廈門灣海洋塑料垃圾的運(yùn)動(dòng)特性及輸移機(jī)理*

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(yùn)動(dòng)特性及輸移機(jī)理*

寧德志1袁澤林1潘 鐘2陳麗芬1①?gòu)埑鐐?馬嘉駿1

(1. 大連理工大學(xué)海岸和近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 遼寧大連 116033; 2. 自然資源部第三海洋研究所海洋化學(xué)與環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)實(shí)驗(yàn)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(jì)算過程中涉及的源匯過程、遷移途徑、輸運(yùn)過程等尚未完全清楚, 需進(jìn)一步研究完善。以工業(yè)高速發(fā)展的廈門灣為研究對(duì)象, 考慮潮流、入海徑流、風(fēng)等因素的影響, 基于MIKE3軟件的生物仿真模擬技術(shù)(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(yàn)公式對(duì)沉積塑料垃圾的通量進(jìn)行了預(yù)測(cè)。結(jié)果表明漂浮塑料垃圾在不利風(fēng)、常風(fēng)向和最大風(fēng)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(yùn)動(dòng)密切相關(guān); 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(kuò)散速率也與塑料顆粒的物理性質(zhì)有關(guān), 沉降速度小的塑料顆粒在水中懸浮的時(shí)間更長(zhǎng), 更容易被傳輸?shù)骄嚯x污染源更遠(yuǎn)的地方。同時(shí), 研究發(fā)現(xiàn)沉積微塑料通量的增長(zhǎng)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(dòng)力特性相關(guān)。

海洋塑料垃圾; 廈門灣; MIKE3; 生物仿真模擬技術(shù); 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(cái)富, 是生命初始的搖籃, 伴隨著人類對(duì)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(jì)全球約80%的海洋垃圾由塑料構(gòu)成, 塑料垃圾在進(jìn)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(nèi)的塑料顆粒(Barnes, 2009)。這些塑料顆粒會(huì)在復(fù)雜的海洋動(dòng)力(風(fēng)、洋流及海浪等)作用下進(jìn)行輸運(yùn)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(duì)整個(gè)海洋生態(tài)系統(tǒng)造成極大威脅, 嚴(yán)重影響海洋經(jīng)濟(jì)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(jì)算過程中涉及的源匯過程、遷移途徑、輸運(yùn)過程等尚未完全清楚, 需進(jìn)一步研究完善(李道季, 2020)。因此, 研究塑料垃圾在海洋中的運(yùn)動(dòng)特性和輸移機(jī)理, 對(duì)確定海洋塑料垃圾的最終分布和歸趨有著至關(guān)重要的作用, 也是本文的研究重點(diǎn)。

目前, 研究海洋塑料垃圾的輸運(yùn)遷移規(guī)律, 主要面臨兩個(gè)關(guān)鍵性的技術(shù)挑戰(zhàn): 一是復(fù)雜的海洋動(dòng)力環(huán)境。塑料進(jìn)入海洋后會(huì)在風(fēng)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(yùn)動(dòng), 復(fù)雜多變的海洋動(dòng)力因素給研究海洋塑料顆粒的輸運(yùn)遷移規(guī)律造成了不便。二是海洋塑料自身的理化性質(zhì)及其演變過程對(duì)塑料的輸運(yùn)過程有重要影響。在同樣的水動(dòng)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(yùn)特性差異明顯(Besseling, 2017)。

耦合海洋水動(dòng)力模擬和粒子追蹤模型的海洋污染物擴(kuò)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(fēng)等作用下遠(yuǎn)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(yùn)動(dòng)看成風(fēng)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(yùn)動(dòng)軌跡和源匯區(qū)域。Van Sebille等(2012, 2015)和Lebreton等(2013)基于洋流動(dòng)力模型的預(yù)測(cè)結(jié)果表明, 在主要海洋盆地的亞熱帶緯度上形成了五個(gè)海洋塑料垃圾積聚區(qū), 并與航次實(shí)地調(diào)查結(jié)果吻合(Law, 2010, 2014)。Chubarenko等(2016)計(jì)算發(fā)現(xiàn), 對(duì)海水表層的漂浮球狀微塑料顆粒, 風(fēng)阻作用導(dǎo)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(zhǎng)江口及其臨近海域會(huì)呈現(xiàn)非常不同的輸運(yùn)規(guī)律, 與潮流、風(fēng)阻和微塑料釋放點(diǎn)(入海)位置等強(qiáng)相關(guān)。在該研究中, 微塑料的物理性質(zhì)主要根據(jù)實(shí)地采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)置, 因此, 未考慮海洋塑料自身的理化性質(zhì)多樣性對(duì)其輸運(yùn)遷移規(guī)律的影響。Neumann等(2014)的研究表明, 海表風(fēng)應(yīng)力會(huì)增大北海南部海域漂浮污染物的粒子移動(dòng)速度和傳輸范圍。針對(duì)2011年日本海嘯, Maximenko等(2018)通過數(shù)值模擬和原型觀測(cè)發(fā)現(xiàn), 迎風(fēng)面大的塑料垃圾輸運(yùn)速度比較快, 而迎風(fēng)面小、相對(duì)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(fēng)力的影響將發(fā)生持續(xù)翻轉(zhuǎn), 而扁平狀的微塑料與水面接觸面積大, 較難發(fā)生翻轉(zhuǎn)。由此可見, 現(xiàn)有海洋塑料顆粒擴(kuò)散模型假定顆粒大部分漂浮在海洋表面, 主要研究其在風(fēng)浪流聯(lián)合作用下的水平輸移。

Reisser等(2015)利用多層拖網(wǎng)對(duì)北大西洋表層以下5 m的水體進(jìn)行調(diào)查, 每隔0.5 m進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)采樣。經(jīng)過對(duì)樣品長(zhǎng)度、類型以及實(shí)驗(yàn)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(kuò)散模型, 模擬結(jié)果表明大量的塑料碎片會(huì)在海洋中進(jìn)行垂直輸運(yùn), 因此分布于不同水層中。

水平和垂直輸運(yùn)主要是針對(duì)漂浮和懸浮在海洋中的塑料顆粒, 而對(duì)于埋藏在沉積物中的塑料顆粒而言, 由于其與風(fēng)浪流等水動(dòng)力因素響應(yīng)關(guān)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(guó)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(gè)紅樹林濕地為研究對(duì)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(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值顯著正相關(guān)。由此可見, 沉積物中塑料污染水平與其鄰近的城市和國(guó)家的發(fā)展緊密相關(guān), 探究沉積物塑料通量與臨近地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度的關(guān)系是當(dāng)前研究的一個(gè)重點(diǎn)方向。

因此, 本文以福建省廈門灣為研究對(duì)象, 基于MIKE3的生物仿真模擬技術(shù)(Agent Based Modelling, ABM), 建立廈門灣的三維水動(dòng)力數(shù)值模型, 分別研究漂浮、懸浮和沉積塑料顆粒在復(fù)雜海洋動(dòng)力因素下的遷移特性和輸運(yùn)機(jī)理, 并結(jié)合水動(dòng)力條件對(duì)廈門灣海域塑料顆粒的分布趨勢(shì)開展分析和預(yù)測(cè)。該研究對(duì)促進(jìn)我國(guó)沿海海洋生態(tài)環(huán)境的保護(hù)有一定現(xiàn)實(shí)意義, 同時(shí)也為塑料顆粒在海洋中的遷移擴(kuò)散研究和預(yù)測(cè)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(diǎn)的獨(dú)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(nóng)業(yè)徑流和順江而下的大量塑料垃圾(Peng, 2013), 是當(dāng)前研究海洋塑料垃圾輸運(yùn)遷移特性的熱點(diǎn)區(qū)域之一。

1 研究方法

目前, 針對(duì)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(shù)(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(shí)驗(yàn)室模型(ECO Lab, 歐拉方法), 可與MIKE 3的水動(dòng)力模型(HD)進(jìn)行集成計(jì)算, 模擬研究生物個(gè)體對(duì)水環(huán)境參數(shù)做出的響應(yīng)。本文將水動(dòng)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(fēng)、徑流、潮流等作用下的輸移特性; 將其與基于歐拉法的水質(zhì)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(yùn)過程。針對(duì)懸浮塑料顆粒, 本文模型除了能考慮其在水動(dòng)力作用下的水平擴(kuò)散輸移, 還可考慮其在海洋表面、海底的沉降、沉積等復(fù)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(zhì)對(duì)其進(jìn)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(duì)塑料顆粒的時(shí)空分布特性形成較系統(tǒng)深入的認(rèn)識(shí)。即, 本文塑料顆粒在水體中的漂浮狀態(tài)是預(yù)先知道/假定的, 而它們(漂浮和懸浮塑料顆粒)之間的相互轉(zhuǎn)換或者耦合關(guān)系不是本文的研究重點(diǎn)。

1.1 廈門灣水動(dòng)力模擬

MIKE3的水動(dòng)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(shè), 滿足連續(xù)性方程和動(dòng)量方程, 而溫度和鹽度等的遷移則遵循一般的遷移擴(kuò)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(xì)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(shù), 即水平域使用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格, 而在垂直域則使用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。時(shí)間積分是半隱式的, 即水平項(xiàng)被隱式處理, 垂直項(xiàng)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(cè)。

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(yáng)(2016)對(duì)廈門灣水動(dòng)力特性的研究, 選取T1潮位測(cè)站及V1潮流測(cè)站的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與模型模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比; 測(cè)站的平面分布如圖1所示。模型計(jì)算時(shí)每隔一小時(shí)輸出一次結(jié)果, 模擬值和實(shí)測(cè)值的對(duì)比結(jié)果如圖2、3所示, 其中實(shí)線為模型計(jì)算值, 散點(diǎn)為實(shí)測(cè)值。具體的模型設(shè)置等參見附錄A。

圖1 廈門灣地形及測(cè)站分布

從圖2中可以看出, 潮位整體擬合情況良好, 實(shí)測(cè)值和模擬值的潮汐相位基本一致, 高低潮發(fā)生時(shí)刻也基本一致, 最大振幅在大潮時(shí)約為2.6 m, 在小潮時(shí)約為1.3 m。在一天之內(nèi)實(shí)測(cè)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(shí), 潮流測(cè)站的模擬值與實(shí)測(cè)值亦較為吻合(圖3); 流速大小基本一致, 表層流速最大可達(dá)0.8 m/s, 潮流變向時(shí)刻基本一致。從圖中還可以看出潮流測(cè)站點(diǎn)所在海域呈現(xiàn)明顯的往復(fù)流特征, 這在一定程度上也促進(jìn)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(jié)果可以很好地體現(xiàn)廈門灣的潮流特征。

圖2 T1(海滄)測(cè)站潮位模擬值和實(shí)測(cè)值對(duì)比圖

圖3 V1測(cè)站大潮期間潮流速度大小(上)及方向(下)對(duì)比圖

1.2 廈門灣漂浮塑料垃圾的輸移模擬

基于驗(yàn)證較好的水動(dòng)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(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比, 驗(yàn)證所建立模型的準(zhǔn)確性。廈門灣塑料漂移軌跡的實(shí)測(cè)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(yù)測(cè)預(yù)報(bào)單》提供(廈門市生態(tài)環(huán)境局, 2022)。廈門大學(xué)自2017年以來開展了九龍江口-廈門灣的海上垃圾監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)工作, 該報(bào)告單中提供了每日6時(shí)至12時(shí)從九龍江口漂浮到廈門灣的海上垃圾軌跡信息。

表面風(fēng)和流是漂浮粒子物理遷移的主要驅(qū)動(dòng)力, 相關(guān)信息(如流場(chǎng))由上文所建立的水動(dòng)力模型提供。其中, 風(fēng)場(chǎng)除了會(huì)對(duì)水流產(chǎn)生影響(即風(fēng)生流), 漂浮在自由水面的(較大)粒子, 如上述實(shí)測(cè)軌跡中的較大型海洋塑料垃圾, 還會(huì)受到風(fēng)的直接拖曳作用, 即風(fēng)阻力。Critchell等(2016)提出可以使用風(fēng)飄移系數(shù)來計(jì)算表面風(fēng)速中有多少被轉(zhuǎn)移到粒子運(yùn)動(dòng)速度中, 即風(fēng)漂移系數(shù)的取值與粒子大小、迎風(fēng)面等因素密切相關(guān)。同時(shí), 可通過設(shè)置風(fēng)飄移角來考慮風(fēng)阻力的實(shí)際作用方向, 即考慮科式力的影響。通過校準(zhǔn), 本文設(shè)置風(fēng)漂移系數(shù)為0.01, 風(fēng)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(yùn)動(dòng)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(zhì)密切相關(guān)。由于驗(yàn)證模型的研究對(duì)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(shè)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(yùn)動(dòng)。這也符合本文關(guān)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(yùn)動(dòng)特性則主要通過下節(jié)研究懸浮塑料垃圾的運(yùn)移來明確。

圖4給出了海上塑料垃圾漂浮軌跡的實(shí)測(cè)值與模擬值的對(duì)比: 圖4a中綠色的線是當(dāng)日海上塑料垃圾的實(shí)際漂移軌跡, 而模擬軌跡(圖4b)中綠色軌跡線是在相同時(shí)間段和風(fēng)況下, 本文模型在九龍江口釋放的漂浮塑料粒子的預(yù)測(cè)運(yùn)動(dòng)軌跡(九龍江口污染點(diǎn)源的具體位置參見附錄C)。通過對(duì)比漂浮塑料顆粒群的實(shí)測(cè)和模型的遷移路徑和長(zhǎng)度可以看出, 實(shí)測(cè)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(yùn)輸過程簡(jiǎn)化為大氣沉降、對(duì)流擴(kuò)散、沉積及再懸浮等四個(gè)過程。懸浮塑料顆粒在水體中的對(duì)流擴(kuò)散可通過建立物質(zhì)輸運(yùn)擴(kuò)散模型(如MIKE3的對(duì)流-擴(kuò)散模塊)進(jìn)行模擬。然而, 為了同時(shí)考慮其他過程和相互作用, 本文將水動(dòng)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(shí)空分布, 并結(jié)合實(shí)測(cè)資料對(duì)所建模型進(jìn)行驗(yàn)證。

圖4 表層漂浮塑料顆粒實(shí)測(cè)(a)的和模擬計(jì)算得到(b)的水平飄移軌跡對(duì)比(綠色線為所關(guān)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(yùn)方程為

其中,為Eco Lab水質(zhì)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(kuò)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(gè)過程之間以線性或者非線性的方式進(jìn)行耦合,

其中,P為與微塑料遷移運(yùn)動(dòng)相關(guān)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(xué)表達(dá)參見附錄B。

圖5給出了模型計(jì)算結(jié)果與廈門灣特定站點(diǎn)處塑料采樣分析得出的濃度的垂直和水平分布對(duì)比(Tang, 2018), 測(cè)站具體信息參見附錄C。濃度垂直分布為模擬時(shí)刻開始第16 d的計(jì)算結(jié)果, 而水平分布對(duì)比中每個(gè)站點(diǎn)的水平濃度為模型在開始模擬后20 d內(nèi)結(jié)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(shí)地采樣規(guī)律, 且塑料粒子的水平分布也基本符合實(shí)測(cè)情況。2、3號(hào)測(cè)站點(diǎn)(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(diǎn)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(jié)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(gè)計(jì)算區(qū)域內(nèi)均有分布, 并由西北向東南擴(kuò)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(nèi)遷移擴(kuò)散的規(guī)律主要與不同位置的流速和地形有關(guān)。根據(jù)定義的懸浮塑料顆粒運(yùn)動(dòng)過程的數(shù)學(xué)表達(dá), 在相近的地形中, 其濃度分布與流速呈負(fù)相關(guān)的關(guān)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(yùn)動(dòng)劇烈, 其重懸浮的速度大, 該位置的懸浮塑料顆粒濃度就會(huì)較低, 而相對(duì)流速小的位置就會(huì)呈現(xiàn)相反的規(guī)律?？v觀整個(gè)廈門灣內(nèi)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(yuǎn)近也有關(guān)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(gè)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(nèi)陷的豁口處也會(huì)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(shí)測(cè)值對(duì)比

注: 測(cè)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(yàn)證及分析可知, 本文所建模型可以較好地反映所關(guān)心海域(即廈門灣)的水動(dòng)力場(chǎng)特征, 包括潮流、潮位等, 并能夠較好的預(yù)測(cè)漂浮和懸浮塑料垃圾在風(fēng)、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(fēng)場(chǎng)、流場(chǎng)下的物理遷移規(guī)律。

2 結(jié)果與討論

本章節(jié)利用上文中驗(yàn)證較好的數(shù)值模型, 選取三種不同物理性質(zhì)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(dòng)力(如不同風(fēng)況)作用下的運(yùn)動(dòng)輸移特性。值得一提的是, 針對(duì)漂浮海洋塑料垃圾, 我們?nèi)约俣ㄆ涫冀K漂浮在海洋表面, 主要關(guān)心其在風(fēng)、流耦合作用下的水平遷移。而針對(duì)懸浮塑料垃圾, 則認(rèn)為其在水體中同時(shí)經(jīng)歷了水平遷移擴(kuò)散、垂直輸運(yùn)、沉降等復(fù)雜物理過程。嚴(yán)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(dú)立的, 譬如某些漂浮塑料垃圾的密度小于海水密度, 會(huì)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(shí)際采樣情況, 通過編寫經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)懸浮塑料粒子濃度、沉降通量等進(jìn)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(fēng)況對(duì)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(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)采用中國(guó)海洋信息網(wǎng)的中國(guó)臺(tái)站觀測(cè)數(shù)據(jù)。整理風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)得到, 南北方向是2 m/s及以上風(fēng)速有效方向的向海區(qū)間, 且在風(fēng)速為4.8 m/s以上時(shí), 東南向的持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)。而東北向是廈門的常風(fēng)向, 東北向的風(fēng)大約占到該月風(fēng)向總時(shí)間的1/3, 最大風(fēng)速約為10 m/s。最不利風(fēng)向?yàn)闁|南風(fēng), 因?yàn)闁|南的向岸風(fēng)會(huì)將外海的塑料垃圾吹向陸地, 造成廈門灣灣內(nèi)塑料垃圾的增長(zhǎng)。

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

計(jì)算時(shí), 最大風(fēng)況的風(fēng)向與實(shí)測(cè)風(fēng)向保持一致, 風(fēng)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(shí)刻懸浮塑料顆粒局部濃度也比下文考慮其他風(fēng)況作用時(shí)要高。這是因?yàn)轱L(fēng)速的增大加速了塑料顆粒水平方向的遷移運(yùn)動(dòng), 更容易堆積到岸線。

圖7 最大風(fēng)作用下漂浮塑料顆粒在不同時(shí)刻的分布(圖中箭頭為風(fēng)向示意圖)

最不利風(fēng)況的風(fēng)速與實(shí)測(cè)風(fēng)速保持一致, 風(fēng)向始終為東南風(fēng), 計(jì)算結(jié)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(fēng)與潮流作用方向相同時(shí), 廈門灣西北沿岸會(huì)快速聚集大量塑料顆粒。

常風(fēng)向的風(fēng)速與實(shí)測(cè)風(fēng)速保持一致, 風(fēng)向始終為東北風(fēng), 此時(shí), 漲潮和落潮時(shí)潮流的方向與風(fēng)向均存在一定夾角, 塑料顆粒會(huì)在風(fēng)和潮流共同作用下遷移。如圖9所示, 與實(shí)測(cè)風(fēng)向?qū)Ρ? 常風(fēng)向作用下西南區(qū)域岸線會(huì)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(kuò)散特性(表1)。排污口1號(hào)設(shè)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(jié)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(yùn)動(dòng)遷移特性有明顯不同, 沉降速度大的塑料顆粒會(huì)相對(duì)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(duì)較小), 而沉降速度小的顆粒會(huì)隨著水流漂流得更遠(yuǎn), 沉降位置距離釋放點(diǎn)較遠(yuǎn)。此時(shí), 本文研究的對(duì)象主要為最長(zhǎng)邊小于50 mm的較小塑料顆粒, 而對(duì)于粒徑較大的大型海洋塑料垃圾, 風(fēng)的直接拖曳作用較明顯, 可能對(duì)輸運(yùn)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(jiǎn)化為當(dāng)水柱中塑料顆粒濃度達(dá)到或者超過臨界值時(shí), 塑料顆粒開始向海底沉降。濃度臨界值根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或者根據(jù)實(shí)測(cè)值校準(zhǔn)得到。該方法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單且易實(shí)現(xiàn), 但未考慮近岸海域塑料沉降到海底期間的復(fù)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(shí)際采樣中獲得)、水柱中塑料顆粒濃度、當(dāng)?shù)爻练e塑料顆粒通量間的對(duì)應(yīng)關(guān)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(jì)算中, 是提高數(shù)值模擬精度的一個(gè)有效途徑。因此, 本節(jié)擬根據(jù)實(shí)際采樣情況及上文模擬計(jì)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(yàn)公式, 并以此探究沉積塑料通量與臨近地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度的相關(guān)性。同時(shí), 該研究可為下一步建立改進(jìn)的塑料顆粒遷移擴(kuò)散模型提供理論依據(jù)。

圖8 最不利風(fēng)作用下漂浮塑料顆粒在不同時(shí)刻的分布(圖中箭頭為風(fēng)向示意圖)

圖9 常風(fēng)向作用下漂浮塑料顆粒在不同時(shí)刻的分布(圖中箭頭為風(fēng)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(zhǔn)豎直向上的笛卡爾坐標(biāo),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(duì)北大西洋塑料樣本的初步試驗(yàn)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(duì)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(kuò)散系數(shù), 由下式計(jì)算:

式中, k為馮卡曼系數(shù), 取為0.4。海表面風(fēng)速*= 0.001210, 其中10為距海面10 m處的風(fēng)速,s為海面的特征波高。根據(jù)廈門灣常年風(fēng)況和波浪情況(林毅輝等, 2009; 朱君等, 2017), 假定海面條件為微風(fēng)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(jìn)行積分, 得到整個(gè)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(guān), 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(shè)

式中為經(jīng)驗(yàn)系數(shù), 本文中塑料污染源的個(gè)數(shù)、空間分布等復(fù)雜關(guān)系主要通過調(diào)整經(jīng)驗(yàn)系數(shù)來考慮。()為當(dāng)?shù)厮芰袭a(chǎn)量隨時(shí)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(dá)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(huì)在洋流等作用下轉(zhuǎn)移到深海, 但是近岸區(qū)域塑料顆粒沉入沉積物中的機(jī)理尚不明確, 近年來對(duì)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(dòng)態(tài)沉積過程和人類活動(dòng)的相關(guān)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(duì)應(yīng)海底沉積塑料濃度也偏高(Barrett, 2020)。因此, 假設(shè)沉積物通量總值隨時(shí)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(duì)經(jīng)驗(yàn)公式(7)進(jìn)行驗(yàn)證, 如圖11所示。從圖中發(fā)現(xiàn), 除了在20世紀(jì)70和80年代外, 廈門灣沉積物中塑料含量與經(jīng)驗(yàn)公式吻合良好, 近乎呈線性增長(zhǎng)。20世紀(jì)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(zhǎng), 塑料沉積速率同時(shí)增大。而20世紀(jì)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(zhǎng)變緩。人為因素的干擾對(duì)經(jīng)驗(yàn)公式的編寫和普適性造成了困難, 需要進(jìn)一步的研究。

3 結(jié)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(yùn)動(dòng)特性并對(duì)沉積物中塑料通量進(jìn)行了預(yù)測(cè)。在對(duì)海洋塑料垂向分類的基礎(chǔ)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(yùn)動(dòng), 并提出了計(jì)算沉積塑料通量的經(jīng)驗(yàn)公式。首先, 建立了針對(duì)廈門灣的水動(dòng)力模型。其次, 在正確驗(yàn)證水動(dòng)力模型的基礎(chǔ)上, 考慮漂浮、懸浮、沉積塑料的遷移特征分別建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)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(dòng)力因素之間的響應(yīng)關(guān)系, 并對(duì)廈門灣沉積塑料通量進(jìn)行了預(yù)測(cè), 本文的主要結(jié)論如下:

(1) 廈門灣主要潮流通道為廈門島東側(cè)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(fù)流特性。漲潮時(shí), 潮流方向大多向北和西北。落潮時(shí), 潮流方向大多向南和東南。

(2) 漂浮塑料顆粒的遷移運(yùn)動(dòng)受風(fēng)的影響很大, 在風(fēng)的影響下進(jìn)行水平方向擴(kuò)散。在最大風(fēng)、常風(fēng)向、不利風(fēng)的作用下, 大量漂浮塑料顆粒向岸邊聚集, 導(dǎo)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(zhì)的懸浮塑料顆粒, 其水平擴(kuò)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(yuǎn)的地方。懸浮塑料顆粒的分布還與流速有關(guān), 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(shí)間變化的經(jīng)驗(yàn)公式, 發(fā)現(xiàn)沉積塑料含量隨時(shí)間呈乎呈線性增長(zhǎng)。預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值總體吻合良好, 但經(jīng)驗(yàn)公式未考慮人為因素的干擾, 需要進(jìn)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(xué)基金聯(lián)合基金計(jì)劃, 2021-KF-16-0號(hào); 大連理工大學(xué)基本科研業(yè)務(wù)費(fèi), 1102/82232019號(hào); 自然資源部第三海洋研究所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目, HE01-190702號(hào)。寧德志, 博士生導(dǎo)師, 教授, E-mail: dzning@dlut.edu.cn

陳麗芬, 博士生導(dǎo)師, 教授, E-mail: lifen_chen@dlut.edu.cn

2021-12-30,

2022-04-04

X55

10.11693/hyhz20211200354