بخشی از مقاله
چکیده
امروزه توجه همگانی به آثار مخرب زی ست محیطی انت شار آلودگیهای نفتی در دریاها معطوف شده و تحقیقات علمی در این زمینه از اهمیت ویژهای برخوردار گشته است. نفت ریزش یافته در محیط آبی با فرایندهای مختلفی مواجه میشود. از این میان، انتقال افقی و انتشار آشفته لکه، که یک روند فیزیکی ناشی از نیروی رانش باد، جریان و امواج است، مهمترین اثر را بر تعیین موقعیت سطحی لکه نفتی در هر مقطع زمانی دارد. پاکسازی محیط زیست آلوده شده توسط آلاینده نفتی نیازمند دانستن موقعیت لکه نفتی در مقاطع زمانی پس از ریزش، با دقت مناسب است.
معمولا برای تخمین میزان انتقال لکه نفتی از روابط تجربی موجود در ادبیات فنی استفاده میشود که به خاطر همراه بودن با ضرایب تجربی دقت کافی ندارد. در تحقیق حاضر، یک مدل عددی دو فازی مبتنی بر رویکرد لاگرانژی به روش MPS توسعه داده شده است که با درنظرگیری دو سیال آب و نفت به صورت مجموعهای از ذرات و حل معادلات حاکم بر حرکت سیال برای هر دو فاز میتواند موقعیت لکه نفتی را در هر زمان پیشبینی نماید. استفاده از مدل عددی به جای کاربری روابط تجربی سبب می شود جابجایی لکه نفتی در هر زمان با دقت بیشتری محاسبه شود. نتایج مدلسازی در عملیات جمعآوری آلایندههای نفتی به کار خواهد رفت.
-1 مقدمه
توسعه اقتصادی سبب شده است بشر بیش از پیش به استفاده از سوختهای فسیلی روی آورد. از آنجا که میزان عمدهای از سوختهای نفتی از مخازن موجود در دریاها ا ستح صال شده و از طریق محیطهای آبی منتقل می شود، مقدار قابل توجهی از مواد نفتی در اثر عوامل متعدد به محیط زی ست دریایی وارد می شود. انت شار نفت در آب ب سیار زیانبار بوده و صدمات جدی به محیط زیست و سلامت انسان وارد می سازد، به گونهای که اثرات آن تا مدتها در منطقه باقی میماند . یک لیتر نفت میتواند تا 10 هزار لیتر آب را آلوده نماید. بهترین تخمین برای میزان نفت ورودی به محیط زیست دریایی از کلیه منابع آلاینده، حدود 3,2 تن در سال است. حدود 0, 47 میلیون تن آلودگی نفتی در اثر نشت تصادفی از کشتیها، انفجارهای دور از ساحل و عملیات تولید و استخراج نفت به دریاها وارد میشود.
خلیج فارس یکی از درمعرض خطرترین محیطهای آبی از لحاظ آلودگی نفتی میباشد. در اواخر قرن بیستم دو نمونه از مهمترین رخدادهای آلوده کننده نفتی در این ناحیه رخ داده است. حدود 1,45 میلیون بشکه نفت در سال 1991 سواحل کویت را آلوده نموده و در سال 1983 حدود 600 هزار ب شکه در اثر انفجار میدان نفتی نوروز به سواحل ایران وارد شده ا ست. همچنین در سال 2010 بزرگترین ن شت ت صادفی نفتی در تاریخ صنعت نفت رخ داد. در اثر انفجار یک سکوی نفتی در جنوب آمریکا، 4,9 میلیون بشکه از چاه آسیب دیده وارد سواحل خلیج مکزیک شد. این وقایع، ضرورت مطالعه انتقال آلایندههای نفتی در آب را هر چه بیشتر نشان میدهد.
جریانهای با سطح آزاد، به خصوص در مناطق دریایی یا کانالهای موجدار به سبب نقش تجاری و اقتصادی خود، اهمیت هیدرولیکی خاصی دارند. شبیه سازی هیدرودینامیکی این مناطق به خاطر پیچیدگیهایی که در شرایط مرزی و سطح آزاد آنها وجود دارد، تا حدودی پیچیده می باشد. با وجود پیشرفتهای زیادی که در مدلسازی عددی سطوح آزاد آب به دست آمده است، همچنان دشواریهایی در شبیه سازی سطوح آزاد پیچیده یا اندرکنش سازه و آب وجود دارد. اخیرا روشهای لاگرانژی در زمینه مدل سازی سطح آزاد ب سیار مورد توجه قرار گرفتهاند. یکی از جدیدترین این رو شها، روش نیمه ضمنی ذره متحرک - MPS - است که اولین بار توسط Koshizuka and Oka - 1996 - معرفی شد.
در پژوهش حا ضر، مدلی عددی به منظور برر سی چگونگی انتقال و انت شار نفت در آب تو سعه داده شده ا ست. به همین منظور از نگرش لاگرانژی مبتنی بر درنظرگیری ذرات، که برای شبیه سازی مرزها و سطوح آزاد پیچیده مانند موج و همچنین محیطهای چند فازی ب سیار منا سب ا ست، ا ستفاده شده ا ست. در مدل حا ضر، از روش MPS که یکی از جدیدترین رو شهای شبیه سازی لاگرانژی بوده بهره گرفته شده است. در مدل عددی MPS توسعه داده شده، انواع اپراتورهای پیشرفته مدلسازی لاگرانژی به کار رفته و بهترین اپراتور جهت غلبه بر نو سانات ف شار انتخاب شده ا ست.
مدل عددی MPS به صورت چند فاز تو سعه داده شده و با درنظرگیری همزمان فازهای آب و نفت، برای برر سی نحوه انتقال آلاینده نفتی در محیط دریایی، به کار رفته ا ست. مدل حا ضر جهت مطالعه فرایندهای انتقال افقی نفت در آب و پراکندگی نفت روی سطح آب به کار رفته و توانایی مدل در تخمین نحوه پراکنش نفت در مواجه با جریان تایید گردیده است.
-2 فرایندهای نفت ریزشی در آبهای دریایی
در صورت ریزش آلایندههای نفتی روی سطح آب، نفت در سطح دریا پخش شده و به صورت یک لایه نازک روی سطح آب گسترش مییابد. حرکت اصلی این لایه ناشی از جریانهای دریایی و باد است. بر اثر تبخیر اجزای سبک نفت و انحلال اجزای قابل حل در آب، از ضخامت لایه نفتی کم میشود. امولسیون آب در نفت و پخش قطرات ریز نفت در عمق آب و نیز نشست ذرات سنگینتر در بستر دریا، همگی از فرایندهای دخیل در این پدیده هستند. در کنار آن، تغییرات کند فتوشیمیایی و بیولوژیکی نیز انجام میگیرد. در نتیجه نفت به سواحل وارد شده و خسارات زیست محیطی بر جای میگذارد.
انواع فرایندهای انتشار نفت ریزشی در آبهای دریایی به صورت شکل 1 در سه بخش انتقال، استهلاک و اندرکنش با ساحل دستهبندی شده است
تمرکز اصلی پژوهش حاضر بر انتقال افقی نفت ریزشی در دریا میباشد. انتقال افقی فرایندی فیزیکی شامل حرکت آهسته نفت روی سطح و زیر سطح آب میباشد. این فرایند مهمترین نقش را در تعیین موقعیت سطحی نفت داشته و ناشی از نیروی باد، جریان و امواج میباشد.
ساختار جریان آب بسیار پیچیده بوده و تحت تأثیر عمل متقابل باد، جریان، امواج، جزر و مد و انرژی آشفتگی است. اکثر مدلهای انتشار نفت از روش جمع آثار قوا برای بررسی حرکت لکه نفتی استفاده مینمایند. در این روش حرکت نفت از جمع بردارهای انتقال شامل جریان میانگین، جزر و مدها، باد، امواج و پراکندگی آشفتگی بدست میآید. اطلاعات مربوط به جریان و جزر و مد بوسیله مشاهدات یا مدلهای هیدرودینامیکی برای منطقه مورد نظر بدست میآید. بخش باد و امواج نیز معمولاً با روابط تجربی اعمال میشود. در رودخانهها میتوان پخش آلودگی را با سرعت جریان، عمق جریان و زبری بستر تخمین زد.
شکل :1 فرایندهای فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی نفت ریزشی در دریا
-1-2 انتقال افقی و انتشار آشفته
همانگونه که به اختصار شرح داده شد، به هنگام ریزش نفت در آب، این ماده به صورت یک لایه نازک روی سطح آب پخش میگردد. این لایه در اثر همراه شدن با جریانهای دریایی، امواج و باد حرکت میکند. حرکت افقی لکه نفتی یک روند فیزیکی نا شی از نیروی رانش باد، جریان و امواج ا ست و مهمترین فرایندی ا ست که در تعیین موقعیت لکه نفتی در هر مقطع زمانی نقش دارد.
ساختار جریان آب بسیار پیچیده و کاملاً سه بعدی بوده و تحت تأثیر عمل متقابل باد، جریان، امواج، جزر و مد و انرژی آشفتگی میباشد. اکثر مدلهای انتشار نفت در ادبیات فنی از تکنیک جمع آثار قوا برای بررسی حرکت لکه نفتی استفاده مینمایند. در این روش حرکت نفت از جمع بردارهای انتقال شامل جریان میانگین، جزر و مدها، باد، امواج و پراکندگی آ شفتگی بد ست میآید.
اطلاعات مربوط به جریان و جزر و مد بو سیله م شاهدات یا مدلهای هیدرودینامیکی برای منطقه مورد نظر بدست میآید. بخش باد و امواج نیز معمولاً با روابط تجربی اعمال میشود. در رودخانهها میتوان پخش آلودگی را با سرعت جریان، عمق جریان و زبری بستر تخمین زد. روابط و تئوریهای ارائه شده در ادبیات فنی جهت محاسبه انتقال افقی نفت ریزشی در دریا در جدول 1 خلاصه شده است.
جدول :1 تئوریهای ارائه شده در ادبیات فنی جهت محاسبه انتقال افقی نفت ریزشی در دریا
