El modelado de la dispersión del aire en carreteras es el estudio del transporte de contaminantes del aire desde una carretera u otro emisor lineal. Se requieren modelos de computadora para realizar este análisis, debido a las complejas variables involucradas, incluidas las emisiones de los vehículos, la velocidad del vehículo, la meteorología y la geometría del terreno . La dispersión de fuentes de línea se ha estudiado al menos desde la década de 1960, cuando el marco regulatorio en los Estados Unidos comenzó a exigir un análisis cuantitativo de las consecuencias de la contaminación del aire de los principales proyectos de carreteras y aeropuertos. A principios de la década de 1970, este subconjunto de modelos de dispersión atmosférica se estaban aplicando a casos reales de planificación de carreteras, incluso incluidos algunos casos judiciales controvertidos.
Como funciona el modelo
El concepto básico del modelo de dispersión del aire en las carreteras es calcular los niveles de contaminantes del aire en las cercanías considerándolos como fuentes lineales. El modelo tiene en cuenta las características de la fuente, como el volumen de tráfico, la velocidad de los vehículos, la mezcla de camiones y los controles de emisión de la flota; además, se abordan la geometría de las carreteras, el terreno circundante y la meteorología local. Por ejemplo, muchos estándares de calidad del aire requieren que se apliquen ciertas condiciones meteorológicas cercanas al peor de los casos.
Los cálculos son lo suficientemente complejos como para que un modelo de computadora sea esencial para llegar a resultados autorizados, aunque se han desarrollado manuales tipo libro de trabajo como técnicas de selección. En algunos casos donde los resultados deben ser evaluados (como casos legales), la validación del modelo puede ser necesaria con datos de prueba de campo en el entorno local; este paso no suele estar justificado, porque los mejores modelos han sido ampliamente validados en un amplio espectro de variables de datos de entrada.
El producto de los cálculos suele ser un conjunto de isopletas o curvas de nivel mapeadas , ya sea en vista en planta o en sección transversal . Normalmente, estos pueden expresarse como concentraciones de monóxido de carbono , hidrocarburos reactivos totales , óxidos de nitrógeno , partículas o benceno . El científico de la calidad del aire puede ejecutar el modelo sucesivamente para estudiar técnicas de reducción de concentraciones adversas de contaminantes del aire (por ejemplo, rediseñando la geometría de la carretera, alterando los controles de velocidad o limitando ciertos tipos de camiones). El modelo se utiliza con frecuencia en una Declaración de Impacto Ambiental que involucra un nuevo camino importante o un cambio de uso de la tierra que inducirá un nuevo tráfico vehicular.
Historia
El bloque de construcción lógico de esta teoría fue el uso de la ecuación de dispersión de contaminantes atmosféricos de Gauss para fuentes puntuales . [1] [2] Una de las primeras ecuaciones de dispersión de la pluma contaminante del aire de fuente puntual fue derivada por Bosanquet y Pearson [3] en 1936. Su ecuación no incluía el efecto de la reflexión en el suelo de la pluma contaminante. Sir Graham Sutton derivó una ecuación de dispersión de la pluma de contaminantes del aire de fuente puntual en 1947 [4] que incluía el supuesto de distribución gaussiana para la dispersión vertical y con viento cruzado de la pluma y también abordó el efecto de la reflexión en el suelo de la pluma. GA Briggs [5] hizo más avances en el refinamiento y validación del modelo y DB Turner [1] para su libro de trabajo fácil de usar que incluía cálculos de cribado que no requieren una computadora.
Al ver la necesidad de desarrollar un modelo de fuente lineal para abordar el estudio de la contaminación del aire en las carreteras, Michael Hogan y Richard Venti desarrollaron una solución de forma cerrada para integrar la ecuación de fuente puntual en una serie de publicaciones. [6] [7]
Si bien el modelo matemático de ESL se completó para una fuente de línea en 1970, el refinamiento del modelo dio como resultado una "fuente de franja", que emula la extensión horizontal de la superficie de la carretera. Esta teoría sería la precursora de los modelos de dispersión de fuentes de área . Pero su enfoque era la simulación de carreteras, por lo que procedieron con el desarrollo de un modelo de computadora agregando al equipo a Leda Patmore, una programadora de computadoras en el campo de la física atmosférica y cálculos de trayectorias de satélites. A fines de 1970 se produjo un modelo de computadora funcional; luego, el modelo se calibró con mediciones de campo de monóxido de carbono dirigidas al tráfico en la Ruta 101 de los EE . UU . en Sunnyvale, California .
El modelo de ESL recibió el respaldo de la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (EPA) en forma de una subvención importante para validar el modelo utilizando pruebas reales en carreteras de dispersión de hexafluoruro de azufre de gas trazador . Se eligió ese gas porque no se produce de forma natural ni en las emisiones vehiculares y proporciona un trazador único para tales estudios de dispersión. Parte de los motivos de la Agencia de Protección Ambiental pueden haber sido llevar el modelo al dominio público . Después de una validación exitosa a través de la investigación de la EPA, el modelo pronto se puso en uso en una variedad de entornos para pronosticar los niveles de contaminación del aire en las cercanías de las carreteras. El grupo de ESL aplicó el modelo al proyecto de derivación de la Ruta 101 de EE. UU. En Cloverdale, California , la extensión de la Interestatal 66 a través de Arlington, Virginia , la ampliación de la autopista de peaje de Nueva Jersey a través de Raritan y East Brunswick, Nueva Jersey , y varios proyectos de transporte en Boston. para la Revisión de planificación del transporte de Boston.
A principios de la década de 1970, se sabía que al menos otros dos grupos de investigación estaban desarrollando activamente algún tipo de modelo de dispersión del aire en las carreteras: el grupo de Investigación y Tecnología Ambiental de Lexington, Massachusetts y la sede de Caltrans en Sacramento, California . El modelo Caline de Caltrans tomó prestada parte de la tecnología del grupo ESL Inc., ya que Caltrans financió parte del trabajo de aplicación del modelo temprano en Cloverdale y otras ubicaciones y se le otorgaron derechos para usar partes de su modelo.
La teoría
La solución resultante para una fuente de línea infinita es:
dónde:
x es la distancia del observador a la calzada
y es la altura del observador
u es la velocidad media del viento
α es el ángulo de inclinación de la fuente de línea con respecto al marco de referencia
c y d son la desviación estándar de las direcciones del viento horizontal y vertical (medido en radianes), respectivamente.
Esta ecuación se integró en una solución de forma cerrada utilizando la función de error (erf), y se pueden realizar variaciones en la geometría para incluir la línea infinita completa, el segmento de línea, la línea elevada o el arco formado por segmentos. En cualquier caso, se pueden calcular los contornos tridimensionales de las concentraciones de contaminantes atmosféricos resultantes y utilizar el modelo matemático para estudiar diseños de carreteras alternativos, varios supuestos de la meteorología del peor de los casos o condiciones de tráfico variables (por ejemplo, variaciones en la mezcla de camiones, controles de emisiones de la flota o Velocidad del vehículo).
El grupo de investigación de ESL también amplió su modelo al introducir el concepto de fuente de área de una franja vertical para simular la zona de mezcla en la carretera producida por la turbulencia de los vehículos . Este modelo también fue validado en 1971 y mostró una buena correlación con los datos de las pruebas de campo.
Aplicaciones de ejemplo del modelo
Hubo varias aplicaciones tempranas del modelo en casos algo dramáticos. En 1971, la Arlington Coalition on Transportation (ACT) fue la demandante en una acción contra la Comisión de Carreteras de Virginia por la extensión de la Interestatal 66 a través de Arlington, Virginia , después de haber presentado una demanda en el tribunal de distrito federal . El modelo ESL se utilizó para producir cálculos de la calidad del aire en las cercanías de la carretera propuesta. ACT ganó este caso después de una decisión del Tribunal de Apelaciones del Cuarto Circuito de EE. UU. El tribunal prestó especial atención a los cálculos expertos del demandante y al testimonio que proyectaba que los niveles de calidad del aire violarían los estándares federales de calidad del aire ambiental establecidos en la Ley de Aire Limpio .
Un segundo caso contencioso tuvo lugar en East Brunswick, Nueva Jersey, donde la Autoridad de la autopista de peaje de Nueva Jersey planeó una ampliación importante de la autopista. Una vez más, se empleó el modelo de dispersión del aire en las carreteras para predecir los niveles de contaminación del aire en residencias, escuelas y parques cerca de la autopista de peaje. Después de una audiencia inicial en el Tribunal Superior donde se establecieron los resultados del modelo de ESL, el juez ordenó a la Turnpike Authority que negociara con el demandante, Concerned Citizens of East Brunswick y desarrollara una mitigación de la calidad del aire para los efectos adversos. La Turnpike Authority contrató a ERT como su experto, y los dos equipos de investigación negociaron un acuerdo para este caso utilizando los modelos de dispersión de aire en carreteras recientemente creados.
Refinamientos de modelos más recientes
El modelo CALINE3 es un modelo de dispersión gaussiana de estado estacionario diseñado para determinar las concentraciones de contaminación del aire en ubicaciones receptoras a favor del viento de las carreteras ubicadas en un terreno relativamente sencillo. CALINE3 se incorpora a los modelos CAL3QHC y CAL3QHCR más elaborados. CALINE3 tiene un uso generalizado debido a su naturaleza fácil de usar y su promoción en los círculos gubernamentales, pero no llega a analizar la complejidad de los casos abordados por el modelo original de Hogan-Venti. Los modelos CAL3QHC y CAL3QHCR están disponibles en el lenguaje de programación Fortran . Tienen opciones para modelar partículas o monóxido de carbono e incluyen algoritmos para simular el tráfico en cola en las intersecciones señalizadas [1] .
Además, se han desarrollado varios modelos más recientes que emplean algoritmos de bocanada lagrangiana de estado no estacionario. El HYROAD modelo de dispersión se ha desarrollado a través del Programa Nacional Cooperativo de Investigación de Carreteras 's Proyecto 25-06 , incorporando CAMINO-2 modelo de hojaldre y los algoritmos del penacho de estado estable (Rao et al., 2002) [ vínculo roto ] .
El TRAQSIM modelo fue desarrollado en 2004 como parte de una tesis de doctorado con el apoyo del Departamento de Transporte de Estados Unidos 's Volpe Nacional de Sistemas de Transporte Centro de Servicio de Calidad del Aire . El modelo incorpora el comportamiento dinámico del vehículo con un algoritmo de soplo gaussiano de estado no estable. A diferencia de HYROAD, TRAQSIM combina simulación de tráfico, emisiones modales segundo a segundo y dispersión de soplo gaussiano en un sistema completamente integrado (una simulación real) que modela vehículos individuales como fuentes en movimiento discretas. TRAQSIM fue desarrollado como un modelo de próxima generación para ser el sucesor de los modelos regulatorios CALINE3 y CAL3QHC actuales. El siguiente paso en el desarrollo de TRAQSIM es incorporar métodos para modelar la dispersión de material particulado (PM) y contaminantes atmosféricos peligrosos (HAP).
Se han desarrollado varios modelos que manejan la meteorología urbana compleja resultante de configuraciones de carreteras y cañones urbanos . El primer desarrollo de este modelo (1968-1970) fue realizado por la Oficina de Control de la Contaminación del Aire de la EPA de los Estados Unidos junto con la ciudad de Nueva York. [8] El modelo fue aplicado con éxito a la autopista Spadina Expressway en Toronto por Jack Fensterstock del Departamento de Recursos del Aire de la ciudad de Nueva York. [9] [10] Otros ejemplos incluyen el Centro de Investigación de Carreteras Turner-Fairbank 's [11] modelo Cañón Plume Box, [12] ahora en la versión 3 (CPB-3), el Instituto Nacional de Investigación del Medio Ambiente de Dinamarca operacional Contaminación Modelo calle (OSPM) y el modelo MICRO-CALGRID , que incluye fotoquímica, permitiendo modelar especies tanto primarias como secundarias. El modelo CTAG de la Universidad de Cornell , que resuelve la turbulencia inducida por vehículos (VIT), la turbulencia inducida por la carretera (RIT) , [13] la transformación química y la dinámica de aerosoles de contaminantes del aire utilizando modelos de flujo que reaccionan a la turbulencia. El modelo CTAG también se ha aplicado para caracterizar los entornos de construcción de carreteras y estudiar los efectos de las barreras de vegetación en la contaminación del aire cerca de las carreteras.
Aplicaciones recientes en casos legales
La literatura de salud reciente que indica que los residentes cerca de las carreteras principales enfrentan tasas elevadas de varios resultados de salud adversos ha provocado una disputa legal sobre la responsabilidad de las agencias de transporte de usar modelos de dispersión de aire en las carreteras para caracterizar los impactos de las carreteras nuevas y ampliadas, terminales de autobuses, paradas de camiones y otras fuentes.
Recientemente, el Sierra Club de Nevada demandó al Departamento de Transporte de Nevada y a la Administración Federal de Carreteras por no evaluar el impacto de la expansión de la Ruta 95 de los EE. UU. En Las Vegas en la calidad del aire del vecindario. [2] El Sierra Club afirmó que se debería emitir una Declaración de Impacto Ambiental complementaria para abordar las emisiones de contaminantes atmosféricos peligrosos y material particulado del tráfico de vehículos de motor nuevos. Los demandantes afirmaron que había herramientas de modelado disponibles, incluido el modelo MOBILE6.2 de la Agencia de Protección Ambiental , el modelo de dispersión CALINE3 y otros modelos relevantes. Los acusados ganaron en el Tribunal de Distrito de EE. UU. Bajo el juez Philip Pro, quien dictaminó que las agencias de transporte habían actuado de una manera que no era "arbitraria y caprichosa", a pesar de que los argumentos técnicos de las agencias sobre la falta de herramientas de modelado disponibles fueron contradecidos por un número de estudios revisados por pares publicados en revistas científicas (por ejemplo, Korenstein y Piazza, Journal of Environmental Health, 2002). En apelación ante el Noveno Circuito de EE. UU. , La Corte de Apelaciones suspendió las nuevas construcciones en la carretera a la espera de la decisión final de la corte. El Sierra Club y los acusados llegaron a un acuerdo extrajudicial, estableciendo un programa de investigación sobre los impactos en la calidad del aire de la Ruta 95 de los EE. UU. En las escuelas cercanas.
Varios otros casos de alto perfil han llevado a grupos ambientalistas a pedir que se utilicen modelos de dispersión para evaluar los impactos en la calidad del aire de los nuevos proyectos de transporte en las comunidades cercanas, pero hasta la fecha, las agencias de transporte estatales y la Administración Federal de Carreteras han afirmado que no hay herramientas están disponibles, a pesar de los modelos y la guía disponibles a través del Centro de soporte de la EPA para modelos reguladores de aire (SCRAM). [3]
Entre los casos más polémicos, la Terminal Intermodal de Carga de Detroit y el Cruce Internacional del Río Detroit (Michigan, EE. UU.), Y la expansión de la Interestatal 70 Este en Denver (Colorado, EE. UU.).
En todos estos casos, las organizaciones comunitarias han afirmado que hay herramientas de modelado disponibles, pero las agencias de planificación del transporte han afirmado que existe demasiada incertidumbre en todos los pasos. Una preocupación importante para las organizaciones comunitarias ha sido la falta de voluntad de las agencias de transporte para definir el nivel de incertidumbre que están dispuestas a tolerar en los análisis de calidad del aire, cómo se compara con la directriz de la Agencia de Protección Ambiental sobre modelos de calidad del aire, que aborda la incertidumbre. y precisión en el uso del modelo. [4]
Ver también
- Terminología de dispersión de la contaminación del aire
- Modelado de dispersión atmosférica
- Bibliografía de modelos de dispersión atmosférica
- Fuente de línea
- Lista de modelos de dispersión atmosférica
- Fuente puntual (contaminación)
- Fuente de volumen (contaminación)
Referencias
- ↑ a b Turner, DB (1994). Libro de trabajo de estimaciones de la dispersión atmosférica: una introducción al modelado de la dispersión (2ª ed.). Prensa CRC. ISBN 978-1-56670-023-8. www.crcpress.com Archivado el 5 de noviembre de 2007 en Wayback Machine.
- ^ Beychok, MR (2005). Fundamentos de la dispersión de gas de chimenea (4ª ed.). publicado por el autor. ISBN 978-0-9644588-0-2. www.air-dispersion.com Archivado el 16 de diciembre de 2014 en Wayback Machine.
- ^ CH Bosanquet y JL Pearson, "La propagación del humo y los gases de las chimeneas", Trans. Faraday Soc., 32: 1249, 1936
- ^ OG Sutton, "La distribución teórica de la contaminación atmosférica de las chimeneas de las fábricas", QJRMS, 73: 426, 1947
- ^ GA Briggs, Un modelo de aumento de la pluma en comparación con las observaciones , JAPCA, 15: 433-438, 1965
- ^ Michael Hogan, Base teórica para la difusión atmosférica de una fuente lineal , ESL Inc. , Laboratorio de sistemas ambientales, Publicación IR-29, Sunnyvale, Ca., 4 de mayo de 1968
- ^ Richard J. Venti, Modelos de difusión atmosférica para fuentes viales, ESL Inc., Laboratorio de sistemas ambientales, Publicación ET-22, Sunnyvale, Ca., 5 de octubre de 1970.
- ^ Fensterstock, JC et al, "Reducción del potencial de contaminación del aire a través de la planificación ambiental", JAPCA, Vol.21, No.7, 1971.
- ^ The Globe and Mail, 21 de enero de 1971, James MacKenzie, "Se prevé que la contaminación sea peor que la de Nueva York", Toronto.
- ^ The Globe and Mail, 22 de enero de 1971, James MacKenzie, "Nivel de monóxido seguro en la actual Spadina, dice un experto a OMB", Toronto.
- ^ Turner-Fairbank Highway Research Center Archivado el 18 de diciembre de 2010 en la Wayback Machine.
- ^ Modelo Canyon Plume Box Archivado el 27 de mayo de 2010 en la Wayback Machine.
- ^ Y. Wang y Zhang, KM, "Modelado de la calidad del aire cerca de la carretera mediante el modelo de dinámica de fluidos computacional (CFD)", ES&T, 43: 7778-7783, 2009
enlaces externos
- Centro de apoyo de la EPA para modelado atmosférico regulatorio
- Modelos preferidos / recomendados por la EPA
- Grupo de modelado de la calidad del aire de la EPA (AQMG)
- Modelado de dispersión de aire en Curlie
- Biblioteca de referencia de la evaluación de riesgos de sustancias tóxicas del aire (ATRA) de la EPA