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LOS MÉTODOS MULTIVARIADOS PARA EVALUAR EL EFECTO DE LA REDUCCIÓN DE
AZUFRE EN PETROLÍFEROS SOBRE LOS NIVELES DE BIÓXIDO DE AZUFRE ATMOSFÉRICO
Ma. Magdalena
NAVA
1
, José Luis BRAVO
2
y Jorge Raúl GASCA
1
1
Instituto Mexicano del Petróleo, Programa de Investigación del Medio Ambiente y Seguridad. Eje Central Lázaro
Cárdenas 152. Del Gustavo A. Madero, CP 07730, México, D.F.
2
Universidad Nacional Autónoma de México, Centro de Ciencias de la Atmósfera, Ciudad Universitaria, Coyoacán
04510, México, D.F.
(Recibido marzo 2002, aceptado octubre 2003)
Palabras clave: contaminante atmosférico, bióxido de azufre atmosférico, combustibles fósiles, métodos multivariados
RESUMEN
Se estudia el efecto de la disminución en la concentración de azufre en los petrolíferos utilizados
en la Zona Metropolitana de la Ciudad de México (ZMCM), en la concentración del bióxido de
azufre (SO
2
) atmosférico durante el periodo de 1986 a 2001. Para este fin se elaboró una memoria
cronológica para identificar la vigencia de las estrategias para mejorar la calidad del aire en este
periodo de quince años, en particular, la reformulación y sustitución de diversos petrolíferos
para reducir el aporte de azufre a la atmósfera, considerando que al efectuarse la combustión se
forma principalmente bióxido de azufre, en menor medida trióxido de azufre y compuestos aso-
ciados a las partículas. Se presenta la evolución temporal durante este periodo, tanto de la
demanda de combustibles, como de su respectivo contenido de azufre. Se encontró que no
obstante el incremento de 18 % en el consumo de petrolíferos de 1988 a 2001, su contenido de
azufre total decreció en 94 % mientras que la concentración atmosférica de SO
2
se abatió en 70 %.
Se aplicaron los métodos estadísticos de Análisis de cúmulos y Análisis de series de tiempo a las
observaciones promedio de SO
2
atmosférico de 5 sitios de monitoreo y para la ZMCM. Con el
primer método se diferenciaron tres etapas, caracterizadas por el orden decreciente de la emisión
primaria de azufre estimada y la concentración de SO
2
atmosférico alcanzada. El Análisis de
Series de Tiempo se utilizó para determinar el comportamiento temporal y espacial de los niveles
atmosféricos de SO
2
y para elaborar un pronóstico de corto plazo. Se ajustó un modelo lineal que
relacionó la concentración del contaminante atmosférico SO
2
con el aporte de azufre por petro-
líferos en la ZMCM. Este modelo se aplicó a los datos de la ZMCM y a cada uno de los cinco
sitios. Se detectó un comportamiento atípico al final de la serie de tiempo, con excedencias al
valor base de 0.02 ppm. Los valores anómalos se ubicaron en las estaciones Tlalnepantla y
Xalostoc, pero fueron perceptibles en el promedio de la ZMCM y en Pedregal. El aporte de
azufre estimado para la mayor concentración mensual promedio atípica de SO
2
fue de 97 tonela-
das por día más que la del registro por la demanda de petrolíferos. Esta cantidad puede ser
atribuible al uso temporal no registrado de combustibles con alto contenido de azufre en la zona
industrial norte.
Keywords: atmospheric pollutant, atmospheric sulfur dioxide, fossil fuels, multivariate methods
ABSTRACT
The effect of sulfur reduction in the derived oil fuels used in Mexico City Metropolitan Area
(MCMZ) over atmospheric sulfur dioxide (SO
2
) concentration was studied along the 1986 to 2001
period. In order to identify the effect of the strategies to improve air quality in this fifteen years
period, the chronology of implementation of such modifications was established, particularly the
Rev. Int. Contam. Ambient.
19
(1) 25-36, 2003
Ma. M. Nava
et al.
26
reformulation and substitution of fossil fuels to reduce sulfur compounds emission to the atmo-
sphere. In addition to the aspect of sulfur content in fossil fuels during this period, the study
also focuses on the aspect of fuel demand. The findings reveal that, in spite of the 18 % increase
in oil fuel consumption on 1988 to 2001 whole period, sulfur contribution decreased 94 % while
SO
2
atmosphere concentration declined 70 %. Cluster and time series analysis techniques were
used in the study of SO
2
atmospheric concentration data from five monitoring locations and the
mean from the MCMZ. Through Cluster analysis the observations were classified in three
groups categorized according to decreasing order of sulfur content in fuels and SO
2
atmo-
spheric concentration. Time series analysis was used to determine the temporary and spatial
behavior of SO
2
concentrations and to do short term forecasting. Finally, we fitted a linear model
to the sulfur contributions by fuels and SO
2
concentrations. With this model we estimated the
sulfur compounds emissions according to atmospheric levels during an atypical high SO
2
con-
centration episode detected in Tlalnepantla and Xalostoc monitoring stations, both located in
the north part of the city. The primary sulfur estimated for the monthly maximum atypical con-
centration was 97 tons/day higher than the value calculated from fuel sales. This episode can
therefore be attributed to the temporal burning of fuels with high sulfur contents in the northern
industrial part of the zone.
INTRODUCCIÓN
La Zona Metropolitana de la Ciudad de México
(ZMCM) posee características particulares; una de las
principales es que en ella habita el 28.5% de la población
del país por lo se que desarrolla una actividad socioeco-
nómica intensa (INEGI 1999). Las regiones que presen-
tan estas condiciones demandan una gran cantidad y va-
riedad de energéticos que en la actualidad
y en su mayor
parte son combustibles fósiles del tipo de los petrolíferos
(gasolina, diesel, combustóleo, gasóleo, etc.), usados prin-
cipalmente en el transporte y la industria (Pemex 2001,
SENER 2002). Una consecuencia del consumo de com-
bustibles son los problemas de contaminación atmosféri-
ca por la emisión de diversos compuestos, entre ellos el
bióxido de azufre (SO
2
) (GDF 2000).
El SO
2
se genera tanto de fuentes naturales como
antropogénicas, de éstas, la mayor contribución proviene
de la combustión de energéticos que contienen azufre
(GDF 2002). Los efectos principales del SO
2
han sido
ampliamente descritos como dañinos para la salud hu-
mana, así como para la vegetación y los materiales (DOF
1994a, Flores
et al
. 1995). Además, el azufre también
forma sulfatos en la atmósfera que son constituyentes de
los aerosoles higroscópicos los cuales disminuyen la visi-
bilidad, pues forman parte de las brumas que se obser-
van en las ciudades contaminadas. Asimismo, la presen-
cia de SO
2
contribuye a la precipitación ácida, ya que es
hidrosoluble y da lugar a ácidos, lo que le confiere carac-
terísticas potencialmente dañinas (DOF 1994b, GDF
2001).
La principal emisión de este compuesto a la atmósfe-
ra de la ZMCM proviene de la industria y en segundo
término del transporte (DOF 1994a) y se origina, como
ya se comentó, por el empleo de combustibles fósiles.
Debido a esto, desde 1986 se impusieron compromisos a
la industria petrolera, representada por Petróleos Mexi-
canos (Pemex), para el control de las emisiones de SO
2
a la atmósfera. Como consecuencia de estas acciones la
ZMCM ha contado con diversos esquemas en la oferta
de combustibles fósiles, en particular de los llamados
petrolíferos (IMP 2001b). Las estrategias incluyeron los
aspectos de refinación, distribución y calidad de com-
bustibles (CMPCCA 1990).
Como es bien conocida la relación entre el contenido
total de azufre de los combustibles distribuidos en una
cierta región y la concentración de SO
2
en su atmósfera
(JICA 1988, CMPCCA 1990), pues casi la totalidad de
azufre presente en los combustibles se oxida para for-
mar este contaminante, se propusieron y realizaron ac-
ciones orientadas a la elaboración de gasolina y diesel
con menor contenido de azufre mediante la implantación
de tecnologías avanzadas de hidrodesulfuración de com-
bustibles tradicionales, así como la introducción de com-
bustibles más limpios en las termoeléctricas, la industria,
el transporte y los servicios. Todo esto ha dado como
resultado que en la ZMCM se consuman combustibles
con una importante reducción en su contenido de azufre
(Pemex 1994, DDF
1996).
Castañeda (1997) analizó el SO
2
atmosférico en el
periodo de 1988 a 1995, para determinar qué medidas de
mejoramiento y cambio de combustibles tuvieron mayor
impacto en la disminución del contaminante. Castañeda
utilizó la técnica de análisis de series de tiempo, especí-
ficamente el análisis de intervención y encontró que la
concentración de SO
2
disminuyó hasta un valor base de
0.02 ppm, debido principalmente a la sustitución de com-
bustóleo por gas natural y la introducción de Diesel Sin.
En este trabajo se propone una metodología para es-
timar el beneficio obtenido en la calidad del aire en un
MÉTODOS MULTIVARIADOS Y REDUCCIÓN DE SO
2
ATMOSFÉRICO
27
periodo de quince años como consecuencia de las medi-
das de reducción de la concentración de azufre total en
los combustibles. La metodología se basa en la utiliza-
ción de técnicas estadísticas multivariadas, para lo cual
fue importante contar con un inventario detallado de la
demanda regional de combustibles fósiles del tipo petro-
líferos (IMP 2001a) para establecer el balance de azufre
total en la región. Además, se contó con una base de
datos aerométricos (IMP 2001b) útil para determinar el
efecto ambiental por los cambios efectuados en este tipo
de combustibles, específicamente en la concentración at-
mosférica de SO
2
. Esta metodología representa una eva-
luación avanzada, según la clasificación de Korc (2002)
en cuanto a los programas locales de vigilancia y segui-
miento de la calidad del aire.
MATERIALES Y METODOS
Datos Empleados
a. Las medidas de control de la contaminación at-
mosférica por bióxido de azufre
Se elaboró una memoria para identificar la disminu-
ción del aporte total de azufre a la atmósfera de la ZMCM
debido al uso de petrolíferos, en la que se registró en
orden cronológico cada una de las reformulaciones efec-
tuadas por tipo de combustible (IMP 2002). La memoria
se integró con base en la concentración de azufre vigen-
te por periodo, en unidades de peso máximo en porcen-
taje (PMS %), tanto de la selección de las especificacio-
nes de la norma
NOM-086-ECOL-1994
(que es el va-
lor límite permisible para los combustibles fósiles que se
emplean en zonas críticas (DOF 1994a)), como del valor
analítico de este tipo de combustibles que ha reportado
Pemex como calidad del producto (Pemex 1994, 1999
2001). Tanto la norma (
NOM-086-ECOL-1994)
como
los valores analíticos están basados en los procedimien-
tos relativos a la determinación del contenido total de
azufre en los petrolíferos, que fueron desarrollados por
la Asociación Americana de Pruebas Estándares (ASTM,
por sus siglas en inglés), los procedimientos
ASTM-D-
4294
(2002a)
y
ASTM-D-3121
(2002b)
reportan el
contenido total de azufre precisamente en porcentaje
peso.
b. Aporte de azufre a la atmósfera de la ZMCM por
el uso de diversos petrolíferos
El aporte de azufre de los petrolíferos que se usan en
la ZMCM en toneladas por día (ton/día) se estimó con
base en el inventario de la demanda mensual de petrolí-
feros del periodo 1986-2001 (IMP 2001b) expresada en
miles de barriles por día (Mbd), estos valores volumétricos
se convirtieron a gastos másicos utilizando los valores de
la densidad de estos combustibles reportados en la
NOM-
086-ECOL-1994
. Por último, se calculó el aporte total
de azufre utilizando este gasto másico y los valores de
concentración (PMS %) que contiene la memoria cro-
nológica, considerando en primer término el valor del re-
porte de calidad por producto y utilizando sólo por defec-
to los valores de la especificación normativa.
c. Niveles atmosféricos de SO
2
en la ZMCM
Para el análisis de la concentración de SO
2
en la at-
mósfera se utilizaron las mediciones horarias del periodo
1988 a 2001, procedentes de cinco estaciones de la Red
Automática de Monitoreo Atmosférico (RAMA) en la
ZMCM (GDF 2000), una estación por cada región en
las que se ha dividido esta área. Los sitios, su clave de
identificación y ubicación son: Tlalnepantla (TLA) en el
Noroeste, Xalostoc (XAL) en el Noreste, La Merced
(MER) en la región Centro, Pedregal (PED) en el Su-
roeste y Cerro de la Estrella (CES) en el Sureste. Los
valores promedio por mes fueron calculados mediante
un sistema de cómputo institucional para el manejo de
datos aerométricos denominado SIMEDA (IMP 1995).
Los sitios seleccionados cumplen con dos criterios: el
primero es contar con series de tiempo de largo plazo,
esto es datos históricos de al menos 10 años (Castañeda
1997, StatSoft Inc. 2001), que se cumple ampliamente,
dado que los sitios cuentan con registros horarios de con-
centración de SO
2
de hasta 15 años, el segundo es el de
disponibilidad (Nehls 1973, DDF 1996) que también se
cumple, pues sus registros validados son más del 75 %.
Para el total de la ZMCM se obtuvo el promedio ho-
rario mensual de los registros de los 5 sitios en conjunto.
Para fines de representación de la evolución de la de-
manda y del contenido de azufre se integraron los valo-
res anuales como promedio de 12 meses.
d. Análisis estadístico
Se usó la técnica de análisis de cúmulos (Everit 1974,
Mardia
et al
. 1979, Morrison 1990, StatSoft 2001) para
clasificar los registros de SO
2
en intervalos específicos
de tiempo, conforme se implantaron las medidas de con-
trol del contaminante, considerando como variables los
promedios mensuales de concentración de SO
2
atmos-
férico de la ZMCM y la aportación mensual de azufre
debida a los petrolíferos. Posteriormente se ajustaron mo-
delos ARIMA (modelos auto-regresivos integrados de
medias móviles) a la última etapa de los valores mensua-
les de concentración de SO
2
obtenida con el análisis de
cúmulos. Estos modelos se usan en el análisis de series
de tiempo (Wei 1989, Chatfield 1996, StatSoft 2001) y
con ellos se pueden efectuar pronósticos de corto plazo.
Por último, se aplicó el análisis de regresión a las etapas
más estables que resultaron del análisis de cúmulos, para
obtener un modelo lineal entre la concentración de SO
2
y el aporte de azufre total. El ajuste de los modelos
ARIMA y el análisis de regresión se aplicaron a cada
sitio seleccionado y al promedio de la ZMCM.
Ma. M. Nava
et al.
28
Combustible
Azufre *
Petrolífero
de
hasta
especificación:
calidad del
límite máximo
producto
PMS %
PMS %
Gasolina
Nova
Ene-86
Sep-92
0.15
Oct-92
Jul-97
0.05
Extra
Ene-87
Ago-90
0.20
0.157
Magna-Sin
Sep-90
Dic-94
0.10
0.053
Ene-95
Sep-96
0.05
0.049
Pemex Magna
Oct-96
actual
0.05
0.039
Pemex Premium
Dic-96
actual
0.05
0.022
Gasavión
antes 90
Oct-94
0.05
Turbosina
antes 90
actual
0.0
Diesel
Diesel nacional
Ene-86
Dic-88
2.0
Ene-89
Abr-91
1.0
Diesel desulfurado Ene-86
Sep-93
0.50
0.30-0.40
Diesel-Sin
Oct-93
Dic-97
0.05
0.04-0.05
Pemex Diesel
Ene-98
actual
0.05
0.04-0.037
Diesel industrial
Nov-93
Nov-96
0.50
Pemex Diesel
Industrial
Dic-96
actual
0.05
Diáfano
.....
90
Abr-97
0.03
Gasóleo doméstico Oct-97
actual
2.0
Combustóleo
Combustóleo
Ene-86
Dic-91
4.0
3.8
Gasóleo indust.
Abr-91
Dic-97
2.0
Invierno 91
Dic-91
Mar-92
1.5
1.5
Invierno 92
Dic-92
Mar-93
1.5
1.4
Invierno 93
Dic-93
Mar-94
1.5
1.4
Invierno 94
Dic-94
Mar-95
1.5
1.2
-------------
Abr-95
Dic-97
2.0
1.7
Combustible
Ene-98
actual
1.0
0.9
industrial
Gas LP
Ene-86
actual
0.140 kg/ton
TABLA I.
LISTADO CRONOLÓGICO DE LAS MEDIDAS
PARA REDUCIR LA CONTAMINACIÓN ATMOS-
FÉRICA
POR SO
2
EN LA ZMCM
*NOM-086-ECOL (02/DIC/94)
Esta Norma Oficial Mexicana esta-
blece las especificaciones sobre protección ambiental que deben re-
unir los combustibles fósiles líquidos y gaseosos que se usan en
fuentes fijas y móviles. DOF 1994. http://www.ine.gob.mx/dgra/
normas/cont_at/cal_comb/no_086d.htm
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Estrategias para mejorar la calidad del aire por
bióxido de azufre
El listado cronológico de las medidas o memoria se
muestra en la
tabla I
. Las acciones prioritarias se enfo-
caron en el combustóleo, el diesel y la gasolina, cuyas
especificaciones sufrieron varios cambios, que se cono-
cen genéricamente como reformulación.
Para el caso de combustibles para transporte, como
la gasolina y el diesel, la estrategia para reducir su im-
pacto en la atmósfera de la ZMCM consistió en la dismi-
nución del azufre. En la gasolina se logró una reducción
del 60 % ya que su contenido bajó de 0.15 % a 0.05 %
en peso. También se realizaron otras acciones importan-
tes no relacionadas con el SO
2
, como la disminución de
su presión de vapor, de su contenido de aromáticos,
olefinas y benceno, así como el uso de aditivos
multifuncionales (Pemex 1994). El diesel usado al inicio
del periodo de estudio fue el Desulfurado con 0.5 % en
peso de azufre, pero al entrar al mercado en 1993 el
Diesel Sin con 0.05 %, se logró una reducción de 90 %
en su contenido, este producto se conoce actualmente
como Pemex Diesel.
En los combustibles industriales (combustóleo, gasóleo
y diesel) la principal medida consistió en la prohibición
del uso del combustóleo para la ZMCM, debido a su alto
contenido de azufre (4 %). En su lugar se introdujo
gasóleo con concentración de azufre menor hasta en el
50 %; posteriormente se incluyó el combustible indus-
trial, con 75 % menos de azufre con respecto al com-
bustóleo. Acerca del diesel industrial se logró la reduc-
ción de 0.5 % a 0.05 %, con la incorporación de Pemex
Diesel.
La evolución de la demanda de petrolíferos en la
ZMCM y su respectivo aporte de azufre en el pe-
riodo 1988 a 2001
La demanda promedio anual de petrolíferos y de Gas
LP se presenta en la
figura 1
, esta demanda creció de
193 Mbd en 1988 a 235 Mbd en 2001, es decir 18 % de
incremento en el periodo. Los petrolíferos han contribui-
do con el 72 % a esta demanda, en tanto que el Gas LP
aportó el 28 % restante.
La evolución del aporte de azufre por cada tipo de
combustible se muestra en la
figura 2
. Durante el perio-
do estudiado el aporte anual de azufre de los petrolíferos
a la ZMCM se abatió en 94 %, con el descenso de las
46,900 toneladas de azufre que se emitían en 1989 a las
2,800 toneladas aportadas en el año 2001. Resalta la re-
ducción en 1991 al 50 % y en 1992 al 30 %, debidas prin-
cipalmente a las estrategias implantadas en los combus-
tibles industriales.
La aportación relativa anual de azufre a la ZMCM
por petrolíferos ha variado de 99 % a 89 %; el resto lo
aportó el Gas LP. En los primeros años de la década de
los 90 el combustóleo y el diesel contribuyeron en mayor
medida (74 %), pero a partir de 1999 la aportación prin-
cipal corresponde a las gasolinas (55 %).
La demanda de petrolíferos (
Fig. 1
) y su aporte total
de azufre (
Fig. 2
) muestran los continuos cambios en los
combustibles utilizados en la ZMCM, siendo las accio-
nes más importantes para la reducción de SO
2
en la at-
mósfera las siguientes: la sustitución de combustóleo
MÉTODOS MULTIVARIADOS Y REDUCCIÓN DE SO
2
ATMOSFÉRICO
29
por gasóleo y gas natural así como el desuso de Diesel
de gasóleo por Combustible Industrial en 1998.
La
figura 3
2001.
en la ZMCM
Las medidas mencionadas anteriormente se refleja-
ron en el comportamiento de la concentración atmosféri-
ca promedio de SO
2
. En la
figura 4
(
A
) se muestra el
efecto general de la disminución de esta concentración
para la ZMCM; en esta figura se puede observar que la
reducción importante de los niveles se inició en 1992,
continuó de manera apreciable en 1993 y con menor pen-
diente en el periodo 1994-1999. El análisis individual de
los sitios seleccionados se muestra en las
figuras 4
(
B
) a
4
(
F
), en todas las estaciones se nota también la tenden-
cia decreciente pero con algunas particularidades. En las
estaciones situadas al poniente de la ZMCM (Tlal-
nepantla y Pedregal) la reducción importante de las con-
centraciones atmosféricas de SO
2
se inició hasta 1993.
En la estación Xalostoc la reducción importante ocurre
en el segundo semestre de 1992 en tanto que las estacio-
nes Merced y Cerro de la Estrella siguen el comporta-
miento promedio de la ZMCM.
Castañeda (1997) determinó 0.02 ppm de SO
2
como
el valor base observable a partir de 1996 en toda la
ZMCM. En diciembre de 2000 y primer semestre 2001
se observaron concentraciones por encima del valor base
para la ZMCM. Al analizar las series de tiempo por sitio
las mayores concentraciones se ubicaron en las estacio-
nes Tlalnepantla y Xalostoc, en el norte de la ciudad. En
Tlalnepantla el máximo valor promedio de la concentra-
ción de SO
2
fue de 0.087 ppm, que es comparable con
las observaciones de enero y octubre de 1992. Estas con-
centraciones son reportadas en los informes bimestrales
de la RAMA como excedencias a los límites permisibles
que no ocurrían desde 1992 (GDF 2001). La misma ins-
tancia reportó valores altos para 1996 y 1997 (GDF 1998),
pero su efecto no fue tan apreciable al efectuar los pro-
medios mensuales como en el invierno 2000-2001 y se
les consideró como eventos locales, ubicados también en
la zona norte de la ciudad. El Instituto Nacional de
Ecología (INE 1997) reportó que en el mes de noviem-
Fig. 1.
Evolución de la demanda de petrolíferos para la ZMCM
Fig. 2.
Variación anual del azufre contenido en los petrolíferos de la
ZMCM.
Fig. 3.
Serie de tiempo mensual del azufre contenido en los pe-
trolíferos de la ZMCM
Ma. M. Nava
et al.
30
Fig. 4.
Series de tiempo de la concentración de SO
2
en la atmósfera para la ZMCM y 5 sitios de monitoreo
MÉTODOS MULTIVARIADOS Y REDUCCIÓN DE SO
2
ATMOSFÉRICO
31
bre de 1996 se presentaron en dos ocasiones valores por
arriba de los 100 puntos IMECA, los atribuye a desfogues
industriales y como eventos resultado de una situación
inesperada de desabasto de gas, lo que orilló a la quema
de combustóleo
En las estaciones ubicadas al centro y sur de la ZMCM
(Merced, Pedregal y Cerro de la Estrella) estas anoma-
lías tuvieron un efecto menos aparente; esto puede de-
berse a que son regiones básicamente habitacionales, por
lo que se utiliza principalmente gas licuado, además en
estas zonas se usan gasolina y diesel en el transporte. En
particular la concentración de SO
2
en la estación Pedre-
gal, situada en el suroeste, presentó desde julio de 2000
valores más altos que los registrados en el periodo de
octubre de 1993 a octubre de 2000. Este incremento pue-
de deberse al transporte de contaminantes desde la parte
norte a la suroeste de la ZMCM sugerida por Bravo
et
al. (
1988) y por Bravo
et al
. (2000), y no a un aumento
en las emisiones, pues como se mencionó, el aporte total
de azufre disminuyó aun hasta 2001. No obstante, estos
valores continúan siendo los más bajos de los sitios estu-
diados.
Periodos de establecimiento de las medidas
Las observaciones atmosféricas y de emisión de 1988
a 2000 fueron clasificadas en 3 etapas mediante la técni-
ca de análisis de cúmulos. Los resultados se muestran en
la
tabla II
y corresponden principalmente a los siguien-
tes periodos: las concentraciones anteriores a diciembre
de 1991 (47 meses) se agrupan en el cúmulo 1, los valo-
res desde esta fecha hasta septiembre de 1993 (22 me-
ses) integraron el cúmulo 2 y los valores posteriores a
octubre de 1993 (86 meses) forman el cúmulo 3.
El primer periodo se diferenció por un aporte impor-
tante de azufre a la ZMCM debido al uso de combusti-
bles con alto contenido de azufre; en consecuencia, se
tuvieron concentraciones altas de SO
2
. El comportamiento
del segundo periodo es claramente de transición, pues
está caracterizado por la implantación de las estrategias
con mayor impacto para la reducción del aporte de azu-
fre. Durante este lapso las concentraciones de SO
2
fue-
ron menores que las observadas en el periodo anterior,
pero la serie de tiempo presenta un comportamiento ines-
table con cambios que describe Castañeda (1997) como
abruptos y permanentes. Este comportamiento puede
atribuirse al hecho de que los sectores que usan petrolí-
feros tardaron algún tiempo en consumir la reserva de
combustibles ricos en azufre.
El tercer periodo corresponde al más bajo aporte de
azufre a la ZMCM por el uso de combustibles con me-
nor contenido. En consecuencia se observaron las me-
nores concentraciones atmosféricas de SO
2
,
consideran-
do lo ya mencionado en cuanto a que el comportamiento
de la serie de tiempo de SO
2
hasta 1996 se estabilizó en
un valor base de 0.02 ppm. Lo anterior ocurre no obstan-
te el incremento en la demanda de combustibles.
Pronóstico del comportamiento de las series de tiempo
Se ajustaron modelos ARIMA a las series de tiempo
del tercer periodo, de octubre de 1993 a octubre de 2000,
dado que la concentración de SO
2
en las cinco estacio-
nes y en la ZMCM se mantuvo estacionaria. El objeto de
este ajuste fue realizar un pronóstico de corto plazo y
compararlo con las observaciones registradas en 2001.
Los parámetros del modelo ARIMA para las cinco esta-
ciones seleccionadas y el promedio de la ZMCM se mues-
tran en la
tabla III
.
El pronóstico individual para cada estación y el co-
rrespondiente pronóstico regional para el promedio de la
ZMCM se presentan en los gráficos de la
figura 5
(
A-
F
). Los valores observados en las estaciones Merced y
Cerro de la Estrella se encuentran dentro de los límites
del pronóstico (intervalo de confianza de 90 %), pero los
valores para las estaciones Tlalnepantla, Xalostoc, Pe-
dregal y el promedio de la ZMCM están notoriamente
fuera del intervalo a partir de noviembre de 2000.
La magnitud del incremento para la región norte de la
ZMCM implica el uso de combustibles con alto conteni-
do de azufre. En un análisis a nivel nacional Pemex (2002)
explica este hecho en términos económicos, pues en ene-
ro de 2001 el precio de referencia del gas natural, susti-
tuto del combustóleo, registró el valor máximo histórico
de 3.21 pesos/m
3
y sólo disminuyó hasta octubre del mis-
mo año a 0.66 pesos/m
3
, por lo que el promedio anual en
2001 fue de 1.35 pesos/m
3
. De hecho, durante el año
2000 el precio de referencia del gas se incrementó 182 %,
por lo que desde mediados de ese año algunos usuarios
de gas natural reportaron el uso de combustóleo como
energético de emergencia. Además, en 2001 hubo ma-
yor demanda de gas natural por parte del sector eléctri-
co (Pemex 2002). Por su parte la Comisión Reguladora
de Energía (CRE 2002) destaca la comparación entre
los precios del gas natural y del combustóleo, en este
análisis se observó que el costo del gas natural tuvo un
comportamiento atípico de junio de 2000 a junio de 2001,
pues alcanzó el precio máximo histórico de 0.4 pesos/
millón de calorías en enero de 2000. En términos de cos-
to por unidad de energía, el precio del gas natural fue 4.3
veces mayor que el del combustóleo, siendo que en los
años anteriores la diferencia era mínima y a favor del
último.
Cúmulo / Duración
Prom [S]
Desv.
Est
Prom
Desv. Est.
Etapa
meses
ton/día
ton/día [SO
2
] ppm
ppm
1
47
114.40
13.72
0.054
0.009
2
22
50.08
11.09
0.039
0.021
3
86
20.14
5.88
0.017
0.004
TABLA II.
CARACTERÍSTICAS DE LOS CÚMULOS DE DATOS
ATMOSFÉRICOS DE SO
2
DE LA ZMCM
Ma. M. Nava
et al.
32
TABLA III.
ESTADÍGRAFOS DE LOS NIVELES ATMOSFÉRICOS DE SO
2
POR REGIÓN Y PARA
LA ZMCM
Sitio de Monitoreo
Técnica estadística
Tlalnepantla
Xalostoc
Pedregal
Merced
Cerro de la Estrella
ZMCM
Análisis de cúmulos
Cúmulo / etapa
Promedio horario de SO
2
atmosférico (ppm)
1 / Ene 88 a Nov 91
0.050
0.069
0.041
0.064
0.044
0.054
3 / Oct 93 a Oct 00
0.020
0.021
0.012
0.018
0.014
0.017
Disminución de
Ene 88 a Oct 2000
0.030
0.048
0.029
0.046
0.030
0.035
Porcentaje
Disminución de
Etapas 1 a 3
61.2
70.3
71.0
71.3
67.9
67.3
Análisis de series de tiempo con el modelo ARIMA
Parámetros del modelo ARIMA
para la etapa 3
(1,0,0)
(0,0,1)
(1,1,1)
(1,0,0)
(1,0,0)
(1,1,1)
Análisis de regresión
Parámetros del modelo lineal
para
las etapas 1 y 3
Pendiente
SO
2
(ppm) /
0.000322
0.000498
0.000274
0.000451
0.000310
0.000369
S(Ton/día)
±0.000018
±0.000023
±0.000022
±0.000024
±0.000016
±0.000014
Ordenada al
origen
0.0132
0.0111
0.0073
0.0103
0.0086
0.0102
SO
2
(ppm)
±0.0013
±0.0016
±0.0015
±0.0016
±0.0011
±0.0010
En el segundo semestre de 2001 las concentraciones
atmosféricas se redujeron, para el caso del promedio de
la ZMCM hasta el valor base (0.02 ppm). La concentra-
ción de las estaciones Xalostoc y Tlalnepantla se redujo
alcanzando los valores pronosticados por el modelo
ARIMA dentro del 90 % de confianza. Sólo la estación
Pedregal registró valores por encima de las predicciones
del modelo ARIMA, aunque cabe recordar que los nive-
les alcanzados en este sitio son los menores y cercanos a
la concentración base de 0.02 ppm.
La reducción de la concentración de SO
2
que se ob-
servó en el segundo semestre de 2001 se puede explicar
por el hecho de que la diferencia de precios por unidad
de energía entre el gas natural y el combustóleo volvió a
sus valores históricos, aunque con inestabilidad en los
precios del gas natural. La menor diferencia de precios
por unidad de energía entre el gas natural y el combustóleo
hizo posible otra vez el consumo del primero (CRE 2002).
Además, en el 2001 se presentó una contracción en el
consumo de refinados. La razón principal de esta con-
tracción fue la desaceleración advertida en el sector in-
dustrial como consecuencia del crecimiento casi nulo de
la economía (Pemex 2002).
Estimación del aporte extraordinario de azufre en
enero de 2001
Para estimar la concentración de SO
2
(ppm) cono-
ciendo la cantidad primaria de azufre emitido a la atmós-
fera en ton/día se ajustaron, por el método de mínimos
cuadrados, los parámetros de un modelo lineal, tanto a
los datos de las cinco estaciones de monitoreo, como de
la ZMCM. Se tomaron los valores de los periodos más
estables, representados por los cúmulos 1 y 3. Los
parámetros aparecen en la
tabla III
y en la
figura 6
se
muestran las observaciones tanto para la ZMCM (
Fig.
6 A
) como para cada una de los sitios (
Fig. 6 B
a
F
) en
función del aporte total de azufre.
La ordenada al origen representa la concentración de
SO
2
en la atmósfera cuando es nulo el aporte de azufre
por el uso de petrolíferos. Los valores de esta ordenada
son significativos (95 % de confianza) y mayores a cero
lo que indica que hay otras fuentes de azufre adicionales
a las asociadas al consumo de combustibles reportado
por Pemex y/o de origen natural.
Empleando el ajuste mencionado, se obtuvo el aporte
de azufre a partir de las concentraciones anómalas de
SO
2
observadas en las estaciones Tlalnepantla, Xalostoc,
Pedregal y la ZMCM para el primer semestre de 2001.
Estos valores se muestran en las gráficas de la
figura 6
.
Para el caso de la ZMCM, el promedio fue de 105 ton/
día en el mes de enero de 2001. Este valor representa el
incremento de 97 ton/día con respecto al valor de 8 ton/
día estimado sólo por el consumo de petrolíferos. Esta
diferencia tan considerable corrobora que en el primer
semestre de 2001 hubo otra fuente de azufre adicional a
los petrolíferos distribuidos en la zona por Pemex.
MÉTODOS MULTIVARIADOS Y REDUCCIÓN DE SO
2
ATMOSFÉRICO
33
Fig. 5.
Modelos ARIMA para niveles atmosféricos de SO
2
.
Serie de valores observados durante el periodo 1993-2000 y estimados para 2001
Ma. M. Nava
et al.
34
Fig. 6.
Modelo lineal de SO
2
atmosférico en la ZMCM y 5 sitios de monitoreo. Periodo de
1988 a 2000, estimación para los registros de 2001
MÉTODOS MULTIVARIADOS Y REDUCCIÓN DE SO
2
ATMOSFÉRICO
35
CONCLUSIONES
Se demuestra que el inventario detallado por mes, tan-
to del volumen demandado de los petrolíferos como de la
especificación de su contenido de azufre, y la concentra-
ción atmosférica del contaminante SO
2
son las variables
apropiadas para la evaluación y el seguimiento de las
tareas específicas de los programas de calidad del aire
dirigidas a la reducción de este contaminante.
Fue notorio que aún cuando la demanda de petrolí-
feros en la ZMCM aumentó de 193 a 235 Mbd en el
periodo 1988-2001, el aporte total de azufre a la ZMCM
se redujo de 114 ton/día en 1988 a 20 ton/día en 2000.
Las técnicas estadísticas multivariadas se utilizaron
en una secuencia metodológica adecuada para evaluar
las acciones para reducir el SO
2
en la atmósfera en este
periodo. El orden propuesto para su utilización y las con-
clusiones obtenidas por su aplicación son:
a. El análisis de cúmulos permitió determinar el perio-
do de implantación de las estrategias y definir aquellas
que en el largo plazo causaron mayor impacto en la dis-
minución del contaminante en la ZMCM. Durante el pe-
riodo de estudio se identificaron tres etapas. La primera,
que duró 47 meses, fue caracterizada por los niveles al-
tos en el aporte de azufre y del contaminante. En la se-
gunda etapa, con duración de 22 meses y en la que se
implementaron las medidas con mayor impacto, se ob-
servó la disminución de 30 % en la concentración de
SO
2
, aunque fue la etapa con mayor inestabilidad en la
concentración de este contaminante. La última etapa, que
se inicia en octubre de 1993 y que se extendió hasta fina-
les de 2000, se caracterizó por la estabilización tanto del
aporte de azufre por petrolíferos como de la concentra-
ción de SO
2
, que alcanzó un valor de 0.017 ppm. Este
valor representa una reducción apreciable con respecto
al valor de de 0.052 ppm que se tenía a principios de los
noventa, no obstante el incremento en la demanda de
combustibles.
b. El análisis de series de tiempo se utilizó para deter-
minar el comportamiento temporal y espacial de los ni-
veles atmosféricos de SO
2
y para elaborar un pronóstico
de corto plazo.
Existe una marcada zonificación de las concentracio-
nes de SO
2
en la ZMCM, esto se pudo concluir porque
los parámetros del modelo ARIMA resultaron diferentes
al ajustar las series de tiempo para cada estación.
Durante el invierno 2000-2001 se presentaron valo-
res atípicos altos de SO
2
en las estaciones Tlalnepantla y
Xalostoc, pero fueron perceptibles en el comportamiento
de la ZMCM y en la estación Pedregal e imperceptibles
en las estaciones Merced y Cerro de la Estrella. Estos
valores atípicos resultaron mayores a los pronosticados
por el modelo ARIMA con un intervalo de confianza del
90 %.
c. El análisis de regresión se usó para estimar la mag-
nitud de las emisiones atípicas a partir de las observacio-
nes de las etapas 1 y 3.
En el modelo lineal el valor de la concentración de
SO
2,
cuando el aporte de azufre por petrolíferos es cero,
se obtiene con la ordenada al origen. Este valor es
significativamente mayor a cero, por lo que hay fuentes
de bióxido de azufre adicionales a las estimadas a partir
del reporte en la demanda de petrolíferos. Entre estas se
pueden encontrar algunas de origen natural.
Con los parámetros del modelo se calculó que la apor-
tación de azufre fue 105 ton/día, utilizando como dato la
concentración de SO
2
que se registró el mes de enero
del 2001. Este valor es 97 ton/día superior a las 8 ton/día
estimadas por la demanda de petrolíferos para ese mes.
Este incremento del aporte de azufre a la ZMCM
puede ser atribuido al uso temporal de combustibles ri-
cos en azufre. La causa de está práctica ilegal fue, pro-
bablemente, el extraordinario incremento en el precio del
gas natural. Lo anterior indica que las medidas de con-
trol de este contaminante deben reforzarse cuando la di-
ferencia de los precios por unidad de energía entre el gas
natural y el combustóleo sea apreciable.
AGRADECIMIENTOS
El Programa Institucional en Medio Ambiente y Se-
guridad (PIMAS) del Instituto Mexicano del Petróleo,
coordinado por la Dra. Ma. Esther Ruíz, financió este
trabajo como parte de las tareas del Proyecto de investi-
gación D.888, que ha sido dirigido por el Dr. Uriel
González. Agradecemos a los Ingenieros Víctor Sámano
y Nicolás Rodríguez de Pemex-Refinación por su apoyo
en la recopilación de la información de demanda de pe-
trolíferos en la ZMCM.
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