微塑料在渤海水体漂移的数值模拟

In the last decade marine microplastic pollution has become one of the major worldwide concerns in the scope of marine environment. It is very important to understand the dispersal patterns of microplastic in the oceans and how they are transported at the surface and bottom, which will provide scientific support for protection against marine plastic pollution. Modeling microplastics in the ocean can be challenging since microplastics range in size, shape, buoyancy, density etc. For microplastic model to become realistic and useful, it needs to include specific processes, which includes degradation of macroplastics into microplastics, drift velocity, settling velocity and resuspension rate. The incorporation of these parameters into a model should improve the ability to predict the movement and fate of plastic in the ocean. In this project we’ll focus on the drifting process of microplastic not considering the transformation process. The transportation of floating microplastics is simulated using numerical models. Field survey and samples analysis are used to determine the wind drift coefficient. In the Bohai Sea the modelling currents and waves are used to calculate the wind-drift and stokes-drift velocity, then the drifting movement of microplastics is simulated using Lagrange tracers. The model results will reveal the dynamic distribution of microplastics in the surface. Sensitive experiments are to be carried out to identify the different effects of wind, wave, tide and current. The residence time of microplastics calculated aims to help the management and protection of coastal environment in the Bobai Sea.

海洋微塑料污染已成为世界关注的海洋环境热点问题之一，掌握微塑料的分布规律、了解微塑料的运移机制不仅是海洋环境保护的重要研究内容，也是防治海洋塑料污染的科学基础。微塑料在海水中发生漂浮、沉降、悬浮、搁浅等多反应过程，由于目前对漂浮、沉降等过程的认识不足，导致微塑料在海洋中运移过程的模拟极具挑战性。本项目聚焦于微塑料在水体的漂移过程，不考虑转化反应，基于水动力模式，建立微塑料漂移输运的数值模式。结合采样调查分析，确定风漂流系数，在渤海海区模拟海流和波浪，计算风漂流和斯托克斯漂移，使用拉格朗日粒子示踪，研究微塑料在渤海漂移的运动规律，阐明风、浪、潮、流等不同动力过程对微塑料运移的影响，计算微塑料在渤海的存留时间，为渤海塑料垃圾的排放管控提供科学数据，以便更好地实现海洋环境保护。

掌握海洋微塑料的分布规律、了解微塑料的运移机制是海洋环境保护重要的科学依据。本项目聚焦于微塑料在水体的漂移过程，基于水动力模式，建立渤海微塑料漂移输运的数值模式，研究微塑料的输运特征。.调查结果显示夏季渤海表层微塑料集中在渤海湾湾口、莱州湾湾口和渤海海峡处。同时对烟台四十里湾的微塑料进行了季节性多环境介质的调查，结果发现不同环境介质中微塑料的季节分布特征表现差异。在河流和表层水，均是冬季微塑料丰度较大，在底层水中夏季微塑料含量较多，潮滩微塑料没有显著的季节特征，平均来看冬夏季含量较多。从样品中主要检测出了微塑料的主要类型为纤维状和碎片状，其次是薄膜和颗粒，泡沫类微塑料仅在河流和沙滩上检测到。相比河流中泡沫类微塑料的少量，沙滩上微塑料大量分布，并且与渔业养殖活动密切相关，呈现明显的夏高冬低的特点。海底沉积物中微塑料主要是纤维类和碎片状，其他形状因含量少而未检测出。.建立了渤海微塑料数值模型，考虑沉降和漂浮过程，通过观测和室内试验确定了模型的关键参数。通过微塑料捕获器，测算得到微塑料的沉降速率为1.16~2.51×10-3 m/s；室内试验显示在波浪作用下微塑料的破碎时间为10天；敏感实验确定了微塑料的风漂流系数。近岸区域微塑料的输运特征受控于水体输运和海底沉降。这一过程与近岸地区复杂的水动力结构、潮汐、河流等密切相关。模拟结果显示在季风和海流的影响下，渤海海面微塑料的分布具有显著的季节变化特征。沉降速率直接影响其存留时间，随着沉降速率的增大，大部分微塑料在出渤海前已沉降至海底，导致微塑料的存留时间增加。风产生的斯托克斯漂移的作用不可忽略，在冬季大风的影响下，微塑料向外海输出的效率提高了约30%，例如微塑料在莱州湾海面的存留时间（e折时间）约150天。研究发现微塑料的源输入对其分布输运有重要影响，河流是近岸微塑料的重要来源，其排放量直接影响近岸微塑料的输运和存留时间。这些结果将为渤海微塑料污染管控提供关键科学数据。