Garcáo
DISEÑO DE UNA RED DE MONITOREO ATMOSFÉRICO
PARA LA CIUDAD DE SAN LUIS POTOSÍ: UBICACIÓN DE NODOS
TESIS QUE PARA OBTENER EL GRADO DE
D
OCTOR ENC
IENCIASA
MBIENTALESP
RESENTA:
M.
ENC.
G
ILBERTOV
ELÁZQUEZA
NGULODIRECTOR DE TESIS: DR.ALFREDO ÁVILA GALARZA
COMITÉ TUTELAR: DR.PEDRO MEDELLÍN MILÁN
DR.JORGE FERNANDO TORO VÁZQUEZ
SAN LUIS POTOSÍ,S.L.P. AGOSTO DEL 2008
U
NIVERSIDADA
UTÓNOMA DES
ANL
UISP
OTOSÍFACULTADES DE CIENCIAS QUÍMICAS, INGENIERÍA Y MEDICINA
PR O G R A M A MULT I D I SC I P L I N A R I O DE PO S G R A D O E N
LA TESIS TITULADA:
DISEÑO DE UNA RED DE MONITOREO ATMOSFÉRICO
PARA LA CIUDAD DE SAN LUIS POTOSÍ: UBICACIÓN DE NODOSFUE REALIZADA EN LA
FACULTAD DE INGENIERÍA DE LA UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE SAN LUIS POTOSÍ
BECA-PROMEP EN CONVENIO DE LA
UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE CIUDAD JUÁREZ Y LA
SECRETARÍA DE EDUCACIÓN PÚBLICA
ELDOCTORADOENCIENCIASAMBIENTALESESTAINLUIDOENEL
AGRADECIMIENTOS
A la Universidad Autónoma de Ciudad Juárez (UACJ), por el apoyo brindado para que pudiera llevar a cabo mis estudios de doctorado.
A la Secretaría de Educación Pública, por la beca PROMEP otorgada, en convenio con la UACJ.
Al Programa Multidisciplinario de Posgrado en Ciencias Ambientales (PMPCA) de la Universidad Autónoma de San Luis Potosí (UASLP), por la oportunidad de participar en su programa de doctorado y los conocimientos que adquirí.
Al Centro de Investigación y Estudios de Posgrado de la Facultad de Ingeniería de la UASLP, por las facilidades brindadas en la realización de este trabajo.
Al Dr. Alfredo Ávila Galarza, por su apoyo y consejos, como amigo y director de este trabajo de tesis.
Al Dr. Pedro Medellín Milán y al Dr. Jorge Fernando Toro Vázquez, integrantes de mi Comité Tutelar, por sus atinadas observaciones y recomendaciones que contribuyeron a mejorar este trabajo de investigación.
Al Dr. Noel Carbajal Pérez y al Dr. Antonio Aragón Piña, integrantes del jurado de tesis, por su tiempo y observaciones a este trabajo.
Al M. en I. Felipe de Jesús Zapata Morales, por su amistad y su apoyo en esta investigación.
Al M. en Educ. Jorge Burciaga Montoya, por su apoyo en todo momento.
A los maestros y directivos del PMPCA, por compartirme sus conocimientos y brindarme los apoyos requeridos durante mi estancia en este posgrado.
DEDICATORIA
A mi hijo, Kevin Daniel.
A mi mamá, María Esther.
A mi papá, Rigoberto (q.e.p.d.).
A mis hermanos y hermanas: Gildardo, Eustolio, Bertha Alicia, Martín, María Dolores, Jesús Esther, Rigoberto, José Guadalupe, María Catalina, Imelda, Evangelina y Jesús María.
A la mamá de mi hijo, Ciry.
A las personas con las que me ha tocado compartir una buena amistad: Jorge, Rosalba, Jerónimo (q.e.p.d.), Judith, Jaime, Edith, Joan & Jack, Dorris, Emilio, Conchita, Héctor, Maricela, Víctor, Angie, Óscar, Alberto, Victoriano, Sergio, Raymundo, Marcos, Helvia, Guillermo, Miroslava, Gema, Lalo, Abigail, Toño, Carlos, Ángela, Emmanuel, Karla, David Oliver, Eddie Humes (q.e.p.d.), Dave y muchas más que en este momento no vienen a mi memoria pero no por eso se les quiere menos.
A las familias Burciaga Montoya y Rivas Cáceres de Ciudad Juárez; y a la familia Armenta Espinosa de Ensenada.
A mis sobrinos y sobrinas.
CONTENIDO
INTRODUCCIÓN...1
CAPÍTULO I. GENERALIDADES DE LA CONTAMINACIÓN ATMOSFÉRICA URBANA. ...4
I.1 LA ATMÓSFERA...4
I.1.1CAPAS ATMOSFÉRICAS...4
I.1.2COMPOSICIÓN DEL AIRE. ...6
I.2 LA CONTAMINACIÓN ATMOSFÉRICA...6
I.2.1FUENTES DE CONTAMINANTES ATMÓSFERICOS...7
I.2.2CLASIFICACIÓN DE LOS CONTAMINANTES ATMÓSFERICOS...9
I.3 ESCALAS DE LA CONTAMINACIÓN ATMOSFÉRICA...10
I.4 NIVELES NORMADOS DE LA CONTAMINACIÓN ATMOSFÉRICA...10
I.4.1VALORES NORMADOS PARA LA CONTAMINACIÓN DEL AIRE EN MÉXICO...10
I.4.2VALORES NORMADOS PARA SO2...12
I.5 EFECTOS DE LA CONTAMINACIÓN ATMOSFÉRICA...13
I.6 METEOROLOGÍA DE LA CONTAMINACIÓN ATMOSFÉRICA...14
I.6.1CAPA LÍMITE ATMOSFÉRICA. ...14
I.6.2ALTURA MÁXIMA DE MEZCLADO. ...14
I.6.3FACTORES FÍSICOS QUE INFLUYEN EN LA CONTAMINACIÓN ATMOSFÉRICA. ...15
I.7 MODELACIÓN DE LA DISPERSIÓN DE LOS CONTAMINANTES DEL AIRE...19
I.7.1MODELO GAUSSIANO DE CONCENTRACIÓN DE CONTAMINANTES DEL AIRE. ...19
I.8 CALIDAD DEL AIRE EN LA CIUDAD DE SAN LUIS POTOSÍ...21
I.8.1SITUACIÓN DE LA CALIDAD DEL AIRE EN LA CIUDAD DE SAN LUIS POTOSÍ. ...21
I.8.2ESTACIONES DE MONITOREO DE LA CALIDAD DEL AIRE EN LA CIUDAD DE SAN LUIS POTOSÍ...22
CAPÍTULO II. METODOLOGÍA. ...24
II.1 PROCEDIMIENTO PARA UBICACIÓN DE PUNTOS DE MONITOREO...25
I.1.1MODELACIÓN. ...26
II.1.2DEFINIR CONGLOMERADOS...27
II.1.3DOSIFICACIONES DE ÁREA CON SUS PESOS...28
II.1.4DOSIFICACIÓN DE LA ESTACIÓN...29
II.1.5DOSIFICACIÓN TOTAL. ...30
II.1.6EFICIENCIA DE LA ESTACIÓN. ...31
II.1.7SELECCIÓN DE SITIOS DE MONITOREO. ...32
II.2 FRACCIÓN INHALADA...36
II.2.1DEFINICIÓN DE FRACCIÓN INHALADA...36
II.2.1DATOS PARA CÁLCULO DE FRACCIÓN INHALADA...36
II.3 MODELO INDUSTRIAL SOURCE COMPLEX SHORT TERM (ISCST)...37
II.3.1DESCRIPCIÓN DEL MODELO ISCST. ...37
II.3.2OPCIONES DE MODELAJE DEL ISC...38
II.3.4EVALUACIÓN DE LOS RESULTADOS DEL MODELO...41
II.4 DATOS METEOROLÓGICOS DE LA CIUDAD DE SAN LUIS POTOSÍ...42
II.5 INVENTARIO DE EMISIONES DE SO2...43
II.5.1GENERALIDADES SOBRE INVENTARIO DE EMISIONES...43
Contenido.
II.5.3INVENTARIO DE EMISIONES DE SO2 PARA FUNDIDORA AL OESTE DE LA CIUDAD...45
II.5.4VARIACIÓN DIURNA DE EMISIONES INDUSTRIALES DE SO2...46
II.6 DISTRIBUCIÓN DE LA POBLACIÓN...47
II.6.1TRANSFORMACIÓN DE DATOS DE POLÍGONOS IRREGULARES A MALLA REGULAR...48
II.6.2DISTRIBUCIÓN DE POBLACIÓN ESTÁTICA VS. DINÁMICA...51
II.7 TASA DE RESPIRACIÓN...52
CAPÍTULO III. MODELACIÓN DE LAS CONCENTRACIONES DE SO2. ...53
III.1 CARACTERÍSTICAS DE LAS FUENTES DE EMISIÓN EN LA ZONA INDUSTRIAL...53
III.1.1FUENTES EQUIVALENTES DE EMISIÓN. ...54
III.2 CARACTERÍSTICAS DE EMISIÓN EN LA FUNDIDORA AL OESTE DE LA CIUDAD...56
III.3 CONCENTRACIONES MODELADAS DE SO2...57
III.3.1PROMEDIO ANUAL DE SO2...57
III.3.2MÁXIMO PROMEDIO DIARIO DE SO2. ...58
III.3.3MÁXIMA CONCENTRACIÓN HORARIA DE SO2...59
CAPÍTULO IV. UBICACIÓN DE PUNTOS DE MONITOREO...61
IV.1 PUNTOS DE MONITOREO EN BASE A CONCENTRACIONES DE SO2...61
IV.1.1SELECCIÓN DE VALOR LÍMITE DE CONCENTRACIÓN DE SO2. ...61
IV.1.2DEFINICIÓN DE CONGLOMERADOS. ...62
IV.1.3DOSIFICACIONES DE ÁREA. ...64
IV.1.4DOSIFICACIÓN DE LA ESTACIÓN. ...65
IV.1.5DOSIFICACIÓN TOTAL...66
IV.1.6EFICIENCIA DE LA ESTACIÓN...67
IV.1.7SELECCIÓN DE SITIOS DE MONITOREO...67
IV.2 PUNTOS DE MONITOREO EN BASE AL RIESGO A LA SALUD...73
IV.2.1SELECCIÓN DE VALOR LÍMITE PARA RIESGO A LA SALUD. ...73
IV.2.2DEFINICIÓN DE CONGLOMERADOS. ...74
IV.2.3EFICIENCIA DE LA ESTACIÓN...76
IV.2.4SELECCIÓN DE SITIOS DE MONITOREO...77
IV.3 COMPARACIÓN DE PUNTOS DE MONITOREO IDENTIFICADOS EN BASE AL RIESGO A LA SALUD CON ESTACIONES DE MONITOREO EN LA CIUDAD DE SAN LUIS POTOSÍ...81
IV.4 SELECCIÓN DEL LUGAR PARA INSTALAR UNA ESTACIÓN DE MONITOREO...86
IV.4.1REQUERIMIENTOS DEL SITIO DE MONITOREO...87
IV.4.2UBICACIÓN FINAL DEL PUNTO DE MONITOREO SELECCIONADO. ...88
CAPÍTULO V. COSTOS EXTERNOS DE LA CONTAMINACIÓN POR SO2...89
V.1 COSTOS EXTERNOS O EXTERNALIDADES...89
V.2 IMPACTO ECONÓMICO DE LA CONTAMINACIÓN POR SO2...89
CAPÍTULO VI. DISCUSIONES Y CONCLUSIONES...92
INTRODUCCIÓN
El dióxido de azufre (SO2) de origen industrial es uno de los principales contaminantes atmosféricos presentes en la ciudad de San Luís Potosí (Ávila, 2002; Medellín y Hernández, 1988; Luszczewski et. al., 1988; Medellín et. al., 1990) con importantes impactos adversos a la salud humana y al medio ambiente (Ballester et. al., 1999; Korc, 1999).
En la ciudad de San Luís Potosí se tiene actualmente un monitoreo deficiente de las concentraciones de SO2. La Secretaría de Ecología y Gestión Ambiental (SEGAM) del Gobierno del Estado cuenta con una estación de monitoreo localizada en el centro oeste de la ciudad, en las instalaciones de Industriales Potosinos A.C. (IPAC) en el barrio de Tequisquiapan, y se está equipando una segunda estación ubicada al Este de la ciudad, en la Facultad de Psicología de la Universidad Autónoma de San Luís Potosí (UASLP). Una estación de monitoreo ubicada en las oficinas del DIF Municipal estuvo a cargo de la SEMARNAT y funcionó de manera muy irregular por aproximadamente tres años a partir de junio del 2000. Se cuenta también con una red de 10 estaciones de monitoreo de SO2 perteneciente a una Fundidora (principal emisora de este gas en la ciudad) ubicada al Oeste de la ciudad. La información que genera esta red no se da a conocer a la población (Ávila, 2008).
La ubicación de las estaciones de monitoreo atmosférico manejadas por las autoridades ambientales locales se basó principalmente en la determinación de un lugar al Sur, Centro y Oeste de la ciudad en donde se tuviera seguridad para el equipo y disponibilidad de energía eléctrica para su funcionamiento.
Por lo que se refiere a la ubicación de las estaciones de monitoreo atmosférico pertenecientes a la Fundidora situada al Oeste de la ciudad, éstas se colocaron en sitios próximos a la empresa, respondiendo principalmente a las quejas de los habitantes por las molestias ocasionadas debido a la exposición a la contaminación producida por las emisiones a la atmósfera de dicha empresa.
La ubicación de estaciones de monitoreo atmosférico debe utilizar una metodología objetiva que incluya la aplicación de: modelos de dispersión atmosférica, métodos estadísticos, un procedimiento que permita identificar los sitios con las concentraciones más elevadas producidas por las emisiones contaminantes de origen industrial, y un criterio que esté enfocado a proteger la salud de las personas que pudieran estar expuestas a concentraciones de contaminantes elevadas.
El objetivo general de este trabajo de tesis es determinar la ubicación de puntos de monitoreo en la ciudad de San Luís Potosí, tomando como base la contaminación por SO2 de origen industrial y considerando el riesgo a la salud humana por exposición a este contaminante.
Los objetivos particulares de esta investigación son:
Introducción.
objeto de aplicar los resultados en la aplicación de una metodología objetiva para ubicar los nodos de una red de monitoreo atmosférico.
b) Proponer, aplicar y comparar los resultados de metodologías objetivas para determinar la ubicación de los nodos de una red de monitoreo atmosférico con metodologías subjetivas.
c) Definir y aplicar un criterio que considere la protección a la salud en la determinación de la ubicación de puntos de monitoreo atmosférico en la ciudad de San Luis Potosí. d) Elaborar un programa informático que contenga una metodología objetiva para la
ubicación de los nodos de una red de monitoreo atmosférico.
e) Determinar la ubicación de los sitios más adecuados para la instalación de estaciones de monitoreo de la calidad del aire en la ciudad de San Luis Potosí.
f) Demostrar la necesidad de monitoreo atmosférico para SO2 en la ciudad de San Luís Potosí.
El SO2 se seleccionó como gas trazador de la contaminación producida por fuentes de origen industrial debido a que es un gas característico desprendido durante los procesos de combustión y de fundición en las industrias.
Los resultados de este trabajo pretenden ofrecer opciones de ubicación de puntos de monitoreo que logren la mayor cobertura de protección a la salud de la población, así como demostrar la necesidad de monitoreo atmosférico para SO2 en la ciudad de San Luis Potosí, con lo que se podría buscar apoyo para el establecimiento y equipamiento de una red de monitoreo dentro del Programa Nacional de Monitoreo Atmosférico (CENICA, 2004).
En esta tesis de doctorado se propondrán metodologías para la determinación objetiva de sitios de monitoreo atmosférico que midan la contaminación atmosférica de origen industrial, teniendo como criterios de base las concentraciones elevadas de SO2 (contaminante traza) y el riesgo en salud, definido por la cantidad de este gas inhalado por la población expuesta.
En el Capítulo I (Generalidades de la Contaminación Atmosférica Urbana) se presentan conceptos básicos sobre contaminación atmosférica con énfasis en la escala local, donde se ubica la contaminación urbana; límites de concentración de contaminantes atmosféricos; efectos de los contaminantes del aire, en especial el SO2; aspectos de meteorología que influyen en la difusión y dispersión de los contaminantes atmosféricos; aspectos sobre la modelación de la concentración de contaminantes atmosféricos emitidos por fuentes fijas; y se concluye presentando un panorama sobre la situación de la calidad del aire en la ciudad de San Luis Potosí.
(datos meteorológicos, inventario de emisiones industriales de SO2, parámetros físicos de los gases de emisión, datos físicos de las chimeneas, etc.).
En el Capítulo III (Modelación de las Concentraciones de SO2) se describen las características de las fuentes industriales de emisión de SO2 en la ciudad de San Luis Potosí, y las concentraciones de SO2 calculadas a partir de las modelaciones realizadas cada hora para el año 2003, con sus promedios anuales, y promedios máximos diarios y horarios.
En el Capítulo IV (Ubicación de Puntos de Monitoreo) se calcula la ubicación de puntos de monitoreo en la ciudad de San Luis Potosí en base a las concentraciones elevadas de SO2 y en base al riesgo a la salud producido por la exposición a la contaminación por SO2. Se comparan las eficiencias que tendrían los sitios de monitoreo definidos en base al riesgo a la salud con las de las estaciones de monitoreo operadas en algún momento por las autoridades ambientales en la ciudad de San Luís Potosí.
En el Capítulo V (Costos Externos de la Contaminación por SO2) se estiman los impactos económicos de las emisiones industriales del SO2 en base al inventario de emisiones de este gas para el año 2003 y el costo por kg de SO2 emitido, calculado en un estudio realizado en la Unión Europea.
Capítulo I. Generalidades de la contaminación atmosférica urbana.
CAPÍTULO I. GENERALIDADES DE LA CONTAMINACIÓN ATMOSFÉRICA
URBANA.
La contaminación atmosférica es un fenómeno muy complejo de evaluar debido a la cantidad de factores que influyen en su generación y comportamiento. Los niveles de contaminación dependen principalmente de la cantidad de emisión de los contaminantes y de las condiciones meteorológicas que contribuyen en su dispersión.
En este capítulo se describirán las generalidades que comprenden los estudios de la calidad del aire. Se indican las características de la parte de la atmósfera en donde ocurren los fenómenos de transporte y difusión de contaminantes a la escala local. Se presenta una breve descripción del tipo de fuentes y contaminantes atmosféricos. Se muestran los valores normados de los contaminantes criterio para México y la variación en los límites establecidos para el SO2 en diferentes regiones, así como la evolución que han tenido los valores guía recomendados por la OMS para este contaminante.
Las escalas del problema de la contaminación atmosférica y las herramientas disponibles para estudiar el problema de la calidad del aire son analizadas, y se muestran los principales factores meteorológicos que intervienen en el transporte y difusión de contaminantes atmosféricos.
Se exponen aspectos generales sobre modelación de la dispersión de los contaminantes del aire y, a mayor detalle, las características de los modelos gaussianos por ser el tipo de modelo utilizado en este estudio.
Por último, se hace una breve revisión de la situación de la calidad del aire en la ciudad de San Luis Potosí, que corresponde a la zona de estudio del presente trabajo.
I.1 LA ATMÓSFERA.
La atmósfera está constituida por un gran número de gases que envuelven al planeta Tierra; esta capa gaseosa cuenta con un espesor aproximado de 2,000 Km en el cual se encuentran las reservas de oxígeno y sustancias necesarias para la vida terrestre (Spedding, 1981). En la atmósfera se arrojan diariamente grandes cantidades de contaminantes atmosféricos producto de la actividad humana.
I.1.1CAPAS ATMOSFÉRICAS.
Figura I.1. Perfil general de la atmósfera.
1. Troposfera.
La troposfera (del griego tropos, que significa cambio) es la capa que contiene más del 90% de la masa de aire total (Caselli, 1989) y abarca entre 8 y 16 Km de espesor. Si bien todas las capas de la atmósfera son importantes, la troposfera es la que representa más interés en este trabajo,} debido a que es en ella donde se encuentra la llamada capa límite atmosférica, la cual abarca los primeros 2 km de altura respecto a la superficie de la Tierra y es aquí en donde se efectúa la dispersión de los contaminantes atmosféricos.
La troposfera se caracteriza por el descenso de temperatura del aire en función del aumento de la altura, a razón de 0.6 ºC/Km de altura (Spedding, 1981).
En esta capa atmosférica se centra el presente trabajo de investigación; en especial, en la capa límite atmosférica, que es la parte baja de la atmósfera donde se da la emisión y dispersión de los contaminantes del aire que tienen un impacto sobre la salud y el medio ambiente.
2. Estratosfera.
Es la parte de la atmósfera que se encuentra entre los 16 km y los 50 km de altura sobre la superficie terrestre; esta capa contiene menor masa de aire que la troposfera. El ozono O3 y el oxidrilo OH se encuentran en mayores concentraciones que en la troposfera; esto hace que las concentraciones de las sustancias que están en un aire no contaminado se mantengan constantes. En la estratosfera, la temperatura del aire aumenta con la altura.
10 20 30 40 50 60 70 80 90
Mesosfera Termosfera
Estratosfera
Estratopausa Calentamiento por ozono
Capa de ozono Tropopausa
Troposfera
Calentamiento por efecto del suelo
-100 -80 -60 -20 0 20
Nivel del mar 0
Capítulo I. Generalidades de la contaminación atmosférica urbana.
3. Mesosfera.
Esta zona de la atmósfera abarca de los 50 a los 85 km, aproximadamente. En esta capa, la temperatura del aire desciende con la altura.
4. Termosfera.
Conocida también como ionosfera, es la última capa de la atmósfera o la más alta (Spedding, 1981). Su temperatura aumenta regularmente con la altura. El límite superior de la termosfera está entre 700 km y 800 km de altura, en donde supera las temperaturas de 500ºC y 1,000ºC, respectivamente.
I.1.2COMPOSICIÓN DEL AIRE.
El aire es una mezcla de gases cuyas proporciones varían muy poco cerca de la superficie terrestre. Los principales gases en la atmósfera, considerando el aire seco, son el nitrógeno, el oxígeno y el argón; aunque existen otros gases en menor proporción (tabla I.1).
Tabla I.1. Composición química del aire atmosférico seco (Wark y Warner, 2002).
Sustancia Volumen (por ciento) Concentración (ppm)
Nitrógeno 78.084 ± 0.004 780,900
Oxígeno 20.946 ± 0.002 209,400
Argón 0.934 ± 0.001 9,300
Dióxido de carbono 0.033 ± 0.001 315
Neón 18
Helio 5.2
Metano 1.2
Criptón 0.5
Hidrógeno 0.5
Xenón 0.08
Dióxido de nitrógeno 0.02
Ozono 0.01 - 0.04
El aire atmosférico, en su estado natural, contiene también de 1 a 3 por ciento en volumen de vapor de agua, y trazas de dióxido de azufre, formaldehído, yodo, cloruro de sodio, amoniaco, monóxido de carbono, metano y un poco de polvo y polen (Wark y Warner, 2002).
I.2 LA CONTAMINACIÓN ATMOSFÉRICA.
La contaminación del aire no es, en realidad, un fenómeno nuevo, ya que el humo liberado por el fuego de la cocina o del calefactor, los olores que provienen de desechos domésticos -aguas negras y basura- han sido una característica de los lugares que el hombre ha habilitado desde que se comenzó a agruparse en comunidades.
Durante el siglo XIX se cambiaron los métodos de la eliminación de la basura, tratamiento de aguas negras, calefacción y cocción domésticas, con lo que se disminuyeron las formas tradicionales de contaminación del aire -humo y olores- y fueron reemplazadas por un grupo nuevo de contaminantes, los cuales son producto de la cambiante sociedad urbana industrial.
En conjunto, la mayor parte de los problemas de contaminación del aire son hoy día resultado de las actividades industriales y los medios de transporte; en otras palabras, consecuencia del uso de la energía (Strauss y Mainwaring, 1990).
Este trabajo de investigación se enfoca en las emisiones de origen industrial, utilizando el SO2 como trazador de este tipo de contaminación.
Las emisiones antropogénicas de SO2 son consecuencia principalmente de la quema de combustibles fósiles para la producción de energía: carbón, combustóleo, diesel, gasolina, etc., los cuales en su composición contienen azufre en diferentes porcentajes. Otra fuente importante de emisiones de SO2 lo son las empresas que procesan minerales sulfurados como el Zinc, Cobre, Fierro, Plomo, etc.
I.2.1FUENTES DE CONTAMINANTES ATMÓSFERICOS.
Capítulo I. Generalidades de la contaminación atmosférica urbana.
Tabla I.2. Fuentes de contaminación del aire (Strauss y Mainwaring, 1990).
FUENTE (x 106 toneladas por año)CANTIDAD
GAS Principales fuentes contaminantes (fuentes
antropogénicas)
Fuentes
naturales Contaminación Natural
Dióxido de azufre (SO2)
Combustión de carbón y petróleo, cocido de minerales sulfurados
Volcanes 146 6-12
Ácido sulfhídrico (H2S)
Procesos químicos, tratamiento de aguas negras
Volcanes, acción biológica
de pantanos 3 30-100
Monóxido de
carbono (CO) Combustión, principalmente escapes de automóviles Reacciones de terpenos en incendios forestales
300 > 3000
Óxidos de
nitrógeno (NOx) Combustión
Acción bacteriana en
suelos 50* 60-270*
Amoniaco (NH3) Tratamiento de
desechos
Descomposición
biológica 4 100-200
Óxido nitroso (N2O)
En forma indirecta por el uso de fertilizantes nitrogenados
Acción biológica
en suelos > 17 100-450
Hidrocarburos Combustión, escapes, procesos químicos
Procesos
biológicos 88
CH4:
300-1600, terpenos:200
Dióxido de
carbono (CO2) Combustión
Descomposición biológica, liberación desde océanos
1.5 x 104 15 x 104
* Expresado como toneladas de NO2.
Los problemas de contaminación asociados con los gases que se indican en la tabla I.2 (excepto el CO2), surgen no como resultado de la magnitud de la emisión realizada por el hombre, sino porque esta emisión se concentra en las regiones donde la gente vive y trabaja, y más específicamente, en las ciudades del mundo industrial.
Sobre las emisiones de origen natural es difícil o imposible tener un control. Para reducir la contaminación del aire es de mayor interés trabajar sobre las emisiones contaminantes antropogénicas, que se da generalmente en lugares donde existe población cercana que puede ser afectada.
I.2.2CLASIFICACIÓN DE LOS CONTAMINANTES ATMÓSFERICOS.
Los gases contaminantes que arrojan las fuentes emisoras se pueden clasificar de acuerdo a su origen en (Ionescu, 1998):
1) Contaminantes primarios: son los que se emiten a la atmósfera directamente como resultado de las acciones naturales o humanas (ejemplo: los gases emitidos por chimeneas industriales).
2) Contaminantes secundarios: son los que se generan a partir de los contaminantes primarios por medio de reacciones en la atmósfera (ejemplo: O3, sulfatos).
Para el presente trabajo se utilizó el SO2 primario como trazador de la contaminación de origen industrial; es decir, el que se emite directamente de las chimeneas en diferentes empresas que requieren del uso de combustibles fósiles en sus procesos de producción o el que se genera por el proceso de minerales que contienen azufre.
Los contaminantes atmosféricos pueden también clasificarse, conforme a su estado fisicoquímico, en gases y partículas de origen orgánico e inorgánico, como se muestra en la tabla I.3.
Tabla I.3. Clasificación de los contaminantes atmosféricos según sus características fisicoquímicas (Chovin, 1973, citado por Ionescu, 1998).
Contaminante Sustancia
Derivados oxigenados de azufre (dióxido y trióxido de azufre, ácido sulfúrico, sulfatos, etc.).
Derivados oxigenados de nitrógeno (monóxido y dióxido de nitrógeno, ácidos nitroso y nítrico).
Monóxido y dióxido de carbono. Inorgánicos
Otros contaminantes inorgánicos (derivados de plomo, amoníaco, cloro, cloruros, ácido fluorhídrico, fluoruros, etc.).
Hidrocarburos (alifáticos saturados o no, cíclicos, aromáticos ligeros o policíclicos).
Aldehídos y cetonas (formaldehído, acroleína, acetona, etc.). Gases
Orgánicos Otros contaminantes orgánicos (alcoholes, hidrocarburos clorados, sulfuros, etc.) y más generalmente sustancias aún mal definidas que son la base de malos olores.
Partículas Partículas de materia sólida (polvos y humos). Partículas de materia líquida (nieblas de aceite o alquitrán, etc.).
Capítulo I. Generalidades de la contaminación atmosférica urbana.
I.3 ESCALAS DE LA CONTAMINACIÓN ATMOSFÉRICA.
Los problemas de contaminación atmosférica se pueden clasificar en cinco escalas que van desde una escala local hasta una escala global (Boubel y Col., 1994), de acuerdo a la distancia en que se tiene influencia un problema de contaminación del aire (tabla I.4).
Tabla I.4. Escalas de la contaminación atmosférica (Boubel y Col., 1994)
Escala Dimensión Ejemplo
Local Cerca de 5 km Contaminación de vehículos automotores, pequeñas industrias, etc.
Urbana De 5 a 50 km de contaminantes secundarios (formación de Emisiones de grandes industrias, formación ozono).
Regional De 50 a 500 km Lluvia ácida.
Continental De 500 hasta varios miles de km Es parecida a la regional. Efecto que produce la contaminación de un país sobre otro.
Global Por todo el mundo Emisiones de clorofluorocarbonos o de material radioactivo.
De acuerdo a estas definiciones, en el presente trabajo se manejará una escala urbana, ya que el área de estudio será de 20 km x 20 km, sobre la zona conurbada de San Luis Potosí-Soledad de Graciano Sánchez.
I.4 NIVELES NORMADOS DE LA CONTAMINACIÓN ATMOSFÉRICA.
Las normativas, índices y estándares de calidad del aire se obtienen por medio de un tipo de criterio, que permite señalar la respuesta que tendría un organismo al estar expuesto a una concentración de un contaminante en un tiempo determinado.
Por otra parte, si se expone a un organismo a la presencia de dos o más contaminantes al mismo tiempo, las reacciones que tendría éste podrían ser superiores o inferiores a la suma de los efectos de cada contaminante considerados de manera aislada.
Las normas tienen como fin proteger la salud de la población, sobre todo la de los grupos más susceptibles como son los niños, los ancianos y las personas con enfermedades respiratorias crónicas.
I.4.1VALORES NORMADOS PARA LA CONTAMINACIÓN DEL AIRE EN MÉXICO.
establecer niveles permisibles que protegieran la salud, el medio ambiente y el bienestar de la población (INE, 2008).
Para cada contaminante criterio se han desarrollado guías y normas. Las guías son recomendaciones que establecen los niveles de exposición a contaminantes atmosféricos, a fin de reducir los riesgos o proteger de los efectos nocivos. Las normas establecen las concentraciones máximas de los contaminantes atmosféricos que se permiten durante un período definido, estos valores límite son diseñados con un margen de protección ante los riesgos y tienen la finalidad de proteger la salud humana y el medioambiente (INE, 2008).
Existen miles de contaminantes atmosféricos, por lo que no es práctico establecer límites para cada uno de ellos al no ser posible llevar a cabo un monitoreo y control de todos los contaminantes que se presentan en el aire. Debido a esto, las autoridades ambientales se enfocan al monitoreo y control de los contaminantes atmosféricos que se emiten en mayores cantidades y presentan un riesgo a la salud; es decir, los contaminantes criterio.
Las concentraciones ambientales máximas permisibles para los contaminantes criterio en México se presentan en la tabla I.5.
Tabla I.5. Valores normados para los contaminantes del aire en México (DOF, 1994a)
Valores límite
Exposición aguda Exposición crónica Contaminante Concentración y tiempo promedio Frecuencia máxima aceptable (Para protección de la salud de la
población susceptible)
Normas Oficiales Mexicanas
Ozono (O3) 0.11 ppm (1 hora) 1 vez cada3 años - NOM-020-SSA1-1993
Monóxido de
carbono (CO) (8 horas)11 ppm 1 vez al año - NOM-021-SSA1-1993
Dióxido de azufre (SO2)
0.13 ppm (24 horas) (341 µg/m3)
1 vez al año
0.03 ppm (media aritmética
anual) (79 µg/m3)
NOM-022-SSA1-1993
Dióxido de nitrógeno
(NO2)
0.21 ppm
(1 hora) 1 vez al año - NOM-023-SSA1-1993
Partículas suspendidas totales (PST)
260 µg/m3
(24 h) 1 vez al año
75 µg/m3
(media aritmética anual) NOM-024-SSA1-1993 Partículas con diámetro menor a 10 µm (PM10)
150 µg/m3
(24 h)
1 vez al año
50 µg/m3 (media aritmética
anual)
NOM-025-SSA1-1993
Plomo (Pb) - -
1.5 µg/m3 (promedio aritmético en 3 meses)
Capítulo I. Generalidades de la contaminación atmosférica urbana.
Las Normas Oficiales Mexicanas (NOM) sobre calidad del aire de la tabla I.5 fueron publicadas por la Secretaría de Salud en el Diario Oficial de la Federación el 23 de diciembre de 1994, en coordinación con la Secretaría de Medio Ambiente y Recursos Naturales (SEMARNAT) y con la participación de representantes de la academia, de los sectores productivos y de grupos ambientalistas (DOF, 1994a).
I.4.2VALORES NORMADOS PARA SO2.
En varios lugares del mundo existen diferentes valores normados para los límites permisibles de contaminación ambiental por SO2 (tabla I.6).
La normatividad mexicana no contempla valores límite para concentraciones promedio horaria; mientras que la Unión Europea tiene un límite de excedencia horaria de 350 µg/m3, el cual no debe rebasarse por más de 24 ocasiones durante un año. Este aspecto es muy importante, ya que diversos estudios han demostrado que valores altos de SO2 en periodos cortos pueden tener un efecto importante sobre la salud (OMS, 2006).
Tabla I.6. Valores normados para dióxido de azufre en diferentes lugares.
Los valores guía de SO2 proporcionados por la Organización Mundial de la Salud (OMS) antes de 1987 estaban ligados a los valores guía para partículas, con un límite de 125 µg/m3, en un promedio de 24 horas. En la segunda edición de las Guías de Calidad del Aire (GCA), para el año 2000, el SO2 conservó el mismo límite diario, pero independiente de las concentraciones de partículas.
En la actualización mundial del 2005 para las GCA, la OMS dió un valor guía para la concentración de SO2 en el aire de 20 µg/m3 en promedio diario y 500 µg/m3 en un promedio
OMS* EPA NOM UE
Media aritmética
anual 0.031 ppm 80 µg/m3 0.030 ppm 79 µg/m3
Valor límite diario (promedio diario)
0.008 ppm 20 µg/m3
0.14 ppm 365 µg/m3
0.13 ppm 341 µg/m3 (24 horas 1 vez al año)
0.047 ppm 125 µg/m3 ( 3 ocasiones al año)
Valor límite horario (promedio horario)
0.133 ppm
(24 ocasiones por año) 350 µg/m3
Promedio 3 horas 0.50 ppm
1300 µg/m3
10 minutos 0.381 ppm
500 µg/m3
fuentes locales y las condiciones meteorológicas predominantes, por lo que no es sencillo aplicar un factor para obtener el valor correspondiente a una hora. La OMS tampoco considera un valor guía para la concentración promedio anual de SO2, puesto que si se respetan los límites diarios el promedio anual será también bajo (OMS, 2006).
En este trabajo de investigación se hará referencia a la concentración en promedio diario de SO2 indicada en la normativa ambiental mexicana (341 µg/m3), y también al valor guía en promedio diario de la OMS de 20 µg/m3.
I.5 EFECTOS DE LA CONTAMINACIÓN ATMOSFÉRICA.
La asociación entre efectos y concentraciones contaminantes en el aire no está bien definida debido al inmenso número de variables que intervienen; asimismo, la carencia de criterios adecuados se suma al problema de la toma de decisiones acerca de los niveles aceptables de concentración de contaminantes en el aire.
Después de su formación, los contaminantes del aire se emiten hacia la atmósfera y se dispersan en ella. Una vez mezclados con el aire, algunos contaminantes persisten en forma inalterada y se mezclan en toda la atmósfera donde potencialmente tienen una influencia global. Los contaminantes más reactivos tienen una vida media más corta en la atmósfera y se remueven ya sea por conversión a constituyentes atmosféricos normales, o bien al depositarse sobre la superficie de la Tierra; durante el proceso pueden reaccionar con otros constituyentes atmosféricos para formar contaminantes secundarios, los cuales se remueven mediante el mismo proceso.
Tanto los contaminantes primarios como los secundarios pueden causar alteración en la composición química de suelos y aguas, así como ocasionar daño directo a propiedades y sistemas biológicos. La mezcla de contaminantes en el aire nunca es constante ni simple y el daño que se observa en una situación particular es con frecuencia el resultado de más de un contaminante en acción conjunta. En ciertos casos, una interacción sinérgica ocurre donde el efecto total corresponde a un valor mucho más grande que la suma de los efectos individuales de los contaminantes que participan (Strauss y Mainwaring, 1990).
La exposición a SO2 produce irritación e inflamación aguda o crónica de las mucosas conjuntival y respiratoria. El SO2 puede transformarse en otros productos, tales como partículas finas de sulfato (SO4) y niebla de ácido sulfúrico (H2SO4). Se ha visto que bajo la combinación de partículas y SO4, suele aumentar el riesgo en la salud al incrementar la morbilidad y mortalidad de enfermos crónicos del corazón y vías respiratorias. En individuos asmáticos, el SO2 puede producir bronco-constricción (INE, 2008).
Capítulo I. Generalidades de la contaminación atmosférica urbana.
Un estudio de 12 ciudades europeas (proyecto APHEA) indicó un aumento del 4% en la mortalidad por el incremento de 100 µg/m3 en los niveles medios diarios de SO2 (Ballester y Col., 1999).
I.6 METEOROLOGÍA DE LA CONTAMINACIÓN ATMOSFÉRICA.
Todos los contaminantes emitidos a la atmósfera son transportados, dispersos o concentrados por condiciones meteorológicas y topográficas. El ciclo de estancia aérea de los contaminantes atmosféricos se inicia con su emisión, seguido por su transporte y difusión en la atmósfera. El ciclo se completa cuando los contaminantes se depositan sobre la vegetación, el ganado, las superficies del suelo, agua, construcciones y otros objetos, cuando son arrastrados de la atmósfera por la lluvia, o cuando se escapan al espacio. En algunos casos, los contaminantes se pueden volver a introducir en la atmósfera por la acción del viento (Wark y Warner, 2002).
Un componente importante de este trabajo de investigación es la modelación de la dispersión de SO2 a partir del inventario de emisiones de fuentes industriales. Para esto, deben tomarse en cuenta los factores que influyen en el transporte y dispersión de este gas, tales como: las características de la capa límite atmosférica, la altura máxima de mezclado, velocidad y dirección del viento, el gradiente vertical de la temperatura, la turbulencia atmosférica y las características del terreno, entre otros. A continuación se describen a mayor detalle estos factores.
I.6.1CAPA LÍMITE ATMOSFÉRICA.
La capa límite atmosférica (CLA) es la parte más baja de la troposfera en donde ocurre la mayor transferencia de calor, de masa y de cantidad de movimiento. Los principales fenómenos de transporte y difusión de contaminantes emitidos por fuentes antropogénicas se producen dentro de la CLA.
El espesor de la CLA varía de acuerdo a la temperatura que contiene el suelo; así se puede decir que durante el día, el suelo es más caliente que el aire; esto provoca que se transfiera calor hacia arriba, dentro de la atmósfera, lo cual hace que el espesor de la CLA sea de uno o dos kilómetros sobre la superficie del suelo. Por el contrario, en la noche, el suelo es más frío que el aire, por lo que la transferencia de calor se produce ahora de manera descendente y por ende se produce un decremento en el espesor de la CLA, el cual llega a ser menor de 100 m (Ávila, 1996).
I.6.2ALTURA MÁXIMA DE MEZCLADO.
la concentración de los contaminantes. Los efectos de flotación térmica determinan la altura de la capa convectiva de mezclado, conocida como laaltura máxima de mezclado (AMM). Cuando una porción de aire se calienta por la radiación solar en la superficie del suelo, su temperatura se eleva por encima de la del aire circundante y adquiere flotabilidad.
En la práctica, la AMM se determina con la ayuda del perfil de temperatura de la atmósfera actual para varios kilómetros sobre la superficie terrestre. Se envía un globo al espacio y los valores tomados a varias alturas se transmiten por radio a tierra. Estas son las llamadas mediciones por radiosonda. Estos datos se trazan contra la altura y se comparan con la tasa de temperatura adiabática seca. La altura a la que la tasa adiabática seca corta a las mediciones de radiosonda se toma como la AMM.
Los valores de la AMM son por lo general más bajos durante la noche y aumentan durante las horas del día. Durante una fuerte inversión por la noche, dicho valor puede ser esencialmente cero, mientras que los valores de 2,000 y 3,000 m son corrientes durante el día. Sobre una base estacional, la AMM promedio es mínima en el invierno (diciembre y enero) y máxima a principios del verano (junio). Se ha observado que extensos episodios de la contaminación del aire urbano ocurren cuando el valor de la AMM es menor de 1,500 m. Como los valores menores que el citado son muy comunes en muchas áreas urbanas, el potencial de los episodios de la contaminación del aire es a menudo alto (Wark y Warner, 2002).
I.6.3FACTORES FÍSICOS QUE INFLUYEN EN LA CONTAMINACIÓN ATMOSFÉRICA.
Los principales factores físicos que intervienen en el transporte y difusión de contaminantes atmosféricos son los meteorológicos y los topográficos (el relieve).
I.6.3.1 Factores meteorológicos de la contaminación atmosférica.
Los principales factores meteorológicos que influyen en el transporte y difusión de contaminantes atmosféricos son:
a) Velocidad y dirección del viento. b) Gradiente de temperatura. c) Turbulencia atmosférica.
a) Velocidad y dirección del viento.
El viento se produce debido al movimiento de la Tierra y al desplazamiento de masas de aire. La velocidad del viento es nula en la superficie de la Tierra, esto es debido a la fricción que ejerce la Tierra sobre él. La velocidad del viento aumenta con la altura, pero cerca de la superficie (dentro de la capa límite atmosférica) tiene variaciones de magnitud y dirección que dependen de la rugosidad del terreno.
Capítulo I. Generalidades de la contaminación atmosférica urbana.
2) Interviene en el tiempo de transporte del contaminante, de la fuente al receptor. 3) Limita la ascensión de los contaminantes a la atmósfera.
Una metodología muy utilizada para calcular la velocidad del viento con respecto a la altura es la del “perfil de potencias” (Ecuación I.1). Esta fórmula es recomendada por la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (EPA, 1995a).
(Ecuación I.1)
Donde:
uz = velocidad del viento (horizontal) a la altura z. ua = velocidad del viento a la altura za.
z = altura deseada (altura en metros superior a la del anemómetro). za = altura del anemómetro (por lo general 10 m).
p = exponente de perfil de viento que es función de la topografía, de la clase de estabilidad atmosférica y de la altura de la capa límite atmosférica (tabla I.7).
Tabla I.7. Valores recomendados para el exponente p en la Ecuación I.1 (EPA ,1995a).
Estabilidad Área rural Área urbana
A 0.07 0.15
B 0.07 0.15
C 0.10 0.20
D 0.15 0.25
E 0.35 0.30
F 0.55 0.30
La dirección del viento determina el rumbo hacia donde la contaminación emitida por una fuente será transportada. Así, la dirección del transporte del penacho es muy importante para estimar el impacto de una fuente sobre receptores sensibles.
b) Gradiente de temperatura.
En la parte baja de la troposfera, la temperatura del aire por lo general disminuye con la altitud. A la velocidad con la que el aire reduce su temperatura se le conoce como gradiente de temperatura ambiental (GTA). Por otro lado, si la disminución de temperatura ocurre a una razón de 1ºC/100 m, sin pérdida ni ganancia de calor, entonces a este fenómeno se le llama gradiente de temperatura seca adiabática (GTSA), el cual favorecerá la dispersión de los contaminantes.
La variación de la temperatura con la altitud es utilizada como criterio para definir la estabilidad atmosférica. Si la temperatura decrece fuertemente con la altitud (gradiente inferior al gradiente adiabático), la atmósfera es inestable (figura I.2.a) y la mezcla vertical de contaminantes es favorecida, produciéndose una buena dispersión. Cuando la
p
a a z
z
z
u
planos vertical y horizontal (medio isótropo). Si el gradiente térmico observado es superior al gradiente adiabático saturado, la atmósfera es estable (figura I.2.c), y, por lo tanto, la difusión se reduce considerablemente. La inversión térmica se produce cuando la temperatura del aire aumenta con la altitud; en este caso, la ausencia de una mezcla vertical provoca que los contaminantes no se dispersen hacia las capas superiores de la atmósfera (figuras I.2.e. y I.2.f.) (Ezcurra, 1991).
Figura I.2. Influencia de la estructura térmica vertical de la atmósfera sobre la dispersión del penacho. La línea punteada corresponde al gradiente adiabático seco de referencia con valor de 1°C /100 m (Boubel y Col., 1994).
c) Turbulencia atmosférica.
La turbulencia es el movimiento del viento altamente irregular. En este caso, la atmósfera tiene movimientos erráticos, aparentemente al azar, y éstos varían rápidamente.
a) Atmósfera inestable (penacho ondulado).
b) Atmósfera neutra
(penacho de cono).
c) Atmósfera estable (penacho de abanico).
d) Condiciones de inversión térmica por debajo de la cima de la chimenea y de inestabilidad por arriba.
e) y f) Condiciones de inversión térmica por arriba de la cima de la chimenea (penacho de atrapamiento y fumigación).
Perfil de temperatura
Capítulo I. Generalidades de la contaminación atmosférica urbana.
La turbulencia atmosférica se produce por la diferencia de velocidades y de direcciones de las masas de aire, por el movimiento del aire al chocar con objetos y por la variación de temperatura en las masas de aire. La turbulencia es el proceso de mezcla más importante que provoca la más significativa dispersión de los contaminantes en las capas bajas de la troposfera.
La estimación del nivel de turbulencia es muy importante debido a que de ella dependen las desviaciones estándar de las distribuciones de la concentración que se usan en el modelo gaussiano de transporte y difusión de contaminantes.
Para estimar el nivel de turbulencia y el grado de dispersión se tienen métodos directos e indirectos. La gran mayoría de los modelos de difusión utilizan la clasificación indirecta de la turbulencia atmosférica, en función de las clases de estabilidad atmosférica. La clasificación de la estabilidad atmosférica se obtiene a partir de datos de velocidad del viento, radiación solar y nubosidad (Pasquill, 1961) (tabla I.8).
Tabla I.8. Clases de estabilidad atmosférica de Pasquill –Turner (Pasquill, 1961; Turner, 1964).
Día Noche Radiación solar incidente
Velocidad del viento a 10 m
del suelo
(m/s) Fuerte Moderada Ligera Nubosidad ≥ 4/8 Nubosidad ≤ 3/8
< 2 A A – B B
2 - 3 A – B B C E F
3 - 5 B B – C C D E
5 - 6 C C – D D D D
> 6 C D D D D
A: Condiciones extremadamente inestables. D: Condiciones neutras.
B: Condiciones moderadamente inestables. E: Condiciones ligeramente estables. C: Condiciones ligeramente inestables. F: Condiciones moderadamente estables.
Una radiación solar fuerte corresponde a una altura solar superior a 60º, con un cielo despejado. Una radiación solar ligera corresponde a una altura solar superior a 15º y hasta 35º, con un cielo despejado. Una cubierta de nubes superior o igual 5/8 provocará una reducción de la radiación solar de fuerte a moderado.
I.6.3.2 Factores topográficos de la contaminación atmosférica.
La forma del obstáculo, sus dimensiones y su posición respecto a la dirección del viento son los parámetros que determinan la influencia del relieve sobre el transporte y difusión de contaminantes atmosféricos (Velázquez, 2003).
I.7 MODELACIÓN DE LA DISPERSIÓN DE LOS CONTAMINANTES DEL AIRE.
La dispersión en la atmósfera de los efluentes que proceden de respiraderos y chimeneas depende de muchos factores, tales como la naturaleza física y química de los efluentes, las características meteorológicas del ambiente, la ubicación de la chimenea en relación con las obstrucciones al movimiento del aire y la naturaleza del terreno que se encuentra en la dirección del viento que viene de la chimenea (Wark y Warner, 2002).
Los modelos de dispersión de contaminantes del aire estiman el transporte atmosférico y destino de un contaminante desde el punto de emisión hasta el sitio de impacto, para llegar a la estimación de concentraciones ambientales del contaminante (EPA, 2001a).
Los modelos gaussianos son los más utilizados para el estudio de fuentes fijas. Estos modelos consideran que el penacho emitido sigue una distribución gaussiana, perpendicular al movimiento convectivo principal. Los modelos gaussianos son la técnica más ampliamente usada para estimar el impacto de contaminantes no reactivos (EPA, 2001b).
El modelo que se utiliza en este estudio, para estimar la concentración de SO2 de origen industrial en la ciudad de San Luis Potosí, es el Industrial Source Complex (ISC). El ISC es un modelo gaussiano ampliamente utilizado para calcular las concentraciones ambientales en la dirección del viento de contaminantes atmosféricos emitidos por una gran variedad de fuentes asociadas a un complejo industrial (sección II.3).
I.7.1MODELO GAUSSIANO DE CONCENTRACIÓN DE CONTAMINANTES DEL AIRE.
Un modelo matemático de la dispersión atmosférica debe tratar de simular el comportamiento en conjunto de las plumas emitidas desde fuentes a nivel del terreno o a la altura de la chimenea (Wark y Warner, 2002).
El modelo gaussiano es el más usado para modelar la contaminación del aire (Zannetti, 1990). La ecuación más simple de este modelo para estimar la concentración de un contaminante atmosférico en la dirección del viento, producida por una fuente continua al nivel del piso, está dada por la ecuación I.2.
(Ecuación I.2)
Donde:
C = concentración media del contaminante en el punto de coordenadas (x, y, z), (g/m3).
⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ + −
= 22 22
Capítulo I. Generalidades de la contaminación atmosférica urbana.
Q = emisión del contaminante en la fuente, (g/s). u = velocidad del viento horizontal, (m/s).
x = coordenada de posición sobre la trayectoria media de las masas de aire contaminado, (m).
y, z = coordenadas de posición ortogonal (horizontal y vertical, respectivamente) a la trayectoria media de masas de aire contaminado, (m).
σy,σz = varianzas de la distribución de las concentraciones horizontal y vertical en el penacho
(m), conocidas también como coeficientes de difusión empírica.
La ecuación I.2 corresponde a una fuente puntual bajo condiciones meteorológicas y de emisión estacionarias. Otras consideraciones que se suman a las hipótesis anteriores son: 1) Un contaminante con densidad igual a la del aire.
2) Un terreno plano con ausencia de obstáculos. 3) Un contaminante no reactivo.
El modelo gaussiano considera que los contaminantes que llegan al suelo rebotan al centro del penacho por reflexión turbulenta. Así pues, se considera una fuente virtual complementaria por debajo de la superficie; dicha fuente es equivalente a la fuente real y simétrica a ésta con respecto al suelo. Al tomar en cuenta lo anterior, el resultado se traduce en un aumento de la concentración, que disminuye con la altitud a partir de un factor de 2 al nivel del suelo (figura I.3).
Figura I.3. Reflexión de los contaminantes sobre el suelo considerada por el modelo gaussiano a través de una fuente virtual equivalente a la fuente real y simétrica a ésta respecto al suelo (Kiely, 1999).
(Ecuación I.3)
Donde H es la altura efectiva de la emisión igual a h+∆h, siendo h la altura de la chimenea y
∆h la sobre elevación del penacho debido a la capacidad de flotación de los gases calientes y a la cantidad de movimiento de los gases que salen verticalmente al ser expulsados por a parte superior de la chimenea, como se muestra en la figura I.4.
Figura I.4. Modelo gaussiano de un penacho emitido por una fuente puntual (Ávila, 1996)
I.8 CALIDAD DEL AIRE EN LA CIUDAD DE SAN LUIS POTOSÍ.
La situación preocupante de la calidad del aire y su deficiente monitoreo en la ciudad de San Luis Potosí, en especial con respecto al SO2, fueron factores determinantes en la decisión de llevar a cabo el presente trabajo de investigación. A continuación se describe la situación de la calidad del aire y las características del monitoreo que se lleva a cabo en esta ciudad.
I.8.1SITUACIÓN DE LA CALIDAD DEL AIRE EN LA CIUDAD DE SAN LUIS POTOSÍ.
En las últimas dos décadas la calidad del aire de la ciudad de San Luis Potosí se ha visto deteriorada por las importantes emisiones a la atmósfera producidas por las actividades propias de su creciente industrialización, el aumento del tráfico vehicular, comercios y servicios, todos con mecanismos deficientes para la prevención de la contaminación.
El SO2 de origen industrial es uno de los principales contaminantes atmosféricos presentes en la ciudad de San Luis Potosí. Estudios realizados durante 1987 y 1988 mostraron concentraciones de SO2 que rebasaron el nivel recomendado en esa época por la OMS de 50 µg/m3 en promedio anual, sobretodo en el área de la Zona Industrial al este-sureste de la
Capítulo I. Generalidades de la contaminación atmosférica urbana.
ciudad (Ávila, 2002; Medellín y Hernández, 1988; Luszczewski y Col., 1988; Medellín y Col., 1990).
El análisis de datos de la red de monitoreo de una fundidora al oeste de la ciudad, durante el periodo de febrero a julio de 1996, mostró excedencia de la norma europea de 350 µg/m3 por hora para el SO2 (DOCE, 1999) del 1.38% al 7.63% del tiempo, en siete estaciones de monitoreo (Velázquez, 2003).
La modelación de la dispersión atmosférica de las emisiones de esta fundidora, a partir de datos promedios máximos de emisión, indicaron que existe la posibilidad de rebasar la norma mexicana de calidad del aire para SO2 en cualquier situación atmosférica, en diferentes puntos próximos a la fuente (Ávila, 2002).
I.8.2ESTACIONES DE MONITOREO DE LA CALIDAD DEL AIRE EN LA CIUDAD DE SAN LUIS POTOSÍ.
Una fundidora al oeste de la ciudad cuenta con una red de diez estaciones de monitoreo de SO2, distribuidas en las zonas residenciales a su alrededor, con distancias de entre 1 y 4 km a partir de la fuente (Velázquez, 2003). Esta empresa realizó la instalación de esta red de monitoreo con el fin de medir las concentraciones ambientales de SO2 en las inmediaciones de sus instalaciones, debido a las altas emisiones que tiene de este contaminante durante sus procesos de fundición de cobre y zinc.
El 6 de junio del año 2000 se instaló una estación de monitoreo en la ciudad de San Luis Potosí por parte de Gobierno del Estado a través de la Secretaría de Ecología y Gestión Ambiental (SEGAM). La estación fue ubicada en las oficinas del DIF Municipal, con el objeto de que tuviera seguridad y energía eléctrica disponibles; su ubicación no resultó de estudio alguno para determinar el sitio que permitiera tener la mayor representatividad del estado de la calidad del aire en la ciudad (Ávila, 2008). El funcionamiento de esta estación fue muy irregular a lo largo de sus tres años de operación.
En octubre de 2006 se instaló una nueva estación de monitoreo en el centro oeste de la ciudad, en el edificio de Industriales Potosinos, A.C. (IPAC). Para seleccionar este segundo sitio de monitoreo tampoco se realizó un estudio que indicara la ubicación con mayor necesidad de monitoreo de la calidad del aire. Esta estación, a cargo de la SEGAM, ha funcionado regularmente, midiendo los contaminantes atmosféricos criterio. Los datos medidos, una vez validados por el personal de esta Secretaría, se suben a la página web del Sistema Nacional de Información de la Calidad del Aire (sinaica.ine.gob.mx) con el objeto de que estén disponibles al público.
Dados los costos elevados del equipo de monitoreo atmosférico, de sus consumibles y de su operación; además de los aspectos técnicos que deben satisfacerse, es recomendable utilizar una metodología objetiva para la ubicación de estaciones de monitoreo que incluya el uso de modelos de dispersión atmosférica, de métodos estadísticos y de un procedimiento que permita identificar los sitios que presentan las concentraciones de contaminantes más elevadas de origen industrial, sobre todo donde existe una densidad de población alta, ya que serán estos sitios en donde se presente el mayor riesgo a la salud debido a la contaminación del aire.
Capítulo II. Metodología.
CAPÍTULO II. METODOLOGÍA.
El objetivo general de este trabajo es determinar la ubicación de puntos de monitoreo en la ciudad de San Luis Potosí, tomando como base la contaminación por SO2 de origen industrial y considerando el riesgo a la salud humana. Para lograr este objetivo se utilizará la metodología descrita en esta sección.
En las ciudades mexicanas que cuentan con redes de monitoreo atmosférico, la ubicación de las estaciones de monitoreo ha sido generalmente determinada de manera subjetiva, utilizando como criterio las zonas donde se sospecha existe altas emisiones contaminantes o concentraciones de población importantes. En ocasiones lo que se busca son lugares que cuenten con seguridad para el equipo y disponibilidad de energía eléctrica para su funcionamiento, sin considerar si el sitio elegido es el más representativo del estado de la calidad del aire en la localidad. Esto se observa sobre todo en ciudades que cuentan con pocas estaciones de monitoreo o que van iniciando la instalación de una red de monitoreo atmosférico.
Si se cuenta con pocos recursos económicos y humanos para el monitoreo de la calidad del aire, como es el caso en la mayoría de las ciudades mexicanas, es de mayor importancia aún la elección adecuada de la ubicación de puntos de monitoreo, de manera que sean lo más representativos posible del estado de la calidad del aire, sobre todo para cumplir el objetivo de la protección de la salud humana.
En esta sección se describe una metodología objetiva para la selección de puntos de monitoreo en base al riesgo a la salud, de manera que el primer punto a seleccionarse para la ubicación de una estación de monitoreo sea el que represente el mayor riesgo a la salud de los habitantes de la localidad, en base a las concentraciones de contaminantes y de población. Si el objetivo que se desea es la protección de la salud de los habitantes (el cual debe ser el principal si se cuentan con recursos limitados) no tiene sentido elegir un punto de monitoreo sólo en base a los valores más altos de concentración de contaminantes si alrededor de ese punto existe poca o nula población que pueda ser expuesta a la contaminación.
Si se cuenta con recursos para establecer más de un punto de monitoreo, el segundo punto a seleccionar debe ser el siguiente que represente mayor riesgo a la salud, y así sucesivamente, de manera que los recursos disponibles sean utilizados de la manera más eficiente posible.
Para el cálculo de la fracción inhalada se requiere contar con datos de concentración del contaminante y población en cada una de las celdas en que se divide la zona de estudio.
Para estimar las concentraciones de SO2 en cada celda se llevó a cabo una modelación de su dispersión utilizando el modelo Industrial Source Complex Short Term (ISCST), a partir de un inventario de emisiones del SO2 de origen industrial y datos meteorológicos para el año 2003, que fue utilizado como base para este estudio. El modelo ISCST y la obtención del inventario de emisiones son descritos a detalle en esta sección.
Así mismo, fue necesario hacer una transformación de los datos de población obtenidos del censo del INEGI para el año 2000, para pasarlos de polígonos irregulares a una malla regular, la misma que se utilizó en la modelación de las concentraciones de SO2, con el fin de poder tener la información de concentración de contaminación y el número de habitantes potencialmente expuestos en cada celda de la zona de estudio, y así poder realizar los cálculos de fracción inhalada.
II.1 PROCEDIMIENTO PARA UBICACIÓN DE PUNTOS DE MONITOREO.
Existen diferentes métodos para determinar la ubicación de puntos de monitoreo. Algunos favorecen el establecimiento de puntos de monitoreo en áreas que de manera subjetiva se determinan son de interés por sus características de población y/o uso de terreno, otros en lugares de gran tráfico vehicular, zonas industriales o alrededor de industrias que emiten una gran cantidad de contaminantes atmosféricos (Lebrel y Col., 2000; Kukkonen y Col., 2001; Goswami y Col., 2002; citados por Kanaroglou y Col., 2005; Velázquez, 2003).
Se han propuesto métodos formales para el diseño de redes de monitoreo, cubriendo diferentes objetivos de la medición de la contaminación atmosférica, tales como detectar violaciones a las normas sobre niveles de contaminación ambiental, vigilar los niveles de contaminación de una industria en particular y crear bases de datos de contaminación del aire con fines de investigación o para la gestión de la calidad del aire, entre otros (Trujillo-Ventura y Ellis, 1991; Finzi y Col., 1991; Kanaroglou y Col., 2005; Negri y Sozi, 1988; Noll y Col., 1977; Noll y Mitsutomi, 1983; Mazzeo y Venegas, 2000).
Noll y Mitsutomi (1983) desarrollaron una metodología que jerarquiza los sitios potenciales para monitoreo atmosférico de acuerdo a su habilidad para representar el patrón de “dosificación ambiental” (es decir, el producto de la concentración de un contaminante por el tiempo de exposición) en una red de monitoreo.
Capítulo II. Metodología.
A continuación se describe a detalle este procedimiento para determinar la ubicación de puntos de monitoreo, con un ejemplo para mayor claridad.
I.1.1MODELACIÓN.
Modelar el impacto de la contaminación en cada punto de una malla sobrepuesta en el área de estudio para cada escenario meteorológico. Los resultados de este paso para cada escenario son las concentraciones calculadas Cmt, donde m es el índice para cada punto de
la malla y t el índice para cada escenario meteorológico.
Para el ejemplo ilustrativo se usará la malla de la tabla II.1 y los escenarios meteorológicos mostrados en la tabla II.2.
Tabla II.1. Malla de zona de estudio para ejemplo de ubicación de puntos de monitoreo
21 22 23 24 25
16 17 18 19 20
11 12 13 14 15
6 7 8 9 10
m=1 m=2 m=3 m=4 m=5
Tabla II.2. Escenarios meteorológicos para el ejemplo de ubicación de puntos de monitoreo.
t Viento Vel. Viento Dir. Atmosférica Estabilidad Altura capa de mezcla (m) Veces que se presenta Probabilidad de ocurrencia (Pt)
1 1 90 A 1000 10 0.42
2 1 160 C 500 6 0.25
3 2.4 200 B 700 8 0.33
Suma 24 1
Tabla II.3. Concentraciones de SO2 (µg/m3) para cada uno de los tres escenarios meteorológicos para el
ejemplo de ubicación de puntos de monitoreo.
t=1
300 400 350 300 250 250 700 600 150 100 100 550 300 200 300 50 550 100 500 400 50 100 200 200 350
t=2
500 400 300 450 400 700 600 250 200 150 150 250 200 350 200 100 200 600 500 250 50 100 550 400 300
t=3
150 200 200 300 700 450 600 500 200 450 150 550 450 250 500 150 500 400 200 150 200 500 600 500 200
II.1.2DEFINIR CONGLOMERADOS.
Para cada escenario meteorológico t, el conglomerado Qqt se define como el conjunto q de
puntos contiguos en la malla, para los cuales las concentraciones Cmt exceden un valor límite
determinado C0. Cada punto del conglomerado puede ser considerado un sitio potencial de monitoreo.
La Norma Oficial Mexicana NOM-022-SSA1-1993 indica que la concentración de SO2 como contaminante atmosférico, no debe rebasar el límite máximo normado de 0.13 ppm (341 µg/m3) en 24 horas, una vez al año; y 0.03 ppm (79 µg/m3) en una media aritmética anual, para protección a la salud de la población susceptible (DOF, 1994b).
Capítulo II. Metodología.
Tabla II.4. Conglomerados resultantes de la modelación para cada uno de los escenarios meteorológicos del ejemplo de ubicación de puntos de monitoreo.
t=1
300 400 350 300 250
250 700 600 150 100
100 550 300 200 300
50 550 100 500 400
50 100 200 200 350
t=2
500 400 300 450 400
700 600 250 200 150
150 250 200 350 200
100 200 600 500 250
50 100 550 400 300
t=3
150 200 200 300 700
450 600 500 200 450
150 550 450 250 500
150 500 400 200 150
200 500 600 500 200
II.1.3DOSIFICACIONES DE ÁREA CON SUS PESOS.
Estimar las dosificaciones de área con sus pesos. Para cualquier conglomerado esto se define como la suma de las concentraciones en cada punto para ese conglomerado en particular, multiplicado por pesos proporcionales a la probabilidad de ocurrencia del escenario meteorológico correspondiente, es decir:
∑
∈
=
qt Q m
t mt
qt
C
P
A
(
)(
)
(Ecuación II.1)donde Aqt es la dosificación de área para el conglomerado q del escenario meteorológico t, y
Pt es la probabilidad de ocurrencia del escenario meteorológico t.
Esta dosificación de área es asignada a cada punto m incluido en el conglomerado, de tal manera que Amt = Aqt para cada m Є Qqt. Como cada punto de la malla puede aparecer solamente en un conglomerado en la situación t, Amt = 0 si el punto m no pertenece a ningún conglomerado.
Tabla II.5. Dosificaciones de área asignadas a los puntos de cada conglomerado para cada escenario meteorológico, con operaciones intermedias.
t=1 m
∑
∈Qqtmt
C
Pt Aqtt=1
300 400 350 300 250 0 1313 1313 0 0
250 700 600 150 100 q=1 3150 0.4 1313 0 1313 1313 0 0
100 550 300 200 300 0 1313 0 0 0
50 550 100 500 400 q=2 1250 0.4 521 0 1313 0 521 521
50 100 200 200 350 0 0 0 0 521
t=2 t=2
500 400 300 450 400 q=1 2200 0.3 550 550 550 0 213 213
700 600 250 200 150 550 550 0 0 0
150 250 200 350 200 q=2 850 0.3 213 0 0 0 600 0
100 200 600 500 250 0 0 600 600 0
50 100 550 400 300 q=3 2400 0.3 600 0 0 600 600 0
t=3 t=3
150 200 200 300 700 0 0 0 0 550
450 600 500 200 450 q=1 5050 0.3 1683 1683 1683 1683 0 550
150 550 450 250 500 0 1683 1683 0 550
150 500 400 200 150 q=2 1650 0.3 550 0 1683 1683 0 0
200 500 600 500 200 0 1683 1683 1683 0
II.1.4DOSIFICACIÓN DE LA ESTACIÓN.
Cada sitio potencial de monitoreo puede estar involucrado en más de un conglomerado, por lo que una estación es más efectiva cuando pertenezca a una mayor cantidad de conglomerados. La dosificación de la estación, Sm, se define como la suma de las
dosificaciones de área de todos los conglomerados que contengan la estación para cada uno de los escenarios meteorológicos, es decir:
∑
=
tmt
m
A
S
(Ecuación II.2)donde Sm es la dosificación de la estación para todos los escenarios meteorológicos y Amt es
la dosificación de área en cada punto de la malla para cada uno de los escenarios meteorológicos.
Capítulo II. Metodología.
Tabla II.6. Dosificación de la estación, Sm, para cada punto de la malla en la zona de estudio del ejemplo.
Amt
t=1
0 1313 1313 0 0
0 1313 1313 0 0
0 1313 0 0 0
0 1313 0 521 521
0 0 0 0 521
t=2 Sm
550 550 0 213 213 550 1863 1313 213 763
550 550 0 0 0 2233 3546 2996 0 550
0 0 0 600 0 0 2996 1683 600 550
0 0 600 600 0 0 2996 2283 1121 521
0 0 600 600 0 0 1683 2283 2283 521
t=3
0 0 0 0 550
1683 1683 1683 0 550
0 1683 1683 0 550
0 1683 1683 0 0
0 1683 1683 1683 0
II.1.5DOSIFICACIÓN TOTAL.
Esta es la dosificación acumulada total del contaminante en el área sobre todo el periodo evaluado. Es la suma de todas las dosificaciones de área observadas. Se representa por la siguiente ecuación:
∑∑
=
t q qt
A
A
(Ecuación II.3)donde A es la dosificación total y Aqt son las dosificaciones de área con sus pesos
Tabla II.7. Dosificación total, A, para el ejemplo de ubicación de puntos de monitoreo.
∑
∈Qqt
m mt
C
Pt Aqt
t=1 q=1 3150 0.42 1313
q=2 1250 0.42 521
t=2 q=1 2200 0.25 550
q=2 850 0.25 213 q=3 2400 0.25 600
t=3 q=1 5050 0.33 1683
q=2 1650 0.33 550
A = 5429
II.1.6EFICIENCIA DE LA ESTACIÓN.
La eficiencia de la estación, Em, se define en términos de las dosificaciones recibidas por el
sitio potencial de monitoreo. Esta eficiencia se calcula como la razón de la dosificación de la estación entre la dosificación total. En términos de porcentaje, la eficiencia de la estación se define como:
100
× =
A S
Em m (Ecuación II.3)
Los valores de eficiencia de cada sitio de monitoreo potencial se muestran en la tabla II.8.
Tabla II.8. Eficiencia de la estación, Em, tomando en cuenta las dosificaciones de estación, Sm, y la dosificación
total, A.
Sm A Em (%)
550 1863 1313 213 763 10.1 34.3 24.2 3.9 14.1
2233 3546 2996 0 550 41.1 65.3 55.2 0.0 10.1
0 2996 1683 600 550 5429 0.0 55.2 31.0 11.1 10.1
0 2996 2283 1121 521 0.0 55.2 42.1 20.6 9.6
