نقش فرآیندهای فیزیکی بر نحوه توزیع آلاینده‏های نفتی در خلیج فارس

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 کارشناس ارشد فیزیک دریا، دانشگاه هرمزگان

2 دانشگاه اصفهان

3 دانشگاه هرمزگان

چکیده

   خلیج فارس به خاطر دارا بودن عمده میادین نفتی و گازی جهان در معرض آلودگی‏هایی مانند آلودگی‏های نفتی و گسترش آلاینده‏های مرتبط با آن می‏باشد. از آنجا که در صورت نشت آلاینده‏های نفتی به دریا، تشخیص رفتار آن‏ها بر روی آب و دانستن تأثیر فرآیندهای فیزیکی از قبیل باد، شارهای گرما و تنش باد بر نحوۀ پخش این آلاینده‏ها، ما را در امر جمع‏آوری آن‏ها کمک می‏کند، در این تحقیق قصد داریم نحوه توزیع این آلودگی‏ها را در شرایط مختلف توسط مدل عددی سه‏بعدی هیدرودینامیکی شبیه‏سازی کنیم،  به این منظور از مدل کوهرنس که با مدول آلودگی و بیولوژیکی جفت شده و قابلیت حل معادلات انتقال و پخش آلودگی را با به‏کارگیری مختصات سیگما در جهت قائم و مختصات دکارتی در جهت افقی دارد، برای شبیه‏سازی انتقال و پخش آلودگی‏های نفتی استفاده شده است.  نتایج مدل نشان می‏دهدکه آلودگی نفتی نشت یافته در بخش شمالی خلیج فارس، تحت تأثیر تمامی نیروهای اعمال شده در مدل دارای حرکتی به سمت شمال خلیج فارس و سواحل بوشهر در امتداد سواحل ایرانی بوده و سپس تحت تأثیر جریانات پادساعتگرد آن منطقه قرار گرفته و در امتداد سواحل عربی دارای حرکتی متمایل به بخش جنوب غربی خلیج فارس می‏گردد، همچنین  نتایج شبیه سازی مدل بیانگر این نکته بود که تأثیر نیروی باد بر نحوه پخش آلودگی و کاهش غلظت آلاینده‏ها نه به خاطر تنش باد ایجاد کرده، بلکه به خاطر سرعت باد و تأثیری که باد بر مولفه‏های شار گرما می‏گذارد، می‏باشد.  نتایج حاصل از شبیه‏سازی مدل در مورد نحوه توزیع و پخش آلودگی های نفتی توافق خوبی با شواهد مشاهداتی و همچنین الگوی جریانات موجود در منطقه دارد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

The Role of Physical Processes on Oil Pollutants Distribution in the Persian Gulf

نویسندگان [English]

  • O. Hajrasouliha 1
  • S. Hassanzadeh 2
  • A. R. Latifi 3
چکیده [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]

  • COHERENS model
  • heat fluxes
  • oil pollutants
  • Persian Gulf
  • wind
  • wind stress

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)

(4)        
(5)
(6)

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).

  •  شرط شارش صفر در کف و سطح دریا ( ) به کار می‏رود.

 

  • هیچ شارشی اجازه عبور از مرزهای خشک را ندارد.

         

 

 

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:

  • باد در نحوه انتقال و پخش آلودگی نفتی عامل مهمی بوده به نحوی که در غیاب نیروی باد مسیر حرکت آلاینده‏ها تغییر چشمگیری دارد، همچنین نیروی باد بیشترین تأثیر را بر کاهش غلظت آلاینده­ها در مقایسه با دیگر نیروهای اعمال شده در مدل دارد.
  • شارهای گرما مسیر حرکت آلاینده‏ها را به طور محسوس تغییری نمی‏دهد و تأثیر آن‏ها بر نحوه توزیع آلودگی در مقایسه با باد کمتر بوده ولی تأثیر شارهای گرما بر کاهش غلظت آلاینده‏ها کاملاً محسوس است و اثر آن‏ها را بر کاهش غلظت آلودگی می‏توان با اثر باد مقایسه کرد.
  • تنش باد مسیر حرکت آلاینده‏ها را تغییری نمی‏دهد و می‏توان گفت که تنش باد تأثیری بر نحوه انتقال آلاینده‏ها ندارد ولی تأثیر تنش باد بر پخش‏شدگی سطحی آلودگی کاملاً نمایان است و می‏توان نتیجه گرفت که عامل پخش‏شدگی جزئی آلودگی نفتی در سطح دریا نیروی تنش باد می‏باشند. تأثیر تنش باد بر کاهش غلظت آلاینده‏ها در مقایسه با باد و شارهای گرما بسیار ناچیز و قابل چشم پوشی بوده است. همچنین می‏توان نتیجه گرفت که تأثیر نیروی باد بر نحوه توزیع آلاینده ها و یا کاهش غلظت آن‏ها به خاطر تنش باد ایجاد کرده نبوده، بلکه به خاطر سرعت خود باد و تأثیر آن بر مولفه‏های شارهای گرما می‏باشد.

 



[1] Random walk

2. Modular structure

1. Coupled Hydrodynamic Ecological model for Regional Shelf sea

  1. Huang, J.C., 1983, a review of the state-of-the art of oil spill fate/behavior models, In: Proceedings of the 1983 Oil Spill Conference, Washington DC, 313-322.
  2. Hunter, J.R., 1983, "Aspects of the dynamics of the residual circulation of the Persian Gulf," Coastal Oceanography, Plenum, New York, 31-42.
  3. Kampf, J. and Sadrinasab, M., 2006, the Circulation of the Persian Gulf: a Numerical Study, Ocean Science, 2, 27-41.
  4. Lonin, S.A., 1999, Lagrangian model for oil spill diffusion at sea, Spill and Technology Bulletin, 5, 331-336.
  5. Luyten, P.J., Jones, J. E., Proctor, R., Tabor, A., Tett, P. and Wild-Allen, K., September 1999, COHERENS, User Documentation.
  6. Mackay, D., Paterson, S., Nadeau, S., 1980, Calculation of the evaporation rate of volatile liquids, In: Proceedings of the National Conference on Control of Hazardous Material Spills, Louisville, KY, 364-368.
  7. Privett, D.W., 1959, Monthly charts of evaporation from the Indian Ocean (including the Red Sea and the Persian Gulf), 85, 424-428.
  8. Reynolds, R.M., 1993, Physical Oceanography of the Gulf, Strait of Hormuz, and the Gulf of Oman-Results from the Mt Mitchell Expedition, Marine Pollution Bulletin, 27, 35-59.
  9. Shen, H.T., Yapa, P.D., 1988, Oil slick transport in rivers, Journal of Hydraulic Engineering, 114, 529-543.

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.