Notas
 
Instituto Mexicano del Transporte
Publicación mensual de divulgación externa

NOTAS núm. 110, febrero 2008, artículo 1
Efectos ambientales: Análisis paramétrico del submodelo del HDM-4
Juan Fernando Mendoza Sánchez, Sandra Torras Ortiz

Referencia

Introducción

El propósito del presente trabajo fue analizar la estructura del submodelo Efectos Ambientales, incluido en el Sistema para el Desarrollo y Gestión de Carreteras (Highway Development and Management System), conocido por las siglas HDM-4, en su versión 1.3.

Se decidió estudiar el submodelo como un complemento a los trabajos que ha desarrollado el IMT sobre los análisis de sensibilidad de otros submodelos que conforman el software, con el objetivo de utilizarlo como una herramienta para el cálculo de emisiones generadas por la operación del transporte en carreteras, según las características físicas de la infraestructura.

Aspectos básicos del HDM-4

El Sistema para el Desarrollo y Gestión de Carreteras (Highway Development and Management System), conocido por las siglas HDM-4; es un modelo computacional que simula condiciones económicas y físicas a lo largo de un periodo de tiempo, para una serie de especificaciones y escenarios definidos por el usuario.

Dentro de las aplicaciones del HDM-4, se pueden distinguir cuatro etapas en el proceso de gestión de carreteras: Planeación, Programación, Preparación, y Operaciones.

La figura 3 muestra la arquitectura del Sistema HDM-4.

Descripción del submodelo efectos ambientales del HDM-4

El modelo permite calcular la cantidad de emisiones contaminantes en forma de sustancias químicas, generadas por la operación del transporte sobre una red carretera o segmento de la misma, así como el balance energético del ciclo de vida de estrategias de conservación.

Figura 3

Arquitectura del Sistema HDM-4 [Kerali, 2000]

Modelo para el cálculo de emisiones de vehículos

Los vehículos emiten una serie de compuestos químicos como resultado directo del proceso de combustión. La naturaleza y cantidad de estas emisiones depende de una serie de factores que incluyen el tipo, edad y estado de mantenimiento del vehículo, velocidad de desplazamiento, composición del combustible, el estado superficial y la pendiente del camino, así como de las condiciones climatológicas.

Estas emisiones han requerido la atención de investigadores por sus efectos adversos en las construcciones y edificios, en la acidificación de la precipitación pluvial, en la afectación de cosechas, en la contribución al calentamiento global y de manera significativa, en el daño a la salud humana.

El modelo considera únicamente las siguientes emisiones primarias: el monóxido de carbono (CO), el dióxido de carbono (CO2), los óxidos de nitrógeno (NOx), el dióxido de azufre (SO2), hidrocarburos (HC), plomo (Pb), y las partículas suspendidas (también llamadas en la literatura especializada PM, por sus siglas en inglés Particulate Matter).

Características del modelo

El modelo para el cálculo de emisiones del HDM-4 está diseñado para realizar estimaciones comparativas de las cantidades de emisiones generadas por diferentes opciones de mejora y mantenimiento.

Considerando el grado de sofisticación y de agregación de datos, el modelo contenido en el HDM-4 para predecir la cantidad de emisiones generadas por la operación del transporte, suele considerarse como un modelo a escala meso – macroscópica.

Atendiendo a su planteamiento matemático, el modelo se clasifica como mecanístico, ya que utiliza ecuaciones que han sido desarrolladas utilizando fundamentos de la Química y Física, que permiten describir la tasa de emisión de un tipo de fuente en particular.

A diferencia de otros modelos, el HDM-4 realiza una comparación en cuanto a nivel de emisiones entre dos proyectos de mejora de una carretera y no entre dos vehículos, motivo por el cual se construyó el modelo con base en la predicción de niveles de emisión promedio.

Esta comparación podría ayudar a decidir entre diversas estrategias de conservación a la que debería ser usada para un segmento determinado de la red, comparando los beneficios que se obtendrían con la disminución en la cantidad de emisiones generadas debido a la mejora de las condiciones del camino, y el costo de implementar dichas estrategias.

Otros factores que influencian la generación de emisiones son: si es motor a gasolina o diesel; el modelo solo considera emisiones en caliente; no se considera la emisiones evaporativas debido a la temperatura.

Ecuaciones para el cálculo de emisiones

El modelo se basa en el propuesto por Hammerstrom (1995), y predice las emisiones del escape de los vehículos en función del consumo de combustible y de la velocidad.

El consumo de combustible está en función de la velocidad del vehículo, que a su vez depende de las características del camino y de la propia unidad. De esta manera es posible analizar el cambio en la cantidad de emisiones como resultado de la implementación de diferentes estrategias de mantenimiento y mejora de un camino, o cuando hay cambios mayores en la flota vehicular que transita en la red carretera.

Los coeficientes y constantes mencionados en las fórmulas, provienen de diversos estudios con condiciones controladas que han permitido la elaboración de tablas con valores recomendados para su uso en el modelo.

Datos requeridos

Los siguientes datos son requeridos para el cálculo de las emisiones:

  1. Volumen de tránsito en la sección considerada
  2. Longitud de la sección
  3. Velocidades de los vehículos, la cual se obtiene en el módulo RUE (efectos para los usuarios)
  4. Consumo de combustible, también obtenido en el módulo RUE
  5. Vida de servicio del vehículo
  6. Parámetros del modelo, proporcionados en forma de tablas en la documentación del HDM-4.

Limitantes del modelo

Para permitir la comparación de emisiones entre un vehículo y otro, fabricantes e investigadores utilizan los llamados ciclos de manejo, que representan los patrones de manejo que se presentan en el medio rural o urbano, dichas variaciones en los patrones de manejo no son consideradas en la formulación matemática del modelo.

Los efectos de las emisiones generadas no se valoran, ni se incluyen en el análisis económico; únicamente se consideran las diferencias netas en la cantidad de contaminantes generados para cada par de opciones de inversión.

Si bien este modelo no representa de manera detallada la cantidad y naturaleza exacta de las emisiones generadas y el grado de agregación de la información es considerable, es de resaltar que el modelo permite obtener una idea concreta de las implicaciones ambientales por el deterioro de las condiciones de la red carretera. De mayor utilidad pudiera ser en zonas suburbanas, donde la población afectada por la mala calidad del aire es mayor.

Estimación de emisiones con el HDM-4

Con el fin de ejemplificar la manera en que se obtiene la cantidad de emisiones generadas por la operación del transporte carretero con ayuda del HDM-4, a continuación se presenta la aplicación del modelo para el tramo carretero Amealco-Coroneo, del estado de Querétaro, límites con el estado de Guanajuato.

Se pretende así ilustrar el proceso de cálculo, la definición de parámetros requeridos, y la obtención de reportes.

El cálculo se restringe a las emisiones generadas, estando fuera del alcance del estudio el análisis económico y de estrategias, propio del resto de los módulos del HDM-4.

Vehículos representativos

La flota vehicular utilizada en éste estudio se integró con los siete tipos de vehículos aforados anualmente por la Dirección General de Servicios Técnicos (DGST) de la SCT en la red federal de carreteras y que se publican en el documento “Datos Viales”.

Se utilizó la composición vehicular definida en la tabla 1, misma que corresponde con los datos de aforo vehicular proporcionados por la DGST para el tramo de estudio.


Tabla 1

Composición vehicular

Tipo de vehículo

Porcentaje (%)

Vehículo ligero

77,70

Autobús

7,10

Camión mediano C2

7,80

Camión pesado C3

4.30

Camión articulado (T3-S2)

1,60

Camión articulado (T3-S3)

1,30

Camión articulado (T3-S2-R4)

0,20

Con relación a las características físicas de cada vehículo, se retomó la información de la Publicación Técnica 202 del IMT (Arroyo et al., 2002) y se utilizaron algunos valores por omisión del HDM-4. El resumen de los parámetros requeridos por el modelo se presenta en la tabla 2.

Tabla 2

Características de la flota vehicular

Parámetro

unidad

Identificación del vehículo

A

B

C2

C3

T3-S2

T3-S3

T3-S2-R4

Potencia máxima en operación

HP métrico

45

281

133

190

327

327

327

Potencia nominal del vehículo

HP métrico

60

375

177

253

436

436

436

Potencia máxima del freno

HP métrico

43

286

218

347

554

707

996

Peso del vehiculo vacio

kg

1300

15275

6100

8800

17436

19436

29436

velocidad deseada

km/h

110

95

90

90

100

100

100

Coeficiente aerodinámico

Adimensional

0,46

0,65

0,85

0,85

0,63

0,63

0,63

Area frontal

m2

2,941

7,722

6,999

6,999

9,136

9,136

9,136

Factor ajuste combustible

adimensional

1,16

1,15

1,15

1,15

1,15

1,15

1,15

km conducidos por año

km

20000

240000

150000

150000

180000

180000

180000

Vida útil promedio de servicio

Años

6

8

8

8

8

8

8

Costo

$

149683

1559644

399500

508300

863364

896089

1096178

Consumo de combustible, en l

1000 km-veh

157,59

366,12

329,43

483,12

480,64

574,66

753,68

Consumo de lubricantes, en l

1000 km-veh

1,85

3,37

3,37

3,37

5,45

5,45

5,45

Estos parámetros se incorporaron en el HDM-4, en el apartado “Atributos de los vehículos”, definiendo así las características de los vehículos representativos.

Descripción de la carretera en estudio

Para este estudio se consideró la carretera Amealco – Acámbaro (tramo Amealco – Coroneo), la cual cruza los estados de Querétaro, Michoacán, y Guanajuato, en la República Mexicana (Ver figura 4).

Las características generales de la carretera se indican a continuación:

  • Clase de carretera: secundaria
  • Tipos de flujos de velocidad/capacidad: 2 carriles estándar
  • Modelo de tránsito: tránsito libre
  • Zona climática: subtropical – cálido / semiárido
  • Tipo de pavimento: concreto asfáltico

La irregularidad del pavimento se expresa en términos del Índice Internacional de Irregularidad (IRI, por las siglas de International Rouhgness Index), como valor de referencia. El IRI es un resumen estadístico del perfil longitudinal de un camino a lo largo de una rodada, y representa los desplazamientos verticales de un vehículo de pasajeros típico que tienen su origen en la irregularidad de la superficie de rodamiento (Soliminihac, 2001).

Las características del tramo se presentan en la tabla 3.

Tabla 3

Características del tramo de estudio

Tramo

TDPA

Longitud

IRI

Año de medición

Velocidad máxima permitida

Tramo 1

Amealco-Coroneo

1800

24 km

5

2003

100 km/hr

 

Definición del escenario

Se considera la implementación de diferentes casos de conservación en el tramo de estudio. Con lo anterior se pretende visualizar los cambios en la cantidad de emisiones generadas por los vehículos cuando se implementan medidas para mejorar las condiciones físicas de la infraestructura carretera.

Se establecieron tres casos de conservación para el tramo. Las características respectivas se muestran en la tabla 4. Estos casos representan las acciones de conservación estándares que realiza la Dirección General de Conservación de la SCT.

Tabla 4

Descripción de casos de conservación

Caso

Descripción

1

Bacheo, riego de sello para 20% del área dañada, reconstrucción para IRI = 8

2

Bacheo, reconstrucción para IRI = 8, y sobrecarpeta para IRI=5

3

Bacheo, riego de sello para 20% del área dañada, reconstrucción para IRI = 8, y sobrecarpeta para IRI=5

Factores de calibración

En la tabla 5 se presenta el resumen de los factores de calibración empleados en este estudio. Se observa que la mayoría de los factores asumen el valor por defecto del HDM-4, el cual es uno. Esto es debido a que la calibración de los factores implica numerosos estudios de campo con medición directa de las emisiones generadas por vehículos en condiciones acordes con la realidad nacional, y por restricciones económicas y de equipo no disponible, no fue posible llevarlas a cabo.

Tabla 5

Factores de calibración

Vehículo

HC

CO

Nox

PM

CO2

SO2

Pb

k0

k1

k0

k1

k0

k1

k0

k1

k0

k0

k0

Autobús (B)

1,00

1,00

1,00

1,00

1,00

1,00

1,00

1,00

1,00

1,61

0,00

Camión articulado (T3-S2)

1,00

1,00

1,00

1,00

1,00

1,00

1,00

1,00

1,00

1,61

0,00

Camión articulado (T3-S3)

1,00

1,00

1,00

1,00

1,00

1,00

1,00

1,00

1,00

1,61

0,00

Camión doblemente articulado (T3-S2-R4)

1,00

1,00

1,00

1,00

1,00

1,00

1,00

1,00

1,00

1,61

0,00

Camión mediano (C2)

1,00

1,00

1,00

1,00

1,00

1,00

1,00

1,00

1,00

1,61

0,00

Camión pesado (C3)

1,00

1,00

1,00

1,00

1,00

1,00

1,00

1,00

1,00

1,61

0,00

Vehículo ligero (A)

1,00

1,00

1,00

1,00

1,00

1,00

1,00

1,00

1,00

4,17

0,00

Interpretación de resultados

Una vez realizado el análisis, el programa permite generar tres tipos de reportes (Véase figura 5): Emisiones anuales promedio por vehículo, resumen de emisiones anuales y cambio neto anual en emisiones.

Las gráficas de la figura 5 muestran las contribuciones relativas de cada tipo de vehículo a la cantidad total de emisiones generadas en el tramo Amealco – Coroneo en el año 2005. De los resultados se desprenden las siguientes conclusiones:

La mayoría de las emisiones de HC y CO provienen de los vehículos tipo A. Esto se debe en esencia a que los factores de emisión para los vehículos que utilizan gasolina como combustible tienen valores relativamente más elevados.

De igual manera los vehículos pesados a diesel son la categoría de fuente más significativa en cuanto a emisiones de NOx, PM, SO2 y CO2. Ello se debe a que los factores de emisión de estos contaminantes para vehículos pesados que se alimentan con diesel son considerablemente mayores que los correspondientes a vehículos y camiones ligeros a gasolina.

En la figura 6 se presentan las emisiones de hidrocarburos, óxidos de nitrógeno, partículas suspendidas y dióxido de azufre, generadas por los vehículos representativos de la flota nacional presentes en el tránsito diario promedio anual para el año 2005 en el tramo Amealco – Coroneo. Se observa la importante participación de los vehículos pesados en la generación de NOx, además de la generación de hidrocarburos por parte de los vehículos ligeros (tipo A), debido al uso de gasolina como combustible.

Discusión de los resultados

Graficas similares a las anteriores pueden elaborarse para cada tipo de vehículo, emisión, tramo y caso de mantenimiento. Por cuestiones de espacio se presentan en este documento, únicamente algunos ejemplos ilustrativos del uso potencial de la información generada por el módulo de cálculo de emisiones del HDM-4.

Figura 6

Cálculo de emisiones generadas por la flota representativa en el año 2005 para el tramo Amealco - Coroneo

Es evidente que el modelo no representa de manera detallada la cantidad y naturaleza exacta de las emisiones generadas, y el grado de agregación de la información es considerable.

Además de lo anterior, el HDM-4 ofrece la oportunidad de utilizar información requerida para otros módulos, como el de efectos para los usuarios, cuya relevancia es vital para la definición de estrategias de conservación de una red carretera, e integrarla en el módulo de efectos ambientales.

Lo anterior permite obtener información del comportamiento ambiental en cuanto a la generación de emisiones contaminantes, con requerimientos relativamente bajos de datos de entrada adicionales a los que se requieren para realizar un análisis de proyecto dentro del mismo programa.

La comparación relativa de emisiones es también una característica a resaltar, ya que facilita una comparación entre las consecuencias de las distintas obras y alternativas de construcción con un caso base.

La tabla 6 muestra la suma de las emisiones generadas del año 2005 al 2014 por emisión, para cada caso de conservación, en ella se puede ver que el caso 2 y 3 generan la misma cantidad de emisiones.

Tabla 6

Comparativa entre casos de conservación

Caso

HC

CO

NOx

PM

CO2

SO

Pb

1

129.854,33

519.104,24

1.189.098,00

39.124,81

85.669.510,84

25.446,97

0,00

2

129.415,92

542.121,26

1.182.571,76

38.499,87

86.386.404,05

25.682,49

0,00

3

129.415,92

542.121,26

1.182.571,76

38.499,87

86.386.404,05

25.682,49

0,00

Emisiones totales en gramos por 1000 vehículos - kilómetro

 

Sin embargo, es de resaltar que el modelo permite obtener una idea aproximada de las implicaciones ambientales que genera el deterioro de las condiciones de la red carretera, provocando un aumento en el consumo de combustible, costos para el usuario, y por ende, de las emisiones emitidas a la atmósfera.

Conclusiones

Durante las últimas décadas, México ha sufrido profundos cambios económicos y sociales, que han venido acompañados de un creciente deterioro de su medio ambiente y una reducción de sus recursos naturales. La contaminación del aire, el ruido, las vibraciones, la alteración del paisaje, entre otros, son las contribuciones negativas más preocupantes del Sector Transporte al deterioro ambiental.

Para terminar con tendencias claramente no sustentables se requiere una integración real de objetivos ambientales en áreas como: energía, transporte, agricultura, industria, y planeación urbana. Las estrategias integrales para la sustentabilidad del transporte deben acompañar la mejora en la eficiencia de la tecnología de los vehículos, uso de fuentes de energía alternas, fomentar el cambio modal del transporte, y buscar alternativas para la reducción de emisiones, entre otros.

Para el diagnóstico y monitoreo de la calidad del aire, es fundamental conocer la naturaleza y cantidad de emisiones generadas por las diferentes fuentes generadoras de tales contaminantes. Si bien existen diversas herramientas y métodos para cuantificar de manera confiable las emisiones emitidas por una fuente cualquiera, su complejidad, costo de implementación y necesidad de datos de entrada, hacen que su uso en México sea aún restringido.

Con el uso del módulo ambiental para estimar la cantidad de emisiones integrado en el HDM-4, se tiene la posibilidad de estimar la cantidad de emisiones generadas en la red o segmento de la misma, por la operación del transporte carretero que circula sobre ella.

Además de las emisiones anuales totales y por vehículo, la variación anual neta de las emisiones como consecuencia de las distintas obras y alternativas de construcción con un caso base (sin proyecto o mínimo), que normalmente representa el estándar mínimo de conservación rutinario, puede también ser analizada con el HDM-4.

Es evidente que el modelo no representa de manera detallada la cantidad y naturaleza exacta de las emisiones generadas, y el grado de agregación de la información es considerable.

De igual manera, el modelo no internaliza los costos ambientales ocasionados por la contaminación ambiental.

Sin embargo, es de resaltar que el modelo permite tener una idea aproximada de las implicaciones ambientales del deterioro de las condiciones de la red carretera, lo que genera un aumento en el consumo de combustible, costos para el usuario, y por ende, de las emisiones emitidas a la atmósfera. Esto se logra con requerimientos relativamente bajos de datos de entrada adicionales a los que se requieren para un análisis de proyecto dentro del mismo programa.

Por lo anterior, sería recomendable implementar el cálculo de emisiones con el submodelo Efectos Ambientales como parte integral del HDM-4 en las redes carreteras que lo usan como herramienta de gestión, de incluir así la variable ambiental en el proceso de toma de decisiones, pudiendo incluso convertirse en un instrumento estratégico para la gestión de la calidad del aire.

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MENDOZA Fernando
TORRAS Sandra

 
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