Este capítulo presenta una breve descripción del sistema de vigilancia o red de monitoreo de calidad del aire la ciudad de Cartagena, un análisis de las concentraciones reportadas por la red y sugiere lineamientos para la implementación de un sistema inteligente de monitoreo para la ciudad.
El propósito de este capítulo es brindar herramientas para ampliación y operación de los parámetros de calidad del aire, de modo que asegure que la operación del sistema sea consistente, eficiente y genere la información necesaria de los contaminantes monitoreados con el objeto de formular políticas de prevención y control de la contaminación atmosférica jurisdicción EPA-CARTAGENA.
Descripción del Sistema de Vigilancia de Calidad del Aire (SVCA)
El Establecimiento Público Ambiental de la Ciudad de Cartagena, realizó las gestiones para el montaje y operación de un sistema de vigilancia para calidad del aire en su jurisdicción en el año 2013. El SVCA del EPA-Cartagena está compuesto por cuatro estaciones fijas y dos estaciones indicativas, las cuales tienen la cobertura sobre las áreas de contaminación atmosférica significativa de la ciudad de Cartagena.
El SVCA cuenta con tres (3) medidores manuales de bajo volumen para colectar muestras de PM10 y uno (1) para PM2.5, tres (3) analizadores automáticos de ozono, dos (2) equipos automáticos PM10 y dos (2) equipos automáticos para PM2.5 y cinco (5) estaciones meteorológicas.
Localización de las estaciones de monitoreo del SVCA en Cartagena de Indias.
Descripción de las estaciones del SVCA, según los parámetros evaluados y tecnologías implementadas.
*Equipos semiautomáticos
**Equipos automáticos
Todos los equipos automáticos están conectados a un sistema de transferencia de datos llamado datalogger asociado con un software integrado de los datos obtenidos por los equipos automáticos y manuales.
Equipos del Sistema de Vigilancia de Calidad del Aire (SVCA) de la ciudad de Cartagena
Conectividad del SVCA EPA Cartagena
El SVCA cuenta con una herramienta para la transmisión de datos en línea denominado Ambilogger. Ambilogger es un sistema modular y altamente flexible, que permite realizar tareas de adquisición y registro de datos capturados desde fuentes externas, tales como equipos de medición y sistemas PLC o RTU., gracias a que está tecnología implementada sobre una interfaz web se puede realizar la generación y exportación de reportes detallados, el despliegue de gráficos vistosos y el control sobre equipamiento externo se puede realizar de manera intuitiva, ya sea local y/o remotamente, mediante una red de datos TCP/IP. A continuación se realiza una descripción de las características con que cuenta el sistema de administración de datos del sistema:
Descripción del sistema Datalogger.
Sistema de Notificación y Alarmas
AmbiLogger permite establecer umbrales para cada una de las métricas. De este modo, AmbiLogger le avisará vía SMS o correo electrónico del centro de control, cada vez que los datos recolectados alcance valores críticos. Adicionalmente, el administrador podrá programar el envío periódico de reportes detallados con la información que considere relevante.
Control y Calendarización de Eventos
AmbiLogger es capaz de comandar procesos remotamente hacia cualquier equipamiento provisto de redes, electroválvulas o lógica TTL. Característica especialmente útil para programar tareas de auto limpieza y calibración en analizadores, de manera periódica o bajo demanda, con entrega de reporte y datos validados. Todo lo anterior, administrado desde el centro de control.
Especificaciones de hardware
Sus componentes de hardware están basados en arquitectura x86, con stock disponible desde múltiples proveedores, A continuación, se detallan las características de hardware para un sistema AmbiLogger estándar:
Características del hardware para el sistema Ambilogger
Resultados meteorológicos
El Distrito de Cartagena se encuentra localizado dentro de la franja denominada zona de convergencia intertropical ZCIT, que determina las variaciones climáticas de la región tropical debido a los desplazamientos latitudinales. En términos generales se presenta un piso térmico cálido, de planicie aluvial.
Gráfico de precipitación multimensual.
Las precipitaciones de la zona de estudio son debidas principalmente a tres factores que tienen que ver con su posición sobre la costa, con el régimen de vientos alisios y la influencia del Cinturón de Convergencia Intertropical. La precipitación media anual es de 950.8 mm. En general para estas estaciones, el periodo seco en las zonas planas presenta solamente el 67% de las lluvias totales del año y el periodo lluvioso representa un 50%.
La evaporación media anual es de 1868 mm. El máximo se encuentra en el mes de marzo cuando alcanza 179 mm. Luego desciende en junio a 154 mm para una época de transición hasta el mes de agosto. En octubre tiene el valor mínimo de 118 mm. Por la vecindad litoral y los cuerpos de aguas tales como ciénagas y canales la humedad relativa es bastante alta. Presenta un promedio anual del 80% con variaciones mensuales que están ligadas a las épocas de lluvias, 77 % para el mes de febrero que es el más seco y el 82% para el mes de octubre que es el mes de más precipitaciones.
Comportamiento espacio temporal de la concentración de los contaminantes monitoreados por el SVCA
A continuación, se presenta un análisis de las concentraciones de PM10 y PM2.5 para el año 2014 y 2015 reportadas por cada una de las estaciones de monitoreo del SVCA.
Concentraciones de PM10
Concentración de PM10 para el año 2014 y 2015
Se observa que, en general, altas concentraciones durante el mes de enero, febrero, mayo y junio, del 2014 y en los meses de enero, febrero, marzo, julio y agosto del año 2015, esto puede deberse, a las bajas precipitaciones reportadas para esos meses durante el año, este efecto meteorológico puede contribuir a la dispersión de material particulado. Las concentraciones más bajas del año 2014 ocurrieron en los meses pertenecientes al segundo semestre julio, agosto, septiembre, noviembre y diciembre.
En cuanto a los valores promedios diarios máximos alcanzados en cada mes, ninguno supera los Niveles Máximos Permisibles Diarios (NMPD) para PM10 de 100 μg/m³ establecidos por la resolución 610 del 2010.
Concentración promedio aritmética diaria, comparación contra la resolución 610 del 2010. a) año 2014 b) año 2015.
De igual modo, se comparan los valores promedios anuales para los periodos evaluados con los niveles máximos permitidos anuales (NMPA) de 50 μg/m³ establecidos por la resolución 610 del 2010, no obstante, es de resaltar que las concentraciones promedias anuales están muy cercanas a los niveles permitidos por la norma de calidad de aire. Así las cosas, de deben tomar estrategias para realizar un análisis mineralógico y químico de las muestras de material particulado con el objeto de identificar las especies químicas que se están reportando en cada una de las concentraciones y definir las fuentes de contaminación naturales y antropogénicas aportantes de la muestra.
Concentración promedio anual todas las estaciones, comparación contra la norma.
Por medio de la aplicación del software surfer 10.0 se definieron los diagramas de contorno para los parámetros evaluados y analizar la distribución espacial de la concentración de PM10, mediante el método de interpolación de Kriging.
Las concentraciones más bajas del año 2014 ocurrieron en los meses pertenecientes al segundo semestre julio, agosto, septiembre, noviembre y diciembre, ninguna de las estaciones superó los 100 μg/m³ establecidos por la normatividad, sin embargo, en los meses de julio y agosto las concentraciones son superiores al valor medio tomado como referencia de 48.5 μg/m³, sobre las estaciones GT1 y GT2. Para el resto de los meses las concentraciones estuvieron por debajo del valor medio tomado como referencia.
Las concentraciones disminuyen en dirección Norte a Sur para el segundo semestre del año 2014, y mostraron un patrón de dispersión conforme a la dirección del viento en cada uno de los casos. Teniendo en cuenta los resultados registrados en las isopletas, los sectores mayormente influenciados por altas concentraciones de PM10 corresponden a la Bocana y Bocagrande. Mientras que para el primer semestre del año los sectores que se ven influenciados por las altas concentraciones son los Alpes, Olaya y Mamonal.
Distribución espacial de la concentración de PM10 en la ciudad de Cartagena para el año 2014. a) Enero b) Febrero. c) Marzo d) Abril e) Mayo f) Junio g) Julio h) Agosto i) Septiembre j) Octubre k) Noviembre l) Diciembre
Distribución espacial de la concentración de PM10 en la ciudad de Cartagena para el año 2015. a) Enero b) Febrero. c) Marzo d) Abril e) Mayo f) Junio g) Julio h) Agosto i) Septiembre
Concentraciones de PM2.5
Concentración de PM2.5 para el año 2014 y 2015
Se observa que, las concentraciones más altas se están presentando en los meses de febrero, marzo, abril, mayo, julio agosto y septiembre influenciadas principalmente por el sector Mamonal. Mientras que las concentraciones más bajas se están presentando durante el año 2014 sobre el sector Nuevo bosque. Mientras tanto para el año 2015, las mayores concentraciones se están presentado en el mes de abril sobre el sector Bocagrande, aunque para este mes las precipitaciones son máximas, se debe tener en cuenta que este sector está influenciado por el margen costero y en donde se presentan efectos de resuspensión de material y aerosoles biológicos.
En cuanto a los valores promedios anuales, las estaciones GT4 y GT2 superan los Niveles Máximos Permisibles Anuales (NMPA) para PM2.5 de 25 μg/m³ establecidos por la resolución 610 del 2010. Esto se presenta principalmente por las constantes emisiones generadas por el sector industrial y los efectos de resuspensión de material partículas por el margen costero. Lo anterior, podría estar vinculado a la distribución de tamaños de partículas que están presentes en el área de estudio, siendo las partículas finas las de mayor importancia.
Concentración promedio anual todas las estaciones, comparación contra la resolución 610 del 2010
Para el primer semestre del año 2014 las concentraciones diarias más altas se presentaron en la estación Zona franca de la candelaria – GT4 en el mes de junio con valores promedio de 41.83 μg/m³, ninguna de las estaciones excedió los límites para PM2.5 diarios establecidos en la resolución 610 del 2010. Por otro lado, las concentraciones mínimas se registraron en la estación CARDIQUE – GT3 en el mes mayo con valores promedio de 18,35 μg/m³.
Para el segundo semestre las concentraciones diarias más altas se registraron en las estaciones de Zona franca de la candelaria – GT4 en el mes de julio con valores de 37,98 μg/m³, ninguna de las estaciones excedió el límite normativo establecido en la Resolución 610 del 2010 diario para PM2.5. Las mínimas concentraciones se presentaron en las estaciones CARDIQUE – GT3 en el mes de diciembre con valores de 13,06 μg/m³.
Distribución espacial de la concentración de PM2.5 en la ciudad de Cartagena para el año 2014. a) Enero b) Febrero. c) Marzo d) Abril e) Mayo f) Junio g) Julio h) Agosto i) Septiembre j) Octubre k) Noviembre l) Diciembre
Distribución espacial de la concentración de PM2.5 en la ciudad de Cartagena en el año 2015. a) Enero b) Febrero. c) Marzo d) Abril e) Mayo f) Junio
Índice de calidad del aire
A continuación, se muestra el índice de calidad del aire ICA para el distrito para los periodos evaluados, el propósito del índice es facilitar la comprensión del vínculo entre los niveles de contaminación del aire y los efectos en la salud. Con este fin, el índice se divide en cinco categorías, cada una corresponde a un intervalo en el índice y señala el nivel de riesgo para la salud. Para simplificar su interpretación cada intervalo se representa mediante un color.
Criterio del Índice de Calidad del Aire ICA
El cálculo del ICA, se realiza según el modelo desarrollado por la EPA, el cual consta de un algoritmo de cálculo para la obtención de los subíndices correspondientes a diferentes indicadores de la calidad del aire, este algoritmo involucra la utilización de funciones segmentadas basadas en dos puntos (rango). La ecuación será calculada para cada contaminante criterio, reportando el mayor valor del índice que se obtenga.
ICA = Índice de calidad del aire
ILO = Valor del índice en el límite inferior de la categoría del ICA
IHI = Valor del índice en el límite superior de la categoría del ICA
BPLO = Punto de quiebre de la concentración en el límite inferior de la categoría del ICA
BPHI = Punto de quiebre de la concentración en el límite superior de la categoría del ICA
Ci = Concentración del contaminante
Índice de Calidad del Aire mensual para PM10 para el periodo 2014-2015
Índice de Calidad del Aire mensual para PM2.5 para el periodo 2014-2015
Índice de Calidad del Aire mensual para O3 para el periodo 2014-2015
Análisis de componentes principales para material particulado
El comportamiento del material particulado en la atmosfera está sujeto a las variaciones climáticas, ya que factores como la precipitación, la temperatura atmosférica, y la velocidad y dirección del viento afectan el tiempo de residencia en la atmosfera del material particulado y la velocidad del viento obligan la variación en la ubicación de los elementos y especies constituyentes de las partículas.
El análisis de componentes principales (ACP), realizado para identificar la asociación de las variables climáticas y los valores del material particulado medidas en el área de estudio arrojo como resultado que los dos primeros componentes identificados, explican el 51,65% de la variabilidad de los datos asociados a las variables analizadas. Mediante este análisis se identificaron cuatro periodos climáticos: El primero de los periodos se caracteriza por presentar días secos, con bajos valores de temperatura y baja precipitación, además presenta vientos de alta velocidad, mayor brillo solar y alta evaporación; el segundo también considerado como día seco presenta altos valores de temperatura atmosférica; el tercero se diferencia de los anteriores por estar conformado días húmedos, con baja velocidad del viento y bajos valores de humedad relativa, además carecen de lluvias; el cuarto periodo se diferencia de los anteriores por ser días lluviosos o de alta precipitación.
Al analizar el comportamiento del material particulado, los resultados indican que sus mayores valores se presentan durante los días secos, cuando la temperatura alcanza sus mayores valores.
ACP de las variables climáticas y las concentraciones colectadas de material particulado, durante los años 2014 y 2015 del SVCA Cartagena.
Análisis de componentes principales para ozono troposférico
El comportamiento del ozono troposférico en la ciudad de Cartagena está al igual que el material particulado sujeto a la variabilidad climática, ya que factores como la radiación solar, la precipitación, la temperatura atmosférica, y la velocidad y dirección del viento inciden directamente sobre su comportamiento en el área de estudio.
Al analizar las variables en conjunto, usando el ACP, éste mostró que los dos primeros componentes extraídos, explicaban un 53.178% de la variabilidad de los datos; destacándose el primero por contener el 32.585% de esta variabilidad, mientras que el dos explica el 20.593% de las variables que poseen mayor peso en este componente se destaca la Humedad relativa; presentando la presión como la variable de más bajo peso. Sin embargo, al momento de analizar espacialmente los componentes principales, se apreció un patrón de distribución del Ozono con respecto a las variables analizadas, Temperatura, radiación solar, precipitación.
ACP de las variables climáticas y las concentraciones colectadas del ozono troposférico, durante los años 2014 y 2015 del SVCA.
ACP teniendo en cuenta las estaciones de monitoreo, durante los años 2014 y 2015 del SVCA.
ACP de las variables climáticas y concentraciones horarias, durante los años 2014 y 2015 del SVCA.
Lineamientos para la implementación del sistema inteligente de monitoreo de calidad del aire
La ampliación de los parámetros del sistema de vigilancia de calidad del aire de Cartagena requiere de estaciones fijas e indicativas para monitoreo atmosférico de diferentes parámetros y de la evaluación de las fuentes móviles, en este sentido se propone realizar la adquisición de las siguientes tecnologías o equipos para la evaluación de la calidad del aire y equipos para la evaluación de las fuentes móviles.
Dado que la estación indicativa EM-1 ubicada en la estación de policía virgen y turística reporta concentraciones significativas de calidad del aire, esta se debe convertir en una estación fija del SVCA. Así las cosas, y dadas las concentraciones del dominio del SVCA se debe establecer una estación indicativa que opere seis meses en el sector del pie de la Popa y seis meses en el sector del barrio de la Esperanza y San Francisco, para el caso de la zona industrial de Mamonal se recomienda utilizar una estación móvil que evalué (PM10, PM2.5, NOx, SO2, CO y O3) en diferentes puntos del sector industrial de Mamonal.