寧德志 袁澤林 潘 鐘 陳麗芬 張崇偉 馬嘉駿

廈門灣海洋塑料垃圾的運動特性及輸移機理*

寧德志1袁澤林1潘 鐘2陳麗芬1①張崇偉1馬嘉駿1

(1. 大連理工大學海岸和近海工程國家重點實驗室 遼寧大連 116033; 2. 自然資源部第三海洋研究所海洋化學與環(huán)境監(jiān)測技術實驗室 福建廈門 361005)

作為新型海洋污染物, 海洋塑料垃圾入海通量計算過程中涉及的源匯過程、遷移途徑、輸運過程等尚未完全清楚, 需進一步研究完善。以工業(yè)高速發(fā)展的廈門灣為研究對象, 考慮潮流、入海徑流、風等因素的影響, 基于MIKE3軟件的生物仿真模擬技術(Agent Based Modelling), 模擬研究了漂浮及懸浮塑料垃圾的分布特征和遷移規(guī)律, 并提出經(jīng)驗公式對沉積塑料垃圾的通量進行了預測。結果表明漂浮塑料垃圾在不利風、常風向和最大風的作用下集中堆積于岸線處。而懸浮塑料垃圾由海面向下呈現(xiàn)指數(shù)式下降的分布特征, 且其水平遷移分布與潮流運動密切相關; 流速小的區(qū)域懸浮塑料垃圾更容易堆積使局部濃度升高。懸浮塑料垃圾的擴散速率也與塑料顆粒的物理性質有關, 沉降速度小的塑料顆粒在水中懸浮的時間更長, 更容易被傳輸?shù)骄嚯x污染源更遠的地方。同時, 研究發(fā)現(xiàn)沉積微塑料通量的增長規(guī)律近似為線性變化, 通量大小與廈門塑料產(chǎn)量和廈門灣的水動力特性相關。

海洋塑料垃圾; 廈門灣; MIKE3; 生物仿真模擬技術; 漂浮塑料顆粒; 懸浮塑料顆粒; 沉積塑料顆粒

海洋是自然以及人類最寶貴的財富, 是生命初始的搖籃, 伴隨著人類對海洋的開發(fā)利用, 海洋環(huán)境問題隨之產(chǎn)生。其中, 海洋塑料污染是各類海洋環(huán)境問題中最突出的問題之一(王金平等, 2021)。據(jù)估計全球約80%的海洋垃圾由塑料構成, 塑料垃圾在進入海洋后, 在光照、波浪沖刷、生物作用等影響下破碎成包括微塑料在內的塑料顆粒(Barnes, 2009)。這些塑料顆粒會在復雜的海洋動力(風、洋流及海浪等)作用下進行輸運遷移, 并廣泛分布于海洋水體、沉積物及生物體中, 危害海洋生物的健康, 也能通過食物鏈富集傳輸危害人類自身(陳劉等, 2020), 對整個海洋生態(tài)系統(tǒng)造成極大威脅, 嚴重影響海洋經(jīng)濟的發(fā)展。然而, 作為新型海洋污染物, 海洋塑料(包括粒徑小于5 mm的微塑料)入海通量計算過程中涉及的源匯過程、遷移途徑、輸運過程等尚未完全清楚, 需進一步研究完善(李道季, 2020)。因此, 研究塑料垃圾在海洋中的運動特性和輸移機理, 對確定海洋塑料垃圾的最終分布和歸趨有著至關重要的作用, 也是本文的研究重點。

目前, 研究海洋塑料垃圾的輸運遷移規(guī)律, 主要面臨兩個關鍵性的技術挑戰(zhàn): 一是復雜的海洋動力環(huán)境。塑料進入海洋后會在風浪流的共同作用下發(fā)生分解、絮凝、漂移、沉降和再懸浮等運動, 復雜多變的海洋動力因素給研究海洋塑料顆粒的輸運遷移規(guī)律造成了不便。二是海洋塑料自身的理化性質及其演變過程對塑料的輸運過程有重要影響。在同樣的水動力環(huán)境下, 不同分布形態(tài)(漂浮、懸浮、沉積)的塑料顆粒因不同粒徑大小、形狀、密度等產(chǎn)生的輸運特性差異明顯(Besseling, 2017)。

耦合海洋水動力模擬和粒子追蹤模型的海洋污染物擴散模型是研究表層漂浮塑料顆粒在表層洋流系統(tǒng)、潮流和風等作用下遠距離輸送的主要研究方法之一。其中, 粒子追蹤模型將水體中的塑料顆粒運動看成風和海流作用下發(fā)生的拉格朗日漂移, 通過求解拉格朗日方程得到塑料顆粒的運動軌跡和源匯區(qū)域。Van Sebille等(2012, 2015)和Lebreton等(2013)基于洋流動力模型的預測結果表明, 在主要海洋盆地的亞熱帶緯度上形成了五個海洋塑料垃圾積聚區(qū), 并與航次實地調查結果吻合(Law, 2010, 2014)。Chubarenko等(2016)計算發(fā)現(xiàn), 對海水表層的漂浮球狀微塑料顆粒, 風阻作用導致其傳輸速度為海流輸送速率的3倍。Zhang等(2020)研究發(fā)現(xiàn), 漂浮和懸浮微塑料在長江口及其臨近海域會呈現(xiàn)非常不同的輸運規(guī)律, 與潮流、風阻和微塑料釋放點(入海)位置等強相關。在該研究中, 微塑料的物理性質主要根據(jù)實地采樣數(shù)據(jù)進行設置, 因此, 未考慮海洋塑料自身的理化性質多樣性對其輸運遷移規(guī)律的影響。Neumann等(2014)的研究表明, 海表風應力會增大北海南部海域漂浮污染物的粒子移動速度和傳輸范圍。針對2011年日本海嘯, Maximenko等(2018)通過數(shù)值模擬和原型觀測發(fā)現(xiàn), 迎風面大的塑料垃圾輸運速度比較快, 而迎風面小、相對較重的塑料垃圾則主要在盆地中部匯集。Ter Halle等(2016)指出立方體微塑料在漂浮過程中受風力的影響將發(fā)生持續(xù)翻轉, 而扁平狀的微塑料與水面接觸面積大, 較難發(fā)生翻轉。由此可見, 現(xiàn)有海洋塑料顆粒擴散模型假定顆粒大部分漂浮在海洋表面, 主要研究其在風浪流聯(lián)合作用下的水平輸移。

Reisser等(2015)利用多層拖網(wǎng)對北大西洋表層以下5 m的水體進行調查, 每隔0.5 m進行現(xiàn)場采樣。經(jīng)過對樣品長度、類型以及實驗分析發(fā)現(xiàn), 海水中塑料顆粒的濃度隨深度呈指數(shù)下降, 且其濃度在5 m左右水層接近于零。Eriksen等(2014)提出塑料碎片最終將沉降到海底。Mountford等(2019)使用歐拉方法建立了三維海洋塑料碎片擴散模型, 模擬結果表明大量的塑料碎片會在海洋中進行垂直輸運, 因此分布于不同水層中。

水平和垂直輸運主要是針對漂浮和懸浮在海洋中的塑料顆粒, 而對于埋藏在沉積物中的塑料顆粒而言, 由于其與風浪流等水動力因素響應關系較弱, 目前研究主要集中于其空間分布和來源的分析。Barrett等(2020)分析了澳大利亞灣深海沉積物中的塑料含量, 發(fā)現(xiàn)與其他深海沉積物相比, 塑料顆粒數(shù)量明顯更高, 并且沉積物中塑料碎片的數(shù)量隨著海洋表面塑性顆粒數(shù)量的增加以及海底傾斜角的增加而增加。Dodson等(2020)研究了美國弗吉尼亞州和北卡羅來納州沿海環(huán)境中塑料顆粒的分布情況, 發(fā)現(xiàn)即使在海洋表面未受到污染的河口和海灘沉積物中同樣存在塑料顆粒。Zuo等(2020)以華南珠江口的三個紅樹林濕地為研究對象, 研究了潮間帶紅樹林生態(tài)系統(tǒng)的海洋塑料污染, 發(fā)現(xiàn)塑料顆粒的豐度與華南珠江口的人口密度和國內生產(chǎn)總值顯著正相關。由此可見, 沉積物中塑料污染水平與其鄰近的城市和國家的發(fā)展緊密相關, 探究沉積物塑料通量與臨近地區(qū)社會經(jīng)濟發(fā)展程度的關系是當前研究的一個重點方向。

因此, 本文以福建省廈門灣為研究對象, 基于MIKE3的生物仿真模擬技術(Agent Based Modelling, ABM), 建立廈門灣的三維水動力數(shù)值模型, 分別研究漂浮、懸浮和沉積塑料顆粒在復雜海洋動力因素下的遷移特性和輸運機理, 并結合水動力條件對廈門灣海域塑料顆粒的分布趨勢開展分析和預測。該研究對促進我國沿海海洋生態(tài)環(huán)境的保護有一定現(xiàn)實意義, 同時也為塑料顆粒在海洋中的遷移擴散研究和預測提供理論依據(jù)。

福建省廈門灣位于海陸交界的海岸帶, 是地球表面最為活躍的自然區(qū)域, 也是資源與環(huán)境最為優(yōu)越、具有海陸過渡特點的獨立環(huán)境體系。并且, 廈門灣海域不僅接收來自廈門海岸的大部分生活污水和工業(yè)廢水, 還接收來自九龍江流域的農業(yè)徑流和順江而下的大量塑料垃圾(Peng, 2013), 是當前研究海洋塑料垃圾輸運遷移特性的熱點區(qū)域之一。

1 研究方法

目前, 針對海洋塑料顆粒遷移問題的建模方法主要有拉格朗日和歐拉方法。MIKE3的生物仿真模擬技術(Agent Based Modelling, ABM模塊)耦合了粒子追蹤模型(PTM, 拉格朗日方法)和生態(tài)實驗室模型(ECO Lab, 歐拉方法), 可與MIKE 3的水動力模型(HD)進行集成計算, 模擬研究生物個體對水環(huán)境參數(shù)做出的響應。本文將水動力HD模塊與基于拉格朗日算法的ABM模塊集成, 用于模擬廈門灣漂浮塑料垃圾在風、徑流、潮流等作用下的輸移特性; 將其與基于歐拉法的水質生態(tài)模塊(ECO Lab)耦合, 用于模擬廈門灣懸浮塑料顆粒在海洋中的物理輸運過程。針對懸浮塑料顆粒, 本文模型除了能考慮其在水動力作用下的水平擴散輸移, 還可考慮其在海洋表面、海底的沉降、沉積等復雜物理過程。

值得一提的是, 本文的主要研究思路為根據(jù)塑料顆粒的性質對其進行分類(漂浮或懸浮顆粒), 并根據(jù)分類選擇不同的建模方法, 從而對塑料顆粒的時空分布特性形成較系統(tǒng)深入的認識。即, 本文塑料顆粒在水體中的漂浮狀態(tài)是預先知道/假定的, 而它們(漂浮和懸浮塑料顆粒)之間的相互轉換或者耦合關系不是本文的研究重點。

1.1 廈門灣水動力模擬

MIKE3的水動力模擬是基于三維不可壓縮的雷諾平均納維-斯托克斯方程(RANS方程)的解, 服從布辛涅司克(Boussinesq)和靜水壓的假設, 滿足連續(xù)性方程和動量方程, 而溫度和鹽度等的遷移則遵循一般的遷移擴散方程。求解域的離散化采用有限體積法,通過將連續(xù)體細分成不重疊的單元/元素來離散化空間域。在三維情況下, 主要使用分層網(wǎng)格劃分技術, 即水平域使用非結構化網(wǎng)格, 而在垂直域則使用結構化網(wǎng)格。時間積分是半隱式的, 即水平項被隱式處理, 垂直項被隱式或部分顯式和部分隱式處理。具體可參考MIKE3的用戶使用手冊。

本文的研究區(qū)域選取廈門灣及其周圍海域, 根據(jù)牛敬碩(2019)及謝森揚(2016)對廈門灣水動力特性的研究, 選取T1潮位測站及V1潮流測站的實測數(shù)據(jù)與模型模擬結果進行對比; 測站的平面分布如圖1所示。模型計算時每隔一小時輸出一次結果, 模擬值和實測值的對比結果如圖2、3所示, 其中實線為模型計算值, 散點為實測值。具體的模型設置等參見附錄A。

圖1 廈門灣地形及測站分布

從圖2中可以看出, 潮位整體擬合情況良好, 實測值和模擬值的潮汐相位基本一致, 高低潮發(fā)生時刻也基本一致, 最大振幅在大潮時約為2.6 m, 在小潮時約為1.3 m。在一天之內實測值和模擬值均出現(xiàn)兩次漲潮和落潮的過程, 體現(xiàn)了所在海域的規(guī)則半日潮特征。同時, 潮流測站的模擬值與實測值亦較為吻合(圖3); 流速大小基本一致, 表層流速最大可達0.8 m/s, 潮流變向時刻基本一致。從圖中還可以看出潮流測站點所在海域呈現(xiàn)明顯的往復流特征, 這在一定程度上也促進了塑料顆粒在近岸和外海之間的傳輸, 且隨著水深的增加最大流速值逐漸減少, 底層最大流速大約為頂層的3/5。由此可見, 模型的模擬結果可以很好地體現(xiàn)廈門灣的潮流特征。

圖2 T1(海滄)測站潮位模擬值和實測值對比圖

圖3 V1測站大潮期間潮流速度大小(上)及方向(下)對比圖

1.2 廈門灣漂浮塑料垃圾的輸移模擬

基于驗證較好的水動力數(shù)值模型, 在廈門灣九龍江口釋放漂浮塑料垃圾(拉格朗日粒子), 通過MIKE3的粒子追蹤模型捕捉其在廈門灣的遷移軌跡, 并將其與實測值進行對比, 驗證所建立模型的準確性。廈門灣塑料漂移軌跡的實測值由2020年8月1日《九龍江口-廈門灣海洋垃圾漂移軌跡及分布預測預報單》提供(廈門市生態(tài)環(huán)境局, 2022)。廈門大學自2017年以來開展了九龍江口-廈門灣的海上垃圾監(jiān)測和預報工作, 該報告單中提供了每日6時至12時從九龍江口漂浮到廈門灣的海上垃圾軌跡信息。

表面風和流是漂浮粒子物理遷移的主要驅動力, 相關信息(如流場)由上文所建立的水動力模型提供。其中, 風場除了會對水流產(chǎn)生影響(即風生流), 漂浮在自由水面的(較大)粒子, 如上述實測軌跡中的較大型海洋塑料垃圾, 還會受到風的直接拖曳作用, 即風阻力。Critchell等(2016)提出可以使用風飄移系數(shù)來計算表面風速中有多少被轉移到粒子運動速度中, 即風漂移系數(shù)的取值與粒子大小、迎風面等因素密切相關。同時, 可通過設置風飄移角來考慮風阻力的實際作用方向, 即考慮科式力的影響。通過校準, 本文設置風漂移系數(shù)為0.01, 風飄移角度為28°。

此外, 粒子在水體中的沉降速度也是影響其運動特征的重要物理量, 其取值同樣與粒子的大小、形狀、密度等物理性質密切相關。由于驗證模型的研究對象為始終漂浮于自由水面的塑料垃圾, 因此, 此處假定粒子的密度始終小于海水密度, 設定其沉降速度為-1 m/s, 忽略由于塑料密度與海水密度不同引起的垂直運動。這也符合本文關于漂浮塑料顆粒的定義, 即始終漂浮于自由水面的塑料顆粒, 而塑料顆粒的垂直運動特性則主要通過下節(jié)研究懸浮塑料垃圾的運移來明確。

圖4給出了海上塑料垃圾漂浮軌跡的實測值與模擬值的對比: 圖4a中綠色的線是當日海上塑料垃圾的實際漂移軌跡, 而模擬軌跡(圖4b)中綠色軌跡線是在相同時間段和風況下, 本文模型在九龍江口釋放的漂浮塑料粒子的預測運動軌跡(九龍江口污染點源的具體位置參見附錄C)。通過對比漂浮塑料顆粒群的實測和模型的遷移路徑和長度可以看出, 實測值和模擬值較為接近, 本文漂浮塑料顆粒模型的精度較好。

1.3 廈門灣懸浮塑料垃圾的輸移模擬

Koutnik等(2021)將海洋中懸浮塑料顆粒的物理運輸過程簡化為大氣沉降、對流擴散、沉積及再懸浮等四個過程。懸浮塑料顆粒在水體中的對流擴散可通過建立物質輸運擴散模型(如MIKE3的對流-擴散模塊)進行模擬。然而, 為了同時考慮其他過程和相互作用, 本文將水動力模塊和Eco Lab生態(tài)模塊相耦合, 模擬懸浮塑料粒子濃度的時空分布, 并結合實測資料對所建模型進行驗證。

圖4 表層漂浮塑料顆粒實測(a)的和模擬計算得到(b)的水平飄移軌跡對比(綠色線為所關心的海上塑料垃圾的漂移軌跡)

在Eco Lab中, 狀態(tài)變量(如懸浮塑料粒子的濃度)的輸運方程為

其中,為Eco Lab水質狀態(tài)變量的濃度。,,分別為流速在,,方向的分量,D,D,D分別為,,方向的擴散系數(shù),S為源和匯。P為Eco Lab過程, 包括上文所述的塑料粒子沉降和再懸浮等。多個過程之間以線性或者非線性的方式進行耦合,

其中,P為與微塑料遷移運動相關的物理過程,為特定狀態(tài)變量所包括的過程數(shù), 本文= 3。描述這些過程引起的塑料粒子濃度變化率的數(shù)學表達參見附錄B。

圖5給出了模型計算結果與廈門灣特定站點處塑料采樣分析得出的濃度的垂直和水平分布對比(Tang, 2018), 測站具體信息參見附錄C。濃度垂直分布為模擬時刻開始第16 d的計算結果, 而水平分布對比中每個站點的水平濃度為模型在開始模擬后20 d內結果的平均值。從圖5可以看出, 從海面往下塑料粒子濃度近似為指數(shù)式下降, 符合實地采樣規(guī)律, 且塑料粒子的水平分布也基本符合實測情況。2、3號測站點(廈門西海嶼處)模擬值偏大的可能原因是其所處位置周圍塑料的污染源點源較多, 且其所處位置也是潮流的主要通道, 接收了來自九龍江河口和同安灣的塑料垃圾。

圖6給出了廈門灣區(qū)域在模擬期間懸浮塑料粒子的最終分布特征, 從圖中的結果可以看出, 廈門灣懸浮塑料粒子的分布范圍介于0～2 200 particles/m2, 且具有明顯的空間差異性, 這也符合圖5b的采樣規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn), 懸浮塑料顆粒在整個計算區(qū)域內均有分布, 并由西北向東南擴散, 在廈門島沿岸和九龍江徑流入海處出現(xiàn)高濃度區(qū)域, 且在青嶼水道處也出現(xiàn)了高濃度帶的分布現(xiàn)象。這是由于懸浮塑料顆粒在廈門灣內遷移擴散的規(guī)律主要與不同位置的流速和地形有關。根據(jù)定義的懸浮塑料顆粒運動過程的數(shù)學表達, 在相近的地形中, 其濃度分布與流速呈負相關的關系(假定流速方向相同): 在流速大的地方懸浮塑料顆粒遷移運動劇烈, 其重懸浮的速度大, 該位置的懸浮塑料顆粒濃度就會較低, 而相對流速小的位置就會呈現(xiàn)相反的規(guī)律?？v觀整個廈門灣內漂浮塑料顆粒的分布, 發(fā)現(xiàn)其與各位置處的地形和距離污染源的遠近也有關系: 以九龍江河口區(qū)與廈門島西海域的交界處為例, 該位置周圍有三個污染源, 所以該位置雖然流速高, 但懸浮塑料顆粒的濃度也高, 在一些內陷的豁口處也會存在高濃度微塑料聚集區(qū)。

圖5 懸浮塑料顆粒濃度垂直分布(a)和水平分布(b)模擬值與實測值對比

注: 測站具體信息參見附錄C

圖6 懸浮塑料顆粒濃度的水平分布

由以上驗證及分析可知, 本文所建模型可以較好地反映所關心海域(即廈門灣)的水動力場特征, 包括潮流、潮位等, 并能夠較好的預測漂浮和懸浮塑料垃圾在風、潮流等作用下的輸移軌跡和空間分布規(guī)律, 可用于下文中拓展研究各種類型塑料顆粒在不同風場、流場下的物理遷移規(guī)律。

2 結果與討論

本章節(jié)利用上文中驗證較好的數(shù)值模型, 選取三種不同物理性質的海洋塑料顆粒(即形狀、大小及沉降速度等不同)研究其在不同海洋動力(如不同風況)作用下的運動輸移特性。值得一提的是, 針對漂浮海洋塑料垃圾, 我們仍假定其始終漂浮在海洋表面, 主要關心其在風、流耦合作用下的水平遷移。而針對懸浮塑料垃圾, 則認為其在水體中同時經(jīng)歷了水平遷移擴散、垂直輸運、沉降等復雜物理過程。嚴格來講, 這兩種塑料垃圾及其在水體中的行為方式并不是完全獨立的, 譬如某些漂浮塑料垃圾的密度小于海水密度, 會在浮力和波浪破碎等造成的垂直湍流等的共同作用下向下沉降, 或懸浮在水體中, 或沉積于海床。根據(jù)實際采樣情況, 通過編寫經(jīng)驗公式對懸浮塑料粒子濃度、沉降通量等進行修正以考慮這些耦合作用, 是本文下一步需要深入研究的問題。

2.1 風況對漂浮海洋塑料垃圾水平飄移的影響

本研究中廈門灣的海洋風場數(shù)據(jù)采用中國海洋信息網(wǎng)的中國臺站觀測數(shù)據(jù)。整理風場數(shù)據(jù)得到, 南北方向是2 m/s及以上風速有效方向的向海區(qū)間, 且在風速為4.8 m/s以上時, 東南向的持續(xù)時間最長。而東北向是廈門的常風向, 東北向的風大約占到該月風向總時間的1/3, 最大風速約為10 m/s。最不利風向為東南風, 因為東南的向岸風會將外海的塑料垃圾吹向陸地, 造成廈門灣灣內塑料垃圾的增長。

根據(jù)以上分析, 本節(jié)在每個污染物點源釋放漂浮塑料顆粒(點源具體位置見附錄C), 釋放速度為每時間步長1 000個, 通過改變不同的風參數(shù), 探究最大風、最不利風及常風作用下, 廈門灣塑料垃圾漂移情況。

計算時, 最大風況的風向與實測風向保持一致, 風速大小始終為10 m/s。如圖7所示, 排污口釋放的漂浮塑料粒子最終在廈門灣沿岸聚集的面積有明顯增加, 同一時刻懸浮塑料顆粒局部濃度也比下文考慮其他風況作用時要高。這是因為風速的增大加速了塑料顆粒水平方向的遷移運動, 更容易堆積到岸線。

圖7 最大風作用下漂浮塑料顆粒在不同時刻的分布(圖中箭頭為風向示意圖)

最不利風況的風速與實測風速保持一致, 風向始終為東南風, 計算結果如圖8所示。研究表明最終漂浮塑料顆粒在廈門灣沿岸聚集的面積有明顯增加, 特別是在最不利風與潮流作用方向相同時, 廈門灣西北沿岸會快速聚集大量塑料顆粒。

常風向的風速與實測風速保持一致, 風向始終為東北風, 此時, 漲潮和落潮時潮流的方向與風向均存在一定夾角, 塑料顆粒會在風和潮流共同作用下遷移。如圖9所示, 與實測風向對比, 常風向作用下西南區(qū)域岸線會聚集大量的塑料顆粒, 使九龍江河口塑料污染的影響更大。

2.2 不同類別懸浮塑料垃圾的遷移特性

接下來考慮具有不同形狀及沉降速度的懸浮塑料顆粒的垂直擴散特性(表1)。排污口1號設置為排放源(圖10箭頭所指處, 排污口的具體位置見附錄C),模擬結果如圖10所示?？梢钥闯? 不同粒徑和形狀的塑料顆粒在海洋中的運動遷移特性有明顯不同, 沉降速度大的塑料顆粒會相對快速地沉降在距離顆粒釋放位置附近(即懸浮顆粒的濃度相對較小), 而沉降速度小的顆粒會隨著水流漂流得更遠, 沉降位置距離釋放點較遠。此時, 本文研究的對象主要為最長邊小于50 mm的較小塑料顆粒, 而對于粒徑較大的大型海洋塑料垃圾, 風的直接拖曳作用較明顯, 可能對輸運遷移特性造成影響, 是本文下一步需要深入系統(tǒng)研究的課題。

2.3 海洋塑料垃圾沉積通量的估算

本文1.3節(jié)及2.2節(jié)中建立的Eco Lab模型將塑料顆粒的沉降過程簡化為當水柱中塑料顆粒濃度達到或者超過臨界值時, 塑料顆粒開始向海底沉降。濃度臨界值根據(jù)經(jīng)驗或者根據(jù)實測值校準得到。該方法的優(yōu)點是簡單且易實現(xiàn), 但未考慮近岸海域塑料沉降到海底期間的復雜物理過程。尋找水柱表層塑料顆粒豐度/濃度(數(shù)據(jù)較易在實際采樣中獲得)、水柱中塑料顆粒濃度、當?shù)爻练e塑料顆粒通量間的對應關系, 并依此提出合理的參數(shù)化方案, 引入到粒子追蹤或者Eco Lab模型的模擬計算中, 是提高數(shù)值模擬精度的一個有效途徑。因此, 本節(jié)擬根據(jù)實際采樣情況及上文模擬計算得出的總體分布規(guī)律, 編寫塑料顆粒沉積通量的經(jīng)驗公式, 并以此探究沉積塑料通量與臨近地區(qū)社會經(jīng)濟發(fā)展程度的相關性。同時, 該研究可為下一步建立改進的塑料顆粒遷移擴散模型提供理論依據(jù)。

圖8 最不利風作用下漂浮塑料顆粒在不同時刻的分布(圖中箭頭為風向示意圖)

圖9 常風向作用下漂浮塑料顆粒在不同時刻的分布(圖中箭頭為風向示意圖)

表1 塑料粒子類型及沉降速度

Tab.1 Plastic particle type and settlement rate

注: —表示無數(shù)據(jù)

參考Kukulka等(2012), 建立海洋塑料濃度的垂向分布模型:

式中,為以海面為基準豎直向上的笛卡爾坐標,為海水中位置處的塑料豐度,0為海洋表層的塑料豐度。為塑料的終端上升速度, 對北大西洋塑料樣本的初步試驗發(fā)現(xiàn), 其在靜水中的終端上升速度為0.005～0.035 m/s, 而對扁平塑料碎片其取值為(0.014± 0.007) m/s (Morét-Ferguson, 2010)。本文參考Kukulka等(2012),= 0.01m/s。

0為塑料顆粒的垂向擴散系數(shù), 由下式計算:

式中, k為馮卡曼系數(shù), 取為0.4。海表面風速*= 0.001210, 其中10為距海面10 m處的風速,s為海面的特征波高。根據(jù)廈門灣常年風況和波浪情況(林毅輝等, 2009; 朱君等, 2017), 假定海面條件為微風的情況下10= 3.6 m/s,s= 0.2 m。

將塑料豐度在水柱中由海底至海水表面進行積分, 得到整個水柱中塑料通量的大小,

根據(jù)Mani等(2016)的研究, 近岸海洋中塑料垃圾的來源主要與其所在城市生產(chǎn)的塑料量有關, 并且大約有80%的垃圾來自于陸源輸入。因此, 在不考慮研究區(qū)域所在地的垃圾治理情況下, 假設

式中為經(jīng)驗系數(shù), 本文中塑料污染源的個數(shù)、空間分布等復雜關系主要通過調整經(jīng)驗系數(shù)來考慮。()為當?shù)厮芰袭a(chǎn)量隨時間變化公式, 根據(jù)1949～2017年廈門塑料年產(chǎn)量的數(shù)據(jù), 擬合()的表達式為()0.042(t–1949)(龍鄒霞, 2019)。

圖10 不同形狀和密度的懸浮塑料顆粒的濃度分布圖

海洋塑料會在洋流等作用下轉移到深海, 但是近岸區(qū)域塑料顆粒沉入沉積物中的機理尚不明確, 近年來對塑料沉積物分層通量的研究表明, 塑料垂向通量的分布總體上是上層大于下層(Zheng, 2020), 但受沉積物與水體之間不穩(wěn)定的動態(tài)沉積過程和人類活動的相關影響, 塑料沉積物垂向分布并無明顯變化。此外, 研究表明海洋表層塑料濃度高的位置與其對應海底沉積塑料濃度也偏高(Barrett, 2020)。因此, 假設沉積物通量總值隨時間變化具有如下形式,

根據(jù)龍鄒霞(2019)在廈門灣雞嶼處得到的沉積物中塑料顆粒通量的數(shù)據(jù)對經(jīng)驗公式(7)進行驗證, 如圖11所示。從圖中發(fā)現(xiàn), 除了在20世紀70和80年代外, 廈門灣沉積物中塑料含量與經(jīng)驗公式吻合良好, 近乎呈線性增長。20世紀70年代初期由于廈門塑料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展, 塑料制品快速增長, 塑料沉積速率同時增大。而20世紀80年代則由于馬普公約的簽訂, 塑料污染治理初見成效, 塑料速率增長變緩。人為因素的干擾對經(jīng)驗公式的編寫和普適性造成了困難, 需要進一步的研究。

3 結論

本文使用數(shù)值模擬的方法, 研究了廈門灣海洋塑料垃圾遷移運動特性并對沉積物中塑料通量進行了預測。在對海洋塑料垂向分類的基礎上, 基于MIKE模型, 使用拉格朗日方法和歐拉方法分別描述水體中漂浮和懸浮塑料的遷移運動, 并提出了計算沉積塑料通量的經(jīng)驗公式。首先, 建立了針對廈門灣的水動力模型。其次, 在正確驗證水動力模型的基礎上, 考慮漂浮、懸浮、沉積塑料的遷移特征分別建立了相應的數(shù)學模型。最后, 考慮了海洋塑料的分布特征和遷移規(guī)律與水動力因素之間的響應關系, 并對廈門灣沉積塑料通量進行了預測, 本文的主要結論如下:

(1) 廈門灣主要潮流通道為廈門島東側水道, 大小金門水道和青嶼水道, 且潮流通道處的潮流呈現(xiàn)明顯的往復流特性。漲潮時, 潮流方向大多向北和西北。落潮時, 潮流方向大多向南和東南。

(2) 漂浮塑料顆粒的遷移運動受風的影響很大, 在風的影響下進行水平方向擴散。在最大風、常風向、不利風的作用下, 大量漂浮塑料顆粒向岸邊聚集, 導致局部濃度劇增。

(3) 懸浮塑料顆粒的垂向分布呈指數(shù)式下降的規(guī)律, 不同理化性質的懸浮塑料顆粒, 其水平擴散規(guī)律不同。沉降速度大的塑料顆粒水平方向傳輸距離更近, 而隨著沉降速度減小, 懸浮塑料顆粒能夠傳送到更遠的地方。懸浮塑料顆粒的分布還與流速有關, 一般來說流速較大的位置懸浮塑料顆粒的濃度較低, 且在該地區(qū)不容易發(fā)生懸浮塑料顆粒的沉積現(xiàn)象。

(4) 建立了廈門灣沉積塑料通量隨時間變化的經(jīng)驗公式, 發(fā)現(xiàn)沉積塑料含量隨時間呈乎呈線性增長。預測值與實測值總體吻合良好, 但經(jīng)驗公式未考慮人為因素的干擾, 需要進一步的研究。

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MOVEMENT, SETTLEMENT, AND DISTRIBUTION OF MARINE PLASTICS IN THE XIAMEN BAY

NING De-Zhi1, YUAN Ze-Lin1, PAN Zhong2, CHEN Li-Fen1, ZHANG Chong-Wei1, MA Jia-Jun1

(1. State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116033, China; 2.Laboratory of Marine Chemistry & Environmental Monitoring Technology, Third Institute of Oceanography, Ministry of Natural Resources, Xiamen 361005, China)

Marine plastic wastesare a new type of marine pollutant, the calculation of the flux of marine plastic waste into the sea involves the source-sink process and migration path, which are not fully understood yet by scientists. Taking Xiamen Bay area with rapid industrial development as the research object, considering the influence of tidal action, runoff into the sea, wind, and other factors, based on MIKE 3 Agent Based Modelling, the characteristics of distribution and migration of floating and suspended plastic waste were simulated and studied, and the empirical formula was proposed to predict the flux of deposited plastic waste. Results show that the floating plastic waste is concentrated on the shoreline under the actions of unfavorable wind, prevailing wind, and the strongest wind. The distribution of suspended plastics from the sea surface downward show an exponential decline, and its horizontal migration is closely related to the tidal movement. In areas with low flow velocity, suspended plastics are easier to accumulate, raising the local concentration. The diffusion rate of suspended plastics is also related to the physical properties of plastic particles. Plastic particles with low settling rate can be suspended in water body for a longer time and are easier to be transported to places farther away from the pollution sources. In addition, it is found that the growth of micro-plastic deposition flux is approximately linear with time, and the flux is related to the plastic output in Xiamen and the hydrodynamics in the Xiamen Bay.

marine plastics; Xiamen Bay; MIKE3; Agent Based Modelling; floating plastics; suspended plastics; deposited plastics

* 遼寧省自然科學基金聯(lián)合基金計劃, 2021-KF-16-0號; 大連理工大學基本科研業(yè)務費, 1102/82232019號; 自然資源部第三海洋研究所基本科研業(yè)務費項目, HE01-190702號。寧德志, 博士生導師, 教授, E-mail: dzning@dlut.edu.cn

陳麗芬, 博士生導師, 教授, E-mail: lifen_chen@dlut.edu.cn

2021-12-30,

2022-04-04

X55

10.11693/hyhz20211200354