بخشی از مقاله
معرفی نرم افزارهای انتشار آلاینده های خطرناک و نفتی در محیط آبی و بررسی قابلیت های هریک جهت بهره گیری در شرایط آب های کشور
چکیده
افزایش روز افزون فعالیت هایی چون عملیات های اکتشاف و جابجایی و ذخیره سازی نفت و فرآوردههای آن سبب افزایش خطر رویداد حوادث نشت این آلاینده به محیط های آبی کشور شده است. به منظور آمادگی برای مواجه با چنین حوادثی، آماده سازی برنامه های احتمالی نشتی نفت جهت استفاده از تکنیک های مختلف پاکسازی ناگزیر خواهد بود. یک جزء مهم از این طرح ها استفاده از مدل های ریاضی و نرم افزاری برای پیش بینی حرکت لکه نفتی و توزیع غلظت ذرات نفت در سطح و عمق ساختار آب و همچنین آب های ساحلی می باشد. در این پژوهش علاوه بر مروری بر حوادث بزرگ انتشار آلاینده های نفتی در محیط آبی و اثرات و سرنوشت این آلاینده ها، به معرفی جدیدترین و پرکاربردترین مدل ها و نرم افزارهای پیش بینی انتشار آلایندهها، بویژه آلاینده نفتی در محیط آبی، همچون GNOME، COSIM، SWPSM، Gulf Spill، MEDSLIK و .. پرداخته شده است.
.1 مقدمه
بسیاری از آلاینده های محیط های دریایی از جمله برخی ترکیبات نفتی، فلزات سنگین، مواد آلی تجزیه ناپذیر (POPs) و ... جز مواد سرطان زا دسته بندی می شوند. در سال های اخیر یک نگرانی رو به رشد درباره افزایش آلودگی موجود در آب و مناطق ساحلی مجاور ناشی از نشت نفت وجود داشته است. بعضی از فرایندها، مانند ترشحات صنعتی، اکتشاف نفت و حمل و نقل آن، تجهیزات ذخیره سازی نفت، و غیره، باعث افزایش خطر ابتلا به حوادث نشت نفت هستند. حادثه نشت نفت برای محیط اقیانوس و سلامت انسان بسیار مضر است. یک نشت نفت در ابعاد بزرگ و در ساحل، باعث آسیب طولانی مدت به محیط زیست آبزیان، شیلات و حیات وحش می شود. نشت نفت همچنین ممکن است امکانات بندر و کشتی ها را کثیف و آلوده کند. به منظور آماده سازی برای چنین حوادث، بسیاری از سازمان های دولتی جهان برنامه های احتمالی نشت نفت آماده کرده اند. یک جزء مهم از این طرح ها استفاده از مدل های ریاضی و نرم افزاری برای پیش بینی حرکت لکه نفتی و توزیع غلظت ذرات نفت در آب های ساحلی می باشد.
هیدروکربن های آروماتیک ناشی از نشت نفت جذب شده توسط موجودات دریایی می تواند از طریق زنجیره غذایی به بدن انسان منتقل شود. این امر باعث نگرانی جدی در مورد سلامت انسان می شود. هنگامی که حشره کش ها و مواد آلی پایدار به اکوسیستم دریایی وارد می شوند، به سرعت جذب شبکه های مواد غذایی دریایی می شوند. با ورود به شبکه های مواد غذایی، این آفت کش ها می توانند سبب جهش برخی موجودات، و همچنین به عنوان بیماری که می تواند به انسان ها و نیز کل شبکه غذایی ضرر وارد کند، شوند. فلزات سمی نیز می توانند به شبکه های مواد غذایی دریایی وارد شوند. این مواد قادرند سبب تغییر در بافت ماده ، بیوشیمی، رفتار، تولید مثل، علت و یا سبب توقف رشد در زندگی دریایی شوند. با توجه به صید آبزیان دریایی توسط انسان و حیوانات این سموم دریایی می توانند به زمین و به حیوانات منتقل شده ، و سلامت محیط زیست را به خطر اندازند. آسیب های همجواری با این آلودگی ها در مناطقی چون خور موسی (ماهشهر و بندر امام) که تمرکز واحدهای پتروشیمی در آن ها قرار دارد، بوضوح با بروز مشکلاتی چون تولد کودکان ناقص، مشهود است(مجله تخصصی، علمی بندر ودریا).
در این پژوهش سعی شده است پس از شناسایی و معرفی آلاینده های متصور در محیط های دریایی و اقیانوسی و منابع آنها، و مروری بر گزارشات حوادث شاخص در این زمینه، به معرفی نرم افزارهای موجود در زمینه مدلسازی انتشار این آلاینده ها در محیط های آبی ( دریا و اقیانوس) پرداخته شود.
.2 انواع آلاینده ها
بطور کلی آلاینده های دریاها و اقیانوس ها را در 11گروه مواد سمی(PCBs، فلزات سمی، آفت کش ها)، محرک های آلی ( مواد مغذی،فسفر و ...)، مواد نفتی، ایزوتوپ های رادیو اکتیو، رسوبات، زباله(پلاستیک ها و شیشه ها و ..)، آلودگی حرارتی، آلودگی صوتی، پاتوژن ها و عوامل بیماری زا و عوامل ناشناخته طبفه بندی نمود. منابع و اثرات هرکدام از این آلاینده ها بطور خلاصه در جدول شماره 1 نمایش داده شده است.
با توجه به شرایط منطقه خاورمیانه و تولید و انتقال روزانه حجم بسیار وسیعی از مواد نفتی در این منطقه، در این مطالعه به بررسی روش ها و حوادث ورود این نوع از آلودگی ها به محیط دریا پرداخته شده است.
.1,2 آلودگی ناشی از نشت مواد نفتی
انتشار مایعات نفتی هیدروکربنی به محیط زیست، به ویژه در نواحی دریایی، به دلیل فعالیت های انسانی صورت گرفته و یک شکل از آلودگی محیطی به شمار می رود. نشت نفت ممکن است با توجه به اخبار منتشر شده، از تانکرها، سکوهای دریایی، سکوهای حفاری و چاه ها، و همچنین نشت فرآورده های نفتی تصفیه شده مانند بنزین، گازوئیل و یا نشت هر گونه زباله روغنی یا روغن زائد باشد. ماده منتشر شده به ساختار بال و پر پرندگان و پوست پستانداران، نفوذ کرده و علاوه بر تأثیر شدید بر سلامت آن ها، مقاومتشان را در تغییرات درجه حرارت کاهش می دهند. پاکسازی و بازیابی پس از نشت نفت نیز دشوار است و به عوامل بسیاری، از جمله نوع نفت ریخته شده، دمای آب (مؤثر بر تبخیر و تجزیه بیولوژیکی)، و انواع سواحل بستگی داشته و پاکسازی آن ممکن است هفته ها به طول انجامد(.(NOAA نشت نفت در دریاها و اقیانوس ها عموما بسیار آسیب رسان تر از انتشار آن در خشکی است، چرا که آب می تواند تا صدها مایل ، یک لکه نفت را به صورت یک پوشش نازک از نفت گسترش دهد. در صورتی که در شرایط وقوع این پدیده در خشکی به سرعت می توان جلوی انتشار آن را گرفت. این امر می تواند سبب نابودی پرندگان دریایی، پستانداران، صدف ها و دیگر موجودات شود. نمونه هایی از بزرگترین سوانح در دنیا که منجر به انتشار مواد نفتی شده است در جدول شماره2 آورده شده است. علاوه بر سوانحی همچون خرابی لوله ها و کشتی های انتقال نفت، جنگ، بویژه در مناطق استراتژیکی مانند خاورمیانه می تواند یکی از عوامل مهم این انتشار و در نتیجه رویارویی با پیامدهای انسانی و زیست محیطی آن باشد که جنگ اسراییل و لبنان در سال 2006 که منجر به تخلیه ی 10هزار تن ماده نفتی به ساحل لبنان و پیدایش لکه ی نفتی به وسعت 80 کیلو متر مربع شد از جمله این موارد است. (NOAA)
.2,1 سرنوشت نفت تخلیه شده در محیط دریایی
هنگامی که نفت در دریا تخلیه می شود، دچار تغییرات فیزیکی و شیمیایی می شود، که بعضی از آنها منجر به از بین رفتن آن از سطح دریا می شود، در حالی که برخی علل دیگر سبب دوام و باقی بماندن آن می گردد. اگر چه نفت تخلیه شده در نهایت جذب محیط زیست دریایی می شود، ولی زمان آن بستگی به عواملی از قبیل میزان نفت تخلیه شده، ویژگی های فیزیکی و شیمیایی اولیه آن، شرایط آب و هوایی و دریایی حاکم دارد. فهم این فرآیند و چگونگی تغییر ماهیت، ترکیب و رفتار نفت با گذشت زمان، از موضوعات اساسی از جنبه اتخاذ پاسخ مناسب به حوادث نشت نفت است. این امر، به عنوان مثال، ممکن است منجر به پیش بینی این که نفت به منابع آسیب پذیر (به علت تجزیه طبیعی) نمی رسد، شود و از پاکسازی غیر ضروری جلوگیری شود. هنگامی که یک واکنش سریع و عملی مورد نیاز است، نوع نفت و رفتار احتمالی آن و سرنوشت آن، ما را در انتخاب گزینه های موثرتر کمک خواهد کرد( ; ITOPF .( Guo,2009
.1,2,2 فرایند هوازدگی
تغییرات فیزیکی و شیمیایی نفت تخلیه شده به طور کلی تحت عنوان "هوا زدگی" شناخته می شود. اگرچه فرآیندهای مختلف که باعث این تغییرات می شوند به طور همزمان عمل می کنند، ولی اهمیت نسبی آنها با گذشت زمان تغییر میکند. این فرایندها رفتار نفت و سرنوشت نهایی آن را تحت تاثیر قرار می دهند. این مراحل در شکل 1 برای نشت نفت خام معمولی تحت شرایط معمولی دریا نشان داده شده است((Guo,2009
.1,1,2,2 پخش شدگی به محض این که نفت تخلیه شد ، شروع به گسترش در سطح دریا می کند. سرعت آن تا حد زیادی به ویسکوزیته نفت و حجم تخلیه
شده، بستگی دارد. نفت مایع، با ویسکوزیته پایین با سرعت بیشتری گسترش می یابد. نمونه های بسیاری از پخش شدگی لکه نفت در بیش از چند کیلومتر مربع ظرف فقط چند ساعت و پخش شدگی در بیش از چند صد کیلومتر مربع در عرض چند روز وجود دارد، بنابراین امکان پاک کردن موثر به طور جدی محدود می شود((ITOPF ; Guo,2009
.2,1,2,2 تبخیر
بیشتر اجزای فرار نفت تبخیر شده و به اتمسفر وارد می شوند. میزان تبخیر به دمای محیط و سرعت باد بستگی دارد. به طور کلی، آن
دسته از اجزا نفت با نقطه جوش کمتر از C 200 در ظرف مدت 24 ساعت در شرایط معتدل تبخیر می شوند. با بیشتر شدن نسبت اجزای با نقاط جوش پایین، میزان تبخیر بیشتر می شود. نرخ اولیه گسترش نفت تبخیر را تحت تاثیر قرار می دهد زیرا با بیشتر بودن سطح لکه، اجزای آن سریعتر تبخیر می شوند. دریاهای پرتلاطم، سرعت باد بالا و درجه حرارت بالا نیز میزان تبخیر را افزایش می دهند. نفت باقی مانده پس از تبخیر، دارای چگالی و ویسکوزیته بالاتری می باشد، که فرآیندهای هوازدگی بعدی و اثر تکنیک های پاکسازی را تحت تاثیر قرار میدهد. هنگامی که اجزای نفتی فرار به مقدار زیاد در مناطق محدود تخلیه شده است، خطر آتش سوزی و انفجار وجود دارد.
.3,1,2,2 پراکندگی امواج و تلاطم
در سطح دریا می تواند باعث شکستن لکه نفتی به قطرات در اندازه های مختلف گردد که در لایه های فوقانی ستون آب به صورت مخلوط در می آیند. در حالی که برخی از قطرات کوچک تر ممکن است معلق باقی بمانند، احتمال دارد قطرات بزرگتر به سطح برگردند، و با پیوستن به دیگر قطرات فیلمی از نفت را دوباره تشکیل دهند. قطره هایی که به اندازه کافی کوچک هستند، در سیستم حرکت متلاطم دریا معلق باقی می مانند، و مخلوطی از نفت در حجم بیشتری از آب دریا به وجود می آورند، که باعث کاهش غلظت نفت می شود.
.4,1,2,2 انحلال انحلال،
یک عامل بسیار مهم در مطالعات پخش لکه نفت است. اکثر اجزای یک حلال نفتمعمولاًسمی هستن د(سرحدی زاده و حجازی .(1389 سرعت و وسعتی که نفت می تواند حل شود، بستگی به ترکیبات آن، گستردگی، درجه حرارت آب، میزان تلاطم و درجه پراکندگی آن دارد. اجزای سنگین نفت خام عملا غیر قابل حل در آب دریا هستند در حالی که ترکیبات سبک تر، به ویژه هیدروکربن های آروماتیک مانند بنزن و تولوئن، کمی محلول هستند. با این حال، این ترکیبات فرار هستند و بسیار سریع تبخیر می شوند، به طور معمول 10 تا 1000 برابر سریع تر از طریق انحلال از دست داده می شوند. غلظت هیدروکربن های محلول در آب دریا در نتیجه به ندرت از ppm 1 تجاوز می کند و انحلال سهم قابل توجهی در حذف نفت از سطح دریا ندارد(.(ITOPF; Guo,2009
.5,1,2,2 امولسیون سازی
در دریاهای پرتلاطم، اکثر نفت ها به شکل قطرات درآمده و تحت شرایط آشفته امواج در سطح دریا تشکیل امولسیون نفت در آب می
دهند. این امر می تواند حجم آلاینده را تا چهار برابر افزایش دهد. تشکیل امولسیون به آسانی در نفت هایی که دارای ترکیب غلظت نیکل / وانادیوم بیشتر از 15 پی پی ام و یا محتوای آسفالتینها در بیش از 0,5٪ هستند، بیشتر معمول است. امولسیون پایدار ممکن است دارای 70 تا 80 درصد آب باشد و اغلب نیمه جامد و قرمز / قهوه ای، نارنجی یا زرد رنگ باشد. این امولسیون ها بسیار با دوام بوده و ممکن است به طور نامحدود باقی بمانند.
.6,1,2,2 اکسیداسیون
هیدروکربن ها می توانند با اکسیژن واکنش دهند، که ممکن است منجر به تشکیل محصولاتی قابل حل در آب و یا قیر بادوام شود.
اکسیداسیون با نور خورشید افزایش می یابد و با وجود آن که با وجود یک لکه نفتی رخ می دهد، به طور کلی اثر آن بر از بین رفتن لکه نفتی در مقایسه با دیگر فرآیندهای هوازدگی جزئی می باشد. حتی در زیر نور شدید خورشید، فیلم های نازک نفت تنها به آرامی، و معمولا کمتر از 0,1٪ در هر روز شکسته می شوند.
.7,1,2,2 اندرکنش
رسوبات و نفت مقدار کمی از نفت باقی مانده که دارای وزن مخصوص بیشتر از آب دریا (بیش از (1,025 می باشند، به عمق آب سقوط می کنند.
بیشتر نفت های خام و سوختی دارای وزن مخصوص به اندازه کافی پایین برای شناور ماندن در سطح آب هستند، مگر آنها به رسوبات متراکم تر یا ذرات آلی بچسبند و ته نشین گردند. قطرات نفت پراکنده شده می توانند با ذرات معلق در ستون آب اندرکنش داشته باشند، در نتیجه سنگین تر شده و غرق شوند. با این حال، چسبندگی به ذرات سنگین تر در اغلب موارد زمانی که قطرات نفتی به ساحل رسیده باشند، بیشتر رخ می دهد. چرخش فصلی ایجاد رسوب ممکن است باعث شود لایه های نفت به صورت پی در پی به خاک سپرده شده و پوشیده شوند. اگر نفت به رسوبات ریز دانه چسبیده باشد، به احتمال زیاد می تواند برای یک زمان قابل توجه باقی بماند.
.8,1,2,2 تجزیه بیولوژیکی
آب دریا حاوی طیف وسیعی از میکروارگانیسم ها دریایی است که قادر به تجزیه ترکیبات نفت می باشد مانند: باکتری ها، کپک ها،
مخمرها، قارچ ها، جلبک تک سلولی و تک یاخته که می توانند از نفت به عنوان منبع کربن و انرژی استفاده کنند. این چنین موجودات زنده به طور گسترده در سراسر اقیانوس های جهان پخش شده اند. عوامل اصلی موثر در سرعت و میزان تجزیه بیولوژیکی عبارتند از: ویژگی های نفت، در دسترس بودن اکسیژن و مواد مغذی (عمدتا ترکیبات ازت و فسفر) و درجه حرارت. هر نوع از میکروارگانیسم های درگیر در این فرآیند، تمایل به تجزیه یک گروه خاص از هیدروکربن ها را دارند و در نتیجه طیف وسیعی از میکروارگانیسم ها، با هم یا به صورت پی در پی ، برای تخریب این مواد مورد نیاز می باشند.
.3 مدل ها و نرم افزار های آلاینده های نفتی
پخش آلاینده های نفتی در محیط های آبی از معضلات بشر امروزی است. امعمولاً،نتقال و پخش لکه نفتی در محیط های آبی به دلیل فرایندهای شیمیایی، فیزیکی و زیست شناسی است که خود وابسته به خصوصیات نفت، هیدرودینامیک، هواشناسی و شرایط زیست محیطی می باشد. این فرایندها شامل انتقال، پراکندگی، تبخیر، و ... می باشند. زمانی که نفت در سطح آب پخش می شود، گسترده شده و لایه نفتی را تشکیل می دهد. پخش و انتقال لایه نفتی به دلیل جریان، امواج و اثر باد می باشد(عزیزی قناد.(1389 رشد اقتصادی سریع باعث افزایشنسبتاًزیادی در مصرف نفت در دهه های اخیر گشته است. حجم زیادی از نفت هنگام برخورد نفت کش ها با موانع و یا غرق شدن آنها در آبها رها می شود. لکه های نفتی حاصل از رفت و آمد کشتی های نفت کش، حفاری چاههای نفتی و فعالیت های مشابه به دلیل رشد روزافزون نفت و محصولات آن افزایش می یابد. (W.J. Guo,2009)
یکی از روشهایی که می تواند در پیش بینی حرکت لکه نفتی و پاکسازی آن کمک شایانی کند، مدلسازی عددی است. حوادث نفتی در دریا در سالهای اخیر محققان را بر آن داشت تا مدلهای متنوعی را برای پیش بینی چگونگی انتقال و پخش لکه نفتی ارایه دهند که هر یک از آنها به نوبه خود دارای نقاط ضعف و قوت بودند. از مشهورترین مدل ها می توان به مدل ارائه شده توسط Fay در سال 1969، مدل Lehr و همکاران در سال 1984، مدل Delvigne در سال 1994، مدل Oilpol توسط Alrabeh در سال 1999 و مدل ارائه شده توسط Fignas در سال 2003 اشاره نمود. در دو، سه دهه گذشته، بسیاری از پژوهشگران انتقال و فرآیندهای سرنوشت نشت نفت را بر اساس روش مسیر و روش تعادل جرم، و مدل های مختلف نفتی نشت، مورد مطالعه قرار داده اند از جمله : مک کی و همکاران، 1980؛ هوانگ، 1983؛ Yapa و همکاران، 1994؛Spaulding در 1995، ASCE، ، 1996، لی و مید، ).1999 W.J. Guo et al 2009 و .(M.Reed et al 1998 برخی از نویسندگان به تجزیه و تحلیل خط سیر لکه نفتی در محیط زیست دریایی پرداخته اند مانند(GENOM; NOAA,2002; W.J.Lehr & D. Simecek-Beatty2001; D.P Hoult1979 ( SLROSS ; برخی دیگر فرآیندهای فیزیکی، بیولوژیکی و شیمیایی لکه نفتی تمرکز کردند و تلاشهایی برای مدل کردن انتقال و سرنوشت آن در جهت تعیین اثرات زیست محیطی انجام داده اند R.Overstreet,1995;P.Daniel,1997;R.Chebbi,2000) . ( SIMAP; C.C.Giarrusso,2001; اما مطالعات اندکی در مورد تخمین غلظت نفت موجود و فرایندهای مستهلک کننده در زیر سطح آب انجام گرفته است(عزیزی قناد.(1389 امروزه راههای ساده شده دهه های 1970 و 1980 هنوز هم در مدل سازی ریزش نفت معمول است . اولین و متداول ترین مدل برای محاسبه سطح لکه نفتی در سال 1969 از رابطه فی((Fay, J.A., 1971 مشتق شده بود که از معادلات ناویر - استوکس میانگین گیری شده در لایه استفاده می کرد . با این وجود روش ساده شده فی، پارامترهای اصلی نفت و ستون آب را در بر نداشت. تکالیچ و چآو در سال 2001 ، نتایج مشابهی با استفاده از روش اولری به دست آوردند. تکالیچ و چان در سال 2002 نظریه نیروهای غالب که بر شکل قطره و توزیع قائم تأثیر می گذارد را ارائه کرده اند که یک مدل حرکتی اختلاط قائم قطره نفت در اثر شکست موج را توسعه می دهد. مدل چند فازی ریزش نفت ، به محاسبه پدیده های اصلی رفتار نفت در محیط زیست دریاها و به ویژه در خلیج سنگاپور پرداخته است. پریانز در سال 2007 یک مدل عددی ارائه داده است که در آن از روش تعقیب ذره استفاده شده است. از این مدل در تنگه گیبرالتار (حد فاصل اسپانیا و مراکش) برای شبیه سازی استفاده شده است. همچنین یانگ و همکاران در سال 2008 یک مدل عددی را توسعه داده اند که در آن از تکنیک گام تصادفی به روش اولری-لاگرانژی استفاده شده است(سرحدی زاده و حجازی .(1389
مکان افقی یک لکه نفتی تحت تاثیر عوامل مختلف می باشد:
فرارفت ناشی از باد و جریان، دیفیوژن آشفته و پخش مکانیکی ناشی از هر دو جنبه جاذبه، اینرسی، چسبناک، و نیروهای کشش سطحی. مدل فرارفت – انتشار (ادوکشن- دیفیوژن) به طور معمول برای توضیح انتقال نفت در آب دریا استفاده می شود. معادله فرارفت – انتشار ( ادوکشن-دیفیوژن) بر دو فرض عمده استوار است: یکی این که بسته نفتی با جسم آب اطراف آن حرکت می کند، و
