estudio de concentraciones y emisiones de material particulado en un tunel vehicular en medellin,...

ESTUDIO DEL MATERIAL PARTICULADO PM 2.5 EN EL TÚNEL DE OCCIDENTE

FERNANDO GÓMEZ MARTINEZ

Enrique Posada Restrepo

Asesor y Director de Proyectos

INDISA S.A.

Generalidades del estudio• El objetivo principal de estudio era conocer la relación entre el

contenido de azufre en el combustible diesel usado en los motores de combustión del Valle de Aburrá y, la cantidad y calidad del material partículado emitido por estos motores.

• Los monitoreos se realizaron durante periodos de 24 horas, en épocas del año 2010 en las cuales se tenía certeza sobre las composiciones del combustible diesel utilizado por los vehículos de la zona de influencia del Valle de Aburrá, en Colombia.

• En las fechas del estudio se trabajó con tres tipos de combustibles diesel, reportados con contenidos de azufre de 50, 500 y 2100 ppm.

• Se tomaron datos de los flujos vehiculares y de los tipos de vehículos que circularon por el túnel, material partículado, concentración de CO dentro del túnel y datos de operación del sistema de ventilación del túnel.

Flujo vehicular en el túnel

0

500

1.000

1.500

2.000

2.500

0 4 8 12 16 20 24

Hora del día

Flu

jo h

ora

rio

de

ve

híc

ulo

s

Viernes Día 1 Sábado Día 2 Domingo Día 3

Lunes Día 4 Miércoles Santo Día 5 Jueves Santo Día 6

Viernes Santo Día 7 Domingo Res. Día 8 Lunes Pascua Día 9

Viernes Día 10 Sábado puente Día 11 Domingo puente Día 12

Lunes Festivo Día 13

Para los diferentes días del muestreo, se encontró un patrón de comportamiento del flujo vehicular dentro del túnel.

Visibilidad dentro del túnel

0

200

400

600

800

1.000

1.200

1.400

1.600

0 4 8 12 16 20 24

Hora del día

Vis

ibili

da

d m

ed

ia e

n e

l tú

ne

l

Datos de enero 15 a 18 Lineal (Datos de enero 15 a 18)

Esta visibilidad oscila entre valores de 800 y 1500 m, al interior del túnel. Básicamente depende de la ventilación dentro del túnel.

Influencia del flujo vehicular y de la ventilación en la concentración de CO

Influencia del flujo vehicular en las concentraciones de CO

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

0 200 400 600 800 1000 1200

Flujo vehiculos/h

Co

nc

en

tra

ció

n d

e C

O, p

pm

Todos los datos predichos

Concentraciones bajas de CO (alta ventilación)

Concentraciones altas de CO (baja ventilación)

Flujo medio, veh/hr= 300 Conc. Media CO predicha, ppm = 21,8

Durante mediciones experimentales, Flujo medio 24 hr, veh/hr= 270 Conc. Media medida CO, ppm = 15,2

Todos los datos experimentales

Lineal (Todos los datos experimentales)

Influencia del flujo vehicular en la concentración de CO

•Las ventilaciones dentro del túnel y los flujos de vehículos controlan las concentraciones de gases contaminantes.

•En el estudio se encontró que a mayor flujo de vehículos mayores son las concentraciones de CO, pero el comportamiento muestra amplias desviaciones.

•Durante el estudio no se encontró una clara relación entre el funcionamiento de los ventiladores del túnel y la concentración de CO. Para reducir altas concentraciones puntuales de este gas dentro del túnel, se recomendó sofisticar el funcionamiento de los sistemas de ventilación del túnel.

Ventilación dentro del túnel

Estudios del material partículado PM2.5

MuestreoFecha de inicio

del muestro

Hora de inicio del

muestreo

Azufre del combustibl

e diesel

Concentración de PM 2,5, Microg/m3

Estudio en el interior del túnel

ET001 15/01/2010 15:00 2.100 176,3

ET002 16/01/2010 15:00 2.100 209,3

ET003 17/01/2010 15:00 2.100 289,9

ET004 31/03/2010 15:00 500 604,7

ET005 03/04/2010 15:00 500 255,5

ET006 04/04/2010 15:00 500 277,9

ET007 14/08/2010 10:00 50 214,5

ET008 15/08/2010 10:00 50 298,5

ET009 16/08/2010 10:00 50 239,9

Estudio en zonas no afectadas por el túnel

EFT02 21/05/2010 15:00 12,13

EFT03 22/05/2010 15:00 12,27

EFT04 24/05/2010 15:00 12,04


•En la tabla anterior se observa que las emisiones de PM2.5 en el túnel son mucho mayores que las concentraciones típicas de la ciudad (que son del orden de los 20 µg/m3) y todavía más que las concentraciones de fondo.

•Esto indica que las concentraciones en el interior del túnel se deben en su casi totalidad al efecto de los vehículos (se puede deducir que cerca del 95 % de la masa de PM 2.5 muestreada proviene de los vehículos).

•Las variaciones observadas están fundamentalmente relacionadas con el flujo de vehículos y con las condiciones de ventilación del túnel.


Se construyó un modelo para estudiar el impacto de la ventilación sobre las concentraciones de CO y de material partículado.

Para construir el modelo, debe partirse de factores de emisión de los contaminantes, en g/km pero no se cuenta con esta información para los vehículos locales.

Porcentajes de circulación promedio de vehículos en el túnel durante los muestreos

Diesel pesado % 14,9

Diesel liviano % 3,1

Gasolina pesado % 4,6

Gasolina liviano % 77,4

Factor diesel a gasolina liviano 27,3

Factor diesel a gasolina pesado 12,4

Emisiones de MP diesel pesado g/km 1,146

Emisiones de MP diesel liviano g/km 0,573

Emisiones de MP gasolina pesado g/km 0,093

Emisiones de MP gasolina liviano g/km 0,021

Emisiones ponderadas según flujo medio g/km 0,209

Emisiones de MP pesado g/km 0,900

Emisiones de MP pesado estudio UPB g/km 0,900

Emisiones de MP liviano g/km 0,042

Emisiones de MP liviano estudio UPB g/km 0,080


0

100

200

300

400

500

600

0 4 8 12 16 20 24

Hora del día

Em

iso

ne

s d

e M

P 2

.5 g

/hr

Viernes Día 1 Sábado Día 2 Domingo Día 3 Lunes Día 4

Miércoles Santo Día 5 Jueves Santo Día 6 Viernes Santo Día 7 Domingo Res. Día 8

Lunes Pascua Día 9 Viernes Día 10 Sábado puente Día 11 Domingo puente Día 12

Lunes Festivo Día 13


Muestreo ET001 ET002 ET003 ET004 ET005 ET006 ET007 ET008 ET009 Prom.

Inicio Muestro 15/01/10 16/01/10 17/01/10 31/03/10 03/04/10 04/04/10 14/08/10 15/08/10 16/08/10

PM 2,5 medida, µg/m3 176,3 209,3 289,9 604,7 255,5 277,9 214,5 298,5 239,9 285,1

PM 2,5 modelada, µg/m3 267,4 241,3 225,9 559,1 280,7 274,0 242,1 253,6 222,2 285,1

Vehículos por hora 243 261 311 367 516 285 187 441 456 341

Fracción diesel liviano 0,030 0,030 0,028 0,032 0,031 0,028 0,029 0,034 0,036 0,031

Fracción diesel pesado 0,166 0,152 0,188 0,125 0,130 0,200 0,207 0,111 0,103 0,154

Fracción gasolina liviano 0,752 0,773 0,724 0,803 0,798 0,717 0,702 0,822 0,827 0,769

Fracción gasolina pesado 0,053 0,045 0,059 0,039 0,040 0,055 0,062 0,033 0,034 0,047

Ventilación por portal, m3/hr 391.265 373.531 434.175 148.500 345.280 337.408 358.398 393.381 390.102 352.449


S en el diesel, ppm 2100 2100 2100 500 500 500 50 50 50

PM 2,5 µg/m3 176,5 209,4 290,2 691,8 288,1 279,3 215,1 296,9 234,9

Carbono orgánico OC 22,349 22,748 26,352 23,867 20,723 23,654 24,456 30,368 22,709

Carbono elemental EC 57,760 57,245 53,824 58,261 61,461 58,886 58,020 48,300 60,269

H, N y O asociados con el OC 11,913 12,126 14,048 12,723 11,047 12,609 13,037 16,188 12,105

SULFATO 2,325 2,191 1,774 1,186 1,368 1,126 0,484 0,399 0,618

AMONIO 0,858 0,812 0,637 0,005 0,569 0,425 0,181 0,118 0,218

NITRATO 0,134 0,120 0,094 0,118 0,136 0,071 0,057 0,046 0,074

CALCIO 0,225 0,172 0,120 0,140 0,067 0,018 0,164 0,125 0,244

SODIO 0,077 0,045 0,044 0,067 0,052 0,021 0,011 0,027 0,016

Otros iones 0,261 0,255 0,208 0,217 0,171 0,125 0,194 0,138 0,196

Na2O 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000

Al2O3 0,169 0,162 0,119 0,167 0,299 0,112 0,170 0,202 0,166

SiO2 0,614 0,598 0,368 0,578 0,933 0,371 0,738 0,606 0,764

SO3 0,583 0,655 0,434 0,284 0,440 0,397 0,259 0,339 0,227

CaCO3 0,683 0,590 0,266 0,408 0,712 0,515 0,000 0,513 0,000

Fe2O3 0,843 0,976 0,627 0,817 0,784 0,502 0,820 1,250 0,922

K2O 0,025 0,026 0,003 0,018 0,086 0,031 0,024 0,019 0,020

ZnO 0,071 0,086 0,053 0,062 0,059 0,048 0,062 0,066 0,072

Otros óxidos metálicos 0,110 0,193 0,027 0,083 0,092 0,034 0,281 0,265 0,214


•Las muestras del túnel son esencialmente materiales orgánicos (carbono orgánico y sus elementos asociados) y carbono elemental.

•En el resto de los componentes son importantes los compuestos de azufre y algunos óxidos metálicos. Estas composiciones son consistentes con lo que sería de esperar para emisiones provenientes de la combustión: hollines y compuestos de azufre, con algunos óxidos provenientes de la contaminación de fondo y de los aditivos del combustible y desgaste de vías, llantas y elementos del motor.


R2 = 0,88

R2 = 0,73

R2 = 0,88

0,00

0,50

1,00

1,50

2,00

2,50

3,00

3,50

4,00

4,50

0 500 1.000 1.500 2.000 2.500

S en diesel, ppm

% e

n p

es

o s

ob

re P

M 2

,5

SULFATO % medio= 1,27 AMONIO % medio= 0,42 TOTAL IONES % medio= 2,17

Al trabajar con combustibles más ricos en azufre se aumentan las fracciones de iones totales y notablemente los sulfatos y el amonio. Se registra un impacto positivo bastante importante.

Conclusiones del estudio

•El impacto de la disminución del azufre en los combustibles diesel va a tener un impacto positivo sobre las emisiones de sulfatos, amonio, iones totales y óxidos de azufre. Esto en cuanto a composición.

•Al disminuir los contenido de azufre del diesel no se encontró un impacto sobre las fracciones asociadas con los óxidos de aluminio (aumentan ligeramente), con los óxidos de bario (aumentan), con los carbonatos de calcio (disminuyen). Sobre los óxidos de zinc no se observa un impacto claro. •Los estudios realizados en el túnel no permiten visualizar el impacto sobre las emisiones como tales (factor de emisión) debido a la complejidad asociada con los efectos de la ventilación del túnel.

•Dicho sistema de ventilación podría mejorarse para dar mayor confort a los usuarios del túnel.

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