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EVALUACIÓN DE LAS CONCENTRACIONES ATMOSFÉRICAS DE PM10 Y PM2.5 EN EL CASCO URBANO DEL MUNICIPIO DE VIJES - VALLE DEL

CAUCA

LILIBETH ESCOBAR JIMÉNEZ 2140575

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE OCCIDENTE FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE ENERGÉTICA Y MECÁNICA PROGRAMA INGENIERÍA AMBIENTAL

SANTIAGO DE CALI 2020

EVALUACIÓN DE LAS CONCENTRACIONES ATMOSFÉRICAS DE PM10 Y PM2.5 EN EL CASCO URBANO DEL MUNICIPIO DE VIJES - VALLE DEL

CAUCA

LILIBETH ESCOBAR JIMÉNEZ

Proyecto de grado para optar al título de Ingeniero Ambiental

Director JOSE JOAQUIN VIVAS MORENO DOCTOR EN CIENCIAS – FÍSICA

COORDINADOR DEL GRUPO DE INVESTIGACIÓN EN MODELACIÓN Y SIMULACIÓN “GIMS”

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE OCCIDENTE FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE ENERGÉTICA Y MECÁNICA PROGRAMA INGENIERÍA AMBIENTAL

SANTIAGO DE CALI 2020

3

Nota de aceptación:

Aprobado por el Comité de Grado en cumplimiento de los requisitos exigidos por la Universidad Autónoma de Occidente para optar al título de Ingeniero Ambiental

Leonardo Aponte

Jurado

Ana Paola Lasso

Jurado

Santiago de Cali, 30 de Enero de 2020

4

AGRADECIMIENTOS

Quiero agradecer este primer logro, primero a Dios, por brindarme el conocimiento necesario, las fuerzas suficientes para dar lo mejor que tenía, presentados en este trabajo y no desistir en los momentos difíciles.

A mis padres, Amparo Jiménez y Julio Escobar, por ser los pilares fundamentales durante toda mi carrera, por darme la oportunidad de poder estudiar una carrera profesional, por su cariño e inmenso apoyo en los momentos de mayor necesidad.

A José Joaquín Vivas, director de proyecto de grado, por su incondicional compromiso con este trabajo, enseñanzas, orientación y guía durante la realización de este trabajo.

A Miguel Ángel Saavedra, por su apoyo en esta investigación y consejos brindados durante el desarrollo de este proyecto.

A la Ingeniera Gisela Arizabaleta y al equipo de calidad del aire de la Autoridad ambiental (DAGMA) por haber permitido la instalación de los sensores ópticos Shinyei en sus Sistemas de Vigilancia de Calidad del Aire, al igual que a German Restrepo de la Corporación Autónoma Regional del Valle del Cauca (CVC) por sus recomendaciones y asesorías, al docente Lars Gidhagen del Instituto de meteorología de Suecia (SMHI) por su apoyo en la discusión de resultados, y por último, a la Universidad Autónoma de Occidente por la financiación y apoyo al presente proyecto.

5

CONTENIDO pág.

GLOSARIO 14

RESUMEN 17

ABSTRACT 18

INTRODUCCIÓN 19

1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 21

2. JUSTIFICACIÓN 23

3. OBJETIVOS 25

3.1 OBJETIVO GENERAL 25

3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS 25

4. ANTECEDENTES 26

5. MARCO DE REFERENCIA 28

5.1 MARCO TEÓRICO 28

5.1.1 Material particulado (MP) 28

5.1.2 Sistemas de Vigilancia de Calidad del Aire (SVCA) 30

5.1.3 Parámetros meterológicos 31

5.1.4 Dinámica del viento 34

5.1.5 Meteorología y su relación con las concentraciones atmosféricas contaminantes 38

5.1.6 Conceptos estadísticos 39

6

5.2 MARCO LEGAL 40

5.2.1 Estándares de calidad por material particulado de acuerdo a la EPA 40

5.2.2 Normativa colombiana de calidad del aire 41

6. METODOLOGÍA 43

6.1 FASE 1. INTERCALIBRACIÓN DE LOS SENSORES ÓPTICOS SHINYEI CONTRA LOS EQUIPOS DE MEDICIÓN DEL DAGMA 43

6.2 FASE 2. MONITOREO POR MATERIAL PARTICULADO (SENSORES ÓPTICOS SHINYEI) 46

6.3 FASE 3. ESTUDIO METEOROLÓGICO DEL MUNICIPIO DE VIJES 49

6.4 FASE 4. PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN Y CORRELACIÓN CON LAS FUENTES EMISORAS CERCANAS A LOS PUNTOS DE MONITOREO 50

6.5 DISEÑO METODOLÓGICO 51

7. RESULTADOS Y ANÁLISIS 52

7.1 INTERCALIBRACIÓN DE SENSORES ÓPTICOS SHINYEI 52

7.1.1 Análisis de datos de intercalibración 52

7.2 MONITOREO DE PM10 Y PM2.5 EN EL CASCO URBANO DEL MUNICIPIO DE VIJES 59

7.3 CONDICIONES METEROLÓGICAS 70

7.4 ANÁLISIS DE LA DISTRIBUCIÓN DE LOS VIENTOS 76

7.5 POSIBLE RELACIÓN DE LAS FUENTES DE CONTAMINACIÓN EXISTENTES EN EL MUNICIPIO DE VIJES CON LAS CONCENTRACIONES DE MATERIAL PARTICULADO PM10 Y PM2.5 87

8. CONCLUSIONES 92

9. RECOMENDACIONES 95

7

REFERENCIAS 96

ANEXOS 103

8

LISTA DE FIGURAS pág.

Figura 1. Distribución típica de las partículas en la atmósfera. 29

Figura 2.Distribución del número de partículas en función del diámetro. 29

Figura 3. Formación del viento. 33

Figura 4.Vientos tierra-mar. 35

Figura 5.Vientos valle-ladera. 36

Figura 6.Vientos de planicie. 37

Figura 7. Vientos urbanos. 37

Figura 8. Instalación de los sensores Shinyei en la estación de calidad del aire Univalle. 45

Figura 9. Instalación de los sensores Shinyei en la estación de tránsito municipal, La Ermita. 45

Figura 10. Google (s.f) [Adaptada de Google Maps de la localización de los 4 puntos de monitoreo ubicados en el municipio de Vijes - Valle del Cauca] 47

Figura 11. Diseño metodológico. 51

Figura 12. Correlación entre Sensor Shinyei (3) y (4) vs Sensor BAM-1020 del DAGMA para PM2.5 (a.) y (b.) respectivamente, instalados en Univalle, entre 18 de marzo al 19 de abril del 2019. 53

Figura 13. Ajuste lineal del Sensor TEOM del DAGMA vs Sensor Shinyei (1) (a.), correlación DAGMA vs Sensor Shinyei PM10 (b.) y tendencia de los sensores mencionados (c.) para PM10, instalados en la Ermita, entre 21 de febrero al 23 de abril del 2019. 55

Figura 14. Ajuste lineal del Sensor TEOM del DAGMA vs Sensor Shinyei (2) (a.), correlación DAGMA vs Sensor Shinyei PM10 (b.) y tendencia de los sensores mencionados (c.) para PM10, instalados en la Ermita, entre 21 de febrero al 23 de abril del 2019. 56

Figura 15. Ajuste lineal del Sensor TEOM del DAGMA vs Sensor Shinyei (3) (a.), correlación DAGMA vs Sensor Shinyei PM10 (b.) y

9

tendencia de los sensores mencionados (c.) para PM10, instalados en la Ermita, entre 24 de abril al 01 de mayo del 2019. 57

Figura 16. Ajuste lineal del Sensor TEOM del DAGMA vs Sensor Shinyei (4) (a.), correlación DAGMA vs Sensor Shinyei PM10 (b.) y tendencia de los sensores mencionados (c.) para PM10, instalados en la Ermita, entre 24 de abril al 01 de mayo del 2019. 58

Figura 17. Datos promedio diario de PM10, registrado entre mayo, junio, julio y agosto del 2019, municipio de Vijes en el punto de monitoreo 1. 62




Figura 21. Datos promedio diario de PM2.5, registrado entre mayo, junio, julio y agosto del 2019, municipio de Vijes en el punto de monitoreo 1. 64




Figura 25. Concentración de material particulado PM2.5 registrado del 15 de agosto al 18 de agosto del 2019, en las estaciones de monitoreo Base Aérea, Compartir y Univalle de la ciudad Santiago de Cali. 67

10

Figura 26. Datos promedio horario de PM10, registrado entre mayo, junio y julio del 2019 en el municipio de Vijes en los cuatro puntos de monitoreo. 68

Figura 27. Datos promedio horario de PM10, registrado entre mayo, junio y julio del 2019 en el municipio de Vijes en los cuatro puntos de monitoreo. 68

Figura 28. Promedio horario de Intensidad de radiación solar (W/m2) registrado en el periodo diciembre (2018) y mayo (2019) a agosto (2019), en el municipio de Vijes – Valle del Cauca. 73

Figura 29. Promedio horario de Temperatura (°C) registrado en el periodo diciembre (2018) y mayo (2019) a agosto (2019), en el municipio de Vijes – Valle del Cauca. 74

Figura 30. Promedio horario de Velocidad del viento (m/s) registrado en el periodo diciembre (2018) y mayo (2019) a junio (2019), en el municipio de Vijes – Valle del Cauca. 74

Figura 31. Promedio horario de Precipitación (mm de H2O) registrado en el periodo diciembre (2018) y mayo (2019) a junio (2019), en el municipio de Vijes – Valle del Cauca. 75

Figura 32.Rosa de los vientos del municipio de Vijes. Promedio mensual, registrado en el mes de diciembre del 2018. 77

Figura 33.Rosa de los vientos del municipio de Vijes. Promedio mensual, registrado en el mes de mayo del 2019. 77

Figura 34. Rosa de los vientos del municipio de Vijes. Promedio mensual, registrado en el mes de junio del 2019. 78

Figura 35.Rosa de los vientos de la estación meteorológica Yotoco. Promedio mensual, registrado en el mes de julio del 2019. 78

Figura 36.Rosa de los vientos de la estación meteorológica Yotoco. Promedio mensual, registrado en el mes de agosto del 2019. 79

Figura 37. Rosa de los vientos del municipio de Vijes. Promedio respecto a cada jornada del día, registrado en el mes de diciembre del 2018. 80


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Figura 40.Rosa de los vientos del municipio de Vijes. Promedio respecto a cada jornada del día, registrado en el mes de mayo del 2019. 82

Figura 41.Rosa de los vientos del municipio de Vijes. Promedio respecto a cada jornada del día, registrado en el mes de mayo del 2019. 83

Figura 42. Rosa de los vientos del municipio de Vijes. Promedio respecto a cada jornada del día, registrado en el mes de mayo del 2019. 83

Figura 43.Rosa de los vientos del municipio de Vijes. Promedio respecto a cada jornada del día, registrado en el mes de junio del 2019. 84

Figura 44.Rosa de los vientos del municipio de Vijes. Promedio respecto a cada jornada del día, registrado en el mes de junio del 2019. 85

Figura 45. Rosa de los vientos del municipio de Vijes. Promedio respecto a cada jornada del día, registrado en el mes de junio del 2019. 85

Figura 46.Distribución de los vientos con incidencia de la intensidad de la radiación solar (08 – 20) en el casco urbano del municipio de Vijes. 86

Figura 47. Distribución de los vientos en ausencia de la radiación solar (20 – 08) en el casco urbano del municipio de Vijes. 87

Figura 48. Posible incidencia de fuentes emisoras cercanas a los puntos de monitoreo con respeto a la rosa de los vientos con radiación solar presente (08:00 a 20:00). 90

Figura 49. Posible incidencia de fuentes emisoras cercanas a los puntos de monitoreo con respeto a la rosa de los vientos en ausencia de radiación solar (20:00 a 08:00). 91

12

LISTA DE TABLAS pág.

Tabla 1. Línea base ambiental (2001) para los contaminantes prioritarios, µg/m3. 26

Tabla 2. Estándares de calidad del aire para MP según la EPA. 41

Tabla 3. Niveles Máximos Permisibles para Contaminantes Criterio. 42

Tabla 4. Características y ubicación de los sitios de muestreo. 49

Tabla 5. Ecuaciones de regresión lineal para cada sensor óptico Shinyei PM10. 54

Tabla 6. Concentración promedio monitoreado en los meses mayo a agosto (2018), desviación estándar, máximos, mínimos y percentil 75 de PM10 y PM2.5. 60

Tabla 7. Cálculo del Índice de Calidad del Aire (ICA) para los puntos de monitoreo de material particulado PM10 y PM2.5. 70

Tabla 8. Descripción de los parámetros meteorológicos registrados en el periodo diciembre 2018, mayo, junio, julio y agosto del 2019. 71

Tabla 9. Velocidad del viento registrados en el periodo julio & agosto del año 2019 por Cenicaña, Estación Yotoco. 72

13

LISTA DE ANEXOS pág.

Anexo A. Funcionamiento del sensor óptico Shinyei. 103

Anexo B. Escala de Beaufort. 105

Anexo C. Fotografías de la ubicación de cada punto de monitoreo en el municipio de Vijes-Valle del Cauca. 106

Anexo D. Fotografías de equipos de medición. 107

Anexo E. Descripción general del Índice de Calidad del Aire (ICA) 108

Anexo F. Puntos de corte del Índice de Calidad del Aire (ICA) 109

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GLOSARIO

ADIABÁTICO: se define como proceso adiabático a aquel proceso en el que no existe un intercambio de calor con su entorno, y es obtenido cuando las masas de aire se comprimen o se expanden como resultado de los cambios de presión.

ADVECCIÓN: describe el transporte horizontal de una masa de aire producido por el campo de velocidades de la atmósfera, y con esta sus propiedades como temperatura, presión y humedad.

ALBEDO: es el porcentaje de radiación incidente sobre una superficie que es reflejada hacia el exterior.

CAPA DE MEZCLA: se define como la zona más baja de la atmósfera terrestre, en la cual, los movimientos están influenciados por la proximidad de la superficie terrestre y en consecuencia provoca la dispersión y mezcla de los contaminantes presentes. La altura de la capa de mezcla depende de la rugosidad de la velocidad geostrófica del viento.

CONVECCIÓN: transferencia de calor a consecuencia del desplazamiento vertical del propio aire calentado. Se define como un proceso importante en la atmósfera para transportar el calor desde capas de mayor temperatura hacia las de menor temperatura.

DISPERSIÓN: fenómeno que determina la dinámica de la concentración resultante y el área de impacto, en el cual los contaminantes se van a dispersar y diluir según las condiciones meteorológicas y geográficas del lugar donde fueron liberados o provocados.

DIRRECIÓN DEL VIENTO: se define como la orientación desde la cual procede el viento y puede ser expresada en grados a partir del norte geográfico, al cual, se le asigna el valor de 0º o 360º, al Este 90º, al Sur 180º y al Oeste 270º.

EMISIÓN: descarga directa o indirecta de una sustancia o elemento a la atmósfera, ya sea en estado sólido, liquido o gaseoso, provenientes de fuentes naturales o fuentes antropogénicas.

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ESTACIÓN DE MONITOREO: conjunto de unidades técnicas diseñados para medir la concentración de contaminantes en el aire en forma continua, con el propósito de evaluar la calidad del aire en un área determinada.

ESTABILIDAD ATMOSFÉRICA: condición meteorológica directamente influida por la diferencia de temperatura entre una porción de aire y el aire circundante que puede causar el movimiento vertical (la elevación o caída) de la porción. Se dice que la atmósfera se halla en condiciones estables cuando hay una gran resistencia a que en ella se desarrollen movimientos verticales.

FUENTE DE ÁREA: fuentes de emisiones demasiado numerosas y dispersas que en lo individual resulta una baja emisión de contaminante, pero en conjunto su emisión representa un porcentaje realmente significativo de contaminación.

FUENTES MÓVILES: se refiere a cualquier vehículo automotor o dispositivo emisor de contaminantes a la atmósfera, agua y suelo que no posee un lugar fijo tales como automóviles, barcos, aviones, entre otros, responsables de las emisiones de CO, de compuestos orgánicos volátiles, MP, SO2, y NOx, producidos durante su proceso de combustión.

FUENTE FIJA: se define como aquel punto fijo e inmovible de emisión de contaminantes en grandes cantidades, generalmente de origen industrial.

GRADIENTE DE TEMPERATURA: magnitud física que relaciona la variación de la temperatura por unidad de distancia. La unidad de medida acorde al sistema Internacional es Kelvin/metro.

INMISIÓN: se refiere a la transferencia de contaminantes del aire hacia un receptor. La suma de las inmisiones en un intervalo de tiempo da la dosis de inmisión, o sea la cantidad total de contaminantes del aire admitido, aspirado, absorbido o ingerido por parte del receptor que puede ocasionar efectos sobre los ecosistemas, personas o materiales.

INESTABILIDAD ATMOSFÉRICA: se dice que la atmósfera se halla inestable cuando el gradiente adiabático seco es menor que el gradiente vertical de temperatura. Esto quiere decir que las masas de aire de las capas inferiores son más cálidas, y, por eso, menos densas que las masas de las altas, por lo que se ven forzadas a subir continuamente, ya que se enfrían menos que el ambiente que van encontrando a cada nivel.

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INVERSIÓN TÉRMICA: es un proceso natural que afecta la circulación de aire en las capas inferiores de la atmósfera, formando una capa de aire frio que queda inmóvil sobre el suelo y que impide cualquier tipo de intercambio vertical de aire, quedando atrapados los contaminantes suspendidos.

ROSA DE VIENTOS: es una representación gráfica de 16 puntos cardinales: norte, sur, este y oeste; puntos colaterales: noreste, noroeste, sudeste y sudoeste; y, los subcolaterales que se encuentran equidistantes de los señalados.

VORTICIDAD: magnitud física empleada para cuantificar la rotación de un fluido. En el lenguaje usado en torno a la atmósfera, se presenta cuando las partículas del aire son arrastradas por el viento y a lo largo de su trayectoria no solo presenta un movimiento de traslación, sino que además un movimiento de giro sobre si mismas (vorticidad).

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RESUMEN

En el presente estudio se muestran evaluación de las concentraciones atmosféricas de material particulado de 10 (PM10) y 2.5 (PM2.5) micrómetros respectivamente monitoreadas en cuatro puntos del casco urbano del municipio de Vijes durante los meses de mayo, junio, julio y agosto del 2019. A partir de ello, se analizó la dinámica de dispersión del material considerando meteorología del área en estudio y su relación con las fuentes de contaminación cercanas a los puntos de monitoreo. En las mediciones de PM, se usaron sensores ópticos Shinyei previamente calibrados contra equipos del DAGMA, estación meteorológica Davis Vantage y softwares correspondientes. Los resultados mostraron que el promedio de la concentración de PM10 varió desde 56,15 µg/m3 a 65,25 µg/m3 con un promedio de 54,36 µg/m3, mientras que las concentraciones de PM2.5 variaron desde 2,87 µg/m3 a 5,14 µg/m3 mostrando un promedio de 4,49 µg/m3. Se observó que, en 3 de los 4 puntos de monitoreo, los resultados de las concentraciones de PM10 del promedio mensual y diario, sobrepasaron los estándares establecidos por la normativa colombiana (Res. Miniambiente y Desarrollo Sostenible 2254, 2017, p.2) No obstante, gracias a la dinámica de vientos provenientes del oeste, las concentraciones se disuelven disminuyendo la densidad de partículas en suspensión, esto fue determinado a partir del estudio de la rosa de los vientos. En el proceso de medición, se evidenció un incremento de PM10, posiblemente influenciado por los incendios forestales ocurridos en el departamento del Valle del Cauca y en la Amazonia, durante julio y agosto (2019), observándose valores máximos de 132,23 µg/m3 para PM10, a pesar de esto, la geografía del municipio permitió que se disolvieran las concentraciones. Palabras clave: concentraciones, contaminación, evaluación, PM10, PM2.5

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ABSTRACT

The present study shows an evaluation of the atmospheric concentrations of particulate matter of 10 (PM10) and 2.5 (PM2.5) micrometers respectively monitored in four points of the urban area of the municipality of Vijes during the months of May, June, July and August from 2019. Accordingly, the dynamics of dispersion of the material were analyzed considering meteorology of the area study and its relationship with the sources of contamination close to the monitoring points was established. In the PM measurements, Shinyei optical sensors were used previously calibrated against DAGMA equipment, Davis Vantage weather station and corresponding software were used. The results showed that the average PM10 concentration ranged from 56.15 µg/m3 to 65.25 µg/m3 with an average of 54.36 µg/m3, while PM2.5 concentrations ranged from 2.87 µg/m3 at 5.14 µg/m3 showing an average of 4.49 µg/m3. It was observed that, in 3 of the 4 monitoring points, the results of the PM10 concentrations of the monthly and daily average, exceeded the standards established by Colombian regulations (Res. Miniambiente y Desarrollo Sostenible 2254, 2017, p.2). However, thanks to the dynamics of winds that come from the west, it allows dissolving concentrations by decreasing the density of suspended particles, this was determined from the study of the wind rose.

In the measurement process, there was an increase in PM10, possibly influenced by forest fires that occurred in the department of Valle del Cauca and in the Amazon, during July and August (2019), observing maximum values of 132.23 µg/m3 for PM10, however, the geography of the municipality allowed the concentrations to dissolve.

Keywords: concentrations, pollution, evaluation, PM10, PM2.5

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INTRODUCCIÓN

El municipio de Vijes, popularmente denominado Pueblo Blanco, fue fundado el 14 de julio de 1539 y es uno de los municipios más antiguos de Colombia. Su territorio hace parte del departamento del Valle del Cauca, ubicado en la extensa depresión formada por la cordillera occidental de los Andes, que se cruza con el Valle (Alcaldía de Vijes, 2017, párr. 1). De acuerdo a la proyección del DANE 2016 descrita en el Plan Territorial de Salud (2016-2019) Vijes alberga una población total de 11064 habitantes (p. 15) y constituye una de las economías más fuertes en la producción de cal. Sin embargo, la contaminación atmosférica se ha constituido en uno de los principales problemas que azota su territorio causando un posible deterioro de la calidad del aire, que genera el aumento de los efectos negativos sobre la salud humana y el medio ambiente.

En la mayoría de los casos, esta problemática se le atribuye a la formación y emisión de contaminantes de los diferentes procesos productivos que se realiza en la región. Generalmente, se produce por “la combustión ineficiente de combustibles fósiles o de biomasa; por ejemplo, los gases de escape de los automóviles, los hornos o las estufas de leña” (OMS, sf, párr. 1), gases de efecto invernadero, entre otros. De aquí, surge la necesidad e importancia de monitorear aquellos compuestos que tienen mayor nivel de generación y que tienen mayor incidencia en la salud de los habitantes del municipio de Vijes, lo que direcciona a la implementación de Sistemas de Vigilancia de Calidad del Aire (SVCA) en el casco urbano del mismo, para lograr relacionar posibles fuentes de generación de contaminación.

El material particulado (PM, por sus siglas en inglés) corresponde a uno de los mayores contaminantes atmosféricos que es emitido por las diferentes actividades socioeconómicas de un municipio, tales como es la extracción de cal, tránsito de transporte pesado, obras en construcción, caminos sin asfaltar, chimeneas y demás actividades residenciales, entre otros, por lo cual surge la importancia de su estudio (EPA, 2018, párr.6).

La Organización Mundial de la Salud (OMS) ha realizado pruebas relativas al material particulado suspendido en el aire con lo cual concluye que sus efectos en la salud pública coinciden en poner de manifiesto efectos adversos para la salud con las exposiciones que experimentan actualmente las poblaciones urbanas, tanto en los países desarrollados como en desarrollo. Proporcionando un amplio abanico de los efectos en la salud, que se producen particularmente en los sistemas respiratorio y cardiovascular (OMS,2005, p. 9). Por consiguiente, el PM conforma uno de los contaminantes criterio que es regulado en Colombia a través de la Norma de Calidad del Aire (MAVDS, 2010, p.4).

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En este sentido, el presente estudio está encaminado a evaluar la calidad del aire de material particulado de 10 µm y 2.5 µm de diametro respectivamente en el casco urbano del municipio de Vijes y la influencia de las variables meteorológicas propias del municipio en la producción y dispersión de los mismos.

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1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

El municipio de Vijes, el cual se encuentra situado en la subregión sur del Valle del Cauca con una altitud media de 987 msnm y temperatura promedio de 24 grados centígrados, está ubicado a 31.4 km al norte de la ciudad de Santiago de Cali, capital del departamento. Vijes presenta una extensión de 122 kilómetros cuadrados con una población aproximada de once mil habitantes. La topografía del territorio es plana en las proximidades del Río Cauca y presenta una zona montañosa que corresponde a la vertiente oriental de la cordillera occidental (Consejo Municipal de Planeación Territorial, 2008, pp. 16-19).

Desde sus inicios Vijes ha sido un municipio económicamente marcado por la agricultura, ganadería y minería, del cual, esta última conforma el principal motor económico del municipio. La explotación de la roca caliza es el principal proceso del sector minero, que ha abastecido de cal al departamento desde el siglo XVI (Consejo Municipal de Planeación Territorial, 2008, pp. 16-19), dándole al municipio la connotación de ciudad blanca o pueblo blanco por sus numerosas obras realizadas en varias regiones del país que han usado este material.

Sin embargo, la explotación de las rocas calizas ha sido uno de los principales factores que ha desencadenado una problemática ambiental en el deterioro de la calidad del aire del municipio. A esto también, se le suman otras fuentes de contaminación tales como, fuentes fijas (fuentes puntuales como, dinámica residencial, comercial y construcciones; y fuentes de área tales como, sembrados, incendios forestales, quemas de caña y calles no pavimentadas), fuentes móviles (vehículos de combustión) provenientes de la vía nacional panorama, la circulación de transporte pesado dentro del municipio, entre otros. Los principales impactos generados se observan en la salud de los habitantes y en su biodiversidad, además, contribuyen en la afectación global del Planeta asociado al incremento de la emisión de gases de efecto invernadero (GEI) y el material particulado (PM, por sus siglas en ingles), que ocasionan niveles altos de contaminación que hipotéticamente, a través del análisis realizado, puedan tener relación con el estado de morbilidad asociado al sistema respiratorio, entre otros, lo cual se recoge implícitamente en el Plan territorial de salud en su informe: Indicadores del estado de salud, morbilidad y mortalidad realizado en el año 2015 (Secretaria de salud Vijes, 2016, p. 37). Nota: en el presente estudio no se tendrá en cuenta la morbilidad, ni gases de efecto invernadero dado que, esto corresponde a la tercera y cuarta fase del programa de investigación “Vijes calidad del aire”.

El transporte y dispersión de los contaminantes están fuertemente influenciados por las variaciones del clima, la topografía de la región, precipitación, humedad y no menos importante, la velocidad del viento, el cual puede diluir y dispersar

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rápidamente los contaminantes de la región en estudio, siempre y cuando se presente una alta velocidad. No obstante, en caso de baja velocidad, no contribuirá a la dispersión (Inche, 2004, pp. 59-62). A través de esto, es posible delimitar cuál sería la zona afectada con base en las emisiones generadas.

Por otra parte, debido a la problemática que se ha generado frente a la contaminación y afectaciones que provocan la emisión de material particulado generados principalmente por la explotación calera y otras fuentes en el municipio de Vijes, la CVC ordenó el cierre de varios hornos artesanales de colmena, debido al uso de leña en el proceso de calcinación de la cal (Gómez, 2017, párr. 3). Además, para saber si el cumplimento de la normatividad vigente se está dando, surge la necesidad de realizar un monitoreo atmosférico en el casco urbano del municipio de Vijes, Valle del Cauca. Esto con el fin de conocer los niveles de concentración de material particulado, proporcionando información que puedan servir como base para la generación de futuras medidas de mitigación y de adaptación a través de la planificación ambiental urbana.

Finalmente, como consecuencia del presente estudio se espera establecer el grado de correlación espacial entre la variación de las temperaturas atmosféricas, vientos superficiales y niveles de concentración del material particulado PM10 y PM2.5, monitoreado en cuatro puntos del municipio correspondiente a un intervalo de tiempo aproximado de cuatro meses (17 mayo a 23 de agosto). Complementariamente, con la información de variables macroscópicas de estado obtenidas de la estación meteorológica y el uso de la estadística, se realizará el análisis e interpretación de los datos obtenidos del monitoreo.

Con base en lo anterior surgieron los siguientes interrogantes: ¿Cómo influye la dinámica del viento en la dispersión de contaminantes atmosféricos dentro del casco urbano del municipio de Vijes?, ¿Qué influencia ejercen las fuentes emisoras de material particulado cercanas a los puntos de monitoreo en la calidad del aire del municipio?

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2. JUSTIFICACIÓN

En Vijes no existen estudios que evalúen la calidad del aire por material particulado (PM10 Y PM2.5) y su efecto sobre la población. Por tal motivo, es necesario realizar proyectos que permitan evaluar la calidad del aire y a su vez monitorear sus niveles de concentración, cuantificar su magnitud y correlacionar los datos con las fuentes emisoras, de tal manera que se puedan extraer elementos necesarios que den soporte a los futuros planes de gestión del municipio.

Por lo anterior, el desarrollo de este proyecto brinda un diagnóstico de la calidad del aire del municipio de Vijes, con el fin de proporcionar información para el desarrollo de medidas de gestión y adaptación en el municipio para el futuro.

Para la Organización Mundial de la Salud (OMS), la contaminación del aire representa un importante riesgo medioambiental para la calidad de vida, bien sea en los países desarrolladores o en los países en vías de desarrollo, donde se estima que 4.2 millones de muertes prematuras, en todo el mundo por año, se deben a la exposición de partículas de dímetro inferior o igual a 2.5 µm, asociadas a problemas cardiovasculares y respiratorios (OMS, 2018, párr. 9).

Siendo así, el municipio de Vijes no es ajeno a esta situación, si se considera el tránsito de transporte pesado, la emisión por fuentes móviles provenientes de la principal vía “panorama” y actividades domiciliarias, junto a la explotación de la piedra caliza, entre otros, los cuales son las principales fuentes de contaminación, donde la última, representa el mayor emisor de material particulado en el municipio. Contreras Rengifo (2017) en su maestría de Ciencias Ambientales indica que “los yacimientos de caliza de Vijes, conocidos como las Guacas, Portachuelo, el Asomadero del sur del municipio y el Jagual al norte, se dedican principalmente a la producción de cal viva y apagada; labor que se desarrolló principalmente en hornos artesanales de colmena y más recientemente, en hornos continuos o por capas, algo más tecnificados” (p. 25).

No obstante, pese a los cambios promovidos por la autoridad ambiental de disminuir la presión sobre los bosques secos, con la suspensión del uso de leña de los antiguos hornos, en Vijes, aún sigue siendo importante implementar un monitoreo permanente para verificar los estándares de calidad regidos por la normativa colombiana.

Si bien, el monitoreo de material particulado suele ser un proceso de alto costo y, por tanto, ha limitado la realización de estudios rigurosos, ante tal situación, el uso

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de sensores ópticos facilita el monitoreo de material particulado por su versatilidad de infraestructura, fiabilidad y economía, contribuyendo a la capacidad de análisis y al estudio de la calidad del aire. Lo anterior, ha sido comprobado por Contreras Rengifo en su tesis de maestría titulada Impacto de la actividad calera sobre la calidad del aire en el casco urbano del municipio de Vijes (Contreras,2017,p.33), el cual estuvo a punto de ser abortado debido al alto costo asociado al monitoreo (50 millones de pesos), por tal razón, se compraron sensores ópticos (Shinyei) a precios muy asequibles (7 millones de pesos), los cuales, se Inter calibraron con los equipos TEOM y BAM del DAGMA y la CVC, para garantizar fiabilidad en las mediciones.

Por tanto, para la formulación de estándares de calidad, estudios epidemiológicos, especificación de tipos y fuentes emisoras, y estrategias de control para el manejo de la calidad del aire, se requiere de una base de datos que aporte información para la realización de todos estos estudios, la cual se genera a partir del monitoreo atmosférico y su respectiva evaluación.

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3. OBJETIVOS

3.1 OBJETIVO GENERAL

Evaluar la calidad del aire en términos de PM10 y PM2.5 en el caso del Municipio de Vijes - Valle.

3.1.1 Objetivos específicos

Monitorear las concentraciones de material particulado a partir de cuatro puntos dispuestos estratégicamente en el casco urbano del municipio de Vijes. Establecer la dinámica del viento en el casco urbano de Vijes – Valle. Relacionar la localización de las fuentes de contaminación existentes en el municipio con las concentraciones atmosféricas de material particulado PM10 y PM2.5.

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4. ANTECEDENTES

Se realizó una revisión bibliográfica preliminar que permitió identificar estudios realizados hasta el momento en el municipio de Vijes. A continuación, se muestran algunos casos encontrados:

La Corporación Autónoma Regional del Valle del Cauca (CVC), con el objeto de reportar información de calidad de aire en los municipios del Valle del Cauca, realizó en el período abril de 1999 y septiembre de 2001 un monitoreo de la calidad del aire en la que evaluó algunos contaminantes criterio tales como material particulado, monóxido de carbono, dióxido de azufre, óxidos de nitrógeno, hidrocarburos no metálicos, entre otros, a nivel general en el departamento del Valle del Cauca. En ese entonces, los resultados obtenidos indicaron el cumplimiento de la calidad de aire respecto a las normas de calidad nacionales (Decreto 02 de 1982) y las normas USEPA (Restrepo, López y Aponte Reyes - CVC, 2011, p.1).

En tal estudio, los municipios de Palmira y Yumbo resultaron ser los centros urbanos con las concentraciones más altas para la mayoría de los contaminantes analizados (Restrepo, López y Aponte Reyes - CVC, 2011, p.1). Para tal diagnóstico, aunque existiera una fuerte actividad económica en el municipio de Vijes no presentó una mala calidad de aire, dado que, sus inmisiones de PM10 no superaban la concentración máxima permitida estipulaba por la norma vigente en ese tiempo, es decir, concentración no mayor de 100 µg/mᵌ para un tiempo de exposición de 24 horas. Ver Tabla 1.

Tabla 1. Línea base ambiental (2001) para los contaminantes prioritarios, µg/m3.

Contaminante Palmira Yumbo Acopi Vijes Buga Cartago Tuluá PM10 48,6 30,5 70 16,6 19,2 21,2 15,8

Dióxido de Azufre (SO2) 13,3 29,3 46,6 10,5 65,4 26,2 13,9 Dióxido de Nitrógeno

(NO2) 19 18,6 ND ND ND 18,8 ND

Ozono (O3) ND ND ND 9,9 8,9 7,9 15,3 Nota: Evaluación de diferentes contaminantes criterio en el Valle del Cauca, Adaptado de “Estudio de Calidad de Aire del Valle del Cauca Utilizando Muestreadores Pasivos” por Restrepo, López y Aponte Reyes, 2001.

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Para el año 2008, la autoridad ambiental CVC decidió reubicar los hornos de colmena a las afueras del municipio y, además, realizó el cambio de los hornos artesanales de colmena que utilizaban carbón vegetal en el proceso de producción de cal, por unos más modernos que utilizan carbón de piedra como combustible lo cual, proporcionó grandes beneficios para empleadores, dueños de los hornos y por supuesto para el medio ambiente (Gómez, 2017, párr. 2).

Por otro lado, Contreras Rengifo en su tesis de maestría, presenta un análisis del impacto del material particulado PM10 y PM2.5 generado por la actividad calera en el municipio de Vijes, sobre la calidad del aire en el casco urbano (Contreras, 2017, p. 21). Este estudio fue realizado durante cuatro meses, entre diciembre del 2016 a marzo del 2017. En dicho proceso se empleó el software Airviro para modelar la dispersión de PM que simuló el comportamiento de las concentraciones de PM10 y PM2.5 provenientes de la zona calera y de otras fuentes en el aire del casco urbano del municipio. Simultáneamente se realizó el monitoreo de material particulado PM10y PM2.5 en un punto ubicado en el centro geométrico del municipio. A pesar de que el presente estudio no considero trazabilidad fue posible conocer concentraciones de inmisiones registrados cada hora con el fin de comparar los resultados arrojados por ambos métodos y estimar el impacto en la calidad del aire del municipio.

Este trabajo conforma una de las primeras experiencias documentadas del uso de sensores ópticos para medir material particulado en Colombia para la obtención de datos confiables de concentración de material particulado PM10 y PM2.5.

Los resultados obtenidos en tal estudio demostraron un promedio de 24 𝜇𝑔𝑚3⁄ de

PM10. Por otro lado, los niveles de PM2.5 fueron menores, con un valor promedio de 11 𝜇𝑔

𝑚3⁄ . A partir del estudio realizado, el autor afirma dos factores que contribuyena la reducción del impacto ocasionado por la actividad industrial, una de ellos constituye el background de PM2.5 y PM10 proveniente del oeste el cual es bajo y menor comparado con el proveniente del este. El segundo factor se debe a los fuertes vientos “vientos catabáticos” que bajan de la cordillera occidental de los Andes y que permite la disolución pronta de las emisiones generadas por la producción de cal y otras fuentes. Es importante anotar que en esta primera fase de estudio se utilizó un solo punto de monitoreo de material particulado y un solo punto de monitoreo de variables meteorológicas en el casco urbano del municipio.

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5. MARCO DE REFERENCIA

5.1 MARCO TEÓRICO

El Ministerio de Ambiente y Desarrollo Sostenible, define la contaminación atmosférica como “el fenómeno de acumulación o de concentraciones de contaminantes en el aire” (MAVDT, 2018, párr.1). Es decir, aquellos fenómenos físicos o sustancias que, en estado sólido, líquido o gaseoso son causantes de efectos adversos en el medio ambiente y la salud humana, como resultado de actividades antropogénicas o naturales.

De los contaminantes existentes en la atmósfera, se han identificado 5 contaminantes criterio en todo el mundo, que perjudican la salud una vez hayan sido inhalados, tales son: monóxido de carbono (CO), dióxido de azufre (SO2), dióxido de nitrógeno (NO2), ozono troposférico (O3) y material particulado (PM) (Universidad de los Andes, 2013, p.5). Del cual, este último se le atribuye mayor número de muertes a nivel mundial y que será tomado para el estudio de este proyecto. De otro lado, un informe presentado por el Instituto de Efectos de Salud y el proyecto Global Burden of Disease del Instituto de Métricas de Salud y Evaluación, mostró que la exposición mundial al material particulado provocó 4,1 millones de muertes por enfermedades cardiovasculares y respiratorias para el año 2016. (El espectador, 2018, párr.4).

5.1.1 Material particulado (MP)

El material particulado se define a la mezcla de partículas sólidas y/o líquidas (a excepción del agua pura) de naturaleza orgánica o inorgánica, presentes en suspensión en el aire, que se originan a partir de una gran variedad de fuentes naturales o antropogénicas y poseen un amplio rango de propiedades morfológicas, físicas, químicas y termodinámicas. Tales partículas presentan diferente distribución granulométrica y están constituidas por diferentes elementos y compuestos que incluye sulfatos, nitratos, amoníaco, cloruro sódico, carbón, polvo de minerales, cenizas metálicas y agua (Arciniegas Suarez, 2012, p.1).

El tamaño de sus partículas varía en un amplio rango, partiendo desde nanómetros (nm) a los micrómetros (µm). Para facilitar su identificación, se han clasificado en términos de su diámetro aerodinámico que corresponde al diámetro de una esfera uniforme en unidad de densidad. De acuerdo a esto, pueden ser clasificadas como finas y gruesas (García et al., 2006, p.74); (Bell et al., 2004, párr.12), como se observa en la Figura 1.

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Figura 1. Distribución típica de las partículas en la atmósfera.

Adaptado de: “Reconciling Urban Fugitive Dust Emissions Inventory and Ambiental Source Contribution Estimates: Summary of Current Knowledge and Needed Research” por Watson, J. y Chow, J., Energy and Enviromental Engineering Center, 6110 4F, p.22, Derechos de autor 2000.

A su vez, se identifican diferentes rangos de tamaños de partícula denominados “modas”, que están relacionados en su mayoría con el mecanismo de formación de las partículas: nucleación, Aitken, acumulación y moda gruesa (Puigcerver y Dolors, 2008, pp. 43-44), como se presenta en la Figura 2.

Figura 2.Distribución del número de partículas en función del diámetro.

Adaptado de “La contaminación atmosférica. Contaminantes principales. Tamaño de partícula” por Puigcerver, M. y Dolors, M., Universitat Barcelona (Ed). El medio atmosférico: Meteorología y contaminación (pp.43-44). Barcelona. Derechos de autor 2008.

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De manera habitual se clasifican en tres grupos. Material con tamaño de partícula superior a 10 micras, material con tamaño inferior o igual a 10 micras conocido como PM10, y material con tamaño de partícula inferior o igual a 2,5 micras conocido como PM2.5. Este último resulta ser el que más importancia tiene en la contaminación urbana ya que pueden penetrar profundamente en las vías respiratorias y poseen riesgos potenciales significativos para la salud (OMS, 2018, párr.30).

5.1.2 Sistemas de Vigilancia de Calidad del Aire (SVCA)

Acorde al Manual de Operación de Sistemas de Vigilancia de la Calidad del Aire que hace parte del Protocolo para el Monitoreo y Seguimiento de la Calidad del Aire, propuesto por el Ministerio de Ambiente, Vivienda y Desarrollo Territorial (MAVDT) para el año 2010, incorpora los lineamientos a tener en cuenta para llevar a cabo el diseño y la operación de los sistemas de vigilancia de la calidad del aire en Colombia (SVCA).

Un SVCA permite determinar los niveles de inmisión que se dan en un área determinada. Son fundamentales para el desarrollo de planes de gestión, en el que permite dar un diagnóstico previo del área de estudio y en su operación permanente, permitiendo verificar si las acciones de reducción han tenido repercusión en la calidad del aire (MAVDT, 2010, p.26).

Los SVCA podrán ser de tipo manual, automático, e híbrido, quien independiente del tipo de tecnología, tiene como principal objetivo de funcionamiento medir la cantidad presente de determinados contaminantes en el aire de determinadas regiones o áreas (MAVDT, 2008, p.27).

Estos SVCA están conformados por muestreadores o analizadores que son los encargados de recolectar las concentraciones de los contaminantes. Los muestreadores pueden ser de dos tipos; manuales o semiautomáticos. Por otro lado, los equipos analizadores cuentan con una tecnología más sofisticada en la que cuenta con accesorios necesarios que permiten determinar las concentraciones de cada contaminante partir de procedimientos como fluorescencia UV, quimioluminiscencia, absorción de rayos beta, entre otros, por lo que los analizadores corresponden a equipos automáticos (MAVDT, 2008, p.27).

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Mientras que un sistema de tipo automático, de acuerdo al manual de operación de SVCA, define que:

Los Sistemas para la Vigilancia de la Calidad del Aire (SVCA) automáticos no requieren análisis posterior de la muestra tomada. Por medio de métodos ópticos y/o eléctricos analizan la muestra directamente proporcionando datos en tiempo real, de modo que se puedan tomar acciones inmediatas ante la ocurrencia de un evento de concentraciones altas de algún contaminante (MAVDT, 2008, p. 39).

De tal manera, este sistema resulta ser más eficiente para la toma y procesamiento de la información continua por el equipo, con base en las propiedades físicas y/o químicas del gas y sus reacciones que generalmente están involucradas con la incidencia de energía en diferentes longitudes de onda, propicia el uso de métodos ópticos y electrónicos que permitan la determinación de las concentraciones atmosféricas (MAVDT, 2008, p.39).

5.1.3 Parámetros meteorológicos

La meteorología es la ciencia que se ocupa del estudio de la atmósfera, de sus propiedades y de los fenómenos que ocurren en ella. La meteorología estudia los cambios atmosféricos que se producen en cada instante, utilizando una serie de magnitudes o parámetros, como la temperatura, la presión atmosférica, la humedad, el viento o sus precipitaciones, que varían tanto en el espacio como en el tiempo. El objetivo principal de esta ciencia prima en la predicción del tiempo en un intervalo de 24 o 48 horas, de tal manera, que permita elaborar un pronóstico del tiempo a mediano plazo (FECYT, 2004, p.6).

5.1.3.1 Temperatura

Se define como una medida de la energía cinética asociada al movimiento aleatorio de las partículas que componen un sistema. La transferencia de calor ocurrirá siempre y cuando exista una diferencia de temperatura, la energía tiende a transferirse del sistema de mayor temperatura que al de menor temperatura hasta alcanzar el equilibrio térmico. De acuerdo al Sistema Internacional de Unidades, la unidad de la temperatura es el grado kelvin, no obstante, son utilizadas otras escalas de temperatura, como la escala Celsius (o centígrada), y, en los países anglosajones, la escala Fahrenheit (Sierra, 2006, p.26-27).

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El instrumento que permite medir la temperatura se llama termómetro el cual, consiste en un tubo graduado de vidrio con un líquido en su interior que ascenderá o descenderá si aumenta o disminuye la temperatura. No obstante, es bueno mencionar que, los termómetros más fiables para realizar investigación son de gas a volumen constante (FECYT, 2004, p.12).

5.1.3.2 Radiación solar

La radiación solar es la energía que es transferida por el Sol a la Tierra, la cual, es propagada en todas las direcciones a través del espacio mediante ondas electromagnéticas. Tal energía, es el motor que determina la dinámica de los procesos atmosféricos y el clima, sin embargo, cabe mencionar que dado por el aumento de retención de gases de efecto invernadero, esta variable meteorológica ha estado incrementando la temperatura en la atmósfera y contribuyendo al cambio climático (FECYT, 2004, p.28).

Uno de los instrumentos meteorológicos más utilizados para medir la cantidad de radiación solar recibida en un punto corresponde a un aparato denominado piranómetro, el cual, consiste de un sensor encerrado en un hemisferio transparente que transmite toda la radiación de longitud de onda inferior a 3x10-6 metros (FECYT, 2004, p.28).

5.1.3.3 Precipitación

La precipitación es aquel producto líquido o sólido procedente del cambio de estado del vapor del agua de una masa de aire, que cae de las nubes y se asienta en el suelo, el cual, puede abarcar llovizna, granizo, aguanieve, venticas, entre otros (FECYT,2004, p.33-35).

El instrumento que generalmente se utiliza para medir la precipitación caída en un lugar y durante un determinado tiempo se denomina pluviómetro. Su unidad de medida es litros por metro cuadrado (l/m2) o lo que es lo mismo, en milímetros (mm).

5.1.3.4 Humedad

Variable meteorológica que se define como la cantidad de vapor que contiene el aire. La humedad no posee valor constante, sino que dependerá de diversos factores, tal como, si ha llovido recientemente, si estamos cerca del mar, si hay plantas, entre otros.

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De acuerdo a la Fundación Española para la Ciencia y Tecnología FECYT (2004), la humedad se encuentra clasificada en, humedad absoluta que corresponde a la masa de vapor de agua, en gramos, contenida en 1m3 de aire seco, humedad especifica que es aquella masa de agua, en gramos, contenida en 1 kg de aire. Por último, razón de mezcla que es la masa de vapor de agua, en gramos, que hay en 1 kg de aire seco (p.32).

La humedad se suele medir mediante un instrumento denominado psicrómetro, aparato usado en estudios de meteorología para medir la humedad relativa o contenido de vapor de agua en el aire.

5.1.3.5 Viento

El viento se define como el desplazamiento horizontal de las masas de aire, provocado por las diferencias de presión atmosféricas que se atribuyen a la constante variación de temperatura sobre las diversas partes de la superficie terrestre. Lo que significa que, las diversas temperaturas existentes en el planeta tierra y en la atmósfera, por la diferencia distribución del calentamiento solar y las diferentes propiedades térmicas de las superficies terrestres y oceánicas, producen aquellas corrientes de aire. Las masas de aire más calientes tienden a subir y en su lugar se ubican masas de aire más densas y frías (Buitrago Moreno, A. y Tejeiro Mahecha, J., 2019, p.25).

Figura 3. Formación del viento.

“Viento y ventilación natural en la arquitectura” por Laboratorio de ambientes sostenibles, Universidad Piloto de Colombia (Ed). AMBIENTALMENTE N°2 (p 11). Colombia. Derechos de autor 2015.

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El viento está caracterizado por dos parámetros esenciales que son, su dirección y su velocidad. La dirección, depende de la distribución de las presiones, pues tiende a soplar desde las altas hacia las bajas presiones. Las diferentes direcciones del viento están referidas a la rosa de los vientos que señala los puntos cardinales, y que rumbo puede tomar el viento (Sierra, 2006, pp.33-36). La escala de Beaufort resulta ser en una herramienta de referencia que permite complementar el análisis de la rosa de los vientos y que determina qué tipo de viento, en relación con su intensidad, es el que se presenta, y que posibles efectos puede provocar en el ambiente (Ver anexo A). El instrumento empleado para medir la dirección del viento es la veleta. Por otra parte, la velocidad del viento se mide con el anemómetro, que consiste en un conjunto de tres cubetas centralmente conectadas a un eje vertical para la rotación.

5.1.4 Dinámica del viento

Las dinámicas del viento en cualquier territorio están fuertemente influenciadas por la intervención diferentes tipos de corrientes de aire, las cuales dependerán siempre de las condiciones de cada lugar, época del año, diferencias de temperatura y presión dadas en el lugar y área de estudio (Cárdenas Salas, J., 2015, p.12).

A partir de lo anterior, se pueden diferencias dos grupos de viento:

5.1.4.1 Vientos generales (planetarios)

Los vientos generales son generados por la diferencia de presión atmosférica y temperaturas entre las corrientes de aire polar frías (altas presiones) y las ecuatoriales cálidas (bajas presiones), que producen diferentes cinturones de viento planetarios, con rumbo norte - sur, a donde las dinámicas de los vientos se ven potencializadas por las condiciones geográficas y topográficas macro de los continentes.

5.1.4.2 Vientos locales y convectivos

Los vientos locales y convectivos son aquellos que son determinados por las condiciones geográficas y topográficas delimitadas en un lugar específico junto con

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las diferencias de temperatura del aire dadas a partir de condiciones naturales y/o antropogénicas.

La topografía hace parte de uno de los factores de influencia en los diferentes comportamientos del viento. Según García y Fuentes (2005) señalan que

“Las montañas presentan el máximo grado de rugosidad superficial y por tanto originan el máximo grado de fricción al flujo de aire superficial. Las montañas y sus valles originan un importante cambio en la dirección y velocidad de los vientos, ya que la corriente de aire se canaliza por la topografía a través de las depresiones principales”. (p.186)

Por lo tanto, ante la ausencia de vientos generales es posible diferenciar diferentes situaciones específicas que permitirán conocer las dinámicas del viento en determinado lugar, tales como:

Vientos tierra-mar (Zonas costeras)

En zonas costeras el régimen de vientos se da mar-tierra durante el día y tierra mar en la noche. Lo anterior indica que, debido a las diferencias de temperatura entre ambas superficies, se presenta menos temperatura del aire sobre el agua en relación con la tierra en el día, y menos temperatura del aire sobre la tierra en relación con el agua en la noche (Cárdenas Salas, J., 2015, p.14).

Figura 4.Vientos tierra-mar.

“Viento y ventilación natural en la arquitectura” Por Laboratorio de ambientes sostenibles, Universidad Piloto de Colombia (Ed). AMBIENTALMENTE N°2 (p 14). Colombia. Derechos de autor 2015.

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Vientos de valle y ladera (Zonas montañosas)

En regiones montañosas se da un régimen de vientos valle-montaña en el día (viento cálido) mientras que en las noches ocurre un régimen montaña-valle viento frio), lo cual ocurre por las diferencias de altitudes y la incidencia mayor de radiación solar sobre la superficie más horizontal del valle a lo largo del día, provocando una diferencia de temperaturas que ocasiona que el viento frio descienda y transporte el aire cálido a las montañas, contrario sucede en las noches, debido a sus temperaturas menores de las montañas, provoca que desciende el aire frio conduciendo el aire cálido del valle (Cárdenas Salas, J., 2015, p.15).

Figura 5.Vientos valle-ladera.


Vientos de planicie

En terrenos planos, al presentarse un sobrecalentamiento de la superficie, ocasiona la acumulación de aire cálido, que queda atrapado en capas, las cuales al llegar a su punto de inestabilidad se diluyen, por lo que el aire en este tipo de zonas resulta ser poco denso forzado a subir ante la presencia de un aire circundante más denso (Cárdenas Salas, J., 2015, p.16).

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Figura 6.Vientos de planicie.


Vientos urbanos

Dentro de áreas urbanas los flujos de viento presentan aún más condiciones que modifican su comportamiento respecto a su velocidad, dirección e inestabilidad, ocasionada principalmente por la densidad edificatoria, textura de las superficies, la presencia de vegetación, entre otros. Simultáneamente, los niveles de contaminación pueden provocar cambios en la composición del aire urbano, que potencializan su sobrecalentamiento y genera fenómenos tales como las islas de calor (Cárdenas Salas, J., 2015, p.16).

Figura 7. Vientos urbanos.


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5.1.5 Meteorología y su relación con las concentraciones atmosféricas contaminantes

Siendo la atmósfera el medio en el que se liberan los diferentes contaminantes, el transporte y la dispersión de estas descargas depende en gran medida de parámetros meteorológicos (Ahrens, 1993, p.6). Por lo tanto, el conocimiento de la meteorología en la contaminación del aire, permite manejar y controlar la descarga de contaminantes en el aire.

De acuerdo a diferentes autores, se ha logrado demostrar que existe una estrecha relación entre los niveles de contaminación con los parámetros meteorológicos que se rigen en la zona, siendo el viento, la estabilidad térmica vertical y la precipitación aquellos factores meteorológicos que tienen mayor influencia directa en los niveles de contaminación. Por tanto, el estudio de estos factores en una determinada zona es de gran utilidad, ya que permite conocer su capacidad potencial para la dispersión y eliminación de los contaminantes (Hayas, 1991, p. 194).

Como primer factor se tiene que, el movimiento horizontal de los gases que componen la atmósfera es lo que comúnmente se llama viento y puede afectar en gran medida la concentración de contaminantes en determinada área, al diluir y dispersar concentraciones dependiendo del nivel de velocidad del mismo (Vallero, 2008, pp.552-554).

El otro factor meteorológico es la estabilidad térmica vertical (estabilidad atmosférica). Es preciso recordar que, existen cuatro condiciones básicas que describen la estabilidad general de la atmósfera. En condiciones estables, el movimiento vertical se inhibe, mientras que en condiciones inestables la porción de aire tiende a moverse continuamente hacia arriba o hacia abajo. Por otro lado, las condiciones neutrales no propician, ni inhiben el movimiento del aire después del gradiente de calentamiento o enfriamiento adiabático, mientras que, cuando las condiciones son extremadamente estables, el aire frío cercano a la superficie es "entrampado" por una capa de aire cálido sobre este (CEPIS, 1999, pp. 4-8).

Esta última condición, denominada inversión térmica, prácticamente impide la circulación vertical del aire. Esta condición está directamente relacionada con las concentraciones de contaminantes en el aire ambiental. Por lo general, las altas concentraciones de contaminantes del aire están relacionadas con las inversiones ya que estas inhiben la dispersión de las plumas contaminantes (fuentes fijas, móviles y de área) (CEPIS, 1999, pp.4-8).

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Por último, la precipitación y humedad pueden tener incidencia en la aparición de contaminantes secundarios peligrosos, tal como es el caso de la lluvia acida, no obstante, también puede tener un efecto beneficioso porque lava las partículas contaminantes del aire y ayuda a minimizar las partículas provenientes de actividades como la construcción y algunos procesos industriales (Vallero, 2008, pp.552-554).

5.1.6 Conceptos estadísticos

5.1.6.1 Series de tiempo

El análisis de series de tiempo es una importante herramienta de diversas disciplinas tales como: biología, económica, física, ingeniería, entre otras. Las series de tiempo se refiere al conjunto de datos estadísticos de cierto fenómeno que son registrados en intervalos de tiempo regulares (diario, semanal, mensual, semestral, anual, etc.) (Sierra, 2006, p.51).

El principal objetivo del análisis de una serie de tiempo está dado por el conocimiento de su patrón de comportamiento, lo cual permite prever el estado futuro de la misma. Para llevar a cabo un análisis de este tipo, como primer paso, se debe identificar los componentes de la serie de tiempo tales como: la tendencia, las variaciones estacionales, variaciones cíclicas, outliers (datos atípicos), entre otros, posteriormente aplicar las adecuadas técnicas estadísticas y, finalmente, realizar las proyecciones o pronósticos de eventos futuros (Sierra, 2006, p.51).

5.1.6.2 Regresión y correlación

El objeto del análisis de regresión parte de la determinación si existe relación estadística entre una variable dependiente (Y) y una o más variables independientes (X1, X2, X3,…). Para llevar a cabo el presente estudio, es necesario postular una relación funcional entre las variables. La regresión lineal simple conforma una de las técnicas estadísticas que más se utiliza en la práctica (Sierra, 2006, pp.56-59).

Para poder visualizar el grado de relación que existe entre las variables, se grafica el diagrama de dispersión o nube de puntos el cual permite obtener información sobre el tipo de relación existente entre las variables X e Y, además de ayudarnos a detectar posibles valores atípicos o extremos, a su vez, si se desea identificar el grado de intensidad de esta relación, el coeficiente de Pearson (r) permite evaluar

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el ajuste de la recta lineal que defina la relación entre dos variables cuantitativas (Sierra, 2006, pp.56-59).

5.1.6.3 Construcción de análisis de datos

Es importante que para el análisis de un ciclo se tenga en cuenta los siguientes aspectos: La elección de la base de datos, dado que a diferentes tipos de datos corresponde diferentes análisis, elección del largo de la serie corresponde a otro factor a analizar, puesto que una serie corta no proveerá suficientes repeticiones para evaluar la mayoría de los ciclos, por otro lado, la selección de una serie demasiado larga, tiende a la confusión de estos ciclos, elegir un nivel correcto de la elección de la comprensión de los datos que facilite la interpretación de los mismos, llevar a cabo una inspección visual que permita la identificación de outliers (datos atípicos), realizar transformación de la serie y por último, proceder a suavizar la serie, con el fin de remover fluctuaciones aleatorias (Sierra, 2006, pp.60-63).

5.2 MARCO LEGAL

5.2.1 Estándares de calidad por material particulado de acuerdo a la EPA

La Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (EPA), ha establecido estándares nacionales de calidad del aire para seis principales contaminantes denominados como “contaminantes criterios”, siendo ellos: Monóxido de carbono (CO), Plomo (Pb), Dióxido de nitrógeno (NO2), Ozono (O3), Material Particulado (PM) y Dióxido de Azufre (SO2), los cuales son periódicamente revisados (EPA, 2009, párr.1).

Los Estándares Nacionales de Calidad del Aire Ambiental (por sus siglas en inglés, NAAQS) para contaminación por PM determinan una cantidad máxima de PM para estar presentes en el aire exterior. Para PM10 y PM2.5, la EPA a través de la “Ley de Aire Limpio” de 1990 declara dos tipos de normas nacionales de calidad del aire, tales son, normas primarias y estándares secundarios. La EPA (2009) dice que:

“Las normas primarias brindan protección de salud pública, incluida la protección de la salud de poblaciones "sensibles" como los asmáticos, los niños y los ancianos. Los estándares secundarios brindan protección de bienestar público, incluida la protección contra la

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disminución de la visibilidad y el daño a los animales, cultivos, vegetación y edificios”. (parr.1).

De acuerdo a lo anterior, los estándares actuales específicamente sobre el material particulado se presentan a continuación en la Tabla 2.

Tabla 2. Estándares de calidad del aire para MP según la EPA.

Contaminante Primario/ Secundario

Tiempo promedio Nivel Forma

Material Particulado

(PM)

PM2.5

Primario 1 año 12.0 µg/m3 Media anual promediada en 3 años

Secundario 1 año 15.0 µg/m3 Media anual promediada en 3 años

primario y secundario 24 horas 35.0 µg/m3

Percentil 98, promediado durante 3 años

PM10primario y secundario 24 horas 150 µg/m3

No excederse más de una vez al año en promedio durante 3 años

Nota: Estándares de calidad de Material Particulado, Adaptado de “NAAQS Criteria air pollutants” por Environmental Protection Agency EPA-US, 2009.

Las mediciones de calidad del aire por lo regular se describen como concentraciones medias diarias o anuales de partículas PM10 por metro cubico (m3) de aire. Las unidades de medida son, partes por billón (ppb) por volumen y microgramos por metro cúbico de aire (μg/m3). La EPA a través de la formación de estas normas nacionales ayuda a los gobiernos estatales y locales a cumplir con los estándares nacionales de calidad del aire y ser una referencia de soporte para los demás países.

5.2.2 Normativa colombiana de calidad del aire

El MADS, de acuerdo a la modificación del artículo 2 de la Resolución 2254 del año 2017 (p.2), establece la norma de calidad del aire o nivel de inmisión y tiempo máximos de exposición de los contaminantes para todo el territorio nacional, de tal manera, garantizar un ambiente sano y minimizar los riesgos sobre la salud humana que puedan ser causados por la concentración de contaminantes en el aire. Ver Tabla 3.

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Tabla 3. Niveles Máximos Permisibles para Contaminantes Criterio.

Contaminante Nivel Máximo Permisible (𝝁g/m3)

Tiempo de Exposición

PM10 50 Anual

100 24 horas

PM2.5 25 Anual 50 24 horas

SO2 50 24 horas

100 1 hora

NO2 60 Anual

200 1 hora O3 100 8 horas

CO 5.000 8 horas 35.000 1 hora

Nota: Valores máximos permisibles de contaminantes criterio. Adaptado de “artículo 2 de la Resolución 2254 del año 2017 Niveles máximos permisibles para contaminantes criterio” por el Ministerio de Ambiente y Desarrollo Sostenible”, MADS, 2017. Conforme a la normativa colombiana, se afirma, que las autoridades competentes deberán iniciar la medición de PM2.5, cuando se presente incumplimiento de alguno de los niveles máximos permisibles de PM10. Esto a través de lo establecido en el Protocolo para el Monitoreo y Seguimiento de la Calidad del Aire.

Es importante mencionar que acorde al capítulo 1, artículo 2, parágrafo 1 de la Resolución 2254 del año 2017 se señala que “a partir del 1 de Julio de 2018, los niveles máximos permisible de PM10 y PM2.5 para un tiempo de exposición 24 horas serán de 75 𝑢𝑔

𝑚3⁄ y 37 𝑢𝑔𝑚3⁄ respectivamente”. Los anteriores valores fueron tomados

en cuenta en el monitoreo del presente proyecto.

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6. METODOLOGÍA

Para alcanzar el objetivo general del proyecto que consiste en “evaluar la calidad del aire en términos de PM10 y PM2.5 en el casco urbano del Municipio de Vijes – Valle”, se desarrolló el siguiente esquema metodológico basado en los objetivos específicos, el cual, se desglosa en las siguientes fases:

6.1 FASE 1. Intercalibración de los sensores ópticos Shinyei contra los equipos de medición del DAGMA

Acorde al Protocolo para el Monitoreo y Seguimiento de la Calidad del Aire del IDEAM se requiere inicialmente en cualquier SVCA establecer un plan de aseguramiento y control de la calidad que consiste, en el conjunto de procesos y requerimientos que garanticen la confiabilidad de la información obtenida por los equipos de medición (MAVDT, 2008, p.35).

De acuerdo a la EPA (2008) citado por Sánchez, Guerrero, et al. (2015,p.117), el proceso de calibración se define como: “la comparación de un estándar de medición, o de un equipo, con un estándar o equipo de mayor exactitud, para detectar ycuantificar imprecisiones y reportarlas o eliminarlas mediante un ajuste” Por lo cual,la calibración conforma una de las actividades de control de calidad más importantesantes de una medición, puesto que verifica el buen funcionamiento de los equipos,establece la relación entre el valor medido por el equipo con un valor referencial yde este modo permite garantizar la fiabilidad y trazabilidad de la medición.

Para llevar a cabo la calibración de un estándar o instrumento es necesario disponer de un equipo de mayor precisión que proporcione datos convencionalmente verificables, los cuales serán usados para comparar con los valores del equipo que está sujeto al proceso de calibración, por tanto, se realiza a través de una cadena ininterrumpida de comparaciones considerando todas las incertidumbres involucradas, lo cual se conoce como trazabilidad (Moro Piñero, M., 2000, p.40).

Cabe resaltar, que las principales razones para calibrar el instrumento de medición será cuando el instrumento de medición es nuevo o ha sido utilizado por un periodo especifico, el instrumento ha recibido un golpe o vibraciones fuertes que pueden haber causado que este se descalibre, cambios de temperatura superiores a los aceptables y, por último, siempre que las observaciones obtenidas sean cuestionables (MAVDT, 2008, pp.30-37). De tal manera, se requerirá validar su funcionamiento a través de una calibración y adecuar, si es necesario.

44

Con base a lo anterior, la intercalibración de los sensores ópticos Shinyei fue llevada a cabo con los equipos de medición de dos estaciones de monitoreo brindadas por el Departamento Administrativo de Gestión Medio Ambiente (DAGMA) ubicadas en el campus de la Universidad del Valle (Univalle) y en la Ermita de la ciudad Santiago de Cali, respectivamente. Es preciso mencionar que la estación de monitoreo de la Ermita solo mide material particulado de diámetro inferior a 10 µm (PM10) y la estación de monitoreo de Univalle mide material particulado de diámetro inferior a 2.5 µm (PM2.5).

La estación de SVCA ubicada en el campus universitario Univalle posee un equipo BAM-1020 (Met One Instruments) analizadores de partículas continuos por Beta- atenuación, con designación USEPA como Método Federal Equivalente para monitoreo de partículas PM2.5. De otro lado, un equipo TEOM-1405 que toma mediciones continúas de masa directa de partículas utilizan una micro balanza oscilatoria de monitoreo de partículas PM10, se encuentran en la estación de tránsito municipal, La Ermita.

Por lo tanto, para la intercalibración de los sensores ópticos Shinyei de PM2.5 y PM10 ubicados en cajas termométricas para su protección, se ubicaron en paralelo con los equipos dispuestos en la estación de Univalle que mide PM2.5 y en la estación la Ermita que mide PM10. Como se presentan en las Figuras 8 y 9.

El primer periodo de registro llevado a cabo en cada una de las estaciones de monitoreo fue el siguiente:

Estación Ermita: 21 de febrero al 23 de abril del 2019 (registro de sensores PM10)

Estación Univalle:

18 de marzo al 19 de abril del 2019 (registro de sensores PM2.5)

45

Figura 8. Instalación de los sensores Shinyei en la estación de calidad del aire Univalle.

Nota: Derechos de autor propios 2019.

Figura 9. Instalación de los sensores Shinyei en la estación de tránsito municipal, La Ermita.

Nota: Derechos de autor propios 2019

Posteriormente, las cajas termométricas fueron intercambiadas, es decir, los sensores Shinyei instalados en la estación de monitoreo de Univalle pasaron a la estación de monitoreo de la Ermita y viceversa.

El segundo periodo de registro que se llevó a cabo en cada una de las estaciones de monitoreo fue el siguiente:

Estación Ermita:

23 de abril al 08 de mayo del 2019 (registro de sensores PM10)

Estación Univalle:

24 de abril al 01 de mayo del 2019 (registro de sensores PM2.5)

Es importante señalar que algunos periodos de registro no fueron continuos debido a cortes de energía y dificultades con el sistema operativo de los computadores que almacenaban el registro. Problema que fue resuelto con el equipo de soporte técnico de la UAO. No obstante, a pesar de estas dificultades, la información almacenada en largos periodos de tiempo fue suficiente para realizar el proceso de intercalibración.

Una vez obtenida la información por un periodo de tiempo no menor a 15 días en cada estación de monitoreo se realizó la correlación existente con los equipos de medición del DAGMA, a través de una regresión lineal que permitiera establecer las

46

relaciones entre los resultados que el sistema reporta de muestreo y un patrón conocido, siendo estos, los equipos de la entidad ambiental ya mencionada. Para poder realizar este proceso, se debe postular una relación funcional entre las variables, la cual fue determinada para cada sensor óptico Shinyei. El análisis de regresión, determina el grado de dispersión entre las variables (Factor de corrección r) y la correlación entre las variables (Factor de determinación R2). Nota: con relación al segundo periodo de registro es importante mencionar que la medición en la estación de Univalle fue de ocho días (inferior a 15 días), no obstante, la información almacenada fue suficiente dado que se almacenó cada hora.

Con base, en el proceso de intercalibración realizado con todos los protocolos exigidos por el Protocolo para el Monitoreo y Seguimiento de la Calidad del Aire del IDEAM se puede afirmar que hay fiabilidad en las mediciones de concentración de PM usando sensores ópticos Shinyei, de bajo costo, fácil movilidad y gran precisión.

6.2 FASE 2. Monitoreo por material particulado (Sensores ópticos Shinyei)

De acuerdo al estudio realizado por Contreras (2017) se logró demostrar que las principales fuentes de contaminación en el municipio de Vijes son las fuentes móviles, las emisiones de las calderas de cal y un número relativamente pequeño de restaurantes que operan en la zona urbana (pp.1119-121). Por tanto, para determinar las concentraciones promedio de PM10 y PM2.5 en la atmósfera del casco urbano del municipio de Vijes situada geográficamente entre las coordenadas 3º, 41’ y 35’’ N, y longitud 76º, 26’ y 40’’ O, se establecieron cuatro (4) puntos de monitoreo, que fueron escogidos teniendo en cuenta la dirección del viento, el flujo vehicular, el entorno del municipio, el posible mayor abarcamiento del área de estudio y el alcance de la investigación. (Fig. 8).

47

Figura 10. Google (s.f) [Adaptada de Google Maps de la localización de los 4 puntos de monitoreo ubicados en el municipio de Vijes - Valle del Cauca]

De acuerdo a lo anterior, uno de los criterios importantes fue seleccionar los lugares de monitoreo preferiblemente casas de tres pisos. El segundo criterio para la selección de casas en donde se ubicaron las estaciones de monitoreo fue escoger aquellas que podrían registrar mayores concentraciones de PM10 y PM2.5. Dado que, es de importancia observar los comportamientos en los sectores donde se espera mayor contaminación.

Por otro lado, en la micro localización de los equipos, se tuvo en cuenta las condiciones de seguridad, disponibilidad de energía eléctrica y espacios libre de obstáculos. Para ello, en cada sitio se ubicó una caja termométrica con dos sensores ópticos Shinyei PM10 y PM2.5 en su interior debidamente calibrados (Ver anexo C y D). Para ello, fue necesario realizar un canon de arrendamiento entre los propietarios de las casas mencionadas y la Universidad Autónoma de Occidente con el apoyo de la asesoría jurídica institucional.

Acorde al Manual 1 Principios de la medición de la calidad del aire, el cual indica que, la medición de contaminantes atmosféricos se logra a través de diferentes métodos que se agrupan de acuerdo a sus principios de medición en:

48

Muestreo pasivo

Muestreo con bioindicadores

Muestreo manuales o gravimétricos

Método automático

Método óptico de percepción remota (Instituto Nacional de Ecología, sf, pp. 16-19)

Para el desarrollo de este proyecto, la concentración de material particulado fue registrada con ayuda de los sensores ópticos Shinyei, a través de un método automático de muestreo del aire por aspiración por ventilador incorporado, el cual permite llevar a cabo mediciones de forma continua. Las muestras recolectadas por este sensor son analizadas con base en la dispersión de la luz, o también conocido como anemometría laser, en el cual la luz proveniente de un diodo láser incide sobre las partículas que ingresan al sensor y algunos de los rayos reflejados son detectados por el receptor permitiendo conocer componentes de velocidad, tamaño y concentración partículas que ingresan continuamente al sensor.

La gran ventaja del muestreo automático, consiste en que, una vez se carga la muestra al sistema se obtienen las lecturas de las concentraciones de forma automática y en tiempo real, a diferencia de los muestreos pasivos, manuales, gravimétricos o con bioindicadores que requieren de análisis de laboratorios posterior.

El tamaño mínimo de partícula detectable por los sensores ópticos Shinyei es de alrededor de 0,5 µm, con un rango de detección de concentración entre 0 µg/m3 y 200 µg/m3. Los sensores ópticos cuentan con una tarjeta de interface de conexión que expresa las salidas del sensor en unidades de µg/m3 para PM2.5, y 𝑁𝑝

𝑚3⁄ para PM10, donde 𝑁𝑝 representa número de partículas. Por tanto, fue indispensable realizar la conversión de unidades a µg/m3 usando regresiones lineales (Ethernet). Finalmente, cada sensor óptico Shinyei posee dimensiones de 75.4 cm W x 76.4 cm H x 36.7cm D y peso de 180 g aproximadamente (Ver anexo A).

49

Cabe mencionar que los equipos complementarios para este monitoreo fueron cuatro (4) computadores, para descargar y almacenar los datos correspondientes a las lecturas de los sensores, tres (3) inversores, seis (6) baterías recargables, una (1) ups para evitar cortes en la transmisión de datos debidos a eventuales fallas delfluido eléctrico y una consola Vantage-Pro2 que graba los datos de la estaciónmeteorología Davis, ubicada en la antena de la estación de policía a 15 metros dealtura. Los puntos de monitoreo fueron visitados cada 15 días para toma de datos ymantenimiento de los equipos de medición. Acorde a lo anterior, la Tabla 4, presentade manera resumida, las características de los sitios de muestreo.

Tabla 4. Características y ubicación de los sitios de muestreo.

Sitio de muestreo Localización Uso de Tierra Tipo de Terreno Observaciones

Punto de monitoreo 1

3.6972323 N -76.4384323 W Residencial Plano

Alto tráfico vehicular cercano a la vía

panorama


3.70313 N - 76.43984W Residencial Plano

Bajo tráfico vehicular, zonas de vías sin

pavimentar


3.6987226 N- 76.4421616 W Residencial/comercial Plano

Medio tráfico vehicular, centro del

municipio


3.42059 N - 76.26450 W Residencial Montaña

Alto tráfico vehicular, explotaciones piedra

caliza cercanas

Nota: Descripción de los sitios utilizados como puntos de monitoreo en el municipio de Vijes-Valle del Cauca. Derechos propios de autor, 2019.

6.3 FASE 3. Estudio meteorológico del municipio de Vijes

Se ubicó una estación meteorológica en un sitio estratégico a 15 metros de altura (Antena de la estación de policía del municipio) para medir las variables macroscópicas de estado, a saber, velocidad de viento, dirección de viento, temperatura, humedad, pluviometría, radiación solar y presión atmosférica, entre otras, a través de la consola Vantage Pro2 y el software WeatherLink (ver anexo D). A partir de la información obtenida se conoció la incidencia de las variables meteorológicas en el comportamiento de las concentraciones de PM10 y PM2.5.

50

6.4 FASE 4. Procesamiento de la información y correlación con las fuentes emisoras cercanas a los puntos de monitoreo

Se creó una base de datos con la información proveniente de los sensores ópticos ubicados en los puntos de monitoreo. A partir de ella se identificaron las fuentes que realizan mayor afectación a la calidad del aire. Es decir, se estableció una correlación entre fuentes y zonas afectadas al interior del casco urbano. Para lograr el alcance de esta fase, se implementaron los siguientes pasos:

Elección de la toma datos: Se dispuso que fuera horaria, dado que, permite análisis en diferentes intervalos de tiempos. Filtro estadístico: Permitió establecer la tendencia central de los datos obtenidos, eliminando los valores anómalos. Análisis exploratorio e interpretación de la serie datos obtenidos de las estaciones de monitoreo: Este análisis permitió conocer las concentraciones de material particulado en diferentes puntos del municipio. Para ello, se realizaron graficas de series de tiempo de las concentraciones de PM10 y PM2.5, permitiendo observar su comportamiento en el tiempo buscando grados de asociación para la interpretación de los mismos.

6.5 DISEÑO METODOLÓGICO

Para el desarrollo del presente estudio de investigación y cumplimiento de objetivos, se realizaron las fases en el orden que muestra el diseño metodológico.

Figura 11. Diseño metodológico.

7. RESULTADOS Y ANÁLISIS

7.1 INTERCALIBRACIÓN DE SENSORES ÓPTICOS SHINYEI

Para el proceso de intercalibración, como ya se mencionó, los equipos del DAGMA ubicados en el campus de la Universidad del Valle (Univalle) y la estación de tránsito municipal ubicada cerca a la iglesia La Ermita conformaron el estándar primario del proceso de calibración, las cuales son utilizadas para monitorear las concentraciones de material particulado de la ciudad de Cali.

7.1.1 Análisis de datos de intercalibración

Los datos asociados a la concentración de material particulado obtenidos durante 3 meses de monitoreo con los equipos BAM-1020 y TEOM-1405 y los sensores ópticos Shinyei de la UAO de las autoridades ambientales DAGMA, ubicadas en los sitios de monitoreo ya mencionados fue horaria y fueron procesadas en Excel.

Del diagrama de dispersión o nube de puntos obtenidos en el proceso, se conoció la relación existente entre los equipos del DAGMA (BAM-1020 y TEOM-1405) y los sensores ópticos Shinyei. En este diagrama cada observación se representa con un punto en el plano cartesiano XY, indicándose en el eje X las mediciones registradas por el sensor óptico Shinyei y en el eje Y las registradas por el equipo de medición del DAGMA.

Para estimar el grado de asociación lineal entre las dos variables X y Y involucradas en el proceso, se utilizó el coeficiente de correlación de Pearson (r). Este coeficiente puede tomar valores entre -1 y +1, por tanto, se considera que una correlación es baja cuando está por debajo de |0.30|, moderada entre 0.30 y 0.70 y alta por encima de 0.70 (Laguna, sf, pp. 3-4)

A su vez, para la obtención del coeficiente de determinación (R2), se incorporó una línea de tendencia lineal en el diagrama de dispersión, el cual, permitió explicar el grado de ajuste de la recta de la regresión a los valores de la muestra. Las características de este coeficiente son:

El R2 constituye una cantidad adimensional que solo podrá tomar valores de [0,1].

53

Sera considerado un ajuste bueno cuando el R2 este cercano a uno (mayorserá la fuerza de asociación entre ambas variables). Sera considerado un ajuste malo cual el R2 este cercano a cero (no existeasociación entre ambas variables X y Y) (Laguna, sf., p. 12).

Acorde a lo anterior, en la Figura 12 se presentan la correlación de los sensores (3) tres y (4) cuatro realizada para PM2.5 durante el periodo de registro del 18 de marzo al 19 de abril del 2019.

Correlación entre Sensor Shinyei PM2.5 (3) y (4) vs DAGMA [ug/m3]

a. b.

Figura 12. Correlación entre Sensor Shinyei (3) y (4) vs Sensor BAM-1020 del DAGMA para PM2.5 (a.) y (b.) respectivamente, instalados en Univalle, entre 18 de marzo al 19 de abril del 2019.

Nota: Derechos de autor propios 2019.

Con un coeficiente de correlación (r) de 0.82 y un coeficiente de determinación (R2) cercana a uno, para ambos sensores, las gráficas presentadas en la Figura 12 muestran una alta correlación entre las dos variables mencionadas, lo cual refleja que, existe poca dispersión en el entorno a la línea de tendencia (R2) y una correlación (r) positiva fuerte entre las variables. Los resultados obtenidos reflejan una buena bondad del ajuste.

Por otra parte, los datos proporcionados por los sensores ópticos Shinyei de PM10 expresan su concentración en número de partículas por metro cubico [𝑁𝑝

𝑚3⁄ ], por locual, fue indispensable hacer un proceso de conversión de unidades realizando una regresión lineal con la base de datos obtenidos de los sensores ópticos y los proporcionados por el TEOM-1405 del DAGMA. Lo anterior permitió expresar los datos de los sensores ópticos de PM10 en unidades de microgramos por metro cubico [𝜇𝑔

𝑚3⁄ ].

54

La razón por la cual se decidió usar regresión lineal para la transformación de los datos obtenidos fue el de obtener una función que permitiese conocer el valor de una variable a partir de la otra, en este caso, los datos muestreados por cada sensor óptico Shinyei fueron ajustados para reproducir mediciones similares a las generadas por los equipos del DAGMA. Siendo la regresión una técnica estadística que describe la relación entre dos variables X y Y, además, en el estudio realizado la asociación entre las variables mencionadas fue positiva alta (coeficiente de correlación de Pearson “r”), por tanto, la regresión permitió obtener un modelo estadístico que reprodujo mediciones similares a las realizadas por los equipos de las autoridades ambientales.

Una vez realizado el diagrama de dispersión y después de observar una relación lineal entre las dos variables, a través de los coeficientes de correlación y determinación, se encontró la ecuación de la recta de mejor ajuste asociada a la nube de puntos. Esta función se denomina recta de regresión.

Las correspondientes regresiones lineales son presentadas en la Tabla 5 con su respectivo coeficiente de correlación r y coeficiente de determinación R2.

Tabla 5. Ecuaciones de regresión lineal para cada sensor óptico Shinyei PM10.

Sensor PM10 con dirección IP Ecuación r R2

1=101 y=1.061X+19.041 0.79 0.62

2=108 y=1.967X+27.402 0.67 0.50

3=102 y=1.108X+20.433 0.79 0.62

4=103 y=1.152X+17.247 0.79 0.63

Nota: Ecuaciones obtenidas de procesos de regresión lineal para cada sensor óptico Shinyei PM10 con su respectivo r y R2. Derechos propios de autor, 2019.

Las Figuras 13, 14, 15 y 16 fueron realizadas con los respectivos ajustes aplicados a la base de datos de los sensores ópticos de PM10. En ellas se puede observar un buen comportamiento entre la línea de tendencia de los datos ajustados (línea azul figura c) y la línea de tendencia del DAGMA (línea naranja figura c), en contraste a los datos sin previo ajuste lineal (línea verde figura c).

55

Ajuste lineal, intercalibración y tendencia, Sensor Shinyei PM10 (1) vs DAGMA

a. b.

c.

Figura 13. Ajuste lineal del Sensor TEOM del DAGMA vs Sensor Shinyei (1) (a.), correlación DAGMA vs Sensor Shinyei PM10 (b.) y tendencia de los sensores mencionados (c.) para PM10, instalados en la Ermita, entre 21 de febrero al 23 de abril del 2019.

0

20

40

60

80

100

1 6 11 16 21 26 31 36 41 46 51 56 61 66 71 76 81 86 91 96 101 106 111 116 121 126 131

Con

cent

raci

ón P

M10

[ug/

m3 ]

Tiempo[dias]

Tendencia de los sensores

DAGMA Sensor Shinyei PM10 (1) Sensor Shinyei PM10(1) con ajuste lineal

56

Ajuste lineal, intercalibración y tendencia, Sensor Shinyei PM10 (2) vs DAGMA

a. b.

c.

Figura 14. Ajuste lineal del Sensor TEOM del DAGMA vs Sensor Shinyei (2) (a.), correlación DAGMA vs Sensor Shinyei PM10 (b.) y tendencia de los sensores mencionados (c.) para PM10, instalados en la Ermita, entre 21 de febrero al 23 de abril del 2019.

0

20

40

60

80

100

1 13 25 37 49 61 73 85 97 109 121 133 145 157 169 181 193 205 217 229 241 253 265 277 289 301 313 325

Conc

entr

ació

n [u

g/m

3 ]

Tiempo [dias]

Tendencia de sensores


57

Ajuste lineal, intercalibración y tendencia, Sensor Shinyei (3) PM10 vs DAGMA

a. b.

c. Figura 15. Ajuste lineal del Sensor TEOM del DAGMA vs Sensor Shinyei (3) (a.), correlación DAGMA vs Sensor Shinyei PM10 (b.) y tendencia de los sensores mencionados (c.) para PM10, instalados en la Ermita, entre 24 de abril al 01 de mayo del 2019.

0

20

40

60

80

100

120

1 6 11 16 21 26 31 36 41 46 51 56 61 66 71 76 81 86 91 96 101 106 111 116 121 126 131Coc

entr

ació

nP

M10

[ug/

m3 ]

Tiempo [dias]



58

Ajuste lineal, intercalibración y tendencia, Sensor Shinyei (4) PM10 vs DAGMA

a. b.

c.

Figura 16. Ajuste lineal del Sensor TEOM del DAGMA vs Sensor Shinyei (4) (a.), correlación DAGMA vs Sensor Shinyei PM10 (b.) y tendencia de los sensores mencionados (c.) para PM10, instalados en la Ermita, entre 24 de abril al 01 de mayo del 2019.

La finalidad de la intercalibración a través de la observación del comportamiento de las variables cuantitativas asociadas al monitoreo de los equipos, proporcionados por la autoridad ambiental DAGMA y los sensores ópticos Shinyei, permitió conocer el buen comportamiento y fiabilidad en la medición de los equipos Shinyei, puesto que, el coeficiente de correlación en los cuatro sensores estuvo sobre 0.7 o muy cercano a él, lo cual, representa una correlación positiva considerable, e indica que las variables están relacionadas. Por otra parte, el coeficiente de determinación en los cuatro sensores fue de 0.6. Lo cual quiere decir, que es un modelo cuyas estimaciones se ajustan aceptablemente a la variable real (DAGMA) por tanto, las mediciones con los equipos ópticos son fiables.

020406080

100120140

1 6 11 16 21 26 31 36 41

46 51 56 61 66 71 76 81 86 91 96 101

106 111

116

121

126

131

136

Con

cent

raci

ón P

M10

[ug/

m3 ]

Tiempo[dias]



59

No obstante, a pesar del rendimiento de estos sensores, es preciso recalcar que el uso de sensores de bajo costo sigue siendo un reto en el mundo por la confiabilidad de sus datos, dado que pueden ser susceptibles a cambios de temperatura y humedad relativa y propiciar errores suponiendo una sobreestimación o subestimación de la medición.

De acuerdo al estudio reportado por Badura et. Al., (2018) indica que una razón para considerar la humedad relativa tiene incidencia en los errores reportados por un sensor de bajo costo, es su equipamiento, dado que, algunos no cuentan con un sistema de secado de partículas antes del ingreso al mismo, lo que puede provocar un conteo tanto de partículas de aerosol como de niebla provocando una sobrevaloración de los datos medidos (p. 14).

Otra de las razones, se relaciona con el punto de orientación en el que se encuentra ubicado el sensor que puede propiciar la incidencia de más partículas captadas o, al contrario, interferir o provocar obstáculos en la medición. No obstante, los sensores ópticos Shinyei mostraron una tendencia común en su comportamiento con los equipos de medición del DAGMA (TEOM y BAM) lo cual indica confiabilidad en las mediciones realizadas.

7.2 MONITOREO DE PM10 Y PM2.5 EN EL CASCO URBANO DEL MUNICIPIO DE VIJES

Para el análisis del comportamiento de PM10 y PM2.5 se tomaron las concentraciones las 24 horas del día en los cuatro puntos de monitoreo, los cuales serán evaluados acorde a la normativa colombiana (Res. Miniambiente y Desarrollo Sostenible 2254, 2017, p.2) para un tiempo de exposición anual (Tabla 6) y de 24 horas (Fig. 17 y 18). La Tabla 6. presenta las concentraciones de partículas respirables monitoreado en los meses de mayo a agosto del 2019 (PM10 y PM2.5) en los cuatro puntos de muestreo del casco urbano del municipio de Vijes (Fig.10).

60

Tabla 6. Concentración promedio monitoreado en los meses mayo a agosto (2018), desviación estándar, máximos, mínimos y percentil 75 de PM10 y PM2.5.

Punto de monitoreo

PM10[𝝁𝒈𝒎𝟑⁄ ] PM2,5[𝝁𝒈

𝒎𝟑⁄ ]

Promedio dv Máximo Mínimo Percentil 75% Promedio dv Máximo Mínimo Percentil

75% 1 65.25 17.94 128.32 35.84 75.86 5.14 1.78 9.43 1.50 6.29 2 65.08 21.85 132.23 38.55 75.19 4.98 2.45 15.08 1.00 5.77

3 30.96 3.59 38.27 23.44 32.70 2.87 0.84 4.95 1.25 3.35

4 56.15 14.16 105.20 32.16 63.65 4.96 2.70 16.04 1.60 6.06 Promedio 54.36 14.39 101.01 32.50 61.85 4.49 1.94 11.38 1.34 5.37 Nota: Concentración promedio en los meses mayo a agosto (2018), desviación estándar, valores máximos, mínimos y percentil 75 de PM10 y PM2.5 en cada punto de monitoreo ubicados en el municipio de Vijes, registrado entre los meses de mayo, junio, julio y agosto. Derechos propios de autor, 2019.

Se observa que los puntos de monitoreo 1,2 y 4 reportaron los mayores promedios de PM10 con unos valores de 65.25 𝜇𝑔

𝑚3⁄ , 65.08 𝜇𝑔𝑚3⁄ y 56.15 𝜇𝑔

𝑚3⁄ respectivamente. Sin embargo, acorde al valor máximo permisible de la norma anual (Res. Miniambiente y Desarrollo Sostenible 2254, 2017, p.2) el cual dicta un valor límite de 50 𝜇𝑔

𝑚3⁄ para PM10, estos tres puntos de monitoreo exceden en un 30.5%, 30.16% y 12.3%, respectivamente, de la normativa mencionada.

Seguidamente, los mayores promedios mensuales de nivel de PM2.5 se presentó también en los puntos de monitoreo mencionados anteriormente (1,2 y 4) con valores de 5.14 𝜇𝑔

𝑚3⁄ , 4.98 𝜇𝑔𝑚3⁄ y 4.96 𝜇𝑔

𝑚3⁄ respectivamente. No obstante, estos valores no sobrepasaron el valor máximo permisible de la norma anual (Res. Miniambiente y Desarrollo Sostenible 2254, 2017, p.2) el cual dicta un valor límite de 25 𝜇𝑔

𝑚3⁄ para PM2.5.

Por otro lado, el promedio más bajo de material particulado se presentó en el punto de monitoreo 3 con 30.96 𝜇𝑔

𝑚3⁄ de PM10 y 2.87 𝜇𝑔𝑚3⁄ PM2.5 durante el periodo de

monitoreo, el cual cumple con la normativa ambiental.

En las demás estaciones se reportó un comportamiento similar en PM10 y PM2.5. Los niveles de concentración de PM2.5 oscilaron entre 2.87 𝜇𝑔

𝑚3 ⁄ y 5.14 𝜇𝑔𝑚3⁄ ,

registrando un promedio de 4.49 𝜇𝑔𝑚3⁄ . Mientras que los niveles de PM10 oscilaron

entre 30.96 𝜇𝑔𝑚3⁄ y 65.25 𝜇𝑔

𝑚3⁄ , con un promedio de 54.36 𝜇𝑔𝑚3⁄ . Es importante

61

anotar que, los promedios de las concentraciones representan las inmisiones asociadas al municipio, mientras que el promedio asociado a cada punto de monitoreo, representa la inmisión focalizada en un área específica.

A partir de los anterior, los resultados muestran la influencia del tráfico vehicular, en los puntos de monitoreo 1, 2 y 4 específicamente la vía nacional panorama (vía principal) la cual posiblemente contribuye en forma importante al incremento de PM10 en el punto de monitoreo 1, el cual resultó ser de los 4 puntos de monitoreo, el punto más alto y que coincide a lo que se esperaba por su cercanía a la vía panamericana y las quemas de caña. Sumando al punto de monitoreo 2, la influencia de material re-suspendido del suelo de las vías cercanas sin pavimentar. Por último, el punto 4, el tránsito de transporte pesado que se dirige a las explotaciones de piedra caliza resulta ser la razón de su elevado nivel de PM. Ante esto, se puede decir que, existen diferencias en la ubicación de los puntos de monitoreo, siendo los puntos 1,2 y 4 más afectados por la influencia más cercana de fuentes de contaminación mencionadas.

A continuación, se presentan las series de tiempo que registra el comportamiento de PM10 y PM2.5 diario a lo largo de los meses de mayo hasta agosto el cual fue comparado con la normativa colombiana (Res. Miniambiente y Desarrollo Sostenible 2254, 2017, p.2) para un tiempo de exposición de 24 horas, correspondiente a 75 𝜇𝑔

𝑚3⁄ , y 37 𝜇𝑔𝑚3⁄ para PM10 y PM2.5 respectivamente. A su

vez, se comparó con el Índice de Calidad del Aire (ICA) que permite evaluar el grado de pureza o contaminación atmosférica y el riesgo para la salud que puede ocasionar su exposición que afecta en mayor proporción a los grupos de personas más sensibles, tales como mujeres embarazadas, adultos mayores, personas con enfermedades respiratorias, niños, adolescentes y personas que practican deporte al aire libre (Anexo E y F). Ver Figuras 17 y 18.

62

Promedio diario, material particulado PM10 [ 𝝁𝒈𝒎𝟑⁄ ], municipio de Vijes

Periodo de medición 16 mayo/19 al 23 agosto/19 Punto de monitoreo 1

Figura 17. Datos promedio diario de PM10, registrado entre mayo, junio, julio y agosto del 2019, municipio de Vijes en el punto de monitoreo 1.

Promedio diario, material particulado PM10 [ 𝝁𝒈

𝒎𝟑⁄ ], municipio de Vijes Periodo de medición 16 mayo/19 al 23 agosto/19



PM

10 C

on

cen

trac

ión

[u

g/m

3 ]

Fecha [días]

PM

10 C

on

cen

trac

ión

[u

g/m

3 ]

Fecha [días]

63







Promedio diario, material particulado PM2.5 [ 𝝁𝒈𝒎𝟑⁄ ], municipio de Vijes

PM

10 C

on

cen

trac

ión

[u

g/m

3 ]

Fecha [días]

PM

10 C

on

cen

trac

ión

[u

g/m

3 ]

Fecha [días]

64


Figura 21. Datos promedio diario de PM2.5, registrado entre mayo, junio, julio y agosto del 2019, municipio de Vijes en el punto de monitoreo 1.




PM

2.5

Co

nce

ntr

ació

n [

ug/

m3 ]

PM

2.5

Co

nce

ntr

ació

n [

ug/

m3 ]

Fecha [días]

Fecha [días]

65







PM

2.5

Co

nce

ntr

ació

n [

ug/

m3 ]

PM

2.5

Co

nce

ntr

ació

n [

ug/

m3 ]

Fecha [días]

Fecha [días]

66

Se observa en la Figura 17 (a. b. y d) para los puntos de monitoreo 1,2 y 4, presentaron picos en la concentración de material particulado PM en el registro de PM10 en común a partir del 05 de agosto hasta el 22 de agosto, donde el mayor valor fue alcanzado por el punto de monitoreo 2 con 132.23 𝜇𝑔

𝑚3⁄ , algo que coincide con los incendios forestales que se presentó en municipios aledaños como Yumbo, Ginebra, Guacarí y Cali, y que, puso en alerta roja en el Valle del cauca (El tiempo, parr.1,2019), lo cual, posiblemente repercutió en el incremento de estas concentraciones en el periodo de registro y que provoco que los valores diarios excedieran los niveles máximos permisibles de la normativa (Res. Miniambiente y Desarrollo Sostenible 2254, 2017, p.2) para un tiempo de exposición de 24 horas, correspondientes a 75 𝜇𝑔

𝑚3⁄ para PM10 y 37 𝜇𝑔𝑚3⁄ para PM2.5

No obstante, se informa que, durante el registro, los puntos de monitoreo 2 y 3 presentaron vacíos en la información, del 15/07/2019 al 23/07/2019 y del 26/06/2019 al 13/07/2019 respectivamente, lo cual se refleja en las Figuras 17 b. y 17 c.

Acorde al informe diario de ocurrencias de incendios de la cobertura vegetal en Colombia N° 227, reportado el 19 de agosto del año 2019 por el IDEAM, indicó que, la baja precipitación en amplias zonas del país ocasionó condiciones de alerta por incendios de la cobertura vegetal en áreas de la región Caribe, Amazonia, Orinoquia y Andina, en la cual el Valle del Cauca se incluía. Ante ello, el IDEAM emitió alerta roja en 28 de los 42 municipios del Valle del Cauca entre ellos el municipio de Vijes por el riesgo que presentan estos incendios a la comunidad.

Alrededor de 800 hectáreas de bosque y vegetación fueron consumidas por las llamas en esta temporada seca que inició en el mes de julio y terminó a mediados de septiembre, así indicó la Secretaria de Gestión del Riesgo del Valle del Cauca (Gutiérrez, 2019, par.3).

A su vez, comparando con los datos reportados por el DAGMA se observa que existió un pico en común presentado el 15 de agosto del 2019 en los puntos de monitoreo Base aérea, Compartir y Univalle de la ciudad de Santiago de Cali que registraron valores de alerta provocados por los incendios forestales en el Valle del Cauca, que coincide con el pico presentado en las estaciones de monitoreo 1,2 y 4 del municipio de Vijes para PM10.

67

Figura 25. Concentración de material particulado PM2.5 registrado del 15 de agosto al 18 de agosto del 2019, en las estaciones de monitoreo Base Aérea, Compartir y Univalle de la ciudad Santiago de Cali.

Adaptado de DAGMA. Derechos de autor 2019.

Aunque en la Figura 18 se puede observar todo lo contrario, las concentraciones de material particulado PM2.5 no sobrepasan la normativa ambiental (Res. Miniambiente y Desarrollo Sostenible 2254, 2017, p.2) la cual indica un valor máximo permisible de 37 μg/m3 si sobrepasan las concentraciones registradas en los puntos de monitoreo 1,2 y 4 de PM10 (Figura 17).

No obstante, se evidencia presencia de algunos picos que superan la normativa de PM10, no significa que exista alarma de contaminación, dado que, las duraciones de los picos no sobrepasan un periodo de 48 horas continuas, las gráficas representan el promedio del día.

A su vez, fue posible determinar cuáles son las horas en las que se eleva la concentración de material particulado de PM10 y PM2.5 y en que franja horaria presenta la menor concentración en los cuatro puntos de monitoreo. Aunque en la normativa colombiana existente no dicta un valor máximo horario, fue utilizada los valores máximos permisibles para un periodo de exposición de 24 horas de la Res. Miniambiente y Desarrollo Sostenible 2254 (2017, p.2), como parámetro de referencia en este análisis.

El máximo valor de concentración obtenido de PM10 comienza a incrementar desde las 6:00 am hasta las 9:00 am para los 4 puntos de monitoreo. Por otro lado, se

68

evidencia también un aumento de la concentración desde las 14:00 pm a 19:00 pm solo para el punto de monitoreo 1. Ver Figura 20.

Figura 26. Datos promedio horario de PM10, registrado entre mayo, junio y julio del 2019 en el municipio de Vijes en los cuatro puntos de monitoreo.

Figura 27. Datos promedio horario de PM10, registrado entre mayo, junio y julio del 2019 en el municipio de Vijes en los cuatro puntos de monitoreo.

69

Al igual que el monitoreo diario, en el monitoreo horario de material particulado PM2.5no se observó ninguna elevación de la concentración a lo largo de las 24 horas del día, pues sus concentraciones se mantienen por debajo de la normativa máximo permisible. Ver Figura 21.

La fracción gruesa de material particulado PM10 se atribuye a procesos mecánicos (prensado, molienda, abrasión, rompimiento de sólidos) mientras que el material partículas PM2.5 o fracción fina resulta de aquellos procesos de combustión, en particular por procesos de combustión. Es importante resaltar que, estas últimas son las que más importancia tienen en la contaminación urbana ya que pueden penetrar profundamente en los pulmones y poseen riesgos potenciales significativos para la salud. Ver Figura 1.

Ahora bien, se puede decir que las concentraciones de PM2.5 fueron superadas por la fracción gruesa (PM10) procedente de la resuspensión originada de las explotaciones de cal, siendo este un proceso productivo continuo de la región de estudio. Caso contrario ocurrió con las fuentes de PM2.5, del cual, los procesos de combustión de la zona no represento trascendencia en las mediciones por la baja presencia de ellos en el municipio Vijes, identificadas como establecimientos comerciales, de los cuales se asocia a ventas ambulantes que utilizan carbón mineral como combustible y su frecuencia no es considerable para el presente estudio.

Por último, las concentraciones de PM10 y PM2.5 fueron evaluadas acorde al Índice de Calidad de Aire (ICA) para el cual el ICA se calculó a partir de la siguiente ecuación:

𝐼𝐶𝐴𝑝 = 𝐼𝐴𝑙𝑡𝑜−𝐼𝐵𝑎𝑗𝑜

𝑃𝐶𝐴𝑙𝑡𝑜−𝑃𝐶𝐵𝑎𝑗𝑜 𝑥 ( 𝐶𝑝 − 𝑃𝐶𝐵𝑎𝑗𝑜) + 𝐼𝐵𝑎𝑗𝑜 Ecuación N°1

Donde:

𝐼𝐶𝐴𝑃: 𝐼𝑛𝑑𝑖𝑐𝑒 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑒𝑙 𝑐𝑜𝑛𝑡𝑎𝑚𝑖𝑛𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑃 𝐶𝑃: 𝐶𝑜𝑛𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑚𝑒𝑑𝑖𝑑𝑎 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑒𝑙 𝑐𝑜𝑛𝑡𝑎𝑚𝑖𝑛𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑃 𝑃𝐶𝐴𝑙𝑡𝑜: 𝑃𝑢𝑛𝑡𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑟𝑡𝑒 𝑚𝑎𝑦𝑜𝑟 𝑜 𝑖𝑔𝑢𝑎𝑙 𝑎 𝐶𝑃 𝑃𝐶𝐵𝑎𝑗𝑜: 𝑃𝑢𝑛𝑡𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑟𝑡𝑒 𝑚𝑒𝑛𝑜𝑟 𝑜 𝑖𝑔𝑢𝑎𝑙 𝑎 𝐶𝑃 𝐼𝐴𝑙𝑡𝑜: 𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑑𝑒𝑙 𝐼𝐶𝐴 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑒𝑠𝑝𝑜𝑛𝑑𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑎𝑙 𝑃𝐶𝐴𝑙𝑡𝑜 𝐼𝐵𝑎𝑗𝑜: 𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑑𝑒𝑙 𝐼𝐶𝐴 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑒𝑠𝑝𝑜𝑛𝑑𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑎𝑙 𝑃𝐶𝐵𝑎𝑗𝑜

Tomada de la normativa colombiana de la Resolución 2254 del año 2017 capitulo IV, articulo 18, este índice adimensional reporta la calidad del aire en función de un código de colores al que están asociadas unos efectos generales que deben ser

70

tenido en cuenta para reducir la exposición a las altas concentraciones por parte de la población relacionado en el Anexo E. A continuación, se muestran los resultados calculados a partir de la ecuación N°1 y Anexo F. Tabla 7. Cálculo del Índice de Calidad del Aire (ICA) para los puntos de monitoreo de material particulado PM10 y PM2.5.

Punto de monitoreo

PM10 [𝝁𝒈𝒎𝟑⁄ ] PM2.5 [𝝁𝒈

𝒎𝟑⁄ ]

Concentración ICA Color Estado de calidad del

aire Concentración Color ICA

Estado de calidad del

aire 1 65.25 54.58 Amarrillo Aceptable 5.14 Verde 21.41 Buena 2 65.08 55.98 Amarrillo Aceptable 4.98 Verde 20.75 Buena 3 30.96 28.66 Verde Buena 2.87 Verde 11.95 Buena 4 56.15 51.56 Amarrillo Aceptable 4.96 Verde 20.66 Buena

Nota: Índices de calidad del aire calculado para los cuatro (4) puntos de monitoreo de material particulado ubicados en el municipio de Vijes-Valle del Cauca. Derechos

A través de la Tabla 7. Se evidencia que el municipio con respecto a PM10 posee una calidad de aire aceptable para tres (3) de los cuatro (4) puntos de monitoreo (puntos de monitoreo 1,2 y 4) lo cual indica que puede repercutir posibles síntomas respiratorios en grupos poblacionales sensibles en la que se incluye mujeres embarazadas, adultos mayores, personas con enfermedades respiratorias, niños, adolescentes y personas que practican deporte al aire libre. Contrario sucedió con los puntos de monitoreo de PM2.5, en la que se observa una calidad del aire buena en los cuatro (4) puntos de monitoreo y la contaminación atmosférica supone un riesgo bajo para la salud.

7.3 CONDICIONES METEROLÓGICAS

El análisis de los aspectos meteorológicos se centró en los siguientes parámetros: temperatura (°C), intensidad de radiación solar (W/m2), velocidad del viento (m/s) y dirección, humedad relativa (%), presión atmosférica (mmHg) y precipitación (mm de H2O), medidos con una estación Davis localizada como se indicó en la metodología, y acorde a la recomendación del meteorólogo Lars Gidhagen (Instituto de Meteorología de Suecia) a 15 de m de altura (de los cuales 5 m corresponden a la altura de la estación de policía Vijes y 10 m de la terraza del segundo piso al punto de instalación de la estación meteorológica) representativa de las condiciones del casco urbano del municipio de Vijes, libre de obstáculos e interferencias.

71

Tabla 8. Descripción de los parámetros meteorológicos registrados en el periodo diciembre 2018, mayo, junio, julio y agosto del 2019.

Periodo de muestreo Parámetro Media (Desv. Est.) Máximo Mínimo

DICIEMBRE 2018

Temperatura (°C) 27.56 (3.02) 30.2 18.1

Viento (m/s) 3.78 (2.19) 7.6 0.4 Intensidad de radiación solar

(W/m2) 403.68 (290.58) 1072 1

Humedad relativa (%) 62.53 (10.29) 93 52

Presión atmosférica (mmHg) 753.46 (1.88) 760.1 751.4

Precipitación (mm de H2O) 0.0004 (0.006) 0.2 0.2

MAYO 2019

Temperatura (°C) 23.50 (2.71) 29.8 19.1

Viento (m/s) 1.63 (1.73) 8 0.4 Intensidad de radiación solar

(W/m2) 409 (360.88) 1110 1




JUNI0 2019

Temperatura (°C) 24.14 (2.84) 30.1 19.5

Viento (m/s) 2.19 (1.64) 6.3 0.4 Intensidad de radiación solar

(W/m2) 419.09 (314.04) 1218 1




JULIO 2019

Temperatura (°C) 24.88 (2.83) 30.8 18.6

Viento (m/s) - - - Intensidad de radiación solar

(W/m2) 453.78 (340.74) 1261 1


Presión barométrica (mmHg) 755.82 (1.59) 760.3 752.7


AGOSTO 2019

Temperatura (°C) 24.76 (2.98) 32.2 17.6

Viento (m/s) - - - Intensidad de radiación solar

(W/m2) 457.61 (331.80) 1258 1




Nota: Valores promedio, máximo y mínimo de los parámetros meteorológicos Temperatura, Intensidad de radiación solar, Viento, Humedad Relativa, Presión atmosférica y Precipitación registrados en el municipio de Vijes, registrado entre los meses de diciembre del 2018, mayo, junio, julio y agosto del 2019.

72

Tabla 9. Velocidad del viento registrados en el periodo julio & agosto del año 2019 por Cenicaña, Estación Yotoco.

Periodo de muestreo Parámetro Media (Desv. Est.) Máximo Mínimo

JULIO 2019 Viento (m/s) 1.81 (1.30) 7.4 0.2

AGOSTO 2019 Viento (m/s) 2.06 (1.56) 8.8 0.2

Nota: Valores promedio, máximo y mínimo del parámetro metrológico viento. Adaptada de Intensidad de radiación solar, Viento, Humedad Relativa, Presión atmosférica y Precipitación registrados en el municipio de Yotoco, estación Cenicaña, registrado en los meses de julio y agosto del 2019. Adaptada por G. Restrepo CVC, 2019.

La temperatura se mantuvo en el rango promedio de la zona de 24°C. Muestra que el promedio obtenido durante los 5 meses de medición fue de 24.97 °C, correspondiente a lo mencionado, de la cual la temperatura máxima alcanzada fue de 32.2 °C en el mes de agosto y la temperatura mínima no bajo de los 17 °C. Por otro lado, durante los meses de julio y agosto no fue posible el registro de velocidad y dirección del viento, debido a daños en el anemómetro y veleta dificultando la toma de los datos en dicho periodo. Por tanto, para el desarrollo de este proyecto por información directa de la CVC se tomó la información de los meses faltantes (julio y agosto del 2019) de la estación meteorológica Cenicaña (2019), ubicada en el municipio de Yocoto que es aledaña al área de estudio, municipio Vijes (Tabla 8.). Esta información fue facilitada por el químico German Restrepo, CVC para solo uso institucional.

Durante el mes de diciembre (2018) la velocidad del viento en promedio fue de 3.78 m/s, con un máximo de 7.6 m/s, mientras que en el mes de mayo (2019) registro un promedio mucho menor, 1.63 m/s pero obtuvo un pico momentáneo alto de 8 m/s, por último, en el mes de junio (2019) obtuvo un valor promedio de velocidad de 2.19 m/s y un máximo valor alcanzado de 6.3 m/s. Para los tres meses mencionados, el valor mínimo de velocidad de viento correspondió a 0.4 m/s. Por otro lado, para los meses de julio y agosto (2019) acorde a los valores registrados en la estación meteorológica de Yotoco, los valores de velocidad no sobrepasaron los 2.06 m/s, sus picos momentáneos fue de 7.4 m/s y 8.8 m/s respectivamente y similares a las registradas en el mes de diciembre (2018) y mayo (2019) de la estación meteorológica de Vijes.

Con relación a la intensidad de la radiación solar se observó que se mantuvo en un rango de 400 a 460 W/m2, en los cinco meses de medición en el municipio de Vijes.

73

De este comportamiento dependen las variaciones de temperatura y la velocidad del viento en el municipio.

La humedad relativa registró valores máximos de 70% durante los meses de mayo, julio y junio del año 2019, mientras que los meses de diciembre (2018) y agosto (2019) tuvieron un promedio de 60%. Por otra parte, durante los 5 meses de medición, los valores de presión atmosférica presentaron fueron similares, es decir, presentaron pequeñas variaciones alrededor de 750 mmHg.

Por último, la precipitación presentó picos intermitentes durante los cinco meses, con un promedio de 0,0004 mm/mes (diciembre/2018), 0.055 mm/mes (mayo/2019), 0.65 mm/mes (junio/2019), 0.88 mm/mes (julio) y finalmente, 0.5 mm/mes (agosto/2019), siendo el mes de julio el de mayor promedio registrado. Lo anterior muestra que las lluvias fueron frecuentes y suaves lavando las partículas contaminantes y contribuyendo positivamente a la calidad del aire.

A continuación, en las Figuras 22, 23, 24 y 25 se muestra la variación horaria de los parámetros meteorológicos: Intensidad de radiación solar (W/m2), Temperatura (°C), Velocidad del viento (m/s) y Precipitación (mm de H2O).

Figura 28. Promedio horario de Intensidad de radiación solar (W/m2) registrado en el periodo diciembre (2018) y mayo (2019) a agosto (2019), en el municipio de Vijes – Valle del Cauca.

74

Figura 29. Promedio horario de Temperatura (°C) registrado en el periodo diciembre (2018) y mayo (2019) a agosto (2019), en el municipio de Vijes – Valle del Cauca.

Figura 30. Promedio horario de Velocidad del viento (m/s) registrado en el periodo diciembre (2018) y mayo (2019) a junio (2019), en el municipio de Vijes – Valle del Cauca.

75

Figura 31. Promedio horario de Precipitación (mm de H2O) registrado en el periodo diciembre (2018) y mayo (2019) a junio (2019), en el municipio de Vijes – Valle del Cauca.

Con base en las figuras mencionadas, es posible observar una fuerte correlación entre ellas, es decir, la intensidad de la radiación solar se inicia a las 06, alcanzando el pico máximo entre las 11 y 12, posteriormente, decrece hasta desparecer a las 19 (Figura 22.). La dinámica de la intensidad de la radiación solar afecta la temperatura convirtiendo energía térmica en cinética molecular (Teoría cinética, Temperatura) (Giancoli, volumen 1,1984 p.391), por tanto, la curva de temperatura (Figura 23.) presenta un comportamiento similar al de la intensidad de la radiación solar con un desfase asociado al proceso de calentamiento de la atmósfera. Por otro lado, la velocidad del viento (Figura 24.) es afectada directamente por la variación de temperatura presentando un comportamiento semejante, es decir, disminuye y crece como lo hace la curva de temperatura.

Adicionalmente, la velocidad del viento tiene una variación acentuada a partir de las 14 horas, con un pico máximo entre las horas 16 y 19, acorde con el comportamiento característico asociado al piedemonte de la vertiente oriental de la cordillera occidental entre los municipios de Cali y Toro. Esto indica que los vientos del oeste son mayores y permite mayor dispersión mientras que durante la jornada en la mañana son vientos suaves, los cuales no dispersan los contaminantes causando daños a la salud y biodiversidad del territorio.

Por último, las horas de mayor precipitación (Figura 25.) se presentan entre las 04 y 07 contribuyendo al lavado de las partículas en un rango de tiempo de vientos

76

suaves, permitiendo conservar la calidad del aire en el municipio. Por tanto, es importante mencionar que en el municipio de Vijes la calidad del aire algunas veces depende de la velocidad del viento y otras de la precipitación.

No obstante, relacionando con las concentraciones de material particulado registrado en el capítulo 7.2 Monitoreo de PM10 y PM2.5 en el municipio de Vijes-Valle del Cauca, p.69, es posible afirmar que, a lo largo de la jornada de mañana partiendo de la 01 a las 11 horas, la atmosfera es baja, por lo cual, existe menos volumen y esto provoca que aumente la concentración de material particulado, por el contrario, durante la jornada de la tarde acentuada a partir de las 14 horas, el incremento de la temperatura permite al volumen de la atmosfera tener un volumen mayor y dispersar los contaminantes, específicamente material particulado.

7.4 ANÁLISIS DE LA DISTRIBUCIÓN DE LOS VIENTOS

El objetivo fundamental de este estudio, fue determinar la dinámica de los vientos en el municipio de Vijes. La cual fue posible determinar usando la veleta (dirección) y el anemómetro (velocidad) de la estación meteorológica ubicada a 15 metros de altura. Con los datos obtenidos en intervalos de 15 minutos se realizaron tablas y gráficas que permitieron obtener la rosa de los vientos asociada al casco urbano del municipio, la cual, permitió entender la tendencia de los vientos durante los meses de diciembre del 2018, mayo, junio del 2019 en el municipio de Vijes con su respectivo rango de velocidad y dirección en diferentes segmentos horarios del día. (Fig. 26, 27 y 28). También fue posible analizar la velocidad y dirección del viento de los meses julio y agosto del 2019 registradas en la estación meteorológica de Yotoco (Fig. 29 y 30).

77

Figura 32.Rosa de los vientos del municipio de Vijes. Promedio mensual, registrado en el mes de diciembre del 2018.

Figura 33.Rosa de los vientos del municipio de Vijes. Promedio mensual, registrado en el mes de mayo del 2019.

78

Figura 34. Rosa de los vientos del municipio de Vijes. Promedio mensual, registrado en el mes de junio del 2019.

Figura 35.Rosa de los vientos de la estación meteorológica Yotoco. Promedio mensual, registrado en el mes de julio del 2019.

79

Rosa de los vientos. Estación meteorológica Yotoco. Agosto del 2019

Figura 36.Rosa de los vientos de la estación meteorológica Yotoco. Promedio mensual, registrado en el mes de agosto del 2019.

La Figura 26, 27 y 28. muestra que el viento predomina del Oeste (W) con dirección 270° para los tres meses de medición. Por otro lado, la mayor velocidad alcanzada se registró durante el mes de mayo (Figura 27) con dirección Oeste Sudeste (SWS) y un valor de 8 m/s la cual acorde a la escala de Beaufort (ver anexo B) representa una brisa fresca que genera el movimiento de árboles pequeños y mayor arreste de material particulado. Mientras que las velocidades máximas alcanzadas durante los meses de diciembre del 2018 (Figura 26) con un valor de 7.6 m/s y junio del 2019 (Figura 28) con 6.3 m/s se ubican en la categoría de brisa moderada que produce solo movimiento de ramas pequeñas y levantamiento de polvo. En la gráfica también se muestra que, aunque hay vientos del noreste, este (levante) y sureste (siroco) estos son de menor velocidad pues en promedio no superan 2 m/s.

Acorde al registro de la estación meteorológica de Yotoco se logró observar en la rosa de los vientos de los meses de julio y agosto (Figuras 29 y 30) que la dirección de vientos suaves, con velocidades inferiores a 3.6 m/s predomino Sur este (SE), mientras que, velocidades superiores a 7.4 m/s predomino la dirección Oeste (W) que coincide con el comportamiento observado en las Figuras 26,27 y 28 de la estación meteorológica ubicada en el área de estudio.

80

En las Figuras 31 - 39 se aprecia el comportamiento del viento discriminado entre las horas de la mañana (00:00 a 12:00), tarde (12:00 a 18:00) y noche (18:00 a 00:00). Durante el mes de diciembre del año 2018, predomino la dirección desde el Oeste (W) con velocidades de viento mayores a 6.7 m/s (Figura 31), que va incrementando durante la tarde hasta alcanzar un valor de 7.6 m/s (Figura 32) con dirección Oeste Sudoeste (SWS) y que disminuyen a horas de la noche con un valor de 7,2 m/s (Figura 33) en la misma dirección descrita en la jornada de la mañana.

Figura 37. Rosa de los vientos del municipio de Vijes. Promedio respecto a cada jornada del día, registrado en el mes de diciembre del 2018.

81

ROSA DE LOS VIENTOS.MUNICIPIO DE VIJES. DICIEMBRE 2018. JORNADA TARDE 12:00 A 18:00


ROSA DE LOS VIENTOS. MUNICIPIO DE VIJES. DICIEMBRE 2018 JORNADA NOCHE 18:00 A 00:00


82

Durante el mes de mayo del 2019 el viento presenta direcciones W, SWS y NE al SE predominando en su mayoría la dirección proveniente del Oeste (W) con velocidades menores a 2.3 m/s durante las horas de la mañana (Figura 34), 6.3 m/s a lo largo de la tarde (Figura 35) y en horas de la noche alcanza una velocidad máxima de 8 m/s con dirección SWS. (Figura 36).

ROSA DE LOS VIENTOS. MUNICIPIO DE VIJES. MAYO 2019. JORNADA MAÑANA 00:00 A 12:00

Figura 40.Rosa de los vientos del municipio de Vijes. Promedio respecto a cada jornada del día, registrado en el mes de mayo del 2019.

83

ROSA DE LOS VIENTOS. MUNICIPIO DE VIJES. MAYO 2019. JORNADA TARDE 12:00 A 18:00

Figura 41.Rosa de los vientos del municipio de Vijes. Promedio respecto a cada jornada del día, registrado en el mes de mayo del 2019.

ROSA DE LOS VIENTOS. MUNICIPIO DE VIJES. MAYO 2019. JORNADA NOCHE 18:00 A 00:00

Figura 42. Rosa de los vientos del municipio de Vijes. Promedio respecto a cada jornada del día, registrado en el mes de mayo del 2019.

84

A su vez, durante el mes de junio del 2019, la dirección del viento presenta un patrón repetitivo desde el W, SWS y E mostrando un flujo de viento bajo en horas de la mañana que no supera los 2.2 m/s desde Oeste (W) y 1.8 m/s en promedio con dirección del Este (E) (Figura 37) mientras que en horas de la tarde y noche alcanza un valor máximo contante de 6.3 m/s proveniente del Oeste (W) y Sudoeste (SWS) (Figura 38 y 39).

ROSA DE LOS VIENTOS. MUNICIPIO DE VIJES. JUNIO 2019.

JORNADA MAÑANA 00:00 A 12:00

Figura 43.Rosa de los vientos del municipio de Vijes. Promedio respecto a cada jornada del día, registrado en el mes de junio del 2019.

85

ROSA DE LOS VIENTOS. MUNICIPIO DE VIJES. JUNIO 2019. JORNADA TARDE 12:00 A 18:00

Figura 44.Rosa de los vientos del municipio de Vijes. Promedio respecto a cada jornada del día, registrado en el mes de junio del 2019.

ROSA DE LOS VIENTOS. MUNICIPIO DE VIJES. JUNIO 2019. JORNADA NOCHE 18:00 A 00:00

Figura 45. Rosa de los vientos del municipio de Vijes. Promedio respecto a cada jornada del día, registrado en el mes de junio del 2019.

86

De acuerdo a los resultados presentados se puede inducir que tanto la dirección como la velocidad del viento durante los tres meses de medición presentan un comportamiento similar de un mes a otro. Finalmente, la dirección predominante resulta ser proveniente del Oeste (W), incluyendo Oeste Sudeste (SWS) y Este (E); siendo esta última dirección quien presenta las velocidades más bajas con un rango de 0.4 m/s a 3.3 m/s en promedio observado en las tres diferentes jornadas.

Por último, se analizó el efecto de la intensidad de radiación solar sobre la distribución y velocidad de los vientos en el área de estudio en dos jornadas, las cuales fueron, con radiación solar presente (08 a 20 horas) (Figura 40) y sin radiación solar presente (20 a 08 horas). Tal como se puede apreciar en la Figura 39, es posible observar que bajo el efecto de la radiación solar predominan vientos suaves con velocidades 2.2 m/s procedentes del Noreste (NE) y del Sur este (SE), no obstante, se observaron vientos provenientes del Oeste(W) y Sudoeste (SWS) de 6 m/s, mientras que, en ausencia de la radiación solar (Figura 41), solo se presentan vientos que provienen del Oeste (W) con una velocidad máxima de 6.7 m/s, lo cual beneficia a la dispersión de material particulado dado que a mayor velocidad menor concentración.

ROSA DE LOS VIENTOS, MUNICIPIO DE VIJES, DISTRIBUCIÓN DEL VIENTO CON RADIACIÓN SOLAR PRESENTE 8:00 A 20:00

Figura 46.Distribución de los vientos con incidencia de la intensidad de la radiación solar (08 – 20) en el casco urbano del municipio de Vijes.

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ROSA DE LOS VIENTOS, MUNICIPIO DE VIJES, DISTRIBUCIÓN DEL VIENTO EN AUSENCIA DE LA RADIACIÓN SOLAR PRESENTE 20:00 A 08:00

Figura 47. Distribución de los vientos en ausencia de la radiación solar (20 – 08) en el casco urbano del municipio de Vijes.

7.5 POSIBLE RELACIÓN DE LAS FUENTES DE CONTAMINACIÓN EXISTENTES EN EL MUNICIPIO DE VIJES CON LAS CONCENTRACIONES DE MATERIAL PARTICULADO PM10 Y PM2.5

Durante el desarrollo de este proyecto se llevó a cabo la identificación de posibles fuentes de contaminación que posiblemente afectarían la calidad del aire en Vijes, en áreas cercanas a los puntos de monitoreo y como estos podrían influenciar el nivel de concentración de material particulado PM10 y PM2.5.

En el punto de monitoreo uno (1), (Figura 8) ubicado en las coordenadas 3.6972323 N -76.4384323 W, su principal foco de contaminación podría provenir de la vía nacional panorama en la que transitan en alrededor 13163 vehículos/días automóviles, camiones de carga y motos, entre otros, de acuerdo al aforo realizado por el grupo de investigación de modelación y simulación (GIMS) de la Universidad Autónoma de Occidente durante el año 2019. A su vez, cerca al perímetro de este punto de monitoreo se localizan pocas fuentes fijas, identificadas como establecimientos comerciales, de los cuales solo existe un puesto de venta ambulante de producción de arepas, que utiliza carbón mineral como combustible, con un horario de operación de 17:00 a 21:00 de lunes a domingo, en el cual utilizan aproximadamente 3 bultos a la semana (6000 g), además existe carpintería

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artesanal, la cual, hace emisiones no continuas, es decir, en las etapas de corte de madera, lijado y pintura, lo cual representa aproximadamente tres (3) días semana de emisiones.

Con relación al segundo (2) punto de monitoreo (Figura 8), ubicado en las coordenadas 3.70313 N – 76.43984 W, existe un tramo despavimentado correspondiente a la trasversal 8c, la cual podría contribuir al aumento de material suspendido en el aire y repercutiendo en el incremento de las concentraciones de material particulado.

En el punto de monitoreo tres (3) (Figura 8), ubicado en las coordenadas 3.6987226 N – 76.4421616 W, en el centro del municipio, en él se logró identificar 4 fuentes fijas, sin embargo, al ser establecimientos comerciales pequeños y no tener una alta frecuencia de producción no representan un foco alto de contaminación. Entre ellos están, un restaurante que utiliza leña únicamente un día a la semana, desde las 10 a 12 del mediodía, un asadero de pollo que usa como combustible carbón mineral en el mismo horario que él anterior, durante 4 días a la semana y, por último, cerca de este punto de monitoreo, se ubican 3 puestos ambulantes de arepas que también utilizan carbón mineral de lunes a domingo desde las 5:30 a las 11:00 utilizando la misma cantidad que en el punto de monitoreo 1.

Por último, el punto de monitoreo cuatro (4) (Figura 8), localizado en las coordenadas 3.42059 N – 76.26450 W, se encuentra más próximo a las canteras de piedra caliza del municipio de Vijes. Acorde a Contreras Rengifo (2017) indicó en su tesis de maestría “Impacto de la actividad calera sobre la calidad del aire en el casco urbano del municipio de Vijes” que, existen diferentes fuentes que contribuyen al PM en la explotación de Cal en Vijes, y que corresponden en primera instancia a las relacionadas con extracción, transporte, procesamiento en hornos y despacho de la cal a los diferentes clientes que demandan de ella. A su vez, resalta que, en cada una de estas etapas, se genera polvo de cal, básicamente material particulado grueso (pp. 89-91.).

De otro lado, la producción del material particulado fino PM2,5 es generado durante las explosiones con ANFO en las minas y en el proceso de calcinación en los hornos continuos, donde ocurre la transformación de la roca caliza en cal (Contreras, 2017, pp.28-30).

Una vez identificadas que posibles fuentes pueden influir en los niveles de concentración de material particulado (PM10 y PM2.5) y comparando con el monitoreo realizado durante aproximadamente 4 meses (16 de mayo al 23 de agosto) en el municipio de Vijes, se puede deducir que, la población de Vijes muestra que sus

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niveles de material particulado no sobrepasan el máximo permisible por la norma 24 horas EPA para PM10 y PM2.5 a los cuales corresponde un valor máximo de 150 𝜇𝑔

𝑚3⁄ PM10 y 35 𝜇𝑔𝑚3⁄ PM2.5. Sin duda que su ubicación geográfica bordeada por la

cordillera occidental y los vientos catabáticos provenientes del Pacífico disminuyen las concentraciones de material particulado por el arrastre de los vientos provenientes en su mayoría del Oeste (W), Sudoeste (SWS) y Este (E).

Con respecto a la normativa colombiana de la Resolución 2254 del año 2017, se evidenció que los posibles focos de contaminación no contribuyeron significativamente con PM2.5, dado que, no se observaron picos que superaran la norma, representando un factor positivo. Por tratarse de un material de diámetro inferior o igual 2.5 𝜇𝑚 , es la fracción respirable más pequeña, su tamaño hace que sea 100% inhalable ya que estas partículas ingresan profundamente en los pulmones, penetrando en el aparato respiratorio y depositándose en los alvéolos pulmonares, incluso pueden llegar al torrente sanguíneo, lo cual, tiene más repercusión en la salud (EPA, 2018, párr. 6).

Sin embargo, con respecto al material particulado PM10, se observó presencia de picos en los puntos de monitoreo 1,2 y 4, los cuales fueron relacionados con los incendios forestales presentados entre el mes de julio y agosto del año 2019 dado que, antes de este periodo, a pesar de los focos de contaminación expuestos, no se generó alarma en los niveles de concentración medidos en los meses mencionados, mientras que, en el mismo periodo en el punto de monitoreo 3 no presentó ningún pico que superara la norma. Lo anterior es posible relacionar a las bajas velocidades presentadas en estos meses y que fueron registradas por la estación meteorológica de Yotoco (Tabla 8) y observados en la rosa de los vientos de las Figuras 30 y 31. En los meses de julio y agosto del 2019, el viento presento direcciones del norte (N) al sur (S) predominando en su mayoría la dirección proveniente del Sureste (SE) con velocidades inferiores a 3.6 m/s, lo cual, posiblemente prolifero el transporte de contaminantes (vientos suaves) en la situación mencionada.

A continuación, en las Figuras 42 y 43 se presenta la correlación de la distribución de los vientos en las jornadas con intensidad de radiación solar presente y no presente dentro del municipio de Vijes respectivamente, con respecto a cada punto de monitoreo. Con base en los resultados asociados a la rosa de los vientos, se observó predominancia de los vientos procedentes del Este (E) con baja velocidad (vientos suaves) en presencia de radiación solar, lo cual posiblemente, no permitió la dispersión de contaminantes en los puntos uno, dos y cuatro. Similarmente, en ausencia de radiación solar se observó predominancia de los vientos provenientes del Oeste (W) con velocidades mayores (vientos fuertes) causando dispersión en las concentraciones de los contaminantes en los cuatro puntos de monitoreo.

Figura 48. Posible incidencia de fuentes emisoras cercanas a los puntos de monitoreo con respeto a la rosa de los vientos con radiación solar presente (08:00 a 20:00).

Figura 49. Posible incidencia de fuentes emisoras cercanas a los puntos de monitoreo con respeto a la rosa de los vientos en ausencia de radiación solar (20:00 a 08:00).

Nota: Derechos propios de autor, 2019.

8. CONCLUSIONES

El presente proyecto hace parte de la segunda experiencia documentada del uso de sensores ópticos para medir material particulado en el municipio de Vijes del departamento del Valle del Cauca, en la obtención de datos confiables de PM10 y PM2.5 para ser usados en estudios de calidad del aire.

De acuerdo con el estudio realizado en la presente investigación, se observó que, en 3 de los 4 puntos de monitoreo, los resultados de las concentraciones de PM10 del promedio mensual y diario, sobrepasó los estándares establecidos por la normativa colombiana (Res. Miniambiente y Desarrollo Sostenible 2254, 2017, p.2) para un tiempo de exposición anual, correspondiente al valor de 50 𝜇𝑔

𝑚3⁄ (Tabla 6) y diario de 75 𝜇𝑔

𝑚3⁄ (Figura 17). No obstante, los valores monitoreados de PM2.5 no excedieron los niveles permisibles por la normativa colombiana ni tampoco de la internacional declarada por la Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos EPA. Lo anterior, muestra que las altas concentraciones de PM10 en tres puntos de monitoreo (1,2 y 4) se debe a circunstancias transitorias asociadas a construcciones de vivienda y de vías (las cuales no estaban en proceso cuando se inició el proyecto y la selección de los puntos de monitoreo). Además, el punto de monitoreo 3 (centro geográfico del municipio) no excedió los límites permisibles dado que en su entorno no hubo alteraciones urbanísticas, por lo que la calidad en general del aire es buena en este punto.

Con respecto al análisis realizado sobre las variables meteorológicas se pudo observar que la intensidad de la radiación solar, la temperatura y la velocidad del viento se correlacionan estrechamente, contribuyendo de manera positiva a la dispersión de material suspendido. La temperatura presenta un comportamiento similar al de la radiación solar con un desfase asociado al proceso de calentamiento de la atmósfera (Figuras 22 y 23), mientras esto sucede, la velocidad del viento (Figura 24) es afectada por la dinámica anterior, lo cual se manifiesta en horas de la madrugada cuando los vientos descienden en ausencia de radiación solar y en horas de la mañana (05 a 10) presenta vientos suaves los cuales no dispersan los contaminantes; posteriormente se incrementa los vientos entre las 10 y las 19 horas lo cual ocurre en presencia de radiación solar. En el intervalo de las 16 a las 20 horas se presentan los vientos fuertes y finalmente descienden al desaparecer la radiación solar cuando las masas de aire se van enfriando. También se observó, que los rangos de precipitación (Figura 25) ocurren en el mismo lapso de vientos suaves, lo que permite lavar las partículas conservando la calidad del aire y previniendo daños a la salud y la biodiversidad.

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También, fue posible observar que el promedio mensual registrado en los meses de diciembre (2018), mayo (2019), junio (2019), julio (2019) y agosto (2019) (Figura 26,27,28,29 y 30 parr 1, pp.77-79), la dirección del viento que predominó fue la procedente del Oeste (W) y Sudoeste (SWS), lo cual, posiblemente puede influir en la dispersión o transporte de PM, el cual dependerá de vientos suaves (transporte de contaminantes) o vientos fuertes (dispersión de contaminantes).

De otro lado, los resultados encontrados mostraron que el comportamiento de material particulado respirable (PM10 y PM2.5), en el casco urbano del municipio de Vijes, es afectado por las posibles fuentes emisoras asociadas a emisiones desde hornos de Cal, suelo destapado, dinámica residencial, ventas ambulantes pequeñas empresas artesanales y el tráfico vehicular de la vía panorama nacional, entre otros. Sin embargo, estas fuentes no representan señal de alarma dado que durante los meses de medición las concentraciones no superaron la norma ambiental colombiana. No obstante, en el periodo de julio y agosto (Figura 17) se superó la normativa ambiental colombiana, posiblemente ocasionada por la emergencia ambiental presentada en los diferentes incendios forestales ocurridos en los municipios aledaños a Vijes (Yumbo, Yotoco, Cali, entre otros).

Con base en lo anterior, se encuentra que en el municipio se presentan incrementos de material particulado. Como se observa en la Tabla 6 y Fig. 17, las concentraciones de material particulado presentan incrementos que superan la normativa ambiental vigente; no obstante, se podría decir que no requiere una implementación urgente de programas de restricción de transporte, ni recomendaciones en procesos productivos, dado que los incrementos no se presentan en un periodo de 48 horas continuo para ser declarado como alerta. Sin embargo, se podrían implementar programas de pavimentación en calles descubiertas con alto flujo vehicular para reducir fuentes de material particulado expuestas al viento.

A su vez, comparando con el Índice de Calidad de Aire (Tabla 7.) en el municipio de Vijes la calidad del aire en tres (3) de las cuatro (4) puntos de monitoreo (punto de monitoreo 1,2 y 4) la calidad de aire es aceptable y en el punto de monitoreo tres (3) la calidad de aire, con respecto a material particulado PM10 es buena. De otra parte, el ICA calculado para las mediciones de PM2.5, para los cuatro (4) puntos de monitoreo, indican una buena calidad del aire, lo que presenta un riesgo bajo para la salud humana.

Finalmente, basado en los resultados de la presente investigación se puede afirmar que, a pesar de la emergencia ambiental generada por los incendios forestales, que causaron un incremento en las contracciones de PM10, provocando picos de corta duración, es decir, que no superaron intervalos de 48 horas (Figura 17 (a) (b) y (d)),

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mencionados anteriormente, el municipio de Vijes presenta una calidad del aire buena, favorecida por su geografía y dinámica de los vientos fuertes provenientes del Oeste (W) en ausencia de radiación solar (Figura 43) que dispersan el material suspendido en el aire y lo desplaza a otros lugares del entorno de la región de estudio, de tal modo que, no permite que las concentraciones se acumulen sobrepasando los niveles de inmisión de los estándares permitidos.

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9. RECOMENDACIONES

Las recomendaciones que se desprenden del desarrollo de este proyecto se a listan a continuación:

Se sugiere un periodo más largo (4 meses) y continuo para el proceso de intercalibración de los sensores ópticos Shinyei vs equipos de medición de la autoridad ambiental permitiendo así un mejor ajuste y confiablidad en sus mediciones.

Liberar los equipos de cómputo de permisos institucionales para garantizar continuidad en el registro de la información proporcionada por los sensores, dado que, para casos especiales como el presente, la UAO otorga privilegios de administración de equipos bajo la responsabilidad del investigador principal del proyecto.

Realizar mediciones de variables meteorológicas con una nueva estación meteorológica compatible con los sistemas operativos actuales para obtener fácil transferencia de datos a la consola y computadores.

Contar con una de red de monitoreo que permita leer remotamente de forma continua el seguimiento de las mediciones en los puntos de monitoreo, permitiendo detectar de manera pronta fallas en los equipos para ser atendidas de inmediato.

Teniendo en cuenta que la metodología de detección de PM usando sensores ópticos cobra cada día más fuerza, es conveniente explorar el comportamiento de otros equipos de medición portátiles y de bajo costo similares a los usados.

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ANEXOS

Anexo A. Funcionamiento del sensor óptico Shinyei.

El sensor cuenta con una resistencia que genera una corriente ascendente y un haz de luz infrarroja que provee un LED el cual, se centra en el lente en un punto de detección en su centro. Las partículas transportadas en el aire llegan a la caja del sensor con la corriente ascendente.

Como primer paso, las partículas en suspensión pasan a través del punto de detección dispersan la luz, la cual, es capturada por un receptor, posteriormente, la luz dispersada pasa a través de un lente y es transformada en una señal de pulso. Esta señal de pulso por la unidad de tiempo es proporcional a la concentración de partículas y es convertida en la salida de voltaje (PPD20V). Esta técnica recibe el nombre de anemometría laser y permite conocer velocidad y tamaño de partículas.

Es bueno precisar que, los sensores ópticos cuentan con una tarjeta de interface de conexión que expresa las salidas del sensor en concentración de masa por unidad de volumen en µg/m3 para PM2.5, y número de partículas por unidad de volumen en 𝑁𝑝

𝑚3⁄ para PM10, donde, el volumen es determinado por el fabricante (Contreras,2017, p.37). Adicionalmente, para las unidades de PM10 se requiere realizar un proceso estadístico que ajuste el sensor de medición.

De acuerdo al proveedor de los sensores ópticos Shinyei “Shinyei Technology Co., Ltd.”, para la transformación de unidades de PM10, optaron por una transformación lineal realizada en un ambiente controlado en la que se midió material particulado proveniente de humo de cigarrillo, cabe mencionar que no es posible aplicar esta misma ecuación para cada sensor, dado que, está siempre dependerá de las condiciones ambientales del entorno y el instrumento de referencia certificado.

Esquema simplificado del sensor óptico Shinyei Adaptada de PPD42NJ Particle Sensor Unit por SHINYEI TECHONOLOGY. Derechos de autor, 2016.

104

Transformación lineal de unidades realizado por Shinyei Technology Co., Ltd. en un ambiente controlado

Transformación lineal de unidades de PM10 en un ambiente controlado Adaptada de Shinyei Technology Co., Ltd.

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Anexo B. Escala de Beaufort.

Escala de Beaufort (Intensidad y percepción del viento), tomada de Cárdenas Salas, J.D. (2015). Viento y ventilación natural en la arquitectura.

106

Anexo C. Fotografías de la ubicación de cada punto de monitoreo en el municipio de Vijes-Valle del Cauca.

Punto de monitoreo 1. Punto de monitoreo 2. (3.6972323 N -76.4384323 W) (3.70313 N - 76.43984 W)

Punto de monitoreo 3. Punto de monitoreo 4.

(3.6987226 N - 76.4421616 W) (3.4205.9 N - 76.2645.0 W) Cajas termométricas con sensores ópticos Shinyei. Tomada por Autora, 18 de junio 2019.

107

Anexo D. Fotografías de equipos de medición.

Sensores ópticos Shinyei y consola Vantage. Tomada por Autora, 18 de junio 2019.

Estación meteorológica Davis y mantenimiento de la misma, ubicada a 15 metros de altura en la antena de la estación de policía del municipio de Vijes. Tomada por Pedro García, 10 de junio 2019.

108

Anexo E. Descripción general del Índice de Calidad del Aire (ICA)

Rango Color Estado de la calidad del aire Efectos

0-50 Verde Buena La contaminación atmosférica supone un riesgo bajo para la salud

51-100 Amarrillo Aceptable Posibles síntomas respiratorios en grupos poblacionales sensibles

101-150 Naranja Dañina a la salud de grupos sensibles

Los grupos poblacionales sensibles pueden presentar efectos sobre la salud. 1) Ozono Troposférico: Las personas con enfermedades respiratorias, niños, adultos mayores y las que constantemente realizan actividad física al aire libre, deben reducir su exposición a los contaminantes del aire. 2) Material Particulado: Las personas con enfermedad cardíaca o pulmonar, los adultos mayores y los niños se consideran sensibles y por lo tanto en mayor riesgo.

151-200 Rojo Dañina para la salud Todos los individuos pueden comenzar a experimentar efectos sobre la salud. Los grupos sensibles pueden experimentar efectos más graves para la salud.

201-300 Púrpura Muy dañina para la salud

Estado de alerta que significa que todos pueden experimentar efectos más graves para la salud.

301-500 Marrón Peligroso

Advertencia sanitaria. Toda la población puede presentar efectos adversos graves en la salud humana y están propenso a verse afectado por graves efectos sobre la salud.

Descripción general del Índice de Calidad del Aire. Tomada artículo 18, capítulo IV de la Resolución 2254 del año 2017 (pp.8-9).

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Anexo F. Puntos de corte del Índice de Calidad del Aire (ICA)

Índice de calidad del aire Puntos de corte del ICA

ICA Color Categoría PM10 µg/m3

24 horas

PM2.5 µg/m3

24 horas 0-50 Verde Buena 0-54 0-12

51-100 Amarrillo Aceptable 55-154 13-37

101-150 Naranja Dañina a la salud de Grupos Sensibles 155-254 38-55

151-200 Roja Dañina a la salud 255-354 56-150201-300 Purpura Muy dañina a la salud 355-424 151-250

301-500 Marrón Peligrosa 425-604 251-500

Puntos de corte del ICA. Tomada artículo 18, capítulo IV de la Resolución 2254 del año 2017 (p. 9).

evaluaciÓn de las concentraciones atmosfÉricas …

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