Modelado numérico de la deriva y envejecimiento de los hidrocarburos vertidos al mar: aplicación operacional en la lucha contra las mareas negras

Uno de los principales problemas que afectan al medio marino son los repetidos episodios de contaminación por hidrocarburos. A los grandes derrames provocados por petroleros accidentados hay que sumarle un volumen anual prácticamente idéntico, debido a vertidos operacionales, residuales o derivados del creciente uso de los combustibles fósiles. En el caso de las mareas negras, las consecuencias socio-económicas son terribles para las regiones afectadas. Pero por otro lado, la contaminación de tipo crónica acaba causando daños prácticamente irrecuperables en el ecosistema marino y en los recursos costeros. Como respuesta a la inquietud de una sociedad cada vez más sensibilizada con los problemas medioambientales, en la presente Tesis se plantea el desarrollo de herramientas numéricas de previsión que sirvan de apoyo a la gestión de crisis por contaminación marina. En primer lugar, se analizan las principales fuentes de contaminación por hidrocarburos en el mar, así como sus principales consecuencias socio-económicas y medioambientales. Por otra parte, se describen las herramientas disponibles de prevención y previsión, apoyo fundamental en la toma de decisiones durante la gestión de una crisis similar. Existen dos marcos diferentes en los cuales pueden desarrollarse este tipo de herramientas: los Planes de Contingencias y la Oceanografía Operacional. Seguidamente, se revisa el estado actual del conocimiento sobre el conjunto de procesos físico-químicos que afectan a los hidrocarburos derramados en el mar. El objetivo es evaluar los principales procesos de transporte y degradación de los hidrocarburos en el medio marino, en vistas a implementar las formulaciones necesarias en una herramienta numérica de previsión. Los hidrocarburos derramados en el mar se separan en diferentes fases: evaporada, disuelta, dispersada y flotante. Para cada una de estas fases se distinguen, por un lado los principales forzamientos del transporte a tener en cuenta en el modelado hidrodinámico y de transporte; y por otro lado, los procesos físico-químicos que modifican las propiedades del contaminante definidas en el modelo de degradación. Así, los modelos se acoplan introduciendo la evolución de la reología del contaminante y la transferencia de masa entre las distintas fases.Finalmente, se implementa el modelado a varios casos prácticos, a dos escalas de resolución distintas. Para ello, se utilizan dos aproximaciones distintas para el modelado del transporte: el enfoque euleriano para escalas pequeñas y el enfoque lagrangiano, para escalas regionales. Los procesos de transporte y envejecimiento serán mejor o peor reproducidos en el modelado en función de la escala y del enfoque utilizados.One of the important threats in the marine environment is the pollution due to oil and hydrocarbons spills. In addition to the large volumes accidentally spilled from tankers and vessels in distress, there is a similarly large volume of hydrocarbons that reach the marine environment due to small but continuous releases from the sea (vessels operational discharges), from urban run-off, etc. Large accidental oil spills - Black tides-, typically impact the socio-economic conditions of the costal affected areas. But on the other hand, sustained and continuous discharges can cause ecological damages and disruptions on the coastal resources (fisheries, tourism, etc.). In response of a society more sensitive to environmental issues, the principal objective of this PhD Thesis is the development of a forecasting numerical tool in support of emergency response against marine pollution. In the PhD study, the main sources of hydrocarbon pollution are analysed, typically related with the maritime transport; key socio-economical and environmental consequences are also evaluated. The study also presents an overview of the main available tools of prevention and forecast in support of decision making. Basically, those tools have been developed in the framework of Contingency Plans and in the Operational Oceanography which will define different specifications in the numerical modelling. An overview of the physical and chemical processes that affects oil spills at sea is presented, the objective being to identify the main processes of transport, dispersion and weathering of the hydrocarbons. Hence, corresponding fate and weathering formulations are described to be included in future modelling tools. Just after a spill at sea, the total volume of oil is separated in different phases and components: evaporated, dispersed, dissolved and floating in the water surface. For each phase / component, the numerical hydrodynamic and transport modelling will have to take into account the main forcing agents; the weathering model will have to simulate the physico-chemical processes that modify the properties of the pollutant over time. The inter-action (coupling) between both transport and weathering models will allow to simulate the evolution of rheology and mass transfer between the different phases. In the last Chapter, the implementation of the numerical models will be demonstrated with some realistic cases, at two different resolution / scales. Two modelling approaches will be presented: the eulerian method for small scale, in reduced areas, and the lagrangian method for bigger, regional scale. The present work will conclude that each numerical method will have its benefits and limitations when trying to reproduce the transport and weathering processes at different scales.Postprint (published version