Μαθηματική προσομοίωση της συμπεριφοράς πετρελαιοκηλίδων

Abstract

Τα ατυχήματα πετρελαιοκηλίδων έχουν σοβαρές επιπτώσεις στο θαλάσσιο αλλά και το ανθρωπογενές περιβάλλον. Σε περίπτωση θαλάσσιου ατυχήματος διαρροής, το πετρέλαιο εξαπλώνεται διαμορφώνοντας μια κηλίδα ενώ στη συνέχεια ενεργοποιείται ένα πλήθος διεργασιών, φυσικών, χημικών και βιολογικών, οι οποίες συμβάλλουν στην "παλαίωση" του (weathering processes) και είναι καθοριστικές για την εξέλιξη της πετρελαιοκηλίδας. Τέτοιες διεργασίες είναι, εκτός από τη μεταφορά, η διασπορά, η διάλυση, η εξάτμιση, η γαλακτωματοποίηση, η καθίζηση, η οξείδωση και η βιοδιάσπαση. Κάποιες από αυτές τις διεργασίες συμβάλλουν στη συρρίκνωση της πετρελαιοκηλίδας ενώ κάποιες προκαλούν αύξηση του όγκου της.

Διάφορα μαθηματικά μοντέλα έχουν αναπτυχθεί προκειμένου να περιγράψουν τη συμπεριφορά και να προβλέψουν την τροχιά μιας πετρελαιοκηλίδας αλλά και τις πιθανές επιπτώσεις της σε περίπτωση ατυχήματος. Η πλειονότητα αυτών των μαθηματικών μοντέλων αναπτύσσεται για διαχειριστικούς λόγους, προκειμένου δηλαδή να παρέχουν τις απαραίτητες πληροφορίες στις αρμόδιες αρχές για τον έγκαιρο καθαρισμό της πετρελαιοκηλίδας σε περίπτωση διαρροής.

Στην παρούσα εργασία έγινε δόμηση ενός διδιάστατου (2D) μαθηματικού μοντέλου πρόβλεψης της συμπεριφοράς πετρελαιοκηλίδας (Oil Spill Model, OSM) σε γλώσσα προγραμματισμού FORTRAN. Για τον υπολογισμό του πεδίου ροής έγινε χρήση του υδροδυναμικού μοντέλου FLOW-3DL (Stamou et al., 1999; 2007a; 2007b) το οποίο τροποποιήθηκε κατάλληλα προκειμένου να εξαχθούν οι ταχύτητες των επιφανειακών ρευμάτων λόγω ανεμογενούς κυκλοφορίας. Τα δεδομένα αυτά εισήχθησαν στο OSM το οποίο αναπτύχθηκε για να υπολογίζει την τροχιά αλλά και την εξέλιξη της μάζας της πετρελαιοκηλίδας, λαμβάνοντας υπόψη τη μέθοδο παρακολούθησης της κίνησης των σωματιδίων (particle tracking method), για την πρόβλεψη της κίνησης της πετρελαιοκηλίδας, αλλά και τις διάφορες διεργασίες που επιδρούν στη μάζα της. Το παρόν OSM υπολογίζει επίσης το χρονικό διάστημα που απαιτείται προκειμένου η πετρελαιοκηλίδα να φτάσει στην ακτή. Τέλος, έγινε εφαρμογή των μοντέλων στην περίπτωση του Σαρωνικού Κόλπου, ο οποίος επελέγη καθώς περιλαμβάνει το πιο μεγάλο λιμάνι της χώρας, δηλαδή το Λιμάνι του Πειραιά.

Oil slicks have severe environmental and ecological impacts on sea and coastal ecosystems. When the oil is leaked into the seawater it spreads forming a spill and a series of physical, chemical and biological processes take place (weathering processes), such as transport, dispersion, dissolution, evaporation, emulsification, sedimentation, photo-oxidation and biodegradation. Various mathematical models have been developed in order to describe this behaviour and predict the oil spill trajectory after a sea accident, for operational actions to avoid or mitigate the pollution impacts.

In the present study, a physics-based hydrodynamic model (HYM) was employed to calculate the sea currents that determine the trajectory of an oil spill, the time needed to reach the coast and its mass evolution with time. An Oil Spill Model (OSM) was developed in order to predict the oil spill behaviour once an oil spill accident happens. Apart from advection, the weathering processes taken into account were dispersion, dissolution, evaporation and emulsification, employing empirical models frequently used in the literature. The particle tracking method was also employed to model the transport of the spill; the oil mass was divided into a large number of particles that moved individually in random directions.

The present methodology was applied in the case of Saronicos Gulf; the selection was based on the high navigational traffic of the gulf and the fact that it includes the biggest and busiest port in Greece, located in the vicinity of Athens, i.e. the Port of Piraeus. The four most probable accident locations in the gulf were chosen and 49 wind scenarios were examined, including eight wind directions, six wind magnitude categories and the calm condition.

Generally, the results of the OSM are reasonable; the areas most at risk are the coastal areas near Piraeus Port, the north-western coasts of the island of Aegina, and north-western end of the Gulf near the town of Isthmia. Indicative results of the time needed for a spill, occurred in the chosen accident locations, to reach the coast, show that in the most probable cases of a spill accident, retention of the impacts of the spill is feasible if the alarming is immediate.