La tecnología computacional como herramienta en el estudio del transporte de contaminantes en un medio urbano: caso el área metropolitana de Monterrey

Jose Emilio López Escobar, Alejandro Alonzo García, Jorge Marroquin Desentis, René Sanjuan Galindo, Sergio Martinez Delgadillo y José Isidro Hernández Vega (*)

En décadas recientes, se ha tenido un incremento en la cantidad de habitantes en medios urbanos industrializados. Esto es consecuencia de las oportunidades de progreso derivados del asentamiento de grandes industrias. En nuestro país, un ejemplo de esto es el área metropolitana de Monterrey. En esta urbe, el sector de manufactura, comercio y servicios de construcción dominan las actividades económicas. En consecuencia, de las actividades de transporte y manufactura, una gran cantidad de partículas contaminantes son emitidas al medio ambiente. Para el sector transporte, el INEGI reportó una flota vehicular de más de 2 millones y medio de automóviles únicamente en el estado de Nuevo León [1]. Si consideramos que un vehículo de gasolina emite aproximadamente 143gr de dióxido de carbono (CO²) por kilómetro recorrido, y si se estima un recorrido diario de 5 km por vehículo se tendrían aproximadamente 3672 Toneladas diarias de contaminantes [2]. Esto, aunado a las partículas derivadas del sector industrial, resulta ser un riesgo para la salud de los seres vivos, y provoca problemas respiratorios y cardiovasculares [3]. Las partículas contaminantes que se puede encontrar en un medio urbano tienen tamaños muy pequeños (entre 2.5 y 10 milésimas de milímetro) [4], por lo que pueden ser fácilmente transportadas por las corrientes de aire, y entrar a nuestro cuerpo por vía respiratoria. Dado a que las fuentes generadoras de contaminación siguen aumentando año con año, la situación es alarmante e insostenible.

Métodos de estudio:

Con la intención de comprender y analizar el transporte de contaminantes en un medio urbano, actualmente se utilizan programas de cómputo especializados como herramientas que permiten realizar estudios en lugares específicos de algunas ciudades de nuestro país, los cuales pueden ser unidades habitacionales [5], campus universitarios [6] o altos edificios en convivencia con edificaciones pequeñas [7], como el ilustrado en la Figura 1(a). En ella puede apreciarse un modelo computacional y simplificado de un medio urbano caracterizando la presencia de un rasca-cielos. Mediante el conocimiento de las velocidades en las zonas aledañas ocasionadas por la presencia del edificio de gran altura, se pueden afectaciones por aceleraciones de flujo. En la figura 1(b) se muestran las zonas donde la velocidad del flujo pudiera ser peligrosa para los peatones y comercios aledaños.

Análisis de las afectaciones de un rasca-cielos dentro de un arreglo simétrico de pequeños edificios, b) flujo de contaminantes obtenidos con programa de computo.

Dado a que los contaminantes particulados (PM2.5 y PM10) replican las trayectorias del aire, este tipo de investigaciones, han demostrado dar buenos resultados en cuanto al entendimiento de las trayectorias de los contaminantes y regiones donde éste se acumulará en los entornos urbanos. En el Instituto Tecnológico de Nuevo León, apoyados por el CONAHCyT y en colaboración con instituciones de prestigio como la UAM-Azcapotzalco y la Universidad Autónoma de Baja california, se desarrollan proyectos con la ayuda de programas de cómputo, orientados al análisis de la trayectoria de los contaminantes utilizando mapeos urbanos correspondientes a los territorios locales. Como parte de las actividades, se realizan la digitalización de zonas urbanas altamente contaminadas, utilizando imágenes satelitales y mediciones en sitio. Un ejemplo de interés, lo presenta la colonia San Bernabé, ubicada en Monterrey. La figura 2 muestra una región representativa de dicha colonia, compuesta de edificaciones mayormente de tipo comercios o viviendas, de 1 o 2 plantas. De acuerdo a la información de las estaciones meteorológicas instaladas por el Sistema Integral de Monitoreo Ambiental (SIMA), en esta región se presentaron altos índices de contaminación durante años recientes (2019 a la fecha).

Imagen satelital de una región de la colonia San Bernabé en Monterrey, donde se encontraron altos índices de contaminación.

Una vez delimitada el área representativa, se genera un modelo virtual utilizando programas de cómputo especializados, los cuales resuelven las ecuaciones fundamentales del flujo para obtener las velocidades y patrones del aire contaminado. Con esta información, es posible encontrar las regiones donde el contaminante puede estar estancado, y otras zonas donde su dispersión es favorable. La figura 3 muestra la construcción de modelo de urbano virtual (caso colonia San Bernabé, Monterrey), y los campos de velocidades obtenidos. En este caso, las zonas de color azul representan regiones de baja velocidad donde el contaminante difícilmente será dispersado. En estas zonas, son deseables la plantación de árboles y paredes verdes para la mitigación del efecto de acumulación, siendo su predicción, necesaria para nuevas planeaciones urbanas.

Modelo de ciudad virtual y el campo de velocidades en un plano a la altura del peatón, b) zoom en zona de edificios pequeños, y zonas de recirculación.

Actualmente, en colaboración con otros investigadores, adscritos a universidades tales como la UAM Azcapotzalco y la FCITEC-UABC campus Tijuana, se trabaja en nuevas herramientas matemáticas (modelos numéricos) orientadas a mejorar las capacidades de predicción del comportamiento de los contaminantes. Asimismo, con la ayuda de jóvenes talentos inscritos en proyectos de investigación, nuevas regiones de interés son seleccionadas para complementar los estudios. Con esto, se pretende realizar una aportación novedosa que puede ser replicada a otros entornos urbanos tales como la Ciudad de México, Guadalajara, Tijuana, entre otras. Finalmente, los resultados obtenidos servirán para sentar un precedente en la planeación urbana nacional. La determinación del comportamiento del flujo de aire que conduce contaminantes en cualquier medio urbano de México es posible con la ayuda de programas de cómputo, con esta información se pueden planear y diseñar nuevas zonas de vivienda adecuadas para eliminar o minimizar el tiempo de residencia de los contaminantes o evitar la formación de islas de calor.

REFERENCIAS

[1]Gobierno del Estado, Data Nuevo León, (2023). http://datos.nl.gob.mx/consultas/.

[2]L. Rojas Bracho, V. Garibay Bravo, J.A. Aguilar Gómez, L.E. Ramos Casillas, G. Tzintzun Cervantes, Estudio de emisiones y actividad vehicular en la área metropolitana de Monterrey, Monterrey, 2010.

[3]L. Li, C. Xing, J. Zhou, L. Niu, B. Luo, M. Song, J. Niu, Y. Ruan, X. Sun, Y. Lei, Airborne particulate matter (PM2.5) triggers ocular hypertension and glaucoma through pyroptosis, Part. Fibre Toxicol. 18 (2021) 1–13. https://doi.org/10.1186/s12989-021-00403-4.

[4]C. Grassi, P. Narducci, L. Tognotti, Atmospheric particulate matter by SEM-EDX, (2023) 1–6. https://www.umad.de/infos/cleanair13/pdf/full_273.pdf.

[5]T. Lauriks, R. Longo, D. Baetens, M. Derudi, A. Parente, A. Bellemans, J. van Beeck, S. Denys, Application of Improved CFD Modeling for Prediction and Mitigation of Traffic-Related Air Pollution Hotspots in a Realistic Urban Street, Atmos. Environ. 246 (2021). https://doi.org/10.1016/j.atmosenv.2020.118127.

[6]B. Blocken, W.D. Janssen, T. van Hooff, CFD simulation for pedestrian wind comfort and wind safety in urban areas: General decision framework and case study for the Eindhoven University campus, Environ. Model. Softw. 30 (2012) 20. https://doi.org/10.1016/j.envsoft.2011.11.009.

[7]X. Zhang, A.U. Weerasuriya, X. Zhang, K.T. Tse, B. Lu, C.Y. Li, C.H. Liu, Pedestrian wind comfort near a super-tall building with various configurations in an urban-like setting, Build. Simul. 13 (2020) 1385–1408. https://doi.org/10.1007/s12273-020-0658-6.

(*) los autores pertenecen al Instituto Tecnológico de Nuevo Leon.

Contacto: todos en aalonzo@conahcyt.mx