El modelado de la dispersión del aire en carreteras es el estudio del transporte de contaminantes atmosféricos 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 de los vehículos, la meteorología y la geometría del terreno . La dispersión de fuentes lineales 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 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 arteria arterial considerándolas como fuentes lineales. El modelo tiene en cuenta 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 ciertas condiciones meteorológicas cercanas al peor de los casos.
Los cálculos son lo suficientemente complejos como para que sea esencial un modelo informático 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 arbitrados (como casos legales), puede ser necesaria la validación del modelo con datos de pruebas de campo en el entorno local; Este paso generalmente no está 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 podrían 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 para reducir las 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 una nueva carretera importante o un cambio en el uso del suelo que inducirá nuevo tráfico vehicular.
El componente lógico de esta teoría fue el uso de la ecuación gaussiana de dispersión de contaminantes del aire para fuentes puntuales . [1] [2] Bosanquet y Pearson [3] derivaron una de las primeras ecuaciones de dispersión de la pluma de contaminantes del aire de fuente puntual . Su ecuación no incluía el efecto de la reflexión de la pluma de contaminante en el suelo. Sir Graham Sutton derivó una ecuación de dispersión de la pluma de contaminantes atmosféricos de fuente puntual en 1947 [4] que incluía el supuesto de una distribución gaussiana para la dispersión vertical y cruzada de la pluma y también abordaba el efecto de la reflexión de la pluma en el suelo. GA Briggs [5] realizó más avances en el refinamiento y validación de modelos y DB Turner [1] con 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 en franja”, que emulaba 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 objetivo era la simulación de carreteras, por lo que procedieron a desarrollar un modelo informático añadiendo al equipo a Leda Patmore, programadora informática en el campo de la física atmosférica y los cálculos de trayectorias de satélites. A finales 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 EE. UU. en Sunnyvale, California .
El modelo ESL recibió el respaldo de la Agencia de Protección Ambiental de EE. UU. (EPA) en forma de una importante subvención para validar el modelo mediante pruebas reales en carreteras de dispersión de hexafluoruro de azufre con gas trazador . Se eligió ese gas porque no se produce de forma natural ni en las emisiones de vehículos y proporciona un trazador único para dichos estudios de dispersión. Parte de los motivos de la Agencia de Protección Ambiental pueden haber sido hacer que el modelo fuera de dominio público . Después de una validación exitosa a través de la investigación de la EPA, el modelo pronto se utilizó en una variedad de entornos para pronosticar los niveles de contaminación del aire en las cercanías 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 New Jersey Turnpike a través de Raritan y East Brunswick, Nueva Jersey , y varios proyectos de transporte en Boston. para la Revisión de la 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 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 algunos de los primeros trabajos de aplicación del modelo en Cloverdale y otras ubicaciones y recibió derechos para usar partes de su modelo.
La solución resultante para una fuente lineal infinita es:
dónde:
x es la distancia del observador a 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 de carreteras alternativos, diversas suposiciones de la meteorología del peor de los casos o condiciones variables del tráfico (por ejemplo, variaciones en la combinación de camiones, controles de emisiones de flotas, o velocidad del vehículo).
El grupo de investigación 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 las turbulencias de los vehículos . Este modelo también fue validado en 1971 y mostró una buena correlación con los datos de las pruebas de campo.
Hubo varias aplicaciones tempranas del modelo en casos un tanto dramáticos. En 1971, la Coalición de Transporte de Arlington (ACT) fue el 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 proximidades de la carretera propuesta. ACT ganó este caso tras una decisión del Tribunal de Apelaciones del Cuarto Circuito de Estados Unidos. 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 Turnpike de Nueva Jersey planeó una ampliación importante de la autopista de peaje. Nuevamente 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 expusieron los resultados del modelo ESL, el juez ordenó a la Autoridad de Turnpike negociar con el demandante, Concerned Citizens of East Brunswick, y desarrollar 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 del aire en las carreteras recién creados.
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 carreteras ubicadas en terrenos relativamente sencillos. CALINE3 se incorpora a los modelos más elaborados CAL3QHC y CAL3QHCR. 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 soplo lagrangianos en estado no estacionario. El modelo de dispersión HYROAD se ha desarrollado a través del Proyecto 25-06 del Programa Nacional Cooperativo de Investigación de Carreteras , incorporando algoritmos de soplo y penacho de 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 Centro Nacional de Sistemas de Transporte Volpe del Departamento de Transporte de EE. UU . El modelo incorpora el comportamiento dinámico del vehículo con un algoritmo de soplo gaussiano de estado no estacionario. A diferencia de HYROAD, TRAQSIM combina simulación de tráfico, emisiones modales segundo a segundo y dispersión gaussiana de soplos en un sistema totalmente 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 actuales CALINE3 y CAL3QHC. El siguiente paso en el desarrollo de TRAQSIM es incorporar métodos para modelar la dispersión de partículas en suspensión (PM) y contaminantes atmosféricos peligrosos (CAP).
Se han desarrollado varios modelos que manejan una meteorología urbana compleja resultante de cañones urbanos y configuraciones de carreteras. El primer modelo desarrollado (1968-1970) fue realizado por la Oficina de Control de la Contaminación del Aire de la EPA de EE.UU. en colaboración con la ciudad de Nueva York. [8] El modelo fue aplicado con éxito a la 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 modelo Canyon Plume Box del Centro de Investigación de Carreteras Turner-Fairbank [11] , [12] ahora en la versión 3 (CPB-3), el Modelo Operacional de Contaminación de Calles del Instituto Nacional de Investigación Ambiental de Dinamarca. (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 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 vegetales sobre la contaminación del aire cerca de las carreteras.
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 disputas legales sobre la responsabilidad de las agencias de transporte de utilizar modelos de dispersión del aire en las carreteras para caracterizar los impactos de carreteras, terminales de autobuses, paradas de camiones y carreteras nuevas y ampliadas. otras fuentes.
Recientemente, el Sierra Club de Nevada demandó al Departamento de Transporte de Nevada y a la Administración Federal de Carreteras por no haber evaluado el impacto de la expansión de la Ruta 95 de los 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 procedentes 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 modelización disponibles se contradecían con una número de estudios revisados por pares publicados en revistas científicas (por ejemplo, Korenstein y Piazza, Journal of Environmental Health, 2002). En una apelación ante el Noveno Circuito de EE. UU. , el Tribunal de Apelaciones suspendió la nueva construcción de la carretera en espera de la decisión final del tribunal. El Sierra Club y los demandados llegaron a un acuerdo extrajudicial y establecieron 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 solicitar el uso de modelos de dispersión para evaluar los impactos en la calidad del aire de nuevos proyectos de transporte en comunidades cercanas, pero hasta la fecha, las agencias estatales de transporte y la Administración Federal de Carreteras han afirmado que no hay herramientas. están disponibles, a pesar de los modelos y la orientación disponibles a través del Centro de soporte para modelos regulatorios de aire (SCRAM) de la EPA.[3]
Entre los casos más polémicos se encuentran el Detroit Intermodal Freight Terminal y el Detroit River International Crossing (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 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 dispuestos a tolerar en los análisis de la 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]
