渤海微塑料分布特征及输运过程的数值模拟研究

论文摘要

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0.335mm）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/m3,夏季为0.33±0.36个/m3,冬季为0.30±0.52个/m3,秋季浓度最低,仅为0.22±0.21个/m3。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4.13×1010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。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
•   1.1 研究意义
•   1.2 国内外研究现状
•     1.2.1 微塑料监测方法
•     1.2.2 微塑料垂向分布特征
•     1.2.3 微塑料输运过程
•   1.3 拟解决的科学问题及研究内容
• 第二章 渤海微塑料时空分布特征
•   2.1 数据来源与方法
•   2.2 微塑料水平分布特征
•   2.3 微塑料垂向分布特征
•     2.3.1 计算方法
•     2.3.2 微塑料深度剖面分析
•     2.3.3 微塑料垂向积分浓度
•   2.4 渤海微塑料现状
•     2.4.1 微塑料总量估算
•     2.4.2 水动力对微塑料输运的影响
•   2.5 小结
• 第三章 渤海微塑料输运过程模拟
•   3.1 水动力模型
•     3.1.1 模型概述
•     3.1.2 基本方程
•   3.2 渤海潮流场模拟
•     3.2.1 模型配置
•     3.2.2 模型验证
•     3.2.3 渤海海流特征
•   3.3 粒子跟踪模型
•     3.3.1 基本方程
•     3.3.2 实验方法
•   3.4 模拟结果
•     3.4.1 入海口处示踪粒子
•     3.4.2 渤海海峡处示踪粒子
•     3.4.3 标准实验结果
•   3.5 敏感性实验
•     3.5.1 无风实验结果
•     3.5.2 不考虑随机游走实验结果
•   3.6 微塑料输运规律分析
•     3.6.1 陆源入海微塑料
•     3.6.2 渤海海峡处微塑料
•   3.7 渤海微塑料污染情况及管理控制建议
•   3.8 小结
• 第四章 结论
•   4.1 主要结论
•   4.2 创新点
•   4.3 展望
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表论文情况
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 王晶

导师: 赵骞

关键词: 渤海,微塑料,分布特征,总量估算,输运

来源: 上海海洋大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 海洋学,环境科学与资源利用

单位: 上海海洋大学

分类号: X55

DOI: 10.27314/d.cnki.gsscu.2019.000024

总页数: 72

文件大小: 4754K

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