Evaluación de los niveles de metales en aire ambiente mediante modelos estadísticos
- Autores: Germán Santos Bregel
- Directores de la Tesis: Ignacio Fernández Olmo (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Cantabria ( España ) en 2016
- Idioma: español
- Número de páginas: 240
- Títulos paralelos:
- Assessment of metal levels in ambient air by statistical models
- Tribunal Calificador de la Tesis: Ángel Irabien Gulías (presid.), Rafael Borge Garcia (secret.), Andrea Gambaro (voc.)
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: UCrea
- Resumen
- español
La Unión Europea (UE) a través de la Directiva Marco sobre calidad del aire (Directiva 2008/50/CE) y la cuarta directiva hija (Directiva 2004/107/CE) establece unos valores límite/objetivo para metales y semimetales en aire como valores medios anuales: As (6 ng/m3), Cd (5 ng/m3), Ni (20 ng/m3) y Pb (500 ng/m3). Asimismo, se permite que la evaluación de la calidad del aire se pueda realizar únicamente mediante técnicas de modelización o de estimación objetiva o de ambas en aquellas zonas en las que los niveles de contaminantes se encuentren por debajo del correspondiente umbral inferior de evaluación, de acuerdo a la nomenclatura empleada por las Directivas de calidad del aire de la UE, que viene definido en términos relativos con respecto al valor límite/objetivo (40% del valor límite/objetivo para As y Cd y 50 %, para Ni y Pb).
El objetivo principal de este trabajo se ha centrado en el desarrollo de una metodología para la estimación de los niveles en aire ambiente de algunos metales y semimetales presentes en el material particulado en suspensión y la evaluación de la adecuación de dicha metodología como herramienta de evaluación de la calidad del aire con respecto a As, Cd, Ni y Pb de acuerdo con los requerimientos de incertidumbre establecidos por la legislación europea como criterios de calidad para las técnicas de modelización y de estimación objetiva destinadas a este fin. Esta metodología está basada en el empleo de modelos estadísticos desarrollados a partir de las técnicas de regresión por mínimos cuadrados parciales (PLSR, por sus siglas en inglés) y de redes neuronales artificiales (ANNs, por sus siglas en inglés), que permiten determinar la concentración en inmisión de los contaminantes atmosféricos objeto de estudio en zonas urbanas a escala local en función de los niveles en aire ambiente de otros contaminantes atmosféricos mayoritarios y de las condiciones meteorológicas, lo que reduciría la necesidad de la realización de medidas experimentales para su posterior análisis en laboratorio.
La técnica basada en PLSR presenta ventajas frente a otras técnicas como regresión lineal múltiple o regresión basada en componentes principales. Si bien ha sido empleada en numerosos trabajos de distintas disciplinas, destacando principalmente la quimiometría, no se han encontrado estudios que empleen PLSR para la estimación de los niveles de metales en aire ambiente. Por otra parte, los modelos basados en ANNs han sido ampliamente utilizados en la literatura de calidad del aire para la estimación de la concentración de contaminantes atmosféricos mayoritarios tales como óxidos de nitrógeno, dióxido de azufre, ozono troposférico y material particulado. No obstante, pocos estudios que emplean esta técnica se centran en la estimación de la concentración de microcontaminantes en aire.
El punto de partida de esta Tesis Doctoral ha consistido en la selección de bases de datos de los niveles de los contaminantes minoritarios a evaluar, así como de las variables independientes que podrían influir a priori en los niveles de dichos contaminantes. Para ello se ha elegido en primer lugar la información disponible en el grupo de investigación DePRO (Desarrollo de Procesos Químicos y Control de Contaminantes) sobre los niveles de As, Cd, Ni y Pb en material particulado menor de 10 m (PM10) durante los años 2008 y 2009 en tres áreas urbanas de Cantabria (Castro Urdiales, Reinosa y Santander). Para estas tres áreas se ha creído conveniente ampliar la base de datos por medio de la determinación adicional de los niveles de dichos elementos en los años 2010 (Castro Urdiales y Reinosa) y 2011 (Santander). En segundo lugar, y en el marco de una colaboración con l'Unité de Chimie Environnementale et Interactions sur le Vivant (UCEIV), de l'Université du Littoral Côte d'Opale, se ha elegido una segunda base de datos con los niveles de Ni, Pb, Cr, Mn y V en la ciudad de Dunkerque, en la costa norte de Francia.
Así, la metodología desarrollada se ha aplicado a tres situaciones diferenciadas: (i) pequeñas áreas urbanas de Cantabria en las que se han realizado campañas extensivas de muestreo de PM10, Castro Urdiales (litoral) y Reinosa (interior); (ii) una zona urbana costera con fuerte contribución industrial en la que se ha realizado una campaña intensiva de muestreo (Dunkerque, Francia); y (iii) un área urbana más compleja a partir de una campaña de muestreo extensiva, Santander. En esta última, se ha evaluado además la influencia de la consideración de variables meteorológicas relacionadas con la estabilidad atmosférica como valores de entrada a los modelos.
Los resultados obtenidos en esta tesis indican que la metodología desarrollada representa una herramienta válida para la evaluación de la calidad del aire con respecto a As, Cd, Ni y Pb en el marco de la legislación europea, como complemento a la determinación cuantitativa de los niveles de estos contaminantes en aire ambiente mediante la toma de medidas experimentales, lo que permitiría reducir significativamente el número de determinaciones necesarias, con el consecuente ahorro de recursos.
- English
The European legislation permits that air quality assessment may be conducted solely by modelling and/or objective estimation techniques in those zones and agglomerations where the levels of pollutants are below a certain lower assessment threshold. This Thesis aims to develop a methodology for the estimation of the levels of metals and metalloids in ambient air, and the evaluation of the adequacy of this methodology as an air quality assessment tool according to the quality criteria established by the European legislation for modelling and objective estimation techniques. The proposed methodology involves the development of statistical models based on partial least squares regression (PLSR) and artificial neural networks (ANNs), which allows the determination of the immission concentration of the studied pollutants in urban areas at a local scale as a function of the levels of other air pollutants and the meteorological conditions, reducing the number of experimental measurements for their subsequent analysis in the laboratory.
- español
