Ανάπτυξη µοντέλων πρόβλεψης κυµατισµών στο θαλάσσιο και παράκτιο περιβάλλον και αξιοποίηση σε θέµατα βελτιστοποίησης της ναυπηγικής τεχνολογίας για την αντιµετώπιση προβληµάτων ρύπανσης Κ.Α. Μπελιµπασάκης, Γ. Χατζηκωνσταντής Τµήµα Ναυπηγικής, ΤΕΙ Αθηνών kbel@teiath.gr Abstract Recently, the Shipbuilding Department of TEI of Athens has been funded by ARCHIMEDES program, in the framework of Operational Programme for Education and Initial Vocational Training (EPEAEK) coordinated by the Greek Ministry of Education and the European Union, for research in the direction related to optimization of shipbuilding technology aiming at the protection of marine environment against the oil pollution. In this work, we describe recent advances in the above direction, including the development of models for wave propagation and wave-current interaction in nearshore/coastal environment, oil-slick dispersion and pollutant transport, study of hydrodynamic characteristics of ship and floating bodies operating in variable bathymetry regions, and the exploitation of the above in the design and optimization of new antipollution ship technology. Key words: protection of marine environment, antipollution ship technology 1. Εισαγωγή Οπως είναι γνωστό, η πετρελαϊκή ρύπανση της θάλασσας αποτελεί µείζον περιβαλλοντικό και οικονοµικό πρόβληµα παγκοσµίων διαστάσεων. Οι διαρροές πετρελαίου από τις οποίες επιβαρύνεται το θαλάσσιο περιβάλλον προκαλούν οικολογικές καταστροφές, συνοδευόµενες συνήθως και από µεγάλες οικονοµικές ζηµιές, ιδιαίτερα στις οικονοµικές δραστηριότητες των παρακτίων πληττοµένων περιοχών. Θλιβερό παράδειγµα το πρόσφατο ναυάγιο του δεξαµενοπλοίου PRESTIGE τον Νοέµβριο του 2002 στον Ατλαντικό κοντά στις ακτές της Ισπανίας και Β Γαλλίας προξενώντας τεράστιες ζηµιές στο παράκτιο περιβάλλον και την τοπική οικονοµία (Βλ. Σχ.1). Στη σηµερινή πραγµατικότητα τεράστια οικονοµικά ποσά δαπανώνται στις τεχνολογίες πετρελαϊκής απορρύπανσης του θαλάσσιου χώρου, όπου σύµφωνα µε αξιόπιστες διεθνείς πηγές η µέση θαλάσσια πετρελαϊκή ρύπανση ανέρχεται στους 1,2-1,5 εκατοµµύρια τόνους πετρελαίου ετησίως. Αν και η αντιµετώπιση της θαλάσσιας ρύπανσης από το πετρέλαιο έχει οδηγήσει στην
94 ΕΠΕΑΕΚ - ΑΡΧΙΜΗ ΗΣ Σχήµα 1. Εικόνες από το ναυάγιο του δεξαµενοπλοίου PRESTIGE και τη ρύπανση που προκάλεσε στο θαλάσσιο/παράκτιο περιβάλλον ανάπτυξη διαφόρων µεθόδων απορρύπανσης, αυτές δυστυχώς µέχρι σήµερα δεν έχουν αποβεί πλήρως αποτελεσµατικές. Τα µαγνητικά πετρελαιοπροσροφητικά υλικά αποτελούν µια νέα τεχνολογία αντιµετώπισης των πετρελαιοκηλίδων η οποία βασίζεται στην µέθοδο του µαγνητικού διαχωρισµού σε συνδυασµό µε την χρήση ενός νέου πετρελαιοπροσροφητικού-µαγνητικού υλικού. Η νέα αυτή τεχνολογία έχει αποδειχθεί επιτυχής σε πρόσφατα πιλοτικά πειράµατα αντιµετώπισης των πετρελαιοκηλίδων. Η µέθοδος που έχει προταθεί στις εργασίες Nicolaides et al (1998a,b) εµφανίζει εργαστηριακά µια τέτοια δυνατότητα και βασίζεται στην τεχνική του µαγνητικού διαχωρισµού. Η συγκεκριµένη µέθοδος συνίσταται στή χρήση ενός επιπλέοντος απορροφητικού ελαιόφιλου-υδρόφοβου µαγνητικού υλικού, το οποίο διασκορπιζόµενο πάνω στην επιφάνεια της πετρελαιοκηλίδας, προσροφά το πετρελαιοειδές σχεδόν στιγµιαία. Λόγω του µαγνητικού χαρακτήρα του υλικού, αυτό µπορεί να περισυλλεχθεί µε µαγνητικά µέσα (ηλεκτροµαγνήτες, συστήµατα µονίµων µαγνητών κ.α.) σε σύντοµο σχετικά χρονικό διάστηµα, και να γίνει ανάκτηση σύµφωνα µε τα µικρής κλίµακας πειραµατικά αποτελέσµατα όλης της ποσότητας του πετρελαιοειδούς από την υδάτινη επιφάνεια, µε επιτυχία σε ποσοστό που αγγίζει το 100%, βλ. Oil Spill Intelligence Report (1999), Nicolaides et al (2000). H εργαστηριακή παρασκευή του νέου υλικού που προαναφέρθηκε και που έχει την ονοµασία CLEANMAG (=Cleaning Magnetically) επιτυγχάνεται µε την ανάµειξη πολυµερούς µε ενεργοποιητές επιφάνειας (surfactants) και µαγνητικού υλικού, Νικολαϊδης (1996, ίπλ. Ευρεσ. GR1002782/96-OBI). 2. Εφαρµογή της νέας τεχνολογίας CLEANMAG Με σκοπό την εφαρµογή της προτεινόµενης νέας τεχνολογίας σε µεγάλη κλίµακα, σχεδιάσθηκε και ναυπηγήθηκε, Χατζηκωνσταντής (2001), Νικολαϊδης κ.α. (2003), ένα πρωτότυπο σκάφος περισυλλογής πετρελαιοειδών και ελαίων, Σχ. 2, το οποίο
Πρακτικά 1 oυ Συνεδρίου ΤΕΙ Αθήνας 95 είναι εξοπλισµένο µε όλους τους µηχανισµούς που απαιτούνται για την εφαρµογή της τεχνολογίας CLEANMAG, όπως εικονίζεται στην γενική διάταξη στο Σχ. 3. Σχήµα 2. Πρωτότυπο σκάφος περισυλλογής πετρελαιοειδών Σχήµα 3. Γενική διάταξη καταστρώµατος πρωτοτύπου σκάφους. Στην περιοχή της πλώρης εικονίζεται η διάταξη µαγνητικού τυµπάνου-ιµάντα περισυλλογής του πετρελαιοπροσροφητικού-µαγνητικού υλικού 3. Βελτιστοποίηση της τεχνολογίας Παρά την επιτυχή δοκιµαστική λειτουργία του πλοίου αυτού, ο συγκεκριµένος τύπος σκάφους δεν είναι ο µοναδικός που ανταποκρίνεται βέλτιστα στην τεχνολογία CLEANMAG. Εχει ήδη διαφανεί ότι θα µπορούσε να επιτευχθεί βελτιστοποίηση του σχεδιασµού, ιδιαίτερα ως προς τις επιχειρησιακές του δυνατότητες και τον λόγο κόστους-αποτελέσµατος, η εξέταση άλλων µορφών γάστρας, όπως π.χ. δίγαστρο σκάφος τύπου catamaran. Στην συνέχεια της παρούσας εργασίας παρουσιάζονται τα µέχρι σήµερα αποτελέσµατα του έργου µε τίτλο «Ανάπτυξη µοντέλων πρόβλεψης κυµατισµών στο θαλάσσιο και παράκτιο περιβάλλον και αξιοποίηση σε θέµατα
96 ΕΠΕΑΕΚ - ΑΡΧΙΜΗ ΗΣ βελτιστοποίησης της ναυπηγικής τεχνολογίας για την αντιµετώπιση προβληµάτων ρύπανσης» που χρηµατοδοτείται από το πρόγραµµα «ΑΡΧΙΜΗ ΗΣ» στα πλαίσια του ΕΠΕΑΕΚ, και επικεντρώνεται στα ακόλουθα θέµατα: (α) Την ανάπτυξη και βελτίωση µαθηµατικών µοντέλων πρόβλεψης των χαρακτηριστικών των θαλάσσιων κυµατισµών στο θαλάσσιο και παράκτιο περιβάλλον και των επιδράσεων τους, επικεντρωµένων σε θέµατα προσβολής παράκτιων περιοχών από ακραία φαινόµενα και περιστατικά ρύπανσης από πετρελαιοκηλίδες. (β) Την ανάπτυξη και βελτίωση µαθηµατικών µοντέλων διάδοσης ρυπαντών σε συνεργασία µε τα κυµατικά µοντέλα. (γ) Την αξιοποίηση των ανωτέρω σε θέµατα ανάπτυξης και βελτιστοποίησης της ναυπηγικής τεχνολογίας στην αντιµετώπιση προβληµάτων ρύπανσης στο παράκτιο περιβάλλον. 3.1 Μαθηµατικά µοντέλα πρόβλεψης θαλάσσιων κυµατισµών στο θαλάσσιο και παράκτιο περιβάλλον Στα πλαίσια του έργου αναπτύχθηκε κώδικας που υπολογίζει την διάδοση κυµατισµών σε θαλάσσια/παράκτια περιβάλλοντα µε γενική τοπογραφία πυθµένα. Οι αριθµητικοί υπολογισµοί βασίζονται σε µοντέλο εξισώσεων Boussinesq (Beji & Battjes, 1994) κατάλληλο για µεταβαλλόµενη βαθυµετρία και µε βελτιωµένα χαρακτηριστικά διασποράς, Belibassakis et al (2004). Ενδεικτικά αποτελέσµατα υπολογισµών παρουσιάζονται στο Σχ. 4, όπου επίσης παρουσιάζεται και σύγκριση αριθµητικών αποτελεσµάτων µε πειραµατικές µετρήσεις για θαλάσσια ρήχωση. 3.2 Μελέτη των επιδράσεων ρευµάτων και µαθηµατική µοντελοποίηση διάδοσης επιπλεόντων ρυπαντών Επιπροσθέτως, αναπτύχθηκαν µοντέλα και αριθµητικός κώδικας για την µελέτη των επιδράσεων των µονίµων ρευµάτων στη διάδοση κυµατισµών σε θαλάσσιο/παράκτιο περιβάλλον και σε περιοχές µε µεταβαλλόµενη βαθυµετρία, Σχ. 5. Τα αποτελέσµατα αυτά είναι καθοριστικά για την περαιτέρω βελτίωση µαθηµατικών µοντέλων διάδοσης ρυπαντών σε συνεργασία µε τα κυµατικά µοντέλα στην παράκτια ζώνη. 3.3 ιατύπωση σεναρίων και η εφαρµογή των µοντέλων κύµατος και διάδοσης ρυπαντών σε πραγµατικά παράκτια περιβάλλοντα Βασικό µέρος του έργου αποτελεί η διατύπωση σεναρίων και η εφαρµογή των µοντέλων κύµατος και διάδοσης ρυπαντών σε πραγµατικά παράκτια περιβάλλοντα σε επιλεγµένες περιοχές του Ελληνικού θαλάσσιου χώρου, για τις οποίες διατίθενται στοιχεία από µετρήσεις.
Πρακτικά 1 oυ Συνεδρίου ΤΕΙ Αθήνας 97 Σχήµα 4. Σύγκριση αριθµητικών αποτελεσµάτων από το µοντέλο που αναπτύχθηκε µε πειραµατικές µετρήσεις για θαλάσσια ρήχωση Σχήµα 5. Αποτελέσµατα από το αναπτυχθέν µοντέλο για την διάδοση/αλληλεπί-δραση κυµατισµών σε περιβάλλοντα µεταβαλλόµενης βαθυµετρίας. Κύµα κατά τη φορά (αριστερό σχήµα) η αντίθετα (δεξί σχήµα) προς µη οµογενές ρεύµα. Κύριος σκοπός των αντιστοίχων εργασιών είναι η αξιολόγηση των µοντέλων, αλλά και η συγκέντρωση χρησίµων στοιχείων και η διατύπωση συµπερασµάτων σχετικά µε την αναλυτική µελέτη και βελτιστοποίηση της σχεδίασης αντιρρυπαντικού πλοίου ειδικού τύπου. Στα πλαίσια του παρόντος έργου αναπτύχθηκε νέο µοντελο µακροχρόνιων από κοινού κυµατολογικών και ανεµολογικών δεδοµένων στα πλαίσια
98 ΕΠΕΑΕΚ - ΑΡΧΙΜΗ ΗΣ της θεωρίας των µη στασίµων στοχαστικών διαδικασιών (Stefanakos & Belibassakis, 2005). Επίσης, έγινε και εφαρµογή αυτού για την παραγωγή αποτελεσµάτων που αφορούν φάσµατα ανύψωσης ελεύθερης επιφάνειας (Stefanakos 2005), χρησιµοποιώντας δεδοµένα από το European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF), για θαλάσσιες περιοχές της Μεσογείου θαλάσσης. Σχήµα 6. Αποτελέσµατα επίδρασης κεκλιµένου πυθµένα στους υδροδυναµικούς συντελεστές πλωτού σώµατος στις 2 διαστάσεις Σχήµα 7. Αποτελέσµατα επίδρασης κεκλιµένου πυθµένα στις αποκρίσεις πλωτού σώµατος στις 2 διαστάσεις
Πρακτικά 1 oυ Συνεδρίου ΤΕΙ Αθήνας 99 3.4 Βελτιστοποίηση της ναυπηγικής τεχνολογίας για την αντιµετώπιση προβληµάτων ρύπανσης στο παράκτιο περιβάλλον. Με σκοπό την εφαρµογή της προτεινόµενης νέας τεχνολογίας σε µεγάλη κλίµακα, έχει στο παρελθόν σχεδιασθεί και ναυπηγηθεί ένα πρωτότυπο σκάφος κλασσικού τύπου γάστρας για την περισυλλογή πετρελαιοειδών και ελαίων, το οποίο είναι εξοπλισµένο µε όλους τους µηχανισµούς που απαιτούνται για την εφαρµογή της τεχνολογίας µαγνητικών πετρελαιο-προσροφητικών υλικών (CLEANMAG). Σκοπός του παρόντος έργου είναι, µε βάση τα αποτελέσµατα των προηγούµενων φάσεων, η εξέταση και βελτιστοποίηση του σχεδιασµού πλοίου, µη συµβατικού τύπου γάστρας, ιδιαίτερα ως προς τις επιχειρησιακές του δυνατότητες και τον λόγο κόστους-αποτελέσµατος. Για την υποστήριξη της µελέτης βελτιστοποίησης της επιχειρησιακής ικανότητας του ανωτέρω σκάφους, σε περιβάλλοντα κοντά στις ακτές, όπου η τοπογραφία και οι µεταβολές του θαλάσσιου πυθµένα µπορεί να έχουν σηµαντικές επιδράσεις, διατυπώθηκαν µαθηµατικά προβλήµατα και µελετήθηκαν τα αντίστοιχα αριθµητικά σχήµατα που επιτρέπουν τον συνεπή υπολογισµό της υδροδυναµικής συµπεριφοράς πλωτών σωµάτων σε γενική βαθυµετρία στις δύο και στις τρείς διαστάσεις, Σχ. 6 και 7. Η µεθοδολογία που αναπτύχθηκε και σχετικά αποτελέσµατα παρουσιάζονται στις εργασίες Belibassakis (2004) και Belibassakis (2005), αντίστοιχα. Τέλος, έγινε συστηµατική εφαρµογή του επαγγελµατικού λογισµικού ηλεκτρονικής σχεδίασης πλοίων AUTOSHIP (το οποίο πρόσφατα αποκτήθηκε από το Τµήµα Ναυπηγικής του ΤΕΙ Αθήνας, µε χρηµατοδότηση από το ΕΠΕΑΕΚ ΙΙ/Αναβάθµιση ΠΠΣ) µε σκοπό την συστηµατική διερεύνηση και βελτιστοποίηση γεωµετρικών παραµέτρων δίγαστρου αντιρρυπαντικού σκάφους, όπως εικονίζεται στο Σχ. 8, για την εφαρµογή της τεχνολογίας µαγνητικών πετρελαιοπροσροφητικών υλικών. Σχήµα 8. Τριδιάστατη απεικόνιση µητρικού δίγαστρου αντιρρυπαντικού σκάφους για την εφαρµογή της τεχνολογίας µαγνητικών πετρελαιοπροσροφητικών υλικών.
100 ΕΠΕΑΕΚ - ΑΡΧΙΜΗ ΗΣ Ευχαριστίες Η παρούσα εργασία έχει υποστηριχθεί από το πρόγραµµα «ΑΡΧΙΜΗ ΗΣ» του ΕΠΕΑΕΚ που χρηµατοδοτείται κατά 75% από την ΕΕ και 25% από το ΥΠΕΠΘ. Αναφορές 1. Nicolaides G.K., Skountzos P., Atanassova Y., Koutroumbas K (1998). CLEANMAG: The magnetic cleanup of waterborne oil spills- A new approach in the battle of oil spill cleanups. EUROMAT 98, Conf of the European Material Society on Materials in Oceanic Environment, Lisbon, Portugal, 1998, 1, 709-717. 2. Nicolaides G.K., Skountzos P., Atanassova Y.K. (1998). CLEANMAG: Magnetism vs. Oil Spills. Int. Conf. on oil spills in the Mediterranean and Black Sea regions (MEDOSC), Istanbul, Turkey, September 1998. 3. Oil Spill Intelligence Report (1999). XXII, No 31, Cutter Information Corp., USA. 4. Nicolaides G.K., Zisos A., Skountzos P., Atanassova Y., Salt D., Willman M. Clements M. (2000). Medium Scale Field Tests of the CleanMag magnetic method for the waterborne oil spill clean up, Int. Conf. on oil spills in the Mediterranean and Black Sea regions (MEDOSC), Istanbul, Turkey, 2000. 5. Χατζηκωνσταντής Γ. (2001). Μελέτη του σκάφους συλλογής πετρελαιοειδών CLEANMAG I NANCY. Τεχνική Εκθεση, Οκτώβριος 2001. 6. Νικολαϊδης Γ.Κ., Σκούντζος Π., Ατανάσοβα Γ., Χατζηκωνσταντής Γ. (2003). Μαγνητική µέθοδος καθαρισµού πετρελαιοηλίδων. HELECO 2003, Αθήνα, 30 Ιανουαρίου - 4 Φεβρουάριου 2003. 7. Beji S., Battjes J.A. (1994). Numerical simulation of nonlinear wave propagation over a bar, Coastal Engineering, 2, 1-16. 8. Belibassakis K.A., Stefanakos Ch.N., Bratsos A., Prospathopoulos A.M. (2004). Numerical simulation οf weakly nonlinear wave propagation in variable bathymetry regions, International Conference of Numerical Analysis and Applied Mathematics (ICNAAM 2004), Chalkis, Greece, September 10-14, 38-41. 9. Belibassakis, K.A. (2005). Propagation of water waves through shearing currents in general bathymetry. Maritime Transportation and Exploitation of Ocean and Coastal Resources, International Maritime Association of the Mediterranean (ΙΜΑΕΜ2005), Lisbon, Portugal. 10. Belibassakis, K.A. (2005). Hydrodynamic analysis of floating bodies in general bathymetry, Offshore Mechanics and Arctic Engineering Conference (OMAE2005). Chalkidiki, Greece, June 12-17, 2005. 11. Stefanakos Ch.N., Belibassakis K.A. (2005). Nonstationary Stochastic Modelling οf Multi-variate Long-term Wind αnd Wave Data. Offshore Mechanics and Arctic Engineering Conference (OMAE 2005). Chalkidiki, Greece, June 12-17, 2005. 12. Stefanakos Ch. (2005). The Long-Term Wind and Wave Spectra οf The Mediterranean Sea. Offshore Mechanics and Arctic Engineering Conference (OMAE 2005), Chalkidiki, Greece, June 12-17, 2005.