Modélisation par Eléments Finis de la Dissémination des Polluants dans le détroit d'Instanbul

Finite Element Simulation of the Contaminant Transport in the Istanbul strait

Résumé

Le détroit d’Istanbul est la seule voie maritime reliant la Mer Noire à la Méditerranée. Il est soumis à un trafic de plus en plus intense, 50 000 bâtiments l’ont traversé durant l’année 2001. La forme sinueuse du détroit, sa section étroite et sa profondeur réduite en font une voie maritime très dangereuse, surtout pour les pétroliers géants. Dans le passé récent il y eu des accidents de pétroliers suivis de pollution maritime vers les embouchures de la Mer Noire et de la Mer de Marmara. On craint un accident similaire vers le milieu du détroit, dont chaque rive est habitée par des millions d’habitants et traversé seulement par deux ponts suspendus.

Dans cette étude nous présentons un modèle numérique de la dissémination des polluants dans le détroit d’Istanbul suivant un accident de pétrolier. Nous admettons que dans le cadre de notre étude les équations en faible profondeur régissent le champ de vitesse avec suffisamment de précision. Nous choisissons de calculer le champ de vitesse régit par ce système d’équations aux dérivées partielles non linéaires par la méthode des éléments finis, certainement la technique de discrétisation spatiale la mieux adaptée à la géométrie complexe du détroit. La résolution dans le temps du système d’équations différentielles non linéaires ainsi obtenu est effectuée par des méthodes implicites ou explicites. La modélisation du phénomène de dissémination des polluants est réalisée par la résolution de l’équation de transport par la méthode des éléments finis sur la même maille.

Des figures correspondant à la dissémination des particules polluantes suivant un accident à des périodes de temps différentes sont présentées. Ces résultats montrent que la dissémination dans le Bosphore entier est un phénomène assez rapide de quelques heures. Cette vitesse assez élevée de dissémination ne laisse pas beaucoup de temps pour réagir et contrôler la catastrophe. Si l’on se rappelle que les deux rives du détroit, reliées par deux ponts suspendus, sont habitées par une population de 10 millions d’habitants et que la métropole d’Istanbul constitue la capitale économique de la Turquie en contribuant pour 50% au PNB, on peut comprendre que les conséquences d’un accident pétrolier peuvent être fatales pour le pays. Ceci souligne l’urgence qu’il faut accorder aux efforts de sauvetage mais surtout l’importance des précautions qu’il faut prendre pour éviter toute sorte d‘accident pendant la traversée du détroit long de 32 km.

Abstract

Istanbul Strait is the only waterway connecting the Black Sea to the Mediterranean. It is subject to an ever increasing traffic with the number of vessels crossing it of the order of 50 000 in year 2001. The sinuous shape of the strait, its narrowness and shallowness make it a very challenging seaway, especially for large tankers. In the past there have been several accidents with resulting oil contaminations at the Black Sea and Marmara Sea mouths of the strait. We fear a similar accident in the middle section of the strait, both sides of which are inhabited by a population of several millions and crossed by only two suspended bridges.

In this paper, we present a numerical model of the contaminant spread in the Istanbul Strait after a tanker accident. We assume that for the purposes of our study Shallow Water Equations (SWE) represent the flow field adequately. Based on this set of partial differentials equations we choose to compute the flow field by finite elements method, certainly the most appropriate spatial discretisation technique for the complicated geometry of the strait. The solution of the resulting set of nonlinear ordinary differential equations in time variable is carried out either by implicit or explicit methods. The simulation of the contaminant transport phenomenon is achieved by the finite element solution of the transport equation on the same mesh.

Maps depicting the contaminated areas are displayed for different time periods after the occurrence of the oil spill accident. These results show that oil dissemination along the Bosphorus strait is a rather quick phenomenon, which takes place in a few hours. This dissemination speed does not leave much time to react and to mitigate the hazard. One must remember that 10 million people inhabit the two shores of the strait, linked by two bridges, on the one hand, and that the city of Istanbul is the major economical center of Turkey contributing to GNP by 50% on the other hand. For these reasons, the drastic consequences of an oil tanker accident can easily be understood. This pinpoints the urgency to pay attention to rescue efforts and, above all, the important precautions to take in order to avoid any kind of accident all along the 32 km long strait.