Núñez-Caraballo, Saura-González, Rodríguez-Rojas, Otero-Martín, Machado-Montes de Oca, Purón-Arbolaez, Martínez-Pérez, Pérez-Borroto, Cuesta-Santos, Herrera-Moya, Morales-Pérez, Pedraza-Gárciga, and Alejo-Sánchez: Evaluación de la calidad del aire para los óxidos de nitrógeno, municipio Santo Domingo, provincia Villa Clara, Cuba
Artículo Originalhttp://opn.to/a/MQif4

Evaluación de la calidad del aire para los óxidos de nitrógeno, municipio Santo Domingo, provincia Villa Clara, Cuba

Evaluation of the quality of the air for the oxides of nitrogen, municipality Santo Domingo, county Villa Clara, Cuba


RESUMEN

El presente trabajo manifiesta la evaluación de la calidad del aire para los Óxidos de Nitrógeno (NOX) a partir de las emisiones del inventario de las45fuentes fijas y el flujo automotriz por la vía principal, en el municipio de Santo Domingo, provincia de Villa Clara, en el año 2017. El objetivo general fue evaluar la calidad del aire para los NOx a partir de las emisiones a la atmósfera producidas por estas fuentes.Se utilizó el método de cálculo basado en el factor de emisión para determinar la tasa de los contaminantes de ambas fuentes y la modelación de la dispersión del contaminante para evaluar la calidad del aire.Losprincipales resultados fueron,el 82% de las fuentes fijas están bien ubicadas y emitieron el 7% del total, el 18% están parcialmente bien ubicadas y expulsaron el 91% ylas fuentes móviles emitieron el 2%.Las áreas con deterioro de la calidad del aire en la ciudad de Santo Domingo fueron las aledañas a la vía principal por donde circuló el transporte automotriz, alcanzando una categoría de Deficiente en 24 horas y Mala en una hora (mayor flujo vehicular). Las emisiones de las fuentes fijas parcialmente bien ubicadas pueden influir en la calidad del aire sobre los asentamientos poblacionales fuera de la ciudad, en zonas cercanas a sus orígenes.


ABSTRACT

The present work manifests the evaluation of the quality of the air for the Oxides of Nitrogen (NOX) starting from the emissions of the inventory of the 45 fixed sources and the self-driven flow for the main road, in the municipality of Sacred Domingo, county of Villa Clara, in the year 2017. The general objective was to evaluate the quality of the air for the NOx starting from the emissions to the atmosphere taken place by these sources. The calculation method was used based on the emission factor to determine the rate of the pollutants of both sources and the modulation of the dispersion of the pollutant to evaluate the quality of the air. The main results were, 82% of the fixed sources is well located and they emitted 7% of the total, 18% is partially well located and they expelled 91% and the mobile sources emitted 2%. The areas with deterioration of the quality of the air in Sacred Domingo's city the around went to the main road for where the self-driven transport circulated, reaching a category of Faulty in 24 hours and Bad in one hour (bigger vehicular flow). The emissions of the fixed sources partially well located they can influence in the quality of the air on the population establishments outside of the city, in near areas to their origins.


INTRODUCCIÓN

Dentro de los problemas ambientales a que están expuestos los ecosistemas y que se han agudizado a partir de la mitad del siglo pasado, está la contaminación atmosférica, principalmente originada por la actividad antropogénica, dado por la quema de combustibles fósiles, el crecimiento del desarrollo industrial y del transporte, que contribuye a la disminución de la capacidad asimiladora y regeneradora de la naturaleza (Martínez, 2004).

Para evaluar la calidad del aire en una ciudad, poblado o región es necesario contar con herramientas de medición y monitoreo partiendo en primer lugar del inventario de emisiones, sistemas de monitoreo atmosférico, índices de calidad del aire, entre otros; que permitan implementar acciones de mejora de la calidad del aire(SEMARNAT, 2013;Núñez et al., 2013, 2014).

Existen varios programas internacionales para elaborar los inventarios de emisiones, abarcando casi todas las fuentes responsables de las emisiones según las zonas de estudios, entre estos se destacan por su calidad y exactitud de los resultados el Industrial Pollution Control (IPC), desarrollado por el Banco Mundial, la guía de técnicas rápidas de la Organización Mundial de la Salud (OMS) del año 1993, las técnicas de la Organización Panamericana de la Salud (OPS) del año 1995, los métodosde la U.S. EPA (1997b, 1999) con bases de datos de factores de emisión de contaminantes atmosféricosAP-42 (U.S. EPA, 1995a), el programa EMEP/CORINAIR, (acrónimo en inglés de European Monitoring and Evaluation Programme), perteneciente a la Agencia Europea de Medio Ambiente.

Los contaminantes emitidos a la atmósfera son transportados y dispersados por el aire, influenciados por complejos factores tales como la cantidad de turbulencia en la atmósfera, la cual puede ser creada por el movimiento horizontal y vertical de la misma, las inversiones térmicas y la topografía compleja. La modelación de la dispersión del contaminante permite calcular la concentración de este a nivel del suelo y a diferentes distancias de la fuente (Cabrera, 2007; Carrillo, 2012).

Los modelos de dispersión es una representación matemática de los procesos de transporte, transformación y remoción de los contaminantes con el objetivo de evaluar la calidad del aire. Los modelos pueden simular situaciones simples como una única fuente industrial puntual, con un solo receptor y condiciones constantes, hasta situaciones complejas de varias fuentes industriales, fuentes móviles con varios receptores y variaciones de las condiciones atmosféricas(Sánchez, 2007; Núñez, 2008; Huertas, 2010).

El Índice de Calidad del Aire (ICA) es un indicador global de la calidad del aire en un momento determinado, en una zona representada por una estación de monitoreo en específico.

Están establecidos los valores límites de cada sustancia, que indica la cantidad máxima aceptable y el valor guía que indica, la cantidad máxima deseable (WHO, 2005). En Cuba se evalúan las concentraciones máximas admisibles por la NC 1020: 2014 y el Índice de Calidad del Aire por la NC 111: 2004.

En Cuba también se han desarrollado estudios de calidad del aire a través de la modelación de la dispersión de los contaminantes, principalmente en la Habana y Villa Clara, pero especialmente teniendo en cuenta las emisiones de las fuentes fijas, entre los que se destacan los trabajos de (Cuesta, 2003, 2014; Núñez et al., 2015).

El estudio del arte de esta temática en el país evidencia que existe un escaso desarrollo en la evaluación de la calidad del aire a partir de los inventarios de emisiones de las fuentes fijas y fuentes móviles(FM), en las zonas cercanas a las vías de flujo elevado de vehículos en las ciudades.

En la provincia de Villa Clara se trabaja desde el año 2010 con el inventario de fuentes fijas a escala municipal y desde el año 2017 con el inventario de fuentes móviles (Núñez et al., 2009, 2010, 2011, 2013, 2014).

De lo anterior se deriva como problema a resolver: la no existencia de la evaluación de la calidad del aire a partir del inventario de emisiones de fuentes fijas y móviles por las vías principales de cada ciudad de la provincia de Villa Clara. Se propone como objetivo general: evaluar la calidad del aire para los NOx a partir de las emisiones a la atmósfera producidas por las fuentes fijas y móviles, en el municipio de Santo Domingo.

MATERIALES Y MÉTODOS
Características generales del municipio de Ranchuelo en la provincia de Villa Clara

La provincia de Villa Clara se encuentra en la región central de Cuba. Limita al norte con el Golfo de México, el estrecho de la Florida y el Canal Viejo de Bahamas. Al sur limita con las provincias de Sancti Spíritus y Cienfuegos. La ciudad de Santo Domingo se localiza al noroeste de la provincia, limita al norte con Corralillo, Quemado de Güines y Sagua la Grande, al este con Cifuentes y Ranchuelo, al sur con Cienfuegos y al oeste con Matanzas,(ver figura 1), su población es de 53007 habitantes y la densidad de 61 hab/km2. La cabecera municipal es atravesada por la carretera central de Cuba, con elevado flujo vehicular.

Este lugar fue seleccionado para desarrollar la investigación por la existencia de 45 fuentes fijas, de ellas, el 18% parcialmente bien ubicadas(FFPBU) y el 82% bien ubicadas (FFBU) según clasificación de las fuentes fijas de acuerdo a los escenarios de dirección del viento y su incidencia en el deterioro de la calidad del aire (Núñez, 2015), además de los resultados parciales obtenidos en el proyecto ¨Evaluación de la calidad del aire a partir de las emisiones de las fuentes móviles y fijas de Villa Clara¨ liderado por el Centro Meteorológico Provincial de Villa Clara.

Contaminantes primarios estudiados

Los contaminantes primarios emitidos a la atmósfera en la zona de estudio fueron el resultado de la actividad antropogénica, en este caso de la quema de combustibles fósiles, principalmente el petróleo y sus derivados y de la quema de biomasa en el central azucarero. Los contaminantes

evaluados fueron los Óxidos de Nitrógeno.

Inventario de emisiones

Los inventarios de emisiones,constituyen un listado de las emisiones de contaminantes por fuentes emisoras o categorías de fuentes, agrupados para un área geográfica establecida y para un intervalo de tiempo específico. En estos, se incluye entre otras las siguientes informaciones para las fuentes fijas (López, 2007; DAMA - INAMCO, 2001; DICTUC S.A., 2007; Cuesta et al., 2014): Localización de las fuentes emisoras, coordenadas geográficas; área geográfica cubierta por el inventario; intervalo de tiempo para el cual son representativas las emisiones del inventario; factores de emisión; resultados de mediciones y los métodos utilizados; datos de producción y otras características de la actividad; características de las fuentes; condiciones de operación para el caso de las fuentes antrópicas; datos de población, empleo, economía etc., vinculados a las emisiones; textos para cada categoría de fuente donde se incluyen, entre otros, los procedimientos utilizados para captar los datos, las fuentes de los datos, referencias para los factores de emisión utilizados, identificación de los métodos utilizados para calcular las emisiones, documentación de todas las asunciones hechas, identificación de las fuentes no incluidas en el inventario, listado de referencias y cualquier observación que contribuya a la transparencia del resultado obtenido.

En Cuba se aplica la Norma Cubana (NC) 1049:2014 “Guía de datos tecnológicos para el inventario de emisiones de los contaminantes atmosféricos desde fuentes industriales estacionarias”, este inventario cumplió con lo establecido en la misma.

Para el inventario de fuentes móviles es imprescindible la recopilación de la información de la flota vehicular del área, poblado, ciudad o zona de estudio. La cantidad de emisiones por distancia recorrida varía notablemente de acuerdo con el tipo de vehículo, tipo de combustible, tipo de tecnología, tamaño del motor y edad del vehículo, actividad por tipo de vehículo, longitud de la red vial, altitud y variables meteorológicas entre otros factores. Por ello, no basta con conocer el número total de vehículos que circulan en la región de interés, sino que es necesario caracterizar a la flota vehicular de tal forma que los vehículos puedan ser agregados en grupos o categorías con características de emisión similares, para posteriormente tratar de cuantificar las emisiones para cada grupo (INEM, 2014).

Método de los Factores de Emisión

El cálculo de las emisiones para fuentes fijas se realizó a través de la ecuación 1,esta se aplica cuando se tienen los datos de cada variable yes apropiado utilizar factores de emisión cuando los materiales que se emplean se consumen o combinan químicamente en los procesos, o cuando se producen bajas pérdidas de material, por liberación a la atmósfera, en comparación con las cantidades que se tratan en proceso (DIGESA, 2005; DICTUC S.A., 2007; Núñez, 2013; Cuesta et al., (2014), a continuación se muestra la ecuación:

Donde:

E

- Tasa de Emisión (t/año)

FE

- Factor de emisión (t/m3)

A

- Tasa de la actividad (consumo de combustibles, producción), en unidades de masa o volumen por tiempo (m3/año)

EC

- eficiencia de control de la emisión (%). EC= 0 si no hay técnicas de control operando en la fuente.

La ecuación general aplicada para la estimación de las emisiones contaminantes de origen vehicular, se presenta a continuación (Aguilar 2007; Toro 2010; INEM 2014).

Donde:

Eij

- Emisiones totales de i contaminante y j categoría vehicular.

FEij

- El factor de emisión de i contaminante y j categoría vehicular (en g/km).

DAj

- Dato de actividad de j categoría vehicular para un vehículo (en km /día o año).

VCj

- El número de vehículos de j categoría.

El conteo de vehículo en esta investigación se realizó en dos puntos representativos de la vía principal con una longitud de 2.7 km, de forma continua, durante seis semanas, de los meses mayo, septiembre y octubre, determinándose posteriormente los valores promedios horarios y diarios de las 5 categorías vehicular (motos, vehículos ligeros, microbuses, ómnibus y vehículos pesados)para los días laborales y fin de semana.

En estetrabajo, los factores de emisión utilizados (ver tablas 1, 2, 3 y 4) provienen de diferentes orígenes, las cuales son para las fuentes fijas: Compilación de factores de emisión de contaminantes atmosféricos (Emission Factor and InventoryGroup) AP-42 (U.S. EPA, 1995a), además de otros estudios realizados por instituciones cubanas como la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas (UCLV) y la base de datos CORINAIR para el caso del transporte automotriz, por ser esta la más compatible con las características de la flota vehicular del territorio para cada categoría vehicular.

ContaminanteFactor de emisión (g/kg)Referencia
Fuel Oíl Ligero MedianoDiesel
NOx5,56 5,564,77AP-42

Fuente: Adaptado de AP-42, (1998)

ContaminanteFactor de emisión (g/kg)Referencia
Diesel
NOx21,0UCLV

Fuente: Adaptado de UCLV: Núñez, (2013)

ContaminanteFactor de emisión Bagazo (g/kg)Referencia
NOX0,544AP-42, EPA

Fuente: Adaptado de AP-42, (1998); Núñez, (2011)

Tipo de víaModeloVehículoCategoría VehículoFactores de emisión vehicular en caliente (g/km de recorrido) NOx
2 (45km/h)Año ≥ 1986Motos0,03
Vehículos ligeros2,22
Microbuses2,34
Ómnibus2,39
Vehículos pesados8,72

Fuente: Adaptado de CORINAIR.

Modelación de la emisión del contaminante

El método aplicado para la modelación de la dispersión de contaminantes es el implementado por la U.S. EPA, a través del software ISCST3 Versión 3.15 ® para Windows® confeccionado por la Lakes Environmental Software ™ de la U.S. EPA, los datos meteorológicos utilizados corresponden a la estación Meteorológica de Santo Domingo, representativos para la zona de estudio.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Las emisiones de los NOx originados por las fuentes fijas y móviles en el municipio de Santo Domingo se evaluó para el año 2017, ver tabla 5, esta muestra que el total de las emisiones fue de 94,58 t/año,donde las FF alcanzaron 92,78 t/año, el 98% del total y las móviles 1,8 t/año, el 2%.

Tipo de fuenteEmisión (t/año)%
NOx
FF92,7898
FM1,82
Total94,58100

Fuente: Elaboración propia.

En la figura 2, se observa quelas fuentes fijas bien ubicadas expulsaron el 7% del total de los NOx, mientras que las fuentes fijas parcialmente bien ubicadas emitieron el 91% restante, dado por la industria azucarera y grupos electrógenos de la generación distribuida, por último las fuentes móviles expulsaron el 2% del total. Las emisiones de las FF no afectan la calidad del aire de la ciudad de Santo Domingo, por estar estas ubicadas fuera del perímetro urbano.

El comportamiento de las emisiones de los NOx proveniente de las fuentes móviles anual, se define en la figura 3, en ella los máximos responsables fueron los vehículos pesados con el 49%, debido principalmente al elevado consumo de combustible respecto a otra categoría vehicular y en segundo lugar, los vehículos ligeros con el 35%, originado por el dominante flujo de estos que circularon por la vía de este estudio.

En la figura 4 se muestra el perfil de la intensidad promedio del flujo vehicular horario por la vía principal, los máximos ocurrieron entre las 8.00 y 9.00 am respectivamente y entre las 4.00 y 5.00 pm. Estos horarios coinciden con las mayores emisiones de NOx en 24 horas.

Esta carga total de gases contaminantes dio lugar a un percápita en el municipio de Santo Domingo de 1, 78 kg/año por habitantes.

Para poder realizar la evaluación de la calidad del aire, al comparar el valor máximocalculado, con la concentración máxima admisible, según NC 1020: 2014, se asumen los valores de los NOx, como NO2.

En la figura 5, los NOx alcanzan valores máximos de 60 µg/m3en 24 horas, alrededor de la carretera central, superando en 1.5 veces la concentración máxima admisible según NC 1020: 2014, para una categoría de calidad del aire de ¨Deficiente¨, según NC 111: 2004.

Los NOx alcanzan valores máximos de 360 µg/m3en una hora, alrededor de la carretera central, figura 6, entre las 8.00 y 9.00 am, horario del mayor flujo vehicular, superando en 2.2 veces la concentración máxima admisible según NC 1020: 2014, para una categoría de calidad del aire de ¨Mala¨, según NC 111: 2004.

CONCLUSIONES

  1. De los NOx se emite 94.58 t/año, el 91% de estees originado por las fuentes fijasparcialmente bien ubicadas, que pueden contribuir al deterioro de la calidad del aire sobre los asentamientos poblacionales cercanos a estas y fuera de la cabecera municipal.

  2. En las zonas cercanas a la vía principal por donde circula el transporte automotriz, la calidad del aire para los NOx llegar a ser Deficiente en 24 horas y Mala en una hora, en este caso el de mayor flujo vehicular, entre las 8.00 y 9.00 am.

  3. Los NOx emitidos por las FM, solamente constituyen el 2% del total, pero son los responsables de las afectaciones en la calidad del aire en la ciudad de Santo Domingo.

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Los autores de este trabajo declaran no presentar conflicto de intereses.

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