Estudio de la Dispersión de los Contaminantes Atmosféricos en la Ciudad de Santa Cruz de la Sierra

FACULTAD DE INGENIERÍA Carrera: INGENIERÍA INDUSTRIAL Y DE SISTEMAS

MODALIDAD DE GRADUACIÓN Proyecto de Grado

ESTUDIO DE LA DISPERSIÓN DE LOS CONTAMINANTES ATMOSFÉRICOS EN LA CIUDAD DE SANTA CRUZ DE LA SIERRA

Fernando Chávez Gomes da Silva

Santa Cruz de la Sierra – Bolivia 7 de agosto del 2009

FACULTAD DE INGENIERÍA Carrera: INGENIERÍA INDUSTRIAL Y DE SISTEMAS

MODALIDAD DE GRADUACIÓN Proyecto de Grado

ESTUDIO DE LA DISPERSIÓN DE LOS CONTAMINANTES ATMOSFÉRICOS EN LA CIUDAD DE SANTA CRUZ DE LA SIERRA

Fernando Chávez Gomes da Silva Registro: 2005111244 Proyecto de Grado para optar al grado de Licenciado en Ingeniería Industrial y de Sistemas

Santa Cruz de la Sierra – Bolivia 7 de agosto del 2009

Agradecimientos

AGRADECIMIENTOS Muchas gracias a todos aquellos que de una u otra manera han hecho posible este trabajo (ellos ya saben quiénes son y prefiero no tener que nombrarlos para evitar el riesgo de olvidar a alguien).

Proyecto de Grado - Dispersión de Contaminantes Atmosféricos en SCZ

I

Abstract

ABSTRACT TITULO AUTOR (ES)

ESTUDIO DE LA DISPERSIÓN DE CONTAMINANTES ATMOSFÉRICOS EN LA CIUDAD DE SANTA CRUZ DE LA SIERRA Fernando Chávez Gomes da Silva La dispersión de los contaminantes está influenciada por una gran diversidad de variables. Éstas están relacionadas con los niveles de contaminantes atmosféricos, los cuales influyen en la calidad del aire.

La importancia de la calidad del aire radica en los efectos PROBLEMÁTICA que la contaminación atmosférica puede tener sobre la salud y calidad de vida de las personas. Entender mejor estos factores que afectan a los contaminantes es un paso más para una gestión de la Calidad del Aire. OBJETIVO GENERAL

Establecer la influencia de cada uno de los factores identificados como responsables de la dispersión de los contaminantes atmosféricos, en la calidad del aire de la ciudad de Santa Cruz de la Sierra Contaminantes Atmosféricos, sus efectos, ciclo de dispersión, emisión, transporte, interacciones químicas y deposición.

CONTENIDO

Factores que influyen en su dispersión: Emisiones, Meteorología, Geografía Trabajos Relacionados: Dispersión de contaminantes Inmisiones: Monitoreo, Análisis de Datos Modelo de Calidad del Aire: Diseño, Validación, Costos y Beneficios

CARRERA GUIA

Ingeniería Industrial y de Sistemas Ing. Cynthia Bojanic

Medio ambiente, Contaminantes Atmosféricos, DESCRIPTORES Emisiones, Inmisiones, Meteorología, Calidad del Aire E-MAIL

Fernando Chávez Gomes da [email protected]

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Silva

–

II

Resumen

RESUMEN La contaminación atmosférica es un problema que afecta a todas las ciudades modernas. El desarrollo industrial, el tráfico vehicular y otras actividades

humanas,

generan

altos

niveles

de

contaminación,

principalmente en las áreas más pobladas. La ciudad de Santa Cruz de la Sierra presenta un problema de contaminación particular, debido a altos niveles de Material Particulado en algunas épocas del año, lo cual ha sido identificado por los resultados de la Red de Monitoreo de la Calidad del Aire (Red MoniCA) y otros trabajos científicos realizados sobre el tema. El presente trabajo se plantea como objetivo el estudio de los contaminantes atmosféricos y los factores que afectan su dispersión y la Calidad del Aire. Se analizan las condiciones de las fuentes de emisiones, las condiciones geográficas

y

de

meteorología

que

afectan

al

transporte

de

los

contaminantes, las interacciones químicas y su deposición, factores que determinan los niveles de inmisiones a los que se expone la población. Como área de estudio está la ciudad de Santa Cruz y sus alrededores, los cuales comprenden el área del departamento de Santa Cruz principalmente, aunque se haya influencia sobre los niveles de contaminación de emisiones de zonas como el departamento de Beni y del Oeste de Brasil. Los datos de inmisiones utilizados corresponden a los de la Red MoniCA que cuenta con 11 estaciones de monitoreo pasivo (NO2 y O3), 4 de monitoreo activo (PM10) y una de monitoreo automático (NO2, O3, PM10 y CO. También se utilizaron datos meteorológicos de la estación Meteorológica de la Red MoniCA, del Aeropuerto El Trompillo y Aeropuerto Viru Viru. También se obtuvo la localización de fuentes puntuales (ubicación de las industrias), fuentes móviles (distribución del tráfico en la ciudad de Santa Cruz) y fuentes de área (distribución de la población y de algunas fuentes de área identificables). Los datos históricos que se manejaron corresponden al periodo entre 2004 y 2008; y la propuesta vale hasta un año después de finalizado este trabajo. Proyecto de Grado - Dispersión de Contaminantes Atmosféricos en SCZ

III

Resumen

Se revisan los conceptos respecto a contaminación atmosférica, a manera de tener un punto base de partida para el trabajo realizado. Se revisan las Normas Bolivianas de Calidad del Aire, NB62001 - NB62018, en especial las referentes a los métodos de monitoreo y la que se refiere al Índice de Contaminación Atmosférica (ICA) y su cálculo, que es la NB62018. También se revisaron trabajos relacionados, encontrándose que esta problemática ya ha sido enfrentada por investigadores en otras ciudades, con bastante éxito. También se revisan algunos conceptos estadísticos utilizados para el análisis de los datos, los cuales permiten establecer las correlaciones entre las variables, el objetivo principal del trabajo. El ciclo de contaminantes atmosféricos consiste en emisión, transporte, interacciones químicas y deposición. Cada una de estas etapas afecta la dispersión de contaminantes y los niveles de inmisión registrados. En el diagnóstico se analizan a detalle las características más relevantes del área de la ciudad de Santa Cruz de la Sierra, como ser su geografía, su demografía, sus emisiones, su clima y las inmisiones. La geografía llana de la ciudad, sin elevaciones importantes, favorece la circulación de vientos y con esto la dispersión de contaminantes. La distribución de la población se corresponde con una mayor densidad en las áreas centrales de la ciudad y una distribución en un área extensa, y algunas edificaciones verticales. El clima es bastante húmedo (71% de humedad relativa anual), caluroso (23°C temperatura promedio, con máximo en 35°C), si endo el verano (entre diciembre y febrero), la estación más lluviosa y la más seca el invierno (entre junio y septiembre). El promedio anual es de 1390 mm de lluvia al año y el mes más lluvioso, tuvo 340 mm de lluvia. Los vientos son más frecuentes desde el NO y N de la ciudad, con velocidades medias de 3m/s (10,6 km/h).

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IV

Resumen

Utilizando una metodología parecida a la utilizada para los inventarios de emisiones, se estimaron las cantidades de contaminantes atmosféricos emitidas por las fuentes y se distribuyeron geográficamente. El NO2 y O3 están estrechamente relacionados en una relación inversa. Al aumentar el número de incendios forestales en el departamento de Santa Cruz, los niveles del PM10 se incrementan. Altos niveles de humedad y precipitaciones están relacionados a menores niveles de contaminantes. Se buscó relacionar la radiación solar con niveles de O3, pero no se encontraron datos concluyentes. Mientras que el O3 y el CO no llegan a concentraciones límites en general, el NO2 y el PM10, llegan a niveles altos y de alerta (ICA mayor a 100). Se determinó que el contaminante que más afecta a la Calidad del Aire es el PM10 que depende principalmente de los vientos y las fuentes de área. Durante los meses de agosto, septiembre y octubre se registran los mayores niveles de contaminación. Los días de semana son los que tienen mayores concentraciones, en todos los contaminantes, debido a mayor actividad humana. En el fin de semana, con bajo tráfico vehicular y pocas industrias que funcionan, los niveles de contaminación bajan, a excepción del ozono. A lo largo del día, los contaminantes siguen el ciclo del tráfico vehicular, y su concentración se incrementa aún más al final de la tarde, donde condiciones más estables por la falta de radiación solar limitan la dispersión de los contaminantes y el tráfico vehicular de las personas que retornan a sus hogares produce emisiones. El ozono tiene un caso particular, con niveles más altos hacia el medio día, y en la mitad de la madrugada. A largo plazo se ve un ligero incremento de los niveles de O3, NO2 y CO, y una disminución de los niveles de PM10, explicable por la reducción de los focos de incendios en el departamento de Santa Cruz, tal vez debido a una mayor conciencia ambiental o a que fue un año más húmedo que el anterior. Proyecto de Grado - Dispersión de Contaminantes Atmosféricos en SCZ

V

Resumen

Se realiza como propuesta un modelo de la dispersión atmosférica, que permita realizar pronósticos de la Calidad del Aire, proyecciones de los niveles de contaminantes, dadas ciertas condiciones de emisiones, climáticas e interpolaciones que permitan visualizar la distribución de los contaminantes atmosféricos en el área de la ciudad y sus alrededores. Se determina como el tipo modelo más apropiado, de acuerdo a un análisis de sus características, un modelo tipo multicaja. Se diseñó del mismo, distribuyendo el área de estudio en cajas definidas. Se establecieron los coeficientes de emisión, de transporte, interacciones químicas y de deposición, de acuerdo a los datos históricos recopilados y se diseña la metodología de proceso de datos y los resultados a obtenerse. Se realizó la validación de pronósticos a 3 días y predicciones a 1 mes, utilizando

10

predicciones

de

fechas

y

meses

elegidas

al

azar,

encontrándose que el modelo permite realizar pronósticos a 3 días con un error menor al 10% 5 de cada 10 veces y menor al 20% 7 de cada 10 veces. Se trataron algunas directrices para quien implemente el modelo, aconsejando que se desarrolle un sistema para la generación de resultados, con el fin de automatizar las alertas y pronósticos hacia la población. Se definió cómo se debería hacer el mantenimiento al modelo propuesto y en qué condiciones. Finalmente se realizó un análisis costo beneficio, en el cual se establecía una estimación de las inversiones y los costos de una implementación del modelo propuesto y los beneficios cualitativos que tendría para la Gestión de la Calidad del Aire. También se recomienda realizar inventarios de emisiones para mayor exactitud del modelo, mejorar la calidad de los resultados obtenidos por la Red MoniCA, la necesidad de contar con más y mejores datos meteorológicos y realizar el mantenimiento anual al modelo, para ser válido. Proyecto de Grado - Dispersión de Contaminantes Atmosféricos en SCZ

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Índice de Contenido

ÍNDICE DE CONTENIDO Introducción

1

Capítulo 1 Generalidades del trabajo de Investigación Contenido del Capítulo 1.1 Antecedentes 1.2 Planteamiento del Problema 1.2.1 Definición 1.2.2 Descripción 1.2.3 Formulación 1.2.4 Supuestos 1.2.5 Preguntas de Investigación 1.3 Objetivos 1.3.1 Objetivo General 1.3.2 Objetivos Específicos 1.4 Metodología 1.5 Justificación 1.6 Límites 1.6.1 Espacial 1.6.2 Temporal 1.6.3 Sustantivo 1.7 Tipo de Investigación 1.8 Conclusiones 1.9 Referencias

3 3 4 6 6 6 7 7 8 9 9 9 10 13 14 14 14 14 15 15 16

Capítulo 2 Dispersión de Contaminantes Atmosféricos Contenido del Capítulo 2.1 Atmósfera 2.1.1 Composición Atmosférica 2.1.2 Capas atmosféricas 2.1.3 Capa Límite atmosférica 2.1.4 Perfil de Temperatura de la Atmósfera Terrestre 2.2 Contaminación Atmosférica 2.2.1 Impacto de la contaminación atmosférica 2.2.2 Calidad del Aire 2.2.3 Contaminantes 2.2.4 Contaminantes Atmosféricos Criterios 2.2.5 Concentraciones Límites de Contaminantes Criterios 2.2.6 Efectos en la Salud 2.2.7 Índice de la Contaminación Atmosférica (ICA) 2.2.8 Contaminantes Monitoreados 2.3 Ciclo de los Contaminantes Atmosféricos 2.3.1 Emisión 2.3.2 Factores de emisión 2.3.3 Fuentes de emisiones 2.3.4 Dispersión 2.3.5 Interacciones Químicas 2.3.6 Salida de la Atmósfera 2.4 Meteorología 2.4.1 Factores Meteorológicos de Interés: 2.4.2 Viento 2.4.3 Estabilidad Atmosférica 2.4.4 Temperatura 2.4.5 Humedad 2.4.6 Radiación Solar

18 18 19 19 20 20 21 21 22 22 22 23 23 24 26 26 29 29 30 30 35 37 38 39 39 40 40 41 41 42

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i

Índice de Contenido Relieve 2.5 2.5.1 Islas térmicas 2.5.2 Interfases tierra–mar 2.5.3 Valles y Laderas 2.5.4 Patrones de Circulación Atmosférica 2.6 Validación Estadística 2.6.1 Coeficiente de correlación de Pearson 2.6.2 Estimación por intervalos de confianza 2.6.3 Diseños de Experimentos Factoriales 2.6.4 Manejo de Datos Desbalanceados o Desequilibrados 2.7 Modelos de Dispersión 2.7.1 Emisión 2.7.2 Transmisión 2.7.3 Inmisiones 2.7.4 Funcionamiento del modelo de Dispersión 2.7.5 Técnicas Estadísticas o Empíricas 2.7.6 Concentración de referencia 2.8 Trabajos relacionados 2.9 Conclusiones 2.10 Referencias

42 42 43 43 43 44 45 45 45 46 47 48 48 48 48 49 49 50 53 53

Capítulo 3 Diagnóstico de la Dispersión Contenido del Capítulo 3.1 Geografía 3.1.1 Relieve 3.2 Demografía 3.3 Emisiones 3.3.1 Fuentes Móviles (Lineales) 3.3.2 Fuentes Fijas (Puntuales) 3.3.3 Fuentes de Emisión Combinadas (Área) 3.3.4 Cuantificación de las Emisiones Totales 3.3.5 Distribución De las Emisiones en el Área de Estudio 3.4 Clima 3.4.1 Otras Estaciones Meteorológicas 3.5 Inmisiones 3.5.1 Red de Monitoreo de la Calidad del Aire 3.5.2 Métodos de Monitoreo 3.5.3 Incertidumbre de los Métodos 3.5.4 Estaciones de Monitoreo 3.5.5 Resultado de las Mediciones 3.6 Análisis de los Datos 3.6.1 Entre Contaminantes 3.6.2 Emisiones y Nivel de Inmisiones 3.6.3 Niveles de Inmisión y Meteorología 3.6.4 Tendencias Cíclicas 3.6.5 Tendencias a largo plazo 3.6.6 Análisis para el desarrollo del modelo de calidad del aire 3.7 Interrelaciones entre Variables Encontradas 3.8 Conclusiones 3.9 Referencias

59 59 60 61 62 64 64 72 76 91 93 97 101 102 102 102 103 104 106 114 114 119 120 124 132 135 136 137 138

Capítulo 4 Propuesta de Modelación de Dispersión Contenido del Capítulo 4.1 Características de la Propuesta 4.2 Gestión de la Calidad del Aire 4.2.1 Tipo de Modelo de Dispersión 4.2.2 División del Área de Estudio para el Modelo

141 141 142 142 144 145

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ii

Índice de Contenido Variables de Entrada 4.2.3 4.2.4 Resultados A Obtenerse a través del Modelo 4.3 Diseño del Modelo 4.3.1 Trayectoria de los Contaminantes 4.3.2 Emisiones y Balance de Materia 4.3.3 Factores Climatológicos 4.3.4 Distribución del Área geográfica a modelarse 4.3.5 Coeficientes de dispersión 4.3.6 Manejo de las Variables de Entrada 4.3.7 Proceso de los Datos 4.3.8 Cálculo del Modelo 4.3.9 Salida del Modelo de Dispersión 4.4 Validación del Modelo 4.4.1 Validación realizada para pronóstico (a tres días) 4.4.2 Validación realizada para proyección (al siguiente mes) 4.5 Implementación del Modelo 4.6 Mantenimiento del Modelo 4.7 Análisis Costo Beneficio 4.7.1 Costos de la Implementación 4.7.2 Beneficios Cualitativos 4.8 Conclusiones 4.9 Referencias

145 148 150 150 151 151 152 155 155 158 163 168 170 170 172 175 176 177 178 181 182 183

Capítulo 5 Conclusiones y Recomendaciones Contenido del Capítulo 5.1 Conclusiones 5.2 Recomendaciones

185 185 186 191

Bibliografía

192

Anexos

198

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iii

Índice De Gráficos

ÍNDICE DE GRÁFICOS Gráfico 3.1 – Parque Automotor de Santa Cruz por Tipo de Vehículo Gráfico 3.2 – Parque Automotor de Santa Cruz, por Uso del Vehículo Gráfico 3.3 – Parque Automotor de Santa Cruz, por Combustible Utilizado Gráfico 3.4 – Parque Automotor de Santa Cruz, por Antigüedad Gráfico 3.5 – Evolución del Parque Automotor en Santa Cruz de la Sierra Gráfico 3.6 – Vehículos por habitantes en Santa Cruz de la Sierra Gráfico 3.7 – Clasificación de las industrias en Santa Cruz según rubro Gráfico 3.8 – Focos de Incendio en Santa Cruz por mes y año Gráfico 3.9 – Focos de Incendio en Santa Cruz por Provincias Gráfico 3.10 – Tipo de Fuente para cada contaminante Gráfico 3.11 – Dirección y Velocidad de los Vientos en Santa Cruz Gráfico 3.12 – Temperaturas Media, Máxima y Mínima Gráfico 3.13 – Humedad Relativa Gráfico 3.14 – Precipitaciones Diarias Gráfico 3.15 – Precipitaciones Mensuales Gráfico 3.16 – Radiación Solar Promedio Diaria Gráfico 3.17 – Datos del Monitoreo Pasivo de NO2 Gráfico 3.18 – Datos del Monitoreo Automático de NOx, NO y NO2 Gráfico 3.19 – Datos del Monitoreo Pasivo de Ozono Gráfico 3.20 – Datos del Monitoreo Automático de O3 Gráfico 3.21 – Datos del Monitoreo Activo de Material Particulado PM10 Gráfico 3.22 – Datos del Monitoreo Automático de Material Particulado PM Gráfico 3.23 – Datos del Monitoreo Automático de Monóxido de Carbono (CO) Gráfico 3.24 – Correlación entre NO2 y O3 en los diferentes puntos de monitoreo Gráfico 3.25 – Correlación entre NO2 y O3 en los diferentes periodos de exposición Gráfico 3.26 – Correlación con PM10 en los diferentes puntos de monitoreo Gráfico 3.27 – Correlación con PM10 en los diferentes periodos de exposición Gráfico 3.28 – Correlación con PM10 considerando punto y periodo de monitoreo Gráfico 3.29 – Relación entre Niveles de Contaminantes e Incendios Forestales. Gráfico 3.30– Correlación entre NO2 con la Humedad y Precipitación Gráfico 3.31 – Correlación entre O3 con la Humedad y Precipitación Gráfico 3.32 – Correlación entre PM10 con la Humedad y Precipitación Gráfico 3.33 – Relación entre niveles de contaminantes y Radiación Solar Gráfico 3.34 – Variación mensual de la concentración de NO2 Gráfico 3.35 – Variación mensual de la concentración de O3 Gráfico 3.36 – Variación mensual de la concentración de PM10 Gráfico 3.37 – Variación mensual de la concentración de CO Gráfico 3.38 – Variación Semanal de los Valores de Concentración de NO2 Gráfico 3.39 – Variación Semanal de los Valores de Concentración de O3 Gráfico 3.40 – Variación Semanal de los Valores de Concentración de PM10 Gráfico 3.41 – Variación Semanal de los Valores de Concentración de CO Gráfico 3.42 – Variación diaria de la concentración de NO2 Gráfico 3.43 – Variación diaria de la concentración de O3 Gráfico 3.44 – Variación diaria de la concentración de PM10 Gráfico 3.45 – Variación diaria de la concentración de CO Gráfico 3.46 – Histórico de Focos de Incendios Forestales Gráfico 3.47 – Histórico de Valores de NO2 Gráfico 3.48 – Histórico de Valores de O3 Gráfico 3.49 – Histórico de Valores de PM10 Gráfico 3.50 – Histórico de Valores de CO Gráfico 3.51 – Porcentaje de Correlación entre Valores de días consecutivos Gráfico 4.1 – Tendencia del promedio móvil cada 24 horas Gráfico 4.2 – Porcentaje de error acumulado en los periodos pronosticados. Gráfico 4.3 – Resultados de la Validación del Modelo para pronóstico a 3 días Proyecto de Grado - Dispersión de Contaminantes Atmosféricos en SCZ

65 66 66 67 68 68 73 78 79 92 97 98 98 99 99 100 106 107 109 110 111 112 113 114 115 116 117 117 119 120 121 121 123 124 125 125 126 126 127 127 128 129 129 130 130 132 133 133 134 134 135 160 171 172 iv

Índice De Ilustraciones Gráfico 4.4 – Porcentaje de error en la predicción de periodos mensuales Gráfico 4.5 – Resultados de la Validación del Modelo para predicción a 1 mes

173 174

ÍNDICE DE ILUSTRACIONES Ilustración 2.1 – Ciclo de los Contaminantes Atmosféricos Ilustración 3.1 – Ciudad de Santa Cruz de la Sierra Ilustración 3.2 – Vista aérea de la ciudad de Santa Cruz de la Sierra Ilustración 3.3 – Relieve de los alrededores de la ciudad de Santa Cruz de la Sierra Ilustración 3.4 – Principales Vías, según el número de vehículos Ilustración 3.5 – Ubicación de las principales industrias en la ciudad de Santa Cruz Ilustración 3.6 – Emisiones Industriales por Año (del 2004 al 2008) Ilustración 3.7 – Focos de Incendios Forestales Año 2006, Mes de Agosto Ilustración 3.8 – Imágenes Satelitales usadas para el monitoreo Ilustración 3.9 – Modelación de transporte de CO del 7/03/2009 Ilustración 3.10 – Vientos zonales preponderantes en América del Sur Ilustración 3.11 – Pluma de dispersión regional de CO Ilustración 3.12 – Pluma de dispersión regional de PM2.5 Ilustración 3.13 – Área de Influencia de Incendios Forestales Ilustración 3.14 – Distribución de COV Ilustración 3.15 – Distribución de las emisiones de CO Ilustración 3.16 – Distribución de las emisiones de NOx Ilustración 3.17 – Distribución de las emisiones de PM10 Ilustración 3.18 – Distribución de las emisiones de CO2 Ilustración 3.19 – Ubicación de los puntos de Monitoreo en Santa Cruz Ilustración 4.1 – Gestión de la Calidad del Aire Ilustración 4.2 – Ejemplo de Índice de Contaminación Atmosférica (ICA) Ilustración 4.3 – División en Zonas de la ciudad para el modelo Ilustración 4.4 – Mapa del departamento con las zonas definidas Ilustración 4.5 – Elementos del Modelo de caja Ilustración 4.6 – Zonificación por Colores, para el mes de Septiembre 2007

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29 60 61 62 69 72 74 77 82 84 85 86 87 88 93 94 95 95 96 105 143 149 153 154 164 169

v

Índice De Tablas

ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1.1 – Metodología para la realización del trabajo Tabla 2.1 – Composición Porcentual de la Atmósfera Tabla 2.2 – Capas de la Atmósfera según la variación de temperatura Tabla 2.3 – Límites máximos de contaminantes criterio (Utilizados para la determinación del índice de contaminación atmosférica) Tabla 2.4 – Trabajos Relacionados sobre los Efectos en la Salud de los Contaminantes Atmosféricos en Bolivia Tabla 2.5 – Contaminantes Monitoreados Tabla 2.6 – Contaminantes vehiculares según el combustible Tabla 2.7 – Categorías de Fuentes de Área Tabla 2.8 – Interpretación de valores del Coeficiente de Correlación de Pearson Tabla 2.9 – Clases de Modelos de Dispersión Tabla 2.10 – Cuadro Resumen de Trabajos Relacionados Tabla 3.1 – Cantidad de Habitantes en la ciudad de Santa Cruz Tabla 3.2 – Población de la ciudad de Santa Cruz de la Sierra según distritos Tabla 3.3 – Factores de Emisión de Fuentes Móviles Tabla 3.4 – Emisiones del Parque Vehicular de Santa Cruz Tabla 3.5 - Cantidad de Industrias según rubro Tabla 3.6 – Factores de Emisión de Industrias por Rubro Tabla 3.7 – Emisiones Anuales Totales en Industrias por Rubro (Año 2008) Tabla 3.8 – Factores de Emisión Para Incendios Forestales Tabla 3.9 – Emisiones Anuales, Incendios Forestales del Departamento de Santa Cruz Tabla 3.10 – Emisiones por fuentes de área en la ciudad de Santa Cruz Tabla 3.11 – Emisiones Totales de la ciudad de Santa Cruz de la Sierra, Año 2008 Tabla 3.12 – Emisiones Totales de la ciudad de Santa Cruz por Año Tabla 3.13 – Metodologías de Monitoreo Tabla 3.14 – Puntos de monitoreo de Material Particulado Tabla 3.15 – Resumen de los Coeficientes de Correlación con Humedad y Precipitación Tabla 3.16 – Cuadro Resumen de las Correlaciones entre variables Tabla 4.1 – Evaluación de Modelos de Dispersión Tabla 4.2 – Zonas de la ciudad de Santa Cruz de la Sierra para el modelo Tabla 4.3 – Áreas de los Alrededores de la Ciudad de Santa Cruz Tabla 4.4 – Tabla de Contaminante por Área y Periodo Tabla 4.5 – Tabla de Condiciones Meteorológicas para Modelo Tabla 4.6 – Variación en el Transporte de contaminantes entre áreas Tabla 4.7 – Variación en la Deposición de acuerdo a las Condiciones Atmosféricas Tabla 4.8 – Porcentaje de error obtenido en 10 pronósticos a 3 días Tabla 4.9 – Calidad del pronóstico realizado a diferentes días. Tabla 4.10 – Resultados de la predicción de periodos mensuales Tabla 4.11 – Calidad de la predicción realizada a 1 mes Tabla 4.12 – Especificaciones del Equipo de Computación Tabla 4.13 – Especificaciones del Software Tabla 4.14 – Costos Anuales de la Obtención de los Datos Tabla 4.15 – Costos de Funcionamiento del Modelo Tabla 4.16 – Costos de Mantenimiento del Modelo Tabla 5.1 - Características de Contaminantes Estudiados

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12 19 20 24 25 26 31 34 45 47 50 62 63 71 71 73 74 74 80 81 91 91 92 102 104 122 136 144 152 154 159 161 166 168 170 171 173 174 178 179 179 180 180 186

vi

Introducción - Contenido del Capítulo

INTRODUCCIÓN La contaminación atmosférica en la ciudad de Santa Cruz de la Sierra es un problema que afecta al más del millón y medio de habitantes que tiene. Esta alta concentración de habitantes ha creado problemas de alto tráfico vehicular, un parque automotor que genera importantes cantidades de contaminación atmosférica. Además la ciudad sufre anualmente durante la época seca por la quema en áreas rurales que tradicionalmente se realiza para limpieza del suelo. Igualmente en el interior de la ciudad existen quemas de desechos y otros, que agravan la situación. Además los vientos elevan gran cantidad de polvo del importante número de calles sin pavimentar y de zonas sin cobertura vegetal. Todos estos aspectos contribuyen al problema ambiental y el deterioro de la calidad de vida de sus habitantes. Uno de los mayores problemas que enfrenta la ciudad de Santa Cruz debido al arrastre del viento son las partículas de materia sólida o líquida finamente fragmentado y cuyo tamaño es menor que 10 micrómetros de diámetro que se le conoce como partículas respirables (PM10). Para identificar los niveles de contaminación en las cuatro principales ciudades del país y sentar una línea base en cuanto a la calidad del aire que Proyecto de Grado - Dispersión de Contaminantes Atmosféricos en SCZ

1

Introducción - Contenido del Capítulo

respira la población urbana en Bolivia, se ha creado el Proyecto AIRE LIMPIO, el cual ha fomentado el establecimiento de redes de monitoreo de la calidad del aire en cada ciudad, agrupadas actualmente en la Red Nacional de Monitoreo de la Calidad del Aire (Red MoniCA Bolivia). La Red MoniCA Bolivia determina la calidad del aire a escala urbana. El Proyecto AIRE LIMPIO apoya la implementación de estas redes en las cuatro ciudades con mayor densidad poblacional y de mayor parque automotor en el país: La Paz, El Alto, Cochabamba y Santa Cruz de la Sierra. El proyecto, en la ciudad de Santa Cruz de la Sierra, ha formado una alianza con la Universidad Privada de Santa Cruz de la Sierra y el Gobierno Municipal Autónomo de Santa Cruz de la Sierra. A lo largo del tiempo de la duración del proyecto en la ciudad, se han obtenido datos de contaminación durante el periodo que comprende desde el mes de abril del año 2004 para gases como Monóxido de Carbono (CO), Oxidos de Nitrógeno (NOx) y Ozono (O3) y desde el año 2004 para material particulado (PM10) hasta la fecha. Como parte de la gestión de la Calidad del Aire, se han creado programas de concientización, mediciones a fuentes emisoras como los vehículos y actualmente se informa a la población acerca de la calidad del aire mediante el Índice de Calidad del Aire (ICA). También se tiene previsto realizar un inventario de Emisiones de la ciudad de Santa Cruz y continuar con el siguiente paso en la Gestión de la Calidad del Aire, la modelación de la dispersión de contaminantes. Fuente: Informe Año 2008 del Proyecto Aire Limpio.

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2

Generalidades del trabajo de Investigación - Contenido del Capítulo

Capítulo 1

GENERALIDADES DEL TRABAJO DE INVESTIGACIÓN

CONTENIDO DEL CAPÍTULO En este Capítulo se definen las características de este trabajo de investigación Se inicia con los Antecedentes del problema de la contaminación atmosférica, la Calidad del Aire y las actividades realizadas para lograr la Gestión de la Calidad del Aire. Planteamiento del Problema, en función al desconocimiento de los factores que afectan la dispersión de los contaminantes. Formulando los Objetivos de este Trabajo Definiendo la Metodología que se seguirá para resolver el problema Mediante la Justificación de la investigación Se establecen los Límites del estudio.

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3

Generalidades del trabajo de Investigación - Antecedentes

1.1

ANTECEDENTES

Entre los principales problemas ambientales, la contaminación atmosférica en los centros urbanos es una preocupación creciente, debido al incremento de

las

emisiones

de

contaminantes

atmosféricos,

que

provienen

principalmente de las necesidades de transporte, las actividades industriales, las actividades agrícolas y otras. La calidad del aire es importante para la salud de los habitantes de la ciudad y es por eso que en muchas ciudades que presentan problemas de contaminación atmosférica, situación estudiada desde muchos años atrás. En Bolivia, el Proyecto Ecología Urbana de la Fundación Suiza de Cooperación para el Desarrollo Técnico (Swisscontact), desde 19991, la línea de acción contra la contaminación atmosférica llamada Proyecto Aire Limpio. Para identificar los niveles de contaminación atmosférica, el Proyecto AIRE LIMPIO ha fomentado el establecimiento de redes de monitoreo de la calidad del aire en cada ciudad, agrupadas actualmente en la Red Nacional de Monitoreo de la Calidad del Aire (Red MoniCA Bolivia)2. Para el plan de monitoreo, se decidió medir los contaminantes de mayor abundancia y efecto para la salud de la población y del medio ambiente: a. Material particulado (PM10) b. Gases: Óxidos de Nitrógeno (NOx) y Ozono (O3) En la ciudad de Santa Cruz de la Sierra actualmente se cuentan con 11 puntos de monitoreo de gases utilizando la metodología de tubos pasivos desde el año 2004, 4 puntos de monitoreo de Material Particulado PM10 desde el año 2004 y un punto de medición automática de NOx, O3, CO (desde el 2006) y PM10 (desde el 2008).

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4

Generalidades del trabajo de Investigación - Antecedentes

Los parámetros meteorológicos y topográficos también son tomados en cuenta como parámetros ambientales, ya que la meteorología y topografía de la región de estudio están estrechamente relacionadas con la dispersión de los contaminantes atmosféricos. La red MoniCA Santa Cruz cuenta con una estación meteorológica que pertenece a la red desde octubre del 20073, que registra la dirección y velocidad del viento, temperatura, humedad, precipitación y radiación solar de manera automática, además de estar disponibles datos meteorológicos históricos de estaciones cercanas. Dentro de la red MoniCA, es importante mencionar que desde su diseño,4 se ha reconocido la necesidad de aplicar modelos de dispersión para mejorar la gestión de la Calidad del Aire. También se han realizado algunos estudios realizados utilizando los datos que genera durante su operación. Se han realizado estudios acerca de los efectos de la contaminación del aire en la salud de las personas.5 En la ciudad de Cochabamba se estudió el efecto de NOx y O3 (año 2006)6 y CO (año 2007)7, replicándose durante este año (2008) en la ciudad de Santa Cruz.8 También el trabajo del proyecto ha permitido la realización de Tesis9 y Proyectos de grado.10 También se han realizado a escala nacional inventarios de emisiones, y a escala regional (ciudad de La Paz, año 2007)11, para determinar las fuentes de contaminantes. Entre las actividades del Proyecto Aire Limpio se encuentran las Semanas de Aire Limpio desde al año 1998, durante las cuales se realizan mediciones de las emisiones del parque automotor en varias ciudades del país y permiten establecer un diagnóstico en relación a la contaminación atmosférica generada por los vehículos.12 Existe además el interés de varias instituciones que realizan la medición de las concentraciones de contaminantes atmosféricos y la necesidad de representar los datos a la población a través de un Índice de Calidad del Aire ha llevado a realizar las normativas nacionales NB 62011 a la NB 62018, las cuales han pasado ya la etapa de aprobación en junio del 2008.13 Proyecto de Grado - Dispersión de Contaminantes Atmosféricos en SCZ

5

Generalidades del trabajo de Investigación - Planteamiento del Problema

1.2

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

A continuación se define, describe y formula el problema del actual trabajo. 1.2.1 DEFINICIÓN Desconocimiento de los fenómenos que determinan la dispersión de los contaminantes atmosféricos en la ciudad de Santa Cruz. 1.2.2 DESCRIPCIÓN La dispersión de los contaminantes está influenciada por una gran diversidad de variables, las cuales interactúan en la atmósfera14. La emisión de contaminantes atmosféricos por las actividades humanas produce los gases y partículas que llegan a la atmósfera y a continuación pueden: permanecer en ella, se transformarse, se dispersarse, ser absorbidos o depositarse en tierra, dependiendo de las propiedades físicas y químicas del contaminante, la meteorología, la morfología del terreno y otros. De acuerdo a la cantidad de contaminante presente en la atmósfera, en un volumen dado, se obtiene un valor de concentración del contaminante, punto de partida para determinar la calidad del aire. La importancia de la calidad del aire se evidencia cuando se asocian a una baja calidad del aire y altos niveles de contaminación problemas como: enfermedades humanas, afecciones en plantas y animales, deterioro de edificios, pérdida de visibilidad, paisaje y otros. La Norma Boliviana NB6201815 contempla la utilización de un índice de calidad del aire que utiliza la concentración de los contaminantes medidos por la Red MoniCA. Actualmente, la red MoniCA genera datos de la concentración de contaminantes en la ciudad de Santa Cruz. Existen 11 puntos de monitoreo de tubos pasivos de NO2 y O3. Existen 4 puntos de monitoreo activo mediante impactadores que monitorean PM10. Y Existe un punto de monitoreo automático que monitorea en tiempo real las concentraciones de Proyecto de Grado - Dispersión de Contaminantes Atmosféricos en SCZ

6

Generalidades del trabajo de Investigación - Planteamiento del Problema

NOx, CO, O3 y PM10. También se cuenta con una estación meteorológica propia de la red en el mismo punto. Los datos históricos16 se remontan desde el 2004 en cuestión de monitoreo de O3 y NO2 (tubos pasivos), desde el 2004 en PM10 (impactadores), desde el 2006 en CO, O3 y NOx (equipos automáticos), desde el 2007 en meteorología (dirección y velocidad del viento, temperatura, humedad, precipitación y radiación solar); y desde el 2008 PM totales, PM10, PM2.5 y PM1 (automático). 1.2.3 FORMULACIÓN Desconocimiento del grado de aporte de cada uno los factores (emisiones, densidad poblacional, climatológicos, geográficos) que influyen en la dispersión de los contaminantes del aire que determinan la calidad del aire en la ciudad de Santa Cruz 1.2.4 SUPUESTOS (1)

Los contaminantes muestreados por la red MoniCA (NOx, O3, CO, Material Particulado PM10), son los principales indicadores del nivel de calidad del aire para Santa Cruz, y no serán considerados otros posibles contaminantes.

(2)

Los valores obtenidos están dentro del rango de incertidumbre de la medida para cada método de medición.

(3)

Para considerar las proyecciones a futuro, se analizarán escenarios que contemplen las condiciones más probables para la evolución de la situación.

(4)

Ante la falta de un estudio específico de inventario de emisiones para Santa Cruz, se harán estimaciones de las cantidades de contaminante emitidas, utilizando como base el inventario de emisiones nacional y como modelo el inventario de emisiones para la ciudad de La Paz.

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7

Generalidades del trabajo de Investigación - Planteamiento del Problema

1.2.5 PREGUNTAS DE INVESTIGACIÓN (1)

¿Qué son y cómo se comportan los contaminantes atmosféricos?

(2)

¿Qué

características

presenta

actualmente

la

contaminación

atmosférica en la ciudad de Santa Cruz? (3)

¿Qué influencia tiene la geografía de la ciudad de Santa Cruz para la dispersión de los contaminantes?

(4)

¿Qué cantidades de contaminantes se emiten?

(5)

¿Cuál es la distribución geográfica de los contaminantes?

(6)

¿Dónde se ubican las principales fuentes de emisión de cada contaminante?

(7)

¿Qué importancia tienen las emisiones de contaminantes de ciudades y pueblos vecinos, zonas cercanas y no tan cercanas a la ciudad?

(8)

¿Hacia dónde se dispersan los contaminantes emitidos en la ciudad?

(9)

¿Cuál es el grado de influencia de la dirección y velocidad del viento, la humedad relativa, las precipitaciones, la temperatura y la radiación solar en los valores de concentración de los contaminantes?

(10) ¿Cómo se podrían realizar pronósticos de la calidad del aire para la ciudad de Santa Cruz? (11) ¿Son suficientes las características de la red de monitoreo actual para realizar estas predicciones, y si no, que características necesitaría?

Proyecto de Grado - Dispersión de Contaminantes Atmosféricos en SCZ

8

Generalidades del trabajo de Investigación - Objetivos

1.3

OBJETIVOS

1.3.1 OBJETIVO GENERAL (0)

Establecer la influencia de cada uno de los factores identificados como responsables de la dispersión de los contaminantes atmosféricos, en la calidad del aire de la ciudad de Santa Cruz de la Sierra

1.3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS (1)

Explicar las principales características de la dispersión (emisión, transporte, interacciones químicas y deposición) de los contaminantes atmosféricos identificados como indicadores de la calidad del aire.

(2)

Describir las características actuales de la contaminación atmosférica en la ciudad de Santa Cruz, así como la evolución histórica observada.

(3)

Localizar las principales fuentes de emisiones de contaminantes.

(4)

Estimar las cantidades de contaminantes atmosférico generado.

(5)

Definir los procesos atmosféricos que modifican la dispersión de los contaminantes.

(6)

Desarrollar un sistema para recopilar todas las informaciones necesarias para realizar un análisis de los datos.

(7)

Describir y cuantificar la influencia de cada uno de los factores en la calidad del aire.

(8)

Diseñar una metodología para predecir el comportamiento a futuro de los contaminantes atmosféricos.

Proyecto de Grado - Dispersión de Contaminantes Atmosféricos en SCZ

9

Generalidades del trabajo de Investigación - Metodología

1.4

METODOLOGÍA

Para el desarrollo del presente trabajo, se seguirá la siguiente metodología: (1.1) Para la Investigación Bibliográfica se consultará la Bibliografía especializada y mediante el Análisis de Documentos y el Resumen, se buscará la información disponible sobre el tema. (2.1) Recolectar

Datos

Históricos,

Información

sobre

la

Red

y

su

metodología, teniendo como fuente los Informes de la Red MoniCA, mediante Análisis de Documentos desde el año 2004. (2.2) Luego se realizará el análisis de Datos Históricos consultando a expertos en el tema a través de entrevistas. (3.1) Determinar la ubicación de las principales fábricas y otras fuentes fijas de contaminantes atmosféricos de acuerdo al Plan de Ordenamiento Territorial de la ciudad a través de la observación del mapa y se ubicarán a las principales industrias y fuentes emisoras fijas. (3.2) Ubicar las principales vías y zonas en relación al tráfico vehicular en la ciudad mediante estadísticas de transporte y observación de mapas. (3.3) Buscar registros de áreas de incendio a través del SATIF (Sistema de Alerta Temprana de Incendios Forestales) y la observación de mapas para ubicar los focos de incendio desde el año 2004. (3.4) Determinar las emisiones generadas dentro de un área, de acuerdo a su uso de suelo utilizando el plan de ordenamiento territorial de la ciudad mediante la observación de mapas se determinará las emisiones probables de todas las UV de la ciudad (3.5) Distribuir

geográficamente

las

emisiones

utilizando

los

datos

anteriormente recolectados y procesados para Santa Cruz de la Sierra y sus alrededores Proyecto de Grado - Dispersión de Contaminantes Atmosféricos en SCZ

10

Generalidades del trabajo de Investigación - Metodología

(4.1) Determinar la cantidad de combustibles consumido por cada tipo de fuente de emisión utilizando datos del Instituto Nacional de Estadística (INE) (4.2) Estimar las emisiones totales, de acuerdo a inventarios de emisiones, a partir de esta observación y análisis de datos. (4.3) Calcular las emisiones por área de acuerdo a las Fuentes distribuidas geográficamente mediante estimaciones a partir de la observación y el análisis de datos del inventario de emisiones nacional de los datos para Santa Cruz de la Sierra y sus alrededores. (5.1) Enunciar los principales fenómenos atmosféricos buscando referencias y realizando un análisis de Bibliografía Especializada. (5.2) Describir el efecto en la atmósfera y en la dispersión de los contaminantes de los diferentes Fenómenos Atmosféricos, a partir del análisis de datos obtenidos de estaciones meteorológicas que funcionan cerca o en la ciudad de Santa Cruz de la Sierra. (6.1) Desarrollar un método de recopilación de la información para el modelo, para organizar los datos obtenidos en la investigación a través del diseño de un sistema de base de datos que permita almacenar las variables estudiadas. (7.1) Buscar

correlaciones

de

variables

a

partir

de

los

datos

de

Concentración de Contaminantes, Reportes del Clima, y la Estimación de las Emisiones para el área de Santa Cruz de la Sierra. (7.2) A partir del análisis establecer hipótesis y probarlas estadísticamente y en lo posible experimentalmente, mediante análisis de datos.

Proyecto de Grado - Dispersión de Contaminantes Atmosféricos en SCZ

11

Generalidades del trabajo de Investigación - Metodología

(7.3) Modelar la dispersión de los contaminantes del aire, utilizando las relaciones entre las variables comprobadas, con datos desde el 2004, para el área de Santa Cruz de la Sierra. (8.1) Establecer la metodología del modelo de dispersión de contaminantes, para procesar los datos y obtener resultados. (8.2) Diseñar un sistema para actualizar y validar el modelo de dispersión de contaminantes, para el área de Santa Cruz de la Sierra. Tabla 1.1 – Metodología para la realización del trabajo Objetivos Específicos (1)

Fuentes

Población/

Técnica Análisis Documentos Resumen

Muestra de

Toda bibliografía disponible

la

(1.1)

Investigación Bibliográfica sobre contaminantes

Bibliografía especializada

(2.1)

Recolección de Datos Históricos, Normas, Información sobre la Red y su metodología

Informes de la Red MoniCA

Análisis de Datos

(2.2)

Análisis de Datos Históricos

Expertos en el tema

Entrevista

(3.1)

Determinar la ubicación de las principales fábricas y otras fuentes fijas de contaminantes atmosféricos

Plan de ordenamiento territorial de la ciudad

Observación mapa

(3.2)

Ubicar las principales vías y zonas de tráfico vehicular en la ciudad

Plan de ordenamiento territorial de la ciudad y estadísticas de transporte

Observación de mapa y Análisis de datos

(3.3)

Buscar registros de áreas de incendio

SATIF (Sistema de Alerta Temprana de Incendios Forestales)

Observación mapas

de

(3.4)

Determinar las emisiones generadas dentro de un área, de acuerdo a su uso de suelo

Plan de ordenamiento territorial de la ciudad

Observación mapas

de

(3.5)

Distribuir geográficamente las emisiones.

Datos anteriormente recolectados y procesados

Análisis de Datos

Santa Cruz de la Sierra y sus alrededores

(4.1)

Determinar la cantidad de combustibles consumido por cada tipo de fuente de emisión

Instituto Nacional Estadística (INE)

de

Análisis de Datos

Santa Cruz de la Sierra y sus alrededores

(4.2)

Estimar las emisiones totales, de acuerdo a inventarios de emisiones

Inventario Emisiones

de

Observación y Análisis de Datos

Santa Cruz de la Sierra y sus alrededores

(4.3)

Calcular las emisiones por área

Fuentes distribuidas geográficamente y estimaciones de inventario de emisiones

Análisis de Datos

Santa Cruz de la Sierra y sus alrededores

(2)

(3)

Actividades

(4)

Proyecto de Grado - Dispersión de Contaminantes Atmosféricos en SCZ

Desde el 2004 Desde el 2004

de

Las principales industrias y fuentes emisoras fijas. Principales avenidas y calles de la ciudad en relación al tráfico un 10% del total Focos incendio 2004

de desde

Todas las UV de la ciudad

12

Generalidades del trabajo de Investigación - Justificación Objetivos Específicos

(7)

Fuentes

fenómenos

Muestra

Análisis de Documentos, Resumen Análisis de Documentos, Análisis de Mapas

Toda bibliografía disponible

Diseño de Base de Datos

Para todas variables

Estudiar los atmosféricos

(5.2)

Describir las características climatológicas de Santa Cruz de la Sierra

Datos Meteorológicos

(6.1)

Desarrollar un método de recopilación de la información para el modelo

Datos Recopilados para el Estudio

(7.1)

Buscar correlaciones variables

(7.2)

Establecer hipótesis probarlas estadísticamente

(7.3)

Modelar la dispersión de los contaminantes del aire, en base a las hipótesis y correlaciones encontradas.

Relaciones entre las variables comprobadas

Análisis Modelación

(8.1)

Establecer la metodología para procesar los datos y obtener resultados

Modelo de dispersión de contaminantes

Análisis modelo

del

(8.2)

Diseñar un sistema para actualizar y validar el modelo.

Modelo de dispersión de contaminantes

Análisis modelo

del

de

y

Bibliografía Especializada

Población/

Técnica

(5.1) (5)

(6)

Actividades

Datos de Concentración de Contaminantes, Clima, Emisiones Datos de Concentración de Contaminantes, Clima, Emisiones

Análisis

y

(8)

1.5

Estaciones Meteorológicas cercanas las

Desde el 2004, para el área de Santa Cruz de la Sierra Desde el 2004, para el área de Santa Cruz de la Sierra

Análisis

Fuente: Elaboración Propia

la

Desde el 2004, para el área de Santa Cruz de la Sierra Desde el 2004, para el área de Santa Cruz de la Sierra Desde el 2004, para el área de Santa Cruz de la Sierra

Tabla 1.1

JUSTIFICACIÓN

En la actualidad, el trabajo desarrollado por la Red de Monitoreo de la Calidad del Aire (Red MoniCA) está limitado a generar datos de contaminación de días y semanas pasadas. Este proyecto permitirá conocer mejor los procesos atmosféricos que determinan la calidad del aire en la ciudad de Santa Cruz de la Sierra y así poder ayudar a definir medidas para disminuir el impacto de las actividades humanas en la contaminación atmosférica. Pronosticar valores de contaminación atmosférica a partir de otros datos, con el conocimiento de las interrelaciones entre las variables permitiría dar informes preliminares a la población sobre la calidad del aire y permitiría a las autoridades advertir en caso de que las condiciones no sean buenas para la

Proyecto de Grado - Dispersión de Contaminantes Atmosféricos en SCZ

13

Generalidades del trabajo de Investigación - Límites

salud de la población, disminuyendo la incidencia de enfermedades relacionadas a la contaminación atmosférica. 1.6

LÍMITES

Se definen como límites de este trabajo un límite espacial, un límite temporal y un límite sustantivo. 1.6.1 ESPACIAL La ciudad de Santa Cruz de la Sierra y sus alrededores, los cuales están definidos de acuerdo la influencia que éstos tienen con los contaminantes en la ciudad. 1.6.2 TEMPORAL El trabajo se realizará entre agosto del 2008 y mayo del 2009 con datos históricos desde el año 2004. Se espera generar un modelo actualizable, inicialmente válido por un año. 1.6.3 SUSTANTIVO Los contaminantes que serán parte de este estudio son aquellos considerados como los indicadores de la calidad del aire y son medidos por la Red MoniCA, los cuales son el PM10 (y los otros materiales particulados), el CO, el NO2 (también NOx) y el O3. Se consideran 3 clases de emisiones: las emisiones fijas (industrias), las móviles (transporte) y las de área (incendios forestales y otros). Otros factores serán los meteorológicos como dirección y velocidad del viento, precipitaciones, humedad, temperatura y radiación solar; y los geográficos, como el relieve y la densidad poblacional y ubicación de fuentes de emisión. En cuanto a metodologías de análisis de datos, se utilizan métodos estadísticos de análisis de datos para encontrar tendencias, probabilidades y correlaciones. Proyecto de Grado - Dispersión de Contaminantes Atmosféricos en SCZ

14

Generalidades del trabajo de Investigación - Tipo de Investigación

Como modelos de dispersión de contaminantes, se revisarán los más relevantes de acuerdo a los datos con los que se disponen, para elegir el más apropiado. 1.7

TIPO DE INVESTIGACIÓN

Este trabajo se clasifica según Vélez17 como una investigación documental, donde se analizan los datos de concentración de contaminantes de la red MoniCA, junto a datos meteorológicos e información sobre las emisiones de los contaminantes medidos. Además, se interpretan los datos para establecer un modelo que permita describir mejor la interrelación entre los factores que influyen en la dispersión de los contaminantes. 1.8

CONCLUSIONES

Este trabajo busca desarrollar la problemática de la dispersión de contaminantes atmosféricos; este tema es bastante interesante, por los posibles beneficios e implicaciones públicas que tiene para el desarrollo de la Gestión Ambiental de la Calidad del Aire. Es además complejo por el gran número de variables y factores que influyen en su comportamiento, pero a través de este documento se buscará identificar cada uno de ellos, reduciendo las incógnitas acerca de sus interrelaciones. El análisis de los datos es la principal actividad de este trabajo final de grado y la parte de recopilación y procesamiento debe ser muy metódica, se debe crear un sistema de información muy completo para permitir realizar análisis de múltiples variables, a fin de desarrollar múltiples teorías y relacionarlas con los datos observados y obtenidos. Parte importante de este trabajo de investigación será el análisis estadístico de la información, que se necesitará para establecer, comprobar hipótesis; y determinar las interrelaciones posibles para luego modelarlas y lograr la simulación para el pronóstico de los niveles de concentración de contaminantes.

Proyecto de Grado - Dispersión de Contaminantes Atmosféricos en SCZ

15

Generalidades del trabajo de Investigación - Referencias

1.9

REFERENCIAS

1

Proyecto AIRE LIMPIO. Boletín AIRE LIMPIO Bolivia nº1. Boletín. La Paz, Bolivia: Swisscontact, (2007), [Acceso: 14-11-2008]. 2

Swisscontact. “Proyecto Aire Limpio” (2006), [http://www.swisscontact.bo/swisscontact.php] [Acceso: 19-10-2008].

3

Según entrevista con Edgar Arteaga, Jefe de la Unidad Técnica Científica de la Dirección de Medio Ambiente del Gobierno Municipal [Entrevista] 18-08-2008

4

Arnold Mauricio Vaca Álvarez. “Diseño de una Red de Monitoreo y Control de la Calidad del Aire para la Ciudad de Santa Cruz de la Sierra.” UPSA, (2005), 41.

5

Cynthia Bojanic. “Caracterización de los contaminantes atmosféricos por fuentes emisoras y métodos para reducir impactos sobre la salud en la ciudad de Santa Cruz de la Sierra.” Tesis para optar al título de Magister Cientiarium, Universidad Autónoma Gabriel René Moreno, (2004), [Acceso: 13-11-2008]. 6

Proyecto AIRE LIMPIO. Evaluación del efecto de Dióxido de Nitrógeno y Ozono en la salud de la población del Municipio Cercado - Cochabamba. Cochabamba, Bolivia: Swisscontact, (2006). 7

Proyecto AIRE LIMPIO. Efectos de la Exposición Prolongada al Monóxido de Carbono Ambiental en Población Urbana de Riesgo. Cochabamba, Bolivia: Swisscontact, (2007), [http://www.swisscontact.bo/sw_files/mflkapozbyl.pdf] [Acceso: 15-11-2008]. 8

Centro de Investigaciones del Oriente, Universidad Nacional del Oriente. “Factores Influyentes en los Niveles de COHB, MetaHB y desencadenamiento de los Síntomas de Parámetros de Riesgo en Sujetos Expuestos a Medios con Alto Flujo Vehicular en Santa Cruz.” Santa Cruz, Bolivia, (2008). 9

Cynthia Bojanic. “Caracterización de los contaminantes atmosféricos por fuentes emisoras y métodos para reducir impactos sobre la salud en la ciudad de Santa Cruz de la Sierra.” 10

Nidia Katiuska Manzoni Rivarola. “Análisis del Impacto Ambiental del Material Particulado (PM10) en la ciudad de Santa Cruz de la Sierra.” UPSA, (2007). 11

GMLP. “Inventario de Emisiones de la Ciudad de La Paz Año 2007” (2008).

12

Proyecto AIRE LIMPIO. “Semanas de Aire Limpio en Bolivia.” Swisscontact, (06-2008), 5.

13

IBNORCA. “NB62011 Calidad del aire - Contaminantes criterio exterior - Límites máximos permisibles,” [Acceso: 4-10-2008]. 14

Autor Bernard J. Nebel and Richard T. Wright. Ciencias ambientales. trans. Francisco Javier Dávila, Primera Edición. Pearson Educación, (1999), 377, [Acceso: 15-11-2008]. 15

IBNORCA. “NB62018 Calidad del aire - Índice de la contaminación atmosférica,” [Acceso: 6-10-2008].

Proyecto de Grado - Dispersión de Contaminantes Atmosféricos en SCZ

16

Generalidades del trabajo de Investigación - Referencias

16

Red MoniCA. “Informe técnico Red MoniCA.” Swisscontact, (2008), 12, [http://redmonica.com/publicaciones/informe_tecnico_red_monica.pdf] [Acceso: 17-08-2008].

17

C. M. Vélez. Apuntes de Metodología de la Investigación. Medellín, Colombia, (2005); C. M. Tinoco. Manual de Clase Trabajo Final de Grado I IN519. Santa Cruz, Bolivia, (2008), 4.

Proyecto de Grado - Dispersión de Contaminantes Atmosféricos en SCZ

17

Dispersión de Contaminantes Atmosféricos - Contenido del Capítulo

Capítulo 2

DISPERSIÓN DE CONTAMINANTES ATMOSFÉRICOS

CONTENIDO DEL CAPÍTULO En este capítulo se realiza una revisión Bibliográfica de los siguientes temas: Atmósfera, en cuanto a su composición y principales características Contaminación Atmosférica, los contaminantes, límites permisibles, Calidad del Aire, los efectos sobre la salud Ciclo de los Contaminantes Atmosféricos, en cuanto a emisión, dispersión, interacciones químicas en la atmósfera y deposición final Meteorología, los principales factores que influyen en la dispersión, los vientos, la inversión térmica y otros Relieve, los principales factores determinantes de la dispersión Validación Estadística, análisis factorial, resultados en un margen de confiabilidad, pruebas de validación Modelos de Dispersión de Contaminantes Atmosféricos, definiendo la importancia de cada uno de ellos Trabajos relacionados al que se propone, analizando sus aportes

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18

Dispersión de Contaminantes Atmosféricos - Atmósfera

2.1

ATMÓSFERA

La atmósfera terrestre es la capa gaseosa que rodea a la Tierra. El 75% de la masa total de la atmósfera se encuentra en los primeros 11 km de altura desde la superficie planetaria. En la atmósfera ocurren los intercambios gaseosos entre los seres vivos terrestres, permitiendo así que se realice la función vital de respirar. Protege la vida de la Tierra absorbiendo en la capa de ozono parte de la radiación solar ultravioleta, reduciendo las diferencias de temperatura entre el día y la noche, y actuando como escudo protector contra las amenazas del espacio como los meteoritos, partículas y rayos cósmicos18 2.1.1 COMPOSICIÓN ATMOSFÉRICA Los gases que componen la atmósfera se encuentran en proporciones definidas, las cuales llegan a variar un pequeño porcentaje de acuerdo a factores como la altura, la humedad del ambiente, época del año, contaminación atmosférica natural o antropogénica y otros. En la tabla a continuación se presenta la composición promedio de la atmósfera cercana a la superficie. Tabla 2.1 – Composición Porcentual de la Atmósfera Gas

Porcentaje

Nitrógeno (N2)

(78,084%)

Oxígeno (O2)

(20,946%)

Argón (Ar)

(0,934%)

dióxido de carbono (CO2)

(0,033%)

vapor de agua (H2O)

(aprox. 1%)

Neón (Ne)

(0,00182%)

Helio (He)

(0,000524%)

Criptón (Kr)

(0,000114%)

Hidrógeno (H2)

(0,00005%)

Ozono (O3)

(0,00116%). 19

Fuente: Química atmosférica

Proyecto de Grado - Dispersión de Contaminantes Atmosféricos en SCZ

19

Dispersión de Contaminantes Atmosféricos - Atmósfera

2.1.2 CAPAS ATMOSFÉRICAS Al incrementarse la altura sobre la superficie terrestre, la temperatura varía con la altitud. Relacionando matemáticamente ambas variables, existen intervalos de altura en los que la relación matemática permanece constante. Estos intervalos de altura son conocidos como capas de la atmósfera. Se identifican 5 capas, las cuales se indican en la siguiente tabla: Tabla 2.2 – Capas de la Atmósfera según la variación de temperatura Nombre

Altura

Características

Exósfera,

desde los 500 – 1000 km

Está conformada por partículas que se mueven libremente, desde y hacia la magnetósfera o el viento solar.

hasta los 10000 km. Termósfera

desde los 80 – 85 km

Mesósfera

desde los 50 km

hasta los 600 km

hasta los 80 – 85 km Estratósfera

desde los 8 – 17 km hasta los 50 km

Tropósfera

desde la superficie 0 km hasta los 7 km en los polos y 17 km en el ecuador

La Ionósfera, como también es conocida esta capa, está formada por partículas atmosféricas ionizadas por la radiación solar. La temperatura decrece no solamente por el efecto adiabático, sino también por el enfriamiento debido al escape de radiación infrarroja emitida. La temperatura aumenta con la altura. Contiene la capa de ozono entre los 15 a 35 km, la cual contiene concentraciones relativamente altas de ozono, cuyo espesor varía estacional y geográficamente Debido al calentamiento de la superficie terrestre, en esta capa ocurren fenómenos de mezcla vertical, cuando masas de aire caliente y menos denso se elevan y produciendo una disminución de presión, al expandirse. Con la expansión la temperatura del aire disminuye y con esta disminución de temperatura, el vapor de agua del aire se condensa formando nubes o se precipita hacia la superficie, formando la lluvia. La temperatura promedio de la atmósfera en la superficie de la tierra es de 15 °C

Fuente: Contaminación atmosférica20

2.1.3 CAPA LÍMITE ATMOSFÉRICA Es la zona hasta 2 km de altura en la que la velocidad del viento es afectada por la resistencia cortante de la superficie terrestre. Arriba de esta capa, la velocidad del viento es constante. En océanos, o grandes extensiones de agua, alcanza una altura de 500 m. En las áreas rurales, llega a 1 km y en centros urbanos, con varios edificios altos, puede llegar a 2 km de alto. En los fenómenos de la contaminación atmosférica local, la Capa Límite Atmosférica es la región de mayor interés. Es la más próxima a la superficie terrestre y está afectada por la agitación local y el fuerte mezclado. Proyecto de Grado - Dispersión de Contaminantes Atmosféricos en SCZ

20

Dispersión de Contaminantes Atmosféricos - Contaminación Atmosférica

2.1.4 PERFIL DE TEMPERATURA DE LA ATMÓSFERA TERRESTRE La estructura del perfil de temperatura de la atmósfera es bastante complejo debido a la composición química y los gases que la constituyen. 21 Los gases que constituyen el mayor porcentaje (nitrógeno, oxígeno y argón) son moléculas diatómicas simétricas o monoatómicas sin momento dipolar, razón por la cual son transparentes. Como consecuencia, los rayos solares calientan la superficie terrestre, la cual calienta la baja atmósfera. El vapor de agua absorbe la radiación infrarroja al tener un momento dipolar, pero su presencia es significativa únicamente en zonas cálidas a bajas alturas. El aire en contacto con la superficie se calienta y por su menor densidad, el tiende a subir. Al hacerlo, aumenta de volumen, al descender la presión con la altura y se enfría. Por esto, la temperatura de la tropósfera disminuye uniformemente con la altura, generalmente unos siete grados por kilómetro (–7° C / km). Esta tendencia permanece hasta la alt ura de la tropopausa, donde comienza la estratósfera. Allí se encuentra la capa de ozono, que absorbe la energía de los rayos ultravioleta. Esto modifica el cambio de temperatura con la altura, aumentando la temperatura con la altura. 2.2

CONTAMINACIÓN ATMOSFÉRICA

La contaminación atmosférica consiste22 en: Alteración de la composición natural de la atmósfera terrestre. Generalmente la alteración es causada por gases, partículas líquidas o sólidas añadidas a la atmósfera. Como consecuencias, la alteración puede afectar la salud del ser humano y otros seres vivientes, atacar a distintos materiales, reducir la visibilidad o producir olores desagradables.

Proyecto de Grado - Dispersión de Contaminantes Atmosféricos en SCZ

21

Dispersión de Contaminantes Atmosféricos - Contaminación Atmosférica

2.2.1 IMPACTO DE LA CONTAMINACIÓN ATMOSFÉRICA De acuerdo al área23 que se ve afectada por la contaminación, se tiene Impacto Local, cuando afecta las cercanías de la fuente de contaminación. Ej. Hidrocarburos volátiles alrededor de instalaciones petroleras, Material Particulado generado por una fábrica de cemento. Impacto Regional, cuando el área de impacto abarca lugares alejados a la fuente de contaminación. Ej. Material Particulado de Incendios Forestales, Lluvia Ácida. Impacto Mundial, al afectar la atmósfera a nivel mundial. Ej. Calentamiento global, Agujero en la capa de ozono. 2.2.2 CALIDAD DEL AIRE La Calidad del Aire se refiere a “concentraciones de contaminantes que permiten caracterizar el aire de una región con respecto a concentraciones de referencia, fijadas con el propósito de preservar la salud y bienestar de las personas.”24 2.2.3 CONTAMINANTES Son las sustancias cuya presencia constituye una alteración de la composición natural de la atmósfera terrestre.25 Cada contaminante atmosférico posee distintas características respecto a su fuente de emisión, su dispersión, su duración en el ambiente y sus potenciales efectos.26 Una clasificación de los contaminantes atmosféricos antropogénicos sería: •

Contaminantes primarios son aquellos emitidos por fuentes y actividades identificables, realizadas por los seres humanos. Algunos de los principales son el Monóxido de Carbono (CO), los Óxidos de Nitrógeno (NOx), el Material Particulado (PM), los Óxidos de Azufre (SOx), los

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22

Dispersión de Contaminantes Atmosféricos - Contaminación Atmosférica

Hidrocarburos (HC), componentes orgánicos volátiles (COV), partículas metálicas (como el Plomo), sustancias agotadoras del ozono (como los CFC)27 •

Contaminantes secundarios son aquellos formados en la atmósfera, mediante reacciones químicas y fotoquímicas de los contaminantes primarios. Entre los que se pueden mencionar son el Ozono troposférico (O3), los ácidos nítricos y sulfúricos (de la lluvia ácida), aldehidos, nitratos de peroxiacilo (PAN) 28

Hay una gran cantidad de sustancias que son consideradas contaminantes. Caracterizarlas es bastante difícil, por lo que se establecen contaminantes criterio, de acuerdo a qué problema de contaminación se desee estudiar.29 2.2.4 CONTAMINANTES ATMOSFÉRICOS CRITERIOS Según la NB62011, “un contaminante atmosférico criterio es aquella sustancia o material presente en el aire que tiene un efecto tóxico sobre la salud de las personas y para el cual existe información toxicológica de respaldo que permite establecer un límite de concentración en un tiempo de exposición.”30 Generalmente, la presencia de un contaminante atmosférico criterio indica la presencia otros contaminantes emitidos en conjunto al contaminante criterio. La concentración de los contaminantes criterios permite establecer la calidad del aire analizado. 2.2.5 CONCENTRACIONES LÍMITES DE CONTAMINANTES CRITERIOS El valor de concentración límite permisible según la NB62011 es “un nivel de exposición establecido en base a conocimientos científicos generales e información toxicológica específica, con el fin de evitar, prevenir o reducir los efectos nocivos para la salud humana y el medio ambiente.”31

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23

Dispersión de Contaminantes Atmosféricos - Contaminación Atmosférica Tabla 2.3 – Límites máximos de contaminantes criterio (Utilizados para la determinación del índice de contaminación atmosférica) Concentración Contaminante Criterio

límite (µg/m3)

CO

O3

NO2

PM10

Periodo de exposición

Frecuencia de

Método de

excedencia

Medición

permitida

30 000

1h

Ninguna

10 000

8h

Ninguna

100

8h

Ninguna

NB 62013

60

1 año

Ninguna

NB 62017

200

1h

Ninguna

150

24 h

Ninguna

40

1 año

Ninguna

50

24 h

Ninguna

20

1 año

Ninguna

NB 62015

NB 62012 NB 62016

NB 62014

NOTA 1 La concentración medida debe ser expresada en condiciones de presión y temperaturas locales para ser comparada con los valores de la tabla 1. Los valores de presión y temperatura ambiente locales se tomarán como medias anuales. NOTA 2 Los efectos de exposición a 1 h, 8 h y 24 h son de efecto agudo. Las exposiciones de 1 año causan efecto crónico.

Fuente: Norma Boliviana NB 62011

Estos contaminantes reportados de manera periódica, son indicadores que permiten establecer el nivel de Calidad del Aire de las ciudades.32 2.2.6 EFECTOS EN LA SALUD La propia definición de contaminantes atmosféricos indican que éstos producen un efecto negativo sobre los seres vivos.33

La exposición a

determinadas concentraciones de los contaminantes criterios produce efectos sobre la salud de personas, animales y plantas.34 Los valores límites establecidos según Normas son definidos como resultado de un gran número de trabajos de investigación sobre los efectos producidos sobre la salud humana. La OMS a través de sus Guías para la Calidad del Aire, determina los valores que deberían tomarse, basado en estudios epidemiológicos, principalmente aquellos que describen exposición a niveles de concentración de contaminantes en espacios exteriores.35 Como factores importantes sobre el impacto en la salud humana se tienen: la duración de la exposición y la concentración de los contaminantes.36 Y hay un efecto sinérgico al asociarse varios contaminantes según Mugica y Proyecto de Grado - Dispersión de Contaminantes Atmosféricos en SCZ

24

Dispersión de Contaminantes Atmosféricos - Contaminación Atmosférica

Figueroa,

37

lo cual significa que los efectos de varios contaminantes entre sí

se potencian, produciendo mayores problemas en la salud a quienes se exponen a estas sustancias contaminantes de manera conjunta. A.

TRABAJOS

SOBRE LOS

EFECTOS

EN LA

SALUD

DE LOS

CONTAMINANTES

ATMOSFÉRICOS En la siguiente tabla, se resume las principales aportaciones de trabajos realizados en el país acerca de los efectos sobre la salud humana de los contaminantes. Tabla 2.4 – Trabajos Relacionados sobre los Efectos en la Salud de los Contaminantes Atmosféricos en Bolivia Autor y Título del Trabajo

Conclusiones

Proyecto AIRE LIMPIO. Determinación de los efectos de contaminantes atmosféricos NO2 y O3 sobre la población urbana de mayor riesgo. Santa Cruz de la Sierra, Bolivia. Swisscontact, 2008

Existe relación de causa efecto entre la exposición prolongada a contaminantes, con mayores efectos en la población que trabaja como ambulantes en las vías más congestionadas de la ciudad. Todavía no se ha publicado.

Manzoni R., N. K. Análisis del Impacto Ambiental del Material Particulado (PM10) en la ciudad de Santa Cruz de la Sierra. Santa Cruz de la Sierra, Bolivia UPSA 2007

La concentración de Material Particulado PM10 tiene efectos sobre la incidencia en la población de enfermedades respiratorias como la bronquitis, 38 conjuntivitis y otros

Proyecto AIRE LIMPIO. Evaluación del efecto de Dióxido de Nitrógeno y Ozono en la salud de la población del Municipio Cercado – Cochabamba. Cochabamba, Bolivia: Swisscontact, 2006.

La exposición diaria prolongada al CO, se relaciona al nivel de Carboxihemoglobina. A mayor tiempo de exposición por día, mayores niveles. Las personas expuestas sufrían cefalea, dificultades de concentración 39 y sensación de fatiga.

Proyecto AIRE LIMPIO. Efectos de la Exposición Prolongada al Monóxido de Carbono Ambiental en Población Urbana de Riesgo. Cochabamba, Bolivia: Swisscontact, 2007.

Las concentraciones de ozono demuestran tener una influencia directa en el asma crónico, en la enfermedad pulmonar obstructiva crónica (EPOC) y en la rinitis

Cynthia Bojanic. Caracterización de los contaminantes atmosféricos por fuentes emisoras y métodos para reducir impactos sobre la salud en la ciudad de Santa Cruz de la Sierra. Tesis para optar al título de Magister Cientiarium, Santa Cruz de la Sierra, Bolivia. Universidad Autónoma Gabriel René Moreno, 2004.

Descripción de los principales problemas de salud causados por los contaminantes.

Factores Influyentes en los Niveles de COHB, MetaHB y desencadenamiento de los Síntomas de Parámetros de Riesgo en Sujetos Expuestos a Medios con Alto Flujo Vehicular en Santa Cruz. Orlando Vásquez (Swisscontact), Centro de Investigaciones del Oriente Boliviano (Universidad Nacional del Oriente), 2008.

El nivel de COHb y Meta Hb depende del tipo de Exposición, Tipo de Población, Tipo de Ocupación, en medios de alto tráfico vehicular. A

El dióxido de nitrógeno influye en el asma crónico, asma agudo (ataque de asma), bronquitis aguda, infecciones 40 respiratorias agudas, rinitis y conjuntivitis

Estrategias para reducir los contaminantes atmosféricos en la ciudad, para disminuir los niveles de contaminantes al que están expuestas las personas que 41 habitan en la ciudad.

Niveles altos de COHb y Meta Hb producen alteraciones en los parámetros sanguíneos, desencadenan síntomas y exacerban factores de riesgo cardiaco, renal y eritrocitosis.

Fuente: Elaboración Propia

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25

Dispersión de Contaminantes Atmosféricos - Contaminación Atmosférica

2.2.7 ÍNDICE DE LA CONTAMINACIÓN ATMOSFÉRICA (ICA) Según la Norma NB 62018, “el Índice de la contaminación atmosférica es un valor adimensional calculado a partir de la información de la concentración de los contaminantes y de los límites permisibles especificados en la norma NB 62011. Su objetivo es facilitar la comprensión de la información sobre el riesgo por la exposición a los contaminantes del aire y las acciones de protección que se puedan realizar.”42 Para el cálculo del Índice de contaminación atmosférica se utilizan los valores de concentración de los contaminantes criterios CO, NO2, O3 y PM10, cuyo valor límite está definido en la NB 62011 (véase la Tabla 2.3 de éste documento). 2.2.8 CONTAMINANTES MONITOREADOS Entre los principales contaminantes, los de interés para este estudio son los monitoreados por la Red de Monitoreo de la Calidad del Aire (Red MoniCA) Santa Cruz (para mayor información sobre la Red de Monitoreo, véase el Capítulo 3, Descripción de la Red MoniCA,); los cuales corresponden a los contaminantes asociados a las fuentes de emisión urbanas. Tabla 2.5 – Contaminantes Monitoreados Contaminante

Fuentes Principales

Dispersión

Efectos

NOx – NO2

Combustiones a alta temperatura: motores de gasolina de los automóviles, centrales térmicas, etc.

Cercano a los emisores, los NO se oxidan hasta NO2, la forma más estable.

Irritante, es un precursor de la lluvia ácida y otros contaminantes como el Ozono.

Reacciones Secundarias entre NOx, COV y luz ultravioleta

Dado que es un contaminante secundario, se dispersa alrededor de las fuentes de COV y NOx

Ataca a las plantas, reduciendo los cultivos.

Combustión Procesos Erosión

Partículas livianas y pequeñas, se dispersan con el viento, mientras más ligeras y pequeñas, una mayor distancia.

Afectan al sistema respiratorio, penetran en los pulmones.

Gradualmente transforma a CO2

Intoxicación, impide la oxigenación de la sangre

Óxidos de Nitrógeno, principalmente Dióxido de Nitrógeno O3 Ozono troposférico

PM – PM10 Material Particulado, en especial el PM10, (menor a 10 micras). CO

incompleta, industriales,

Combustión incompleta

(Monóxido de Carbono)

se

Afecta las vías aéreas y es irritante.

Fuente: Elaboración Propia

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26

Dispersión de Contaminantes Atmosféricos - Contaminación Atmosférica

A.

ÓXIDOS DE NITRÓGENO (NOX)

Los NOx se producen durante el quemado de combustibles fósiles. Los NOx de carburantes se producen por la oxidación del nitrógeno que poseen los combustibles y los NOx térmicos se producen por la oxidación del N2 atmosférico molecular a elevadas temperaturas de combustión en presencia de oxígeno. La mayoría de las emisiones de NOx, se encuentran en forma de NO, se oxidan a NO2 en presencia de O2 y O3. El NO2 puede reaccionar con compuestos orgánicos para producir nitratos de peroxiacetilo (PAN o NPA). O con hidrocarburos para producir niebla fotoquímica. El

NO2

puede

causar

problemas

respiratorios.

La

niebla

produce

enfermedades en pulmones y bronquios. El NPA en presencia de niebla puede ocasionar irritación ocular.43 B.

MATERIAL PARTICULADO (PM, PM10)

Subproductos de los contaminantes gaseosos, o industrias y combustión del carbono inadecuada. El rango de estos contaminantes es desde los 10–6 mm hasta 1 mm. La materia particulada de aire presenta una mezcla compleja de sustancias orgánicas e inorgánicas Las gruesas son Polvo, tierra y depósitos, y la fina son aerosoles, partículas de combustión, vapores de compuestos orgánicos, condensados y metales. Su tamaño muy pequeño les permite permanecer en la atmósfera y viajar a distancias grandes. Sedimentan en la superficie terrestre, de forma natural o en gotas de agua, depositándose en el suelo o en alguna superficie. Impide la eficiencia pulmonar del hombre y de los animales. Sobre las hojas, perjudican la fotosíntesis. Algunas partículas contienen metales pesados y son tóxicas.44 Proyecto de Grado - Dispersión de Contaminantes Atmosféricos en SCZ

27

Dispersión de Contaminantes Atmosféricos - Contaminación Atmosférica

C.

MONÓXIDO DE CARBONO (CO)

El Monóxido de carbono es gaseoso, incoloro e insípido, se forma de combustiones incompletas del carbono, por déficit de O2 para la combustión completa. También se produce por disociación del CO2 a altas temperaturas (a más de 1700 °C) y en reacciones a altas temperat uras entre CO2 y compuestos del Carbono. El Monóxido de Carbono (CO) es el más abundante de los contaminantes de referencia y los automóviles son la principal fuente. Sustituye al oxígeno en la sangre, formando Carboxihemoglobina, un compuesto que impide la correcta función de oxigenación sanguínea, produciendo varios problemas de salud.45 D.

OZONO (O3)

El ozono se asocia con la niebla urbana. Los óxidos de nitrógeno y varios hidrocarburos en presencia de la radiación solar llevan a cabo un conjunto de reacciones complejas que producen contaminantes secundarios u oxidantes fotoquímicos. 46 El O3 perjudica las cosechas reduciendo el rendimiento de las mismas.47 E.

OTROS

Los hidrocarburos, son parte de las emisiones de COV. Contienen únicamente Carbono (C) e Hidrógeno (H). El metano (CH4) no es muy reactivo, pero es un gas de efecto invernadero. Los alquenos son altamente reactivos, por ej. Etileno y NOx, producen NPA y O 3. Los compuestos aromáticos, como el benceno, son cancerígenos. Entre compuestos orgánicos volátiles, muchos de ellos son reactivos. Producen nieblas fotoquímicas, y varios son cancerígenos.48 Proyecto de Grado - Dispersión de Contaminantes Atmosféricos en SCZ

28

Dispersión de Contaminantes Atmosféricos - Ciclo de los Contaminantes Atmosféricos

2.3

CICLO DE LOS CONTAMINANTES ATMOSFÉRICOS

A continuación se resume de manera general las fases del ciclo de contaminantes atmosféricos. Ilustración 2.1 – Ciclo de los Contaminantes Atmosféricos

Dispersión

Emisión

Interacciones

Salida de la

Químicas

atmósfera

Fuente: Elaboración propia

2.3.1 EMISIÓN Es la liberación del contaminante hacia la atmósfera. 49 En muchos casos, ocurre al formarse la sustancia en reacción con los gases atmosféricos durante la actividad que produce el contaminante, mientras que en otros, es simplemente la liberación de gases, o partículas, que estaban almacenados. La clase y cantidad de contaminantes emitidos depende de la actividad contaminante que se está realizando. A continuación se presentan los principales mecanismos a través de los cuales se generan emisiones:50 Combustión: Procesos donde se combina algún material combustible con el oxígeno del aire y generan dióxido y monóxido de carbono, óxidos de nitrógeno y azufre, entre otros contaminantes, de acuerdo a las impurezas que tenga el combustible utilizado.

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29

Dispersión de Contaminantes Atmosféricos - Ciclo de los Contaminantes Atmosféricos

Evaporación: Algunos gases llegan a la atmósfera por la evaporación de líquidos y sólidos, como los solventes, hidrocarburos y otros. Liberación: Utilizando gases como propelentes o eliminándolos hacia el ambiente luego de ser utilizados en procesos industriales. Pulverización: Al generar partículas de peso y tamaño adecuados para quedar suspendidas en la atmósfera. 2.3.2 FACTORES DE EMISIÓN Un factor de emisión es un valor que relaciona la cantidad de contaminante emitido a la atmósfera con la realización de una actividad fuente de contaminantes. El valor obtenido experimentalmente, con promedios de datos muestrales asumidos representativos de la categoría de la actividad fuente.51 Usualmente estos factores son expresados como el peso del contaminante emitido dividido por una unidad de la actividad que emite el contaminante, (por ejemplo kg de CO2 por L. de gasolina consumido por un automóvil). ‫݅ݏ݅݉ܧ ݁݀ ݎ݋ݐܿܽܨ‬ó݊ =

݇݃ ݀݁ ‫ݏ݋݀݅ݐ݅݉ܧ ݁ݐ݊ܽ݊݅݉ܽݐ݊݋ܥ‬ ܷ݊݅݀ܽ݀ ݀݁ ‫ܽ݀ܽݖ݈ܴ݅ܽ݁ ݀ܽ݀݅ݒ݅ݐܿܣ‬

Estos factores facilitan la estimación de las emisiones de varias fuentes de contaminación atmosférica. 2.3.3 FUENTES DE EMISIONES La clasificación de las fuentes de emisiones de manera general se divide en 2 tipos: fuentes naturales y fuentes antropogénicas. Las fuentes naturales, emiten mayores volúmenes globales que las emisiones antropogénicas, pero se encuentran más distribuidas. Las emisiones de las fuentes antropogénicas están más concentradas, especialmente en centros urbanos e industriales, donde producen altas valores que afectan a un gran número de habitantes. Proyecto de Grado - Dispersión de Contaminantes Atmosféricos en SCZ

30

Dispersión de Contaminantes Atmosféricos - Ciclo de los Contaminantes Atmosféricos

Existen episodios en los cuales los fenómenos naturales causan un impacto importante, por lo cual es necesario tomarlos también en cuenta.52 Las fuentes de emisión antropogénicas se clasifican en 3 tipos: fuentes fijas, fuentes móviles y fuentes compuestas. Para realizar la distribución geográfica de las emisiones, también se pueden clasificar como fuentes puntuales, fuentes lineales y fuentes de área.53 Es posible establecer factores de emisión, al considerar que el volumen de actividades contaminantes presenta una tendencia lineal con la cantidad de contaminante generado.54. Se desarrollan a continuación las principales categorías de emisiones antropogénicas: A.

EMISIONES VEHICULARES

Los vehículos impulsados por la combustión de Gasolina, Diesel, Gas Natural y otros, generan gases de escape como subproductos de este proceso. En centros urbanos de países en desarrollo, se reconoce que el 70% de las emisiones contaminantes se producen por fuentes móviles del transporte.55 Se presenta a continuación una tabla, que compara las emisiones contaminantes de vehículos, según su combustible. Tabla 2.6 – Contaminantes vehiculares según el combustible Combustible del Vehículo

Emisiones

Gasolina

Monóxido de carbono (CO) Óxidos de Nitrógeno (NOx) Hidrocarburos no Quemados (HC)

Diesel

Óxidos de Azufre (SOx), Material Particulado (PM) (humo negro)

Gas Natural

Metano (CH4) Óxidos de Nitrógeno (NOx)

Fuente: Elaboración Propia con Datos de Emisiones EPA56

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31

Dispersión de Contaminantes Atmosféricos - Ciclo de los Contaminantes Atmosféricos

Alguna parte de los Hidrocarburos no quemados (HC) y Metano, se produce como resultado del combustible sin quemar.57 Entre los procesos que generan este tipo de emisión están: Emisiones Evaporativas del Motor Caliente, Emisiones Evaporativas de Operación, Emisiones Evaporativas durante la Carga de Combustible, Emisiones Diurnas (del tanque de combustible del vehículo debido a una mayor temperatura), Emisiones Evaporativas en Reposo (fugas de combustible).58 a)

CÁLCULO DE LAS EMISIONES VEHICULARES

Para el cálculo de las emisiones vehiculares, se utiliza el método de factores de emisión. Los conteos del tráfico forman la base para los cálculos de las emisiones provenientes del tráfico motorizado.59 Cada tramo de carretera tiene características en cuanto al volumen del tráfico y a la composición de la flota; el volumen del tráfico además varía mucho durante las 24 horas del día. Se necesitan datos sobre el flujo vehicular por hora durante todo el día. En un conteo de doce horas de las 6am a las 6pm no se registra la mitad del volumen diario del tráfico, sino que 65% y entre las 6am y las 8pm, aproximadamente el 78% del volumen diario del tráfico pasa en este período. Para extrapolar el resultado de cualquier conteo a la cantidad de vehículos que pasa por el mismo sitio durante 24 horas, se necesitaba entonces hacer una estandarización en cuanto al tráfico por hora. Para un cálculo sencillo del actual y del futuro volumen del tráfico motorizado, se tendría que considerar el crecimiento anual de la flota vehicular en porcentaje. Para distribuir las emisiones sobre el área geográfica de estudio, se define en el mapa, para cada tramo de carretera; una cantidad de emisión, la cual

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32

Dispersión de Contaminantes Atmosféricos - Ciclo de los Contaminantes Atmosféricos

depende de los siguientes factores: Cantidad de vehículos, Composición de la flota vehicular, Factores de emisión. Los factores de emisión por su lado dependen de los parámetros: Categoría del vehículo, Mantenimiento del motor, Velocidad, Tecnología del vehículo y Manera de conducir. Por sus características, un tramo de carretera es considerado una fuente de emisión lineal. La unidad de emisión de una fuente lineal es gramos por hora por 100 m (g/h/100 m) 60 B.

EMISIONES INDUSTRIALES

Una fuente fija, con un nivel importante de emisión de un contaminante es considerada fuente puntual. Pero si son numerosas y el nivel de emisión de contaminante está por debajo de un nivel determinado, se la clasifica como fuente de área, por ser más práctico y permite reducir la cantidad de datos a relevar.61 El tipo de contaminante producido está condicionado principalmente a 2 categorías. La combustión industrial y las operaciones unitarias de producción. La quema de combustibles para la obtención de energía (térmica, mecánica y otras) utilizada en un proceso o la generación de electricidad genera contaminantes de acuerdo a la eficiencia de la combustión y tipo de combustible empleado.62 En relación al proceso de combustión, las emisiones dependen de sus procesos,63 aunque la gran variedad de los mismos hace difícil la determinación de la cantidad de contaminantes emitidos.64 Además, existen equipos de control de emisiones que disminuyen significativamente las emisiones del contaminante y forman parte de algunas industrias.65 Proyecto de Grado - Dispersión de Contaminantes Atmosféricos en SCZ

33

Dispersión de Contaminantes Atmosféricos - Ciclo de los Contaminantes Atmosféricos

a)

ESTIMACIÓN DE LAS FUENTES INDUSTRIALES

Es posible hacerlo mediante 3 herramientas: Factores de emisión, Pruebas en la fuente y Balance de materias. Para la emisión por combustión, los datos que se deben recabar son el tipo y capacidad del tipo de combustión, el consumo anual y tipo de combustible, el horario de operación y si cuenta con un tipo de tratamiento de los gases de combustión, que contaminante es controlado y la eficiencia de este tratamiento.66 Para las emisiones por Proceso, se utilizan factores de emisión que dependen de los procesos de las industrias como datos se necesitan los volúmenes de producción de la industria en cuestión, las materias primas e insumos utilizados y también se necesitan considerar las medidas de control para las emisiones. C.

OTROS TIPOS DE FUENTES

Son las consideradas como fuentes de área. Son de pequeño aporte al volumen total de contaminante y son numerosas. Las emisiones se estiman por categoría de fuente en conjunto. Tabla 2.7 – Categorías de Fuentes de Área Categoría

Características

Combustión en fuentes estacionarias

Industrias pequeñas, combustión habitacional.

Fuentes móviles estacionarias

Terminal de Autobuses Aeropuerto

Uso de solventes

Pintura, Lavado en seco, Limpieza

Fuentes industriales ligeras y comerciales

Panaderías, Ladrilleras, Restaurantes

Fuentes de áreas misceláneas

Caminos pavimentados y no pavimentados

Manejo y tratamiento de residuos

Rellenos sanitarios, tratamiento de agua

Almacenamiento y transporte de derivados del petróleo

Almacenamiento, Distribución, Fugas

Cambio de uso de suelo

Quemas, Incendios Forestales

Fuente: Manual para la Elab. de un Inventario de Emisiones en Bolivia67

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34

Dispersión de Contaminantes Atmosféricos - Ciclo de los Contaminantes Atmosféricos

a)

ESTIMACIÓN DE LAS EMISIONES DE ÁREA

La metodología que se aplica está de acuerdo a la disponibilidad de datos. En caso de no contar con datos específicos, es posible utilizar factores de emisión per cápita. Para evitar la duplicación de emisiones, es necesario ajustar los factores de emisión por fuentes de área. Es recomendado hacer los ajustes con datos de actividad, no de contaminante.68 b)

QUEMAS E INCENDIOS FORESTALES

Estas fuentes de emisión, que provienen de la quema de biomasa, producen cantidades importantes de Material Particulado y gases de Efecto Invernadero.69 La dispersión de estos contaminantes puede llegar a afectar lugares alejados, debido al fenómeno de transporte que arrastra los contaminantes hacia otras áreas. Varios estudios70,71,72,73

hablan de la influencia de fuentes externas de

emisión sobre la concentración de contaminantes de una región. Las plumas de

emisión

pueden

llegar

a

afectar

regiones

lejanas,

como

las

experimentadas por algunos países del Mar Mediterráneo, en los cuales se produce un incremento del espesor de la capa de aerosol, por la influencia de tormentas de arena del desierto del Sahara (norte de África).74 2.3.4 DISPERSIÓN Los contaminantes producidos por las fuentes de emisión al ingresar a la atmósfera se dispersan, es decir se mezclan en ella, diluyéndose y alejándose de la fuente. Como causas para la dispersión se tiene la diferencia de concentración del contaminante en diferentes puntos de la masa de aire, el arrastre del viento y los movimientos verticales.75

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35

Dispersión de Contaminantes Atmosféricos - Ciclo de los Contaminantes Atmosféricos

Entre los factores que afectan el transporte y dispersión de contaminantes atmosféricos están las variaciones del clima a nivel local, regional y global y el relieve local.76 El grado de turbulencia cercana a la fuente de emisión influye en la dispersión del contaminante. La turbulencia es el movimiento de la atmósfera. Éste puede ser horizontal, como el caso del viento y vertical, como en el caso de las corrientes de aire ascendente y descendente, la altura de la capa de mezcla, lo que se conoce como estabilidad atmosférica. Se produce una mayor dispersión de los contaminantes cuando hay viento con mayor velocidad, y cuando hay inestabilidad atmosférica, es decir, fuertes corrientes de aire tanto verticales como horizontales. Cuando ocurren fenómenos como la inversión térmica, la atmósfera queda estratificada en capas de aire de relativa estabilidad. Esto disminuye el grado de dispersión de los contaminantes, los cuales se concentran en la capa inferior de la atmósfera. La topografía del área también influye en la dispersión de los contaminantes. Las altas cadenas montañosas, o las laderas de los valles, constituyen obstáculos para la dispersión de los vientos.77 Otros factores a considerar son los efectos de turbulencia sobre la Capa Límite Atmosférica, el transporte por convección de la humedad, la deposición húmeda y seca (que modifica la concentración y la tasa de dispersión de las partículas) y la elevación de la pluma contaminante asociada a los incendios forestales, en adición al transporte de mayor escala o regional.78

Proyecto de Grado - Dispersión de Contaminantes Atmosféricos en SCZ

36

Dispersión de Contaminantes Atmosféricos - Ciclo de los Contaminantes Atmosféricos

2.3.5 INTERACCIONES QUÍMICAS Una vez que los contaminantes se encuentren en la atmósfera, es posible que interactúen con otras sustancias allí presentes.79 Éste es el caso de las interacciones de los NOx con los COV en presencia de radiación ultravioleta, que producen O3 y contaminantes secundarios.80 El NO, se emite en cantidades mayores al NO2, se produce a temperaturas mayores a 1200 °C por reacción entre el oxígeno y e l nitrógeno del aire. (்வଵଶ଴଴°஼)

ܰଶ + ܱଶ ሱۛۛۛۛۛۛۛሮ 2ܱܰ Mediante la fotólisis, parte del NO se convierte en NO2. La formación de oxidantes fotoquímicos es uno de sus graves efectos. El NO reacciona con ozono, y forma NO2 ܱܰ + ܱଷ → ܱܰଶ + ܱଶ El NO2 reacciona con luz y forma NO y radical O ௛௩

ܱܰଶ ሱሮ ܱܰ + ܱ∗ Radical O y O2 forman O3 ܱଶ + ܱ∗ → ܱଷ Los HC interactúan de forma que el ciclo está desequilibrado. NO se convierte más rápido en NO2 que la disociación del NO2 en NO y O Al formarse más rápidamente el NO2, el NO se vuelve más escaso. La falta de NO, produce niveles de O3 mayores.81 La humedad y la precipitación también pueden favorecer la aparición de contaminantes

secundarios

responsables de la lluvia ácida.

peligrosos,

tales

como

las

sustancias

82

Proyecto de Grado - Dispersión de Contaminantes Atmosféricos en SCZ

37

Dispersión de Contaminantes Atmosféricos - Ciclo de los Contaminantes Atmosféricos

2.3.6 SALIDA DE LA ATMÓSFERA El tiempo de permanencia en la atmósfera de un contaminante es variable. Depende del estado físico (partículas o gases), la naturaleza del contaminante, el área de dispersión (relieve), y las interacciones químicas que transforman al contaminante en otros compuestos y la absorción de éste en el agua, el suelo y los seres vivientes.83 Para algunos contaminantes, su dilución en la atmósfera lleva sus niveles de concentración a valores muy reducidos, casi indetectables, sin efectos. La emisión continua de algunos gases satura la capacidad de dilución de la atmósfera y el contaminante comienza a acumularse, produciendo el incremento de las concentraciones de la sustancia. Hay gases que permanecen durante décadas, como el caso de los CFC, en la estratósfera.84 Los océanos, lagos, ríos, bosques, campos, constituyen sumideros para buena parte de los gases contaminantes, en especial el CO2. La deposición seca, en especial de las partículas y compuestos formados por interacción química de gases contaminantes, es uno de los mecanismos de retorno de estos contaminantes hacia el suelo85 Las lluvias pueden tener un efecto beneficioso porque lava las partículas contaminantes del aire y ayuda a minimizar las partículas provenientes de actividades

como

la

construcción

y

algunos

procesos

extractivos

industriales.86

Proyecto de Grado - Dispersión de Contaminantes Atmosféricos en SCZ

38

Dispersión de Contaminantes Atmosféricos - Meteorología

2.4

METEOROLOGÍA

Generalmente los contaminantes se elevan o flotan lejos de sus fuentes sin acumularse hasta niveles peligrosos. Los patrones de vientos, las nubes, la lluvia y la temperatura pueden afectar la rapidez con que los contaminantes se alejan de una zona. Los patrones climáticos que atrapan la contaminación atmosférica en valles o la desplacen por la tierra pueden, dañar ambientes limpios distantes de las fuentes originales.87 Los

fenómenos

meteorológicos

que

influyen

en

la

dispersión

de

contaminantes se producen en 3 escalas:88 Microescala (1 km) con acción en minutos y en horas Mesoescala (100 km) actuando durante horas y días Macroescala (miles de km) interactuando durante días y semanas. 2.4.1 FACTORES METEOROLÓGICOS DE INTERÉS:89 Velocidad y Dirección del Viento Temperatura y Humedad Turbulencia Estabilidad Atmosférica Efectos Topográficos en la Meteorología. (Véase el punto 2.5 Relieve) A.

CAPAS ATMOSFÉRICAS

El fenómeno de transporte con focos de industrias, los datos de interés se obtienen dentro de la capa límite atmosférica, la capa más baja de la atmósfera terrestre. La dispersión de los contaminantes dentro de la CLA se debe a las turbulencias, las cuales varían de acuerdo a la estratificación de la misma. Proyecto de Grado - Dispersión de Contaminantes Atmosféricos en SCZ

39

Dispersión de Contaminantes Atmosféricos - Meteorología

La capa inestable o capa límite por convección, las turbulencias se deben a remolinos considerables, poseen de 1 a 2 km de diámetro. Las turbulencias son más débiles en la capa límite estable, con menor tamaño. Estas diferencias

originan

diferentes

velocidades

de

dispersión

de

los

contaminantes. 90 2.4.2 VIENTO En la capa cercana a la superficie, existen variaciones de la velocidad y dirección del viento debido a la influencia del relieve. Es por eso que se considera una componente media y una componente variable. La velocidad del viento, al ser dependiente del terreno, es variable con la altura. Para determinar la velocidad del viento que sea independiente de la influencia de edificios y topografía, se utiliza la ley de semejanza de la potencia. La componente media está determinada por la dirección y velocidad dominantes, y las fluctuaciones de poco tiempo. Estructuras tipo remolino de velocidad media corresponden a la componente variable de la velocidad, y es denominada turbulencia. La turbulencia puede ser producida por las irregularidades del terreno, en cuyo caso se habla de turbulencia mecánica. O por el gradiente vertical de temperatura, el cual produce corrientes de aire caliente que se eleva desde la superficie, y corrientes de aire descendente, más frío y más denso.91 2.4.3 ESTABILIDAD ATMOSFÉRICA La estabilidad atmosférica depende de las condiciones meteorológicas. Las condiciones neutrales generalmente se dan cuando hay cielos nublados. También la radiación solar cumple un papel importante, al igual que la velocidad del viento.92 Proyecto de Grado - Dispersión de Contaminantes Atmosféricos en SCZ

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Dispersión de Contaminantes Atmosféricos - Meteorología

Una atmósfera neutralmente estable ocurre cuando la variación de temperatura con la altura es igual a la gradiente de temperatura seca adiabática, que corresponde a la disminución de 1ºC cada 100 m de altura. Al ser la variación de la temperatura mayor a 1º, se habla de una atmósfera inestable. Esto produce mayores turbulencias, porque el aire que asciende o desciende, se enfría o calienta a una tasa menor, y al llegar a la nueva altura, se encuentra a diferente temperatura que el aire que lo rodea, produciendo la sustentación o hundimiento que produce inestabilidad de las capas de aire. La estabilidad atmosférica ocurre cuando la variación de la temperatura con la altura es menor a 1ºC por cada 100 m. En estos casos, se habla de atmósfera estable. La atmósfera isoterma es un caso particular, que ocurre al no haber variación de temperatura con la altura. La inversión térmica es la condición de mayor estabilidad. Al aumentar la temperatura con la altura, el aire caliente que se enfría 1ºC por la expansión adiabática se encuentra rodeado de aire más caliente, lo que lo fuerza a descender y permanecer en la capa inferior, de donde provenía. Y el aire que desciende, se calienta 1ºC por la contracción adiabática, se encuentra con aire más frío, lo cual lo obliga a ascender y retornar a la capa de la que provenía.93 2.4.4 TEMPERATURA Las emisiones producen penachos que varían con la clase de estabilidad atmosférica. La temperatura del ambiente, puede ser un factor que determina si las condiciones atmosféricas son de estabilidad o producir grandes remolinos de turbulencia. 2.4.5 HUMEDAD El contenido de humedad del aire puede modificar las propiedades caloríficas del aire. Además, una atmósfera cargada de humedad produce mayores interacciones entre los NOx y SOx que producen partículas. Proyecto de Grado - Dispersión de Contaminantes Atmosféricos en SCZ

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Dispersión de Contaminantes Atmosféricos - Relieve

La deposición de estas partículas pueden ser en forma seca, formando material particulado, que finalmente desciende a tierra. O puede ser de forma húmeda, en precipitaciones en forma de rocío, llovizna, lluvia, aguanieve, nieve, granizo. Permite que los ácidos formados por las reacciones químicas desciendan, con serios problemas para los bosques, la vida acuática y los edificios.94 2.4.6 RADIACIÓN SOLAR La formación del smog (smoke + fog, humo + niebla) fotoquímico, compuesto de contaminantes oxidantes secundarios es favorecido por la presencia de los contaminantes precursores primarios y la radiación solar. Su efecto permite las complejas interacciones químicas que producen los compuestos que conforman la niebla fotoquímica. La concentración de altas cantidades de contaminantes como los óxidos de nitrógeno, los compuestos orgánicos volátiles en días soleados producen altas concentraciones de oxidantes, que permanecen en la atmósfera, con efectos visibles de smog.95 2.5

RELIEVE

El relieve afecta a la dispersión de los contaminantes, al ejercer una importante influencia sobre el movimiento de las masas de atmosféricas. Algunos efectos producidos por el relieve en los contaminantes son: 96 2.5.1 ISLAS TÉRMICAS Las cuales pueden ser naturales o consecuencia de las actividades humanas. Los centros de las ciudades, tienen tasas mayores de absorción de calor que sus alrededores. Esto produce corrientes verticales de aire caliente, las cuales reducen la estabilidad atmosférica, aumentando el intercambio gaseoso, pero con penachos de industrias que afectan más a los terrenos cercanos. Proyecto de Grado - Dispersión de Contaminantes Atmosféricos en SCZ

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Dispersión de Contaminantes Atmosféricos - Relieve

2.5.2 INTERFASES TIERRA–MAR Los cuerpos de agua mantienen el calor durante mayor tiempo, por lo que en la noche, la tierra se enfría más rápidamente. De esta manera, se producen corrientes de aire alternadas de día y de noche, modificando la dirección de los vientos, produciendo condiciones de corrientes nocturnas que pueden concentrar los contaminantes cerca a la fuente de emisión. 2.5.3 VALLES Y LADERAS Los accidentes geográficos modifican la circulación del aire, reduciendo la velocidad de los vientos y produciendo sus propias turbulencias. Los microclimas generados por el desigual calentamiento de las laderas debido al movimiento del sol y el impacto de la radiación solar durante diferentes horarios en las laderas de la montaña, producen corrientes de convección que impiden la dispersión de los contaminantes, concentrándolos en áreas cercanas a las de las fuentes de emisión. 2.5.4 PATRONES DE CIRCULACIÓN ATMOSFÉRICA Si la superficie de la tierra fuera completamente lisa, el aire se elevaría en las regiones ecuatoriales y lo desviaría por la rotación de la tierra hacia el este. Vientos desde el este se encontrarían en las regiones tropicales, y en las regiones templadas se formarían vientos hacia el oeste, los cuales se unirían con vientos polares de dirección variable creando una región de turbulencias en esa zona. Las cadenas montañosas tienen un efecto importante en los patrones de circulación y producen cambios importantes en las regiones cercanas a ellas. Las tierras cercanas a la costa tienen un ciclo de vientos alternativos debido a su ciclo desigual de calentamiento en relación al mar con cambios en los vientos superficiales. Pero a mayores alturas, superiores a los 2000 m sobre el nivel del suelo, los patrones de circulación son bastante uniformes.97

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Dispersión de Contaminantes Atmosféricos - Validación Estadística

2.6

VALIDACIÓN ESTADÍSTICA

El sistema en estudio se visualiza como una combinación de recursos que transforman entradas, en salidas con respuestas observables. Algunas de las variables son conocidas, pero otras son incontrolables, y desconocidas. Entre los objetivos del análisis de variables se tienen98 Determinar las variables de mayor influencia en la respuestas. Determinar el mejor valor de las entradas que influyen en las respuestas, obteniendo valores cercanos al deseado. Determinar el mejor valor de las entradas que influyen en las respuestas, de manera que la variabilidad de los valores de salida sea mínima. Determinar el mejor valor de las entradas, de manera que minimicen los efectos de las variables incontrolables sobre las respuestas. El objetivo es diseñar un método que permita obtener datos apropiados, que permitan

ser

analizados

estadísticamente,

para

llegar

a

formular

conclusiones válidas y significativas. Además debe estar sujeto a los problemas de los errores experimentales. El análisis de los datos debe realizarse estadísticamente, permitiendo que los resultados y conclusiones sean objetivos. Los métodos estadísticos y los gráficos permiten establecer e interpretar las conclusiones. El análisis de residuos y la verificación de la idoneidad del modelo permiten establecer el grado de confianza de los resultados obtenidos. “Los métodos estadísticos no prueban que un factor (o varios factores) tienen un efecto particular”99 Únicamente permiten obtener el grado de error y la confiabilidad de los resultados.

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Dispersión de Contaminantes Atmosféricos - Validación Estadística

Para analizar un problema, también se debe recurrir al conocimiento no estadístico, es decir, las relaciones entre factores y las respuestas pueden venir de conocimientos previos, la experiencia, ayudar a comprender mejor el problema, colaborando con la explicación estadística del mismo. Mantener el análisis lo más sencillo posible es una cualidad que tiene una preparación objetiva de los datos y que permitirá establecer conclusiones iniciales y futuras etapas para el estudio.100 2.6.1 COEFICIENTE DE CORRELACIÓN DE PEARSON101 Mide la relación lineal entre dos variables cuantitativas. Es independiente de la escala de medida de las variables. Su valor varía entre -1 y +1, ocurriendo cualquiera de estos casos: Tabla 2.8 – Interpretación de valores del Coeficiente de Correlación de Pearson Valor de r

Interpretación

r=0

Sin relación lineal. No implica independencia total, sino que puede haber relaciones no lineales.

r=1

Hay correlación positiva perfecta, una dependencia total entre variables, una relación directa en idéntica proporción

0