渤海微塑料分布特征及输运过程的数值模拟研究

发布时间：2020-08-02 15:13

【摘要】：塑料制品的广泛应用为人类生活带来了极大的便利,而塑料废弃物对海洋生态环境却产生了越来越大的负面影响。陆源塑料垃圾进入海洋后,在各类物理、化学与生物过程作用下逐渐分裂成直径小于5 mm的微塑料,可能会在沿海地区或开阔海洋中发生积聚或远距离迁移,严重破坏了海洋生态环境的稳定性。目前,微塑料作为新型海洋污染物逐渐成为国际研究热点。渤海是我国最大的半封闭内海,且三大海湾的水交换能力较弱。了解该海域微塑料的分布特征及输运过程,对未来针对海域内微塑料污染问题的防护与治理具有重要意义。本文利用2016—2017年不同季节的渤海微塑料现场调查数据,对渤海微塑料浓度分布现状进行初步分析,发现了渤海可能存在的几个微塑料高浓度区域并估算了渤海微塑料总量。通过耦合水动力模型与拉格朗日粒子跟踪模型,模拟了不同季节渤海沿岸以及渤海海峡处微塑料的输运情况。在此基础上,设计了两组敏感性实验,探讨了渤海微塑料的输运规律以及可能对其输运过程产生影响的因素。(1)渤海微塑料的时空分布特征。根据微塑料(直径0.33~5 mm)现场调查数据,得到了不同季节渤海表层水体中微塑料浓度的分布情况。结果表明,微塑料表层浓度空间差异性较大,春季微塑料浓度最高,为0.53±0.45个/m~3,夏季为0.33±0.36个/m~3,冬季为0.30±0.52个/m~3,秋季浓度最低,仅为0.22±0.21个/m~3。通过与其他研究结果进行比较表明,渤海微塑料污染处于中低水平。利用垂向分布模型模拟了渤海微塑料深度剖面分布发现,风速越大,微塑料的垂向分布特征越明显,尤其是当风速大于5 m/s时。受风致混合影响,漂浮微塑料易由海表层向混合层内扩散,仅通过表层拖网的采样方法易低估微塑料的实际值。基于微塑料垂向积分浓度,采用克里金空间插值法估算了渤海微塑料总量约为4.13×10~(10)个。其中,渤海中部的微塑料含量最高,约占54%,辽东湾与渤海湾次之,莱州湾的含量最低,仅占4%。微塑料浓度高值区主要集中在渤海海峡、辽东湾东北部与渤海湾湾口处。渤海环流与入海径流对微塑料的浓度分布具有一定影响。(2)渤海微塑料示踪粒子输运过程的数值模拟结果。通过耦合水动力模型与拉格朗日粒子跟踪模型,模拟不同季节渤海沿岸主要入海河口与渤海海峡处微塑料示踪粒子的输运路径。结果表明,不同季节各海湾沿岸释放的示踪粒子大多沿岸输运,平均输运距离与位移分别为603.4 km与18.1 km,平均输运速率与输运速度分别为6.7 km/d与0.2 km/d。其中,辽东湾沿岸示踪粒子的输运过程较其他海湾的明显,渤海湾沿岸示踪粒子的输运趋势整体较弱,莱州湾湾口处示踪粒子的输运过程较湾内的明显。渤海海峡处示踪粒子的输运过程随季节变化明显,平均有12.5%的示踪粒子能在三个月的追踪期限内输运至模型域外。(3)敏感性实验对比分析。通过对比发现:(a)无风情况下,渤海沿岸各示踪粒子的平均输运速率与速度分别较有风情况减小了6.0%和33.3%,大部分粒子均在释放点源附近运动。渤海海峡处示踪粒子的输运趋势较有风情况下明显减弱,仅有9.4%的粒子在追踪期限内输运至模型域外,且均集中在冬季,表明风海流不仅改变了微塑料的输运方向,还加快其输运速度。(b)利用随机游走能模拟湍流扩散对示踪粒子输运过程的影响,在不考虑随机游走情况下,渤海沿岸各示踪粒子的平均输运速率与速度较考虑随机游走情况下分别增加了70.1%和125.0%,大部分粒子均呈现出明显的离岸输运趋势。渤海海峡处示踪粒子的输运趋势在两种情况下相似。由此说明,湍流扩散对沿岸地带与开阔海域释放的微塑料输运过程影响不同,对沿岸微塑料的输运过程有抑制作用,使其呈现沿岸输运趋势,而海峡处微塑料的输运过程受影响较小。(4)渤海微塑料输运规律分析。渤海各海湾沿岸入海微塑料向渤海中部迁移扩散的能力较弱。渤海海峡处微塑料在夏季与冬季呈现“北进南出”的输运趋势。来自渤海的微塑料从渤海中部经海峡南部向黄海输运,受庙岛群岛阻隔的影响,仅有部分微塑料能输运至黄海。来自黄海的微塑料较少能深入渤海内部,大多在海峡东北部积聚或沿岸北上输运,进入辽东湾的微塑料可能会在湾内长时间停留或向渤海其他区域迁移。渤海三个海湾沿岸与渤海海峡处可能发生微塑料的集聚,对应区域的微塑料污染情况需重点关注。本文基于微塑料的四季现场调查,估算了渤海微塑料总量,并探讨了不同季节陆源入海以及渤海海峡处微塑料的输运情况及影响机理,对渤海微塑料污染现状有了初步了解。今后的研究需不断改进现场调查方法,完善数值模拟实验,以更准确地评估研究区内微塑料分布、输运与归趋的动态变化趋势。
【学位授予单位】：上海海洋大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：X55
【图文】：

技术路线图,塑料,输运过程,渤海沿岸

上海海洋大学硕士学位论文以及随机游走过程对渤海沿岸陆源输入以及渤海海峡处微塑料输运过程的影响。基于以上研究，以期对不同季节渤海微塑料的时空分布特征、输运过程及影响机理有更深的了解，从而为微塑料污染的治理与防护提供理论依据（图 1-1）。论文共分为四章：第二章对 2016 年 8 月与 10 月以及 2017 年 2 月与 5 月在渤海现场调查得到的微塑料表层浓度分布特征进行分析，结合垂向分布模型模拟了微塑料的深度剖面分布情况，并估算了渤海微塑料总量。第三章基于 ROMS 模型，构建为微塑料输运模拟过程提供水动力背景场的渤海环流模型，并对该模型进行验证与优化。在此基础上结合粒子跟踪模型，开展了对不同季节渤海沿岸与渤海海峡处微塑料输运过程的数值模拟研究。第四章是对本研究结果的总结，并介绍了本文的创新点以及对未来工作的展望。

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图 2-1 渤海微塑料采样站位Figure 2-1 Sampling sites of microplastics in the Bohai Sea料水平分布特征采集的表层水体中的微塑料浓度数据进行统计，分别得到塑料浓度分布情况，如图 2-2 所示。年 8 月份监测的 11 个站点的微塑料浓度范围为 0.01~1.23 个/±0.36 个/m3。其中，渤海湾湾口（A09）的浓度值最高，可达 1辽东湾中部（A04）的浓度，为 0.69 个/m3；此外，辽东湾西北口（A10）两个站点浓度值较低，仅为 0.02 个/m3和 0.01 个年 10 月份监测的 9 个站点的微塑料浓度范围为 0.08~0.65 个2±0.21 个/m3。其中，辽东湾中部（O04）的浓度值为 0.65 个

浓度分布,表层水体,渤海,浓度分布

上海海洋大学硕士学位论文.53±0.45 个/m3。其中，渤海海峡东部（M18）与辽东湾北部（M2）的浓高，分别为 1.72 个/m3与 1.31 个/m3。辽东湾西北部（M1）的浓度最低，2 个/m3。其余海区浓度较为相近。体而言，渤海微塑料的浓度范围介于 0.01~1.75 个/m3之间，其浓度分布性较大。其中，夏季高浓度区域主要分布在渤海湾湾口处，冬季高浓度区布在渤海海峡西北部，春季高浓度区域分布在渤海海峡与辽东湾顶部。此塑料平均浓度最高，秋季最低，夏冬季介于两者之间

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