Modelación de la Calidad del Aire en el Valle del CAUCA, Colombia

Texto completo

(1)

(2) INSTITUTO TECNOLÓGICO Y DE ESTUDIOS SUPERIORES DE MONTERREY CAMPUS MONTERREY DIVISIÓN DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA PROGRAMA DE GRADUADOS EN INGENIERÍA. MODELACIÓN DE LA CALIDAD DEL AIRE EN EL VALLE DEL CAUCA, COLOMBIA. TESIS PRESENTADA COMO REQUISITO PARCIAL PARA OBTENER EL GRADO ACADÉMICO DE. MAESTRO EN CIENCIAS ESPECIALIDAD EN INGENIERÍA AMBIENTAL. ROSA MARÍA GÓMEZ MORENO. MONTERREY, N.L.. MAYO DEL 2001.

(3) INSTITUTO TECNOLÓGICO DE ESTUDIOS SUPERIORES DE MONTERREY CAMPUS MONTERREY PROGRAMA DE GRADUADOS EN INGENIERÍA Los miembros del Comité de Tesis recomendamos que la presente Tesis de la Ingeniera Sanitaria Rosa María Gómez Moreno, sea aceptada como requisito parcial para obtener el grado académico de Maestra en Ciencias con Especialidad en:. INGENIERÍA AMBIENTAL. Comité de Tesis. Gerardo M. Mejía Velásquez Ph.D. ASESOR. Francisco J. Lozano G. Ph.D. SINODAL. D. Fabián Lozano G. Ph.D. SINODAL. Patricia Vela Coiffier M.C SINODAL. APROBADO. Federico Viramontes B. PnTD. Director del Programa de Graduados en Ingeniería. Mayo del 2001.

(4) AGRADECIMIENTOS. Gracias a Dios por su generosidad y por ser todo Amor. Gracias a mis Padres, Hermanos, Sobrinas demás familiares por la paciencia, el apoyo y el cariño entregado a diario y a través de la distancia. Gracias al Dr. Gerardo Mejía por darme la oportunidad de laborar como asistente en el laboratorio de modelación ambiental y por los conocimientos compartidos. Al Dr. Francisco Lozano por su apoyo, al Dr. Fabián Lozano por su colaboración. A mis compañeros del laboratorio de modelación ambiental por su amistad: Karla, Jorge y Miguel. También a los amigos del laboratorio de Sistemas de Información Geográfica por ser incondicionales: Norha, Patricia, Consuelo. Gracias por brindarme su amistad: Edgar Manuel, Brigitte, Edgar Hiram, Sergio, Edith, Maritza, Cristóbal, Alberto, Tania, Sandra, Javier, Mónica, Mario, Augusto, Marco a cada uno de ustedes por aceptarme como soy. Un agradecimiento muy especial al Dr. Alberto Mendoza por su invaluable colaboración durante el desarrollo de esta tesis. Muchas gracias a todos..

(5) RESUMEN El deterioro de la calidad del aire causado por las fuentes antropogénicas, específicamente por el consumo de combustible fósil, es significativo en el estado del Valle del Cauca y en Colombia. En Santiago de Cali, capital del estado, solo a partir de 1999 se inicia el monitoreo de la calidad del aire con 8 estaciones ubicadas a lo largo de la ciudad. A la fecha no existe ningún estudio en Colombia que determine el comportamiento, concentración y dispersión de los contaminantes en el corredor industrial comprendido entre Cali, Palmira y Yumbo. Para estudiar la formación de oxidantes fotoquímicos, se utilizó el modelo de simulación de calidad del aire CIT (California Institute of Technology and Carnegie Institute of Technology). El modelo usa como datos de entrada: condiciones meteorológicas de: temperatura, humedad, radiación solar, radiación ultravioleta, magnitud y dirección de los vientos, condiciones de frontera, topografía, usos del suelo, calidad del aire como concentraciones iniciales y las emisiones atmosféricas. Se realizó el inventario de emisiones. Para fuentes móviles se utilizó el MOBILES de la EPA modificado para la ciudad de Monterrey. Para las fuentes fijas se utilizó la información de las industrias con chimeneas superiores a los 15 m. Por último, se determinaron las emisiones para fuentes de área considerando únicamente la quema de la caña de azúcar. En este proceso se utilizaron los factores de emisión de la EPA. El total de la información se incorporó al modelo realizando un proceso previo de especiación química. El dominio de modelación abarca un área de (45 x 45) km (corredor industrial). Los resultados de la concentración de ozono calculados por el CIT, se comparan con los datos de las estaciones de monitoreo para calibrar el modelo utilizando las series de tiempo. El periodo de tiempo seleccionado para la modelación correspondió al mes de Octubre de 1999 debido a las altas concentraciones de ozono registradas en las estaciones de monitoreo. Los periodos de simulación son de una hora para realizar la interpolación de la información. Los resultados finales escogidos correspondieron al 6 de Octubre de 1999 teniendo en cuenta el ajuste de los datos simulados con respecto a los reales. Una vez seleccionada la información del 6 de Octubre, se elaboran los mapas de concentración de contaminantes, conformados por los precursores de ozono: NO, NO2 y el Ozono mismo. También se ilustra la información obtenida sobre el SO2, como una forma de evaluar la actividad industrial en el área y la calidad de los combustibles utilizados. En este proceso se utilizan los sistemas de información geográfica, que se son una herramienta clave para visualizar los resultados obtenidos de la simulación de la calidad del aire. Estos resultados indican también que se cumplieron con los objetivos planteados. A pesar de algunas limitantes de información, se obtuvo un panorama representativo de la calidad del.

(6) aire en el Valle del Cauca, específicamente en el corredor industrial conformado por los municipios de Cali, Yumbo y Palmira. Los resultados muestran que sí se supera la norma Colombiana de Calidad del Aire establecida para la concentración del ozono de: 170.0 (xg/m3 (86.7 ppb), específicamente en las horas de mayor radiación solar entre las 9:00 a.m. y las 5:00 p.m., abarcando en forma aproximada el 24% del área estudiada. Se observa que los resultado de la simulación de la calidad del aire global para el área de estudio, represente razonablemente las condiciones existentes en la zona de estudio para ciertos días. En otros días se encontró que la predicción del modelo sobre la calidad del aire no se apegó a las condiciones monitoreadas. Lo anterior puede ser debido a calidad de la información para el cálculo de las emisiones y la variación espacial y temporal de las mismas. Los mapas de concentración se ubican sobre el plano del área en estudio, con el objeto de visualizar su comportamiento tanto en zonas urbanas como rurales. Este tipo de resultados, son una herramienta muy importante de planificación para el desarrollo de estrategias del control de las emisiones y para la planificación de los usos del suelo en el Valle del Cauca..

(7) CONTENIDO Pag.. CAPITULO 1. INTRODUCCIÓN 1 1 UBICACIÓN DE LA ZONA EN ESTUDIO 1.1.1 Valle del Cauca 1.1.2 Complejo Industrial Cali, Yumbo y Palmira 1 2 PROBLEMÁTICA AMBIENTAL 1.3 OBJETIVOS 1.3.1 Generales 1.3.2 Específicos 1.4 ALCANCE. 1 3 4 4 5 5 6 6. CAPITULO 2. LA ATMOSFERA Y EL PROCESO DE CONTAMINACIÓN 2.1 GENERALIDADES SOBRE LA ATMÓSFERA 2.2 DISTRIBUCIÓN GLOBAL DEL OZONO 2.3 FUNDAMENTOS DE LA CALIDAD DEL AIRE 2.4 CARACTERÍSTICAS DE LA ATMÓSFERA EN COLOMBIA 2 5 NORMAS AMBIENTALES COLOMBIANAS 26 MODELOS DE SIMULACIÓN PARA LA CALIDAD DEL AIRE 2.6.1 Modelos Eulerianos 2.6.2 Modelos Lagrangianos 2.6.3 Comparación entre Modelos 2.7 EL MODELO CIT. 7 8 8 10 13 14 14 18 18 19. CAPITULO 3. INVENTARIO DE EMISIONES 3 1 EMISIONES DE FUENTES MÓVILES 3.1.1 El Modelo de Simulación 3.1.2 Composición del Parque Automotor 3.1.3 Tipo de Combustible y de Contaminantes Emitidos 3.1.4 Modelo para Estimar las Emisiones por Fuentes Móviles 3.1.5 Emisiones del Parque Vehicular 32 INVENTARIO DE EMISIONES PARA FUENTES FIJAS 3.2.1 Tipos de Inventarios 3.2.2 Composición de los Combustibles 3.2.3 Estimación de la Emisiones. 22 22 25 32 33 36 42 43 44 44.

(8) 3.3 INVENTARIO DE EMISIONES PARA FUETNS DE ÁREA 3.3.1 El Cultivo de la Caña de Azúcar 3.3.2 Cálculo de las Emisiones 3.4 EMISIÓN TOTAL ESTIMADA DE CONTAMINANTES. 45 47 48 49. CAPITULO 4. DEFINICIÓN DEL ESCENARIO A MODELAR 4.1 ACOTACIÓN DE LA MALLA PARA EL ESTUDIO 4.2 SELECCIÓN DEL ESPACIO TEMPORAL EN ESTUDIO 4.3 DISEÑO DEL SISTEMA DE INFORMACIÓN GEOGRÁFICA 4.4 USO DEL INTERPOLADOR METEOROLÓGICO 4.4.1 Campos Bidimensionales 4.4.2 Campos de Vientos Tridimensionales 4.5 ALTURA DE LA CAPA DE MEZCLA 46 TEMPERATURA 4.7 CAMPO DE RADIACIÓN SOLAR 4.8 CAMPO DE RADIACIÓN ULTRAVIOLETA 4.9 CAMPO DE HUMEDAD ABSOLUTA 4.10 CAMPO DE CALIDAD DEL AIRE 4.10.1 División en Zonas Rurales, Urbanas y Oceánicas 4.10.2 Distribución Vertical de las Condiciones Iniciales y de Borde 4 11 ARCHIVO SOBRE USOS DEL SUELO Y TOPOGRAFÍA 4.11.1 Categorías de Uso del Suelo y Rugosidad Aerodinámica 4.11.2 Distribución Espacial del Uso del Suelo 4.11.3 Rugosidad Aerodinámica Superficial 4.11.4 Resistencia Superficial a la Depositación 4.12 EMISIONES ATMOSFÉRICAS 4.12.1 Especiación de Emisiones Atmosféricas 4.12.2 Distribución Espacial de las Emisiones 4.13 CONTROL PARA LA EJECUCIÓN DEL CIT 4.13.1 Archivo de Control de Impresión 4.13.2 Archivos de Asignación de Direccionamiento y Escritura 4.13.3 Archivo para Definir la Malla Computacional 4.14 POSTPROCESAMIENTO DE LOS RESULTADOS 4.14.1 Mapa de Concentraciones 4.14.2 Series de Tiempo. 52 54 56 58 58 62 63 68 70 74 77 81 84 87 88 90 91 91 92 94 94 97 99 100 103 103 103 104 105. CAPITULO 5. DINÁMICA DEL OZONO EN EL VALLE DEL CAUCA 5.1 SIMULACIÓN DEL COMPORTAMIENTO DE LOS CONTAMINANTES EN EL VALLE DEL CAUCA 107.

(9) 5.2 ANÁLISIS DE RESULTADOS. 107. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES. 131. REFERENCIAS. 134. APÉNDICES. 139.

(10) ÍNDICE DE FIGURAS. Pag. Figura 1.1. Ubicación de la República de Colombia en Sur América y del Departamento (Estado) del Valle del Cauca. (IDEAM, Septiembre 1999). 1. Figura 1.2. Departamento del Valle del Cauca, su relieve y área de estudio, la cual incluye el corredor industrial: Cali, Yumbo y Palmira. (UDISTRAL, Nov. 1999). 3. Figura 2.1. Distribución media del ozono total, en unidades Dobson (o miliatmósferas) contenido en una columna de aire de 1 cm2 de sección que va desde la superficie de la Tierra hasta el tope de la atmósfera. (IDEAM, 199. 8. Figura 2.2. Estación de monitoreo de ozono en el Amazonas, 1998. (IDEAM, 1999). 11. Figura 2.3. Estación de Monitoreo de Ozono en Pasto (Nariño), 1998. (IDEAN, 1999).. 11. Figura 2.4 Estación de monitoreo de Radiación Solar Pasto, Nariño 1997 a 1999. (IDEAM, 1999).. 12. Figura 2.5 Estación de monitoreo de Radiación Solar en el Amazonas, 1997 a 1999. (IDEAM, 1999).. 13. Figura 3.1. Crecimiento anual del parque automotor con relación a la población, Santiago de Cali, 1999. (CDAV, 1997). 26. Figura 3.2. Porcentaje de cumplimiento de las normas ambientales para las fuentes móviles, Santiago de Cali. (CDAV, 1997).. 27. Figura 3.3. Distribución del crecimiento anual del parque vehicular a 1999 en Cali. Valle del Cauca.. 27. Figura 3.4. Crecimiento anual del parque vehicular con uso particular a 1999 en Cali, Valle del Cauca.. 29. Figura 3.5. Crecimiento anual del Parque Vehicular con uso Público a 1999 en Cali, Valle del Cauca.. 30. Figura 3.6. Crecimiento del Parque Vehicular utilizado para Carga en Cali a 1999. Valle del Cauca.. 30. i.

(11) Figura 3.7. Distribución porcentual de la flota vehicular con base en el uso: Particular, Público y de Carga a 1999 en Cali, Colombia.. 31. Figura 3.8. Emisión Total por Año y por Velocidad. Cali, 1999. Valle del Cauca.. 37. Figura 3.9. Variación de las emisiones por fuentes móviles con base en la velocidad. Cali, 1999.. 39. Figura 3.10. Porcentaje de Emisión por Velocidad y por Tipo de Vehículos. Cali, 1999. *Combustible Diesel. Contaminantes: HC, CO y NO. Rangos de velocidad 20, 35 y 50 km/h.. 40. Figura 3.11. Distribución de los contaminantes por porcentaje, 1999. (a) Palmira a una velocidad de 20 km/h. (b) Yumbo a una velocidad de 50 km/h.. 42. Figura 3.12. Porcentaje de Emisión de Contaminantes por Fuentes Fijas en el Valle del Cauca, 1999.. 47. Figura 3.13. Comportamiento de los Contaminantes en el Corredor industrial del Valle del Cauca, 1999.. 51. Figura 4.1. Ubicación de la malla computacional y de las estaciones de monitoreo en el área de estudio. Valle del Cauca, 1999.. 53. Figura 4.2. Concentración de Ozono en el año 1999, confrontación con la norma Colombiana. Cali, Colombia. (DAGMA, 1999). 55. Figura 4.3. Concentración horaria del Ozono en el CDAV. Cali, Octubre de 1999.. 56. Figura 4.4. Rosa de vientos en la estación de monitoreo CDAV. La velocidad promedio fue de 1.57 m/s y vientos en calma de 8.33%.. 61. Figura 4.5. Variación promedia horaria de la capa de mezclado para el año 1994. AER.. 66. Figura 4.6. Esquema del comportamiento del ozono vs la temperatura máxima diaria tanto en zonas urbanas (Atlanta) como en área rural (USA).. 69. Figura 4.7. Relación entre la concentración máxima de ozono, la temperatura y la hora del día. Octubre 4 de 1999, estación meteorológica CDAV. Cali, Colombia.. 70. ii.

(12) Figura 4.8. Ubicación de las fuentes fijas elevadas tanto industrial como por quema de caña de azúcar en el área de modelación. Valle del Cauca, 1999.. 99. Figura 5.1.a. Serie de tiempo en el área de modelación, considerando la quema de caña de azúcar. Los datos corresponden al 6 de octubre de 1999.. 108. Figura S.l.b. Serie de Tiempo en el área de modelación sin el proceso de quema de caña. Los datos corresponden al 6 de Octubre de 1999.. 108. Figura 5.2.a. Comparación entre la variación de la Concentración de Ozono (serie de Tiempo), entre datos simulados y datos reales. Estación: Meléndez, Octubre del 4 al 10 de 1999.. 110. Figura 5.2.b. Comparación entre la variación de la Concentración de Ozono (serie de Tiempo), entre datos simulados y datos reales. Estación CDAV, Octubre del 4 al 10 de 1999.. 110. Figura 5.2.c. Comparación entre la variación de la Concentración de Ozono (serie de Tiempo), entre datos simulados y datos reales. Estación POLD, Octubre del 4 al 10 de 1999.. 111. Figura 5.3.a. Serie de Tiempo para la estación de monitoreo del CDAV. 6 de Octubre de 1999.. 112. Figura 5.3.b. Serie de Tiempo para la estación de monitoreo del POLD. 6 de Octubre de 1999.. 112. Figura 5.3.b. Serie de Tiempo para la estación de monitoreo del MEL. 6 de Octubre de 1999.. 113. Figura 5.4 Área en estudio. Se observa el Valle en él las zonas urbanas que intervienen en el estudio y la ubicación de las estaciones meteorológicas. Miden ozono las estaciones 2, 5 y 6.. 114. Figura 5.5.a. Comportamiento del NO a la primera hora del día 16 de Octubre, 1999. En la figura 5.4 se indican los nombres de las estaciones de monitoreo.. 116. Figura S.S.b. Comportamiento del NO a la quinta del día 16 de Octubre, 1999.. 116. Figura S.S.c. Comportamiento del NO a la novena hora del día 16 de Octubre, 1999.. 117. Figura 5.5.d. Comportamiento del NO a la una de la tarde del día 16 de Octubre, 1999.. 117. iii.

(13) Figura 5.5.e. Comportamiento del NO a las 5 de la tarde del día 16 de Octubre, 1999.. 118. Figura 5.5.Í. Comportamiento del NO a las 9 de la noche del día 16 de Octubre, 1999. En la figura 5.4 se indican los nombres de las estaciones de monitoreo.. 118. Figura 5.6.a. Comportamiento del NO2 a las primera hora del día 16 de Octubre, 1999.. 120. Figura 5.6.b. Comportamiento del NO2 a las cinco horas del día 16 de Octubre, 1999. 120. Figura 5.6.c. Comportamiento del NOa a las nueve horas del día 16 de Octubre, 1999. 121. Figura 5.6.d. Comportamiento del NO2 a la una de la tarde del día 16 de Octubre, 1999. 121. Figura 5.6.e. Comportamiento del NO2 a las cinco de la tarde del día 16 de Octubre, 1999. 122. Figura 5.6.f. Comportamiento del NO2 a las nueve de la noche del día 16 de Octubre, 1999. En la figura 5.4 se indican los nombres de las estaciones de monitoreo. 122 Figura 5.7.a. Comportamiento del O3 a la primera hora del día 16 de Octubre, 1999. En la figura 5.4 se indican los nombres de las estaciones de monitoreo.. 124. Figura 5.7.b. Comportamiento del O3 a la quinta hora del día 16 de Octubre, 1999. 124. Figura 5.7.c. Comportamiento del O3 a la novena hora del día 16 de Octubre, 1999. 125. Figura 5.7.d. Comportamiento del O3 a la una de la tarde del día 16 de Octubre, 1999.. 125. Figura 5.7.e. Comportamiento del O3 a las 5 de la tarde del día 16 de Octubre, 1999. 126. Figura 5.7.f. Comportamiento del O3 a las 9 de la noche del día 16 de Octubre, 1999.. 126. Figura 5.8. Rosa de vientos correspondiente al 6 de Octubre de 1999. Estación CDAV.. 127. iv.

(14) Figura 5.9.a. Comportamiento del SO2 a la primera hora del día 16 de Octubre, 1999.. 128. Figura 5.9.b. Comportamiento del SO2 a la quinta hora del día 16 de Octubre, 1999.. 128. Figura 5.9.c. Comportamiento del SO2 a las nueve horas del día 16 de Octubre, 1999.. 129. Figura 5.9.d. Comportamiento del SO2 a la una de la tarde del día 16 de Octubre, 1999.. 129. Figura 5.9.e. Comportamiento del SO2 a las 5 de la tarde del día 16 de Octubre, 1999.. 130. Figura 5.9.f. Comportamiento del SO2 a las 9 de la noche del día 16 de Octubre, 1999.. 130. V.

(15) ÍNDICE DE TABLAS. Pag. Tabla 2.1. índice de radiación ultravioleta y el riesgo según los niveles de exposición. (IDEAM, 1999).. 12. Tabla 2.2. Norma de Calidad del Aire en Colombia y México. (Diario Oficial de la República de Colombia, 1982 y Diario Oficial de la Federación, 1994). 15. Tabla 3.1. Composición de parque vehicular, por modelo, tipo y uso, en Santiago de Cali a 1999. Valle del Cauca (Colombia).. 28. Tabla 3.2. Rangos de velocidad por tipo de vehículos utilizada en Monterrey.(Concejo Estatal de Transporte, México). 34. Tabla 3.3. Velocidades Promedio por Uso del Suelo y Población. Connecticut, USA. (Cal R. Reyes S, M. Y Cárdenas G, J. 1998).. 34. Tabla 3.4. Número total de vehículos por categoría, velocidad promedio y kilometraje recorrido, asumida para Santiago de Cali.. 35. Tabla 3.5. Factores de emisión obtenidos para CO, NOx e HC. Cali, 1999. Valle del Cauca.. 36. Tabla 3.6. Emisiones por fuentes móviles de HC, CO y NOx, con base en la variación de la velocidad. Cali, 1999. Valle del Cauca (Colombia).. 38. Tabla 3.7. Aproximación a las Emisiones Atmosféricas en las Ciudades de Palmira y Yumbo, utilizando la estimación para Cali en 1999.. 45. Tabla 3.8. Inventario de Emisiones Área Urbana, municipio Santiago de Cali, 1998.. 46. Tabla 3.9. Inventario de Emisiones en el área de influencia del municipio de Palmira, 1999.. 46. Tabla 3.10. Inventario de Emisiones en el área del municipio de Yumbo, 1999.. 49. Tabla 3.11. Cálculo de las Emisiones por Fuentes de Área, Valle del Cauca 1999.. 50. vi.

(16) Tabla 3.12. Resultados del Inventario de Emisiones Atmosféricas generadas en los Proceso de Combustión de combustibles fósiles. Valle del Cauca, 1999.. 50. Tabla 4.1. Coordenadas de la malla computacional tanto en UTM como en geográficas.. 53. Tabla 4.2. Resolución vertical de la malla computacional en el área de modelación.. 54. Tabla 4.3. Coordenadas geográfica de las estaciones meteorológicas en el área de estudio, Valle del Cauca, Colombia.. 59. Tabla 4.4. Archivo de entrada al interpolador de diagnóstico para el viento en dos dimensiones.. 60. Tabla 4.5 Archivo de entrada al interpolador de vientos en tres dimensiones.. 64. Tabla 4.6 Archivo de entrada al CIT, campo de vientos tridimensional.. 65. Tabla 4.7. Archivo para el interpolador de diagnóstico que genera el campo de altura de mezcla.. 67. Tabla 4.8. Archivo de alturas de mezcla a utilizar en el modelo fotoquímico CIT.. 68. Tabla 4.9. Archivo para la obtención del campo de temperatura ambiente, en el área de estudio.. 71. Tabla 4.10. Archivo de entrada al CIT. Campo de Temperatura Ambiente. 72. Tabla 4.11. Archivo de entrada al interpolador de diagnostico para obtener el campo de radiación solar total.. 75. Tabla 4.12. Archivo de entrada al CIT que define el campo de radiación solar.. 76. Tabla 4.13. Archivo para el interpolador de diagnóstico que obtiene el campo de radiación ultravioleta.. 78. Tabla 4.14. Archivo de entrada al CIT donde se define el campo de radiación ultravioleta.. 79. Tabla 4.15. Archivo para el interpolador de diagnóstico que obtiene el campo de humedad absoluta.. 82. Tabla 4.16. Archivo de entrada al CIT, campo de humedad absoluta.. 83. vii.

(17) Tabla 4.17. Archivo de entrada al interpolador de Calidad del aire. 85. Tabla 4.18. Archivo de entrada al CIT que especifica las condiciones iniciales de la simulación para la calidad del aire.. 86. Tabla 4.19. Archivo de entrada al CIT con la clasificación por zonas urbana y rural del área de modelación.. 87. Tabla 4.20. Archivo de entrada al CIT que especifica la distribución vertical de las condiciones iniciales y de borde en el área de modelación.. 89. Tabla 4.21. Archivo de entrada al CIT con las rugosidades aerodinámicas superficiales para el área de modelación.. 93. Tabla 4.22. Compuestos químicos utilizadas por el CIT y su discriminación según el mecanismo de reacción LCC.. 95. Tabla 4.23. Factores Típicos de Especiación para HC o COVs, tanto para fuentes fijas como para móviles (fracción masa).. 96. Tabla 4.24. Archivo de control para la ejecución del CIT, correspondiente al primer día de ejecución.. 101. Tabla 4.25. Archivo de control para la ejecución del CIT, utilizando días consecutivos.. 102. Tabla 4.26 Archivo donde se define la malla maestra y computacional de la zona en estudio.. 104. Tabla 4.27 Archivo para el postprocesamiento de los datos correspondientes al 6 de Octubre de 1999.. 105. Tabla 4.28. Archivo de salida, donde se indica el mapa de concentración para cada uno de los contaminantes seleccionados.. 106. vii.

(18) CAPITULO 1 INTRODUCCIÓN 1.1. UBICACIÓN DE LA ZONA DE ESTUDIO. COLOMBIA, se encuentra en el extremo noroccidental de Suramérica y comparte fronteras con Panamá, Venezuela, Brasil, Perú y Ecuador. La capital es Santa Fe de Bogotá, ubicada a 2,630 m sobre el nivel del mar. En la Figura 1.1, se ilustra la ubicación de Colombia en el continente Sur Americano y del Departamento (Estado) del Valle del Cauca, al interior del país.. Figura 1.1. Ubicación de la República de Colombia en Sur América y del Departamento (Estado) del Valle del Cauca. (EDEAM, Septiembre 1999). 1.

(19) Capitulo 1. Introducción. Con una extensión de 1,141,748 kilómetros cuadrados es el cuarto país más grande de América del Sur, después de Brasil, Argentina y Perú. Tiene 2,900 kilómetros de costa, de los cuales 1,600 lindan con el Mar Caribe y 1,300 con el Océano Pacífico. Además del territorio continental Colombia tiene varias islas, entre las cuales se destacan el archipiélago de San Andrés y Providencia en el Mar Caribe; Gorgona, Gorgonilla y Malpelo en el Pacífico. El país es cruzado de sur a norte por tres ramales de la cordillera de los Andes: el ramal oriental, el central y el occidental que nacen al sur en el Macizo Colombiano. Allí nacen también los dos principales ríos de la vertiente atlántica: el Magdalena y el Cauca, el primero de los cuales separa la cordillera oriental de la central, y el segundo, la central de la occidental. El conjunto andino y los valles de ambos ríos cubren aproximadamente un tercio del territorio y son la parte poblada y mejor desarrollada del país. Fuera de las tres cordilleras, hay dos sierras independientes: La Sierra Nevada de Santa Marta y la Sierra de la Macarena y varias serranías en la Alta Guajira, en el Chocó y en la frontera con Panamá. Aunque Colombia se halla en la zona ecuatorial, el sistema montañoso de Los Andes le confiere al país una variedad topográfica que abarca desde selvas húmedas y llanuras tropicales hasta páramos y nieves perpetuas. Por lo tanto, las variaciones climáticas no obedecen a estaciones sino a k altitud. La temperatura desciende aproximadamente 6 grados Centígrados por cada 1,000 metros que se asciende y a nivel del mar, la temperatura se acerca a los 30 grados. Si bien en Colombia no hay estaciones y el clima de cada región se mantiene relativamente estable durante todo el año, se presentan ligeras variaciones según sea época de temporada seca que suele ser en diciembre-enero y en julio-agosto o k temporada de lluvias que ocurre entre abril-mayo y octubre-noviembre, aunque esto puede variar bastante. En las tierras altas se cultiva principalmente el café, siendo Colombk es el segundo productor mundial. Del subsuelo se extrae el 95% de k producción mundial de esmeraldas, así como importantes cantidades de oro, pkta, pktino, cobre, uranio y otros minerales. Con los yacimientos descubiertos en k Penínsuk de k Guajira, Colombk posee las mayores reservas carboníferas de Ibero América. (Businesscol, 1999). Colombk tiene aproximadamente 34 millones de habitantes, de los cuales cerca del 70% reside en las ciudades y el resto en sectores rurales. La zona más densamente pobkda es k andina, pues en esta área se concentra el 75% de k población nacional. Le sigue k costa caribe con 21%, mientras que en el Pacífico y en ks vastas regiones de k Orinoquk y k Amazonia que representan más de k mitad del territorio nacional, tan solo habita el 4% de los colombianos..

(20) Capitulo 1. Introducción. 1.1.1 Valle del Cauca El departamento del Valle del Cauca esta ubicado en la región occidental del país, entre los 3° 05' y 5° 01' de latitud norte y los 75°42' y 77° 33' de longitud oeste del meridiano de Greenwich. Su territorio está cruzado por las cordilleras Occidental y Central, tiene una llanura selvática hacia el Pacífico, un fértil y extenso valle atravesado por el rio Cauca, quien le da su nombre. En la Figura 1.2, se ilustra el relieve, la cuenca del río Cauca y se indica además el área seleccionada para el estudio.. Figura 1.2. Departamento del Valle del Cauca, su relieve y el área de estudio, la cual incluye el corredor industrial: Cali, Yumbo y Palmira. (UDISTRAL, Nov. 1999). Su superficie total es de 22,140 Kilómetros cuadrados que corresponden al 1.9% del territorio nacional. Limita por el norte y el oriente con el departamento de Quindío y Risaralda; por el oriente con los departamentos del Quindío y Tolima; por el sur con el departamento del Cauca; y por el occidente con el océano Pacífico y el departamento del Chocó. La capital del Valle del Cauca es Santiago de Cali, otras ciudades importantes son Palmira, Yumbo, Buga, Tulúa, Cartago y Buenaventura. El Valle del Cauca tiene una población de 3'736.090 habitantes, la capital es Santiago de Cali en donde habitan 1,783,546 personas. La agricultura vallecaucana es la más importante y variada del país, con cultivos tecnificados de caña de azúcar, café, algodón, soya y sorgo.. 3.

(21) Capitulo 1. Introducción. El Valle se ha convertido en uno de los principales centros de desarrollo económico, siendo el tercer departamento en producción industrial Se destacan las actividades comerciales, de transporte, y bancadas, favorecidas en gran medida por el puerto de Buenaventura, que es el más importante puerto de Colombia, por donde sale el 70% de la carga. La principal industria es la azucarera, junto con la producción de papel, químicos, maquinarias y equipos. (UDISTRAL, 1999). Como un área especifica para el estudio se ha seleccionado el corredor industrial ubicado entre Cali, Yumbo y Palmira, por ser la zona donde se ubican el mayor número de industrias y también se presenta el mayor tráfico vehicular, no solo por la cantidad de habitantes sino también por el acarreo de materias primas y productos terminados de las industrias ubicadas en el área. 1,1.2 Complejo Industrial Calí, Yumbo y Palmira. El área metropolitana Cali, Yumbo y Palmira, constituye uno de los cuatro conglomerados urbano-industrial más importantes de la economía Colombiana, presenta un desarrollo diversificado que abarca todas las ramas de la industria. Las empresas que conforman el complejo se encuentran en los primeros lugares dentro del giro o tipo de industria a la que pertenecen debido al importante volumen de producción y al valor de sus activos en relación con el reto de la nación. El municipio de Santiago de Cali se encuentra a una altitud de 991 msnm, Yumbo a 998 y Palmira a 1,003, la temperatura fluctúa entre 16.4 y 32.6 grados centígrados, colindan con el río Cauca. La población asentada en Cali según censo de 1993 fue de 1,666,468 habitantes, en Yumbo fue de 62,305 y en Palmira fue de 234,166 habitantes. (DAÑE, 2000). En Yumbo se encuentran ubicadas alrededor de 532 empresas que corresponden al sector industrial, mientras que en el municipio de Cali se duplica éste valor (ISS, 1997); en Palmira se ubica principalmente la agroindustria representada en un 16.52% del municipio sembrado en caña (CENICAÑA, 1999), en menor proporción cultivos temporales, además de pequeña y mediana industria. 1.2. PROBLEMÁTICA AMBIENTAL. La dirección predominante de los vientos procede del oeste nor-oeste, es un comportamiento histórico (CENICAÑA, 2000) y específicamente en horas de la tarde; de esta forma la contaminación generada en el municipio de Yumbo es dispersada hacia el norte de la ciudad de Cali. En horas de la mañana el desplazamiento es en sentido sur oeste, por lo cual la contaminación que se genera en el centro de la ciudad también converge al norte de la misma, ocasionado prácticamente que en el norte de Cali y al sur de Yumbo se concentre. 4.

(22) Capitulo 1. Introducción. mayores niveles de contaminación; la cual proveniente no solo de la industrial sino también del transporte público y particular. Se considera por lo tanto, un punto critico para evaluar los efectos de las emisiones en la calidad del aire de este sector. Se propone la realización de este estudio con el objeto de suplir la falta de información sobre el comportamiento de la contaminación en la zona estudiada, de tal forma que pueda ser utilizado como herramienta de planificación y de apoyo en la toma de decisiones para la elaboración de políticas y programas gubernamentales eficaces que conlleven a la disminución de la contaminación atmosférica del sector en estudio. La modelación de la calidad del aire puede ser una herramienta eficaz ante la falta de efectividad en los controles ambientales aplicados a las industrias y a la limitación existente en los programas de control para las emisiones por fuentes móviles. Ya que al no existir un programa de monitoreo continuo de la calidad del aire que cubra el corredor industrial Cali, Yumbo y Palmira, no se podrán tener en forma conjunta un diagnostico valedero que indique los niveles reales de contaminación y el comportamiento de la misma. Los resultados del estudio se confrontan con la normatividad ambiental vigente en Colombia, donde solo hasta 1995, el recién creado Ministerio del Medio expide el Decreto 948 de 1995, a través del cual se legisla sobre la contaminación atmosférica, ampliando su definición no solo a fuentes fijas sino también a móviles y delega la responsabilidad de su cumplimiento en las Corporaciones Autónomas Regionales. En el Valle del Cauca ésta corporación se denomina: Corporación Autónoma Regional del Valle del Cauca (CVC), quien asume el seguimiento y control de la contaminación atmosférica. Con base en ésta norma y el Decreto 02 de 1982 vigente hasta la fecha, se identifican las fuentes de emisión por fuentes fijas y su nivel de cumplimiento, encontrando que gran parte de ella se haya violando los niveles máximos permisibles. (CVC, 1999). Teniendo en cuenta que el Decreto 948-95, Art. 108, el Ministerio del Medio Ambiente indica que en coordinación con la autoridad ambiental regional y con base en estudios con periodos mínimos de un año, se podrán establecer áreas de contaminación denominadas: altas, medias, moderadas y marginales, para controlar la ubicación de nuevas industrias, el proyecto en desarrollo sienta una buena base para tal dicha identificación y enfatiza nuevamente su uso como herramienta de planificación. (Decreto 948 de 1995). 1.3. OBJETIVOS. 1.3.1 General. Realizar un estudio de la dinámica del ozono en la cuenca atmosférica del corredor industrial ubicado entre Cali, Yumbo y Palmira, utilizando el modelo fotoquímico CIT para. 5.

(23) Capitulo 1. Introducción. determinar sus niveles de concentración y ubicarlos sobre el plano de la región de tal forma que se pueda visualizar la dispersión debida a las condiciones meteorológicas imperantes en el área seleccionada para la simulación. 1.2.3 Específicos. 1.4. •. Obtener un inventario de emisiones atmosféricas tanto para fuentes fijas como para fuentes móviles de contaminación, en el corredor industrial Cali, Yumbo y Palmira municipios del Departamento del Valle del Cauca (Colombia).. •. A través del un modelo de simulación fotoquímico realizar un estudio de calidad del aire para determinar los diferentes niveles de concentración del ozono, generados por la presencia de sus precursores en el ambiente estudiado. •. Representar los resultados del modelo sobre un plano, donde se ubiquen los niveles de isoconcentración del ozono y poder así identificar las zonas de: alto, medio y bajo nivel de contaminación, de tal forma que pueda ser utilizado como herramienta de planificación en el desarrollo industrial de la zona en estudio. ALCANCE. El presente trabajo es el primer diagnóstico que se realiza sobre el comportamiento de la dinámica del ozono en el Valle del Cauca y sienta las bases para el desarrollo de futuros estudios con un mayor grado de exactitud, pretende también servir como herramienta en el desarrollo de estrategias de control para la emisión de contaminantes atmosféricos. El capitulo se ubica el área de estudio, se hace una justificación de su elección además se indican los objetivos buscados con el estudio. El Capítulo 2, hace una generalización sobre la atmósfera, el comportamiento del ozono y la contaminación de la cual es receptora, además se hace referencia a los tipos de modelos y específicamente al CIT. El Capitulo 3, trata sobre el inventario de emisiones para fuentes móviles, el procedimiento seguido para su calculo y los requerimientos del modelo de simulación utilizado en la determinación de los factores de emisión, igualmente se registra el inventario de fuentes fijas. En el Capitulo 4 se define la malla computacional, el tiempo de modelación, y se indica la elaboración de los archivos solicitados por el modelo de calidad del aire utilizado. El Capitulo 5 indica los resultados obtenidos al correr el modelo CIT para fi^ali^ar con el análisis de resultados y las conclusiones y recomendaciones.. 6.

(24) CAPITULO 2. LA ATMÓSFERA Y EL PROCESO DE CONTAMINACIÓN. 2.1. GENERALIDADES SOBRE LA ATMÓSFERA. La atmósfera es la capa gaseosa que rodea la tierra, esta compuesta por una mezcla de gases (78% Nitrógeno, 21% Oxigeno y 1% de Argón) que no reaccionan entre sí y por otros compuestos como anhídrido carbónico, el vapor de agua, el ozono, óxidos de nitrógeno, óxidos de azufre. Tiene un espesor aproximado de 200 kilómetros y se puede dividir, en función de sus propiedades térmicas como: termosfera, mesosfera, estratosfera y troposfera. Existe una zona donde se produce el cambio de signo del gradiente de temperaturas y es conocida como la mesopausa, estratopausa y tropopausa, respectivamente. (Fundación Mapfre, 1994). Las fuentes de calor de la atmósfera son la radiación solar y la terrestre, como k atmósfera absorbe solo lo que invierte en las reacciones fotoquímicas, permite casi el paso total hacia el suelo, quien en últimas es el gran aceptor de la radiación solar. La termosfera, es la capa de la atmósfera mas alejada de la tierra, se encuentra a partir de los 90 km de ahura, en esta capa se sucede la fotodisociación del oxigeno por la presencia de la luz ultravioleta procedente del sol, a alturas de 200 km predomina el oxígeno atómico sobre el molecular, las reacciones son fuertemente exotérmicas contribuyendo al aumento de k temperatura de esta región. (Fundación Mapfre, 1994). La mesosfera, se ubica entre los 50 y 90 km de altitud, en ella se realizan muchas reacciones químicas complejas, el oxigeno atómico puede colisionar con el oxigeno molecular para formar el ozono (Os), k gran rapidez con que suceden estas reacciones ocasionan el aumento de k temperatura de k zona. La estratosfera, se ubica entre k tropopausa y k troposfera, con una extensión entre 10 y 45 km de altitud, k radiación ultravioleta que penetra es menor por lo cual k temperatura disminuye. La troposfera, es k capa más próxima a k tierra y k más importante de k atmósfera ya que en elk se desarrolk k vida. La temperatura próxima a k tierra es sensiblemente igual a k de k temperatura de k tierra que esta controlada por los procesos de absorción y emisión de energk radiante (Fundación Mapfre, 1994).. 7.

(25) Capítulo 2. La Atmósfera y el Proceso de Contaminación.. 2.2. DISTRIBUCIÓN GLOBAL DEL OZONO. El contenido de ozono estratosférico, es mayor en las latitudes medias que en la zona tropical. Es posible notar zonas con alto contenido de ozono sobre Norteamérica y sobre Asia; en el hemisferio norte, sobre el sur del Océano índico y sureste del Océano Pacífico, en el hemisferio sur, con valores superiores a 300 UD. En la Figura 2.1, se observa la distribución global del ozono identificada con valores y colores, que se distribuyen de acuerdo a la ubicación en el globo terráqueo.. Figura 2.1. Distribución media del ozono total, en unidades Dobson (o miliatmósferas) contenido en una columna de aire de 1 cm2 de sección que va desde la superficie de la Tierra hasta el tope de la atmósfera. (EDEAM, 1999). Se destacan dos zonas con menor contenido de ozono: una ubicada sobre la Antartica y otra en la zona tropical sobre el norte de Sudamérica, el Atlántico tropical y África central, donde se registran valores por debajo de 280 UD. Este último núcleo de valores relativamente bajos de ozono total (240 UD.) alcanza a cubrir gran parte del territorio colombiano, excepto la Región Caribe. (IDEAM, 1999) 2.3. FUNDAMENTOS DE LA CONTAMINACIÓN DEL AIRE. La contaminación atmosférica se debe a la presencia de sustancias en la atmósfera por encima de los niveles naturales que pueden producir efectos nocivos sobre los seres vivos y su entorno. La causa de este desbalance tiene su origen en fuentes naturales de emisión como: volcanes, el viento, incendios naturales, en los procesos de oxidación, la degradación 8.

(26) Capítulo 2. La Atmósfera y el Proceso de Contaminación.. de k materia orgánica, también a fuentes antropogénicas: fijas (industrias) y móviles (vehículos). Siendo estas últimas las causantes de la mayor presencia de sustancias indeseable en la atmósfera. Los contaminantes se pueden clasificar como primarios, que son aquellos que salen de las fuentes y se dispersan en k atmósfera sin sufrir cambios y los secundarios, que son aquellos que en contacto con k humedad del ambiente o k presenck de otras sustancias reaccionan para producir compuestos más agresivos con el ambiente. Las fuentes antropogénicas son las causantes de k presenck de contaminantes atmosféricos como: material particulado, SC«2, NOx COi, CO, COV, entre otros, en niveles nunca antes medidos en k atmósfera, contribuyendo con los problemas actuales que afectan en forma global al planeta como son: el recalentamiento global, k lluvia acida y el efecto invernadero. (Wark, 1998). Las partículas denominadas suspendidas, están constituida por los aerosoles que son partículas sólidas o líquidas dispersas en un medio gaseoso o en k atmósfera; su tamaño varia entre (0.1-10) um y su velocidad de sedimentación es muy baja, siendo arrastradas por el aire a grandes distancias. Su composición química depende de las características de k zona contaminada, en general k fracción inorgánica esta compuesta por sulfates, nitratos, hierro y plomo; k orgánica por hidrocarburos aromáticos policíclicos, originados en los procesos de combustión. Pueden afectar todo el tracto respiratorio de los animales superiores. (Wark, 1998). El material sedimentable, esta compuesto por partículas sólidas de gran tamaño (10a 5x102) um, tiene una velocidad de sedimentación apreciable y tiempo de permanencia en k atmósfera muy corto. Su composición química varía desde sales a metales, k parte orgánica k conforman compuestos orgánicos voktiles (COVs) derivados de los procesos de combustión incompleta. Los compuestos de azufre, provienen del proceso de combustión del azufre contenido en los combustibles de origen fósil, como son: el carbón mineral y el petróleo, e igualmente de los procesos productivos que lo emiten como desecho. Es 2.2 veces mas pesado que el aire, muy estable y es el decimosexto compuesto más abundante en k tierra en forma de sulfates. El SC<2 se oxida en k atmósfera a SOs por procesos catalíticos o fotoquímicos. La oxidación catalítica sucede en presenck de alta humedad atmosférica mientras que k reacción fotoquímica está asociada a condiciones diurnas de baja humedad. El SOs formado es muy reactivo y condensa fácilmente, reacciona con agua casi inmediatamente para producir H2SÜ4 y dar lugar a los problemas de lluvia acida. (Mapire, 1994) La disociación en forma de gas dentro de atmósfera seca es mucho más lenta. Los Óxidos de Carbono, se originan en los procesos de oxidación como respiración y/o combustión. El Monóxido de carbono (CO) proviene de k combustión incompleta de combustibles fósiles, el Dióxido de Carbono (COi), aunque se haya en forma natural. 9.

(27) Capítulo 2. La Atmósfera y el Proceso de Contaminación.. también llega a la atmósfera por procesos de combustión y ejerce cierta acción sobre la temperatura media de la atmósfera por absorción de determinadas radiaciones solares. El CO es un gas muy tóxico, en la sangre puede competir con el oxigeno por la hemoglobina hasta producir la muerte. (De Nevers, 1997). Los compuestos de Nitrógeno más importantes son el Monóxido de nitrógeno (NO), el dióxido nítrico (NOa) y el amoníaco (NHs). Los óxidos se generan en la atmósfera por la combustión a altas temperaturas, la fabricación de ácido nítrico y sulfúrico y en procesos de nitración industrial, mientras que el amoniaco se produce en la fabricación de abono, ácido nítrico y productos orgánicos. Con la humedad de la atmósfera contribuye a la presencia de la lluvia acida, en el hombre es un gas irritante al entrar en contacto con las mucosas nasales y los ojos. En el área urbana, la mayor fuente de contaminación del aire son los vehículos de transporte que utilizan combustibles fósiles, los combustibles al ser quemados emiten al aire gran cantidad de NOx (32%) y HC (26%), éstos al entrar en contacto con k luz solar generan los denominados contaminantes secundarios, de los cuales se destaca por su importancia el ozono como responsable del smog fotoquímico. Otros, también importantes para el efecto del recalentamiento global son: el CO (62%) y el CO2 (Brett, 1999). En la estratosfera el ozono (Os) es producido a través de reacciones cíclicas originadas por la fotolisis del oxigeno molecular usando como catalizador k radiación de longitud de onda corta proveniente del sol. En k troposfera el ozono es transportado a través de k altura de k capa límite (PBL: Planetary Boundary Layer) k cual se encuentra cerca de k tierra y se extiende entre 1 y 2 km de altitud. El ozono se origina por k reacción fotoquímica de los precursores, entre los que se destacan el amoniaco (NHs) y los compuestos orgánicos voktiles (COVs) como los principales precursores orgánicos, le siguen en importancia el monóxido de carbono (CO), y los óxidos de nitrógeno (NOx). Los factores que intervienen en k formación del ozono y otros oxidantes en k troposfera son: k intensidad y k distribución espectral de k luz del sol, las condiciones meteorológicas (humedad, temperatura, velocidad y dirección del viento) que ocasionan k mezck de k atmósfera y k reactividad de k mezck de compuestos orgánicos en aire. (EPA 600,1996). 2.4. CARACTERÍSTICAS DE LA ATMÓSFERA EN COLOMBIA. Por su ubicación en k zona tropical, k atmósfera sobre el territorio colombiano tiene algunas particularidades que k distinguen tanto en su composición como en su estructura de k atmósfera patrón o atmósfera típica y de k atmósfera de otras ktitudes. En k estructura de k atmósfera sobre territorio colombiano, por estar en k zona tropical, k troposfera es. 10.

(28) Capitulo 2. La Atmósfera y el Proceso de Contaminación.. más alta que en cualquier otra latitud y, aunque su altitud es variable, se puede decir que ésta alcanza en promedio los 16 kilómetros. En la composición de la atmósfera sobre territorio colombiano también es posible encontrar diferencias en las concentraciones de vapor de agua (humedad del aire) y de otros gases, particularmente el ozono. Las características de la distribución del ozono estratosférico sobre el territorio colombiano hacen que se presenten niveles de radiación ultravioleta relativamente altos en comparación con otras latitudes. Los registros para la concentración de ozono y de radiación solar, se escogen de estaciones ubicadas al sur del país y que pueden representar la situación del área en estudio. La Figura 2.2, ilustra la información sobre concentración de ozono en el sur oriente del país, (estación del departamento del Amazonas) los datos indican que en 1998 los meses con mayor concentración fueron: Mayo y Noviembre, a partir de los cuales hay un descenso.. 360.00 340. u. 320.00. 5. 300. 280 260. 240.00 220. 200.00 Scp-97. Bne-98. Abr-98. Jut-98. Nov-98. Feb-99. May-99. Figura 2.2. Estación de monitoreo de ozono en el Amazonas, 1998. (IDEAM, 1999) Las unidades Dobson, miden la altura de la columna de ozono. La anterior situación coincide en parte con la señalada por la estación ubicada en el suroccidente de Colombia (Pasto, Nariño), donde se observa con base en los resultados que entre los meses de Mayo a Diciembre de 1998 se presentan las mayores concentraciones de ozono, el descenso se inicia después de estas fechas y que se indica en la Figura 2.3.. 32000. 200.00. Jun-97. Sep-97. En»98. AbF-98. JuLSB. Nov-98. Feb99. May-99. Figura 2.3. Estación de Monitoreo de Ozono en Pasto (Nariño), 1998. (IDEAN, 1999).. 11.

(29) Capítulo 2. La Atmósfera y el Proceso de Contaminación.. Los niveles de ozono están relacionados con la intensidad de la radiación solar en forma de luz ultravioleta (UV) y son determinados con base en la radiación incidente, indicando la capacidad que tienen estos rayos para ocasionar daños en la piel de los seres humanos, en los animales y en las plantas. Teniendo en cuenta que los índices se presentan en escala adimensional y los valores corresponden a las respuestas que la piel humana presenta al exponerla a una dosis de radiación ultravioleta controlada en laboratorios epidérmicos (escala experimental internacional). En la Tabla 2.1 se presenta la escala de índices UV de valores Diffey y el riesgo esperado según los niveles de exposición. Tabla 2.1. índice de radiación ultravioleta y el riesgo según los niveles de exposición. (TDEAM, 1999). ESCALA DE ÍNDICES UV (Diffey) 0-2 3-4 5-6 7-9. 10 o más. RIESGO A NIVEL DE EXPOSICIÓN Mínimo Bajo Moderado Alto Muy alto. Con base en ellos se puede indicar que en la estación de monitoreo de Pasto, ilustrados en la Figura 2.4, se encontraron los mayores niveles de riesgo entre los años 1997 a 1999 durante prácticamente todos los meses, presentando los picos de 1998 entre Marzo a Abril y Julio a Noviembre, con una leve disminución en los meses subsiguientes: Las mediciones se hacen con espectroradiómetros. Hay cuatro rangos de medida de la radiación solar, aquí se indica la banda integral de la radiación activa en fotosíntesis que hace referencia a la Dosis Diffey (Dif).. Jun-97. Sep-97. Bie-98. Abr-98. Jul-98. Nov-98. Feb-99. May-99. Figura 2.4. Estación de monitoreo de la Radiación Solar en Pasto, Nariño, 1997 a 1999. (IDEAM, 1999).. 12.

(30) Capítulo 2. La Atmósfera y el Proceso de Contaminación.. En la Figura 2.5, se observa que para el sur oriente del país en el trapecio Amazónico, se encontraron los mayores niveles de radiación solar con altas fluctuaciones durante los meses de Enero a Abril, se observa mas continuidad en los datos durante los meses de Junio a Agosto.. Jun-97. Sep-97. Bie-98. Abr-98. Jul-96. Nov-98. Feb-99. May-99. Figura 2.5 Estación de monitoreo de Radiación Solar en el Amazonas, 1997 a 1999. (IDEAM, 1999). Con esta información se puede inferir que el periodo de tiempo mas critico en donde se registra una mayor concentración de ozono para la zona sur de Colombia tanto en su concentración como en la radiación solar, corresponden a los meses de Julio a Noviembre en 1998. 2.5. NORMAS AMBIENTALES COLOMBIANAS. El ozono y sus precursores son reglamentados en Colombia a través del Decreto 02 de 1982, CAPITULO u, Artículo 31 emanado del Ministerio de Salud, aquí se enumeran los valores máximos permisibles para la calidad del aire, la cual se puede entender como: "...el nivel permisible de contaminantes presentes en él, establecidos para determinar su calidad y contribuir a preservar y mantener la salud humana, animal o vegetal y su bienestar." (Diario Oficial, 1982). Estos datos sirven como parámetro de referencia para determinar el grado de contaminación de un lugar y por lo tanto para determinar las medidas de control que se deban adoptar a fin de disminuirla a niveles que no sean perjudiciales para los seres vivos. En la Tabla 2.2 se comparan los valores reglamentados con los estándares considerados por la norma Colombiana y la Mexicana, ambos valores serán considerados en el desarrollo del estudio.. 13.

(31) Capítulo 2. La Atmósfera y el Proceso de Contaminación.. 2.6. MODELOS DE SIMULACIÓN PARA LA CALIDAD DEL AIRE. Los modelos para la calidad del aire son una herramienta para predecir la concentración de los contaminantes en la atmósfera, ligan los cambios en la emisión desde una fuente y los cambios que se pueden esperar en la atmósfera (troposfera). Se consideran los patrones de emisión, la meteorología, las transformaciones químicas y los procesos de remoción. La información obtenida de los modelos son instrumentos importantes para la elaborar la legislación del control de emisiones, como también para evaluar estrategias y técnicas de control, para planificar la ubicación de futuras industrias, para definir estrategias inmediatas de control en eventos picos de contaminación y para establecer una relación actual entre fuente y receptor. (Seinfeld, 1995) La modelación igual que el monitoreo, no son la solución a los problemas de contaminación del aire, constituyen solo una actividad razonablemente económica cuyos resultados en muchos de los casos suministran una poderosa información evitar el uso futuro de costosos proyectos y estrategias en la reducción de la contaminación del aire. Los modelos se pueden dividir en dos tipos, los físicos que son una replica a escala de un área urbana o corresponden a representaciones del fenómeno al nivel de laboratorio y los matemáticos que son un conjunto de algoritmos analíticos y numéricos que describen los aspectos físicos y químicos del problema y se clasifican en dos tipos: de análisis estadístico de datos de monitoreo y determinísticos que se basan en la descripción matemática de los procesos atmosféricos y en la causa efecto. Los modelos de calidad del aire, dada su complejidad y la cantidad de variables que envuelve se ubican en los matemáticos numéricos, a través de este proceso predicen un promedio de la concentración de los contaminantes sobre una determinada área que puede ser numéricamente simulada a por dos técnicas a través de: modelos Eulerianos o de modelos Lagrangianos. La diferencia básica entre ambos modelos es el sistema de referencia, para los modelos Eulerianos el sistema es fijo mientras para el Lagrangiano el sistema de referencia sigue el movimiento de la atmósfera. (Zannetti, 1990) 2.6.1 Modelo Euleriano Este modelo se basa en la conservación de la masa, y en un sistema de referencia absoluto y tratan de calcular la difusión referida a este sistema a partir de diferentes aproximaciones, igual la dispersión, las reacciones químicas y la remoción del contaminante.. 14.

(32) Capítulo 2. La Atmósfera y el Proceso de Contaminación.. Tabla 2.2. Norma de Calidad del Aire en Colombia y México. (Diario Oficial de la República de Colombia, 1982 y Diario Oficial de la Federación, 1994).. C/3. COMPUESTO. O3 (Ozono) 170 ug/m3 (1 hora) SO2 (Dióxido 100 ug/m3 (24horas) 400 ug/m3 (24horas) de Azufre) 1500 ug/m3 (3 horas). Frecuencia Máxima Aceptable 1 vez por año 1 vez por año 1 vez por año 1 vea por año. 100 ug/m3 (24horas). 1 vez por año. COLOMBIA. 3 OH. NO2 (Dióxido de Nitrógeno) CO (Monóxido de Carbono) PST (Partículas Suspendidas Totales). 03 S02. MÉXICO. Concentración y Tiempo promedio. NO2 CO PST. 15 mg/m3 (8 horas). Protección a la Salud. Promedio aritmético Max. concentración Max. concentración Promedio aritmético Máxima concentración Promedio geométrico Máxima concentración. 100 ug/m3 (24horas) 400 ug/m3 (24horas). 1 vez al año 1 vez al año. 0.11 ppm(l hora) (215.51 ug/m3) 0.13ppm(24horas) (339.59 ug/m3). 1 vez en 3 años 1 vez al año 0.03 ppm (promedio aritmético anual) 1 vez al año. 0.21 ppm(l hora) (394.29 ug/m3) 1 1 ppm (8 horas) (12.57 mg/m3) 260 ug/m3 (24horas). 150 ug/m3 (24horas) PM10 (Partículas < 10 mieras). 1 vez al año. -. 1 vez al año. 75 ug/m3 (promedio aritmético anual) 50 ug/m3 (promedio aritmético anual). 1 vez al año. Por cada contaminante realiza un balance de masa en un volumen de aire previamente dividido en regiones en forma de cuadricula o malla tridimensional sobre las cuales efectúa el cálculo, simulando el volumen de aire analizado Si se tienen N componentes de un fluido, la concentración de cada uno de ellos debe cumplir un balance de materia sobre un elemento de volumen que se expresa con base en la ecuación de difusión. Además, se deben verificar las ecuaciones de Navier-Stokes, de conservación de la energía, la ecuación de continuidad y la ecuación de estado de los gases ideales.. 15.

(33) Capítulo 2. La Atmósfera y el Proceso de Contaminación.. La expresión matemática que describe k concentración de cada especie, debe satisfacer la ecuación de continuidad: (Zannetti, 1990). V - (uCi)= DV2Ci + Ri(Cl,...,cnJ) + Si(x,t). Donde Ci (x,t) es la concentración de la especie i = l,2,...n, u (x,t) es el campo del flujo advectivo, Di es la difusividad molecular de la especie i, Ri es la velocidad de reacción de la especie i que en general depende de la temperatura T del fluido y Si es la velocidad de adición de k especie i a una ubicación determinada por el vector posición x = (\i, X2,xa) a un tiempo t. Para resolver el problema sería preciso que se cumplieran simultáneamente los balances de materia, energía y cantidad de movimiento. Sin embargo, dado que las especies contaminantes siempre se encuentran en k atmósfera en concentraciones muy pequeñas (del orden de ppm), se asume que su presenck no afectará sensiblemente el flujo atmosférico. Con base en esto, k ecuación (1) se puede resolver independientemente de las ecuaciones de k velocidad y k temperatura del aire ya que se consideran independientes de las concentraciones de las diferentes especies. Se considera por lo tanto que el flujo de contaminantes en dirección horizontal se debe principalmente a los campos de viento, por lo que k difusividad es despreciable; en dirección vertical, el modelo asume que k difusividad gobierna el movimiento de los contaminantes. En k resolución numérica de k ecuación (1), es necesario tomar el promedio de concentración y velocidad en el tiempo de integración, para eso se hace ajuste en k velocidad y concentración. Debido a que los vientos de interés son turbulentos, k velocidad del flujo es función aleatoria del espacio y del tiempo, se representa k velocidad por un componente determinístico y otro estocástico (u = Uprom + ua). Uprom. representa k velocidad promedio del viento y Ua k componente de variaciones reales que es difícil de incorporar al proceso de integración por lo cual se toma como turbulencia. Si se conociera en forma precisa el campo de vientos en todos los puntos y en el tiempo, no se necesitaría el fenómeno de difusión turbulenta para explicar el comportamiento del campo de velocidad de los vientos. En consecuencia, una tarea fundamental en k teoría de difusión turbulenta es definir los componentes determinísticos y estocásticos del campo de velocidad. El planteamiento del problema cambia radicalmente, puesto que se define un nuevo objetivo el de determinar k probabilidad de que k concentración de una especie i se encuentre dentro de un intervalo, para un lugar y un momento determinados. Dado el alto grado de aleatoriedad en k difusión atmosférica, se limitará a estimar algunas propiedades estadísticas de Ci como k media. 16.

(34) Capítulo 2. La Atmósfera y el Proceso de Contaminación.. /), que se define como el promedio de infinitos experimentos realizados en las mismas condiciones, para así obtener la ecuación que gobernará la mayoría de modelos de calidad del aire: (Zannetti, 1990). V • (u(Ci))= V • (AV(Ci))+ Ri((Ci),...,(Cn); T)+ Si(x,t) 1=1,2,...,» Ahora (C/) representa k media de Ci: promedio espacial y temporal para resolver numéricamente la ecuación. K el tensor diagonal de difusión turbulenta, utilizado para evaluar el comportamiento aleatorio del viento supuesto. (Seinfeld, 1986; CESGA, 1998) Dado que el fenómeno turbulento prevalece sobre el fenómeno molecular de transferencia de masa y energk.(Stuil, 1997) Se consideran la ecuación de difusión como una combinación de tres operadores matemáticos: El operador difusión: El operador advección: El operador cinética química:. V • K • VCY u • VCi Ri (c). Estas tres funciones, que representan procesos distintos a combinar, tienen formas muy diferentes, lo que hace que la resolución numérica más adecuada para k forma de una de las funciones no k> sea para las otras. El operador difusión es parabólico, mientras el operador de advección es hiperbólico, y el operador cinético suele ser sumamente no lineal comportándose como una ecuación diferencial rígida y además las velocidades especificas para cada especie pueden diferenciarse en varios ordenes de magnitud. La solución se basa en k aproximación por diferencias finitas, por esta razón el paso del tiempo deber ser lo suficientemente pequeño que se eviten las inestabilidades numéricas. Se utiliza para solucionar k ecuación de difusión. Para utilizar k ecuación (2), se deben eliminar las variaciones que no pueden ser resueltas en una celda computacional por lo tanto, se hace un promedio espacial de los datos de entrada: concentración de contaminantes y campos de vientos en forma espacial de acuerdo al tamaño de k celda y temporalmente con base en el tiempo que utilice el método numérico de solución. Se debe suponer que k velocidad promedio de reacción es igual a k velocidad con base en concentraciones promedio de las celdas y suponer que u y K no presenta variaciones espaciales menores a k de las celdas computacionales. Así (C^ en (2) se puede escribir como {c/*} donde * representa el promedio espacial sobre una celda computacional de volumen AV (McRae, 1982) 17.

(35) Capítulo 2. La Atmósfera y el Proceso de Contaminación.. 2.6.2. Modelos Lagrangianos El modelo Lagrangiano, distingue dos sistemas de coordenadas para el cálculo del desplazamiento de los contaminantes: uno fijo o absoluto, referido a las coordenadas del foco emisor sobre el que se calcula la traslación media de los contaminantes y otro relativo, referido a un punto representativo de la traslación media del penacho, para tener en cuenta la dispersión debida a la turbulencia. Como se vio en la difusión Euleriana, la concentración de los contaminantes en la atmósfera es una variable aleatoria que no puede ser determinada, por lo que se limita entonces a conocer algunas propiedades estadísticas de ella. El método se centra en el comportamiento de las partículas o elementos discretos del contaminante, y se representa por la función de densidad de probabilidad que debe verificar: (CESGA, 1998). JJ. = 1. (3). donde i/s(x,t) = y/(xl,x2,x3,t)dxldx2dx3, es la función que se define como la probabilidad que un contaminante se encuentre en un tiempo t dentro de un elemento de volumen KI a b x2 a x2+x2, x3 a x3+x3. Se obtiene entonces una serie de celdas, una sobre otra, formando una especie de muro que se mueve con el viento dominante. (Seinfeld, 1986; CESGA, 1998). 2.6.3. Comparación entre los Modelos Los resultados con el modelo Euleriano representan concentraciones promedio en el tiempo y en puntos específicos de la malla de cálculo en intervalos de tiempo preestablecidos. Los cálculos se realizan en términos de las propiedades estadísticas de los campos de viento (magnitud y dirección) debido a que estos se asocian a un componente promedio conocido y a una componente turbulenta aleatoria. Esta formulación es útil porque la estadística del flujo es medible y porque las expresiones matemáticas son directamente aplicables a las situaciones en que se presentan las reacciones químicas.. 18.

(36) Capítulo 2. La Atmósfera y el Proceso de Contaminación.. Estos datos difieren de los datos de campo debido a que los datos de monitoreo representan concentraciones puntuales en condiciones de tiempo y ubicación muy específicas. El modelo Euleriano es útil para situaciones de dispersión con reacciones químicas lentas y para una distribución uniforme de las fuentes de emisión. El enfoque Lagrangiano obtiene los resultados de concentración, en términos de las propiedades del desplazamiento del sistema de referencia lagrangiano. Son poco aplicables en situaciones donde la topografía es compleja, hay flujos recirculantes y campos de viento complejos ya que el volumen de aire que se analiza tiene que conservar su integridad física a través de la simulación (Zannetti, 1990). La aplicación de los modelos Lagrangianos presenta más variantes que la de los modelos Eulerianos, basadas generalmente en la definición de los sistemas de referencia móviles asociados a cada cantidad de contaminante y la distribución del contaminante dentro del sistema de referencia. La aproximación lagrangiana tiene la principal ventaja sobre la euleriana, de necesitar requerimientos de tiempo de cálculo y memoria de máquina mucho menores, por lo que resulta muy adecuada cuando se desea determinar la influencia de un único foco emisor sobre el entorno, en tiempo real, con una buena resolución en la distribución de inmisiones obtenida. Por esta razón es la alternativa a elegir cuando se pretende simular la influencia de un número reducido de focos emisores sobre el entorno, con un cierto detalle espacial (resolución de 1 km o menor) y en el caso de que el comportamiento químico del contaminante considerado sea sencillo. (CESGA, 1998) 2.7. EL MODELO CIT. El modelo fotoquímico de la calidad del aire CIT (California Instituteof Technology and Carnegie Institute of Technology), ha sido diseñado para predecir la formación y el transporte de los contaminantes fotoquímicos en el aire; resuelve numéricamente la ecuación de difusión para el conjunto de especies químicas relacionadas como se indica en la ecuación 2. (Col. Nal. 1996) Esta ecuación se repite para cada uno de los contaminantes considerados en el modelo y se obtiene un conjunto de ecuaciones acopladas no lineales que para ser resueltas necesitan los datos iniciales y de frontera. No se considera la química de la fase acuosa y por ende la depositación húmeda. Los datos de concentración de contaminantes se pueden obtener de modelos para integrar las emisiones por fuentes móviles, de estaciones de monitoreo para fuentes fijas, de datos de laboratorio para las concentraciones iniciales o fijarlas empíricamente. La mayor incertidumbre la presentan los datos sobre el inventario de emisiones ya que deben representar las distintas actividades de la población e igualmente la contribución de. 19.

(37) Capítulo 2. La Atmósfera y el Proceso de Contaminación.. las emisiones de origen natural en la región a modelar; los datos distribuidos temporal y espacialmente se suministran al modelo como emisiones horarias tanto para las fuentes elevadas como a nivel del piso. (Col. Nal. 1996) La remoción de partículas a nivel del piso se calcula a través de la velocidad de depositación seca, que se calcula a partir de datos meteorológicos, la rugosidad superficial y el uso del suelo, utilizando la ecuación: (Col. Nal. 1996). =. donde, ra representa la depositación seca debida al transporte turbulento, r& la difusión molecular a través de la subcapa laminar a nivel del suelo que se calcula utilizando las ecuaciones de mecánica de fluidos. El termino rs' representa la resistencia superficial (interacciones específicas entre la superficie y el contaminante) y es específico para cada contaminante y para el uso del suelo en cada celda. En general los datos de entrada al modelo son las condiciones meteorológicas (altura de mezcla, perfil en tres dimensiones del campo de vientos, radiación solar, radiación ultravioleta, temperatura, humedad relativa, coeficiente de difusión turbulenta y topografía), las condiciones de frontera, los parámetros de calidad del aire iniciales y los inventario de emisiones (fuentes móviles, fijas y biogénicas), además de la cinética química (mecanismos de reacción, constantes de velocidad de reacción, estequiometría de las reacciones, velocidad de sedimentación en la superficie, agrupamientos de hidrocarburos). A través de los datos meteorológicos se incorporan al modelo las características específicas de la región a modelar, son de naturaleza diversa y se requieren para resolver las ecuaciones de difusión y las ecuaciones químicas. El CIT utiliza el mecanismo químico condensado de Lurmann (conocida como LCC) que incluye 53 especies y 112 reacciones (Lurmann et al., 1986); los compuestos orgánicos volátiles son agrupados en aléanos, alquenos, eteno, tolueno, di y tri-alquil aromáticos, formaldehído, aldehidos superiores y monóxido de carbono. A cada clase se le asigna un peso o factor de reparto dependiendo de la distribución de los hidrocarburos en la mezcla atmosférica de la región a modelar. (Colé. Nal., 1996). El campo de vientos se construye a través del interpolador de diagnostico para vientos, el transporte se simula en tres dimensiones usando la técnica numérica del elemento finito, la difusión turbulenta vertical esta en función de la estabilidad atmosférica y de la velocidad de fricción mientras que la horizontal depende de la altura de mezcla y la velocidad convectiva. El área de estudio en sentido longitudinal varia entre 5 y 120 km, mientras que el vertical varia así: para la zona rural entre 10 a 15 capas (6 - 10) km mientras que en la urbana puede fluctuar entre 2 y 5 (1 - 2) km. el CIT usa generalmente 5 capas alrededor de 1.5 km; el lado. 20.

(38) Capítulo 2. La Atmósfera y el Proceso de Contaminación.. de la cuadricula en la malla suele tener en promedio 5 km. (EPA, 1996). Se especifica también al modelo las coordenadas de latitud y longitud de la malla computacional. La variación temporal de modelación es de 1 hora y el episodio a simular puede variar desde 3 días hasta una semana.. 21.

(39) CAPITULO 3 INVENTARIO DE EMISIONES. 3.1. EMISIONES DE FUENTES MÓVILES. El inventario de emisiones es un instrumento estratégico de gestión ambiental, pues permite identificar cuales son los agentes productores de contaminación y cual es la contribución de sus emisiones en el deterioro de la calidad del aire; ya que los compuestos químicos dispuestos en la cuenca atmosférica al interactuar con las condiciones ambientales de un lugar reaccionan para generan otros compuestos cuyos efectos son totalmente adversos sobra las especies vivas que habitan un ecosistema. En las emisiones vehiculares intervienen los aspectos del proceso de combustión, el número de vehículos en circulación, la cantidad y tipo de combustible, la velocidad de circulación, las distancias recorridas, el estado mecánico del vehículo, el tipo de vehículo que integra la flota, el modo de circulación y la tasa de renovación de la flota vehicular. (INE, 1997). El inventario de emisiones por fuentes móviles se desarrolla mediante una serie de procedimientos de cálculo que incluye el número de vehículos que transitan por carreteras intermunicipales, por vías urbanas, aviones y locomotoras entre otras. En el presente estudio se hará la evaluación solamente para los vehículos que transitan el área urbana de la ciudad Santiago de Cali y se incluirá una estimación para la ciudad de Palmira y Yumbo. Para los cálculos se utiliza el modelo MOBILE-MMAp que corresponde al MOBILE5 de la EPA modificado para el Área Metropolita de Monterrey debido a la similitud con el parque automotor en el área mencionada. (Radian, 1992) 3.1.1 El Modelo de Simulación La Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (EPA), desarrolló el primer modelo para determinar los factores de emisión de contaminantes a la atmósfera por fuentes móviles denominado MOBILESa, este modelo y el utilizado en Bangkok (Tailandia) en 1994, sirvieron para desarrollar el MOBILE-MMAp que se aplico en el Área Metropolitana de Monterrey, Nuevo León (México). (Radian, 1995) La estimación de las emisiones de origen vehicular se basa en la medición del viaje realizado por coche y en la tasa promedio de contaminantes emitidos durante el mismo, ambas actividades se realizan bajo circunstancias particulares como: cantidad y tipo de combustible utilizado, tipo y modelo del vehículo, hábitos de conducción, entre otros; Con base en esta información, la Agencia de Protección Ambiental (EPA) y el Departamento de. 22.