波浪作用下塑料颗粒冲滩及重新悬浮的拉格朗日模型

《Marine Pollution Bulletin》：A Lagrangian model of wave-induced beaching and resuspension of plastic particles

本文提出了一种基于波浪随机性的Lagrangian模型，用于模拟塑料颗粒在海岸线上的搁浅与再悬浮过程。该模型通过概率参数p动态调整颗粒位置，考虑了波浪高度服从瑞利分布的特性，并利用实验室实验验证了模型的有效性。实验表明，模型能较好地复现波浪冲击后颗粒在沙滩上的分布特征，并揭示了颗粒初始位置对搁浅概率的影响。研究强调了海岸线形态、波浪参数和颗粒性质的复杂相互作用，并建议未来结合多因子实验数据优化模型参数。

　　塑料污染是全球性环境问题之一，随着人类活动的增加，塑料垃圾在海洋中的数量也日益增长。据预测，到2030年，每年进入海洋的塑料垃圾将达到5300万吨，其中大部分来自陆地。海洋中的塑料垃圾不仅对生态环境构成直接威胁，还可能影响全球碳循环，因此，理解塑料垃圾在海洋中的传输路径和最终去向对于制定有效的治理策略至关重要。Lagrangian粒子追踪方法在海洋污染物传输研究中被广泛采用，其应用范围涵盖了油污、化学物质、入侵物种以及微塑料和宏塑料等。然而，现有模型在处理塑料垃圾在海岸线上的停留与再悬浮过程时，往往忽略了或过度简化了这些交互作用，这与实际观察结果存在差距。

海岸线并不是塑料污染的永久沉积点，而更像是一个临时的“避风港”。在许多研究中，发现塑料垃圾会在某些时刻被冲上岸，但也会随着潮汐变化再次被带回水中。这种动态变化对于模拟海洋中塑料垃圾的分布和迁移至关重要，因为不准确地处理这些过程可能导致模型预测结果与实际观察不符。本文提出了一种基于波浪作用的随机模型，用于模拟塑料垃圾在海滩上的沉积和再悬浮过程。该模型引入了一个概率参数，用以描述粒子在波浪作用下是否会被冲上岸或再次被带回水中。通过在波浪水槽中进行实验，研究者测试了该模型的适用性，并发现该模型在大多数情况下能够合理地再现实验结果。

在模拟中，研究者考虑了粒子在海滩上的运动，假设它们接近陆地，因此每波浪经过时都有可能被冲上岸。粒子的运动状态由其初始位置和波浪的冲上高度决定。如果粒子在水中，那么下一个波浪可能会将其冲上岸，或者仍留在水中。如果粒子已经上岸，那么只有当波浪的冲上高度大于当前粒子的高度时，才会被再次冲入水中。概率参数在模型中是一个关键变量，它依赖于多种因素，包括天气状况、粒子的性质、海滩的形态以及海岸线的特征。这一参数的确定需要更多的研究，以期能够提供更完整的参数化描述。

研究者通过在波浪水槽中进行实验，获得了关于塑料垃圾沉积和再悬浮的详细数据。实验中使用了人工海滩，模拟了不同波浪条件下塑料垃圾的分布变化。通过这些实验，研究者不仅验证了模型的适用性，还获得了关于概率参数如何影响塑料垃圾在海滩上的分布的重要信息。例如，实验发现，当粒子位于海滩上时，它们的沉积位置与波浪的冲上高度密切相关。同时，实验还表明，波浪的周期性变化会影响塑料垃圾的分布，特别是在有潮汐变化的条件下，粒子的再悬浮和沉积行为会呈现出周期性特征。

在模型开发过程中，研究者采用了一种高效的事件驱动方法，避免了对每个波浪进行显式建模，从而减少了计算量。这种方法通过统计学原理，直接生成波浪数量的随机变量，而不需要对每个波浪进行单独处理。这使得模型在处理较长的模拟时间时更加高效。此外，研究者还探讨了在不同波浪条件下，粒子被冲上岸或再次被带回水中的概率变化。这些研究为未来的模型开发提供了理论依据，并强调了需要进一步实验和观测来完善模型参数化。

研究还指出，海滩的特性，如坡度和基质类型，对塑料垃圾的沉积和再悬浮具有重要影响。陡峭的海滩可能不太容易保留塑料垃圾，而平坦的海滩则更容易形成沉积。不同类型的基质，如沙质海滩和岩石海滩，对塑料垃圾的保留能力也有所不同。研究者还讨论了天气条件对塑料垃圾沉积和再悬浮的影响，如强风和波浪可能增加垃圾的沉积，但也可能导致其更容易被冲回水中。这些因素表明，塑料垃圾在海滩上的行为是一个复杂的动态过程，涉及多种物理和环境因素的相互作用。

尽管研究者提出的模型在一定程度上能够再现实验数据，但仍存在一些局限性。例如，模型中的概率参数目前还缺乏详细的参数化方法，这限制了其在不同环境条件下的适用性。此外，实验数据的有限性也使得模型的准确性受到了一定影响。因此，未来的研究需要更多的实验数据和观测结果，以进一步优化模型的参数和结构。

研究者还讨论了模型在计算效率方面的表现，认为事件驱动方法在处理较长的模拟时间时比显式建模更为高效。同时，研究者指出，模型的适用性不仅取决于其计算效率，还取决于其在实际环境中的表现。通过将模型与实验数据进行对比，研究者发现模型在模拟海滩上塑料垃圾的分布时具有一定的准确性，但仍然需要更多的数据支持。

综上所述，本文提出了一种基于波浪作用的随机模型，用于模拟塑料垃圾在海滩上的沉积和再悬浮过程。该模型通过引入概率参数，能够更好地捕捉塑料垃圾在海滩上的动态变化，并且在实验验证中表现出一定的有效性。尽管模型目前还存在一些局限性，但其设计为未来的模型开发提供了良好的起点，并且可以通过进一步的实验和观测进行优化。研究者还建议，未来的工作应包括将该模型作为子模型集成到现有的Lagrangian粒子传输框架中，并利用高分辨率的风和波浪数据进行更精确的模拟。