Simulación de un sistema socio-ambiental con difusión espacial de sus efectos
Basado en un modelo de simulación con Vensim
Jorge Francisco Cerda Troncoso
jcerdat@gmail.com
1.- INTRODUCCION Y ANTECEDENTES DEL PROBLEMA
Los sistemas socio-ambientales tienen una componente particular que es la que adiciona una dimensión en principio intuitiva, pero finalmente muy compleja. Esta dimensión es la espacialidad o territorialidad del fenómeno. Es esta la dimensión que en definitiva ayuda a evaluar impactos o efectos directos e indirectos.
La dimensión espacial de los sistemas socio-espaciales es la que soporta los denominados procesos de difusión de efectos en el territorio. Estos efectos de difusión son los que dan sentidos a la secuencia de un contaminante que es emitido en un lugar, pero que afecta a la población en otro lugar, bajo el criterio de la exposición.
Uno de los grandes desafíos actuales, en el marco de la formulación de políticas públicas, es la incorporación sistemática de criterios de sustentabilidad social y ambiental en los procesos de desarrollo y evaluación de planes y programas. En la práctica, las políticas sectoriales de infraestructura y transporte a nivel metropolitano han enfocado la sostenibilidad ambiental a partir de un cambio modal de los viajes, a la par del desarrollo de tecnologías limpias. Esta aproximación reduce el enfoque sólo a un factor tecnológico, sin dar la real dimensión (sistémica) del fenómeno de la movilidad en las áreas metropolitanas, en el sentido de entender que la elección modal es la consecuencia de una serie de factores que tienen que ver con la estructura de actividades en la ciudad, y tal vez más importante con el patrón espacio-temporal de comportamiento de la población (Cerda y Marmolejo, 2012).
Por otra parte, los planes de ordenamiento del territorio se encuentran bastante más atrasados en comparación al análisis de transporte, en lo que respecta a sus métodos de evaluación cuantitativa. Pasando desde los lineamientos de las políticas hasta los planes de ordenamiento territorial específicos, se aprecia que el resultado de estos instrumentos se reduce a aspectos constructivos (de stock físico), fuertemente condicionados por normas de edificación. En lo referente a las actividades permitidas (que utilizarán dicho stock), los instrumentos se refieren, en general, a las actividades prohibidas y no se pronuncian de forma explícita y detallada sobre las actividades que finalmente ocuparan dicho stock. A lo anterior se suma que las categorías de actividades permitidas son amplias, en el entendido que es el mercado de suelo quien determine los mejores postores.
Desde el punto de vista ambiental, se puede plantear que las políticas influyen de diferente manera en la planificación de transporte y del ordenamiento territorial. A nivel táctico, es decir, a escalas de un proyecto específico, es a través de estudios específicos (impacto de transporte y evaluación ambiental). A nivel del planeamiento metropolitano, generalmente se utiliza lo que se conoce como proceso de Evaluación Ambiental Estratégica, que asegura la consideración de variables ambientales en las etapas tempranas de elaboración y estructuración de los distintos planes alternativos. Específicamente para el transporte, son los planes de inversión los que materializan la planificación de obras y servicios a corto, mediano y largo plazo.
Es en esta escala de análisis en donde se aprecia: 1) una disociación operativa en la elaboración de planes de transporte y de ordenamiento territorial; 2) una diferencia significativa en los métodos cuantitativos que soportan la elaboración del planeamiento territorial; 3) una evaluación social y ambiental disímil en lo que se refiere a criterios y técnicas; y 4) la ausencia de una visión integrada y territorial en la conformación de dichos planes.
El contexto actual de toma de decisiones en la planificación del transporte y del ordenamiento del territorio se requiere evaluar algunas de las externalidades más importantes ligadas a los procesos metropolitanos contemporáneos, bajo un enfoque integrado del fenómeno, que permitiría detectar los elementos que restan eficiencia al sistema, adelantar los impactos negativos de planes o programas y, en su caso, mitigarlos con medidas preventivas antes de que se implementen.
Frente a este desafío, las técnicas de modelación actuales se muestran disimiles, y en general se aprecia una ausencia del enfoque de simulación de sistema dinámico.
El presente proyecto de fin de curso aborda la aplicación de un enfoque de simulación integrado de localización de actividades, emisiones ambientales, y difusión espacial de contaminantes, como herramienta de apoyo a la definición y evaluación de políticas de intervención.
El alcance del actual proyecto abarca la conceptualización del problema integrado, y el diseño e implementación de los modelos de simulación. La utilización de estos para evaluar políticas específicas no se ha abordado, aunque los modelos construidos han parametrizado los indicadores para dichas evaluaciones.
El estudio que sirvió de base para el presente proyecto esta reportado detalladamente en las publicaciones que componen la bibliografía referencial. Cabe mencionar que dicho estudio, del cual el autor fue parte integrante, fue desarrollado para la Región Metropolitana de Barcelona, durante el año 2012.
2.-CONCEPTUALIZACIÓN DEL PROBLEMA – EL DIAGRAMA CAUSAL
Lo primero que se plantea es una estructura maestra de entendimiento del problema, cuya filosofía es la de permitir una interdependencia de causalidad iterativa o circular, en donde el uso del suelo está influido por el nivel de accesibilidad y viceversa, y ambos alimenten los modelos de externalidades ambientales de consumo de suelo y emisiones ambientales. Este modelo causal se presenta esquemáticamente en la Figura 1.
Figura 1. Modelo causal para evaluar la eficiencia energética y ambiental de planes y proyectos
El modelo causal surge de la revisión del estado del arte, incorporando conceptos y criterios de lo existente, pero con la premisa de la integración funcional del los procedimientos, más que con la exactitud o complejidad de los últimos desarrollos científicos en cada tema.
Dicho lo anterior, el modelo reconoce dos escalas de análisis necesariamente diferentes. La primera es la escala macroterritorial que da cuenta de la proyección del crecimiento de la RMB como un todo. Esta proyección se realiza solo una vez en formato paramétrico, por lo que representa la entrada de evaluación de distintas políticas públicas.
La segunda escala es la microterritorial, que es donde se resuelve la problemática espacial o de ordenamiento de las distintas actividades y de los efectos (interacciones, emisiones, consumos, etc.) que generan estas localizaciones.
En el esquema se reconocen cuatro áreas temáticas que componen el modelo microterriorial, que son: el modelo de localización de actividades, el modelo de transporte, el modelo de consumo de suelo, y el modelo de externalidades ambientales (energía y emisiones). Así, los enfoques de evaluación que plantea el modelo son tres: la cuantificación del consumo energético ambiental, la cuantificación del consumo del suelo, y la evaluación social de la equidad en el acceso al territorio.
La operación o secuencia, tanto de la implementación como de la aplicación del modelo conceptual, presenta la siguiente estructura:
- El primer paso es determinar la localización de actividades (tanto económicas como residenciales). En la lógica de localización de dichas actividades actúan patrones demográficos de la población (estadísticas vitales, tasas de ocupación, tasas de conformación de hogares), los cupos espaciales para las distintas actividades (en función de planes y normas urbanísticas), y también el comportamiento de interacción espacial en el territorio (cambio de residencia, movilidad cotidiana laboral). El resultado de este procedimiento es el total de población, viviendas y empleos para cada unidad territorial de análisis, en cada momento de tiempo evaluado.
- En el segundo paso se modela la estructura de interacciones (transporte) inducida por el ordenamiento de las actividades residenciales y económicas. Para esto, primero se determinan los totales de viajes generados y atraídos en cada territorio, luego se distribuyen dichos viajes para, finalmente, asignarlos a la red de interacción disponible (la que depende de distintos escenarios de intervenciones). Será la red, con sus costos de interacción, la que influya en la localización de actividades antes presentada.
- El tercer paso tiene que ver con la estimación de los consumos generados por el sistema territorial de actividades y sus interacciones. Los consumos que se consideran en este estudio se refieren al consumo de suelo (suelo artificializado) y al consumo energético (específicamente eléctrico) generado por las distintas actividades localizadas. También se consideran los generados por la interacción espacial (transporte).
- El cuarto paso se relaciona a la estimación de los consumos energéticos y emisiones ambientales generadas tanto por las actividades localizadas, como por los flujos de interacción.
- El quinto y último paso es la evaluación de la eficiencia energética y ambiental del sistema territorial de actividades y sus interacciones.
Finalmente, el modelo causal evalúa la situación ambiental (energética y de emisiones) de un ordenamiento e interacciones de una situación base del territorio, la que contempla la evolución temporal, es decir, la evaluación temporal-espacial de las actividades y el transporte.
3.- DESARROLLO DE LOS MODELOS DE SIMULACIÓN
En el anteproyecto del presente trabajo se propuso tres etapas de desarrollo secuencial, cuya lógica fue el desarrollo de un modelo a-espacial, para luego incluir la espacialidad. La tercera etapa consistía en la simulación de distintas políticas de gestión, tarea que no se reporta en este informe. A continuación se reporta de forma separada cada etapa.
3.1.- Modelación a-espacial
Este modelo consideró la construcción de un modelo conceptual (diagrama de Forester) del sistema compuesto por los factores referidos a: la localización de actividades, los flujos de interacción (transporte) que se generan entre las actividades, y las emisiones atmosféricas que se producen tanto por las actividades como por los flujos. Este modelo se construyó para una unidad territorial única, es decir, no se considera la espacialidad (de aquí su denominación de a-espacial). El objetivo de esta modelación es estructurar de buena forma los factores y relaciones que intervienen, sin incluir aún la complejidad de la espacialidad. El modelo causal en este caso se presenta en la Figura 2.
Figura 2. Modelo causal a-espacial
Con estas especificaciones se procedió a construir el modelo en Vensim. En la Figura 3 se muestra una imagen del modelo, el que se compone de tres áreas. En la primera (izquierda) se calcula la evolución de las variables criticas, en la segunda (centro) se calculan las variables no críticas, y en la tercera se encuentran los valores de tasas de cambio.
Figura 3. Modelo a-espacial implementado en Vensim
De la ejecución del modelo, para el período 2009-2030, se logran replicar de buena forma los valores totales anuales presentados en la Tabla 1. En la Figura 4 se muestran los resultados de las simulaciones de las variables críticas.
Figura 4. Resultados de simulación de variables críticas
El modelo así construido deja abierta la posibilidad de simular distintos escenarios para las tasas de crecimiento anual de las variables criticas
3.2.- Modelación espacial
La idea de esta modelación fue enfrentar el problema de espacializar parte del modelo anterior, es decir, considerar las actividades localizadas en distintos territorios, estimar los flujos que se originan entre dichos territorio y que se cargan a los arcos de la red, estimar las emisiones surgen en distintos territorios y arcos de la red, y finalmente la difusión atmosférica que determina la concentración de contaminantes en los distintos territorios analizados.
Dada la complejidad de considerar todos los territorios del estudio original, se adopto un enfoque teórico en la construcción de este modelo, es decir, situaciones acotadas respecto del número de territorios, y tasas de cambio o relación constantes para todos. La idea es que este modelo se aplique, posteriormente a territorios específicos, adoptando valores y razones de cambio empíricas.
El modelo causal espacial se presenta en la Figura 6. En este caso se muestra el diagrama para un solo territorio. A partir de la población asignada a un territorio, se determinan los empleos, los que posteriormente generaran viajes. Los viajes se distribuyen entre todos los territorios generando flujos de transporte en la red (efecto espacial discreto, ya que se encausan en redes).
Tanto los flujos de transporte como los empleos generan emisiones, las que se distribuyen en el espacio y llegan a los distintos territorios afectando tanto a la población como a los empleos (efecto espacial continuo).
Figura 6. Modelo causal espacial para un territorio
En base al modelo causal se procedió a implementar el modelo en Vensim. Un esquema general del modelo se presenta en la Figura 7.
Figura 7. Modelo espacial en Vensim
El modelo se implementó para simular las 24 horas del día.
En términos generales el modelo Vensim presenta 5 áreas distintas. El área amarilla muestra la modelación de cada territorio en términos de población y empleo. El área verde corresponde al modelo de distribución de viajes. El área naranja concentra la cuantificación de flujos de transporte en rutas. El área azul totaliza las emisiones tanto de transporte como de los empleos en los territorios. Finalmente el área gris calcula las concentraciones, en este caso, sólo para un territorio.
El modelo por territorio determina una tasa de empleo temporal, es decir, se modela tanto la salida como llegada de los empleados de dicho territorio (a la hora que corresponde). Con esto se replica el total de población que hay por hora a lo largo del día, así como el total de empleos en cada hora. En la Figuras 8 se muestran los resultados de población y empleo total por hora, para un territorio, para todo un día de modelación.
Figura 8. Resultados de simulación población y empleo
Como se aprecia, la tasa de empleo utilizada replica la baja de población y aumento de empleo durante la jornada laboral.
La distribución de los viajes es en base a una matriz de probabilidad de destino, así como una probabilidad de retención.
Finalmente, si bien el modelo espacial no representa ningún territorio real, cumple con modelar espacialmente primero la distribución de los viajes, y segundo la dispersión de las emisiones, para computarlas como concentración en cada territorio.
4.- CONSIDERACIONES FINALES DEL PROYECTO
El proyecto desarrollado enfrento el problema de implementar la técnica de simulación a un sistema socio-ambiental integrado, en su dimensión espacial y temporal.
Si bien la conceptualización e integración del sistema ya había sido desarrollada por el autor en un trabajo previó, la complejidad de la aplicación de la técnica de simulación no fue menor.
Lo que demuestra el presente trabajo es que aplicando la técnica de simulación, y en relativamente poco tiempo, se contó con una herramienta mucho más flexible que el modelo construido en el estudio original. La flexibilidad se ve en el sentido que la herramienta construida, siendo bajo un enfoque más simple, permite simular rápidamente distintos escenarios de las variables críticas. A lo anterior se suma el hecho que se pudieron replicar los grandes números del estudio original, lo que da un carácter de “calibrado” al modelo de simulación construido.
Respecto del modelo espacial, se logro, en una situación hipotética, implementar todas las relaciones planteadas, y sobre todo el efecto de la difusión espacial de las externalidades ambientales. Así, el modelo construido puede ser aplicado a situaciones reales, con el resguardo del número de territorios a ser considerados. Un gran número de territorios obligaría a re-pensar otra estrategia de modelación en Vensim, pero bajo la lógica ya planteada en esta aplicación.
Durante la construcción de los modelos en la plataforma Vensim se enfrentaron dos problemas que cabe mencionar, que se refieren a lo siguiente:
• Modelación con tasas de variación discretas, es decir, que no se interpolen valores entre los umbrales empíricos ingresados (que sean constantes). En este sentido, es posible que exista un comando específico para esto, pero se llego a una solución alternativa, cumpliendo así el objetivo requerido.
• Considerar una tasa de empleo con pulsos en el tiempo, y con signos positivos y negativos. El pulso fue necesario para modelar las horas en que se producen los viajes y retornos al empleo. El signo negativo sirvió para considera el flujo de retorno, de la misma cantidad que salió por la mañana. Nuevamente puede que exista otra forma de modelar esta situación, pero se logró el objetivo requerido.
(*) Si lo desea puede solicitar información más detallada de este trabajo al autor del texto
