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基于EFDC模型的太湖微塑料迁移规律及污染概率分布模拟.pdf
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1、第 卷第 期 水 资 源 保 护 年 月.基金项目:国家自然科学基金项目()江苏省青年基金项目()中央级科研院所基本科研业务费专项资金资助项目()江苏省水利科技项目()作者简介:孙昊()男硕士研究生主要从事环境地球化学研究:.通信作者:陈求稳()男研究员博士主要从事生态水力学和水环境信息研究:.:/基于 模型的太湖微塑料迁移规律及污染概率分布模拟孙 昊陈求稳丁 珏闫兴成(.西安理工大学水利水电学院陕西 西安 .南京水利科学研究院生态环境研究所江苏 南京)摘要:通过耦合太湖环境流体动力学模型与拉格朗日粒子模型计算了太湖 个主要输入源的微塑料粒子漂移路径分析了影响微塑料粒子漂移路径的主要因素进而评
2、估了太湖湖区的微塑料污染概率 结果表明:微塑料输入源位置和附近湖流是影响微塑料迁移和归趋结果的重要影响因素受湾内环流影响湖湾是太湖微塑料的主要归趋位置竺山湖和贡湖除受纳自身输入源的微塑料粒子还受纳来自西、南沿岸区的微塑料粒子竺山湖是太湖微塑料污染概率最高的湖区污染主要来自湖湾自身输入源和西沿岸区输入源其次为西沿岸区其污染主要来自自身输入源和南沿岸区输入源关键词:微塑料迁移湖流环境流体动力学模型污染概率太湖中图分类号:文献标志码:文章编号:()/(.):().:塑料因其适用性强且价格低廉在各个行业被广泛使用 世纪以来塑料产业迅猛发展世界塑料总产量约 亿 这不可避免导致塑料向自然环境的释放 年英国
3、科学家汤普森提出微塑料的概念将环境中粒径小于 的塑料颗粒定义为微塑料 研究发现微塑料可通过物理、化学载体等多重作用危害生态环境健康甚至会随着食物链由低营养级向高营养级传递对人类食品安全造成潜在威胁 并且微塑料因其污染范围大影响时间持久已经成为环境科学领域近 年来十大热点研究之一微塑料在全球河流、湖泊、水库、湿地、海洋等水系统中被广泛发现国内外学者针对微塑料污染开展了大量研究 等通过模型或实测数据估算了全球河流塑料污染的输海通量结果显示内陆河流输入是海洋微塑料的重要来源 湖泊作为淡水系统的主要组成部分在供水、养殖等水文循环方面发挥着重要作用同样也是水体微塑料的重要归宿 等对北美五大湖进行了微塑料
4、污染研究发现了大量球状微塑料的存在 等对加拿大温尼伯湖展开调查证明了温尼伯湖与五大湖微塑料污染水平接近 等发现生活污水和渔业可能是鄱阳湖微塑料的主要来源 等发现乌梁素海湖水体和沉积物中微塑料最大丰度分别达到 个/、个/等发现旅游业是青海湖微塑料的重要来源 等对太湖水体及入湖河道微塑料进行调研时发现太湖水体微塑料丰度呈现出“北高南低”的分布状况还发现入湖河道微塑料的输入对太湖的影响不可忽视 等在研究中发现太湖地表水微塑料丰度达到.个/湖泊西北部是污染最严重的地区在对水体中微塑料污染现状的大量研究中尚未解析入湖河道微塑料输入和湖泊微塑料迁移归趋的关系和对湖泊微塑料污染分布进行分析评估 微塑料通过入
5、湖河流汇入湖泊其密度普遍低于水密度因此会漂浮于水面并随水流迁移微塑料随水流迁移和归趋使湖泊不同湖区微塑料污染产生差异已有对微塑料迁移规律的研究成果主要集中在海洋研究中如王许琨等总结出海洋微塑料远距离迁移的主要动力是洋流 等对海洋微塑料模拟估算时发现微塑料源的位置决定了其迁移的趋势微塑料会在人口密集的海岸滞留等发现微塑料分布主要受大洋环流和季风影响微塑料在迁移过程中受迁移环境的影响与有机污染物相互吸附发生悬浮或远距离迁移给微塑料污染控制带来了极大的困难 采用数值模拟方法对微塑料进行粒子追踪以预测和评估不同环境中微塑料的迁移和归趋可以为微塑料污染控制提供关键依 据 本 文 基 于 三 维 环 境
6、流 体 动 力 学()模型和拉格朗日粒子模型的耦合模拟和分析了太湖不同微塑料输入源的微塑料迁移和归趋结果结合各源的微塑料输入通量评估太湖微塑料污染概率分布解析高污染概率湖区的负荷来源为太湖微塑料防控提供理论基础 研究区概况太湖是中国第三大淡水湖水域面积平均水深.为典型的亚热带浅水湖泊太湖位于中国工业化程度高、人口密度高的地区连接江苏、浙江和上海是当地的重要饮用水源太湖共包括 个湖区及 条主要出入湖河道(表、图)竺山湖和西沿岸区周边地区河流均以入湖河道为主共有 条入湖河道和 条出/入湖双向河道两个湖区入湖水量占整个太湖总入湖水量的竺山湖微塑料入湖源()主要来自太滆运河(入湖河道)和殷村港(入湖河
7、道)通量为.万个/西沿岸区有 个微塑料入湖源分 表 太湖出入湖河道及流量 湖区河道序号边界排口属性出湖流量/万亿 入湖流量/万亿 湖区河道序号边界排口属性出湖流量/万亿 入湖流量/万亿 贡湖梅梁湖竺山湖西沿岸区望虞河出/入流.沿湖小闸段出流.大渲河泵站出流.梁溪河出流.五里湖闸站入流.直湖港闸站入流.武进港闸站入流.雅浦桥站入流.太滆运河入流.殷村港入流.社渎桥入流.官渎桥入流.洪巷港桥入流.大浦桥入流.乌溪桥入流.城东港桥入流.西沿岸区南沿岸区东太湖胥湖漫山湖大港桥站入流.夹浦港入流.合溪新港河出/入流.长兴港河出/入流.杨家浦港出/入流.杨家埠站出/入流.杭长桥站出/入流.幻溇闸段出/入流
8、.团结桥段出流.太浦闸站出流.联湖桥段出流.瓜泾口段出流.苏东运河出流.胥江出/入流.穹窿桥出/入流.别为社渎桥乌溪桥(入湖河道 )、城东港桥大港桥站(入湖河道 )、夹浦港长兴港河(入湖河道 )微塑料通量分别为.万、.万、.万个/贡湖内引江济太望虞河通道为出/入湖双向河道(河道)年出湖水量高于入湖水量 望虞河为主要的贡湖微塑料源()微塑料通量为.万个/南沿岸区有 条出/入湖双向河道处于杨家埠站幻溇闸段(河道 )杨家埠站的入湖水量占此湖区入湖水量的 且杨家埠站是南沿岸区的主要微塑料源()微塑料通量为.万个/梅梁湖和东太湖区以出湖河道为主两个湖区的出湖水量占整个太湖入湖水量的 出湖水量均远大于入湖
9、水量 漫山湖、胥湖以出入湖河道为主漫山湖和胥湖的河道水量较小对太湖整个湖区的影响较小湖心区的水域面积超过 在整个太湖水域面积占比超过 图 研究区概况.研究方法.模型构建本文采用威廉玛丽大学弗吉尼亚海洋科学研究所开发的三维 模型计算太湖水动力场背景下的微塑料输移过程 模型计算范围为整个太湖水域(.)采用太湖二轮清淤后的水深数据并统一修正为 黄海高程基面插值后得到模型网格 采用 生成太湖模型计算网格(图)网格为矩形正交网格网格大小为 共划分 个网格垂向分 层在太湖水动力模型的基础上基于 拉格朗日粒子追踪模块模拟太湖各湖区输入源输入的微塑料在太湖中的输移过程 拉格朗日粒子追踪控制方程和运动微分方程分
10、别为 图 模型网格.()()()()()()()()()()()式中:为浓度 为流体流动的速度、分别为水平扩散系数和垂直扩散系数 为时间单元下标、分别表示平流输运分量和随机输运分量、分别为边界拟合正交曲线坐标、方向上的速度分量 为分布均值为.的随机变量产生的随机值进行转换时使用随机分量 均值为范围为 为了确定粒子的拉格朗日轨迹将式()()纳入了 模型.初始条件和边界条件设置通过国家气象科学数据中心(:/./)获得太湖区域的风场、降雨、蒸发等大气数据采用 年太湖流域年平均风速./、年降水量.、年水面蒸发量 设置模型的大气条件 温度和盐度初始场采用 年 月 日至 年 月 日日尺度资料的平均值设置初
11、始水位为太湖平均水位.初始流速为 模型时间步长为 模型运行 后稳定释放微塑料粒子 根据太湖出入湖河道情况(图)设置 个边界排口各排口名称及属性见表.工况设置在太湖 个主要微塑料输入源(、)分别投入 个微塑料示踪粒子模拟不同输入源微塑料粒子的漂移和归趋 模型设置漂移计算时间为 每隔 测量和输出一次粒子运动轨迹.湖区微塑料污染概率计算方法湖区微塑料污染概率由经过模型网格的微塑料粒子数目计算得到 在任意微塑料负荷源 连续释放情况下 时刻内湖区经过网格()的粒子数为()()()式中:()为微塑料输入源(分别对应、和 输入源)连续释放情况下 时刻经过网格()的粒子数目 个微塑料输入源同时释放时湖区网格(
12、)的微塑料污染概率为()()()()式中:为输入源 的微塑料通量 为模型中释放的粒子数目 对于整个太湖水域来说()结果与分析.模型验证利用太湖小焦山观测点监测数据对水动力模型模 拟 结 果 进 行 验 证 小 焦 山 观 测 点 位 于.湖流监测时段为 年 月 日水位监测时段为 年 月 日 流速、流向、水位验证结果见图可见模型模拟结果与实测结果基本一致流速、流向、水 位 拟 合 优 度()分 别 达 到.、.、.模型能够反映研究区流场的基本特征与变化规律可在此基础上进一步对微塑料迁移进行模拟.不同输入源微塑料迁移特征.迁移路径由图 可见太湖 个微塑料主要输入源(、)输入的微塑料粒子漂移路径有显
13、著差异 贡湖输入源()和竺山湖输入源()的微塑料粒子主要在湖湾内漂移而西沿岸区输入源(、)和南沿岸区输入源()的微塑料粒子则随湖流经过湖心区太湖竺山湖、梅梁湖、贡湖 个湖湾都存在湾内环流(图)贡湖内部环流被湖区外部流线切分为两部分一部分为湖区西北角环流一部分为湖区东 ()流速()流向()水位图 模型验证.南角环流 结合 输入的微塑料粒子漂移路径可以发现输入的微塑料进入贡湖后分别随两个环流迁移绝大多数随东南角环流迁移 竺山湖环流处于湖区东南部且竺山湖与西沿岸区、湖心区的交界处存在一个较大环流 结合 输入的微塑料粒子漂移路径可以发现输入的微塑料沿湾内环流在竺山湖内部迁移且被湖区交界处环流阻挡无法进
14、入其他湖区太湖西南部存在一个大环流沿南岸、西岸向北流动环流中心流线较为闭合 西沿岸区、输入的微塑料粒子首先进入大环流向北运移一直达到竺山湖然后部分随竺山湖湾内环流漂移部分沿着湖区交界处环流进入湖心区并沿着大环流向南迁移又回到湖西区、输入的微塑料粒子漂移路径总体比较相似其中 输入的微塑料粒子更少进入湖心区太湖南沿岸区受到 股湖流的影响一是沿西岸向北的太湖大环流二是向湖心区直达梅梁湖的湖流三是从东南向北的太湖东部湖流 南沿岸区 输入的微塑料粒子同时受到这 股湖流影响漂移路径分为 组大部分粒子沿湖流向湖心区运动少部分随大环流和东部湖流运动 输入的微塑料粒子可到达太湖北部 个湖湾()()()()()(
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