1. Introducción

Bogotá D.C es considerada una de las urbanizaciones más grandes en Latinoamérica. De acuerdo al último censo poblacional realizado por el DANE, Bogotá cuenta con 7.181.469 de habitantes, y dentro de las proyecciones establecidas para el año 2050, se espera un aumento en el crecimiento poblacional, alcanzando un número de habitantes de hasta 10.000.000. [1].

Sin embargo, de la mano de dicha densidad poblacional se tienen una inmensidad de problemas ambientales, entre ellos la contaminación del aire. De acuerdo a la OMS, los contaminantes microscópicos afectan directamente los sistemas respiratorio y circulatorio; atacando pulmones, corazón y cerebro. [2] Es decir, la calidad de vida de una urbanización estará ligada a la calidad de su aire. A partir de esto, la Secretaría Distrital de Ambiente (SDA), en conjunto con la Red de Monitoreo de Calidad del Aire de Bogotá (RMCAB), ha llevado a cabo un inventario de emisión de contaminantes atmosféricos, el cual, permite cuantificar las emisiones generadas por la ciudad, además de realizar procesos diagnósticos, definición de objetivos y políticas ambientales, estimaciones y proyecciones por medio de modelados, entre otras utilidades. [3] De esta manera, fueron identificadas fuentes de emisión externa, correspondientes a aquellas fuentes que no pertenecen a la jurisdicción de Bogotá, y de emisión interna, correspondientes a las fuentes que generan emisiones dentro la jurisdicción ya mencionada. Las fuentes internas son presentadas en la Figura 1.

Figura 1
Fuentes internas de emisiones en la ciudad de Bogotá [3]

Ahora bien, dentro de todas las emisiones evaluadas en el inventario ejecutado, el contaminante atmosférico con mayor impacto en Bogotá D.C es el material particulado respirable (PM10). Por otro lado, diversos estudios desarrollados por la Universidad de los Andes, la Universidad Nacional de Colombia (sede Bogotá) y la Universidad de la Salle, demuestran que las fuentes móviles contribuyen de manera significativa en las emisiones de este contaminante [4] El PM10 es catalogado como uno de los contaminantes más críticos de Bogotá gracias a que, los niveles actuales del contaminante, consignados en la Figura 2 [3] superan los niveles máximos permisibles en el aire del mismo, establecidos en la Resolución 2254 de 2017, consignados en la Figura 3 [5]. Lo anterior, teniendo en cuenta que una tonelada equivale a 1e+12 μg/m3

Figura 2
Inventarios de emisiones de combustión para PM10 generadas por las fuentes móviles en carretera desde el año 2008 a 2020. [3]

Figura 3
Niveles máximos de contaminantes criterio en el aire a partir del 1 de julio de 2018. [5]

Gracias a lo anterior, en el presente trabajo se plantea una propuesta de simulación, empleando el software Stella, para conocer la cantidad de emisiones de PM10 para el año 2060 por fuentes vehiculares; tomando diferentes factores y criterios, expuestos en la sección III

2. Marco teórico

2.1. Dinámica de sistemas

La dinámica de sistemas busca definir las relaciones que establecen un sistema para encontrar resultados, de modo que los patrones y variables resulten más veraces y con ello contribuir al marco de los sistemas. Por medio de la dinámica de sistemas, desarrollada por J. Forrester, es posible estudiar el comportamiento de los sistemas con la aplicación de características de realimentación, alcanzando una mezcla en los flujos de información del sistema. [6]

Se reconoce como sistema dinámico aquel en donde su salida en el presente depende de una entrada en el pasado; es un sistema estático si su salida en curso depende solamente de la entrada en curso. La salida de un sistema estático permanece constante si la entrada no cambia y solo cambia cuando la entrada también cambia. Por otro lado, cuando el sistema dinámico no está en equilibrio, la salida va a cambiar con el tiempo. [7]

Para desarrollar un modelo dinámico, es importante considerar el sistema que se va a modelar y definir el problema. En conclusión, si se tiene un sistema más complejo, se puede recurrir a una técnica más detallada para definir un sistema dinámico. En la figura 4 se encuentran las principales características de un modelo dinámico [8]:

Figura 4
Mapa Mental de la Dinámica de Sistemas [9].

2.2. Transporte en Bogotá D.C

Las comunidades a nivel mundial presentan la necesidad de movilizarse de un lugar a otro, por lo que la mayoría suple esta necesidad por medio de un medio de transporte público o privado, el cual acorta las distancias y permite eficiencia en las actividades diarias de los usuarios. Estos transportes se observan principalmente en las ciudades capitales, ya que son fundamentales para su dinamismo social, cultural y económico [10]. En el transcurso del tiempo se han desarrollado diversos tipos de transportes que suplan las necesidades de las personas y así alcanzar un sistema eficiente. Actualmente, las ciudades buscan innovar sus sistemas de transporte para aumentar la conectividad entre sus comunidades, de tal manera que sean reconocidos internacionalmente. Los sistemas de transporte más utilizados en la actualidad son los buses, los metros, los tranvías y los carros. Los cuales a su vez requieren una adecuada malla vial y semaforización, la cual es vital para el buen funcionamiento de los diferentes medios de transporte. Colombia, según el DANE, tiene 48.258.494 habitantes [11] de los cuales 7.181.469 están ubicados en Bogotá [12]. Según estudios del año 2016[13], se obtuvo que de los habitantes de la capital el 35% usa Transmilenio; el 16% el SITP; el 13% carro; el 9% bicicleta; el 8% moto y el 3% taxi. La situación de transporte de la capital ha mejorado lastimosamente no lo suficiente ya que el sistema actual de Transmilenio y el SITP no han suplido la demanda en términos de servicio, de calidad e infraestructura. En Bogotá durante más de 20 años el sistema de transporte público Transmilenio ha garantizado el transporte de la mayoría de los habitantes; sin embargo, con el paso de los años el crecimiento de la población ha aumentado y el sistema de transporte ha sido deficiente debido a que cada vez se requiere mayor capacidad para alcanzar la demanda de los habitantes; el sistema se congestiona en todas las franjas horarias [14].

Entonces, el crecimiento y expansión de la ciudad durante el último siglo no puede ser visto sin contar con el importante papel que han asumido las infraestructuras del transporte, pero en Bogotá las deficiencias serias del modelo Transmilenio para los pasajeros son las siguientes: el sistema es relativamente lento, muy costoso, produce exclusión social y no contribuye al cumplimiento de los Objetivos de Desarrollo del Milenio [18]. Aunque el Transmilenio no es un sistema ejemplar, permite que los habitantes se movilicen del Norte al Sur de la ciudad en un lapso de tiempo de 30 a 40 minutos, mientras que, con los buses tradicionales, los usuarios se demoran entre 1 hora y 20 minutos a 1 hora y 30 minutos. Es decir, el Transmilenio genera un ahorro en los tiempos de cada persona. Además, cuenta con una única tarjeta de pago que sirve para los diferentes sistemas (Transmilenio, SITP y buses complementarios) [10].

Fig. 5
Rutas del sistema de TransMilenio en Bogotá.[15].

A pesar de que el sistema de transporte en Bogotá tenga un sistema de transporte integrado y sea eficiente en tiempos, no es suficiente para suplir las necesidades de la población, por lo que en los últimos años se han iniciado dos proyectos nuevos para mejorar la movilidad de todos los bogotanos y los habitantes de los municipios aledaños. El primer proyecto es el metro, el cual será una combinación entre tramos elevados y subterráneos (Figura 6); y el segundo proyecto es el tren de cercanías el cual tiene como objetivo ser un medio de transporte que permita la conexión de los municipios que integran la Sabana de Bogotá con la ciudad de Bogotá D.C. El ramal oeste iniciara desde la calle 26 con Avenida Caracas hasta el Facatativá, mientras que el ramal norte comenzaría desde la Calle 26 con carrera 66 en Bogotá hasta Zipaquirá [16].

Fig. 6
Primera Línea de Metro en Bogotá. [16].

2.3 Revisión Literaria

Para el desarrollo de la revisión literaria se utilizan las bases de datos de Scopus y Scielo donde se propone la siguiente ecuación de búsqueda

Se determinó un de diez años desde 2012 -2022 para la búsqueda de literatura, se realizó un tamizaje y se definieron cinco artículos que representan una mayor profundidad del tema de estudio. Fontoura en el artículo titulado “política brasileña de movilidad urbana: El impacto en el sistema de transporte de Sao Paulo utilizando dinámica de sistemas” [17] define en el modelo propuesto variables como la polución generada por los diferentes tipos de transportes que interactúan en el transporte brasilero, el impacto económico y la congestión en los viajes realizados por los diferentes tipos de transporte utilizados. En este artículo el autor propone tres tipos de escenarios, en el primero se muestra el impacto de los combustibles alternativos en las emisiones de CO2 donde determinan que la mejor combinación es utilizar etanol para el transporte privado y en el publico diésel AMD 30 como medio para disminuir las emisiones de CO2. En el segundo escenario definen dos tipos de curvas de aprendizaje más lento para la implementación de políticas para el transporte. En el tercer escenario se presenta la relación entre la congestión y el numero d de personas que usan transporte privado, se observa que existe una disminución significativa cuando se utilizan políticas compartir el vehículo privado.

Callejas [18] establece un modelo de dinámica de sistemas donde define como variables principales los viajes potenciales, los viajes cumplidos, la calidad de los viajes, los retornos, en términos de oferta las variables reflejadas son la capacidad de los despachos, los niveles de servicio y las ofertas no realizadas por falta de capacidad. En este artículo se llega a la conclusión que en horas pico la frecuencia de oferta de buses no debe ser las misma que en horas valle, por otro lado, no se tienen en cuenta variables de tipo ambiental en este modelo.

Aarón [19] en su estudio “ Análisis de la movilidad vehicular en el departamento de la Guajira usando simulación Caso Riohacha y Maicao” se enfoca al flujo vehicular entre las ciudades de Riohacha y Maicao donde se definen como variables para el desarrollo del diagrama causal como la tasa de accidentalidad, contaminación de tipo auditiva y emisiones de CO2 , dentro de los resultados obtenidos dentro de esta investigación se encuentra que el aumento de la congestión vehicular genera un incremento en las emisiones de CO2 y la falta de una educación vehicular genera más embotellamientos y afecta directamente en la cantidad de siniestros y por tanto de muertes. Se evidencia que en este artículo de investigación se utiliza el software vensim para la realización de la simulación.

Medina [20] propone un modelo de dinámica de sistemas para la cantidad de emisiones de material particulado en la ciudad de Bogotá D.C, en este documento el autor establece como variables principales la demanda de usuarios, cantidad de vehículos, velocidad promedio en la vía y recorrido de los trayectos , dentro de las conclusiones se resalta la necesidad de realizar interconexiones en la zona occidental de la ciudad.

Zhou [21] Propone un modelo de dinámica de sistemas para la generación de emisiones en la ciudad Wuan China, en el documento se enfoca en el impacto del bosque urbano en la disminución de emisiones de material particulado en la ciudad, en el artículo Zhou concluye que la no existencia de bosque urbano podría aumentar de manera significativa el aumento de emisiones 10 a 12 μg/m3

3. Materiales y métodos

3.1 Variables

Para poder realizar los respectivos diagramas (causal y de nivel) es importante definir los elementos del sistema y las relaciones entre ellos.

Contaminación (cantidad de PM10)

Esta variable estará afectada por las emisiones generadas por los vehículos automotores y por las emisiones ahorradas por el uso de vehículos no motorizados (bicicleta, scooters, el individuo caminando, etc.). PM10 se refiere a las partículas cuyo diámetro está entre 2,5 y 10 micrómetros y su exposición a ella conlleva a problemas de salud relacionados al corazón y los pulmones [22].

Emisiones totales PM10

Las emisiones totales de PM10 anuales cambiarán con respecto a las emisiones generadas por cada uno de los vehículos en el modelo.

Vehículos tipo X necesarios

La cantidad de vehículos necesaria para cada uno de los tipos estará dada por el porcentaje de utilización, es decir, cuántos bogotanos usan ese medio para transportarse, por la capacidad del vehículo, dictando cuántos viajes se podrían suplir con el mismo y por el número total de viajes a realizar

Porcentaje de utilización

Cada uno de los medios de transporte tiene un porcentaje de uso por parte de los bogotanos, los cuales se muestran en la siguiente tabla.

Tabla 1

Porcentaje de utilización de medios de transporte en Bogotá en 2019 [23].

Capacidad del vehículo

Como su nombre lo indica, se refiere al número de pasajeros que pueden ocupar el medio de transporte.

Tabla 2

Capacidad de los medios de transporte

Emisiones por vehículo tipo X

Cada uno de los vehículos motorizados generará emisiones de partículas PM10, número determinado generalmente por el tamaño del mismo. Teniendo en cuenta el número de vehículos en circulación de cada tipo y las emisiones que generan cada uno de los grupos, es posible determinar la contribución de cada vehículo.

Tabla 3

Cantidad de vehículos en Bogotá y su aporte en emisiones de PM10, año 2018 [22] [24].

Emisiones vehículo tipo X

La emisión total de cada tipo de vehículo estará dada por la emisión de cada uno multiplicado por la cantidad necesaria del mismo.

Viajes a realizar

En Bogotá se realizan aproximadamente 15´000.000 de viajes diarios [22], el cual será el valor inicial de la variable. Estos viajes cambiarán de acuerdo a una variación que estará definida como 0,001% diario.

A. Diagrama causal

Teniendo claras las variables del sistema, observamos las relaciones entre ellas:

• Un aumento en las emisiones por tipo de vehículo motorizado, aumentará las emisiones totales de PM10.

• Un aumento en la tasa de utilización del medio de transporte tipo X, aumentará el número de vehículos necesario.

• Un aumento en las emisiones totales de PM10, aumentará la contaminación.

• Un aumento en el número de vehículos no motorizados necesarios, aumentará las emisiones ahorradas de PM10.

• Un aumento en las emisiones ahorradas, disminuirá la contaminación.

• Un aumento en la capacidad del vehículo tipo X, disminuirá el número de vehículos necesario.

• Un aumento en la emisión por vehículo, aumentará las emisiones totales del tipo de vehículo X.

• Un aumento en el número de vehículos tipo X necesarios para transporte, aumentará las emisiones totales del mismo tipo.

Estas relaciones presentadas en el siguiente diagrama causal: Una vez definido el diagrama causal, es posible adaptarlo en un diagrama de Forrester o de nivel, donde:

• Los viajes a realizar y la contaminación son un nivel.

• Las emisiones por cada tipo de vehículo son flujos.

• La cantidad de vehículos necesarios, la capacidad, utilización y emisión de PM10 del mismo son variables auxiliares.

Figura 7
Diagrama de forrester de la contaminación debido a partículas PM10 en Bogotá a causa del transporte.

Figura 8
Datos arrojados por la simulación sobre la cantidad de partículas PM10 en Kg en el aire de Bogotá

Debido a la gran cantidad de variables, el diagrama de nivel fue realizado en el software de Stella, ya que trabaja con la misma notación.

B. Simulación en Stella

En el programa de Stella, se definen cada una de las ecuaciones y valores de los elementos.

Para los niveles se especifican sus valores iniciales, que son 15’000.000 para los viajes a realizar y 0 para la contaminación.

Para los flujos, que son las emisiones creadas/ahorradas por cada medio de transporte, se fijan las ecuaciones, de tal manera que es posible observar en las gráficas, la contaminación debido a partículas PM10 aumentará hasta llegar a más de mil toneladas para el año 2060, producto del aumento de los vehículos necesarios para suplir los viajes de los bogotanos.

La cantidad de partículas PM10 en Kg en cada uno de los años (aproximadamente cada 365 días), se observa a continuación:

Para cada una de las variables auxiliares, sus valores están dados en la sección A. En el caso de la emisión ahorrada por no usar vehículos motorizados, esta equivaldrá a 0,0002 Kg/veh/día.

4. RESULTADOS

La corrida de la simulación se dio desde el año 2018 hasta el año 2060, en días, lo cual equivale, aproximadamente, a 15330 días.

Figura 9
Gráfico de la contaminación (cantidad de partículas PM10) en Bogotá junto a su valor en Kg para el año 2060 si aumenta en un 1% el uso de vehículos no automotores.

Cómo es posible observar en las gráficas, la contaminación debido a partículas PM10 aumentará hasta llegar a más de mil toneladas para el año 2060, producto del aumento de los vehículos necesarios para suplir los viajes de los bogotanos.

La cantidad de partículas PM10 en Kg en cada uno de los años (aproximadamente cada 365 días), se observa a continuación:

Figura 10
Datos arrojados por la simulación sobre la cantidad de partículas PM10 en Kg en el aire de Bogotá sí aumenta el uso de vehículos no automotores.

vehículos, siendo así, la nueva distribución de utilización:

Tabla 4

Porcentaje de utilización de medios de transporte en Bogotá fomentando los vehículos no automotores.

La gráfica y tabla de valores correspondientes, serán:

Figura 9
Gráfico de la contaminación (cantidad de partículas PM10) en Bogotá junto a su valor en Kg para el año 2060 si aumenta en un 1% el uso de vehículos no automotores.

Figura. 10
Datos arrojados por la simulación sobre la cantidad de partículas PM10 en Kg en el aire de Bogotá sí aumenta el uso de vehículos no automotores.

Cómo es posible observar, un cambio mínimo (un punto porcentual) en la utilización de los vehículos automotores genera un cambio significativo en la emisión de partículas PM10, siendo la emisión del 2060 un 24,73% de la emisión del mismo año en el modelo inicial. El impacto del uso de vehículos no automotores es significativo, teniendo en cuenta también que sólo se está observando una de las tantas emisiones que producen los vehículos a diésel.

Dentro de las investigaciones futuras se pretende profundizar el modelo teniendo en cuenta el ingreso de variables como la entrada de vehículos de tipo eléctrico y gas con bajo nivel de material particulado en el mercado automotor los movimientos de migratorios de la ciudad.

CONCLUSIONES

Las emisiones generadas por vehículos automotores no son un tema ligero, lo demuestran la infinidad de medidas gubernamentales y por parte de las empresas de producción de estos, cada día buscando reducir más y más las emisiones de gases nocivos (tanto para la atmósfera como para el cuerpo humano). La solución a esta problemática puede ser tan simple como fomentar el uso de la bicicleta o crear espacios más accesibles para el peatón, como se ve en el segundo caso puesto en marcha, donde un cambio tan mínimo significa una reducción significativa en la contaminación del aire.

Una alternativa un poco más cercana o viable es el uso del transporte público, más aún si esta emplea energías limpias, ya que, aunque la contaminación generada por el vehículo es considerablemente mayor a la de un vehículo particular, su capacidad también lo es, supliendo la necesidad de viajes de los ciudadanos.

Es posible realizar un análisis de la calidad del aire de un área utilizando un diagrama causal, aunque las variables son susceptibles a errores debido a la variación o poca información de las mismas (número de autos o vehículos de servicio público en circulación, por ejemplo).

Un incremento mínimo en la utilización de vehículos de combustión en la ciudad de Bogotá D.C puede generar a futuro un aumento significativo a largo plazo en la cantidad de material particulado lo cual puede acarrear diferentes problemáticas de salud y ambientales.

Teniendo en cuenta que en los Inventarios de emisiones de combustión para PM10 (Figura 2) se evidencia que en el año 2022 los vehículos que emiten mayor cantidad de PM10 por año son los camiones, sería recomendable añadir este tipo de vehículos al estudio, ya que al no incluirlo se está omitiendo en el resultado final de la simulación una cantidad enorme de PM10 emitido anualmente. Incluso, también sería factible realizar el modelo propuesto netamente a estos vehículos de carga, para así establecer políticas de control frente a la emisión generada por los mismos.

Otra de las aplicaciones que se le puede brindar al modelo propuesto es en el proyecto de metro en Bogotá. Dentro de su evaluación, es de gran importancia tener en cuenta la cantidad de emisiones de contaminantes críticos que este generará frente a su capacidad; ya que gracias a que este contaría con una amplia capacidad, es posible que se disminuya el uso de automóviles particulares y motos, y consigo la cantidad total de contaminantes emitidos cada año.

El modelo propuesto puede ser un punto de partida para otros modelos de emisiones en otras ciudades basada en la metodología de la dinámica de sistemas, además de ser flexible en la posibilidad de ingresar nuevas variables y escenarios, como el aumento y la disminución del bosque urbano en la ciudad de Bogotá D.C y la capacidad a futuro de hospitales y clínicas para la atención de enfermedades respiratorias debido a la mala calidad del aire.

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Notes