La predicción de la contaminación marina por vertido de

La predicción de la contaminación
marina por vertido de hidrocarburos
en la ingeniería portuaria
M. ESPINO*, E. COMERMA*, A. S. ARCILLA*, M. GONZÁLEZ**
Y
M. HERNÁEZ***
* Laboratorio de Ingeniería Marítima, Universidad Politécnica
de Cataluña, Campus Nord, D1. C/ Jordi Girona, 1-3. 08034,
BARCELONA. [email protected].
** Fundación AZTI, Muelle de Herrera, s/n, zona portuaria.
20110, Pasaia, GUIPÚZCOA. [email protected].
*** Autoridad Portuaria de Bilbao, Campo Volantin, 37. 48007,
BILBAO. [email protected]
RESUMEN
Como en ningún otro enclave del territorio, en el medio marino y costero se desarrollan una serie de actividades de intereses contrapuestos.
El mar constituye un importante medio de comunicación y transporte,
pero a su vez se encuentra sometido a una intensa explotación de sus
recursos. Para preservar su riqueza medioambiental, estas actividades
deben ser enmarcadas en el concepto de desarrollo sostenible, estudiando detalladamente sus consecuencias a medio y largo plazo.
En el marco del proyecto de investigación titulado «Predicción numérica de la circulación y contaminación marina en el mar Cantábrico. Aplicación a la dispersión de hidrocarburos en la ría del Nervión»
cofinanciado por fondos CICYT y FEDER, desarrollado entre la Autoridad Portuaria de Bilbao, la empresa AZTI y el Laboratorio de Ingeniería Marítima (LIM) de la UPC, se ha puesto a punto un sistema
de predicción de la circulación y de la contaminación marina producida por el vertido de hidrocarburos.
Como voluntad de dar respuesta a una serie de problemas medioambientales, el Laboratorio de Ingeniería Marítima de la ETS de Ingenieros de Caminos de Barcelona conjuntamente con la empresa vasca
AZTI (Instituto Tecnológico, Pesquero y Alimentario) han ido desarrollando un paquete de modelos numéricos capaces de simular cier-
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tos procesos físicos, químicos y biológicos que tienen lugar en la plataforma continental (Espino et al., 1999).
En la actualidad, existen pocos modelos capaces de simular la complejidad de la dispersión de un contaminante evolutivo, es decir, cuyas
propiedades varían a lo largo del tiempo. Por un lado, los procesos
que intervienen son complicados y todavía poco entendidos (ASCE,
1996; Reed et al., 1999), dando un sistema de ecuaciones resultante
complejo a resolver. Por otro lado, la información disponible es todavía insuficiente, en cuanto a los datos iniciales (caracterización de los
productos del petróleo) y en cuanto los parámetros de ajuste de los
modelos (validación de las simulaciones).
En este artículo se presenta la herramienta informática desarrollada
para la predicción del comportamiento de un vertido de hidrocarburos para el Puerto de Bilbao, que ha sido calibrada mediante una serie de campañas de medidas descritas en Mader et al. (2001).
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La predicción de la contaminación marina por vertido de hidrocarburos...
1.
MOTIVACIÓN Y ANTECEDENTES
Como en ningún otro enclave del territorio, en el medio marino y costero se desarrollan una serie de actividades de intereses contrapuestos. El mar constituye un importante medio de comunicación y transporte, pero a su vez se encuentra sometido a
una intensa explotación de sus recursos. Para preservar su riqueza medioambiental, estas actividades deben ser enmarcadas en el concepto de desarrollo sostenible, estudiando detalladamente sus consecuencias a medio y largo plazo.
En los últimos años, como voluntad de dar respuesta a esta serie de problemas medioambientales, el Laboratorio de Ingeniería Marítima de la ETS de Ingenieros de Caminos de Barcelona (LIM/UPC), conjuntamente con la empresa vasca AZTI (Instituto
Tecnológico, Pesquero y Alimentario), han ido desarrollando un paquete de modelos
numéricos para la simulación de ciertos procesos físicos, químicos y biológicos que tienen lugar en la plataforma continental (Espino et al., 1999), capaces de reproducir correctamente la circulación y el transporte en este tipo de zonas.
Sin embargo, en el caso de la contaminación por hidrocarburos, existen pocos modelos capaces de simular la complejidad de los procesos que tienen lugar una vez que
se produce el vertido: es el llamado envejecimiento. Por un lado, los procesos que intervienen son complicados y todavía poco entendidos (ASCE, 1996; Reed et al., 1999),
dando un sistema de ecuaciones resultante complejo a resolver. Por otro lado, la información disponible es todavía insuficiente, en cuanto a los datos iniciales (caracterización de los productos del petróleo) y en cuanto los parámetros de ajuste de los modelos (validación de las simulaciones).
Centrándose en la temática de la Protección del Medio Ambiente marino, el Laboratorio de Ingeniería Marítima y AZTI han trabajado conjuntamente en varios proyectos de investigación y de desarrollo tecnológico nacional. En el caso particular de la
contaminación marina, se ha puesto a punto un sistema de predicción de la circulación
y de la contaminación producida por el vertido de hidrocarburos, implementado en dos
zonas de estudio específicas: el Puerto de Bilbao (González et al., 2000) y el Golfo de
Vizcaya (Comerma et al., 2001).
En el presente artículo se introducirá la problemática asociada a la contaminación
marina, centrándose en aquellos procesos críticos de cara a la gestión y a la modelización de los vertidos de hidrocarburos. Se describirán los estudios llevados a cabo así
como las herramientas informáticas desarrolladas para la predicción del comportamiento del vertido en el mar.
2.
2.1.
LA CONTAMINACIÓN MARINA POR HIDROCARBUROS
Procesos de transporte
En el caso de producirse un vertido de petróleo o de un hidrocarburo genérico en
una zona estuárica y/o costera, los procesos predominantes son los procesos de advección o arrastre de la superficie de la mancha debidos al empuje por corrientes, mareas,
viento y oleaje. Estos determinaran especialmente la extensión del vertido y su efecto
sobre el medio marino y costero.
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Para estudiar la deriva de estas manchas será necesario disponer del campo de velocidades de las corrientes en todo el dominio de estudio, asociado a cada momento
(carrera de marea) y para cada evento meteorológico (dirección e intensidad el viento).
Este campo de velocidades será la suma de:
■
■
■
■
2.2.
Un campo cuasiestacionario de corrientes provocado por el viento dominante en
la zona.
Un campo oscilante de corrientes de marea astronómica, importante en la embocadura de una ría como la del Nervión o como en el caso de Pasajes de San Juan.
Un efecto directo del arrastre del viento en superficie.
Un efecto directo del oleaje sobre la mancha del vertido.
Procesos físico-químicos
Una vez vertidos al medio marino, los hidrocarburos empiezan a transformarse. Sus
propiedades físico-químicas evolucionan a lo largo del tiempo: es el llamado proceso de
envejecimiento o degradación. El estudio de estos procesos resulta fundamental para
poder conocer mejor este tipo de contaminación:
a)
b)
De cara a la recuperación del vertido (evolución de la toxicidad, solubilidad,
etcétera), es decir, de cara a la gestión de la crisis.
De cara a su modelado numérica y simulación (viscosidad, grado de dispersión,
etcétera), es decir, a la previsión de la deriva de la mancha.
El grado de complejidad de las formulaciones desarrolladas estará ligado a la disponibilidad de una base de datos de las propiedades fisicoquímicas de los hidrocarburos: debe establecerse un compromiso entre ajuste del modelo empleado con los datos
disponibles para alimentar dicho modelo.
La degradación natural del petróleo en el medio marino puede describirse a partir
de los siguientes procesos físico-químicos naturales (figura 1):
■
■
■
■
■
■
■
Evaporación (volatilización de las fracciones ligeras del petróleo)
Dispersión vertical y horizontal (mezcla con el agua en forma de microgotas)
Emulsificación (mezcla del agua dentro del petróleo)
Disolución (mezcla de ciertas fracciones en la columna de agua)
Fotooxidación (alteración superficial por efecto de sol)
Sedimentación (precipitación hacia fondo marino)
Biodegradación (degradación en componentes más simples por microorganismos)
Unos procesos son más importantes que otros, sobretodo desde el punto de vista
del intervalo de tiempo en el que se producen y en la forma como enlazan con los demás procesos. En este trabajo, se han estudiado con mayor detalle aquellos procesos
que se desarrollan a corto/medio plazo, correspondiendo al tiempo de intervención y
de afectación de este tipo de contaminación en una zona portuaria o próxima a la costa.
Se han estudiado con más detalle el modelado de la evaporación, la emulsificación
y la dispersión vertical. Estos procesos inducen unos cambios en las propiedades físicas del producto vertido que deben incorporarse, a lo largo del tiempo, en el modelo
de transporte del contaminante. Esto se traduce típicamente en un aumento en la densidad y en la viscosidad del producto resultante: en la mayoría de los casos, debidos a
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Figura 1.
Procesos de degradación del hidrocarburo [1].
las condiciones de fuerte oleaje se obtiene una emulsión estable, de densidad cercana
al agua marina y de una viscosidad de varios órdenes de magnitud mayor.
En una primera aproximación, la evaporación, la emulsificación y la dispersión vertical adoptan leyes cinéticas de primer orden. En las expresiones de decaimiento exponencial aparece una dependencia con el área de extensión de la mancha (mayor extensión, mayor evaporación) y con la intensidad del viento (a mayor fuerza, mayor
evaporación y mayor energía del oleaje, por tanto, emulsionado mayor).
Tratándose de un modelo 2D de transporte en superficie, ciertos procesos representan una pérdida de masa, como la pérdida de las fracciones ligeras por evaporación
(pasando a la atmósfera) o bien disueltos en la columna de agua (disolución química
o dispersión aceite-en-agua).
2.3.
El modelado matemático
De la misma forma que se interpretan por separado los procesos de transporte de
los físico-químicos, la modelización se organiza en dos módulos básicos: una parte simula los procesos de convección o transporte y de difusión mientras que en un segundo módulo se reproducen los procesos «químicos» con sus correspondiente cambios en las propiedades reológicas del contaminante.
El proceso de dispersión está gobernado por la ecuación de convección-difusión.
Se trata de la expresión de la ecuación de conservación de la masa del hidrocarburo
sobre la superficie del mar (o también ecuación euleriana del transporte). Se establece un balance entre los siguientes términos, de izquierda a derecha respectivamente
(ecuación 1): la variación local, los términos advectivos debidos al transporte por corrientes, los términos difusivos o turbulentos y los términos debidos al decaimiento
por degradación.
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∂C ∂
∂
∂
∂C
∂
∂C
+
(u sC) +
(v sC) –
Kx
–
Ky
+ SC = 0
∂t ∂x
∂y
∂x
∂x
∂y
∂y
[Ec. 1]
u s = u + 0,03U x + Wx

v s = v + 0,03U y + Wy
[Ec. 2]
donde:
C: Concentración contaminante (kg/m2).
us, vs: Velocidad de arrastre de la mancha superficial (m/s).
u, v: Velocidad de las corrientes marinas superficiales debidas al viento y a las
mareas (m/s).
Ux, Uy: Velocidad del viento a 10 m sobre la superficie del mar (m/s).
Wx, Wy: Empuje debido al oleaje (m/s).
Kx, Ky: Coeficientes de dispersión turbulenta (m2/s).
S: Coeficiente de decaimiento (1/100).
Por tratarse de un modelo bidimensional, se adopta como variable la concentración
de hidrocarburo sobre la superficie del mar. Por tanto, tiene dimensiones de kg/m2 y
se puede relacionar con el espesor correspondiente de la mancha como:
C( x, y, t) = [ρ w – ρ oil (t)]e( x, y, t)
[Ec. 3]
donde:
e: Espesor de la mancha (m).
ρw, ρoil: Densidad del agua marina y del aceite respectivamente (kg/m3).
Mediante el planteamiento euleriano de la ecuación de convección-difusión, podemos relacionar más eficientemente este modelo con los datos hidrodinámicos, pero sobretodo desarrollar más sencillamente el modelo de degradación.
2.4.
Acoplado de los procesos de transporte y físico-químicos
El acoplamiento entre ambos procesos se realiza a través del balance de masa y de
la variación temporal de las propiedades del producto contaminante (González et al.,
2000).
El aumento de la viscosidad (T) esta provocado por la evaporación de las fracciones más ligeras (F) y, por tanto, menos viscosas (ecuación 5) y por la entrada de agua
(Y) para formar la emulsión (ecuación 6). Por lo general, también existe una corrección por diferencia de temperatura (ecuación 4) entre la de referencia (a la que se midió la viscosidad en el laboratorio) y la temperatura del medio (T). Por tanto, es una
superposición de los tres efectos encadenados:
log(v T ) = log(v 38 ) – 0,01(T – 3 8 )
log l o g (va ) = log l o g (vt ) –F
682
[Ec. 4]
[Ec. 5]
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v m = va exp
2,5Y
1 – 0 , 6Y 5
[Ec. 6]
donde vm, va, vT y v38 son, respectivamente, la viscosidad cinemática de la emulsión, la
viscosidad cinemática del hidrocarburo, la viscosidad ajustada a la temperatura ambiente y la viscosidad ajustada a la temperatura de referencia de 38 °C.
A su vez, la densidad de la mezcla emulsionada (ρm) tiende a la del agua marina
(ρw), ya que puede llegar a contener hasta un 80% de agua en forma de pequeñas gotas (ecuación 7).
ρm = Yρ w + (1– Y )ρ 0
[Ec. 7]
Estos cambios en la densidad y en la viscosidad del contaminante se introducen
en los coeficientes de difusión turbulenta, a modo de coeficientes de «difusión
dispersiva» para reproducir el proceso de esparcimiento del propio aceite en medio
acuoso (Sobey, 1992, y Leer, 1996), enlazando así con el modelo de transporte (ecuación 8).
K spread (t) =
k22
g ′V 2
Factor v 1 / 2
1 / 3
1
[Ec. 8]
t
donde:
t: Es el tiempo transcurrido desde el inicio del vertido (s).
V: Es el volumen vertido inicial (m3).
g′: La gravedad efectiva, producto de la gravedad por la diferencia de den
sidades agua-aceite es decir la relación [(ρw – ρoil)/ρw].
T: Viscosidad cinemática del agua (cSt).
Factor y k2: Coeficientes adimensionales de ajuste experimental.
3.
UNA HERRAMIENTA PARA LA PROTECCIÓN DEL MEDIO AMBIENTE
3.1.
Proyectos de investigación en desarrollo
La herramienta numérica de predicción de la contaminación marina ha sido la consecución tecnológica de dos proyectos de investigación desarrollados conjuntamente por
el Laboratorio de Ingeniería Marítima de la ETS de Caminos de Barcelona y el instituto vasco AZTI. Estos proyectos, escalonados en el tiempo, han conducido a la evolución del conjunto de modelos utilizados, al ampliar su objetivos:
■
«Predicción numérica de la circulación y contaminación en el mar Cantábrico.
Aplicación a la dispersión de hidrocarburos en la ría del Nervión.»
■
En este proyecto, financiado con fondos FEDER, se plantea el desarrollo de
un sistema numérico de predicción de corrientes marinas y dispersión de hidrocarburos en la zona portuaria de Bilbao (figura 2). En él, participan además la
Autoridad Portuaria de Bilbao (PAB). Como producto final, se obtiene una apli-
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I Congreso de Ingeniería Civil, Territorio y Medio Ambiente
cación dirigida al Servicio de Operaciones Portuarias que permite predecir la deriva (y degradación) de un vertido hipotético en sus aguas interiores.
Figura 2.
Vista general del área de estudio número 1: el Puerto de Bilbao.
■
«Desarrollo de un sistema de predicción y gestión de impactos ambientales ocasionados por el vertido de hidrocarburos desde embarcaciones.»
■
El sistema debe predecir las condiciones hidrodinámicas de la zona de estudio del Golfo de Vizcaya, la dispersión de hidrocarburos y ser capaz de gestionar
los recursos disponibles para la lucha contra la contaminación a partir de una
base de datos (figura 3). Esta herramienta se plantea como una aplicación tipo
SIG, con una arquitectura distribuida (comunicación vía Internet entre el usuario/cliente y la base de datos/servidor).
3.2.
Objetivos de la herramienta
Como ya hemos visto, el objetivo finalista ha sido la puesta a punto de un sistema
de modelos capaz de simular los fenómenos anteriormente mencionados de advección
y dispersión turbulenta en la superficie del medio marino y de la transformación —o
degradación— del hidrocarburo en el mar. Para ello, se pusieron a punto un conjunto
de modelos hidrodinámicos y de dispersión preexistentes.
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Figura 3.
Batimetría discretizada del dominio número 2: golfo de Vizcaya.
En el marco genérico de la Protección del Medio Ambiente, el propósito es obtener una herramienta que pueda ser usada tanto para la prevención de la contaminación marina por hidrocarburos, creando escenarios hipotéticos y estableciendo mapas
de riesgos de contaminación, como para la gestión de los impactos ambientales producidos por un vertido accidental real, ayudando en situaciones de crisis a la toma
de decisiones.
Para facilitar su manejo por parte de usuarios no expertos, como sería el caso de la
Autoridad Portuaria de Bilbao, dicha herramienta numérica se ha desarrollada en una
entorno gráfico amigable que corre sobre plataformas estándar tipo PC.
3.3.
Estructura del sistema de predicción
El sistema resultante ha consistido en una aplicación amigable, mediante el uso de
ventanas y menús desplegables, programada en Visual Basic, para simplificar las operaciones de pre y post-proceso de los datos (facilitando al usuario la entrada de los datos de cada caso a simular y simplificando el análisis posterior de los resultados).
Por otro lado, incluye el modelo (o módulo) de análisis, programado en FORTRAN,
que resuelve mediante el Método de los Elementos Finitos las ecuaciones de conservación de la masa en el dominio computacional (figura 5). Dicho módulo necesita, entre
otros datos de partida, de las condiciones hidrodinámicas de la zona (corrientes inducidas por el viento, gradientes de densidad y/o mareas, etc.) que le son proporcionados
por un modelo hidrodinámico previo (figura 4). Estos datos han sido calibrados y validados con una serie de medidas de campo realizadas en la zona de estudio.
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Figura 4.
Esquema de la herramienta de predicción.
Figura 5.
Dominio de estudio. Malla computacional utilizada (27.000 elementos finitos).
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4.
RESULTADOS PRELIMINARES
Como ensayo práctico del sistema se adjuntan los resultados de un ejemplo simulado en el Puerto de Bilbao (véase malla computacional utilizada, figura 5). En este caso
se ha reproducido un pequeño vertido que existió en una dársena interior del puerto,
pudiéndose ver la evolución de un vertido de 300 m3 de Forties Blend (823 kg/m3), en
tres instantes: al cabo de 20 min, de 2 y de 6 horas de simulación, donde la mancha
se desplaza en dirección aguas arriba del río (figura 6.). Para ello se combinaron dos
situaciones desfavorables (viento del noroeste y marea entrante).
Por otro lado, se representa la evolución de la evaporación que llegó hasta un 53%
y los cambios en la viscosidad que ello comportó (figura 7).
Figura 6.
Evolución de un vertido de 300 m3 con viento del noroeste de 10 km/h. Resultados
al cabo de 20 min, 2 y 6 horas desde el inicio del vertido (concentración en kg/m2).
Figura 7.
Evolución de la evaporación (en % del volumen) y de la viscosidad.
687
I Congreso de Ingeniería Civil, Territorio y Medio Ambiente
5.
CONCLUSIONES: FUTURAS LÍNEAS DE TRABAJO
En este artículo se ha presentado un sistema de predicción de la deriva y transformación de un vertido de hidrocarburos en el medio marino desarrollado con la utilidad de facilitar la toma de decisiones en casos de crisis medioambientales producidas
por derrames. Como área de estudio se han definido la zona portuaria de Bilbao y el
golfo de Vizcaya, recopilando para ello datos de campo, que han servido tanto para alimentar al modelo de dispersión como también para su posterior validación.
Entre los diferentes procesos de degradación que sufren los hidrocarburos vertidos
al mar, se han incorporado al sistema aquellos de mayor importancia durante los primeros días después del vertido. De esta forma, la herramienta ha sido desarrollada para
ser eficiente durante el plazo máximo de una semana después del inicio del vertido,
tiempo suficiente para realizar las labores de limpieza de la mancha.
En esta primera fase se han definido las bases de lo que seria un Sistema Operacional de Previsión, estableciendo los requisitos de entrada y salida de la herramienta.
Se ha definido el rango de validez de la simulación en función de los datos disponibles
y de la exactitud de los modelos empleados. La líneas futuras de trabajo están encaminadas al desarrollo de un modelo tridimensional:
Mediante una formulación multicapa (Tkalich y Chao, 2001), representado el
vertido mediante «capas» o estratos con comportamientos distintos.
Completando el análisis 2D mediante una formulación vertical del perfil de velocidades (Daniel, 1996).
■
■
Desde el punto de vista de la descripción de los procesos de degradación, se pueden incluir procesos menos conocidos, pero igualmente importantes como el empuje
debido al oleaje o la incorporación de sedimentos y partículas en el contaminante vertido. La validación de estos modelos se realizará mediante resultados experimentales
(en canales con vertidos controlados) y a partir del seguimiento de vertidos reales,
como, por ejemplo, el del Erika en diciembre de 1999 (Daniel et al., 2001).
6.
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