Delft 3D para el modelamiento de la contaminación en sedimentos oceánicos

Influencia de los derrames de petróleo en sedimentos marinos

Cuando se dan derrames de petróleo en el mar y no se logran recolectar todos los residuos, estos son transportados por las corrientes marinas hacia la costa. En la zona marina, el petróleo mezclado con sedimentos suspendidos forma aglomerados que debido a su densidad se hunden y llegan al fondo marino.

Los residuos de petróleo que llegaron a la costa al mezclarse con la arena también forman aglomerados que pueden ser erosionados e introducidos nuevamente a la zona marina.

Los aglomerados varían en tamaño desde milímetros, centímetros a grandes capas de petróleo sumergido, que varían en longitud desde unos cuantos metros en la orilla y de 10 m a 100 m a lo largo de la costa, con espesores de hasta 20 cm.

Bajo condiciones de fuertes mareas, las capas pueden ir separándose hasta transformarse en partes más pequeñas y con más movilidad, a las cuales se les llama esferas superficiales residuales. Estas esferas generalmente consisten de un 70% a 95% de arena, consistiendo el remanente de una mezcla de petróleo con agua. 

 

¿Qué es Delft 3D?

Delft 3D es una plataforma de modelamiento para investigar hidrodinámica, transporte de sedimentos, morfología y calidad de agua para ambientes fluviales, de estuarios y costeros. Consiste de los módulos Flujo (FLOW), Morfología (MOR) y Olas (WAVE).

El software es usado y ha probado sus capacidades en muchos lugares alrededor del mundo como Holanda, Estados Unidos, Hong Kong, Singapur, Australia, Viena, etc. Se encuentra continuamente siendo mejorado y desarrollado con modernas técnicas de modelamiento como consecuencia del trabajo de investigación del instituto Deltares (Países Bajos), el cual se encuentra a cargo de su desarrollo.

Delft 3D ha sido utilizado, por ejemplo, para el estudio de “Evaluación de la movilidad y patrones de redistribución de aglomerados de arena y petróleo en la zona costera” (USGS, 2014).

 

Capacidades de Delft 3D para el transporte de sedimentos

El módulo FLOW es el corazón de Delft3D y es un programa multidimensional (2D o 3D) para simulación de hidrodinámica (y transporte) que calcula flujo no constante y el fenómeno de transporte resultante de las mareas y variables meteorológicas.

El módulo WAVE permite la generación del oleaje espectral por efecto de la acción del viento y la propagación del oleaje hacia la costa. El oleaje se describe a través del espectro de densidad de la acción de onda, el cual puede variar en el tiempo y en el espacio.

El módulo MOR calcula transporte de sedimentos (suspendidos y la carga total de fondo) así como los cambios morfológicos para un número arbitrario de fracciones cohesivas y no cohesivas. Las corrientes y olas funcionan como fuerzas condicionantes del sistema. Este módulo tiene incorporadas una amplia variedad de fórmulas de transporte.

Para la carga suspendida, este módulo conecta con el solucionador advectivo-difuso 2D o 3D del módulo FLOW (efectos de la densidad pueden ser tomados en cuenta).

El método predeterminado que utiliza el Delft3D está asociado a las fórmulas de Van Rijn pudiéndose especificar otro tipo de formulación como, por ejemplo, las ecuaciones de Meyer-Peter-Müller, entre otras.

Una característica esencial del módulo MOR es la dinámica y retroalimentación con los módulos FLOW y WAVE, que permite que los flujos y olas se ajusten a la batimetría local y permite la simulación en cualquier escala de tiempo (desde días a años). El software puede ayudar a realizar el monitoreo de la composición del lecho de sedimentos para construir un record estratigráfico. El módulo MOR puede ser extendido para incluir características de dragado y botaderos.

El cálculo simultáneo de hidrodinámica y transporte de sedimentos tiene las siguientes características:

  1. Procesos hidrodinámicos en tres dimensiones y la adaptación de perfiles de concentración sedimentos no equilibrados son automáticamente tomados en cuenta para los cálculos de los sedimentos suspendidos.
  2. Los efectos de la densidad de sedimentos en suspensión son automáticamente incluidos en los cálculos hidrodinámicos.
  3. El transporte de sedimentos y las simulaciones morfológicas son simples de desarrollar y no requieren de una gran cantidad de data para comunicar los resultados de los módulos de hidrodinámica y transporte de sedimentos.
Figura 1: Representación de la sedimentación y erosión. Fuente: Gyssels, P. (2013)

Figura 1: Representación de la sedimentación y erosión.
Fuente: Gyssels, P. (2013)

Figura 2: Vectores de velocidad promedio para el caso de hidrodinámica 2D Fuente: Gyssels, P. (2013)

Figura 2: Vectores de velocidad promedio para el caso de hidrodinámica 2D
Fuente: Gyssels, P. (2013)

 

Consideraciones a tener en cuenta para el modelamiento de transporte de sedimentos

La exactitud de los resultados calculados para las características del flujo y la dinámica de sedimentos depende bastante de los parámetros físicos y numéricos elegidos durante la construcción del modelo. Los parámetros físicos están relacionados con la naturaleza del área y pueden ser medidos directamente en campo o calculados indirectamente en función a otros parámetros de campo. Los parámetros numéricos son usados para el modelamiento, como el tamaño de grilla, intervalos de tiempo, etc.

Los modelos de transporte de sedimentos requieren de buena información de olas, corrientes, batimetría y tipo de sedimento. Además, es necesario conocer si la topografía es llana o abrupta, si se tiene información en el tiempo del comportamiento de olas para la calibración y posteriores simulaciones, si hay actividad animal en el área que pueda mezclar la capa superficial del sedimento, si hay otras fuentes que podrían cubrir al sedimento contaminado (descarga de residuos de perforaciones, sedimentos de los ríos, erosión costera, etc.). También hay que tomar en cuenta que si el sedimento es cohesivo sería problemático debido a que el transporte de esta clase no ha sido estudiado en profundidad hasta ahora.

 

Referencias

Dalyander, P. | Assessing mobility and redistribution patterns of sand and oil agglomerates in the surf zone | Marine Pollution Bulletin 80 | 2014

Gyssels, P. | Aplicaciones del modelo numérico Delft 3D a diferentes problemas hidrosedimentológicos en casos argentinos | Mecánica Computacional Vol XXXII | Noviembre 2013

 

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Posted on July 8, 2015 and filed under Hidroinformática, Medio ambiente.