Presenta: Iskar Jasmani Waluyo Moreno Para obtener el ttulo de

Ingeniero Ambiental

Asesores: Dra. Alicia Chacalo Hilu

Mtro. Jaime Grabinsky Steider

Fecha de Entrega: Marzo 2013

Aplicacin del Modelo UFORE (Urban Forest Effects) al arbolado de la

Delegacin Miguel Hidalgo

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Tabla de contenido AGRADECIMIENTOS ...................................................................................................................................................... 4 INTRODUCCIN .............................................................................................................................................................. 5 OBJETIVOS ........................................................................................................................................................................ 7 MARCO TERICO Y ANTECEDENTES ....................................................................................................................... 7

Secuestro y almacenamiento de carbono ......................................................................................................... 7 Retencin de contaminantes atmosfricos ..................................................................................................... 8 Clculo de secuestro y almacenamiento de carbono ................................................................................ 11

Clculo del rea de follaje e ndice de rea de follaje ............................................................................................. 11 Clculo de la biomasa ........................................................................................................................................................... 12

Clculo de flux y retencin de contaminantes ............................................................................................. 14 Ecuacin de velocidad de depsito para NO2, SO2, CO y O3 ................................................................................. 15 Ecuacin de velocidad de depsito para PM10 .......................................................................................................... 18 Clculo de concentracin de contaminantes retenidos ........................................................................................ 19

JUSTIFICACIN ............................................................................................................................................................. 20 Contaminacin atmosfrica actual en la ZMVM .......................................................................................... 20 Efectos positivos y valor del arbolado urbano ............................................................................................ 23

METODOLOGA ............................................................................................................................................................ 24 Etapa 1: Muestreo preliminar y clculo de medidas de dispersin ..................................................... 24 Etapa 2: Diseo del muestreo ............................................................................................................................ 26

Estimacin de grados de confiabilidad ......................................................................................................................... 26 Estimacin de tamao de muestra ................................................................................................................................. 29 Ubicacin de las parcelas al azar ..................................................................................................................................... 31

Etapa 3: Muestreo del arbolado ........................................................................................................................ 33 Etapa 4: Anlisis estadstico y aplicacin del modelo UFORE ................................................................ 36

RESULTADOS Y OBSERVACIONES ......................................................................................................................... 38 Resultados del arbolado las calles de la Delegacin Miguel Hidalgo .................................................. 38

Desaparicin de rboles y sus sitios .............................................................................................................................. 38 Distribucin de especies ..................................................................................................................................................... 40 Condicin del arbolado y sus sitios ................................................................................................................................ 40 Crecimiento .............................................................................................................................................................................. 43 Biomasa y rea de follaje .................................................................................................................................................... 47 Secuestro y almacenamiento de carbono .................................................................................................................... 49 Retencin de contaminantes y su valor econmico................................................................................................ 51

Resultados del arbolado del Bosque de Chapultepec ............................................................................... 52 Distribucin de especies ..................................................................................................................................................... 52 Condicin del arbolado y de su sitios ............................................................................................................................ 54 Biomasa y rea de follaje .................................................................................................................................................... 56 Secuestro y almacenamiento de carbono .................................................................................................................... 57 Retencin de contaminantes y su valor econmico................................................................................................ 59

CONCLUSIONES ............................................................................................................................................................ 61 Evaluacin del arbolado de las calles de la Delegacin Miguel Hidalgo ........................................................ 61 Evaluacin del arbolado del Bosque de Chapultepec ............................................................................................ 61 Evaluacin de las tasas de crecimiento de los rboles en las calles de la Delegacin Miguel Hidalgo ........................................................................................................................................................................................................ 62

Evaluacin del modelo UFORE .......................................................................................................................... 62 Comparacin de los resultados ........................................................................................................................................ 62 Aplicabilidad del modelo .................................................................................................................................................... 63

Valor econmico del arbolado y la retencin de contaminantes ......................................................... 64 Problemas con el muestreo ................................................................................................................................ 65 Aspectos negativos del arbolado urbano ...................................................................................................... 66 Confiabilidad de los modelos matemticos .................................................................................................. 67

Referencias ................................................................................................................................................................... 68

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ANEXOS 73 NDICES 105

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AGRADECIMIENTOS

A la Dra. Alicia Chacalo Hilu por tener confianza en m y paciencia en este proyecto.

Al Maestro Jaime Grabinsky Steider por las horas de apoyo en trabajo de campo y por

las buenas plticas entre las horas de trabajo.

Al Maestro Alejandro Aldama por su aportacin en el diseo del muestreo y apoyo

durante la elaboracin de este proyecto.

Al Maestro Sebastin Varela por su colaboracin durante la corrida del modelo

UFORE.

A mi familia y amigos por apoyarme durante esta carrera acadmica y hacerme la vida

amena.

A las autoridades del Bosque de Chapultepec por el apoyo y permisos necesarios para

este proyecto.

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INTRODUCCIN

El presente proyecto evala el arbolado de la Delegacin Miguel Hidalgo del Distrito

Federal en dos partes: el Bosque de Chapultepec y las calles de la delegacin. Para

realizarlo, se determin una muestra de arbolado de cada zona y se analizaron los

datos para establecer su condicin, distribucin de especies, tasas de crecimiento,

entre otras. Con los resultados de este proyecto fue posible evaluar la condicin actual

del arbolado de la delegacin y compararla con un estudio realizado previamente, en

1993 (Chacalo et al., 1996). Se encontr que las condiciones del arbolado son, en

general, buenas, mas no recibe mantenimiento adecuado y, en algunos casos, la

planeacin urbana no lo considera.

Los datos de este estudio tambin se utilizaron para correr el modelo Urban Forest

Effects (UFORE). El modelo estima varios efectos del arbolado urbano y se divide en

cuatro mdulos (Nowak y Crane, 1996):

Mdulo A (Anatomy of the urban forest): Estima la estructura general de una

poblacin de rboles y organiza la informacin segn la clase diamtrica y la especie.

Adicionalmente, calcula los promedios con desviaciones estndar en cada una de estas

categoras. Finalmente, con la ayuda de algunas mediciones dasomtricas, estima

tambin la cantidad de biomasa presente en la poblacin, con la cual se calcula la

captura de carbono y la retencin de contaminantes.

Mdulo B (Biogenic volatile organic compound emissions): Estima la cantidad de

compuestos orgnicos voltiles (COVs) que libera una poblacin de rboles a la

atmsfera. Forma parte importante del modelo, ya que algunas especies contribuyen

ms que otras a la cantidad de COVs que se liberan.

Mdulo C (Carbon storage and sequestration): ste es uno de los dos mdulos

empleados en el presente proyecto; estima la cantidad de carbono secuestrado en la

poblacin o muestra de arbolado por medio de la biomasa de un rbol. Con datos y

ecuaciones alomtricos, se desarroll un sistema para calcular biomasa. El secuestro

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de carbono por rboles est relacionado, principalmente, con la densidad de biomasa

segn la especie.

Mdulo D (Dry deposition of air pollution): Segundo de los mdulos empleados,

estima la cantidad de contaminantes que se depositan y absorben en el follaje.

Requiere datos anuales de las concentraciones atmosfricas de NO2, PM10, SO2, CO, CO2

y O3. Con los flujos y el rea del follaje se calcula la retencin de contaminantes. Las

ecuaciones para calcular las velocidades de depsito y flujos se discutirn ms

adelante.

UFORE es fcil de conseguir en i-Tree, una suite de programas, y est disponible sin

costo por internet. Est constituida por 3 partes:

i-Tree Streets: Se basa en el modelo Street Tree Management and Analysis Tool for

Urban Forest Managers (STRATUM). Es una herramienta que evala los efectos del

arbolado en calles, parecido a UFORE pero, adicionalmente, evala los efectos que el

mismo tiene sobre las temperaturas dentro de los edificios.

i-Tree ECO: Corre los mdulos de UFORE antes mencionados.

i-Tree Hydro: An en fase de prueba, este mdulo se dise para evaluar el efecto del

arbolado en los flujos de agua en las instalaciones urbanas. El modelo simula los

cambios en el sistema hidrolgico de una zona urbana conforme cambia la estructura

de la poblacin arbrea.

Adems de stos, i-Tree cuenta con otros mdulos para evaluar los efectos del

arbolado urbano, as como con un buen soporte tcnico, disponible para todos los

usuarios de i-Tree por medio de foros, correo electrnico, correo convencional y

telfono (iTree, 2010).

Aunque tiene muchas funciones, el modelo UFORE se utiliz para cuantificar la

retencin de contaminantes por el arbolado. Adicionalmente, se cuantific la

retencin de contaminantes atmosfricos en kilogramos por ao. El modelo tambin

determina un valor econmico de la retencin de contaminantes, mismo que se

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incluye en este documento. Se estim que un rbol en las calles de la Delegacin

Miguel Hidalgo tiene un valor anual de $7.47 USD, mientras que el de uno en el Bosque

de Chapultepec, es de $3.63 USD, considerando dicho valor nicamente a partir de la

retencin de NO2, SO2, CO2, CO, O3 y PM10. Con base en estos valores, se estim que el

Bosque de Chapultepec le ahorra ms de un milln de dlares anuales a la Ciudad de

Mxico en retencin de contaminantes.

OBJETIVOS

General:

Evaluar el arbolado urbano utilizando la estadstica y el modelo UFORE.

Especficos:

I. Evaluar la condicin y distribucin del arbolado en la Delegacin Miguel Hidalgo.

II. Cuantificar el secuestro de carbono por medio de la incorporacin de dixido de carbono (CO2) al ciclo de carbono.

III. Cuantificar la asimilacin de gases (NO2, SO2, CO, O3) por el follaje del arbolado.

IV. Cuantificar la retencin de materia particulada suspendida (PM10) en el follaje del arbolado.

V. Evaluar el modelo UFORE y iTree.

MARCO TERICO Y ANTECEDENTES

Secuestro y almacenamiento de carbono

La UNFCCC (United Nations Framework Convention on Climate Change ), define el

secuestro de carbono como el proceso de remover carbono de la atmsfera y

depositarlo en una reserva (Organizacin de Naciones Unidas, 2010). La absorcin de

CO2 en el follaje del arbolado para transformarlo en biomasa, es una manera de

secuestrar el carbono atmosfrico, sin embargo, un crecimiento vertiginoso en las

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fuentes antropognicas de CO2 , aumenta su concentracin a una tasa que la naturaleza

no parece ser capaz de asimilar.1

Una zona arbolada capaz de secuestrar ms carbono del que se produce en sta se

. Esta capacidad depende principalmente de cinco

factores (US Environmental Protection Agency, 2010):

especie; condicin del suelo; uso de suelo; topografa; condicin climtica local.

Existen varios mtodos para estimar la capacidad de secuestro de carbono, as como

estudios que relacionan su cantidad en la atmsfera con la vegetacin en el ambiente.

De 1990 a 2008 la EPA realiz un inventario de las fuentes emisoras de gases de

, donde se utilizaron diversos mtodos y

modelos para estimar su capacidad de secuestro (US Enviornmental Protection Agency,

2004). Es importante considerar que el arbolado tambin produce ciertas cantidades

de carbono que se liberan a la atmsfera. La figura 1 ayuda a visualizar el intercambio

de CO2 atmosfrico con el arbolado urbano.

Retencin de contaminantes atmosfricos

La absorcin de gases ocurre por medio de procesos biolgicos como la fotosntesis.

Los gases se absorben por los estomas del follaje y son atrapados en los espacios

intracelulares de las hojas del rbol. Posteriormente, se incorporan a los procesos

metablicos de la planta o rbol. La figura 2 muestra la manera en que un estoma

absorbe dixido de carbono atmosfrico en los espacios intracelulares de una hoja.

1 Algunos cientficos no estn de acuerdo con esta teora y suponen que la cantidad de carbono emitido por fuentes antropognicas no es significativa

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Figura 1: Visualizacin del secuestro de carbono

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Figura 2: Visualizacin de absorcin de CO2 en estomas. Este fenmeno ocurre de la misma forma para los otros gases. Imagen: (Cook y Carlowicz, sin fecha)

Investigadores de diversos pases han cuantificado los efectos que tiene el arbolado

sobre la calidad del aire. En un estudio sobre la capacidad de retencin de ozono,

PM10, NO2 y SO2 (Yang et al., 2008) se determin que 19.8 hectreas de azoteas verdes

en Chicago retenan ms de 1500 kg de contaminantes al ao.

Otros tipos de contaminantes atmosfricos son las partculas suspendidas que quedan

atrapadas en la superficie del follaje del arbolado, la concentracin puede ser tan alta

que, en ocasiones, se perciben a simple vista. Estas partculas no desaparecen y, en

algunos casos, vuelven a suspenderse en la atmsfera despus de permanecer un rato

en el follaje de un rbol, otras se diluyen con la lluvia y se incorporan al suelo.

En el estado de Chihuahua se estudi una muestra de 225 rboles y se estim la

capacidad de retencin de partculas suspendidas en el aire de distintas especies. En

este estudio, el ciprs (Cupressus sp.) fue la especie con mayor capacidad de retencin

de partculas (Alcal et al., 2008). En Chile se realiz un estudio similar relacionando

el efecto econmico que tendra el arbolado urbano al evitar algunas enfermedades en

las vas respiratorias; en ste se encontr que era ms rentable el arbolado en zonas

de bajo nivel socioeconmico que en su contraparte (Escobedo et al., 2008).

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Clculo de secuestro y almacenamiento de carbono

Las estimaciones que hace el modelo se basan en:

1. el rea de follaje del arbolado; 2. la biomasa del follaje, tronco y races; 3. el flux del contaminante atmosfrico en las reas cercanas al arbolado.

A continuacin se explica cmo calcula el modelo el rea de follaje y la biomasa. El

clculo de flux se explica ms adelante.

Clculo del rea de follaje e ndice de rea de follaje

El rea de follaje se determina con coeficientes de extincin de luz solar y de sombra.

El modelo recibe datos de exposicin a la luz solar, ancho y altura de copa. Con esta

informacin se determinan los coeficientes de extincin de luz solar y de sombra y un

radio de la corona del rbol, con los cuales se estima un rea de follaje con la siguiente

ecuacin (Nowak et al, 2008):

(1)

Donde:

LA: rea de follaje

xs: coeficiente de sombra promedio, 0 < xs < 1

r: radio de copa

k: coeficiente de extincin de luz

Otro valor importante que estima el modelo es el ndice de rea de follaje o LAI, por

sus siglas en ingls. El LAI es la relacin entre el rea del follaje que recibe luz solar y

el rea superficial que cubre el follaje (Gobron, 2009) y se calcula indirectamente

utilizando informacin sobre la exposicin a la luz solar, las dimensiones de la corona

del rbol y el porcentaje faltante de la misma. En el modelo UFORE, el LAI se calcula

con la siguiente frmula (Nowak, sin fecha):

12

(2)

Donde:

LAIn: ndice de rea de follaje ajustado para la competencia

LAIop: ndice de rea de follaje en espacios abiertos (sin copas que impidan la

exposicin a la luz solar)

LAIcl: ndice de rea de follaje en espacios cubiertos por otras copas

Los valores de LAIcl y LAIop se calculan considerando factores de competencia,

intensidad y coeficientes de luz solar. Las conferas, con excepcin de los pinos, tienen

un LAI promedio de 0.91, mientras los deciduos tienen un LAI promedio de 0.83

(iTree, sin fecha). Esto significa que las conferas tienen un rea mayor de follaje

expuesto a la luz solar y, por ende, generan ms sombra y absorben ms luz solar que

los deciduos. Adicionalmente, se estima un ndice de rea de Corteza (BAI, bark area

index), otro dato necesario para calcular la velocidad de depsito de PM10. El BAI es la

relacin entre el rea superficial de la corteza del rbol y el rea superficial que cubre

el rbol (DAAC, 2010).

Clculo de la biomasa

La biomasa, al igual que el rea de follaje, se determina con ecuaciones y coeficientes

alomtricos especficos para cada especie. Con datos de las dimensiones del rbol es

posible estimar una biomasa de follaje, de tronco y debajo del suelo. Con la biomasa

total y las tasas de crecimiento correspondientes a la especie del rbol, es posible

estimar el secuestro de carbono de un rbol en un periodo de tiempo.

En matemticas y ciencias en general, las ecuaciones alomtricas toman la siguiente

forma (WIKIPEDIA, sin fecha):

(3)

Donde:

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a y b: factores especficos del fenmeno estudiado

y: la cantidad o tasa de produccin que se desea conocer

x: el tamao de alguna variable disponible

Por ejemplo, la USDA emplea la siguiente ecuacin para calcular la biomasa de los

gneros Cedrela, Cordia, Hyeronima y Euterpe (Cole y Ewel, 2006):

(4)

Donde:

a y b: factores alomtricos

d: dimetro del tronco (cm)

h: altura del rbol (m)

y: biomasa (kg)

Los valores de a y b varan segn el dimetro del rbol y la parte del rbol que se est

midiendo. La siguiente tabla contiene datos de los factores alomtricos a y b para el

gnero Cedrela sp:

Tabla 1: Factores alomtricos para el follaje y tronco Cedrela sp.

Parte del rbol Dimetro (cm) a b

Follaje 10 0.0013 0.9218

Tronco 10 0.2002 1.0451

(Cole y Ewel, 2006)

Para ejemplificar, si un rbol Cedrela sp. mide 3 metros de altura y tiene un dimetro

de 10 cm, se utilizaran los factores a = 0.1265 y b = 0.2787 para estimar la biomasa

del follaje de ese rbol. Al introducir estos datos en la ecuacin:

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La biomasa del follaje de un rbol del gnero Cedrela sp. pesa aproximadamente 0.62

kg. De la misma manera es posible estimar la biomasa del tronco, ramas y races con

valores para a y b, segn la parte del rbol y si el dimetro del tronco es mayor o

menor a 10 centmetros. Algunas de las ecuaciones y valores alomtricos se

encuentran en un compendio de 98 especies publicado por la USDA (USDA, 1983).

Para el modelo, la biomasa no se calcula directamente porque algunos parmetros

estn fuera de rango, as que se calcularon en funcin del rea de follaje y el peso en

seco por rea de follaje. La biomasa es prcticamente el producto de la densidad del

follaje (particular de la especie) multiplicado por el volumen que ocupa la corona del

rbol (iTree, sin fecha). Para las especies que no tienen una ecuacin alomtrica se

estima la biomasa con el promedio de todas las ecuaciones de otras especies del

mismo gnero (Nowak et al., 2000).

Algunos otros factores que influyen en el clculo de biomasa son:

tasa de crecimiento; probabilidad de que muera el rbol; ndice de rea de Follaje (LAI por sus siglas en ingls); ndice de rea de Corteza (BAI por sus siglas en ingls).

Clculo de flux y retencin de contaminantes

Existen varios mtodos para estimar la absorcin de un gas o el depsito de

partculas. El empleado por UFORE se basa en la siguiente ecuacin del flux de

depsito en seco (Nowak y Crane, 1996):

(5)

Donde:

F: flux de depsito en seco de la sustancia

Vd: velocidad de depsito en seco de la sustancia

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C: concentracin de la sustancia

Es importante explicar que el flux es una cantidad que se mide en masa por unidad de

tiempo por unidad de rea.

Las concentraciones (C) de los contaminantes que se utilizaron para el modelo, se

consiguieron de la base de datos de la Red Automtica de Monitoreo Atmosfrico

(RAMA). Las velocidades de depsito (Vd) se calcularon con dos ecuaciones distintas,

una para NO2, SO2, CO y O3 y otra para PM10. A continuacin se describen ambas

ecuaciones.

Ecuacin de velocidad de depsito para NO2, SO2, CO y O3

El valor de la velocidad de depsito (Vd), es la inversa de la suma de tres resistencias:

1. resistencia aerodinmica; 2. resistencia en las fronteras de flujo cuasi-laminar; 3. resistencia en copa.

Tabla 2: Velocidades promedio de depsito en seco de algunas sustancias en m/s

Sustancia Vd mxima (m/s) Vd mnima (m/s)

NO2 0.005 0.001

O3 0.001 0.008

SO3 0.010 0.002

(Hirabayashi et al., 2011)

Estos valores varan ms en rboles caducifolios, ya que durante otoo e invierno no

tienen follaje, razn por la cual el modelo arroja valores para rboles con follaje y sin

follaje. Las velocidades de depsito de NO2, SO2, CO y O3, se calculan con la siguiente

ecuacin (Hirabayashi et al., 2011):

(6)

Donde: