Dispersão de Petroleo

161 Aplicao da Plataforma MOHID para simulao computacional de deriva ocenica de petrleo na bacia de Campos - RJ

Boletim do Observatrio Ambiental Alberto Ribeiro Lamego, Campos dos Goytacazes/RJ, v. 6 n. 1, p. 161-172, jan. / jun. 2012

* PhD em Oceanografia. Universidade dos Aores - UAC Aores - Portugal** PhD em Engenharia Mecnica. Universidade Tcnica de Lisboa - IST Lisboa - Portugal*** PhD em Oceanografia. Universidade do Estado do Rio de Janeiro IPRJ Rio de Janeiro - Brasil**** DSc. em Modelagem Computacional. Instituto Federal Fluminense/Campus Maca NUPERN Maca, RJ - Brasil. E-mail para contato: [email protected]***** Mestre em Engenharia Ambiente Universidade Tcnica de Lisboa - IST Lisboa Portugal1 Av. Rovisco Pais, 1049-001 Lisboa, Portugal. (http://ist.utl.pt).2 Sala 349, Ncleo Central do Tagus Park, 2780-982, Porto Salvo, Portugal (http://www.hidromod.pt).

Aplicao da Plataforma MOHID para simulao computacional de deriva ocenica de petrleo na bacia de Campos - RJ

Use of the MOHID Platform for computational simulation of oil ocean drift in the Campos basin RJ

Maria Manuela Fraga Juliano*Ramiro Neves**

Pedro Paulo Gomes Watts Rodrigues***Jader Lugon Junior****

Rodrigo Fernandes*****

ResumoO presente trabalho apresenta um modelo para simulaes de processo de deriva

ocenica obtidos com o uso do software MOHID na Bacia de Campos (RJ, Brasil), para estudar problemas ambientais com petrleo. Os resultados foram comparados com dados obtidos por satlite e tambm por meio de medidas de temperatura e salinidade obtidas por boias ARGO disponveis na regio de interesse.

Palavras-chave: Vazamento de leo. Hidrodinmica. Modelo ocenico. Simulao ambiental. MOHID.

AbstractThis work presents a model for ocean drift simulations data obtained with the

MOHID software in the Campos Basin (RJ, Brazil) to study oil environmental issues. Results were compared with satellite data, as well as temperature and salinity data obtained by ARGO drifters available in the region.

Key words: Oil spill. Hydrodynamics. Ocean model. Environmental simulation. MOHID

162 Maria Manuela Fraga Juliano et al.


Introduo

O MOHID uma plataforma de simulao hidrodinmica e transporte de constituintes em suspenso e soluo. O desenvolvimento do MOHID iniciou-se em 1985, sendo desde ento submetido a um contnuo melhoramento e atualizao, devido sua aplicao em muitas pesquisas e projetos de engenharia. Os modelos que o compreendem foram desenvolvidos por uma grande equipe de tcnicos pertencentes ao Instituto Superior Tcnico de Lisboa, em cooperao prxima com a empresa Hidromod Ltda , e inclui contribuies de uma equipe permanente de pesquisadores, de alunos de doutorado dos Programas de Engenharia Ambiental e Mecnica, bem como de alunos do Curso de Mestrado em Modelagem de Ambientes Marinhos. Contribuies de outros grupos de pesquisa tm, igualmente, sido relevantes para o desenvolvimento do MOHID. A filosofia do novo modelo MOHID (MIRANDA et al., 2000) permite a utilizao do modelo em suas abordagens uni, bi e tridimensional. Todo o modelo est programado fazendo uso da filosofia objeto-orientada. A subdiviso do programa em mdulos, assim como o fluxo de informaes entre esses mdulos, foi objeto de estudo por parte dos autores do MOHID. Atualmente, o MOHID composto por mais de 40 mdulos, os quais somam mais de 150.000 linhas de programao. Cada mdulo responsvel por gerenciar um certo tipo de informao.

O MOHID tem sido aplicado em diversas regies costeiras e estuarinas, mostrando-se capaz de simular complexas caractersticas presentes em escoamentos observados nessas regies. O modelo tem sido aplicado tanto como ferramenta de pesquisa, quanto em projetos de consultoria. Ao longo da costa portuguesa, diferentes ambientes tm sido estudados com o seu auxlio, incluindo os seus principais esturios (Minho, Lima, Douro, Mondego, Tejo, Sado, Mira, Arade e Guadiana) e lagoas costeiras (Ria de Aveiro e Ria Formosa) (INAG, 2001; MARTINS et al., 2000). O modelo foi igualmente implementado na maioria das lagoas da Galcia como Ra de Vigo (TABOADA et al.,1998; MONTERO, 1999 e MONTERO et al.,1999), Ra de Pontevedra (TABOADA et al., 2000; VILLARREAL et al., 2000), alm de outras lagoas (PREZ VILLAR et al., 1999).

Alm das regies costeiras da Pennsula Ibrica, alguns esturios tm sido modelados, como o Western Scheldt (Holanda), Gironde (Frana), esses por meio de modelos desenvolvidos por Cancino e Neves (1999) e o esturio de Carlingford, Irlanda, por meio de modelo desenvolvido por Leito (1997), assim como alguns esturios localizados na costa brasileira, como nas cidades de Santos e Fortaleza.

Com relao modelagem de mar aberto, o modelo MOHID j foi aplicado na regio do Atlntico Nordeste, onde alguns processos foram estudados, incluindo a corrente costeira de Portugal (COELHO et al., 1994), o comportamento de correntes ao longo do limite da Plataforma Continental no Atlntico Europeu (NEVES et al.,1998) e



a gerao interna de ondas de mar (NEVES et al., 1998). Alm disso, o modelo tambm foi aplicado no Mar Mediterrneo, com o objetivo de se simularem ciclos sazonais (TABOADA, 1999), e nos estudos da circulao do mar de Alboro (SANTOS, 1995). Mais recentemente, o MOHID foi aplicado em diversos reservatrios de gua doce portugueses, como Monte Novo, Roxo e Alqueva (BRAUNSCHWEIG, 2001), com o objetivo de estudar o escoamento e a qualidade da gua desses sistemas.

Cabe destacar alguns trabalhos cientficos desenvolvidos no Brasil com a plataforma MOHID: Sampaio (2008) contribuiu no gerenciamento costeiro do esturio de Santos, Precioso et al. (2008) estudaram parmetros de qualidade de gua na Lagoa do Vigrio (RJ), Lima (2012) utilizou tcnicas de problemas inversos para identificar parmetros hidrodinmicos no esturio do Rio Maca e Leito et al. (2001) desenvolveram um modelo para deposio de sedimentos na zona costeria de So Paulo.

Metodologia

Abordagem Lagrangeana

O sistema MOHID inclui o Mdulo Hidrodinmico baroclnico para a coluna e uma verso 3D para os sedimentos e os correspondentes mdulos de transporte, tanto eulerianos quanto Lagrangeanos. Modelos de transporte Lagrangeanos so teis para simular processos que possuem gradientes acentuados, como, por exemplo, disperso de petrleo. O Mdulo Lagrangeano do MOHID faz uso do conceito de traador. A propriedade mais relevante de um dado traador sua posio no espao (x,y,z). Para um fsico, um traador pode ser uma dada massa dgua; j para um gelogo pode ser uma partcula sedimentar ou um grupo de partculas, enquanto que, para um qumico, pode ser uma molcula ou um grupo delas. J um bilogo pode considerar como tal clulas do fitoplncton, ou mesmo um tubaro, de forma que um modelo desse tipo deve ser capaz de simular uma faixa ampla de processos.

O movimento de um traador pode ser influenciado pelo campo de velocidades gerado pelo Mdulo Hidrodinmico, pela velocidade de espalhamento, gerado pelo Mdulo Disperso de Petrleo, e ainda por oscilaes randmicas da velocidade. No estgio presente em que se encontra, o MOHID capaz de simular a disperso de petrleo, a evoluo da qualidade da gua e do transporte de sedimento. Para simular a disperso de petrleo, o Mdulo Lagrangeano interage com o Mdulo Disperso de Petrleo; j para simular a evoluo da qualidade da gua, o Mdulo Lagrangeano faz uso das propriedades descritas pelo Mdulo Qualidade da gua. O transporte de sedimento pode estar associado diretamente aos traadores por meio do conceito de velocidade de deposio. A Figura 1 representa o fluxo de informao entre o Mdulo Lagrangeano e outros mdulos do MOHID.



Figura 1: Fluxo de informao entre o Mdulo Lagrangeano e outros mdulos do MOHID

Outra importante caracterstica do modelo de transporte Lagrangeano sua capacidade de computar o tempo de residncia. Isso pode ser bastante til, por exemplo, no estudo de trocas de massas dgua em baas e esturios.

O conceito de traador

Como mencionado acima, o Mdulo Lagrangeano do MOHID faz uso do conceito de traador. Os traadores so caracterizados pelas coordenadas espaciais, volume e uma lista de propriedades (cada qual com uma dada concentrao). Essas propriedades podem ser as mesmas descritas no Mdulo Propriedades da gua, por exemplo. Cada



traador tem um tempo associado, durante o qual movimentos randmicos podem ser executados.

Os traadores so gerados em sua origem. Traadores que pertencem mesma origem tm a mesma lista de propriedades e fazem uso dos mesmos parmetros na caracterizao de seu percurso randmico, como decaimento de coliformes etc. As origens podem diferir na forma como emitem traadores, havendo trs formas distintas de se definirem as origens no espao:

OrigensPontuaisqueemitemtraadoresemumdadopontonoespao;

OrigensdotipoCaixaqueemitemtraadoressobreumadeterminadarea;

OrigensdotipoAcidentequeemitemtraadoresdeformacircularaoredor

de um dado ponto.

Por outro lado, h duas diferentes formas pelas quais origens podem emitir traadores no tempo:

Origenscontnuasqueemitemtraadoresduranteumperododetempo;

Origensinstantneasqueemitemtraadoresemumdadoinstantedetempo.

Origens podem ser agrupadas em grupos de Origens. Origens que pertencem a um mesmo grupo so da mesma forma agrupadas no arquivo de sada, de modo a facilitar a anlise dos resultados.

Mdulo Petrleo

A previso e a simulao da trajetria e degradao de manchas de petrleo so essenciais para a elaborao de planos de resposta e contingncia a derramamentos, assim como para a avaliao de impactos ambientais que possam decorrer de derramamentos. Com o objetivo de se prever o comportamento de derivados de petrleo, eventualmente derramados em zonas costeiras, um modelo de degradao de petrleo foi desenvolvido no MOHID, capaz de prever a evoluo e o comportamento de processos (incluindo transporte e disperso) e propriedades de derivados de petrleo em gua. Alguns procedimentos de resposta a derramamentos tambm foram integrados a esse modelo.

Tanto a densidade quanto a viscosidade, assim como diferentes processos, esto includos no Mdulo Petrleo, tais como espalhamento, evaporao, disperso, sedimentao, dissoluo, emulsificao, aporte de petrleo em praias e tcnicas de remoo. Diferentes mtodos alternativos foram programados para a previso desses processos. Por essa razo, ao utilizar o modelo, h mais de uma forma de simular os processos, dependendo, por exemplo, das caractersticas da malha computacional ou da magnitude da mancha que se est simulando.

O Mdulo Degradao faz uso, principalmente, dos Mdulos 3D Hidrodinmico



e 3D Lagrangeano. O Mdulo Hidrodinmico simula o campo de velocidades necessrio ao Mdulo Lagrangeano, para calcular a trajetria da mancha de petrleo. Essas trajetrias so computadas assumindo-se que a mancha de petrleo pode ser idealizada como um grande nmero de partculas que se movem de forma independente na gua. Propriedades da gua e condies atmosfricas so introduzidas no Mdulo Lagrangeano, sendo utilizadas pelo Mdulo Petrleo para a determinao de processos e propriedades da prpria mancha. Com exceo do espalhamento e do aporte de petrleo em praias, todos os processos de degradao e propriedades so considerados como uniformes para todos os traadores, como, por exemplo, propriedades da gua e condies atmosfricas, as quais so presumidas como as que prevaleam no local de origem do acidente.

Como mencionado anteriormente, o movimento dos traadores de petrleo pode ser influenciado pelo campo de velocidades, pelo vento (determinado no Mdulo Superfcie), pela velocidade de espalhamento (determinada no Mdulo Petrleo) e pelas velocidades randmicas.

A temperatura do petrleo entendida como a mesma da gua, negligenciando-se a radiao solar e qualquer outro processo de transferncia de energia que possa vir a influenciar a sua temperatura.

Figura 2: Fluxo de informao entre o Mdulo Petrleo e outros mdulos



Resultados

Estudo de Caso

Este trabalho apresenta uma aplicao da plataforma MOHID, por meio de seu Mdulo Petrleo em uma abordagem Lagrangeana, que objetivou simular o transporte de uma mancha de petrleo, decorrente de recente derramamento ocorrido na costa norte fluminense. O domnio simulado e batimetria so apresentados na Figura 3.

Embora a regio de interesse, para fins prticos, devesse estar confinada ao menor detalhe da figura (costa norte fluminense), o domnio simulado compreendeu toda a regio maior, em razo de a circulao atmosfrica e marinha serem influenciadas por sistemas to longnquos quanto os presentes no extremo sul do continente americano. O modelo adotou resoluo crescente, da maior para a menor regio destacadas na Figura 3.

Na Figura 4 apresentado o campo de velocidades simulado para o dia 6 de maio de 2011. Destaca-se a presena de importantes vrtices na regio de interesse.

Figura 3: Batimetria da regio de estudo



Figura 4: Representao do campo de velocidade

Figura 5: Comparao entre a variao de nveis simulados e observados

Tanto o modelo hidrodinmico quanto o modelo de transporte foram validados por observaes de campo. O modelo hidrodinmico foi aferido pela comparao entre a variao de nvel observada e simulada. A Figura 5 apresenta esses resultados para a estao maregrfica situada na Ilha Fiscal, no interior da Baa de Guanabara. Pode-se observar que uma excelente concordncia foi obtida. Vale ressaltar que uma melhor simulao somente foi obtida quando se considerou a mar meteorolgica e no somente a astronmica.



Figura 6: Comparao entre as temperaturas simuladas e observadas

Figura 7: Comparao entre simulaes e dados das sondas ARGO

J o modelo de transporte foi validado por dois conjuntos de dados. Superficialmente, a temperatura simulada foi comparada com a registrada por imagens de satlite. Na Figura 6, esse resultados so mostrados para o dia 25 de maio de 2011. Mais uma vez uma excelente concordncia pode ser constatada visualmente.

Por outro lado, pela perspectiva vertical o modelo foi validado por perfis verticais gerados por sondas que, deriva pelo Atlntico, periodicamente registram valores de temperatura e salinidade. A Figura 7 apresenta essa comparao para para diversos pontos e permite constatar uma tima concordncia entre simulao e observao.



Uma vez garantida a consistncia das simulaes, tanto hidrodinmicas quanto de transporte, implementou-se um modelo de disperso de petrleo. Na ausncia de levantamentos voltados especificamente para a validao desse modelo, a comparao foi feita com uma imagem disponibilizada na internet. Em que pese a dificuldade de se ter uma estatstica dessa comparao, verifica-se, visualmente, que o modelo foi capaz de reproduzir satisfatoriamente a mancha de leo, tanto na forma quanto na distncia em relao costa, tendo essa ltima informao grande relevncia ambiental.

Concluso

Os resultados so promissores para uso no gerenciamento da problemtica ambiental na regio modelada. A exemplo de outras aplicaes j realizadas, o simulador MOHID foi capaz de reproduzir, de forma satisfatria, diversos cenrios observados na regio ocenica que inclui a costa brasileira. Particularmente na simulao do comportamento de uma mancha de leo, levantamentos especficos para o fim de validao se mostram necessrios, apesar de qualitativamente o modelo construdo ter mostrado muito bom desempenho. Nesse quesito vale lembrar que o MOHID j foi

Figura 8: Simulao de deriva de leo



aplicado com sucesso na reproduo e evoluo da mancha de leo originria do acidente que envolveu a embarcao Prestige, ocorrido na costa espanhola (NEVES et al., 1998).

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