追踪巴塞罗那海岸线上的海洋垃圾来源：来自观测和数值模拟的见解

《Marine Pollution Bulletin》：Tracing marine litter sources along the Barcelona coastline: Insights from observations and numerical modelling

本研究通过拉格朗日数值模拟和概率模型，量化巴塞罗那海岸线的塑料垃圾预算及流动。基于2020-2021年五个城市海滩和两个都会区海滩的采样数据，结合高分辨率水文数据，发现55.8%的塑料垃圾源于外部区域，主要通过北方电流和近岸结构传输。陆源污染中，CSO排放点贡献显著，如Prim和Bac de Roda结构。研究提出概率边界交叉模型，优化了短时尺度（-26.35小时）和轨迹距离（1公里）的参数，为近岸塑料迁移模拟提供新方法。

　　随着全球对海洋污染问题的关注不断加深，塑料垃圾在沿海水域的分布和来源成为了研究的热点。巴塞罗那的海岸线，作为地中海沿岸的重要区域，因其高浓度的塑料垃圾而备受瞩目，其污染水平与地中海其他区域相比甚至可以与副热带环流系统中的垃圾聚集区相媲美。这项研究利用拉格朗日数值后向追踪模拟，结合过去一年从五个城市海滩和两个都市区海滩采集的数据，对巴塞罗那海岸线的海洋垃圾预算和流量进行了量化分析。研究还通过敏感性分析，确定了模拟的最佳参数，其中模拟持续时间为28天，粒子从已知源到达的中位时间约为26.35小时。这些参数用于开发一个概率模块，以应对近岸未解析的海洋过程。此外，还从敏感性评估中推导出额外的行为条件，用于这一模块。

### 研究背景与重要性

海洋塑料污染在过去的二十年中显著增加，这不仅影响了全球的海洋生态系统，还对沿海地区构成了重大威胁。据估计，海洋表面层漂浮着171万亿个塑料微粒，其中大部分是微塑料（MP）。尽管副热带环流系统长期以来被认为是海洋塑料聚集的主要区域，但最近的研究表明，沿海地区实际上也是海洋垃圾的“汇”或“沉积区”，其中大量的塑料垃圾停留在海岸线附近。这种趋势强调了塑料污染对沿海生态系统的潜在危害。巴塞罗那位于地中海西岸，拥有170万居民，加上周边的都市区，总人口达到320万。城市化的快速发展和大量的人口活动，如旅游业、工业和日常垃圾排放，对海岸线造成了显著的环境压力。每年有约1560万游客来到巴塞罗那，其中70.6%会使用海滩。这使得巴塞罗那的海岸线成为塑料垃圾输入和输出的重要区域，同时也成为污染的热点。

### 方法与模拟配置

为了准确追踪塑料垃圾的来源，研究团队采用了一种拉格朗日数值模拟方法。这种方法通过模拟虚拟塑料粒子的轨迹，能够揭示垃圾在海洋中的运动路径和沉积区域。研究中使用的LOCATE模型（预测沿海地区塑料热点的系统，结合卫星检测、清洁数据和数值模拟）整合了欧拉数的水动力数据，并嵌套了不同分辨率的网格，以适应从城市海滩到更广阔的都市区的复杂地形。模型还考虑了波浪引起的漂移（Stokes drift），这是塑料垃圾在海洋中传播的关键机制之一。通过结合波浪和洋流数据，模型能够更全面地模拟塑料垃圾的运输路径。

此外，研究团队还开发了一种概率模块，用于处理未解析的近岸过程。这些过程包括波浪和洋流对垃圾的影响，以及海岸线形态和地貌对垃圾沉积的作用。通过使用指数衰减函数，团队确定了垃圾在特定时间内永久跨越陆地-水体边界（LWBC）的概率。这一方法在本地化尺度的模拟中尤为重要，因为传统的水动力数据通常缺乏足够的空间分辨率，无法准确描述近岸的复杂过程。概率模块的引入使得模型能够更有效地模拟垃圾的来源，并考虑到垃圾在近岸区域的不确定性。

### 研究结果与讨论

研究结果显示，巴塞罗那海岸线的塑料垃圾浓度在地中海中属于最高水平之一，甚至与副热带环流系统的垃圾浓度相当。通过模拟，研究人员发现，近岸区域的塑料垃圾主要来源于城市和都市区的排放点，如合流式排水系统（CSO）、港口和海岸结构（如防波堤）。此外，模拟还表明，超过55%的塑料垃圾来自研究区域之外，这反映了巴塞罗那海岸线作为区域海洋垃圾“接收者”的角色。

在模拟过程中，团队发现了一些关键的污染热点，这些热点与已知的垃圾排放点相吻合。例如，Prim排水系统对多个海滩的垃圾贡献显著，而Bac de Roda排水系统则是Mar Bella和Sant Sebastià海滩的主要来源。研究还指出，某些结构，如防波堤和港口，可能成为垃圾的陷阱和积累区，即使它们本身没有直接的排放点。这种现象与近岸地形和水动力条件密切相关，说明了垃圾在近岸区域的复杂运动和沉积机制。

此外，研究团队还发现，巴塞罗那的近岸水域中，垃圾的浓度非常高，某些区域甚至达到了每平方公里4.7 × 10^7个微塑料颗粒。这种高浓度的垃圾表明，该地区的垃圾管理措施亟需加强。为了应对这一问题，研究建议采取上游的垃圾减少措施和针对性的缓解策略，以防止垃圾进入海洋。同时，研究还强调了市民科学在研究海洋垃圾方面的重要作用，开发了一种高效、低成本、环保的碳中和海滩水采样方法，通过使用桨板上的“马塔拖网”（manta trawl）进行采样，不仅提高了数据收集的效率，还减少了对环境的影响。

### 研究结论

这项研究揭示了巴塞罗那海岸线在海洋垃圾问题中的双重角色：既是垃圾的主要来源之一，也是垃圾的重要接收区。拉格朗日模拟和概率模块的结合，使得研究人员能够更准确地追踪垃圾的来源，并评估不同排放点对垃圾分布的影响。研究结果强调了在巴塞罗那实施垃圾减少和管理措施的紧迫性，特别是在城市和都市区。此外，研究还指出，近岸垃圾的运动和沉积过程受到多种因素的影响，包括洋流、波浪、地形复杂性以及人为结构的存在。这些发现为制定有效的垃圾管理政策和污染控制措施提供了科学依据，同时也为未来的研究提供了新的方向。

总的来说，巴塞罗那海岸线的塑料垃圾问题反映了全球海洋污染的严重性，尤其是在城市化和人口密集的沿海地区。研究不仅揭示了垃圾的来源，还为理解和解决这一问题提供了新的工具和方法。通过结合先进的数值模拟技术和市民科学采样，研究团队能够更全面地评估塑料垃圾的流动和沉积，从而为制定针对性的环境政策提供支持。这些发现对于保护海洋生态系统、减少污染以及提高公众环保意识具有重要意义。