El modelado de la dispersión del aire en las carreteras es el estudio del transporte de contaminantes del aire desde una carretera u otro emisor lineal. Se requieren modelos informáticos 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 lineales se ha estudiado desde al menos 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 estaba aplicando a casos reales de planificación de carreteras, incluidos incluso algunos casos judiciales controvertidos.
El concepto básico del modelo de dispersión del aire en carreteras es calcular los niveles de contaminantes del aire en las proximidades de una carretera o vía arterial considerándolas como fuentes lineales. El modelo tiene en cuenta las características de la fuente, como el volumen de tráfico, las velocidades de los vehículos, la combinación de camiones y los controles de emisiones de la flota; además, se abordan la geometría de la carretera, el terreno circundante y la meteorología local. Por ejemplo, muchas normas de calidad del aire exigen que se apliquen determinadas condiciones meteorológicas cercanas al peor caso posible.
Los cálculos son lo suficientemente complejos como para que sea esencial un modelo informático para llegar a resultados fiables, aunque se han desarrollado manuales de trabajo como técnicas de selección. En algunos casos en los que los resultados deben ser evaluados por pares (como en casos legales), puede ser necesaria la validación del modelo con datos de pruebas 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 es generalmente un conjunto de isopletas o líneas de contorno mapeadas , ya sea en vista de planta o en vista de sección transversal . Por lo general, estas pueden expresarse como concentraciones de monóxido de carbono , hidrocarburos reactivos totales , óxidos de nitrógeno , partículas o benceno . El científico de calidad del aire puede ejecutar el modelo sucesivamente para estudiar técnicas de reducción de concentraciones de contaminantes atmosféricos adversos (por ejemplo, rediseñando la geometría de la carretera, modificando los controles de velocidad o limitando ciertos tipos de camiones). El modelo se utiliza con frecuencia en una Declaración de Impacto Ambiental que implica una nueva carretera importante o un cambio de uso del suelo que inducirá nuevo tráfico vehicular.
El bloque de construcción lógico para esta teoría fue el uso de la ecuación de dispersión de contaminantes del aire gaussiana para fuentes puntuales . [1] [2] Una de las primeras ecuaciones de dispersión de columnas de contaminantes del aire de fuentes puntuales fue derivada por Bosanquet y Pearson [3] en 1936. Su ecuación no incluía el efecto de la reflexión en el suelo de la columna de contaminantes. Sir Graham Sutton derivó una ecuación de dispersión de columnas de contaminantes del aire de fuentes puntuales en 1947 [4] que incluía el supuesto de la distribución gaussiana para la dispersión vertical y transversal del viento de la columna y también abordaba el efecto de la reflexión en el suelo de la columna. GA Briggs [5] realizó avances adicionales en el refinamiento y validación del modelo y DB Turner [1] por su libro de trabajo fácil de usar que incluía cálculos de detección 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 ESL se completó para una fuente lineal 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 informático agregando al equipo a Leda Patmore, una programadora informática en el campo de la física atmosférica y los cálculos de trayectorias satelitales. Se produjo un modelo informático funcional a fines de 1970; luego, el modelo se calibró con mediciones de campo de monóxido de carbono dirigidas al tráfico en la Ruta 101 de EE. UU . en Sunnyvale, California .
El modelo ESL recibió el respaldo de la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (EPA) en forma de una importante subvención para validar el modelo utilizando pruebas reales en carreteras de dispersión de hexafluoruro de azufre como gas trazador . Se eligió ese gas porque no se produce de forma natural ni en las emisiones de los vehículos y proporciona un trazador único para tales estudios de dispersión. Parte de los motivos de la Agencia de Protección Ambiental pueden haber sido poner el modelo en el 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 proximidades de las carreteras. El grupo ESL aplicó el modelo al proyecto de circunvalación 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 inicial de aplicación del modelo en Cloverdale y otras ubicaciones y recibió derechos para utilizar partes de su modelo.
La solución resultante para una fuente lineal infinita es:
dónde:
x es la distancia desde el observador hasta la carretera
y es la altura del observador
u es la velocidad media del viento
α es el ángulo de inclinación de la fuente lineal con respecto al marco de referencia
c y d son la desviación estándar de las direcciones del viento horizontal y vertical (medidas 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 contornos tridimensionales de las concentraciones de contaminantes del aire resultantes y utilizar el modelo matemático para estudiar diseños alternativos de carreteras, diversas suposiciones de meteorología en el 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 introduciendo 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 pruebas de campo.
El modelo se aplicó en varias ocasiones en casos bastante dramáticos. En 1971, la Coalición de Transporte de Arlington (ACT) fue la demandante en una acción contra la Comisión de Carreteras de Virginia por la ampliación de la Interestatal 66 a través de Arlington, Virginia , tras haber presentado una demanda en el tribunal federal de distrito . El modelo ESL se utilizó para realizar cálculos de la calidad del aire en las inmediaciones de la autopista propuesta. La ACT ganó este caso después de una decisión del Tribunal de Apelaciones del Cuarto Circuito de los EE. UU. El tribunal prestó especial atención a los cálculos y testimonios de los expertos del demandante que proyectaban 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 polémico tuvo lugar en East Brunswick, Nueva Jersey , donde la Autoridad de la Autopista de Peaje de Nueva Jersey planeó una importante ampliación de la autopista. Nuevamente se empleó el modelo de dispersión del aire en la carretera para predecir los niveles de contaminación del aire en las residencias, escuelas y parques cercanos a la autopista. Después de una audiencia inicial en el Tribunal Superior donde se expusieron los resultados del modelo ESL, el juez ordenó a la Autoridad de la Autopista de Peaje que negociara con el demandante, Concerned Citizens of East Brunswick, y desarrollara medidas de mitigación de la calidad del aire para los efectos adversos. La Autoridad de la Autopista de Peaje contrató a ERT como su experto, y los dos equipos de investigación negociaron un acuerdo para este caso utilizando los modelos de dispersión del aire en la carretera recién creados.
El modelo CALINE3 es un modelo de dispersión gaussiana en estado estable diseñado para determinar las concentraciones de contaminación del aire en ubicaciones receptoras a sotavento de carreteras ubicadas en terrenos relativamente sencillos. CALINE3 está incorporado en los modelos CAL3QHC y CAL3QHCR más elaborados. CALINE3 se usa ampliamente debido a su naturaleza fácil de usar y su promoción en círculos gubernamentales, pero no logra 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 material particulado o monóxido de carbono e incluyen algoritmos para simular tráfico en cola en intersecciones señalizadas [1].
Además, se han desarrollado varios modelos más recientes que emplean algoritmos de bocanadas lagrangianas en estado no estacionario. El modelo de dispersión HYROAD se ha desarrollado a través del Proyecto 25-06 del Programa Nacional de Investigación Cooperativa de Carreteras , que incorpora algoritmos de bocanadas y columnas en estado estacionario del modelo ROADWAY-2 (Rao et al., 2002) [ enlace muerto ] .
El modelo TRAQSIM se desarrolló en 2004 como parte de una tesis doctoral con el apoyo del Centro de Calidad del Aire del Sistema Nacional de Transporte Volpe del Departamento de Transporte de los EE. UU . El modelo incorpora el comportamiento dinámico del vehículo con un algoritmo de bocanada gaussiana de estado no estacionario. A diferencia de HYROAD, TRAQSIM combina simulación de tráfico, emisiones modales segundo a segundo y dispersión de bocanada gaussiana en un sistema totalmente integrado (una verdadera simulación) que modela vehículos individuales como fuentes móviles discretas. TRAQSIM se desarrolló como un modelo de próxima generación para ser el sucesor de los modelos regulatorios actuales CALINE3 y CAL3QHC. El siguiente paso en el desarrollo de TRAQSIM es incorporar métodos para modelar la dispersión de materia particulada (PM) y contaminantes atmosféricos peligrosos (HAP).
Se han desarrollado varios modelos que manejan la meteorología urbana compleja resultante de cañones urbanos y configuraciones de autopistas. El desarrollo más temprano de este modelo (1968-1970) fue realizado por la Oficina de Control de la Contaminación del Aire de la EPA de EE. UU. en conjunto con la Ciudad de Nueva York. [8] El modelo fue aplicado con éxito a la autopista Spadina en Toronto por Jack Fensterstock del Departamento de Recursos del Aire de la Ciudad de Nueva York. [9] [10] Otros ejemplos incluyen el modelo Canyon Plume Box del Turner-Fairbank Highway Research Center [11] , [12] ahora en la versión 3 (CPB-3), el Modelo Operativo de Contaminación de Calles (OSPM) del Instituto Nacional de Investigación Ambiental de Dinamarca y el modelo MICRO-CALGRID, que incluye fotoquímica, lo que permite modelar tanto las especies primarias como las secundarias. El modelo CTAG de la Universidad de Cornell , que resuelve la turbulencia inducida por vehículos (VIT), la turbulencia inducida por carreteras (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 entornos de construcción de carreteras y estudiar los efectos de las barreras de vegetación en la contaminación del aire cerca de la carretera.
La literatura de salud reciente que indica que los residentes cerca de las carreteras principales enfrentan tasas elevadas de varios resultados adversos para la salud ha provocado una disputa legal sobre la responsabilidad de las agencias de transporte de utilizar modelos de dispersión del aire en las carreteras para caracterizar los impactos de las carreteras nuevas y ampliadas, las terminales de autobuses, las 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 su fracaso en evaluar el impacto de la expansión de la Ruta 95 de EE. UU. en Las Vegas sobre 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 partículas de material particulado del nuevo tráfico de vehículos motorizados. Los demandantes afirmaron que existían 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 demandados ganaron en el Tribunal de Distrito de EE. UU. bajo la dirección del 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 se contradecían con una serie 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 ., el Tribunal de Apelaciones suspendió la nueva construcción en la autopista a la espera de la decisión final del tribunal. El Sierra Club y los acusados llegaron a un acuerdo extrajudicial y establecieron un programa de investigación sobre los impactos de la Ruta 95 en la calidad del aire en las escuelas cercanas.
Varios otros casos de alto perfil han llevado a los grupos ambientalistas a solicitar 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 disponibles, a pesar de los modelos y la orientación disponibles a través del Centro de Soporte para Modelos Regulatorios del Aire (SCRAM) de la EPA.[3]
Entre los casos más polémicos se encuentran el de la Terminal Intermodal de Carga de Detroit y el Cruce Internacional del Río Detroit (Michigan, EE.UU.), y la ampliación de la Interestatal 70 Este en Denver (Colorado, EE.UU.).
En todos estos casos, las organizaciones comunitarias han afirmado que existen herramientas de modelado, pero las agencias de planificación del transporte han afirmado que existe demasiada incertidumbre en todos los pasos. Una de las principales preocupaciones de 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 la calidad del aire, y cómo se compara eso con las directrices de la Agencia de Protección Ambiental sobre modelos de calidad del aire, que abordan la incertidumbre y la precisión en el uso de los modelos.[4]
