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Publication
A generic operational tool for early warning oil spills - applications to Cartagena bay (Colombia) and the coast of Algarve
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| 2.03 MB | Adobe PDF |
Authors
Abstract(s)
Over the past 10 years, the record of oil spills per year has decreased, with the majority being of a medium size (between 7 and 700 tonnes) followed by larger scale events, with volumes greater than 700 tonnes. Even though the frequency of spill events has been decreasing, the size and quantity of oil tanker ships have been growing, which will increase the hazard level of a spill. These issues, highly motivate the creation of projects focused on dealing with ocean pollution. This thesis was developed in accordance with two of these projects: "BASIC-Building Resilience in Cartagena Bay" and "ASTRiiS-Atlantic Sustainability Through Remote and In-situ Integrated Solutions". The BASIC project focuses on monitoring water quality and creating a mathematical model to predict hydrodynamic conditions and identify pollution in Cartagena Bay. The resulting product will be used by CARDIQUE Corporation and local authorities. The ASTRiiS Project, involving organizations like the Technical Institute of Lisbon and CIMA at the University of the Algarve, seeks to develop customizable information services and products to be implemented in key sectors of the blue economy with growth potential. Thus, spill predictions are a crucial component of monitoring because they enable a more effective response to the accident by assessing the impact beforehand and better developing a strategy to mitigate the environmental impact. The most important oil weathering processes in seawater are most commonly computed by Lagrangian models, which provide these predictions. These processes, which represent the interaction of hydrocarbons with seawater, are: Spreading, Evaporation, Dispersion, Dissolution and Emulsification. The models are able to forecast the geographical and temporal propagation of the oil spill slick with the support of the hydrodynamic and atmospheric forcing from external numerical models, which are required to compute these processes. The three most crucial factors out of these are wind, currents, and water temperature, which are all applied to calculate how spills behave in different parts of the world. The objective of the thesis is to create a generic Python-based program that will serve as the link between the user and the oil spill model, serving as an Early Warning System Tool (EWS-Tool) in response to oil spills, adaptable to any region of the globe. The MOHID Lagrangian module will be adapted to the region of Cartagena Bay, Colombia, and, the Coastal Region of Algarve to assess the oil spill events. Furthermore, the operational models BASIC, SOMA, CMEMS, AMSEAS, SKIRON and GFS will supply the hydrodynamic and atmospheric variables, which will serve as the foundation for the simulation forcing. Essentially, the EWS-Tool must read the user simulation information from a web form and send the results for the user email with a report of the simulation results. Furthermore, the EWS Tool entered a testing phase where different users tested it in order to find improvements. The results showed that, by adapting the tool to two different regions, the tool can be easily used in different scenarios and adapted to other pollutants in any other region of the globe. Additionally, the base created in this work will allow the development in the future of new models capable of further reducing hydrocarbon pollution in the environment, track other types of pollution, including microplastics, and even assist in search and rescue operations.
A presente tese foi desenvolvida no âmbito de dois projetos de investigação, o “BASIC-Building Resilience in Cartagena Bay” e o ASTRiiS- “Atlantic Sustainability Through Remote and In-situ Integrated Solutions”. O Projeto BASIC visa desenvolver um programa de monitorização da qualidade da água e um sistema de modelação matemática capaz de prever as condições hidrodinâmicas e rastrear possíveis tipos de poluição na baía. Além disso, pretende apoiar a comunidade de Cartagena, unindo esforços com investigadores e instituições governamentais para melhorar o fornecimento e a qualidade da água potável. O produto final resultante deste trabalho será explorado pela Corporação CARDIQUE e pelas autoridades da baía. O Projeto ASTRiiS está a ser desenvolvido por um conjunto de organizações, incluindo o Instituto Técnico de Lisboa e o Centro de Investigação Marinha e Ambiental (CIMA) da Universidade do Algarve. O objetivo principal é desenvolver conhecimento técnico e científico para conceptualizar e implementar um conjunto de serviços e produtos de informação integrados e personalizáveis que serão aplicados e explorados em sectores-chave da economia azul com elevada margem de desenvolvimento. Ambos os projetos visam a diminuir o impacto da poluição ambiental, tanto por derrames de petróleo como por qualquer outra fonte. Atualmente, o registo de derrames de petróleo por ano diminuiu, sendo a maioria de dimensão média (entre 7 e 700 toneladas), seguida de eventos de maior escala, com volumes superiores a 700 toneladas. Apesar de a frequência dos derrames ter vindo a diminuir, a dimensão e a quantidade de navios petroleiros têm vindo a aumentar devido à necessidade acrescida deste tipo de recurso, o que por sua vez aumenta o risco de derrames de hidrocarbonetos. Assim, as previsões de derrames são uma componente crucial da monitorização, pois permitem uma resposta mais eficaz ao acidente, avaliando antecipadamente o impacto, ajudando a desenvolver uma melhor estratégia para atenuar o impacto ambiental. Os processos mais importantes de degradação do petróleo na água do mar são normalmente calculados por modelos Lagrangianos, que fornecem estas previsões. O modelo é capaz de prever a propagação espacial e temporal da mancha de hidrocarbonetos baseando-se nos dados fornecidos por modelos hidrodinâmicos e atmosféricos, que são necessários para calcular estes processos, e prever o comportamento do hidrocarboneto na água do mar. Estes processos, que representam a interação dos hidrocarbonetos com a água do mar, são: o Espalhamento, a Evaporação, a Dispersão, a Dissolução e a Emulsificação. Os três fatores mais importantes são o vento, as correntes e a temperatura da água, que são todos aplicados para calcular o comportamento dos derrames em diferentes partes do mundo. O objetivo da tese é criar um programa genérico baseado em Python que servirá de ligação entre o utilizador e o modelo de derrame de petróleo, servindo como uma Ferramenta de Sistema de Alerta Rápido (EWS-Tool) em resposta a derrames de petróleo, adaptável a qualquer região do globo. O modelo Lagrangiano MOHID, será adaptado à região da Baía de Cartagena, Colômbia, e à Região Costeira do Algarve para avaliar os eventos de derrames de petróleo. Além disso, os modelos operacionais BASIC/AMSEAS e GFS irão fornecer as variáveis hidrodinâmicas e atmosféricas, respetivamente, que servirão de base para o forçamento da simulação. O programa lê as linhas de um formulário web preenchido pelo utilizador e utiliza-as para executar a simulação. No final será enviado um e-mail ao utilizador com um relatório da simulação e três imagens que mostram o transporte da mancha de petróleo ao longo de um período de três dias. A EWS Tool entrou numa fase de testes onde diferentes utilizadores a testaram para providenciar sugestões para melhorias ao programa. Os resultados mostraram que, ao adaptar a ferramenta a duas regiões diferentes, pode ser facilmente utilizada em cenários diferentes e adaptada a outros poluentes em qualquer outra região do globo. Além disso, a base criada neste trabalho permitirá o desenvolvimento, no futuro, de novos modelos capazes de reduzir ainda mais a poluição por hidrocarbonetos no meio ambiente, rastrear outros tipos de poluição, incluindo microplásticos, e até ajudar em operações de busca e salvamento.
A presente tese foi desenvolvida no âmbito de dois projetos de investigação, o “BASIC-Building Resilience in Cartagena Bay” e o ASTRiiS- “Atlantic Sustainability Through Remote and In-situ Integrated Solutions”. O Projeto BASIC visa desenvolver um programa de monitorização da qualidade da água e um sistema de modelação matemática capaz de prever as condições hidrodinâmicas e rastrear possíveis tipos de poluição na baía. Além disso, pretende apoiar a comunidade de Cartagena, unindo esforços com investigadores e instituições governamentais para melhorar o fornecimento e a qualidade da água potável. O produto final resultante deste trabalho será explorado pela Corporação CARDIQUE e pelas autoridades da baía. O Projeto ASTRiiS está a ser desenvolvido por um conjunto de organizações, incluindo o Instituto Técnico de Lisboa e o Centro de Investigação Marinha e Ambiental (CIMA) da Universidade do Algarve. O objetivo principal é desenvolver conhecimento técnico e científico para conceptualizar e implementar um conjunto de serviços e produtos de informação integrados e personalizáveis que serão aplicados e explorados em sectores-chave da economia azul com elevada margem de desenvolvimento. Ambos os projetos visam a diminuir o impacto da poluição ambiental, tanto por derrames de petróleo como por qualquer outra fonte. Atualmente, o registo de derrames de petróleo por ano diminuiu, sendo a maioria de dimensão média (entre 7 e 700 toneladas), seguida de eventos de maior escala, com volumes superiores a 700 toneladas. Apesar de a frequência dos derrames ter vindo a diminuir, a dimensão e a quantidade de navios petroleiros têm vindo a aumentar devido à necessidade acrescida deste tipo de recurso, o que por sua vez aumenta o risco de derrames de hidrocarbonetos. Assim, as previsões de derrames são uma componente crucial da monitorização, pois permitem uma resposta mais eficaz ao acidente, avaliando antecipadamente o impacto, ajudando a desenvolver uma melhor estratégia para atenuar o impacto ambiental. Os processos mais importantes de degradação do petróleo na água do mar são normalmente calculados por modelos Lagrangianos, que fornecem estas previsões. O modelo é capaz de prever a propagação espacial e temporal da mancha de hidrocarbonetos baseando-se nos dados fornecidos por modelos hidrodinâmicos e atmosféricos, que são necessários para calcular estes processos, e prever o comportamento do hidrocarboneto na água do mar. Estes processos, que representam a interação dos hidrocarbonetos com a água do mar, são: o Espalhamento, a Evaporação, a Dispersão, a Dissolução e a Emulsificação. Os três fatores mais importantes são o vento, as correntes e a temperatura da água, que são todos aplicados para calcular o comportamento dos derrames em diferentes partes do mundo. O objetivo da tese é criar um programa genérico baseado em Python que servirá de ligação entre o utilizador e o modelo de derrame de petróleo, servindo como uma Ferramenta de Sistema de Alerta Rápido (EWS-Tool) em resposta a derrames de petróleo, adaptável a qualquer região do globo. O modelo Lagrangiano MOHID, será adaptado à região da Baía de Cartagena, Colômbia, e à Região Costeira do Algarve para avaliar os eventos de derrames de petróleo. Além disso, os modelos operacionais BASIC/AMSEAS e GFS irão fornecer as variáveis hidrodinâmicas e atmosféricas, respetivamente, que servirão de base para o forçamento da simulação. O programa lê as linhas de um formulário web preenchido pelo utilizador e utiliza-as para executar a simulação. No final será enviado um e-mail ao utilizador com um relatório da simulação e três imagens que mostram o transporte da mancha de petróleo ao longo de um período de três dias. A EWS Tool entrou numa fase de testes onde diferentes utilizadores a testaram para providenciar sugestões para melhorias ao programa. Os resultados mostraram que, ao adaptar a ferramenta a duas regiões diferentes, pode ser facilmente utilizada em cenários diferentes e adaptada a outros poluentes em qualquer outra região do globo. Além disso, a base criada neste trabalho permitirá o desenvolvimento, no futuro, de novos modelos capazes de reduzir ainda mais a poluição por hidrocarbonetos no meio ambiente, rastrear outros tipos de poluição, incluindo microplásticos, e até ajudar em operações de busca e salvamento.
Description
Keywords
Modelação oceânica Modelação de hidrocarbonetos Modelos operacionais Basic Soma Baía de Cartagena Algarve