بخشی از مقاله
چکیده
فعالیتهای فراساحلی مربوط به اکتشاف و بهرهبرداری از چاههای نفت و گاز و انتقال آنها به ساحل، گاهی منجر به ریزش این آلایندهها به دریاها و اقیانوسها میشود که منجر به آسیبهای بعضاً جبرانناپذیر به اکوسیستم دریایی و محیطزیست منطقه میشود. با توجه به اهمیت مطالعه نشت نفت در آب و ضرورت مدلسازی این پدیده برای به حداقل رساندن خسارات ناشی از این حوادث، مدلهای مختلفی ارائه و توسعه داده شده است. در این مقاله سعی شده مروری بر مهمترین مطالعات انجام شده روی این پدیده در مقیاس آزمایشگاهی و واقعی، و در دو حوزه میدان دور و میدان نزدیک صورت گیرد. در میان مدلها و ابزارهای موجود نرم افزار OSCAR به دلیل قابلیت آن در مدلسازی هر دو این حوزهها و نیز هزینه محاسباتی به نسبت کمتر آن برای مطالعه پهنههای گسترده مطالعاتی در سالهای اخیر مورد اقبال واقع شده است. در ادامه این تحقیق، مولفه های سهگانه این مدل تشریح شده و معادلات حاکم آن مورد بررسی قرار میگیرد.
کلمات کلیدی: آلودگی نفتی، ابزارهای مدلسازی، Fluent، OSCAR، میدان دور، میدان نزدیک.
-1 مقدمه
فعالیتهای فراساحلی مربوط به اکتشاف و بهرهبرداری از چاههای نفت و گاز و انتقال فرآوردههای استحصالشده به ساحل، از طریق خط لوله یا کشتی گاهی منجر به ریزش این آلایندهها به دریاها و اقیانوسها میشود که منجر به آسیبهای بعضاً جبرانناپذیر به اکوسیستم دریایی و محیطزیست منطقه میشود. منطقه خلیجفارس به دلیل موقعیت ویژه از جمله عمق کم و میزان شوری آب از تنوع زیستی بسیار بالایی برخوردار است. همچنین با توجه به نقش عمده آن در ایجاد اشتغال ساکنان نواحی ساحلی جنوب کشور که از طریق صید و صیادی به امرار معاش میپردازند، نیازمند تمهیدات ویژه درصورت بروز حوادث زیستمحیطی به خصوص از این دست است. مدلسازی پیشبینی نفت ریزشی در دریاها به برنامهریزی و ارائه راهکارهایی برای مقابله با این سوانح کمک بسیاری میکند.
یکی از مهمترین حوادث نفتی دنیا، حادثه نقتی خلیج مکزیک در سال 2010 است که لطمات جبرانناپذیری به منطقه وارد کرده است. انفجار در سکوی نفتی Deep Water Horizon بزرگترین آلودگی نفتی ایالات متحده را رقم زد که موجب ورود میلیونها بشکه نفت خام به آبهای خلیج مکزیک گردید. اقدامات اولیهی شرکت بهرهبردار برای مهار چاه با شکست مواجه شد و نشت نفت تا روزانه 5000 بشکه افزایش پیدا کرد. این آلودگی تا سواحل آمریکا پیش رفت و وارد رودخانههای منطقه شد و در مجموع حدود 125 میلیون بشکه نفت از این چاه وارد محیط زیست شده و چندین گونه جانوری در حال انقراض را در خطر انقراض قرار داد. توجه به چگونگی پیشرفت این آلودگی و عوامل موثر بر گسترش آن یکی از موضوعات قابل بررسی میباشد. موضوعی که شرایط را روز به روز وخیمتر کرد و موجب شد این آلودگی به صورت گسترده پخش شود. رسیدن این آلودگی به سواحل اطراف، شرایط زندگی را برای ساکنین دشوار و آلودگی نفتی را در این مناطق نیز به دغدغهی اصلی بدل کرد. سرنوشت نفت ریخته شده؛ به خصوصیات فیزیکی و شیمیایی آن، هواشناسی منطقه و تعدادی از فرآیندهای فیزیکی و شیمیایی و بیولوژیکی از قبیل تبخیر، انحلال، امولسیون، اکسیداسیون خودکار، فتواکسیداسیون و تجزیه بیولوژیکی بستگی دارد. داشتن اطلاعات مربوط به پخش، انتشار و زوال لکه نفتی یکی از نیازهای اساسی برای برنامهریزی جهت کاهش خسارات وارده از آلودگی نفتی بر روی اکوسیستمهای طبیعی و مدیریت صحیح در بحرانهای ناشی از حوادث منجر به آلودگی نفتی در دریا میباشد.
-2 مروری بر تاریخچه مدلسازی
در ادبیات فنی و تاریخچه مطالعات روی این موضوع، این پدیده به دو صورت میدان دور و نزدیک مدلسازی میشود. در برخی مقالات تنها به یکی از دو مدل بسنده کردهاند، برخی میدان دور را با یک نرمافزار و میدان نزدیک را با نرمافزاری دیگر مدل کردهاند. اما برخی دیگر هر دو میدان دور و نزدیک را با یک نرمافزار واحد که قابلیت مدلسازی در هر دو زمینه را دارد، مدل کرده اند.
Reed و همکاران در سال 1995 پدیدهای را به صورت سه بعدی با نرمافزار OSCAR شبیهسازی کردهاند که هر دو معیارهای فیزیکی و بیولوژیکی را در نظر می گیرد، میزان نفت رسیده به ساحل را مشخص می کند و نتایج تاثیر تمام پارامترها را، خواه کم یا زیاد روی مدلسازی نشان
میدهد. 1 OSCAR ابزاری سودمند برای طراحی بهینه، کاربردی و حل مقرونبهصرفهتر نسبت به سایر ابزارهای موجود برای مدلسازی ریزش نفت برای سطوح دور از ساحل، ترمینالهای ساحلی و پالایشگاه فراهم آورده است .[1]
از اولین مطالعات مروری جامع روی این موضوع میتوان به مطالعه Reed و همکاران - [2] 1999 - اشاره کرد. در این مطالعه، تحقیقات پیشین در زمینه شبیهسازی خروج پلوم نفت در دهه 90 میلادی بررسی شده است. پیشرفتهایی که در هر زمینه تحقیقاتی در طی این سالها صورت گرفته، عنوان شده و محدودیتها و کمبودها نیز بیان شده اند. با مطالعه این تحقیق میتوان دریافت که با بهبود مدلها، پیشبینی زمان جابجایی و رسیدن نفت به سطح، اندازه ضخامت سطوح نفتی تشکیل شده در روی آب و میزان پخش طبیعی و شیمیایی پیشرفت محسوسی داشتهاست. - [3] 2000 - Johansen در مقالهای از مدل لاگرانژی برای مدلسازی انفجار در آب عمیق استفاده کرد. این مفهوم برای نشت در حالت چندفازی استفاده میشود . در این مقاله نیز خروج نفت و گاز در عمق زیاد مدلسازی شده است. دیده شده که گاز موجود ممکن است در ترکیب با آب به هیدرات تبدیل شده، در پلوم آب حل شوند و یا هنگام بالارفتن در اثر لغزش از خط سیر خارج گردند و البته حضور گاز باعث کاهش سرعت بالاروی پلوم میشود. نتایج این تحقیق، با برداشتهای میدانی دریای نروژ در ژانویه 1996 مقایسه شده است.
Fernandes و همکاران - [4] 2013 - در مطالعهای ریزش نفت و مدیریت ریسک آن در دریا و در محدوده اقیانوس اطلس را با نرمافزارهای مختلف مدلسازی و نتایج آن را در فرآیندهای متفاوت باهم مقایسه کردهاند، جدول .1 آنها نشان دادند مدلها چه توسعههایی پیدا کرده اند و راهکار بهبود آنها در آینده چگونه است. در این تحقیق بهطور خاص روی نرمافزار MOHID مطالعهی بیشتری صورت گرفته و بهبودهای این مدل به طور دقیق بیان شده است. از جمله این پیشرفتها میتوان به فرآیندهای هوازدگی نفت در MOHID و رویکرد جدید آن برای فرآیند امولسیونسازی اشاره کرد.
جدول :1 مقایسه نرمافزارهای خاضر برای مدلسازی نفت ورودی به آب
Chen و همکاران - [5] 2015 - یک مدل عددی براساس روشهای انتگرالی لاگرانژی و اویلری ارائه دادند. فرآیند مدلسازی در این مدل به بررسی جت آشفتگی و پلوم شناوری - میدان نزدیک - و انتقال و پخش در محیط - میدان دور - تقسیم شده است. مدل میدان نزدیک - زیرمدل دینامیک پلوم - براساس روش انتگرال لاگرانژی و میدان دور - زیرمدل انتقال - پخش - براساس دیدگاه اویلری است. در این مدل علاوه بر در نظر گرفتن ساختار سه بعدی جریانهای محیطی و آشفتگی، پروفیلهای عمودی دما، شوری و چگالی لایههای مختلف نیز درنظر گرفته میشود. در صحت سنجی با دادههای دریای چین - آب عمیق - معلوم شد که مدل تا حد بسیار خوبی قابل قبول است و ترکیب این مدل با یک سیستم پیشبینی جریان سهبعدی عملکردی، به مدلی منتج خواهد شد که توانایی پیشبینی سریع و آنی پخش نفت را دارد.
Socolofsky و همکاران - [6] 2015 - مقایسهای بین مدلهای پیشبینی ریزش نفت برای سناریوهای مختلف انجام داده اند. به منظور به حداقل رساندن آسیبها و بررسی شیوههای جمعآوری نفت، این مدلها را در حالتهای با پراکننده کننده - dispersant - و بدون پراکننده کننده در آبهای کمعمق تا عمیق و با نرخهای مختلف شبیهسازی کردهاند . نتایج مدل از نظر توزیع ابعاد ابتدایی قطرات نفت، پلوم میدان نزدیک و ردیابی ذرات لاگرانژی میدان دور در طی انتقال هیدروکربنی مورد بررسی قرار گرفتند.
Zhao و همکاران - - [7] 2016 در یک مطالعه عددی، جت نفتی در زیر آب را با نرمافزار JETLAG و VDROP-J شبیهسازی کرده اند. در نتایج دیده میشود که دو بار شکست در پلوم اتفاق میافتد. این شبیهسازی در مقیاسی بزرگتر از تحقیقات پیشین و در عمق زیاد انجام شده و با وجود محدودیتهایی در برخی پیشبینیها بطور کلی قابل قبول است.
Zhu و همکاران - [8] 2017 - مقالهای با عنوان پخش نفت ریزشی ناشی از خط لولهای در بستر دریا و نحوه جابجایی آن روی سطح آب تحت اثر موج و جریان براساس معادلات RANS، مدل آشفتگی k- و مدل حجم سیال - VOF - منتشر کردند. در این مقاله هر سناریوی ریزش نفت در آب ساکن، در حضور موج به تنهایی، در حضور جریان به تنهایی و در حضور توأمان موج و جریان بررسی شده و نتایج مدلهای آزمایشگاهی با مدل ساخته شده با نرمافزار FLUENT باهم مقایسه شده است. حضور موج و جریان باعث متفاوت شدن نتایج در هر فرآیند شده است.
از جمله نرمافزارهایی که توانایی مدلسازی میدان دور و نزدیک را دارد، نرمافزار OSCAR است که این یکی از جنبههای برتری این نرمافزار به سایر ابزارهای مدلسازی پدیده آلودگی نفتی میباشد. به علاوه در میدان نزدیک هم پهنه بیشتری را میتواند مدلسازی کند و در عین مدلسازی گستره بیشتر، زمان مدلسازی را به مراتب کوتاهتر است. این ویژگیهای جالب توجه باعث شده است که OSCAR به یکی از مناسبترین نرمافزارها برای این دست مطالعات بدل شود.
-3 روابط حاکم بر نرمافزار OSCAR
مدل OSCAR را میتوان برای کمیسازی تبعات ناشی از ایجاد لکه نفتی و کارایی پاسخ در مقابله با آن مورد استفاده قرار داد. به طور کلی، این مدل از سه مولفه تشکیل شده است - شکل : - 1
- 1 مدل :Fates مدلی سه بعدی است برای شبیه سازی لکههای نفتی و شیمیایی. - 2 مدل :2 OWM مدل و دیتابیسی برای هوازدگی نفت.
- 3 مدل :Combat مدل توسعه داده شده توسط SINTEF برای تحلیل استراتژیهای پاسخ اضطراری به لکه نفتی.
