文献总结 | WR：近海区域微塑料季节性迁移变化模拟研究

文摘 2024-04-26 17:15 北京

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研究背景

RESEARCH BACKGROUND

微塑料被称作“海洋PM 2.5”，对海洋生态系统和生态安全构成威胁，进而影响人类健康。有研究表明每年约有70万吨塑料进入海洋，滨海地区是微塑料污染的重点区域，并且通过基于微塑料沉积的时间尺度利用数值模型估算了微塑料停止下沉的时间。中国作为人口大国被质疑是微塑料污染的重点区域，但是目前的研究也均集中在小尺度区域，缺少对整个近海区域微塑料运输的研究，并且忽略了微塑料整体的运输特征和季节特征。

目前的研究利用2D和3D模型模拟微塑料在海洋中的运输过程，但是垂直运输对于微塑料的运输和分布也极为重要，ROMS模型在精准模拟海洋真实环境条件方面表现出强大的能力，可以有效预测微塑料从陆地到海洋的时空分布。此外，结合LTRANS中利用拉格朗日示例跟踪法，应用该集成模型进行微塑料运输的分析。因此，本研究目的是探索悬浮和非悬浮微塑料的运输途径和空间分布，分析水体垂直流速和微塑料密度对微塑料运输的影响。

研究方法

1. ROMS模型

ROMS模型被广泛应用于诸多全球海洋研究领域，本文采用的模型区域如Fig. 1所示，网格间距为1/18°，垂直S-坐标层由20层组成，内部时间步长为200秒。该模型利用气候大气外力作用包括逐月地表热量和再分析的淡水通量数据。初始边界条件和开放边界条件基于CMEMS的1/12°全球海洋物理再分析数据中的逐日气候数据，即获取海水位势温度、盐度、向北和向东的速度以及海面高度，并结合TPXO9全球潮汐模型获取了潮汐信息。此外，研究还基于《中华人民共和国年度水文报告》(Fig. 2)获取中国6条主要河流的相关数据。该模型以2021年气候平均海洋状态初始化，并在此基础上以逐小时数据输出14年。

2. LTRANS v.2 模型

该模型利用ROMS的输出，旨在三维空间中跟踪粒子轨迹，并利用随机位移模型计算粒子的垂直湍流运动。将ROMS输出的海洋条件与LTRANS v.2模型相结合可以研究沉降速度和地下水流对微塑料迁移的影响，因微塑料颗粒的运输收到表层水流和地下水流的共同影响。

3. 模型验证

本研究通过将模式输出结果与再分析数据和卫星观测结果进行比较，即结合NOAA逐日最佳插值海面温度(OISST)验证ROMS模型输出的海面模拟温度(SST)等。

Fig.3对比了不同地区模拟的海水温度与卫星观测的海水温度，结果表明该模型很好的反应了海水温度梯度分布格局，其整体温度均在合理范围内，并且低纬度模拟效果优于高纬度地区。此外，Fig. 4展示了ROMS模拟与卫星观测的SKE比较，结果表明该模型在模拟模型区域中的流场方面是较优的。

4. 微塑料数据介绍

本研究基于文献研究选择了6个主要水系河口附近的微塑料浓度的代表性数据，并以此为基础作为模型的微塑料数据输入(Table 1)。

5. 数值实验设置

研究首先利用ROMS中的浮动模块模拟微塑料的三维运输，并在每个季节开始时排放微塑料，模拟至季节结束(实验1)；其次，将实验1中水体垂直速度设置为0，检查水体垂直流速对微塑料运输的影响(实验2)；然后，利用LTRANS模型结合下沉速度分析不同密度微塑料的运输过程。微塑料分别用不同直径和不同密度的聚乙烯(PE)、聚苯乙烯(PS)和聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)进行模拟(实验3)。Table 2展示了不同实验条件。

研究结果

1. 近海悬浮微塑料季节性迁移特征

微塑料整体运输模式表现为春夏季运输距离长(Fig. 5a-b)，秋冬季主要集中在靠近河口的沿海地区(Fig. 5c-d)，6条主要河流中长江和珠江的运输距离更长，辽河和海河入海口的运输距离较短(Table 3)。中国北部沿海(渤海)的微塑料常在渤海集聚，中部沿海在春夏季节沿东北方向向南黄海输送，秋冬季节沿海岸输送。不同河流差异主要表现在流量，即流量越大运输距离越大，且最大运输距离通常出现在夏季。长江和珠江运输距离最长(340.5 km和445.3 km)。除长江和珠江外，夏季黄淮河排放的微塑料受东北季风和渤海沿岸流的影响进入黄海(Fig. 5b，Table 3)。由于辽河和海河流入半封闭海湾，这些河流的微塑料运输距离最短，仅在渤海内部环流的作用下在渤海内部运输。

2. 近海悬浮微塑料季节空间分布特征

Fig.6展示了微塑料污染区域的空间分布，a-d分别为春-冬季的结果，e表示不同河流对不同海域微塑料的贡献，此外，Table 4也展示了不同海域和季节的微塑料含量比(%)。总体来说，中国中部地区微塑料污染最高，长江因流量大成为沿海重污染区的主要源头河流。春季微塑料污染主要分布在南黄海(38.7%)和东海东部(25.7%)。夏季主要集中在南黄海，秋冬季绝大多数微塑料分布在滨海区域，但是有6.5%的微塑料分布在南海区域。

本研究还展示了一些独特的结果，例如微塑料在夏季的影响甚至超过了中国海洋领域以外，不同海域的污染物来源不同；而南海在夏季是污染较轻的区域，该结果得到了渤海具有有限的自清洁能力支持。

3. 微塑料运输的影响因素分析

(1) 水体垂直流速

Fig. 7展示了微塑料在有无水体垂直流速对微塑料运输的对比。在垂直流速的影响下，夏季微塑料分布总体北移，导致西北太平洋污染减少6%（Fig. 7j），并且数量变化表现出了2-3天的滞后性。冬季水体垂直流速影响更为显著，其运输路径沿着中国中部海岸，并且向南移动。在春秋季节水体垂直流速影响较小。

(2) 微塑料类型

研究最后讨论了微塑料类型对其运输的影响，主要通过设置不同的实验进行对比，结果表明，低密度颗粒由于其正浮力，大多被长距离运输，而高密度颗粒由于其更大的沉降速度，往往沉积在海岸附近(Fig 8d)。悬浮微塑料比非悬浮微塑料更容易出现季节变化(Fig. 8a-d)。PE的传输距离比PS/PET远，而PS和PET的密度比PE高(Fig 8e-h)。与年均水平相比，所有微塑料类型在夏季传播距离更大，且对于密度低的微塑料影响更为显著。

密度低于海水的微塑料常常浮在表层或悬浮在水柱中，成为开阔海洋的主要污染源，密度较高的微塑料常常表现在底栖海洋环境中聚集。此外，对于密度大于海水的非悬浮微塑料，密度较大的微塑料的输运距离并不一定短于密度较小的微塑料，这可能与河流流量和水体盐度有关。

但是，研究指出因存在限制并未能完全复制真实分布情况，即微塑料采样和计数方法缺乏一致性，采样时间分散，因此验证相对难以进行。此外，本文重点关注动力学过程，对于沉积、破碎等其他过程忽视了。研究指出在未来将会结合更精准的排放源数据，综合考虑多种因素进行分析。

总结讨论

本研究模拟我国6个主要河流在不同季节的微塑料迁移，并分析了季节、排放源、水体垂直流速和微塑料类型等对微塑料空间分布和迁移的影响。研究结果表明了每年排放的微塑料约有86%滞留在我国海域内，并且集中在中部海域，渤海污染较小，夏季整体污染较为严重(南海较小)，长江和珠江是主要来源。秋冬季节是微塑料沉积的主要时间，有超过75%的微塑料沉积在沿海。在微塑料运输中，夏季运输距离最长，且长江和珠江的平均运输距离比其他河流大2个数量级。水体垂直流速对微塑料运输起着至关重要的作用，大大减少了微塑料从长江流入杭州湾，并且将其扩散至太平洋的时间延长了2-3天。

✎ 编者注

以上总结仅代表个人对论文的理解，仅供研究参考所用，不用于商业用途。若上述理解内容有误，请以论文原文为主。未经同意，禁止转载。

原文链接 ↓

https://doi.org/10.1016/j.watres.2023.120493

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