Μαθηματική προσομοίωση συμπεριφοράς πετρελαιοκηλίδας εξαιτίας ατυχήματος κατά την εξόρυξη πετρελαίου
Authors: Μακατούνης Παναγιώτης-Ελευθέριος 
Published: November 2023

Η περιβαλλοντική διαχείριση πετρελαιοκηλίδων είναι ένα σύνθετο, διεπιστημονικό πεδίο έρευνας που έχει σαν στόχο την πρόληψη της διαρροής πετρελαίου στη θάλασσα και την ελαχιστοποίηση των περιβαλλοντικών επιπτώσεων όταν αυτή προκύψει εξαιτίας ατυχήματος. Σημαντικά εργαλεία περιβαλλοντικής διαχείρισης αποτελούν τα μαθηματικά μοντέλα προσομοίωσης πετρελαιοκηλίδων. Η μελλοντική ανάπτυξη δραστηριοτήτων έρευνας και αξιοποίησης υδρογονανθράκων στον ελληνικό χώρο, καθιστά αναγκαία τη χρήση των μοντέλων αυτών: A.κατά την επιλογή των θέσεων εξόρυξης, αλλά και B.σε περίπτωση ατυχηματικής διαρροής: i.για την πρόγνωση της κίνησης της επιφανειακής πετρελαιοκηλίδας καθώς και του πετρελαίου στην υδάτινη στήλη, αλλά και ii.για την επιλογή της κατάλληλης μεθόδου αντιμετώπισης. Από τη βιβλιογραφική διερεύνηση, σχετικά με τις εφαρμογές των μοντέλων προσομοίωσης πετρελαιοκηλίδας αλλά και των απαιτούμενων δεδομένων εισόδου των μοντέλων αυτών, διαπιστώθηκαν τα ακόλουθα: •Η μέθοδος υπολογισμού των παράκτιων ρευμάτων ως δεδομένα εισόδου σε μοντέλο προσομοίωσης για τον υπολογισμό της τροχιάς της πετρελαιοκηλίδας σε ένα περιστατικό επιφανειακής διαρροής, ποικίλλουν από περιοχή σε περιοχή και ότι κάθε περίπτωση εξετάζεται ξεχωριστά. Συμπληρωματικά, στην Ελλάδα δεν έχουν διερευνηθεί πλήρως τα δεδομένα που επηρεάζουν την τροχιά της πετρελαιοκηλίδας, οπότε, είναι σημαντικό να εξεταστούν, χρησιμοποιώντας μια ποικιλία δεδομένων ανέμων και ρευμάτων για τις προσομοιώσεις αναπαραγωγής ενός πραγματικού περιστατικού. •Η επίδραση των διαφορετικών καιρικών συνθηκών ανά εποχή στην πιθανότητα ρύπανσης περιβαλλοντικά ευαίσθητων περιοχών από πετρέλαιο, σε περιπτώσεις ατυχημάτων κατά τη διάρκεια δραστηριοτήτων εξόρυξης πετρελαίου σε μικρά/ενδιάμεσα βάθη νερού, δεν έχει διερευνηθεί επαρκώς. Επίσης, η επίδραση της χρήσης επιφανειακών μέτρων αντιμετώπισης και καθαρισμού στο μέγεθος των επιπτώσεων από τη ρύπανση αποτελεί ένα πεδίο που δεν έχει ερευνηθεί. Τέλος, παρατηρήθηκε απουσία προηγούμενων ερευνών σχετικά με την προσομοίωση πιθανών ατυχημάτων διαρροής πετρελαίου από εξορυκτικές ή/και ναυτιλιακές δραστηριότητες στην περιοχή του Ιονίου Πελάγους. •Η επίδραση της χρήσης της μεθόδου υποθαλάσσιας έγχυσης χημικών διασποράς (SSDI, subsea dispersant injection) κατά τη διαρροή διαφόρων τύπων πετρελαίου από μεγάλα βάθη στη συμπεριφορά της πετρελαιοκηλίδας δεν έχει διερευνηθεί ακόμα. Επιπλέον, κρίνεται απαραίτητη περαιτέρω έρευνα στην ευρύτερη Μεσόγειο Θάλασσα, όπου δεν έχει γίνει εκτενής έρευνα μέχρι σήμερα.Από τη βιβλιογραφική διερεύνηση, αναφορικά με τα πειράματα που έχουν διεξαχθεί για την αξιολόγηση της αποτελεσματικότητας της μεθόδου SSDI στη μείωση του μεγέθους των σταγονιδιών του πετρελαίου, σε περίπτωση διαρροής σε βάθος: •Διαπιστώθηκε ότι, παρά την εκτεταμένη έρευνα που έχει πραγματοποιηθεί, η επίδραση της θερμοκρασίας του πετρελαίου στην αποτελεσματικότητα της SSDI δεν έχει διερευνηθεί. Η θερμοκρασία πετρελαίου θεωρείται σημαντική παράμετρος που πρέπει να ληφθεί υπόψη, καθώς μπορεί να επηρεάσει διάφορους παράγοντες όπως το ιξώδες και η πυκνότητα του πετρελαίου, που μπορεί να έχουν επίδραση στην απόδοση της SSDI. Επιπλέον, τα υπάρχοντα πρωτόκολλα δοκιμών χημικών διασποράς, όπως τα IFP (French Institute of Petroleum test) & MNS (Mackay Nadeau Steelman test), προσανατολίζονται στην εφαρμογή των χημικών διασποράς στην επιφάνεια, οπότε κρίνεται απαραίτητη η ανάπτυξη ενός ενημερωμένου πρωτοκόλλου που να προσομοιώνει τις συνθήκες έγχυσης σε υποθαλάσσιες διαρροές πετρελαίου.Το κύριο αποτέλεσμα της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι ότι διερευνήθηκαν κρίσιμες παράμετροι που σχετίζονται με τη συνολική περιβαλλοντική διαχείριση περιστατικών πετρελαιοκηλίδων και αναμένεται να αποτελέσουν τη βάση της μεθοδολογίας για την αντιμετώπιση τυχόν περιστατικών κατά τις επικείμενες διαδικασίες εξόρυξης που αναμένονται στις ελληνικές θάλασσες. Για την απάντηση των ερωτημάτων στα οποία χρησιμοποιήθηκαν υπολογιστικά μοντέλα η διερεύνηση των παραμέτρων πραγματοποιήθηκε σε διάφορες θαλάσσιες περιοχές της Ελλάδας, και συγκεκριμένα στον Σαρωνικό, στον Πατραϊκό και στον Κυπαρισσιακό Κόλπο. Τα ακόλουθα συμπεράσματα εξήχθησαν, τα οποία ουσιαστικά αποτελούν τις απαντήσεις στα 4 ερευνητικά ερωτήματα: 1. Τα αποτελέσματα του μοντέλου προσομοίωσης, στο οποίο χρησιμοποιήθηκαν τόσο δεδομένα ανέμου όσο και ρευμάτων για τον υπολογισμό των παράκτιων ρευμάτων ήταν σε καλύτερη συμφωνία με τα δορυφορικά δεδομένα και τα δεδομένα πεδίου, υποδεικνύοντας ότι και οι δύο δυνάμεις έπαιξαν σημαντικό ρόλο στη μετατόπιση της πετρελαιοκηλίδας της Αγίας Ζώνης II προς την ακτή. Τα ευρήματα δείχνουν ότι τα θαλάσσια ρεύματα έπαιξαν σημαντικότερο ρόλο στην εξάπλωση της πετρελαιοκηλίδας κατά τη διάρκεια αυτού του περιστατικού. Ωστόσο, χωρίς τη συμπερίληψη των δεδομένων ανέμου, δεν θα μπορούσε να επιτευχθεί η πρόγνωση της πλήρους έκτασης του πετρελαίου που κατέληξε στην ακτογραμμή. 2. Με βάση την ανάλυση των αποτελεσμάτων προέκυψαν τα ακόλουθα συμπεράσματα:A.Οι στοχαστικοί υπολογισμοί έδειξαν ότι υπάρχει σημαντική πιθανότητα πετρελαϊκής ρύπανσης στον Πατραϊκό Κόλπο, που μπορεί να φτάσει το 30% στις λιμνοθάλασσες Μεσολογγίου – Αιτωλικού. Επίσης παρατηρείται σημαντική μεταβολή στα αποτελέσματα των στοχαστικών προσομοιώσεων λόγω των διαφορετικών καιρικών συνθηκών που επικρατούν στις διάφορες εποχές που εξετάστηκαν.B.Οι ντετερμινιστικοί υπολογισμοί έδειξαν ότι το 78-90% του πληθυσμού των πτηνών και το 2-4% του πληθυσμού των ιχθύων αναμένεται να μολυνθούν σε περίπτωση πετρελαιοκηλίδας χωρίς καμία παρέμβαση. Για τα υφιστάμενα συστήματα αντιμετώπισης πετρελαιοκηλίδων στην Ελλάδα, η χρήση χημικών μείωσε την ποσότητα του πετρελαίου που κατέληξε στις ακτές κατά περίπου 16-21% και τον πληθυσμό των μολυσμένων πτηνών στις λιμνοθάλασσες σε περίπου 70%. Ωστόσο, ο πληθυσμός των ιχθύων που επηρεάστηκαν αυξήθηκε σε 6-8,5% λόγω της υψηλότερης συγκέντρωσης πετρελαίου στην υδάτινη στήλη. Η μηχανική ανάκτηση αφαίρεσε σχεδόν το 10% της ποσότητας πετρελαίου που διέρρευσε, αλλά δεν είχε καμία αξιοσημείωτη επίδραση στο πετρέλαιο που κατέληξε στις ακτές και στους πληγέντες πληθυσμούς πτηνών και ιχθύων. 3. Οι ντετερμινιστικοί υπολογισμοί στον Κυπαρισσιακό Κόλπο έδειξαν ότι η εφαρμογή της μεθόδου SSDI οδήγησε στη μείωση της ποσότητας του πετρελαίου στην επιφάνεια κατά περίπου 25-74% και την περιοχή επίδρασης πάνω από το καθορισμένο όριο (πάχος≥0,1mm) κατά περίπου 37-62%. Ωστόσο, ταυτόχρονα οδήγησε σε αύξηση της μάζας του πετρελαίου που παρέμεινε βυθισμένη κατά 161 έως 274%, και σε αύξηση του όγκου που επηρεάστηκε (συγκέντρωση≥10ppm) κατά 199-398%. Αυτά τα αποτελέσματα οφείλονται στη μείωση των μεγεθών των σταγονιδίων πετρελαίου, η οποία οδήγησε σε μείωση των ταχυτήτων ανάδυσης. Μεταξύ των 4 τύπων πετρελαίου που εξετάστηκαν, το παραφινικό πετρέλαιο παρουσίασε τη μεγαλύτερη μείωση στην επιφάνεια επίδρασης και την ποσότητα του πετρελαίου στην επιφάνεια, ενώ το κηρώδες πετρέλαιο έδειξε τη χαμηλότερη μείωση. Μπορεί να επισημανθεί ότι κρίσιμοι παράγοντες για τη χρήση SSDI προκειμένου να μειωθεί η καθαρή περιβαλλοντική επίδραση, είναι ο τύπος πετρελαίου που απελευθερώνεται, οι εποχικές αλλαγές και η παρουσία φυσικών πόρων, όπως η ωοτοκία των ιχθύων ή η μετανάστευση πτηνών. 4. Η αποτελεσματικότητα της μεθόδου SSDI στη μείωση του μεγέθους των σταγονιδίων πετρελαίου (d50) έχει εξεταστεί για ένα ευρύ φάσμα τύπων πετρελαίου με ποικίλες ιδιότητες. Η επίδραση της θερμοκρασίας πετρελαίου στην αποτελεσματικότητα της μεθόδου SSDI έχει ως εξής: στο εξεταζόμενο παραφινικό πετρέλαιο μειώνεται ενώ στην περίπτωση των εξεταζόμενων πετρελαίων ασφαλτενικού και ναφθενικού τύπου αυξάνεται. Στην περίπτωση του κηρώδους πετρελαίου δεν παρατηρήθηκε επίδραση της αποτελεσματικότητας σχετιζόμενη με τη μεταβολή της θερμοκρασίας πετρελαίου. Τα αποτελέσματα των πειραμάτων που πραγματοποιήθηκαν στην παρούσα διατριβή σε συνδυασμό με προηγούμενες έρευνες που χρησιμοποίησαν τέσσερις διαφορετικούς τύπους χημικών καθώς και διάφορες δοσολογίες, οδήγησαν στην ανάπτυξη ενός νέου πρωτοκόλλου δοκιμής χημικών διασποράς (Dispersant Injection Efficiency test, DIET).Ιδιαίτερη σημασία έχει η παρατήρηση ότι η κατάταξη των χημικών που επιτυγχάνεται με τη νέα μέθοδο δοκιμής είναι ουσιαστικά διαφορετική από τα αποτελέσματα που παράγονται με τη χρήση συμβατικών μεθόδων για την επιφανειακή εφαρμογή χημικών διασποράς (IFP). Αυτή η διαφορά συνεπάγεται ότι οι υπάρχουσες τυπικές μέθοδοι για τη δοκιμή αποτελεσματικότητας των χημικών είναι λιγότερο εφαρμόσιμες για την αξιολόγηση της αποτελεσματικότητας της SSDI. Το νέο πρωτόκολλο δοκιμής περιλαμβάνει πολλά βασικά στοιχεία που συμβάλλουν στην αποτελεσματικότητά του:oΧρησιμοποιεί ένα καθεστώς αναταράξεων που αναπαριστά τις συνθήκες των υποθαλάσσιων εκλύσεων πετρελαίου, και συγκεκριμένα ενός τυρβώδους τζετ. o Μετρά την αποτελεσματικότητα των χημικών διασποράς ποσοτικά μέσω της μείωσης του μεγέθους των σταγονιδίων πετρελαίου σε σύγκριση με το μη επεξεργασμένο πετρέλαιο.oΧρησιμοποιεί ένα σύστημα ροής θαλασσινού νερού που επιτρέπει τη δοκιμή ενός ευρέος φάσματος συγκεντρώσεων και μεγεθών σταγονιδίων. o H έγχυση του χημικού πραγματοποιείται απευθείας στο πετρέλαιο με ρεαλιστικό και λειτουργικό τρόπο.oΛαμβάνει υπόψη μια αυξημένη θερμοκρασία πετρελαίου 50°C που σχετίζεται με τις πραγματικές συνθήκες.oΠροσαρμόζεται εύκολα σε ένα ευρύ φάσμα δόσεων χημικών διασποράς. o Επιτρέπει τη συνεχή παρακολούθηση κατά τη διαρροή πετρελαίου, με την οποία επιτυγχάνεται η συλλογή στατιστικά σημαντικών δεδομένων.oΜπορεί να είναι εξαιρετικά αυτοματοποιημένο, γρήγορο και οικονομικά αποδοτικό.