SINTEF F Fortrolig. Rapport. Simuleringer av par kkelspredning i Førde orden fra planlagt sjødeponi. Forfa er(e) Raymond Nepstad Henrik Rye

Transkript

1 - Fortrolig Rapport Simuleringer av par kkelspredning i Førde orden fra planlagt sjødeponi Forfa er(e) Raymond Nepstad Henrik Rye SINTEF Materialer og Kjemi Miljøteknologi 22. september 21

2

3 Historikk DATO SBESKRIVELSE 1 8. september 21 Utkast september 21 Første komple e versjon september 21 Korrigert versjon. 22. september 21 Korrigert versjon. 2 av 31

4 Innhold 1 Introduksjon 1.1 DREAM-modellen Oppse av DREAM-modellen Utslippsarrangementet Strømdata DREAM scenarier og parametre Simuleringsresultater Rørutløp og nærsonen Scenario A: 12 måneders utslipp Scenario B og C: frem dsscenario for 2 og år Scenario D: frem dsscenario år med alterna vt utslippspunkt Sammenligning av scenariene Oppsummering 3 3 av 31

5 Figurer 1 Prinsippskisse for det modellerte utslippsarrangementet Modellområde Partikkelstørrelsesklasser Numeriske målestasjoner Nærsoneplume Scenario A: spredningsbildet Scenario A: spredningsbildet Scenario A: konsentrasjonstidsserier Scenario A: linjekonsentrasjoner Scenario A: vertikale tverrsnitt Scenario A: vannvolum > 1 ppm Scenario A: sedimentoppbygging Scenario A: sedimentoppbygging (tidsserier) Scenario B+C: spredningsbildet Scenario B+C: vertikale tverrsnitt Scenario B: konsentrasjonstidsserier Scenario C: konsentrasjonstidsserier Scenario B: sedimentoppbygging Scenario D: spredningsbildet Scenario D: sedimentoppbygging Scenario D: konsentrasjonstidsserier Sammenligning: volum > 1 ppm Sammenligning: linjekonsentrasjoner Tabeller 1 Parametre for utslippet Modellparametre Posisjoner for numeriske målestasjoner og utslippspunkter Sammenligning: vanndybder > 1 ppm av 31

6 1 Introduksjon Denne rapporten omhandler simuleringer med SINTEFs Dose Related Risks and Effects Assessment Model (DREAM) av et tenkt utslipp i Førdefjorden knyttet til planlagt gruvedrift i Engebøfjellet. DREAM-modellen ble opprinnelig utviklet for oljebransjen for blant annet å kunne simulere partikkelutslipp fra boreoperasjoner, men er også tidligere anvendt for spredningsberegninger fra gruveutslipp i Frænfjorden. I tilfellet med Engebøfjellet er gruveavgangen tenkt ført i rør ned til over 2 m dyp i Førdefjorden. Avgangssystemet er planlagt installert med et nedsenket blandekammer samt eget inntaksrør for sjøvann. Dette er for å sikre utjevning av tetthetsforskjeller, samt etablere hydraulisk balanse i systemet. Avgangssystemet er nærmere beskrevet i oppdragsgivers rapport nr. 3 Plan for deponering. Prosjektet er noe unikt ved at det er gjennomført et stort antall utredninger i forkant, som gjør at det finnes en mengde grunnlagsdata som kan benyttes som input til DREAM. Dette letter anvendelsen av modellen. To ulike problemstillinger er vurdert i denne rapporten. Hovedtemaet er et kontinuerlig utslipp over 12 måneder, simulert med høyoppløste modellstrømdata. I tillegg er ulike fremtidscenarier vurdert, basert på tenkt oppbygging av deponiet etter 2 og år, og der eventuelle endringer i strømmønsteret er inkludert i modellstrømdataene. I det følgende redegjøres det for spredningsberegningene av de ulike utslippene. Resultatene som er presentert i rapporten baserer seg på: Spesifikasjoner gitt av oppdragsgiver (Nordic Rutile AS). Avgangens partikkelstørrelsesfordeling (DNV GL). Modellerte strømdata for Førdefjorden (SINTEF Fiskeri og Havbruk). Simuleringer med DREAM versjon DREAM-modellen DREAM-modellen er omfattende, og det gjennomgås ikke her i detalj hva den inneholder. Utdypende informasjon finnes i tidligere rapporter og publikasjoner [1, 2, 3, ]. En kort oppsummering av relevante prosesser og egenskaper gjøres dog rede for. DREAM er en Lagrangisk partikkelmodell for marine utslipp og transport av faste stoffer og kjemikalier. Dette betyr at modellen slipper ut numeriske partikler som hver representerer en fraksjon av utslippet og dets egenskaper, og som transporteres basert på strøm, turbulent diffusjon og eventuell synking for stoffer med høyere tetthet enn sjøvann. En nærsoneplume-modell er også inkludert, som mer detaljert beregner oppførselen til undervannsutslipp i nærheten av utslippspunktet. Den viktigste inputen til DREAM er modellerte eller målte strømdata. Disse kan være tre-dimensjonale og tidsavhengige, samt inkludere en vertikal komponent. Generelt kan strømdata fra ulike kilder brukes, og det er støtte før ulike oppløsninger og numeriske representasjoner. I tillegg til Lagrangisk spredning i vannsøylen inneholder DREAM også en grid-basert modell for sedimentering, og numeriske partikler som kommer i kontakt med sedimentgriddet vil avsette deler av sin masse. Blant prosesser som ikke er inkludert i DREAM kan nevnes dynamisk flokkulering i transportfasen. Partikulære materialer i DREAM synker med en hastighet bestemt av en kombinasjon av Stokes lov og friksjonsdominert synking, i tillegg til vertikal strøm og turbulens. Stokes lov dominerer over friksjon for partikkeldiametere under.1 mm. av 31

7 2 Oppse av DREAM-modellen Her redegjøres det for oppsettet av DREAM og inngangsdata, som inkluderer modellert strøm fra SINMODmodellen [], levert av SINTEF Fiskeri og Havbruk. 2.1 Utslippsarrangementet Utslippet består av partikulært innhold, ferskvann og tilsatt sjøvann, og tenkes ført ned i rør fra et basseng. Det er antatt et arrangement som vist på vedlagte skisse, se figur 1. Parametrene for utslippet er oppgitt av oppdragsgiver, basert på beregninger gjort av COWI (se vedlegg til oppdragsgivers rapport nr. 3 Plan for deponering ). De nødvendige inputparametrene til DREAM-modellen er oppsummert i tabell 1. Basert på de oppgitte tallene får man følgende verdier for utslippet ved rørmunningen: Utslippshastighet:.87 m/s Tetthet utslipp 1.9 tonn/m 3 (synkende, vekt av partikler dominerer over ferskvannseffekter) Det dannes en undervannsplume som synker ned til sjøbunnen (beregnet av DREAM, omtalt senere i rapporten). Parameter Verdi Enhet Kommentar Partikkelinnhold 32 tonn/time tonn/år Sjøvannsinnhold 32 tonn/time Ferskvannsinnhold 27 tonn/time Partikkeltetthet 3. tonn/m 3 Utslippsdyp 28 m 2 m over bunn ved start av deponioppbygging Rørdiameter utslippsrør.8 m Rørlengde 3 m Tabell 1: Parametre for utslippet, oppgitt av oppdragsgiver. 2.2 Strømdata Strømdata er blant de viktigste inputdataene til DREAM. For dette prosjektet er det utarbeidet et strømdatasett med SINMOD-modellen (SINTEF Fiskeri og Havbruk), som produserer tre-dimensjonale og tidsavhengige strømfelter som DREAM kan benytte. Disse inkluderer også en vertikal strømkomponent. Datasettet dekker en 12-måneders periode fra 1 juli 213 til 3 juni 21, og har en horisontal oppløsning på 3.3 m, vertikaloppløsning på 2 m, og tidsoppløsning på 2 minutter. I tillegg er det simulert to fremtidscenarier med tenkt oppbygging av deponiet for 2 og år. SINMOD er i disse tilfellene satt opp med en oppdatert bunnmatrise som inkluderer deponioppbyggingen. Denne bunnmatrisen er videre importert og brukt i DREAM. Hovedutfordringen med strømdatasettet i dette prosjektet er størrelsen, da den høye oppløsningen i tid og rom gjør at den total datamengde er 1.7 TB. Det lot seg gjøre å ta i bruk disse dataene takket være en tett integrering og tilpasninger mot det dataformatet som SINMOD produserer. 6 av 31

8 Figur 1: Prinsippskisse for det modellerte utslippsarrangementet. Partiklene slippes ut i en utslippskum. Kummen er i kontakt med sjøvann via et rør (vist til høyre på figuren). Vannstandsforskjellen mellom rør og kum fører til at sjøvann renner inn i kummen. Partikler og sjøvannet (inkludert % ferskvann) renner deretter gjennom røret ut i sjøen på ønsket dyp, som vist på figuren. En stabil strøm ut av røret oppnås når trykket inni rør ved utslippet er i balanse med trykket i sjøen på utsiden av røret. DREAM-modellen beregner forløpet til utslippet fra utløpsmunningen på røret. 7 av 31

9 2.3 DREAM scenarier og parametre Det er vurdert fire ulike scenarier med DREAM, heretter omtalt som scenario A, B, C og D. Scenario A er hovedscenariet som omfatter et kontinuerlig utslipp over et helt år. Scenario B og C er fremtidsscenarier basert på en tenkt oppbygging sedimenter i deponiområdet, og har en varighet på 31 dager (mars måned) med kontinuerlig utslipp. I disse to scenariene er røret plassert over toppen på det oppbygde deponiet. Det siste scenariet, D, er en variant av scenario B med utslippsrøret plassert i rennen øst for oppbygd deponi, og dermed lenger ned i vannsøylen. Parametre for alle scenariene er oppsummert i tabell 2. For alle scenariene er samme modellområde benyttet, vist i figur 2 (hvitt rektangel). Området dekker hele det planlagte deponiområdet og strekker seg videre vestover ut fjorden til terskelen, såvel som sørover til terskelen inn mot de indre delene av Førdefjorden. Dybdematrisen som benyttes i modellen er også vist i figuren. Denne kommer fra SINMOD, slik at konsistent representasjon av fjordbunnen er benyttet i de to modellene. Selve gruveavgangen karakteriseres ved dens materialtetthet og partikkelstørrelsesfordeling, hvor sistnevnte er vist i figur 3. Denne er oppgitt av DNV GL, diskuteres i hovedrapporten, og er benyttet direkte som input til DREAM. Parameter Scenario A Scenario B Scenario C Scenario D Utslippspunkt U1 U2 U2 U3 Utslippsrate total (tonn/time) Utslippsrate partikler (tonn/time) Start mars 1 mars 1 mars Varighet 12 måneder 31 dager 31 dager 31 dager Salinitet utslipp Temperatur utslipp (C) Rørdiameter (m) Vinkel rørmunning (grader) Utslippsdyp (m) Utslippsdyp (meter over bunn) Gridoppløsning sediment (m) Gridoppløsning konsentrasjon (m) Gridoppløsning konsentrasjon vertikalt (m) Tidssteg (min) Tabell 2: Modellparametre brukt i DREAM simuleringene. Utslippspunktenes posisjoner er gitt i tabell 3 og figur. 8 av 31

10 Figur 2: Modellområde og dybdematrise brukt i DREAM simuleringene, ca x 7.7 km stort. Figur 3: Partikkelstørrelsesklasser brukt som input til DREAM, i μm. Denne er oppgitt av DNV GL, og omtalt i hovedrapporten. 9 av 31

11 3 Simuleringsresultater DREAM-modellen beregner konsentrasjoner av partikler i vannsøylen, og oppbygging av sediment på sjøbunnen, begge som funksjon av tid. Konsentrasjonsgriddet er tre-dimensjonalt, og kan visualiseres på ulike måter, enten via øyeblikksbilder av horisontale og vertikale snitt, eller som tidsserier i et punkt. Det er tatt ut slike punktverdier for fem ulike posisjoner, som vist i figur. Koordinater for punktene er gitt i tabell 3. Resultater for de ulike scenariene diskuteres separat, etterfulgt av noen sammenlignende betraktninger. Oppførselen til utslippet nær rørmunningen håndteres av en egen nærsonemodell i DREAM, og vi diskuterer denne fasen først. Partikkelkonsentrasjoner er oppgitt i parts per million (ppm), som tilsvarer mg/l, og sedimenttykkelse i mm. Figur : Plassering av numeriske målestasjoner (Nx) for punkttidsserier, og linje for uthenting av konsentrasjoner og vertikale tverrsnitt (L1). U1, U2 og U3 er ulike utslippspunkt brukt i simuleringene. Det sorte omrisset indikerer deponiområdet. 3.1 Rørutløp og nærsonen Hovedfunn: En synkende plume med høy tetthet dannes og frakter partikkelmassen ned til sjøbunnen (alle scenarier). Ved rørets utløpet dannes en synkende utslippsplume. Denne simuleres med DREAM modellen. Mulig påvirkning av strøm på plumebanen er inkludert. Nærsonerutinen inkluderer også at tyngre/større partikler faller ut av plumen slik at tettheten til plumen reduseres. Et eksempel på beregningsresultat for nærsonen er vist i figur. Det viser seg i dette tilfellet at bevegelsen av plumen er så rask at partikler forblir i plumen gjennom hele nærsonefasen. Hastigheten til plumen er omlag.7 m/s når den treffer sjøbunnen. I alle scenariene (A-D) synker plumen raskt og når bunnen 3- m fra utslippspunktet. Dette er i tråd med tidligere beregninger utført av NIVA. Det er antatt i simuleringene (se tabell 2) at utslippsåpningen er svakt skrånende nedover med utløp ca 2 m over 1 av 31

12 Punkt Avstand fra utslippspunkt (U1) Koordinater (DMS) Kommentar N1 Ca. 2 km 23 E N Nær vestlig deponigrense N2 N3 N N Ca. 1 km m 1 km 1 km U1 - U2 - U3-2 E N 2 8 E N 26 1 E N E N E N E N E N Sør-øst for utslippspunktet Utslippspunkt for scenario A Utslippspunkt for scenario B og C Utslippspunkt for scenario D Tabell 3: Posisjoner for de numeriske målestasjonene benyttet for uthenting av enkelte modellresultater, samt for utslippspunktene brukt i de ulike scenariene. Se også figur. bunn. Når plumen treffer sjøbunnen vil den bre seg utover i et lag som er beregnet med DREAM til å være omtrent m tykt, se figur. Partiklene begynner å synke ned, de groveste partiklene nærmest stedet plumen treffer bunnen. Turbulensen i utslippsvannet roer seg etter hvert ned mens vannmassene brer seg utover. Også dette beregner DREAM, slik at man får oversikt over hvordan partikkelstørrelser på de deponerte massene varierer rundt utslippsstedet, med de groveste massene nærmest stedet plumen treffer bunnen. Beregnet deponering på sjøbunnen er ikke vist i figur. Fortynning av utslippet ved bunnen er på rundt 1:. Dermed har utslippet oppnådd en fluks på rundt 6 m 3 /s. Dette er en meget stor vannmengde, og partikkelkonsentrasjonen på dette utstrømmende laget er på rundt 1 g/l nær stedet plumen treffer bunnen. Når nærsoneplumen treffer havbunnen avsluttes nærsonefasen i DREAM, og partiklene transporteres videre i fjernsonefasen basert på strøm, diffusjon og synkehastigheter. Dette er omtalt i neste del. Figur : Nærsoneplume som synker ned på sjøbunnen. Spredning av utslippet langs sjøbunnen (sekundær nærsonespredning). Tilfelle med utslipp 2 m over sjøbunnen. Helning på rører er svakt nedover, 1 graders avvik fra vertikalen ( grader = oppover). 11 av 31

13 3.2 Scenario A: 12 måneders utslipp Partikkelspredning som følge av et helt års kontinuerlig utslipp er hovedresultatet i denne rapporten, og dette er adressert i scenario A. Spredningen fortsetter etter nærsonefasen, som er beskrevet i forrige seksjon. Perioden som er simulert går fra 1. juli 213 til 3. juni 21. Hovedfunn: Homogent spredningsbilde i perioden august april 21, med spredning utover fjorden i vestlig retning. Endring i strømforhold mot slutten av perioden, spredning østover, som fører til lavere vannvolum med konsentrasjoner over 1 ppm. Høye konsentrasjoner nær utslippspunktet som faller til snittverdier på 6.2 ppm etter m og 2.1 ppm etter 1 km (se figur 8). Partiklene spres i liten grad vertikalt, og konsentrasjoner over 1 ppm observeres ikke over dyp på 26 m i simuleringen. Sedimentavsetning over mm (i løpet av ett år) skjer innenfor en avstand på 1 km fra utslippspunktet. En oversikt over spredningsbildet kan fås ved å betrakte et fugleperspektiv, der man ser den horisontale fordelingen av konsentrasjoner for et gitt tidspunkt i simuleringen. For hver horisontal gridcelle ser man maksimale verdien, tatt i vertikal retning. Situasjonen to måneder ut i simuleringen er vist i figur 6. Spredningen er hovedsaklig i vestlig retning, ut fjorden, men konsentrasjoner faller raskt ned mot 1 ppm (mg/l), som er den laveste konsentrasjonen som vist i figuren. Deponiområdet er også tegnet inn på figuren for referanse (sort linje). Figur 6: Resultat for scenario A: Spredningsbildet etter 2 måneder, konsentrasjon av partikler, vertikalt maksimum. Deponiområdet er indikert av den sorte linjen. Øyeblikksbilder for 3, 6, 9 og 12 måneder i simuleringen er vist i figur 7. Disse illustrerer hovedtrekkene i spredningsbildet: spredning vestover i store deler av perioden med relativt lave konsentrasjoner utenfor deponiområdet. Mot slutten av perioden skjer det derimot en endring ved at spredningen snur i sør-østlig retning, og 12 av 31

14 begrenses til et mindre område der konsentrasjonen overstiger 1 ppm. Dette skyldes endringer i den underliggende strømmen som driver partikkelspredningen. Figur 7: Resultat for scenario A: Spredningsbildet etter 3, 6, 9 og 12 måneder. Konsentrasjon av partikler, vertikalt maksimum. Siste del av simuleringsperioden sammenfaller med endringer i det underliggende strømbildet (april-juni), og et annet spredningsmønster kan observeres. Situasjonen kan undersøkes nærmere ved å betrakte tidsserier av konsentrasjoner i enkelte posisjoner i fjorden. Dette er gjort i figur 8, hvor vi ser punktkonsentrasjoner fra de fem ulike posisjoner kalt N1-. Koordinater og oversikt over disse er gitt i tabell 3 og figur. Disse konsentrasjonene er igjen de maksimale verdiene i vertikalen for hvert tidspunkt og posisjon. Hver delfigur inneholder konsentrasjonenes middelverdi og standardavvik tatt over perioden 1. august - 1. april, hvor spredningsbildet er nokså stabilt. Disse tallene gir en indikasjon på hvilke konsentrasjonsverdier man kan forvente i ulike avstander fra utslippet, man har blant annet 6.2 ppm i N3, som er m vest for utslippet, mens N1 på deponigrensen i vest er nede i 1.1 ppm. Punktene sør og øst for utslippet har gjennomgående lave verdier, men det er litt økt aktivitet i N når strømbildet endrer seg i perioden april-juni. I denne perioden faller også konsentrasjonene i de vestlige punktene ned mot null. Figurene 6 og 7 viser at konsentrasjonene avtar som forventet når man beveger seg bort fra utslippspunktet. En mer kvantitativ fremstilling fås ved å undersøke konsentrasjonsverdier langs en linje med start i utslippspunktet (L1 i figur ), som vist i figur 9, hvor situasjonen på fem ulike tidspunkter er vist. Man ser blant annet at konsentrasjonen 1 km unna utslippspunktet langs linjen er under 1 ppm (1. mars 21), og lavere enn dette i de andre tilfellene. Nært utslippspunktet har man høye konsentrasjoner, men disse faller raskt av med avstanden. Fordelingen av partikler vertikalt i vannsøylen kan undersøkes ved å ta et vertikalt tverrsnitt, som vist i figur 1. Disse viser spredning i horisontal retning og ned mot sjøbunnen, men lite spredning oppover i vannsøylen. Det høyeste punktet i vannsøylen med konsentrasjon over 1 ppm er på 26 m dyp (se tabell ), sett over hele 12-måneders perioden. Ved å regne ut det totale vannvolumet i simuleringen med konsentrasjoner over 1 ppm kan man få en oversikt over det totale omfanget av spredningen. Dette er vist i figur 11 som funksjon av tid. I tillegg til relativt raske naturlige og numeriske variasjoner, kan tre ulike perioder identifiseres. I løpet av en periode på omtrent 3 dager etter start (juli måned) øker volumet gradvis etterhvert som utslippet spres initielt og det etableres en tilstand av tilnærmet likevekt mellom utslipp, fortynning og sedimentering. Denne fasen varer omtrent fra august til 13 av 31

15 slutten av mars (3-27 dager), hvor volumet over 1 ppm faller markant. Dette sammenfaller med skiftet i strømmønsteret og spredning i østlig retning, som diskutert over. Strøm og turbulens transporterer partikler fra utslippet i tre dimensjoner, men i tillegg vil de synke med hastigheter avhengig av tetthet og partikkelstørrelse og ende opp i sedimentet. Typisk vil grove partikler sedimentere ut nær utslippet, mens finere partikler spres lenger. I DREAM er synkehastigheten beregnet som et harmonisk middel av Stokes lov (små partikler) og friksjonsdominert synking (større partikler). Over tid vil sedimentavsetning av ulike tykkelser bygges opp, som vist i figur 12, hvor oppbygging (> 1 mm) er gitt etter 6 og 12 måneder. Vi ser at oppbygging over 1 mm skjer innenfor en radius på ca. 2 km fra utslippspunktet, mens området med oppbygging over 6 mm faller innenfor en radius på 1 km fra utslippet. Deponiområdet er også antydet (sort linje). Utenfor dette området observeres det mindre avsetninger over 1 mm, og ingen over 6 mm. Videre er oppbygging av sediment over tid i punktene N1 - N vist i figur 13. Vi observerer at oppbyggingen skjer med ulike rater i de ulike punktene, og for hvert punkt er det også variasjoner i tid. Disse tidsvariasjonene sammenfaller med endringene i spredningsbildet som diskutert over. I punktene vest for utslippet (N1-N3) er sedimenteringsratene størst og relativt stabile i perioden august - april (3-27 dager), etter etableringsperioden. I siste del av simuleringsperioden snur spredningen gradvis over most sør-øst, og sedimenteringsratene blir svært små for N1-N3, mens de øker for de sør-østlige punktet N. Lenger øst, i N, er den totale oppbyggingen svært liten gjennom hele perioden (.7 mm). 1 av 31

16 3 2 2 N1: Deponigrense µ =1.1 ppm σ =1. ppm N2 µ =2.1 ppm σ =1.7 ppm N3 µ =6.2 ppm σ =. ppm N: Sør-ostlig punkt µ =. ppm σ =. ppm N: Østlig punkt µ =. ppm σ =. ppm Figur 8: Resultat for scenario A: Tidsserier av konsentrasjoner i punktene N1-N (se kart i figur ). Det er i hvert punkt tatt vertikale maksima i vannsøylen. Middelverdier (μ) og standardavvik (σ) for hver tidsserie er vist i inskutte tekstbokser, disse er tatt over perioden indikert av den grønne linjen. De røde linjene er 1-dagers rullende middelverdier, som fremhever trender i tidsseriene. 1 av 31

17 oktober Avstand (km) januar Avstand (km) mars Avstand (km) mars Avstand (km) juni Avstand (km) Figur 9: Resultat for scenario A: Konsentrasjoner langs linjen L1 (se kart i figur ), vertikale maksimumsverdier. Dette er øyeblikksverdier for fem ulike tidspunkt, angitt i tittelen på hver delfigur. 16 av 31

18 Figur 1: Resultat for scenario A: Vertikalt tverrsnitt av konsentrasjoner i vannsøylen 6 måneder/1. januar (øverst) og 12 måneder/3. juni (nederst). Tverrsnittet i den øverste figuren er tatt langs linjen L1 (se kart i figur ). For den nederste figuren er tversnittet tatt i sør-østlig retning. 17 av 31

19 .1.8 Volum >1ppm (km3) Figur 11: Resultat for scenario A: Vannvolum med konsentrasjoner over 1 ppm. 18 av 31

20 Figur 12: Resultat for scenario A: Sedimentoppbygging akkumulert over 6 og 12 måneder (tilsvarer 1. januar og 3. juni). Deponiområdet er angitt av den sorte linjen. 19 av 31

21 Sedimenttykkelse (mm). N1: Deponigrense Sedimenttykkelse (mm) Sedimenttykkelse (mm) Sedimenttykkelse (mm) N Sedimenttykkelse (mm) N N: Sør-østlig punkt N: østlig punkt Figur 13: Resultat for scenario A: Tidsserier av sedimentoppbygging i punktene N1-N (se kart i figur for posisjoner). 2 av 31

22 3.3 Scenario B og C: frem dsscenario for 2 og år I tillegg til simuleringen av kontinuerlig utslipp over et helt år er det foretatt tre simuleringer av ulike fremtidsscenarier, der en tenkt endring i bunntopografien som følge av oppbygging fra utslippet er tatt inn i strømmodellen. Dette er gjort for vurdering av eventuelle endringer i spredningsmønsteret som følge av en hevet bunn. Strømmodellen er kjørt for en måned (mars) for to ulike bunntopografier, tilsvarende 2 og år med utslipp og oppbygging, og dette strømdatasettet ligger til grunn for DREAM simuleringene. Endringene i bunntopografi er utarbeidet av Asplan Viak. Oppsettet for DREAM følger scenario A, med følgende endringer: Simuleringsperiode satt til 1 måned ( mars). Utslippspunktet er flyttet til toppen av det tenkte deponiet (U2, se figur ). Bruk av strømdata som tar høyde for endret bunntopografi. Ny bunnmatrise DREAM basert på SINMOD-bunnmatrisen. Utslippsrøret er fortsatt plassert 2 m over havbunnen, men dette er nå høyere i vannsøylen på grunn av endret bunntopografi. Dette fører til at nærsoneplumen frakter partiklene ned til toppen av deponiet, som er på 188 m dyp i scenario B og 1 m dyp i scenario C. Derfra spres de radielt utover og nedover i vannmassene. Disse omstendighetene fører til høyere konsentrasjoner og spredning over større områder sammenlignet med scenario A, se figur 1. Den fine fraksjonen i utslippet synker nå saktere, som vist i figur 1, da plumen ikke lenger transporterer partikkelmassene helt ned til den dype fjordbunnen. Snittkonsentrasjonene avtar dog fortsatt med avstanden, og er 8-1 ppm i N2 (ca 1.2 km fra utslippet), og 6 ppm i N1 (deponigrense vest), se figurene 16 og 17. Det overordnede bildet er temmelig likt i de to scenariene. Mindre variasjoner i strømfeltet gir opphav til noen ulikheter i spredningsbildet og sedimentavsetningen (figur 18). Merk også at sedimentavsetning er basert på en måned med utslipp, og ikke 12 måneder, som i scenario A. Det som derimot har større effekt på modellresultatene er valg av utslippsposisjon. Dette tas opp i den neste seksjonen. Figur 1: Resultat scenario B (venstre) og C (høyre): Spredningsbildet etter 31 dagers simulering (31. mars), konsentrasjon av partikler, vertikalt maksimum. 21 av 31

23 Figur 1: Resultat scenario B (øverst) og C (nederst): Vertikalt tverrsnitt av konsentrasjoner i vannsøylen ved slutten av simuleringene for fremtidsscenariene (31 dager). 22 av 31

24 3 2 2 N1: Deponigrense µ =6.1 ppm σ =2. ppm N2 µ =1.1 ppm σ =.1 ppm N3 µ =21.8 ppm σ =17.7 ppm N: Sør-ostlig punkt µ =9.6 ppm σ =.2 ppm N: Østlig punkt µ =9.1 ppm σ =.6 ppm Figur 16: Resultat scenario B: Tidsserier av konsentrasjoner i punktene N1-N (se kart i figur ). Det er i hvert punkt tatt vertikale maksima i vannsøylen. Middelverdier (μ) og standardavvik (σ) for hver tidsserie er vist i inskutte tekstbokser, disse er tatt over perioden indikert av den grønne linjen. De røde linjene er -timers rullende middelverdier, som fremhever trender i tidsseriene. 23 av 31

25 3 2 2 N1: Deponigrense µ =.7 ppm σ =2.2 ppm N2 µ =8. ppm σ =3.2 ppm N3 µ =17.8 ppm σ =12. ppm N: Sør-ostlig punkt µ =8.1 ppm σ =3.9 ppm N: østlig punkt µ =7.1 ppm σ =3. ppm Figur 17: Resultat scenario C: Tidsserier av konsentrasjoner i punktene N1-N (se kart i figur ). Det er i hvert punkt tatt vertikale maksima i vannsøylen. Middelverdier (μ) og standardavvik (σ) for hver tidsserie er vist i inskutte tekstbokser, disse er tatt over perioden indikert av den grønne linjen. De røde linjene er -timers rullende middelverdier, som fremhever trender i tidsseriene. 2 av 31

26 Figur 18: Resultat for scenario B (øverst) og C (nederst): Sedimentoppbygging ved slutten av simuleringene (31 dager). Merk at dette er sedimentoppbygging fra 1 måneds utslipp, i motsetning til scenario A der vist oppbygning var for 6 og 12 månederst utslipp. 2 av 31

27 3. Scenario D: frem dsscenario år med alterna vt utslippspunkt Det oppbygde deponiområdet etter 2 og års tenkt drift danner en ny og grunnere fjordbunn i nærheten av utslippspunktet, formet som en konisk haug. Dette fører videre til at det oppstår en grøft øst for utslippsposisjonen, med bunndybde omtrent som opprinnelig fjordbunn i området. En variant av scenario B (fremtid 2 år) der utslippspunktet flyttes ned i denne grøften er vurdert her. Det nye punktet er indikert som U3 i figur ). Modelloppsettet er ellers som for scenario B, men utslippsdybden er nå 28 m (fortsatt 2 meter over bunnen). I dette tilfellet blir hoveddelen av utslippet fanget i grøften, og spredningen er mindre sammenlignet med scenario B og C. Figur 19 viser konsentrasjoner i vannsøylen på slutten av 1-måned simuleringen (mars). Det er lite utslag i tidsseriene av konsentrasjoner beregnet for punktene N1-N i dette scenariet, se figur 21. Videre er sedimentoppbyggingen, vist i figur 2, også begrenset til området nær utslippspunktet. Figur 19: Resultat scenario D: Spredningsbildet etter 31 dagers simulering, konsentrasjon av partikler, vertikalt maksimum. Figur 2: Resultat for scenario D: Sedimentoppbygging ved slutten av simuleringene (31 dager). 26 av 31

28 3 2 2 N1: Deponigrense µ =.2 ppm σ =.1 ppm N2 µ =.3 ppm σ =.2 ppm N3 µ =. ppm σ =. ppm N: Sør-ostlig punkt µ =. ppm σ =. ppm N: Østlig punkt µ =. ppm σ =.6 ppm Figur 21: Resultat scenario D: Tidsserier av konsentrasjoner i punktene N1-N (se kart i figur ). Det er i hvert punkt tatt vertikale maksima i vannsøylen. Middelverdier (μ) og standardavvik (σ) for hver tidsserie er vist i inskutte tekstbokser, disse er tatt over perioden indikert av den grønne linjen. De røde linjene er -timers rullende middelverdier, som fremhever trender i tidsseriene. 27 av 31

29 3. Sammenligning av scenariene Vi sammenligner de fire simulerte scenariene ved å se på tre ulike størrelser: minste dybde > 1 ppm (vertikal spredning), total vannvolum > 1 ppm (total spredning) og øyeblikkskonsentrasjoner langs en linje fra utslippspunktene (sedimentering og fortynning). Tabell viser hvor høyt i vannsøylen konsentrasjoner over 1 ppm maksimalt inntraff i de ulike scenariene. Tallene varierer, men i alle fire scenariene er dybden mindre enn 36 m fra utslippsdypet, som angir en øvre grense for den vertikale spredningen av partikler. Det kritiske punktet er dybden hvor nærsoneplumen terminerer, som for scenario B og C er på toppen av det oppbygde deponiet, høyere i vannsøylen sammenlignet med den opprinnelige fjorddybden. I figur 22 er vannvolum med partikkelkonsentrasjoner over 1 ppm vist for alle fire scenariene og mars måned. Vi ser at scenario B og C har lignende verdier, og disse er større enn for scenario A og D, som er nokså like. Forskjellen mellom de to grupperingene (A+D og B+C) skyldes at plumen ikke transporterer utslippet like dypt i scenario B og C, sammenlignet med scenario A og D, som diskutert i seksjonene 3.3 og 3.. Øyeblikkskonsentrasjoner (31. mars) langs en linje for de scenariene A, B og C er vist i figur 23. Vi ser at fremtidsscenariene B og C har noe høyere konsentrasjoner enn scenario A, som diskutert i seksjon 3.3, men alle tre faller etter hvert under ppm. Disse øyeblikksverdiene må sees i sammenheng med tidsmiddelverdiene, som på deponigrensen (N1, 2 km fra utslippspunkt U1) er 1.1 ppm for scenario A, 6.1 ppm for scenario B og.7 ppm for scenario C. Scenario Utslippsdyp Minste dyp > 1 ppm A: 12 måneder 282 m 26 m B: fremtid 2 år 188 m 13 m C: fremtid år 1 m 127 m D: fremtid 2 år, alternativt utslippspunkt 28 m 233 m Tabell : Minste vanndybde der konsentrasjonen overstiger 1 ppm, tatt over hele simuleringsperioden for hvert scenario. Dette indikerer en øvre grense på hvor høyt partiklene spres i vannmassene. 28 av 31

30 A B C D Volum >1ppm (km3) Figur 22: Volum med partikkelkonsentrasjoner over 1 ppm som funksjon av tid i mars måned, for alle fire scenariene. 2 A B C Avstand (km) Figur 23: Konsentrasjoner langs linjen L1 (se kart i figur ), vertikale maksimumsverdier. Dette er øyeblikksverdier for 31 mars fra scenario A, B og C. For B og C er starten på linjen i flyttet til U2, slik at x-aksen må leses som avstand fra de respektive utslippspunktene U1 og U2. Stiplede linjer er modellverdier, heltrukne linjer er rullende middel tatt over disse. Scenario D er ikke tatt med her, da ingen synlige konsentrasjonsverdier langs denne linjen forekommer. 29 av 31

31 Oppsummering I denne rapporten har vi simulert partikkelspredning fra planlagt sjødeponi i Førdefjorden med DREAM-modellen. Et kontinuerlig utslipp av gruveavgang over 12 måneder er vurdert (juli juni 21), samt tre fremtidscenarier basert på tenkt oppbygging av deponiet etter 2 og års drift. Generelt viser 12-måneders simuleringen en spredning av partikler i vestlig retning, med en dreining mot sør-øst mot slutten av perioden (april-juni). Konsentrasjonene på den vestlige deponigrensen ligger på 1.1 ppm i snitt for august-april, mens tilsvarende snittverdi m fra utslippspunktet er 6.2 ppm. Vannvolumet med konsentrasjoner over 1 ppm størst i august-april perioden, og faller til lavere verdier mot slutten av simuleringsperioden. Sedimentavsetning fra utslippet er i all hovedsak innenfor deponiområdet, og oppbygging over 6 mm i løpet av årsperioden forekommer innenfor en radius på 1 km fra utslippspunktet. For den vertikale transporten av partikler finner vi konsentrasjoner overstigende 1 ppm på 26 m eller dypere, mens utslippsdypet er 282 m. I fremtidsscenariet etter 2 får man lignende og delvis mindre spredning enn 12-måneders scenariet hvis utslippspunktet flyttes øst for oppbygde deponiet. Slippes avgangen ut på toppen av oppbygd deponi vil spredningen og konsentrasjonene av partikler være større både etter 2 og år. Posisjonering av utslippspunktet synes derfor å være en viktig parameter som bør vurderes etter en tids drift. 3 av 31

32 Referanser [1] Henrik Rye, Mark Reed, and Narve Ekrol. The PARTRACK model for calculation of the spreading and deposition of drilling mud, chemicals and drill cuttings. Environmental Modelling & Software, 13:31 1, [2] Mark Reed and Ben Hetland. DREAM: A Dose-Related Exposure Assessment Model Technical Description of Physical-Chemical Fates Components. In Proceedings of SPE International Conference on Health, Safety and Environment in Oil and Gas Exploration and Production. Society of Petroleum Engineers, 22. [3] Øistein Johansen and Ismail Durgut. Implementation of the near-field module in the ERMS model. Technical Report 23, SINTEF, 26. [] Henrik Rye and Edgar Furuholt. Validation of Numerical Model for Simulation of Drilling Discharges to Sea. In Proceedings of Abu Dhabi International Petroleum Exhibition and Conference. Society of Petroleum Engineers, 21. [] Dag Slagstad and Thomas A. McClimans. Modeling the ecosystem dynamics of the Barents sea including the marginal ice zone: I. Physical and chemical oceanography. Journal of Marine Systems, 8(1-2):1 18, av 31

33 Teknologi for et bedre samfunn