VARIACIÓN ESPACIAL Y TEMPORAL DE CONCENTRACIONES DE PM10 EN EL ÁREA URBANA DE SANTIAGO DE CALI, COLOMBIA SPATIAL AND TEMPORAL VARIATION OF PM10 CONCENTRATIONS IN URBAN AREA OF SANTIAGO DE CALI, COLOMBIA

RESUMEN

En este estudio se determinó la variación espacial y temporal del material particulado (PM10) en cuatro estaciones de monitoreo de la ciudad de Cali, en el período comprendido entre julio de 2010 y junio de 2011. La metodología involucró el análisis estadístico del comportamiento diario de las concentraciones de PM10 en las estaciones ÉXITO, ERA, CSPM y EPSA. Adicionalmente, se evaluó la influencia de los parámetros meteorológicos sobre las concentraciones de PM10 registradas en 2 estaciones, encontrándose que las concentraciones de PM10 se correlacionan negativamente con la velocidad del viento, la humedad relativa y la precipitación. Acorde con los resultados obtenidos las concentraciones promedio anuales fueron 26,58, 24,27, 44,82 y 49,50 µg.m-3 para las estaciones ÉXITO, ERA, CSPM y EPSA, respectivamente. Cuando los resulta dos fueron comparados con los estándares de calidad de aire establecidos para Colombia se determinó que las estaciones CSPM y EPSA superaron el 31,76 y 41% de las veces el valor límite permisible. Existe una alta correlación entre las estaciones ERA-EXITO y ERA-CSPM con coeficientes de Pearson de 0,745 y 0,644, respectivamente. Adicionalmente se encontró que las concentraciones de PM10 se incrementan de lunes a viernes, mientras que disminuyen los días sábados y domingos, lo cual sugiere diferencias entre días ordinarios y fines de semana. Por otra parte no se encontró diferencias significativas entre las concentraciones medidas entre los períodos secos y lluviosos.

PALABRAS CLAVE

Material particulado, PM10, Variación espacial y temporal, Parámetros meteorológicos.

ABSTRACT

In this study the spatial and temporal variation of particulate matter (PM10) was investigated in four monitoring stations in the city of Cali, in the period between July 2010 and June 2011. The methodology involved the statistical analysis of the behavior of daily PM10 concentrations at EXITO, ERA, CSPM and EPSA stations. Additionally, we evaluated the influence of meteorological parameters on PM10 concentrations recorded at two stations found that PM10 concentrations are negatively correlated with wind speed, relative humidity and precipitation. Consistent with the results obtained annual average concentrations were 26,58, 24,27, 44,82 and 49,50 µg.m-3 for EXITO stations, ERA, CSPM and EPSA, respectively. When the results were compared with the air quality standards set for Colombia was determined that CSPM and EPSA stations exceeded the 31,76 and 41% of the times the allowable limit. There is a high correlation between the station and ERA-EXITO and ERA-CSPM with Pearson coefficients of 0,745 and 0,644; additionally found that PM10 concentrations increase from Monday to Friday while decreasing on Saturdays and Sundays, suggesting differences between ordinary days and weekends. Moreover no significant differences were found between the measured concentrations between dry and wet periods.

Keywords

Particulate matter, PM10, Spatial and temporal variation, Meteorological parameters.

1. INTRODUCCIÓN

El material particulado es un contaminante complejo de diferentes tamaños, formas y orígenes que se encuentran en la atmosfera (Johansson et al., 2007).

Las partículas con tamaño aerodinámico no mayor a 10 micras se denominan PM10 , las cuales por su pequeño tamaño pueden ser inhaladas fácilmente y penetrar en el cuerpo humano, afectando la salud de la población expuesta a concentraciones elevadas (Mok and Hoi, 2005). Estudios epidemiológicos muestran una fuerte correlación entre las concentraciones de material particulado y los problemas respiratorios, indicando que el incremento de las concentraciones promedio de PM10 puede causar el incremento de ingresos hospitalarios y de mortalidad diaria (Schwartz et al., 1996; Unal et al., 2011).

Se ha observado que altas concentraciones de PM10 en las zonas urbanas se vinculan con mayor mortalidad y morbilidad cardiovascular y pulmonar, razón por la cual en la Resolución 610 de 2010 emanada del Ministerio de Ambiente, Vivienda y Desarrollo Territorial se exige el seguimiento de los niveles de concentración de PM10 en el ambiente, estableciendo niveles máximos permisibles de 50 µg.m-3 para un tiempo de exposición de un año y 100 µg.m-3 para un tiempo de exposición de 24 horas (MAVDT, 2010). Se ha determinado que las concentraciones de PM10 provienen principalmente de fuentes naturales, móviles y estacionarias, debido a la combustión de carbón para diferentes propósitos, como transporte, procesos industriales, agrícolas y otros (Unal et al., 2011).

La dinámica de dichas concentraciones de PM10 indica que presentan variación espacial y temporal, vinculada a condiciones topográficas y meteorológicas, como la temperatura, la precipitación, la humedad, la presión atmosférica y la dirección y velocidad del viento (Van der Wal and Janssen, 1996; Giri et al., 2008; Unal et al., 2011). En este sentido, Giri et al.,(2008) estudiaron la relación entre PM10 y las variables meteorológicas en el valle de Kathmandú, Nepal, para el periodo comprendido entre marzo de 2003 y diciembre de 2005. Para ello aplicaron correlaciones de Pearson, encontrando que la precipitación, la humedad y la velocidad del viento son los parámetros meteorológicos con mayor incidencia sobre las concentraciones de PM10.

Por su parte, Grivas et al. (2004) en cuatro estaciones de la ciudad de Atenas, Grecia, encontraron una correlación negativa entre las concentraciones de PM10 y la velocidad del viento, esto debido a procesos de acumulación y de dilución en periodos de bajas y altas velocidades del viento, respectivamente. Igualmente, Galindo et al., (2011) en el periodo comprendido entre octubre de 2008 y octubre de 2009 en la ciudad de Elche, España, encontraron que en invierno existe una alta correlación negativa entre las concentraciones de material particulado grueso y la velocidad del viento (r=-0.67). Esto les permitió corroborar que las altas velocidades del viento favorecen la dispersión de los contaminantes y, por tanto, reducen las concentraciones de PM10.

Teniendo en cuenta las investigaciones citadas y los resultados encontrados, el presente estudio tuvo como objetivos: (i) evaluar el comportamiento de las concentraciones de PM10 reportadas en cuatro estaciones de muestreo de la ciudad de Cali y (ii) correlacionar las variaciones de las concentraciones PM10 con las condiciones climáticas típicas de la ciudad (periodo seco y periodo lluvioso) y con distintos parámetros meteorológicos.

A continuación se muestra la variación de las concentraciones de PM10 durante un periodo de estudio de 1 año, el análisis de la variación espacial y temporal en cuatro estaciones de monitoreo, la correlación que existe con las emisiones de NO2 y la asociación de PM10 con los parámetros meteorológicos reportados en dos de las estaciones en estudio, las cuales permitirán comprender la relación entre las condiciones locales de la atmósfera y las concentraciones de PM10.

2. METODOLOGÍA

ÁREA DE ESTUDIO

Este estudio se realizó en la zona urbana de la ciudad de Santiago de Cali (3°27’00" N y 76°32’00" O). Posee un clima cálido y seco, una precipitación, que varía entre 900 mm en las zonas más secas y 1.800 mm en las zonas más lluviosas, con un promedio de 1.000 mm sobre la mayor parte del área metropolitana de Cali, una humedad relativa de 73% y una temperatura media de 26 °C.

La variación espacial y temporal de las concentraciones de PM10 se determinó de los datos obtenidos de cuatro estaciones de monitoreo de calidad de aire localizadas en las zonas norte, sur, oriente y occidente de la ciudad, como se observa en la Figura 1.

Figura 1 Estaciones de monitoreo en la ciudad de Cali

PROCEDIMIENTO DE MUESTREO DE PM10 Y PARÁMETROS METEOROLÓGICOS

El periodo de estudio considerado para el análisis de las concentraciones de PM10 y los parámetros meteorológicos fue de un año, el cual estuvo comprendido entre julio de 2010 y junio de 2011. Las mediciones en las estaciones ERA y ÉXITO se realizaron mediante equipos automáticos Environment S.A. BETA 5 M, basado en un método de atenuación por radiación Beta, que permiten capturar la variabilidad horaria, diaria y mensual de las concentraciones de PM10 y los parámetros meteorológicos, como temperatura, humedad relativa, radiación solar, precipitación, velocidad y dirección del viento.

Las mediciones en las estaciones EPSA y CSPM se realizaron mediante equipos gravimétricos Partisol Plus 2025, los cuales permiten capturar la variabilidad diaria de las concentraciones de PM10.

LOS ANÁLISIS DE LAS CONCENTRACIONES DE PM10 Y PARÁMETROS METEOROLÓGICOS

Inicialmente se llevó a cabo la validación de los datos de lasconcentraciones de PM10 y los parámetros meteorológicos siguiendo los lineamientos establecidos por el MAVDT (2008), que indican que cada grupo de datos debe contar con el 75% de datos horarios válidos, los cuales posteriormente son analizados.

Al grupo de datos se le aplicó estadística descriptiva, identificando el comportamiento de las concentraciones de PM10 de acuerdo con los días de la semana, los meses del año y los periodos climatológicos seco y lluvioso.

Además se evaluó el cumplimiento de la concentración máxima permisible, conforme CON lo estipulado en la Resolución 610 de 2010 del MAVDT. Por otra parte, se correlacionaron las concentraciones de PM10 y las variables meteorológicas, estableciendo los coeficientes de correlación de Pearson. Empleando la misma herramienta estadística, se determinó la asociación entre PM10 y el flujo vehicular mediante la variable NO2.

3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

NIVELES DE PM10

La estadística descriptiva de las concentraciones de PM10 medidas en las cuatro estaciones se resume en la Tabla 1.

Las altas concentraciones registradas en la estación EPSA se atribuyen principalmente a fuentes móviles, ya que ésta se localiza cerca a vías de alto flujo vehicular, mientras que las concentraciones de PM10 en la estación ERA son bajas debido a que ésta se encuentra ubicada en una zona residencial colindante a dos vías secundarias con flujo vehicular medio.

El comportamiento de las concentraciones promedio de PM10 durante todo el año indica que no hay diferencia significativa entre los períodos seco y lluvioso. Los resultados obtenidos son comparables con los obtenidos por Jiménez (2011), quien dentro de su estudio evaluó las concentraciones de PM10 en periodos seco y lluvioso en el centro de la ciudad de Cali. En éste se reportó concentraciones promedio de 27,95 µg.m-3 en el periodo seco y 22,65 µg.m-3 en el periodo lluvioso, comportamiento similar al registrado en la estación ERA localizada en el centro de la ciudad.

VARIACIÓN ESPACIAL DE LAS CONCENTRACIONES DE PM10

En la Figura 2 se observa que existe una alta correlación entre las estaciones ERA-EXITO y ERA-CSPM con coeficientes de Pearson de 0,745 y 0,644, respectivamente. Esto indica que concentraciones de PM10 medidas en estas dos estaciones pueden estar influenciadas por el mismo tipo de fuentes y la existencia de condiciones meteorológicas similares.

La correlación entre las estaciones EPSA-ÉXITO y EPSA-ERA presentan coeficientes de Pearson de 0,524 y 0,578, respectivamente; estas correlaciones son más bajas que las mencionadas anteriormente, sin embargo, se consideran es moderadamente altas y positivas.

Este resultado ratifica la incidencia de las condiciones meteorológicas y el tipo de fuentes sobre las concentraciones de PM10 en diferentes estaciones de una ciudad. Resultados como éste reportó Grivas et al.,(2004) en la ciudad de Atenas, donde encontró mediante Pearson altas correlaciones entre tres de las cuatro estaciones evaluadas (MAR, ARI y ELE), lo cual indicó la existencia de patrones de emisión y tipos de fuentes sobre la zona, así como también uniformidad en las condiciones meteorológicas.

VARIACIÓN TEMPORAL DE LAS CONCENTRACIONES DE PM10

La Figura 3 muestra la tendencia de la variación diaria de las concentraciones de PM10 en las cuatro estaciones de monitoreo. En la estación ÉXITO, de 343 observaciones el 2,04% de veces superó el límite máximo permisible establecido en Colombia correspondiente a 50 µg.m-3; por su parte, las estaciones ERA, CSPM y EPSA superaron la máxima concentración permisible en un 0,88, 31,76 y 48% de veces, respectivamente. Acorde

Tabla 1 Estadística descriptiva de las concentraciones de PM10 en Santiago de Cali (Valores en µg.m-3).

Figura 2 Correlación de la concentración de PM10 en las cuatro estaciones de monitoreo

con lo anterior, las concentraciones en las estaciones CSPM y EPSA sobrepasan en un porcentaje considerable la norma de calidad de aire que rige en Colombia, lo cual permite inferir que en las comuna 10 (Sur) y 19 (Oriente) de la ciudad de Cali se pueden presentar riesgos sobre la salud de la población expuesta a la contaminación atmosférica.

En la Figura 4 se presentan los diagramas de cajas y alambres de las concentraciones de PM10 de acuerdo al día de la semana en las estaciones (a) ÉXITO (b) ERA (c) CSPM (d) EPSA. Los diagramas de cajas y alambres permiten concluir que las concentraciones medias reportadas en las estaciones ÉXITO, ERA y CSPM no sobrepasan la normatividad ambiental vigente, contrario a lo evidenciado en la estación EPSA, en donde las concentraciones medias de PM10 para los días comprendidos entre martes y sábado sobrepasan la concentración máxima permisible de 50 µg.m-3.

Por otra parte, se observa que las concentraciones de PM10 se van incrementando de lunes a sábado y disminuyen el día domingo. Esto se debe a que el día domingo el flujo vehicular en la ciudad se reduce notoriamente. Se destaca que el día sábado los niveles de concentración se mantienen, debido probablemente a que hay mayor flujo vehicular puesto que en este día no hay medida de pico y placa en la ciudad.

En la Figura 5 se presentan los diagramas de cajas y alambres de las concentraciones de PM10 de acuerdo a los periodo estacionales seco y lluvioso en las estaciones: (a) ÉXITO (b) ERA (c) CSPM (d) EPSA. Aunque la diferencia no es significativa las concentraciones de PM10 registradas en periodo lluvioso son menores que las concentraciones registradas en periodo seco, mostrando que la precipitación favorece la disminución de las concentraciones de PM10.

a

b

c

d

Figura 3 Concentraciones de PM10 en la ciudad de Cali en las estaciones: (a) ÉXITO (b) ERA (c) CSPM (d) EPSA

a

b

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Figura 4 Diagramas de cajas y alambres de las concentraciones de PM10 para los diferentes días de la semana en las estaciones: (a) ÉXITO (b) ERA (c) CSPM (d) EPSA

a

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Figura 5 Diagrama de cajas y alambres de las concentraciones de PM10 para los periodos estacionales seco y lluvioso en las estaciones: (a) ÉXITO (b) ERA (c) CSPM (d) EPSA

RELACIÓN ENTRE LAS CONCENTRACIONES DE PM10 EL Y NO2

De acuerdo con Artíñano et al.(2004) y Smargiassi et al. (2005) el dióxido de nitrógeno puede considerarse un indicador de emisiones de los vehículos; por ello con el fin de establecer la contribución del tráfico y el flujo vehicular sobre las concentraciones de PM10 registradas en las estaciones ERA y ÉXITO, se correlacionaron las concentraciones de PM10 y los niveles de NO2; realizando correlaciones mediante coeficientes de Pearson durante todo el año y discriminando los periodos lluvioso y seco, como se muestra en la Tabla 2.

Los coeficientes de correlación entre PM10 y NO2 para la estación ÉXITO y ERA corresponden a 0,408 y 0,534, respectivamente, coeficientes de correlación positivos y moderadamente altos lo cual sugiere que el tráfico vehicular es una fuente importante de las concentraciones de PM10 en Cali. De igual forma, se realizaron las correlaciones para el periodo lluvioso y seco, encontrándose para el periodo lluvioso, coeficientes de pearson de 0,355 y 0,522 para las estaciones ÉXITO y ERA.

Los resultados encontrados en la ciudad de Cali, son similares a los resultados encontrados por Galindo et al., (2011) quien investigó la contribución de la fuentes vehiculares a las concentraciones de material particulado en la ciudad de Elche, para lo cual correlacionó las concentraciones con NO2. Este estudio reportó que existen correlaciones moderadamente positivas con el material particulado (r entre 0,45 y 0,65) sugiriendo que las fuentes vehiculares son fuentes importantes de este contaminante.

RELACIÓN ENTRE CONCENTRACIONES DE PM10 Y PARÁMETROS METEOROLÓGICOS

Diferentes estudios coinciden en afirmar que las concentraciones de PM10 se encuentran influenciadas por parámetros meteorológicos como temperatura (Papanastasiou et al., 2007; Galindo et al., 2011), humedad relativa (Rajsic et al., 2004; Giri et al., 2008) , radiación solar (Galindo et al., 2011), velocidad del viento (Chaloulakou et al., 2003; Elminir, 2005; Gallero et al., 2006; Unal et al., 2011) y precipitación (Mok and Hoi, 2005).

Por consiguiente, en este estudio se contempla la relación entre PM10 y los parámetros meteorológicos citados anteriormente, los cuales se consignan en la Tabla 3.

Tabla 2 Correlación de las concentraciones de PM10 y NO2 en las estaciones: (a). ÉXITO (b). ERA

a

Tabla 3 Coeficientes de correlación de Pearson entre las concentraciones de PM10 y los parámetros meteorológicos

De la tabla se observa que en las estaciones ÉXITO y ERA las concentraciones de PM10 se correlacionan negativamente con la velocidad del viento, la humedad relativa y la precipitación.

El aumento de las precipitaciones y la humedad relativa tiene una correlación negativa con el promedio de las concentraciones de PM10, así como también la velocidad del viento, indicando mayores precipitaciones y altas velocidades del viento facilitan procesos de dilución del contaminante, mientras que bajas precipitaciones y bajas velocidades de viento propician la acumulación de partículas suspendidas, incrementando por consiguiente las concentraciones de PM10.

De las correlaciones realizadas entre las concentraciones promedio de PM10 y parámetros meteorológicos, las correlaciones más significativas tanto para la estación ÉXITO y ERA se registró con la temperatura con coeficientes de Pearson de 0,435 y 0,217, y con la precipitación con coeficientes de Pearson de -0,306 y -0,227, respectivamente.

La Tabla 4 muestra las concentraciones promedio de PM10 determinadas dentro de rangos seleccionados de temperatura, precipitación, velocidad del viento y humedad relativa en las estaciones ÉXITO y ERA en Santiago de Cali.

Se observa que las concentraciones de PM10 aumentan a medida que la temperatura aumenta. Por el contrario las concentraciones promedio de PM10 disminuyen a medida que las precipitaciones aumentan, indicando que ocurren procesos de lavado de concentraciones de PM10 durante periodos de lluvia.

Las concentraciones promedio de PM10 disminuyen a medida que aumentan las velocidades del viento, siendo congruente con los coeficientes de correlación de pearson registrados en la tabla 3, donde muestra una relación inversa entre los dos parámetros tanto para la estación ÉXITO como ERA (-0,306 y -0,227).

Respecto a la influencia de la humedad relativa sobre las concentraciones promedio de PM10 muestra que la mayor concentración promedio se registró para el rango de humedad del 55 – 65%. Del comportamiento de las concentraciones de PM10 respecto a la humedad permite inferir que la humedad influye sobre la formación de partículas de tamaño menor a 10 µm, ya que facilita la suspensión sobre el suelo y dificulta que estos sean transmitidos en el aire.

Teniendo en cuenta que la dirección del viento y sus velocidades son uno de los factores que influyen en la dispersión de los contaminantes se estableció para el primer y segundo semestre en la estación ERA velocidad predominante de 0,1- 3,0 m/s; el vector resultante de dirección del viento mostró que el 12% de las veces el viento sopla de SSE al NNO, condiciones que favorecen la dispersión del contaminante al NNO de la zona de

Tabla 4 Concentraciones promedio de PM10 determinadas dentro de rangos seleccionados de temperatura, precipitación, velocidad del viento y humedad relativa en las estaciones: (a) ÉXITO (b) ERA

semestre en la estación ÉXITO la velocidad predominante fue de 0,1- 3,0 m/s; el 17% de las veces el viento presentó dirección SSE al NNO.

4. CONCLUSIONES

De la evaluación de las concentraciones de PM10, la variación espacial y temporal y los factores meteorológicos que inciden sobre este contaminante en la ciudad de Santiago de Cali se concluye:

Las estaciones CSPM y EPSA sobrepasan la norma en un 31,76 y 48% de veces, respectivamente, lo cual evidencia dificultad en el cumplimiento de la normatividad ambiental vigente de Colombia.

En las cuatro estaciones de monitoreo, durante el periodo evaluado, no existe variabilidad espacial marcada conforme a las correlaciones de Pearson, pues éstos fueron positivos y moderadamente altos, dejando entrever que las concentraciones de PM10 pueden estar asociadas al mismo tipo de fuentes y a similares condiciones meteorológicas. En términos de variación temporal, los niveles de concentración se incrementaron de lunes a viernes y disminuyen en el fin de semana, especialmente en el día domingo, día en el cual el flujo vehicular se reduce notablemente en la ciudad.

Las concentraciones de PM10 están fuertemente ligadas a fuentes móviles, inferencia que se ratificó mediante correlaciones realizadas entre las concentraciones de PM10 y NO2 (fuentes vehiculares) en las estaciones ÉXITO Y ERA, en donde se reportaron correlaciones positivas moderadamente altas, correspondientes a 0,408 y 0,534, respectivamente. Adicionalmente, este estudio permitió determinar que en la ciudad de Cali las concentraciones de PM10 se encuentran influenciadas por las condiciones meteorológicas, principalmente la velocidad del viento, la precipitación y la humedad relativa.

5. AGRADECIMIENTOS

Los autores agradecen al Programa jóvenes investigadores e innovadores 2010 Virginia Gutiérrez de Pineda por apoyar la formación de investigadores, al Departamento Administrativo de Gestión de Medio Ambiente (DAGMA) por proporcionar la base de datos de concentraciones de PM10 y datos meteorológicos registrados por la red automática en las estaciones ERA y ÉXITO. Así como también agradecen a la Universidad del Valle por facilitar los equipos de medición gravimétricos.

6. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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