一种海域表层水体微塑料越界通量计算方法与流程

本发明涉及微塑料，具体是一种海域表层水体微塑料越界通量计算方法。

背景技术：

1、微塑料作为备受国际关注的新型污染物，海洋是微塑料的主要聚集区域，微塑料颗粒既是海洋污染物，又容易吸附有毒污染物，且大部分可悬浮在海洋或河流表面，阻碍生物对光照利用。同时，微塑料还可能附着在生物体表面或被生物摄食，影响其生长发育进而通过食物链危害人类的健康。因此，控制微塑料污染、保护沿岸水环境迫在眉睫，而建立微塑料与海洋动力环境间的响应关系，是解决海域微塑料污染问题的关键。

2、海域表层水体微塑料越界通量是指一段时间内通过该海域表层水体的微塑料的净输运总量，由于海水中的微塑料主要集中在海洋表层，通过计算海域表层水体微塑料越界通量，可为特定海域微塑料的溯源与总量控制提供技术支撑。现有的水体微塑料通量计算方法主要聚焦于入海河流，其应用仍受限于入海河流流态的单一性。然而，海流实为周期性潮流与非周期性余流的综合水流，这使得河流微塑料入海通量计算方法难以直接应用于流态复杂的海域环境，尤其是在量化特定海域表层水体微塑料越界通量方面，尚存在技术空白。

3、基于此，现在提供一种海域表层水体微塑料越界通量计算方法，可以消除现有技术方案存在的弊端。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种海域表层水体微塑料越界通量计算方法，以解决背景技术中的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种海域表层水体微塑料越界通量计算方法，具体包括以下步骤：

4、步骤s1、构建研究海域三维潮流数值模型并完成模型精度验证，输出研究海域边界断面的水动力数据，所述水动力数据至少包括边界断面表层网格流速矢量，将研究海域概化为多边形区域，将多边形区域的每一条边定义为对应研究海域的边界断面；

5、步骤s2、基于研究海域三维潮流数值模型的输出结果，计算边界断面每个表层网格在x、y方向的余流流速，通过x、y方向的余流流速求解得到边界断面表层网格的余流流速和余流流向，结合边界断面与北向夹角，计算边界断面法线方向的表层网格余流流速；

6、步骤s3、基于边界断面法线方向表层网格余流流速，结合边界断面表层网格水深、表层网格宽度，计算边界断面法线方向的各表层网格各时段流量；

7、步骤s4、采集研究海域表层海水样品并检测得到表层海水微塑料丰度数据，通过线性插值得到目标断面在目标时段的表层网格微塑料丰度，结合各表层网格各时段流量、表层网格微塑料丰度、单时段时长，累加求解得到各边界断面表层水体微塑料的越界通量；

8、步骤s5、遍历研究海域全部边界断面，对每个边界断面表层水体微塑料越界通量进行累加求和，得到整个研究海域表层水体微塑料总越界通量，实现海域表层水体微塑料越界通量计算效果；

9、步骤s6、提取边界断面法线方向表层网格余流流速、表层网格微塑料丰度、网格分时段微塑料输运量，基于表层网格空间坐标匹配对应边界断面表层网格余流分布图、微塑料丰度空间分布图，依据表层网格微塑料丰度划分微塑料输入/输出断面区段，输出空间分区溯源成果。

10、进一步地，所述步骤s1中研究海域三维潮流数值模型构建包括：

11、获取海岸线数据、水深数据和边界潮位数据，采用fvcom或hec-ras水动力软件建模，提取并输出研究海域所有边界断面的水动力数据，所述水动力数据包括边界断面表层网格流速矢量、各表层网格x轴流速时序序列、y轴流速时序序列、各表层网格宽度、表层网格水深，其中，所述海岸线数据通过现场实测或遥感影像解译得到，所述水深数据通过现场实测或数字化海图得到，所述海岸线数据和水深数据的测量年份相适配；

12、所述模型精度验证至少包括研究海域各边界断面不少于2个微塑料采样调查站位的潮流观测资料验证、不少于3个微塑料采样调查站位的潮位观测资料验证，所述潮流观测资料验证的验证时长不少于25个小时，所述潮位观测资料验证的连续验证时长不少于1个月，所述边界断面的表层网格数量不少于边界断面微塑料采样调查站位数量。

13、进一步地，在所述步骤s2中，边界断面每个表层网格在x、y方向的余流流速的计算流程包括：

14、构造正交笛卡尔坐标系，将边界断面表层网格流速矢量沿x轴和y轴方向分解，在数值模拟中，分解后的边界断面表层网格在x、y方向的余流流速计算公式包括：

15、，；

16、其中，为边界断面第个表层网格在x方向的余流流速，为数值模拟的时间步数且满足公式，为数值模拟的潮周期数，为潮周期时长，为数值模拟的时间步长，为边界断面第个表层网格第个时间步在x方向的流速，为边界断面第个表层网格在y方向的余流流速，为边界断面第个表层网格第个时间步在y方向的流速。

17、进一步地，所述步骤s2中边界断面表层网格余流流速和余流流向的计算公式包括：

18、，；

19、其中，为边界断面第个表层网格的余流流速，为边界断面第个表层网格的余流流向，为边界断面第个表层网格在x方向的余流流速，为边界断面第个表层网格在y方向的余流流速。

20、进一步地，所述步骤s2中边界断面法线方向的表层网格余流流速的计算公式为：

21、；

22、其中，为边界断面法线方向的第个表层网格时段的余流流速，为边界断面第个表层网格的余流流速，为边界断面第个表层网格的余流流向，为边界断面与北向夹角。

23、进一步地，所述步骤s3中边界断面法线方向的各表层网格各时段流量的计算公式为：

24、；

25、其中，为边界断面法线方向的第个表层网格时段的流量，为边界断面表层网格水深，为边界断面法线方向的第个表层网格时段的余流流速，为边界断面上第个表层网格的宽度。

26、进一步地，所述步骤s4中各边界断面表层水体微塑料的越界通量的计算公式为：

27、；

28、其中，为第个边界断面表层水体微塑料的越界通量，为总时段计算数量，为边界断面表层网格数量，为边界断面法线方向的第个表层网格时段的流量，为线性插值后边界断面第个表层网格时段的微塑料丰度，为时段的计算时长。

29、进一步地，所述步骤s5中整个研究海域表层水体微塑料总越界通量的计算公式为：

30、；

31、其中，为研究海域表层水体微塑料总越界通量，为研究海域边界断面数量，为第个边界断面表层水体微塑料的越界通量。

32、进一步地，在所述步骤s4中，采集研究海域表层海水样品并检测得到表层海水微塑料丰度数据，通过线性插值得到目标断面在目标时段的表层网格微塑料丰度，具体包括：

33、沿研究海域各边界断面间隔布设若干海水表层采样站位，在海水表层采集海水样品，按照海水样品处理规范完成样品前处理与实验室检测，每个采样站位绑定采样站位坐标、采样时段和实测微塑料丰度值，得到离散站位数据集，所述海水表层定义为海面以下0.1m至1m的水域范围；

34、对实测微塑料丰度值进行时序线性匹配，采用时序线性插值法，将实测微塑料丰度值统一插值至研究海域三维潮流数值模型每一个计算时段，得到各采样站位在任意计算时段的时序丰度；

35、将边界断面所有采样点、表层网格沿断面走向投影至断面中心线，换算为断面线性距离，采用一维两点线性插值公式求解得到各表层网格对应时段的微塑料丰度；

36、插值完成后校验全部表层网格丰度取值区间，生成与水动力网格一一对应的网格化微塑料丰度数据即目标断面在目标时段的表层网格微塑料丰度。

37、进一步地，所述研究海域表层水体微塑料总越界通量的数值符号代表输运方向，正值表示水体向研究海域内部流入，负值表示水体向研究海域外部流出。

38、相较于现有技术，本发明的有益效果如下：

39、本发明通过构建研究海域三维潮流数值模型并提取边界断面表层网格流速矢量，进一步采用多潮周期平均法分离出法线方向的净输运余流作为微塑料迁移的核心动力，从而有效滤除了潮汐往复流动的干扰，使得本发明中方法不仅能够应用于流态复杂的海域环境，同时也能够兼容单一流态的河流场景，突破了传统单一流态通量计算的局限性，展现出广泛的适用性，此外，本发明还结合表层网格水深、网格宽度及时段时长，逐级完成网格流量计算、单断面微塑料越界通量计算以及全域总越界通量累加求和，有效提高了海域微塑料通量核算的精度和可操作性。