Fase 1

Para la ejecución de esta fase se estableció el siguiente diagrama de flujo ilustrado en la Figura 1.

Fuente: autores.

Figura 1 Caracterización de macro localización y micro ubicación y objetivos de SVCA.  

La definición de criterios (macro localización y micro ubicación) y objetivos, se basa en la normatividad vigente para el diseño e implementación de SVCA en Colombia ⁸. Para este estudio se seleccionaron los objetivos de normas nacionales (A), observación de tendencias (C) e investigaciones científicas (I).

Fase 2

Una vez culminada la fase anterior se realiza la selección y caracterización de áreas de puntos de medición, en la cual se define que los puntos estarán ubicados en el centro y sur occidente de la ciudad de Bogotá, Colombia, dentro de las instalaciones de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas (UDFJC), en las Facultades de Artes ASAB (coordenadas 602179.83 E y 509039.98 N) y de Medio Ambiente y Recursos Naturales FAMARENA - Sede Porvenir (590296.76 m E 512530.26 m N).

A partir de un ejemplo propuesto por el protocolo de calidad del aire para el diseño de sistemas de vigilancia ⁸, se realizó en el sitio de cada punto de muestreo una caracterización de la distancia a vías requerida para la ubicación de entradas de material particulado PM10 y PM2.5. Para la caracterización de vías en el punto de FAMARENA Sede el Porvenir, la distancia de la toma de muestras a la vía más cercana se presentó a 30 m, estableciendo así una ubicación de escala media. Teniendo en cuenta la caracterización anterior, se definió para este punto una estación de tipo urbana (área), indicativa (tiempo de muestreo) y de fondo (emisiones dominantes). Por otro lado, en el punto de la Facultad de Artes ASAB, la distancia desde la toma muestras a la vía más cercana, se presentó a 5 m, obteniendo así una ubicación en escala micro e implementando una estación de tipo urbana (área), indicativa (tiempo de muestreo) y de tráfico (emisiones dominantes) debido a su cercanía a la vía. La altura de medición en los dos puntos de muestreo está dada por dos equipos de medición a 2 y 10 m.

Muestreo de material particulado y meteorología

Dust Sentry de la casa matriz Aeroqual ⁹, diseñados para proporcionar mediciones de partículas en tiempo real de TSP (Total Suspended Particles), PM10, PM2.5 o PM1, bajo el principio de la nefelometría en un rango de 0-2,000 µg/m3

Para poder iniciar el muestreo y garantizar la representatividad de los datos fue necesario realizar previamente la verificación de flujos y prueba de fugas, las cuales se desarrollaron de la siguiente manera: prueba de chequeo de flujo, chequeo de flujo de purga, chequeo de flujo exhaustivo, verificar cero manual, chequeo láser y cambio de filtro, limpieza de ciclón, desmontaje del ciclón, calibración óptica, y montaje de equipos.

Una vez definidos los puntos de medición, se realizan los monitoreos de los parámetros PM10, PM2.5 y de las variables meteorológicas (humedad relativa, temperatura, dirección y velocidad del viento) ¹⁰. Para ambos puntos de muestreo (FAMARENA Sede el Porvenir y la Facultad de Artes ASAB), se midieron de manera independiente los contaminantes establecidos. La simultaneidad del estudio consiste en la medición de los parámetros a 2 y 10 m de altura. Las mediciones se realizaron en tiempo real, con el fin de analizar las variaciones y correlaciones en cuanto a los comportamientos de la concentración del material particulado y de las variables meteorológicas medidas. Los registros de concentraciones de PM10, y PM2.5 para FAMARENA Sede el Porvenir se realizaron desde el mes de febrero hasta abril de 2019, y para la Facultad de Artes ASAB desde junio hasta agosto del mismo año; se obtuvieron un total de 159322 datos.

La validación de la información se realizó bajo los criterios de las especificaciones del equipo en cuanto a concentración y flujo, procesando datos cada veinticuatro 24 h (durante este periodo se obtenía un dato cada 5 minutos, es decir, un total de 288 datos), estableciendo que para cada día medido debía existir un mínimo de datos del 75% que permitieran un análisis óptimo en la tendencia del comportamiento de la calidad del aire en cada punto, por lo cual se llevaron a cabo los promedios y se inició la correlación con las variables meteorológicas ¹¹ y entre concentraciones para el desarrollo del análisis de la información.

Fase 3

A través de un análisis estadístico, un análisis de correlación y un análisis de comparación, fue posible realizar el estudio de la información. El análisis estadístico se desarrolló por medio de un análisis descriptivo y uno exploratorio, donde el primero se realizó según los valores obtenidos en: mínimos y máximos, media, mediana, desviación estándar, coeficiente de variación, curtosis, varianzas y percentiles (10, 50, 90 y 99). Mientras que el análisis exploratorio, se llevó a cabo según los resultados de la prueba de normalidad, gráficos pp, cajas Boxplot, modelo probabilístico y función gamma, correlación de datos y gráficos de dispersión.

En cuanto al análisis de correlación se fijaron diferencias de concentración con respecto a las alturas de medición a 2 y 10 m. Adicionalmente, se analizó la conducta de los parámetros medidos y se buscaron correlaciones entre ellos con el fin de verificar posibles tendencias en los datos obtenidos (se utilizó el programa IBM SPSS Statistics 26.0). Con respecto al análisis de comparación, se establecieron rosas de concentración ¹² según los datos obtenidos, donde se comprobaron posibles incidencias del comportamiento de los datos meteorológicos con respecto al comportamiento de PM10 y PM2.5 (se utilizaron los programas OPEN AIR y WRPLOT).

Distribución de las concentraciones

De toda la información recolectada con las dos estaciones instaladas en simultaneidad se evidenció que más del 60% de datos presentaron concentraciones mayores a 2 m de altura, esto se puede observar en la Tabla 1 donde se presenta el número total de registros, los datos relacionados con las concentraciones mayores a 2 m y su respectivo porcentaje. Es pertinente indicar que estos porcentajes fueron distribuidos en dos rangos (0-15 y 20-40 µg/m³ a condiciones estándar.) de acuerdo con la diferencia de concentración entre alturas en un periodo de cada cinco (5) minutos y según el agrupamiento de los registros. Dicho lo anterior, los dos sitios de medición presentaron un comportamiento similar en cuanto a la distribución de la concentración con respecto a la altura. Sin embargo, el parámetro PM2.5 en ASAB presentó un menor porcentaje (48.03%) en las concentraciones mayores a 2 m que en las de 10 m de altura, esto a causa de un fenómeno de resuspensión de material particulado.

Debido a que existe una tendencia principal de mayores concentraciones a 2 m de altura es imprescindible realizar el análisis de la información minuto a minuto, pues de esta manera es posible identificar grandes diferencias de concentración en periodos de tiempo corto, los cuales son omitidos cuando se realiza un análisis de los promedios horarios y diarios. Por lo cual, en la Tabla 2 se presenta el número total de datos correspondientes a la tendencia principal distribuidos en los rangos de concentración establecidos para este estudio, los cuales se agrupan en eventos de diferencia de concentración recurrente, eventos extremos y a la vez inmersos en los rangos del Índice de Calidad del Aire (ICA) ¹³, no con el ánimo de realizar una comparación debido a que el tiempo de exposición no sería el mismo, así como la manera de tratar los datos sino como rangos de referencia lo cual permite inferir en el comportamiento real de las concentraciones entre alturas y el estado de la calidad del aire en su respectiva sede y parámetro.

En la Tabla 2 se observa que en ambos parámetros (PM10 y PM2.5) de FAMARENA y ASAB, el evento recurrente de 0 - 15 µg/m3 tuvo la mayor predominancia con más del 80% del total de los datos. En FAMARENA, el contaminante PM10 tuvo la mayor cantidad de datos en un rango entre 0 y 54 µg/m3con un total de 24,938 registros. Con respecto al contaminante PM2.5, se llegaron a obtener 10,365 datos con un rango entre 15.5 a 40.4 µg/m3, siendo estos los de mayor repetitividad. En ASAB se presentó un caso similar al de FAMARENA, donde el contaminante PM10 tuvo la mayor cantidad de datos en un rango que va de 0 a 54 µg/m3 con un total de 28,548. En cuanto al contaminante PM2.5, se obtuvieron 15,228 datos cuya concentración está entre 0 y 15,4 µg/m3, siendo estos los de mayor predominancia.

Concentraciones promedio horario

La Figura 2 muestra el promedio horario de las concentraciones para PM10 para cada altura de trabajo, siendo esta de 2 y 10 m durante los meses de febrero y marzo de 2019. Allí se evidencia un comportamiento o fluctuaciones similares del contaminante entre las dos alturas, es decir, la tendencia indica cuando se eleva o disminuye la concentración a 2 m lo mismo sucede a 10 m, sin importar las condiciones que pueden afectar el reporte como son la presencia de emisiones y la variabilidad meteorológica, situación que permite establecer que en el 60% del tiempo, la data recopilada presenta mayores concentraciones a una altura de 2 m.

Fuente: autores. *LMP: Límitemáximo permisible 24 h según la OMS.

Figura 2 Concentración promedio horario PM10 a diferentes alturas FAMARENA. 

El comportamiento de los datos de concentración de PM2.5 obtenidos a 2 y 10 m de altura ilustrado en la Figura 3 refleja que la concentración obtenida es mayor a 2 m de altura en el 65% de los casos, mientras que solo se presenta un 35% de eventos donde la concentración es mayor a 10 m, para un total 579 datos. Con respecto a la comparación con el límite máximo permisible de 37 µg/m3 para un tiempo de exposición de 24 h ¹⁴, se evidenció que un 15 % de la información se encuentra por encima de este valor, mientras que un 9% adicional supera el límite de 20 µg/m3 para 24 h recomendado por la organización mundial de la salud ¹⁵. Una de las condiciones que presenta la información de calidad del aire corresponde a que para el mes de abril se reducen sus concentraciones, esto se debió en un principio al inicio de una temporada de lluvias, llevando a un cambio en las condiciones de estabilidad atmosférica del sector de medición y por ende a la dispersión de los contaminantes, sin embargo, las diferencias de las concentraciones se mantienen en cuanto a que la medición a 2 m es mayor que la de 10 m.

Fuente: autores.

Figura 3 Concentración promedio horario PM2.5 a diferentes alturas FAMARENA.  

Las diferencias promedio horario de concentración que se presentan en la Figura 4 para el parámetro PM10 en la sede ASAB muestra que de un total de 792 promedios horarios analizados, en el 64% de estos la concentración a 2 m de altura es mayor que lo reportado a 10 m. Adicionalmente, se presentaron datos atípicos o súbitos donde las diferencias aumentan y disminuyen de manera abrupta, resultando que no siempre indica que el comportamiento de los niveles de concentración por altura sea igual, lo que conlleva a realizar una verificación estadística por medio de un análisis de correlación. En este caso, no se registraron datos que superaran los niveles máximos permisibles de la normatividad vigente. Al realizar un análisis comparativo entre las tendencias presentadas en los dos sitios de medición, se observó que en FAMARENA, las diferencias de concentración por alturas son más extremas que en la sede ASAB a nivel promedio horario.

Fuente: autores.

Figura 4 Concentración promedio horario PM10 a diferentes alturas ASAB 

En la Figura 5 el parámetro PM2.5 en la sede ASAB presentó un comportamiento similar en las mediciones realizadas a 2 y 10 m de altura. Sin embargo, se tienen algunas excedencias hacia la mitad del mes de agosto, donde las concentraciones presentaron un ascenso que llego a tener 40 µg/m3 adicionales al límite máximo permisible de 37 µg/m3, sin embargo, la mayoría del tiempo se está cumpliendo con este límite, pero no el referente como directriz de la OMS de 15 µg/m3. Por otro lado, se presenta un pico hacia finales de la tercera semana del mismo mes para la altura de 10m de 60 µg/ m3 siendo este valor atípico y puntual y no analizado. Por otro lado, la concentración entre alturas no superó los 10 µg/m3, aunque puede considerarse como baja, si es una concentración considerable e importante, debido a que una diferencia de esta magnitud por estar midiendo en una altura no relacionada con el objetivo del estudio hará que los resultados se distorsionen y no muestren la realidad de la inmisión y al proponer medidas de prevención, control y mitigación, estas no estarán acordes a la situación evaluada.

Fuente: autores.

Figura 5 Concentración promedio horario PM2.5 a diferentes alturas ASAB.  

Análisis estadístico

Para este análisis se definió como primer eje pruebas de normalidad a la variable x, para determinar si existía un comportamiento simétrico. En el segundo eje se realizó una estadística descriptiva que permitiera describir el fenómeno de estudio, y finalizando se realizó una estadística exploratoria.

Prueba de normalidad

La prueba de normalidad para las concentraciones reportadas en FAMARENA y ASAB con respecto a los parámetros de estudio (PM10 y PM2.5), como se ilustra en la Tabla 3, arrojó en ambos casos un resultado de significancia menor a 0.05, lo cual indica que las variables no tienen una distribución normal o en forma de campana. Por ende, los datos no se comportan de una manera simétrica alrededor de la media.

Correlaciones

La relación de variables numéricas aleatorias se hace por medio de la correlación, cuando los datos presentan valores extremos se usa el coeficiente de Spearman, debido a que dichos valores afectan considerablemente el coeficiente de correlación de Pearson, o ante distribuciones no normal. En la Tabla 4 están las correlaciones para los parámetros de PM10 y PM2.5 a diferentes alturas, en las cuales se realizó el monitoreo en FAMARENA.

Es de resaltar que el grado de significancia que usualmente se trabaja es del 5%, pero en este caso el grado de significancia fue del 1% haciendo más exigente la prueba. Adicionalmente, se identificó que la correlación para el parámetro de PM10 y PM2.5 es de 0.762, y de 0.81respectivamente, esto indica que la correlación es buena, lo cual representa que para cualquiera de los dos parámetros de medición se presentó el mismo comportamiento de incremento o disminución de la concentración a 2 y a 10 m de altura.

En cuanto la Tabla 5 se identificó que la correlación para el parámetro de PM10 y PM2.5 es de 0.341, y 0.55 respectivamente, esto indica que las correlaciones son bajas e intermedias, lo cual demuestra que al existir aumentos o disminuciones de la concentración a cualquiera de las dos alturas, no garantiza que suceda lo mismo para la otra, abriendo paso al estudio de factores externos que inciden en la variación de concentración a 2 y 10 m de altura. Uno de estos factores puede ser la temperatura, la variación de esta a 2 y 10 m incidió en la resuspensión del contaminante invirtiendo las tendencias en el análisis de la información minuto a minuto.

Gráficos de dispersión

En la Figura 6 en FAMARENA el coeficiente de determinación que está dado en el gráfico por R2 nos expresa la parte proporcional que indica la varianza de factores comunes, al no ser una correlación perfectamente positiva ¹, es importante poder determinar en qué porcentaje incide lo que pasa a 2 m de altura con respecto a los aumentos o descensos de concentraciones que se registran a 10 m. Según los valores que toma R2, para PM10 en un 51% de los casos lo que ocurre a 2 m de altura incide en el comportamiento que se presenta a 10 m de altura, mientras que para PM2.5 dicho evento ocurre en un 63% de los casos, resaltando que estos valores se alteran de forma importante ante la presencia de un valor extremo, los cuales no fueron omitidos al ser concentraciones reportadas y que se encuentran en el rango de medición de los equipos Dust sentry. Para la ASAB en la Figura 7, se observa la dispersión para los parámetros PM10 y PM2.5, donde el coeficiente de determinación que está dado en el gráfico por R2, indica que en el parámetro PM10 tan solo el 7,4% de las concentraciones que se registran a 2 m, tienen un comportamiento similar a las reportadas a 10 m de altura, y para el parámetro PM2.5 un 39% de las veces. De lo cual se infiere que entre alturas puede existir algún fenómeno externo que incidió en la diferencia de concentraciones.

Fuente: autores.

Figura 6 Gráficos de dispersión FAMARENA.  

Fuente: autores.

Figura 7 Gráficos de dispersión ASAB.  

Diagrama Boxplot

En la Figura 8 y 9 se ilustra el comportamiento del total de datos de manera minutal, horaria y diaria. En el caso de PM10 en FAMARENA, se realizó el análisis de información minuto a minuto con 41,423 datos. Ante la presencia de atípicos extremos, se determinó establecer el porcentaje de información que se encuentra entre los límites superior e inferior en el cual se hallan los datos comunes del estudio, reflejando que el 98% del total de la información se encuentra dentro de este rango de datos, lo cual corrobora el resultado de la curtosis y asimetría, siendo datos agrupados con un pequeño número de valores extremos. Además, en las mismas figuras también se muestran dos líneas rojas, la primera representa el valor límite permisible según la norma nacional (VLP) 24 h y la segunda la recomendación de la concentración de la organización mundial de la salud (OMS) 24 h. En la altura de medición a 2 m, se evidenciaron las mayores concentraciones y la mayor cantidad de datos mediante el manejo de la información minuto a minuto.

Por ende, se realizó la comparación con las dos líneas de referencia, el porcentaje de información que supera VLP es del 1% y del 4% la recomendación de la OMS, de lo cual resulta que los datos atípicos extremos no se retiran del Boxplot, debido a que son concentraciones reportadas por los equipos de monitoreo con un rango de 0 a 2,000 µg/ m3 y en los cuales se presentó una exposición de algún receptor sensible.

Fuente: autores.

Figura 8 Boxplot para concentraciones FAMARENA.  

Fuente: autores.

Figura 9 Boxplot para concentraciones ASAB.  

En cuanto a las mediciones PM2.5 en FAMARENA con un total de datos registrados de 35,590 a 2 m de altura, se delimitó el porcentaje de información que se encontraba entre los límites superior e inferior de manera minutal, horaria, y diaria. Para la información minutal existe un mayor porcentaje de atípicos extremos en la altura correspondiente a 1010 m, dejando un 96% para datos pertenecientes al rango de datos comunes y un 4 % para atípicos extremos. De manera horaria y diaria existe una disminución de atípicos extremos. Se evidenció que para valores atípicos hacia la izquierda “límite inferior” del Boxplot no se registra información, siendo los valores cercanos a cero datos ubicados dentro del rango de datos comunes. Al realizar el análisis con respecto a las dos líneas de referencia se encuentra que para el VLP 24 h existe un 15% de la información por encima, y para la referencia de la OMS un 34% de información por encima de esta. Teniendo en cuenta que las mayores concentraciones se presentaron a 2 m de altura, se realizó un análisis de la información a 10 m evidenciando la disminución del porcentaje de datos que superan el límite máximo permisible, en la cual se encontró que para el VLP existe un 10% de información por encima de la norma, y para el valor de referencia de la OMS un 25%. En ambos casos existe una disminución en su comportamiento.

Al realizar un análisis de comparación entre el Boxplot en FAMARENA y ASAB, se tiene que la cantidad de datos empleados en el análisis superan el 90% del total de la información tanto para los contaminantes PM10 como PM2.5. Así mismo, se registró un aumento en la recurrencia de valores atípicos extremos para ASAB posiblemente por encontrarse cerca a una fuente lineal obteniendo menores rangos de concentración, pero con mayor volumen de datos, lo que lleva a interpretar que se presentó una concentración de la información en un rango de datos menor. Como se ilustra en la Figura 8 y 9, para los datos promedio horario y promedio diario se presenta un incremento en el registro de atípicos extremos, lo cual nos indica que a pesar de que exista un porcentaje pequeño de atípicos, estos representan altas concentraciones con respecto a las líneas de referencia. Para ambas alturas existe una disminución considerable de información por encima de la norma VLP y de la recomendación de la OMS. Se concluye una disminución en la concentración comparada con FAMARENA, pero con la persistencia de la diferencia de concentración entre alturas como se evidencia en las medianas y los análisis anteriores.

Así mismo evidenciamos el Boxplot para las mediciones PM2.5 en ASAB con un total de 41,585 datos registrados a 2 m de altura, si lo comparamos con el parámetro PM10 existe un leve incremento en la recurrencia de atípicos extremos en los tres ejes de análisis minutal, horario, y diario, siendo más notorio en la información horaria. Con respecto a las líneas de referencia, existe un incremento en el porcentaje de datos por encima de la norma y de la recomendación de la OMS, si lo comparamos con el parámetro PM10 en la misma sede.