<< Volver atrás

Tesis:

Diseño de una red de vigilancia de calidad del aire para la ciudad de Guayaquil basado en una metodología multi-criterio y multi-contaminante

  • Autor: PATIÑO AROCA, Mario

  • Título: Diseño de una red de vigilancia de calidad del aire para la ciudad de Guayaquil basado en una metodología multi-criterio y multi-contaminante

  • Fecha: 2023

  • Materia:

  • Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS INDUSTRIALES

  • Departamentos: INGENIERIA QUIMICA INDUSTRIAL Y DEL MEDIO AMBIENTE

  • Acceso electrónico: https://oa.upm.es/76506/

  • Director/a 1º: BORGE GARCÍA, Rafael

  • Resumen: La minimización del impacto producido por la contaminación atmosférica debe basarse en una adecuada evaluación y gestión de la calidad del aire en los ambientes urbanos, siendo uno de los elementos claves para ello la implementación de una red de vigilancia de la calidad de aire (RVCA). Una adecuada estrategia de vigilancia permite obtener información fiable y representativa de la concentración de los principales contaminantes y permite evaluar el cumplimiento de la legislación, a qué niveles está expuesta la población y cómo estos varían como resultado de planes y medidas de reducción de emisiones y, por lo tanto, supone un instrumento clave para la evaluación y gestión de la calidad del aire urbano. El diseño óptimo de una RVCA debe basarse en una metodología multi- criterio y multi-contaminante para garantizar que la red proporciona información representativa para minimizar el impacto de la contaminación atmosférica. Así pues, la ausencia de una infraestructura de este tipo en la ciudad de Guayaquil (Ecuador) es una limitación de primer orden para avanzar en la gestión de la calidad del aire en dicha localidad. En base en ello y considerando los requisitos, ventajas y limitaciones de las distintas aproximaciones metodológicas descritas en este estudio se ha desarrollado y aplicado una metodología multicriterio y multi-contaminante para diseñar una RVCA para la ciudad de Guayaquil, objetivo central de esta Tesis Doctoral. La propuesta de red se basa en la combinación de un conjunto de criterios a través de las técnicas analíticas de un sistema de información geográfica (SIG) para realizar un análisis de idoneidad. En este análisis, los criterios seleccionados para asignar ubicaciones óptimas son representadas en capas ráster, las que se clasifican en una escala común y se ponderan en función de sus prioridades. Las capas ponderadas clasificadas se superponen espacialmente para calcular la suma de las puntuaciones ponderadas y producir un mapa de idoneidad final. Las ubicaciones potenciales para el área de estudio son las que tienen las sumas más altas de puntuaciones ponderadas. La ventaja básica de usar un SIG es que organiza los datos geográficos de tal manera que el proceso de toma de decisiones se vuelve sistemático. Además, crea los resultados que se pueden visualizar en mapas interactivos que simplificarán aún más el proceso de toma de decisiones. La metodología multicriterio y multi-contaminante utilizada en esta Tesis se puede resumir en tres etapas: la primera consiste en implementar y aplicar un sistema de modelización de la calidad del aire utilizando técnicas matemáticas predictivas, específicamente modelos determinísticos utilizados en la práctica internacional. Este sistema es necesario para generar las capas de criterios ambientales relacionados con los niveles de concentración de los principales contaminantes. En concreto, la investigación realizada en esta Tesis se basa en el modelo de dispersión Puff-Gaussiano denominado CALPUFF. No obstante, dada la ausencia de datos de entrada para soportar la aplicación del modelo, ha sido necesario generar la información necesaria relativa a la meteorología y emisiones en la ciudad. Para dar respuesta al primer requisito, se ha implementado y ejecutado el modelo de pronóstico meteorológico de última generación como el WRF (Weather Research and Forecasting), cuyas salidas se han procesado por el modelo no estacionario CALMET, que es el responsable de generar datos tridimensionales compatibles con CALPUFF. El modelo ha sido evaluado contra las observaciones de las variables meteorológicas básicas (viento y temperatura) disponible en el aeropuerto internacional José Joaquín de Olmedo con resultados satisfactorios. En lo que respecta a las emisiones, y dada la ausencia de un inventario local actualizado, se llevó a cabo un inventario de los principales contaminantes (SO2, NOX, CO, PM10 y PM2.5) para los cinco sectores más importantes: centrales térmicas, las industrias de manufactura, los puertos, el aeropuerto y el transporte en carretera. Para este último, se aplicó el modelo IVE (International Vehicle Emissions), lo que implicó levantar información sobre la composición y antigüedad del parque circulante, intensidad de tráfico y otras variables relevantes. Además de servir de entrada esencial para el sistema de simulación, la compilación del inventario permitió identificar las principales fuentes en la ciudad. Mientras que la mayor parte del SO2 (71 %) procede de la generación de energía en centrales termoeléctricas, el tráfico rodado es principal emisor para el resto de compuestos, incluyendo los NOX (87 %) y el PM2.5 (94 %). Con estos inputs, se ejecutó el modelo CALPUFF para el año 2018 completo, lo que permitió el cálculo de las concentraciones medias anuales, así como máximas diarias y horarias y un análisis de contribución de fuentes, que respaldó la enorme relevancia del tráfico rodado, no sólo en términos de emisiones, sino también en lo que respecta a la calidad del aire. Dada la ausencia de observaciones y a diferencia de la simulación meteorológica, no ha sido posible realizar una evaluación del modelo de calidad del aire para valorar el desempeño de este sistema y la fiabilidad de los resultados obtenidos. Para paliar parcialmente esta limitación, en la tesis se llevaron a cabo dos campañas experimentales de corta duración para aportar información sobre los niveles de concentración en el aire ambiente de los principales contaminantes. La ubicación de los puntos de muestreo y las diferencias en los periodos simulados y medidos impiden la comparación directa de los datos de las campañas con las concentraciones predichas por el modelo. No obstante, permiten inferir que el modelo infraestima notablemente, especialmente para PM, contaminante, a priori, más afectado por las fuentes no incluidas en el inventario y con una contribución notable de partículas de origen secundario. Las campañas sí han permitido identificar que existen considerables gradientes espaciales y, en menor medida, también estacionales en la ciudad. Gracias a la comparación con mediciones previas en las mismas ubicaciones se puede concluir que los niveles de concentración de partículas (PM2,5 y PM10) y SO2 se han reducido considerablemente en la última década, mientras que el NO2 ha aumentado, presumiblemente por el intenso crecimiento de las emisiones del tráfico rodado. La simulación con CALPUFF permitió determinar y analizar a través de mapas de concentración en superficie, los gradientes espaciales y excedencias del conjunto de todas las fuentes para cada uno de los principales contaminantes: SO2, NO2, CO, PM10 y PM2.5, conformando esta información el criterio ambiental (concentraciones relevantes para efectos en salud crónicos y agudos y excedencias de los límites legalmente establecidos en Ecuador) en el análisis de idoneidad. A esto se suman los criterios de tipo social propuestos en este trabajo: población expuesta y justicia ambiental. Esto constituye la segunda etapa, que culmina con la determinación las zonas potenciales de vigilancia de calidad del aire para la definición final de la red. El análisis concluyó que las zonas con mayor aptitud (las 3 categorías más altas en una escala de 10) cubren aproximadamente un 5 % de la superficie total del dominio de simulación. Finalmente, en una tercera etapa y a partir de las zonas prioritarias determinadas en la segunda, se tomó en cuenta la fuente dominante de acuerdo con el análisis de contribución de fuentes, para incluir una distribución equilibrada de estaciones de tráfico, industrial y de fondo urbano ya que la información que proporcionan es complementaria. Considerando, además, que la normativa ecuatoriana sobre calidad del aire no contempla criterios para definir el número mínimo de estaciones a instalar en un área urbana como la de Guayaquil, en función del número de habitantes, se utilizó la normativa europea (Directiva 2008/50/EC) como referencia. Como resultado final de la Tesis, se propone un diseño que consta de 12 estaciones de vigilancia: 4 estaciones de tráfico, 3 estaciones industriales, 4 de fondo urbano, 1 de fondo suburbano, que pueda ayudar a valorar la evolución de la calidad del aire en la ciudad, el impacto de posibles medidas de reducción de emisiones y, en última instancia, la protección de la salud de los habitantes de la ciudad. Además de incluir esta propuesta, en la Tesis se discuten las principales limitaciones del trabajo realizado y se plantean líneas de investigación futuras para mejorar los resultados obtenidos y seguir avanzando en el apoyo científico para la gestión de la calidad del aire de Guayaquil. ABSTRACT The minimization of the impact produced by air pollution in urban environments should be based on an adequate air quality management system. One of the main elements to that end is the implementation of an air quality monitoring network (AQMN). A suitable monitoring strategy would yield reliable and representative information on the concentration of the main pollutants, allowing the assessment of the compliance with local legislation as well as the ambient pollution levels the population is exposed to. Moreover, it would be able to inform on the outcome of emission abatement plans and measures. Therefore, a well design AQMN it is a key instrument for the evaluation and management of urban air quality. The optimal design of an AQMN should be based on a multi-criteria and multi-pollutant methodology to ensure that the network provides representative information to minimize the impact of air pollution. Thus, the absence of this kind of infrastructure in the city of Guayaquil (Ecuador) is a major limitation to advance in the air quality in that urban area, the second largest in the country. Based on this and considering the requirements, advantages and limitations of the different methodological approaches described in this study, a multi-criteria and multi-pollutant methodology has been developed and applied to fulfil the main objective of this PhD Thesis which is the design an AQMN specifically for the city of Guayaquil. The network proposal is based on the combination of a set of criteria by means of the analytical techniques provided by a geographic information system (GIS). In this analysis, the criteria selected to assign optimal locations are represented in raster layers, which are ranked on a common scale and weighted according to predefined priorities. The weighted scores for each criterium are spatially overlapped to calculate the sum of the weighted scores and produce a final suitability map. Potential locations for the study area are those with the highest sums of weighted scores. The main advantage of using a GIS is that it organizes geographic data in such a way that the design process becomes systematic. In addition, it creates results that can be visualized on interactive maps which will further simplify the decision-making process. The multi-criteria and multi-pollutant methodology used in this PhD Thesis encompasses three stages: the first consists of implementing and applying an air quality modeling system using predictive mathematical techniques, specifically state-of-the-science deterministic models used for research and regulatory applications. This modeling system is used to generate the layers of environmental criteria related to the concentration levels of the main pollutants. Specifically, the research carried out in this PhD Thesis is based on the Puff-Gaussian dispersion model called CALPUFF. However, due to the lack of input data to support the application of the model, it was necessary to generate the required information regarding meteorology and emissions in the city. To fulfil the first requirement, the latest generation meteorological model (WRF, Weather Research and Forecasting) has been implemented and run. The outputs from this Eulerian, area-limited, 3D model have been used to feed the non-stationary CALMET model, which is responsible for generating three-dimensional meteorological fields compatible with the CALPUFF dispersion model. The WRF/CALMET suite has been evaluated against observations of basic meteorological variables (wind and temperature) available at the José Joaquín de Olmedo International Airport in Guayaquil with satisfactory results. Regarding emissions, and given the absence of an updated local inventory, an a city-scale emission estimate of the main pollutants (SO2, NOX, CO, PM10 and PM2.5) was carried out for the five most important sectors: thermal power plants, manufacturing industries, ports, the airport and road transportation. For the latter, the IVE (International Vehicle Emissions) model was applied, which required collecting information on the composition and age of the circulating fleet, traffic intensity and other relevant variables. In addition to serving as an essential input for the simulation system, the compilation of the inventory made it possible to identify the main emission sources in the city. While most of the SO2 (71%) comes from power generation in thermoelectric plants, road traffic is the main emitter for the rest of compounds, with emission shares as high as 87% and 94% for NOX and PM2.5 , respectively. With these inputs, the CALPUFF model was run for the entire year 2018, which provided an estimate of the average annual concentrations all over the city for the first time. The simulation provided information on daily and hourly maximums and was used to support a source contribution analysis, which confirmed the relevance of road traffic, not only in terms of emissions but also in terms of air quality. Unlike the meteorological simulation, it has not been possible to assess the performance of the air quality modelsince no air quality observations are available in the city, preventing from assessing the reliability of the results obtained. To partially alleviate this limitation, two short experimental campaigns were carried out to provide information on the concentration levels of the main pollutants covered in this research. The location of the sampling points and the differences in the simulated and monitoring periods prevent a direct comparison of the campaign data with the concentrations predicted by the model. However, experimental observations allow infering that the model significantly underestimates pollution levels, especially for PM, a pollutant, more affected, in principle, by sources not included in the inventory and with a notable contribution from particles of secondary origin. The campaigns have made it possible to identify that there are considerable spatial and, to a lesser extent, seasonal gradients in the city. Thanks to the comparison with previous measurements in the same locations, it can be concluded that the concentration levels of particles (PM2.5 and PM10) and SO2 have been reduced considerably in the last decade, while NO2 has increased, presumably due to the intense growth of road traffic emissions. The simulation with CALPUFF made it possible to analyze the spatial gradients and exceedances of SO2, NO2, CO, PM10 and PM2.5, through ground-level concentration maps. This information is key to produce scores for the environmental criteria (relevant averaging periods related to chronic and acute health effects and exceedances of the Ecuadorian air quality standards in the suitability analysis. In addition, exposed population and environmental justice are included as social criteria in this research. This constitutes the second stage, which concludes with the identification of optimal areas for air quality surveillance. The analysis pointed out that the areas with the most suitable areas (those ranked in the highest 3 categories on a scale of 10) cover approximately 5% of the total area of the simulation domain. Finally, in the third stage and based on the priority areas determined in the previous one, the dominant source according to the source contribution analysis was used to include a balanced distribution of traffic, industrial and urban background stations since the information they provide is complementary and all of them are needed for a comprehensive air quality monitoring strategy. Considering that Ecuadorian regulations on air quality do not contemplate criteria to define the minimum number of stations required in an urban area such as Guayaquil, the European criteria based on based on the number of inhabitants in the city (Directive 2008/50 /EC) were used as a reference. As a final result of the PhD Thesis, an AQMN consisting of 12 monitoring stations: 4 traffic stations, 3 industrial stations, 4 urban background, and 1 suburban background was proposed. This network could support the assessment of air quality trends in the city as well as the impact of possible emission reduction measures and, ultimately, help protecting the health of the city's inhabitants. In addition to the AQMN design, this PhD Thesis discusses the main limitations of the work carried out and identifies future research areas to improve the results obtained and provide further scientific support to air quality management in Guayaquil.