

  • Python + Flask
  • NumPy para cálculos numéricos
  • API RESTful con CORS
  • Manejo robusto de errores

🐳 Containerización

  • Docker + Docker Compose
  • Servicios independientes
  • Escalabilidad horizontal
  • Despliegue simplificado

📊 Características

  • Simulaciones individuales y temporales
  • Rosa de olores automatizada
  • Exportación PDF
  • Carga masiva Excel

Algoritmo de Simulación

  1. Inicialización: Validación de datos de entrada y parámetros meteorológicos
  2. Cálculo de Emisiones: Determinación de tasas de emisión por fuente usando factores científicos
  3. Generación de Grid: Creación de malla de puntos receptores (50x50 por fuente, radio configurable en backend, por defecto 1,5 km)
  4. Transformación de Coordenadas: Rotación a sistema alineado con viento
  5. Aplicación del Modelo: Cálculo de concentraciones usando ecuación gaussiana
  6. Superposición: Suma de contribuciones de múltiples fuentes
  7. Post-procesamiento: Filtrado, estadísticas y formateo de resultados

Factores de Emisión

Los factores de emisión están basados en estudios científicos internacionales y representan unidades odoríferas europeas por segundo (OUe/s) por animal:

Categoría Animal Factor de Emisión Referencias Científicas
Lechones (<7kg) 0.5 OUe/s Schauberger et al. (2000)
Cerdas Lactancia 3.0 OUe/s Hamon et al. (2012)
Sementales 2.0 OUe/s EPA AgSTAR (2009)
Cerdos Engorde (25kg) 1.0 OUe/s Promedio estudios europeos
Cerdos Engorde (50kg) 1.5 OUe/s Promedio estudios europeos
Cerdas Gestación 2.0 OUe/s Schauberger et al. (2000)

Manejo de Múltiples Fuentes

Cada fuente se simula individualmente con su propio grid de radio configurable (por defecto 1,5 km), permitiendo superposición natural de plumas y cálculo preciso de efectos acumulativos.

# Pseudocódigo del algoritmo de superposición for cada_fuente in fuentes: grid_fuente = generar_grid_individual(fuente, radio=configurable_km) for cada_punto in grid_fuente: concentracion = modelo_gaussiano(fuente, punto, meteo) grid_total[punto] += concentracion

📋 Parámetros y Limitaciones

Rangos de Validez del Modelo

Parámetro Rango Válido Limitación
Distancia desde fuente 100m - 10km Modelo gaussiano estándar
Velocidad del viento 0.5 - 50 m/s Condiciones atmosféricas normales
Altura de fuente 0 - 100m Fuentes de nivel bajo
Terreno Plano (±10% pendiente) Modelo no considera topografía compleja

Limitaciones Importantes

⚠️ Limitaciones del Modelo

  • Terreno: No considera efectos topográficos complejos (montañas, valles)
  • Meteorología: Asume condiciones homogéneas espacialmente
  • Química: No considera transformaciones químicas del olor
  • Edificaciones: No modela efectos de edificios o obstáculos
  • Deposición: No considera deposición seca o húmeda
  • Variabilidad temporal: Emisiones constantes durante la simulación

Configuración Recomendada

🌤️ Condiciones Meteorológicas

  • Usar datos horarios cuando estén disponibles
  • Considerar variaciones estacionales
  • Incluir condiciones extremas (calmas, tormentas)

📍 Ubicación de Fuentes

  • Coordenadas precisas (±10m)
  • Inventario completo de animales
  • Considerar fuentes secundarias (estercoleros)

🎯 Puntos Receptores

  • Incluir áreas residenciales cercanas
  • Considerar usos futuros del suelo
  • Evaluar puntos críticos (escuelas, hospitales)

⏱️ Simulación Temporal

  • Mínimo 1 año de datos meteorológicos
  • Incluir Rosa de Olores para análisis
  • Calcular percentiles 90, 95 y 99

✅ Validación y Verificación

Validación Científica

El modelo implementado ha sido validado contra:

Casos de Prueba Implementados

Fuente Única

Verificación de simetría y decaimiento con la distancia para una granja aislada.

Múltiples Fuentes

Superposición correcta de plumas y efectos aditivos de concentraciones.

Condiciones Extremas

Comportamiento del modelo bajo condiciones de calma y alta velocidad de viento.

Validación Temporal

Análisis de Rosa de Olores y cálculo correcto de percentiles estadísticos.

Métricas de Rendimiento

Aspecto Métrica Valor Típico
Tiempo de simulación Segundos por fuente < 2s (5km, 50x50 grid)
Precisión numérica Dígitos significativos 6 dígitos (concentraciones)
Memoria utilizada MB por simulación < 50MB
Escalabilidad Fuentes simultáneas > 100 fuentes

📚 Diccionario de Términos

Términos Meteorológicos

Estabilidad Atmosférica: Medida de la resistencia de la atmósfera al movimiento vertical. Determina qué tan rápido se dispersan los contaminantes verticalmente.
Clase de Pasquill: Sistema de clasificación que divide las condiciones atmosféricas en 6 categorías (A-F) basadas en la estabilidad, desde muy inestable (A) hasta moderadamente estable (F).
Velocidad del Viento: Velocidad horizontal del aire a la altura de emisión. Controla la velocidad de transporte de la pluma de olores.
Dirección del Viento: En este sistema, indica "hacia dónde va el viento" (270° = viento hacia el Oeste). Las flechas visuales apuntan en esta dirección.
Downwind: En la dirección hacia donde sopla el viento. Los receptores downwind están ubicados en la trayectoria de la pluma.
Crosswind: Perpendicular a la dirección del viento. La dispersión crosswind determina el ancho de la pluma.

Términos de Dispersión

Pluma de Dispersión: Región tridimensional donde se extienden los olores desde la fuente, siguiendo la dirección del viento y dispersándose debido a la turbulencia.
Concentración: Cantidad de unidades odoríferas por unidad de volumen de aire, expresada en OUe/m³ (Unidades Odoríferas Europeas por metro cúbico).
Sigma Y (σy): Desviación estándar de la dispersión horizontal (crosswind). Determina qué tan amplia es la pluma perpendicularmente al viento.
Sigma Z (σz): Desviación estándar de la dispersión vertical. Determina qué tan alta se extiende la pluma.
Modelo Gaussiano: Modelo matemático que asume que la concentración sigue una distribución normal (gaussiana) alrededor del eje central de la pluma.
Reflexión del Suelo: Fenómeno físico donde la superficie terrestre "refleja" la pluma, aumentando las concentraciones a nivel del suelo.

Términos de Emisión

Tasa de Emisión (Q): Cantidad de olores emitidos por unidad de tiempo, expresada en OUe/s (Unidades Odoríferas Europeas por segundo).
Factor de Emisión: Tasa de emisión por animal individual, basada en estudios científicos. Varía según la categoría animal.
OUe (Unidad Odoríferas Europea): Unidad estándar europea para cuantificar la intensidad de los olores, basada en detección olfatométrica por panel humano.
Fuente Puntual: Fuente de emisión considerada como un punto geométrico, apropiada para granjas pequeñas o instalaciones concentradas.
Fuente de Área: Fuente de emisión distribuida sobre una superficie, como estercoleros o granjas muy extensas.

Términos de Rosa de Olores

Rosa de Olores: Representación gráfica y estadística que muestra la frecuencia direccional del viento y las concentraciones asociadas por sector.
Sector de Viento: División angular de 22.5° que representa una dirección de viento específica (N, NNE, NE, etc.).
Percentil: Valor estadístico que indica el porcentaje de observaciones que están por debajo de ese valor. P95 = 95% de valores menores.
Concentración Predominante: Valor de concentración que se supera solo en un pequeño porcentaje de tiempo, típicamente P95 (5% del tiempo).
Frecuencia de Sector: Porcentaje de tiempo que el viento sopla desde/hacia una dirección particular durante el período analizado.

Términos Técnicos

Grid de Simulación: Malla regular de puntos receptores donde se calculan las concentraciones. Típicamente 50x50 puntos en un radio configurable por fuente (por defecto 1,5 km).
Coordenadas Rotadas: Sistema de coordenadas transformado donde el eje X está alineado con la dirección del viento para simplificar los cálculos.
Distancia Efectiva: Distancia real entre fuente y receptor, corregida por la curvatura terrestre y proyección cartográfica.
Superposición de Plumas: Proceso de sumar las contribuciones de múltiples fuentes en cada punto receptor para obtener la concentración total.
Validez del Modelo: Rango de condiciones (distancia, meteorología, topografía) bajo las cuales el modelo produce resultados confiables.

Términos Normativos

Límite de Percepción: Concentración mínima de olor detectable por el olfato humano, típicamente 1 OUe/m³ por definición.
Umbral de Molestia: Concentración de olor que causa molestia a la población expuesta. Varía según normativas locales (1-10 OUe/m³).
Distancia de Protección: Separación mínima requerida entre granjas y áreas sensibles (residenciales, escuelas) según regulaciones.
Evaluación de Impacto: Análisis sistemático de los efectos ambientales potenciales de un proyecto sobre la calidad del aire.

👨‍💻 Créditos de Desarrollo

🎯 Desarrollador Principal

Alejandro Londoño Largo

Ingeniero Electrónico Especialista en Gerencia de Proyectos Informáticos
🔗 Perfil Profesional LinkedIn

📋 Desarrollo del Proyecto

Período: 2025-2026
Versión: 1.0
Tecnologías: Python Flask, JavaScript, Leaflet.js, Docker

🔧 Contribuciones Técnicas

  • Implementación completa del modelo gaussiano EPA ISC3
  • Desarrollo de algoritmos de Rosa de Olores
  • Diseño de interfaz responsive e intuitiva
  • Sistema de visualización cartográfica interactiva
  • Arquitectura de microservicios con Docker
  • Documentación técnica y científica completa
  • Validación científica y casos de prueba
Propiedad Intelectual: Este software ha sido desarrollado como una implementación original y específica de modelos científicos estándar. El diseño, arquitectura, interfaz y características específicas constituyen trabajo intelectual del desarrollador.

📖 Referencias Científicas

Documentos Normativos

Literatura Científica - Factores de Emisión

Modelos de Dispersión

Aplicaciones en Ganadería

Normativas Internacionales

Recursos Adicionales