نوع مقاله : مقاله پژوهشی
نویسندگان
1 کارشناس ارشد فیزیک دریا، دانشگاه هرمزگان
2 دانشگاه اصفهان
3 دانشگاه هرمزگان
چکیده
کلیدواژه‌ها
عنوان مقاله [English]
نویسندگان [English]
Introduction
Persian Gulf for having the world's major oil and gas fields exposed to contaminants such as oil pollution and the pollutants are associated with them. In this study the distribution of pollution in various conditions is simulated by a hydrodynamic model to determine the behavior of the oil pollutants spill into the sea and the effect of the physical processes such as wind, heat fluxes and wind stress on the distribution of these contaminants. The COHERENS model was used to simulate the oil pollutants distribution which coupled with biological and contaminant modules and has the ability to solve transport equation using sigma coordinate in the vertical direction and Cartesian coordinate in horizontal.
The Persian Gulf ecosystem is facing a variety of stresses due to its location within the richest oil province in the world that hosts more than 67% of the world oil reserve. In recent years, researchers have studied the pollution diffusion in the Persian Gulf using different approaches, but nobody have done a complete work in the Persian Gulf that contain both oil pollution modelling, and the effect of physical processes on it. There is no published research about the effect of wind forces and heat fluxes on oil pollution distribution in the Persian Gulf.
In fact the main idea of this study is to notify the role of wind, heat fluxes and wind stress in oil pollution diffusion which accomplished by set up an Eulerian model, i.e. COHERENS.
Materials and methods
COHERENS is a three-dimensional, multi-purpose numerical model for coastal and shelf seas. The hydrodynamic model is coupled with biological, re-suspension and contaminant models, and resolves mesoscale to seasonal processes. The code has been developed over the period 1990 to 1998 by a multinational group as part of the MAST projects. The numerical model calculates in Cartesian coordinates, with the vertical axis representing sigma coordinates, the horizontal axis representing Arakawa C grid.
The model domain includes the Persian Gulf with one open boundary in the Gulf of Oman, covering the area of 47°–58° E; 24°–31°N, five sigma layers are used in the vertical direction. As the input data, the meteorological parameters (wind components at 10 meters above ground, air temperature relative humidity, cloud cover and precipitation) are needed. All these data were derived from the National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) and applied in the model as monthly mean values.
The model equations are derived with the following assumptions:
The Boussinesq approximation is applied which means that the density is constant except for the Earth’s gravity force.
The vertical component of the momentum equations reduces to the hydrostatic balance between the vertical pressure gradient and the gravity force.
The horizontal component of the Earth’s rotation vector is set to zero. The assumption becomes invalid for non-hydrostatic water masses or near the equator.
The equations for the three-dimensional mode consist of the momentum equations, the continuity equation and the equations of temperature and salinity.
Results and discussion
The winter winds are predominantly from northwest, along the axis of the Gulf basin. During summer the northwesterly winds of the Gulf are affected by the cooler winds of the southwest monsoon.
Changes in energy stored in the upper ocean are the results of an imbalance between input and output of heat through the sea surface. The heat transfer across or through a surface is called a heat flux.
The wind stress is the shear stress exerted by the wind on the surface of large bodies of water such as oceans or seas—in other words, it is the vertical transfer of horizontal momentum from the atmosphere to the ocean.
Model results show that oil spill in the northern Persian Gulf moves toward the northern Persian Gulf and Bushehr coast along the Iranian coast. Afterwards, due to the counterclockwise currents of that region it moves toward southwest of Gulf along the Arabian coast. The results of simulation indicate that the wind speed and its effect on heat fluxes component is the main reason how the oil pollution is distributed. The results of numerical simulation are in good agreement with what has been observed regarding oil pollution distribution and its circulation patterns in the region.
Conclusion
The influence of forces of wind, heat flux, and wind stress on oil pollution distribution was studied separately. The effect of wind on the distribution of oil pollution is more significant than the heat fluxes and the wind stress. The results of numerical simulation show that the wind stress mainly affects surface diffusion of oil pollution. In summary, the wind speed and its effect on heat flux component are the main factors influencing the distribution of oil pollution.
کلیدواژه‌ها [English]
مقدمه
اکوسیستم خلیج فارس امروزه به خاطر واقع شدن در غنیترین منطقه نفتخیز در جهان که بیش از 67 درصد ذخایر نفت را دارا میباشد، در برابر طیف گستردهای از تنشها قرار گرفته است. فعالیتهای مرتبط با نفت که گسترده شده از اکتشافات نفتی تا صادرات محصولات نفتی یک گستره عریضی از تاثیرات مضر را منتج می‌شود، که موجب صدمات ویژهای به مولفههای اکوسیستمی از قبیل ساحلهای مرجانی، پوششهای خزهای و دیگر زیستگاهها میگردد. با در نظر گرفتن اثرات مضر ورود این آلودگی به دریاها و ایجاد لکههایی بر سطح دریا و اجتناب ناپذیر بودن این پیامد، پژوهشهای متعددی در زمینۀ شبیهسازی فرآیند انتشار و پخش آلودگیهای نفتی انجام شده است. بسیاری دیگر از فعالیتهای بشری در دریا و ساحل اصلیترین آلودگیهای دریایی را در خلیج فارس متحمل میکند که نیاز به تحقیقات و ارزیابیهای حساستری دارد. به همین خاطر، داشتن مدلی که توانایی آن را داشته باشد که در صورت نشت نفت و مواد آلاینده به دریای حوزۀ مورد بررسی، مسیر حرکت آلاینده و نحوه پخش و همچنین تأثیر فرآیندهای فیزیکی از قبیل: باد، شارهای گرما و جزرومد را بر انتقال و پخش آنها پیش‌بینی کند، امری ضروری است. در زمینه شبیهسازی انتقال و پخش آلایندههای نفتی و تأثیر فرآیندهای فیزیکی بر آن در خلیج فارس، تحقیقات بسیار کمی انجام شده است. در زمینه بررسی اثر نیروهای باد و شارهای گرمایی بر نحوه انتشار آلودگیهای نفتی در خلیج فارس هیچ موردی ثبت نشده است. در سه دهه اخیر، محققان زیادی انتقال و پخش آلودگیهای نفتی را بر اساس روش ردیابی (خط سیر) مطالعه کردهاند (Mackay et al. , 1980; Huang, 1983; Shen et al., 1986; Shen and Yapa, 1988; Lonin, 1999) ، از میان این مدلهای انتشار نفت، بسیاری از آنها بر حرکت سطحی لکه نفتی متمرکز شدهاند. تحقیقات انجام شده کمی در مورد توزیع قائم ذرات نفت وجود دارد. در این تحقیق از یک الگوریتم اویلری برای شبیهسازی انتقال و پخش لکه نفتی استفاده میگردد. مدلهای قدیمی انتقال لکه نفتی مجبور به توصیف توزیع صفحات افقی بودند در حالیکه جابجایی قائم ذرات بر اساس روشهای شناوری و حرکت تصادفی[1] محاسبه میشوند. با استفاده از نتایج شبیهسازی مدل میتوان نحوه انتقال و پخش آلودگیهای نفتی را در حوزه مورد مطالعه، پیش‌بینی کرد و همچنین با روشهای یکتایی میتوان تأثیر فرآیندهای فیزیکی از قبیل؛ باد، شارهای گرما، تنش باد و جزرومد را بر انتقال و پخش آلودگیهای نفتی به دست آورد. در واقع هدف اساسی از انجام این تحقیق، توجه به نقش فرآیندهای فیزیکی چون باد و شارهای گرما بر انتقال و پخش آلودگیها است، که توسط تنظیم کردن مدل کوهرنس با دیدگاه اویلری امکان پذیر میباشد. تحقیقات انجام شده در این زمینه همگی تأثیرات مجموع نیروهای موثر بر انتقال آلودگی نفتی را بررسی کرده بودند ولی در این تحقیق علاوه بر نشان دادن اثرات همۀ نیروهای ذکر شده بر پخش آلودگیها، تأثیر تکتک این نیروها را بر انتقال و پخش آلایندهها نیز بررسی شدهاست. درک نحوه پخش آلودگیها از مهمترین امور در بحث محیط زیست دریایی میباشد که در پی آن عملیات پاکسازی و پیشگیرانه قابل اجرا خواهد بود.
مواد و روش ها
یک امر اساسی و بنیادی در شناسایی و تعیین آلودگی رخ داده در هر محیط دریایی، تعیین حالت انتقال و پخش آن تحت شرایط مختلف محیط زیستی است، که معمولاً توسط مدلهای عددی مشکل و پیچیده برای انواع مختلف آلودگیها انجام میگیرد. مدلهای عددی بهصورت گستردهای به عنوان یک مولفه مهم در برنامهریزیهای احتمالی و مدیریت سواحل مورد استفاده قرار میگیرند. این چنین مدلهایی بهعنوان یک ابزار پیش‌بینی بدون وقفه زمانی در مورد نشتهای اتفاقی نفت عمل میکنند.
در دسترس بودن یک مدل تحلیلی عددی انتشار نفتی قابلباور برای خلیج فارس، برای کمک به پیش‌بینی حرکت و جابجایی لکه نفتی به خاطر محفوظ نگهداشتن منابع ساحلی منطقه یک سنگبنا به حساب میآید. به عبارت دیگر، این چنین مدلهای کالیبره شدهای معمولاً یک سکو برای تحقیقات در زمینه پیشبینیهای گستردهتر در مورد نشتهای نفتی و فعال کردن ارزیابیهای قابلباورتر، که بر منابع طبیعی و دستساز منطقه خلیج فارس اثر می گذارد، را فراهم میکنند.
ارزش افزوده به فرآیند پخش آلودگی نفتی از طریق باد و جریانات همدیدی به عنوان ورودی برای مدلهای انتشار نفت تعین می‌شود.. بعد از بهدست آمدن بادها و جریانات با قدرت تفکیک بالا، برای پیش‌بینی و شبیهسازی حرکت لکه نفتی مدول انتقال بهکار گرفته می‌شود. برای این منظور از مدل کوهرنس استفاده می‌شود. در این مطالعه شرایط جوی سطحی، مخصوصاً بادها و جریانات اقیانوسی، برای تمام منطقه خلیج فارس که شامل تنگه هرمز نیز می باشد توسط مدل شبیهسازی شده است. سپس خروجیهای مدل برای پیش‌بینی و محاسبات حرکت لکه نفتی مورد تحلیل و ارزیابی قرار میگیرند.
معرفی مدل
کوهرنس (COHERENS)[2] یک مدل سه بعدی، هیدرودینامیکی، و چند منظوره است که برای نواحی ساحلی و فلات قارهای دریایی طراحی شده و به خاطر همراه شدن و جفت شدن با مدولهایی که فرآیندهای فیزیکی و بیولوژیکی، انتقال رسوبات و آلودگیها را شبیهسازی میکنند، مدل کامل و یکپارچهایست. این برنامه طی سالهای 1990 تا 1998 توسط یک گروه اروپایی چند ملیتی طراحی و تدوین شد و اولین بار به منظور مدلسازی دریای شمال و نواحی ساحلی طبقهبندی شده بهکار گرفته شد. مزیت این مدل آسانی بهکار بردن متغیرهای مختلف در مقایسه با مدلهای پیچیدهتر میباشد (Luyten et al, 1999) . از دیگر مزایای مهم این مدل، شفافیت مربوط به ساختار پیمانهای[3] آن و همچنین انعطافپذیری آن به خاطر امکان انتخاب فرآیندهای مختلف، طرحوارههای خاص و روشهای مختلف حل عددی معادلات برای یک مورد خاص میباشد.
معادلاتهیدرودینامیکی اصلی
برنامه فرمولبندی معادلات مدل را هم در سیستم مختصات کارتزین و هم کروی مجاز میداند. در سیستم مختصات کارتزین از تخمین استفاده می‌شود که در آن فرکانس کوریولیس ثابت است در غیر این صورت عرض جغرافیایی به فرکانس کوریولیس وابسته می‌شود و باید از مختصات کروی استفاده شود. بخش هیدرودینامیک مدل فرمولهای پایه زیر را مورد استفاده قرار میدهد، معادلات اندازه حرکت که از تخمین بوسینیسک و فرضیات تعادل هیدرواستاتیک قائم استفاده میکند، معادله پیوستگی و معادلات دما و شوری، که معادلات تکانه و پیوستگی به صورت عددی حل میشوند. معادلات پیوستگی، اندازه حرکت افقی، تعادل هیدروستاتیک، دما و شوری در مختصات سیگما به ترتیب، به صورت زیر میباشد (Luyten et al, 1999):
(1)
(2)
(3)
که بیانگر نسبت یک واحد طول فیزیکی به یک واحد طول در فضای تبدیل یافته است، بیانگر سه جهت در مختصات سیگما میباشند. مولفههای جریان هستند. دما را نشان میدهد، شوری، فرکانس کوریولیس، شتاب جاذبه، فشار جو در سطح، مولفههای گرادیان فشار باروکلونیک، و چسبندگی قائم ادی و ضریب پخش، ضریب پخش افقی برای شوری و دما، یک چگالی مرجع، گرمای ویژه آب دریا، تابندگی خورشید، مولفههای افقی تانسور تنش، فشار باروکلونیک و شناوری میباشد. در انتقال اویلری، مدل یک سری از معادلات انتقال را برای تعدادی از توزیعات آلودگی به شکل زیر حل میکند:
(7)
توزیعات اولیه توسط کاربر تعریف میگردد و معادله ذکر شده در بالا با شرایط مرزی زیر حل میگردد (1-8) و (1-9).
دادههای ورودی
ریزش فرضی توسط یک نشت اتفاقی در حدود 950 تن در حوالی میدان نفتی نوروز (به دلیل پتانسیل بالای نشت نفت در آن منطقه) هدایت می‌شود، نشت تنظیم شده برای آخرین ساعت ریزش و مسیر ذره دنبال می‌شود. دمای آب بر اساس میانگین ماهیانه دما در منطقه مورد نظر تنظیم شده است. مثلاً برای دوره زمستان 1 دسامبر تا 1 مارس، دما در 22 تنظیم شده است. نوع نفت مورد استفاده، نفت خام ایران بوده است، دلیل استفاده از این نوع خاص نفت، مشاهده آن به عنوان نمایندهای از نفت یافت شده در منطقه مورد مطالعه بوده است. در این مطالعه ما از 5 لایه سیگما در جهت قائم و فضای شبکهای کارتزین با (از سمت شرق به غرب) و (از سمت شمال به جنوب) استفاده کردهایم. عمقسنجی وموقعیت خطوط ساحلی استفاده شده در این مدل بر حسب داده های ETOPO-2 هستند که در یک شبکه 2 دقیقهای پردازش شدهاند. برای شبیهسازی حرکت آلایندههای نفتی در ابتدا باید شارهای اندازه حرکت، دما و شوری محاسبه شوند و سپس معادله اولیه انتقال آلودگی محاسبه گردد. برای محاسبه شارهای اندازه حرکت و دما و شوری پارامترهای هواشناسی از قبیل؛ مولفههای باد در 10 متر بالاتر از سطح دریا، دمای هوا، رطوبت نسبی، پوشش ابر و بارندگی، که به صورت میانگین ماهیانه مورد استفاده قرار میگیرند، که همه این دادهها از مرکز ثبت ملی اقیانوسشناسی (NOAA) تهیه گردیده است. اجرای مدل از ماه دسامبر، ابتدای فصل زمستان بوده که به علت یکنواخت بودن میزان شوری و دما با مقادیر به ترتیب psu 38 و19 درجه سانتیگراد لایهبندی ضعیفی را در سرتاسر خلیج فارس داریم و آب دریا کاملاً آمیخته است.
بحث و نتایج
بنابر تعریف، مدل دارای یک خروجی سه بعدی و یک خروجی دو بعدی است که خروجی سه بعدی شامل پارامترهای برداری سرعت در جهت و سرعت عمودی ، و پارامترهای اسکالر دما، شوری و آلودگی میباشد، در حالیکه خروجی دو بعدی شامل پارامترهای برداری سرعت در جهت و جابجایی افقی، عمودی و پارامترهای اسکالر دما و شوری میباشد. پس از اجرای مدل در شرایط متفاوت خروجیهای مدل هیدرودینامیکی سه بعدی که به صورت انبوهی از کمیتهای عددی میباشند را توسط نرم افزارهای مربوط (فررت) به صورت نمودارهای گرافیکی تبدیل شده، منحنیهای مربوط ترسیم و مورد بررسی و تحلیل قرار گرفته است.
شبیه سازی انتقال و توزیع آلودگی نفتی
در این بخش مدل را با در نظر گرفتن تمامی نیروهای اعمال شده در مدل، اجرا و اجرای شماره 1 نامگذاری میکنیم. موقعیت آلودگی رها شده در روز اول پس از رهاسازی مطابق شکل 1 میباشد.
شکل1: موقعیت اولیه آلودگی در روز اول نشت در سطح در ابتدای ماه دسامبر و در مختصات جغرافیایی
نتایج حاصل از اجرای مدل برای محاسبه نحوه پخش آلودگی در سطح دریا، بصورت میانگین فصلی در فصول پس از رهاسازی در شکل 2 نشان داده شده است. جریانهای سطحی زمستانی از نظر فضایی و زمانی بسیار ناپایدار هستند، این نشاندهنده حضور فرایندهای ناپایدار باروکلینیکی در فصل زمستان است (Kampf and Sadrinasab, 2006) . به دلیل ناپایداریهای استاتیکی در فصل زمستان و آمیخته بودن آب دریا همانطور که خروجیهای مدل نشان میدهد جریانات سطحی آب دریا در فصل زمستان (Dec-Feb) کاملاً متغییر میباشند.
|
بهار |
|
زمستان |
|
پائیز |
|
تابستان |
شکل2: نحوه توزیع آلودگی و الگوی گردش شبیهسازی شده در اجرای مدل با اعمال تمامی نیروها (اجرای شماره1) در سطح در فصول پس ازرهاسازی آلودگی(Dec-Nov)
همچنین در این فصل (زمستان) ما با کاهش شدید غلظت آلایندهها به دلیل افزایش میزان تبخیر در این فصل و انحلال صورت گرفته میباشد، مواجه هستیم که این نتیجه با با نتایج پریوت (1959) که بیشینه میزان تبخیر را در ماه دسامبر و 44/1 متر درسال برآورد کرده است توافق خوبی دارد (Privett, 1959). خروجیهای مدل همچنین نشان میدهد که در اوایل فصل زمستان ، رژیم گردشی پادساعتگرد در خلیج فارس از لحاظ دینامیکی ناپایدار شده و تبدیل به جریانهای گردابی میگردد و به همین خاطر آب شیرین ورودی از دریای عمان نمیتواند به قسمتهای شمالغربی خلیج فارس برسد و الگوی گردش خلیجفارس را کامل کند و در نزدیکی سواحل بوشهر متمایل به سمت غرب می‌شود که این نتایج با نتایج مطالعات رینولدز و هانتر در توافق است (Reynolds, 1993) و (Hunter, 1983). با آغاز فصل بهار (Mar-May) بخشی از جریان ورودی آب شیرین از دریای عمان شروع به حرکت به سمت شمالغربی خلیج فارس کرده و همانطور که مشاهده می‌شود این جریان به بخش شمالی و شمالغربی خلیج فارس میرسد و منجر به انتقال آلودگی به سواحل بوشهر میگردد.
در فصل تابستان (Jun-Aug) ، بخشی از جریان ورودی از خلیج عمان، به دلیل کم قدرت بودن تنش باد شمال در تابستان به انتهای شمالغربی خلیج فارس نفوذ پیدا کرده و چرخش پادساعتگرد خود را کامل میکند که این با نتایج رینولدز (1993) و هانتر (1983) در توافق است و با آغاز فصل پاییز (Sep-Nov) از سرعت جریانها کاسته شده و آب ورودی خلیج عمان با سرعت کمتری به قسمت شمالغربی خلیج فارس میرسد و همانطور که مشاهده می‌شود جریان راکد و چرخشی در قسمت مرکزی شمال خلیجفارس دیده می‌شود، که این نتایج با مشاهدات میدانی همخوانی دارد (Reynolds, 1993) .
همانطور که شکل 3 نشان میدهد نتایج شبیهسازی مدل در مورد انتقال در بخش شمالی خلیج فارس با مشاهدات رینولدز (1993) که در آن رفتار بویههای شناور را در قبال جریانهای سطحی موجود در خلیج فارس ارائه میدهد همخوانی خوبی دارد. رینولدز همچنین بیان کرده که رفتاری مشابه بویههای شناور را برای نشت آلودگی نفتی انتظار داریم (Reynolds, 1993) .
شکل3: شمایی از مسیر بویههای شناور در خلیج فارس (Reynolds, 1993)
برای به دست آوردن نقش فرآیندهای فیزیکی ذکر شده (باد، شارهای گرمایی و تنش باد) در انتقال و پخش آلایندههای نفتی در این مطالعه از روشی نوین استفاده شده است. همانطور که ذکر شد، در ابتدا مدل با اعمال تمامی نیروهای موثر اجرا شده است (اجرای شماره 1) ، سپس با حذف تک تک نیروها از بین نیروهای اعمال شده در مدل و ثابت نگه داشتن دیگر شرایط مانند قبل، مدل را اجرا کردهایم ، پس از رسیدن به حالت پایداری، با کم کردن اجراهای بعدی از اجرای اصلی (شماره 1) میتوانیم به ترتیب تأثیر نیروی باد، شارهای گرما و تنش باد را بر نحوه توزیع آلایندهها و همچنین کاهش غلظت آلاینده ها به دست آوریم.
|
زمستان |
|
بهار |
|
تابستان |
|
پائیز |
شکل 4: تفاوت غلظت (غلظت در اجرای اصلی منهای اجرای بدون باد) در سطح در فصول پس از رهاسازی
تأثیر باد بر انتقال و پخش آلایندههای نفتی
همانطور که مشاهده می شود، تاثیر باد بر نحوه توزیع آلاینده ها در فصول مختلف پس از رهاسازی آلودگی در شکل 4 نشان داده شده است، مقادیر مثبت بیانگر افزایش غلظت آلودگی در اثر باد و مقادیر منفی بیانگر کاهش غلظت آلودگی در اثر باد میباشند. نیروی باد باعث افزایش غلضت آلاینده در مرکز و غرب خلیج فارس، شامل بخشهایی از عربستان سعودی، بحرین، قطر و تا حدودی امارات متحده عربی میگردد و همچنین کاهش غلظت در بخشهای شمالی و شمال شرقی خلیج را منجر میگردد.
|
ب |
|
الف |
شکل 5:الف- سری زمانی غلظت آلودگی محاسبه شده در اجرای بدون باد (-) و اجرای اصلی (-) . ب- سری زمانی تاًثیر باد بر روی غلظت آلودگی (غلظت در اجرای اصلی منهای غلظت بدون باد)
در شکل 5 الف، مقایسه بین سریهای زمانی در اجرای اصلی مدل (اعمال تمامی نیروها) و اجرای مدل در غیاب نیروی باد می باشد، مقایسه بین دو سری زمانی نشان میدهد که با حذف نیروی باد از نیروهای اعمال شده در مدل، کاهش غلظت آهستهتر و با شیب ملایمتری نسبت به حالتی که نیروی باد هم در مدل اعمال شده بود رخ میدهد که این نشاندهنده تأثیر نیروی باد بر کاهش غلظت آلایندهها میباشد و همانطور که در شکل 5ب مشاهده میگردد، نیروی باد در چند روز اول ماه دسامبر باعث کاهش شدید غلظت در آن منطقه شده است، که این کاهش غلظت در اثر نیروی باد تا اواسط فصل بهار (آوریل) نیز ادامه دارد و پس از آن سری زمانی تغییرات اختلاف غلظت آلودگی تقریباً ثابت شده و نشان میدهد که نیروی باد در فصول تابستان و پائیز (Jun-Nov) تأثیر بسزایی بر کاهش یا افزایش غلظت آلایندهها ندارد.
تأثیر شارهای گرمایی بر انتقال و پخش آلایندههای نفتی
شارهای گرمایی اعمال شده در مدل، عبارتند از شار گرمای محسوس ، شار خالص تابش موج بلند از سطح دریا به جو ، شار گرمای نهان تبخیر و شار انرژی خورشیدی به داخل دریا . که شار گرمای غیر خورشیدی دارای سه مولفه بوده و بصورت زیر میباشد (Stewart, 2008):
مدل را برای مرتبه سوم و این بار بدون در نظر گرفتن شارهای گرمایی غیر خورشیدی اجرا میکنیم سپس برای یافتن تأثیر شارهای گرما بر نحوه انتقال و پخش آلودگی، اجرای این مرحله را از اجرای مرحله 1 کم کرده تا تأثیر شارهای گرما را بر نحوه انتقال آلایندهها و میزان کاهش غلظت آنها بدست آوریم. همانطور که شکل 6 نشان میدهد در زمستان شارهای گرما منجر به افزایش غلظت به سمت سواحل ایرانی و بخشهایی از تنگه هرمز می گردند، در فصل بهار این افزایش غلظت به سمت مرکز خلیج و بخشهایی از امارات متحده عربی متمایل شده و در فصول تابستان و پائیز، کاهش غلظت آلاینده ها در شمال و شمال شرقی خلیج نمایان میگردد.
|
پائیز |
|
تابستان |
|
بهار |
|
زمستان |
شکل6: تفاوت غلظت (غلظت در اجرای اصلی منهای اجرای بدون شارهای گرما) در سطح در فصول پس از رهاسازی
در غیاب شارهای گرما غلظت آلودگی با شیب ملایمتری نسبت به هنگامی که شارهای گرما در مدل اعمال میشدند، کاهش مییابد و همچنین ملاحظه میگردد که در اجرای اصلی (شماره 1) ، در اواخر ماه مارس غلظت آلودگی در نقطه اولیه نشت به صفر میرسد در حالیکه در اجرای مدل با حذف شارهای گرما در اواخر ماه آوریل غلظت آلودگی به مقدار صفر رسیده و در اجرای اصلی پس از چند روز آغازین ماه دسامبر عمده غلظت آلودگی کاسته شده در حالیکه در غیاب شارهای گرما در اواسط ژانویه این اتفاق رخ میدهد (شکل 7 الف).
شکل 7 ب نیز سری زمانی تأثیر شارهای گرما بر غلظت آلودگی را نشان میدهد که مقادیر مثبت اختلاف غلظت بیانگر افزایش غلظت در اثر شارهای گرما و مقادیر منفی اختلاف غلظت بیانگر کاهش غلظت در اثر شارهای گرمایی در آن منطقه میباشند.
|
الف |
|
ب |
شکل 7: الف- سری زمانی غلظت آلودگی محاسبه شده در (-) اجرای بدون شارهای گرما و (-) اجرای اصلی. ب- سری زمانی تاًثیر شارهای گرما بر روی غلظت آلودگی (غلظت در اجرای اصلی منهای غلظت بدون شارهای گرما)
همانطور که مشاهده می‌شود در شکل 7ب یک کمینه وجود دارد که نشاندهنده کاهش غلظت شدید تحت اثر شارهای گرما در اوایل ماه دسامبر میباشد و از اواسط ماه می شارهای گرمایی تأثیری بر افزایش یا کاهش غلظت آلایندهها در آن نقطه ندارند.
تأثیر تنش باد بر انتقال و پخش
آلایندههای نفتی
وزش باد بر روی سطح دریا باعث حرکت آن سطح می‌شود که این حرکت در اثر اعمال نیروی تنش اصطکاکی بین هوا و آب میباشد. این نیرو به سطح بالایی آب اعمال شده و آن را به حرکت در میآورد. اما به دلیل گردش زمین و نیروی کوریولیس، آب دریا به طور کامل در جهت تنش باد حرکت نمیکند و منجر به تغییراتی در توزیع حرکت قائم و افقی آب میگردد. در این قسمت برای یافتن تأثیر نیروی تنش باد بر انتقال و پخش آلودگی نفتی و این مطلب که آیا تأثیر نیروی باد بر پخش آلودگی به خاطر تنش باد ایجاد کننده میباشد یا نه، مانند قبل مدل را با حذف نیروی تنش باد از نیروهای اعمال شده در مدل اجرا کرده (اجرای شماره 4) و با کم کردن این مرحله از اجرا از اجرای شماره 1 میتوانیم تأثیر نیروی تنش باد را بر نحوه انتقال آلایندهها به دست آوریم.
|
پائیز |
|
تابستان |
|
بهار |
|
زمستان |
شکل 8: تفاوت غلظت (غلظت در اجرای اصلی منهای اجرای بدون تنش باد) در سطح در فصول پس از رهاسازی
شکل 8، بیانگر این نکته است که تنش باد در طی فصول مختلف پس از رهاسازی منجر به افزایش جزئی غلظت در بخشهای شمالی و شمال شرقی خلیج فارس میگردد. همانطور که شکل 9 الف نشان میدهد، سری زمانی غلظت آلودگی محاسبه شده برای حالت اجرا در غیاب نیروی تنشی باد و حالت اجرای کلی در یکسال پس ازرهاسازی در نقطه اولیه نشت رسم شده است. همانطور که نتایج مدل نشان میدهد بین این دو حالت اجرا تفاوت بسیار کمی وجود دارد و مشاهده می‌شود که در غیاب تنش باد نیز غلظت آلودگی با شیب تندی تا چند روز ابتدایی فصل دسامبر کاهش یافته و پس از آن این کاهش غلظت تا اوایل ماه آوریل همچنان ادامه دارد.
|
الف |
|
ب |
شکل 9: الف- سری زمانی غلظت آلودگی محاسبه شده در (-) اجرای بدون تنش باد و (-) اجرای اصلی. ب- سری زمانی تاًثیر تنش باد بر روی غلظت آلودگی (غلظت در اجرای اصلی منهای غلظت بدون تنش باد) .
همخوانی زیاد بین این دو حالت بیانگر تأثیر ناچیز نیروی تنش باد بر کاهش غلظت آلودگی می باشد. شکل 9 ب نیز سری زمانی تأثیر تنش باد بر غلظت آلودگی را نشان میدهد که مقادیر مثبت بیانگر افزایش غلظت در اثر تنش باد و مقادیر منفی بیانگر کاهش غلظت در اثر تنش باد بوده است. تنش باد تا اواسط ماه ژانویه باعث کاهش غلظت در نقطه نشت اولیه شده. طبق شکل 9 ب نمودار دارای دو بیشینه یکی در اوایل ماه ژانویه و دیگری در اواخر ماه ژوئن میباشد که بیانگر افزایش شدید غلظت در اثر تنش باد در این دو زمان از سال میباشد. همانطور که مشاهده می‌شود نیروی تنش باد مانند باد یا شارهای گرما تأثیر چندانی بر کاهش یا غلظت آلودگی نفتی ندارد و افت و خیزهای نمودار که نشاندهنده کاهش یا افزایش غلظت آلودگی است دارای دامنههای کوچکی در مقایسه با نمودارهای قبلی است.
مقایسه تحلیلی بین اثر فرآیندهای فیزیکی بر نرخ کاهش غلظت آلایندههای نفتی
همانطور که در زیر مشاهده می‌شود (شکل 10)، سریهای زمانی مربوط به این چهار مرحله از اجرا در نقطه اولیه نشت و در لایه سطحی رسم شده است. در اجرای مدل در غیاب نیروی باد (رنگ قرمز) همانطور که مشاهده می‌شود کاهش غلظت آلودگی با شیب ملایمتری و آهستهتر رخ میدهد و عمده غلظت آلودگی تا اواخر ماه دسامبر کاهش یافته و تا اواسط آوریل نیز این کاهش غلظت با شیبی ملایم ادمه دارد.
در اجرای مدل در غیاب شارهای گرما (رنگ سبز) نیز همانطور که مشاهده میگردد، شیب کاهش غلظت آلودگی شبیه به حالت قبلی بوده با این تفاوت که در غیاب شارهای گرما، کاهش غلظت آلایندهها تا اواخر آوریل ادامه دارد.
در اجرای مدل در غیاب تنش باد (رنگ آبی) نیز مطابق شکل شیب کاهش غلظت نزدیکی بسیاری به اجرای شماره 1 دارد و بیانگر تأثیر ناچیز تنش باد بر کاهش غلظت آلودگی میباشد، که میتوان نتیجه گرفت که تأثیر باد بر نحوه کاهش غلظت آلایندهها به خاطر نیروی تنش باد نبوده بلکه به خاطر سرعت خود باد و تأثیر باد بر مولفههای شارهای گرما میباشد.
شکل 10: سری زمانی غلظت آلودگی محاسبه شده در (-) اجرای اصلی، (-) اجرای بدون باد، (-) اجرای بدون شارهای گرما و (-) اجرای بدون تنش باد در لایه سطحی و در نقطه نشت اولیه
نتیجه گیری و جمع بندی
در این مطالعه چگونگی انتقال و پخش آلایندههای نفتی در خلیج فارس مورد بررسی قرار گرفت و نحوه توزیع این آلایندهها به صورت عددی توسط مدل هیدرودینامیکی سه بعدی کوهرنس شبیهسازی شد. همچنین با اجرای مدل در چهار مرحله با شرایط متفاوت توانستیم تأثیر نیروهای باد، شارهای گرمایی و تنش باد را بر نحوه انتقال و پخش آلودگی نفتی به دست آوریم. در مجموع از نتایج شبیهسازی عددی مدل و محاسبات انجام شده میتوان نتیجه گرفت که:
10. Shen, H.T., Yapa, P.D., Petroski, M.E., 1986, Simulation of oil slick transport in Great Lakes connecting channels, Department of Civil and Environmental Engineering, Clarkson University, Potsdam, NY, Report Nos. 86–1 to 4, vols, I–IV.
11. Stewart, R.H., 2008, Introduction to Physical Oceanography.
)