半封闭沿海系统中漂浮大型塑料的滞留机制：基于建模和漂流实验的见解

《Regional Studies in Marine Science》：Retention of floating macroplastics in semi-enclosed coastal systems: Insights from modeling and drifter experiments

　　布鲁娜·德·拉莫斯|加布里埃拉·埃斯科瓦尔-桑切斯|丹尼尔·冈萨雷斯-费尔南德斯|乌尔夫·格雷韦|扎维尔·朗格|杰拉尔德·舍尔内夫斯基
沿海海洋地理小组，莱布尼茨波罗的海研究所，Seestra?e 15，罗斯托克 18119，德国

**摘要**
沿海和河口系统能够在漂浮的宏观塑料到达开阔海域之前将其滞留，但这些环境在海洋垃圾监测和评估中往往被忽视。我们研究了在六种不同风况下，以及一年内，两个半封闭的波罗的海系统（瓦尔诺河口和格赖夫斯瓦尔德湾）中漂浮宏观塑料的滞留情况。我们使用了高分辨率（20米和200米）的二维流体动力学模型，并结合了在芦苇带中观察到的捕获现象来进行模拟。模型结果与瓦尔诺河口的实地漂流物轨迹进行了比较。在两种对比明显的风况下，漂流物的轨迹与模型预测的积累模式和移动时间非常吻合。在两个系统中，模拟颗粒的年滞留率均超过了80%；而在瓦尔诺河口，短期（72小时）的滞留率甚至达到了100%。芦苇带是主要的滞留区域，人工结构也对滞留过程有所贡献。将我们的结果推广到整个波罗的海，沿海和河口系统的宏观塑料滞留率可能比之前的估计值低至少50%（之前的研究估计每年有7600万件塑料垃圾）。

**引言**
海洋和沿海环境中的塑料垃圾对生态系统和社会构成了复杂的挑战（Abalansa等人，2020年；Rangel-Buitrago等人，2019年）。过去认为河流只是漂浮宏观塑料的排放点或传输通道的观点（Lebreton等人，2017年）已经受到质疑。如今人们已经认识到，河流、沿海区域和河口可以成为塑料垃圾的储存库（Emmerik等人，2022年），能够捕获高达98%的垃圾。然而，沿海系统在垃圾滞留或向开阔海域泄漏中的作用仍存在科学界的争议（González-Fernández和Roebroek，2023年；Roebroek等人，2022年）。应用技术来研究这一课题并验证一些常识性的假设是非常重要的。
在这项研究中，我们将“滞留”定义为漂浮垃圾被芦苇带或河岸植被物理拦截的过程（Cesarini和Scalici，2022年）。滞留率指的是留在河流或沿海系统内而未进入开阔海域的垃圾比例（Chen等人，2023年），无论其滞留机制是什么（例如拦截、搁浅（Onink等人，2021年）或掩埋（Emmerik等人，2022年））。基于模型数据对漂浮垃圾向开阔海域传输的估算往往忽略了沿海区域的滞留作用（Lebreton等人，2017年）。据估计，每年有4000万至1000万件宏观垃圾从河流源头进入波罗的海，其中最大的河流（如奥得河、维斯瓦河、涅曼河和涅瓦河）每年可能排放超过50万件大于2.5厘米的漂浮垃圾（González-Fernández等人，2021年）。然而，由于波罗的海的沿海地形，包括半封闭系统，这些区域可能会捕获并滞留大量的漂浮垃圾。

**方法**
**2.1 研究区域**
我们选择了波罗的海西部两个具有不同地貌和城市化程度的半封闭沿海系统作为研究对象：瓦尔诺河口（54.08°N，12.13°E）和格赖夫斯瓦尔德湾（GwB）（54.15°N，13.60°E）（图1，表1）。

**2.2 流体动力学和粒子追踪模型**
我们对2018年的数据进行了流体动力学模拟，涵盖了格赖夫斯瓦尔德湾（GwB）、瓦尔诺河口及其周边约30平方公里的海域。模拟结果以每小时为单位存储（200米分辨率的数据），并在瓦尔诺河口以每5分钟为单位存储（20米分辨率的数据）。流体动力学模拟使用了通用河口传输模型（GETM，Burchard和Bolding，2002年）和通用海洋湍流模型（GOTM，Umlauf等人，2005年）。模拟结果包括水平流速和基于Smagorinsky参数化的水平涡流粘度。模型设置允许系统与波罗的海之间的动态耦合，以模拟沿海水域的循环和交换过程。关于模型设置的更多细节，特别是瓦尔诺河口的20米分辨率设置，请参见Schernewski（2024年）的研究。这些流体动力学数据被用于Parcels v3.0.2（Delandmeter和Van Sebille，2019年）粒子追踪软件中，以计算滞留率和识别积聚点。颗粒被设定为在遇到含有芦苇带的沿海区域或沙滩时“滞留”。

**2.3 实验设计**
我们测试了200米分辨率流体动力学模型在瓦尔诺河口粒子追踪中的适用性（表2）。对于其他情景，我们分别使用了200米分辨率的格赖夫斯瓦尔德湾模型和20米分辨率的瓦尔诺河口模型。通过增加100、500、1000和10,000个颗粒进行敏感性测试，发现不同数量的颗粒对滞留率和积聚点的影响不大（表2中的S1、S2和S3）。所有模拟均使用1000个颗粒进行，这些颗粒在瓦尔诺河口（54.09°N，12.16°E）的河口起点和格赖夫斯瓦尔德湾（54.11°N，13.45°E）的里克河出口释放。模拟持续了4天。虚拟颗粒是无量纲的，代表随水流在表层50厘米水中移动的漂浮塑料。

**3 结果与讨论**
本文分析了波罗的海两个半封闭沿海系统——瓦尔诺河口和格赖夫斯瓦尔德湾中的漂浮宏观塑料滞留率和积聚情况。研究目标包括：（1）确定两种不同半封闭沿海系统在不同风况下的垃圾滞留百分比；（2）比较漂流实验结果和粒子追踪结果；（3）与其他沿海系统进行讨论，重点关注地貌和用途。我们的工作建立在之前研究的基础上（如Schernewski等人，2021年），并进一步探讨了不同风况下的沿海滞留现象，同时比较了瓦尔诺河口和格赖夫斯瓦尔德湾的情况，并延长了模拟时间。这使我们能够分别分析每个风向在垃圾运输和积累模式中的作用（图2）。此外，根据至少持续四天的最大风速，我们识别出一种极端风况（S3，表2）。这五种风况（图2）代表了波罗的海西部83.0%的风事件，例如，情况1全年出现29.2%，情况2为21.6%，情况3为18.0%，情况4为7.9%，情况5为6.3%。我们还进行了一个额外的长期模拟（2018年全年）（S4，表2）。该模拟的时间跨度从2018年1月1日到12月31日，不关注任何特定的风况，而是关注长期的积累点，以指导未来的清理策略或实地调查工作。在这个场景中，我们每12小时释放100个颗粒。我们计算了两种系统的季节性和年度保留率。季节分为：冬季（1月至3月）、春季（4月至6月）、夏季（7月至9月）和秋季（10月至12月）。

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图2. 不同场景中使用的风速和风向。风玫瑰图表示表2中S2和S3场景的4天模拟条件。每种风况的开始时间如下：情况1（2018年6月22日凌晨3:00）；情况2（2018年5月22日凌晨3:00）；情况3（2018年10月24日凌晨7:00）；情况4（2018年2月14日凌晨1:00）；情况5（2018年3月4日凌晨12:00）；极端风况（EW）从2018年10月2日下午7:00开始。

我们没有考虑垃圾的再移动或塑料的特性，如大小、重量或密度。这遵循了Schernewski等人（2024年）对瓦尔诺河的研究方法。然而，为了确定生物污损和沉降等因素是否可以忽略，我们分析了垃圾在两种系统中达到90.0%以上保留率所需的时间。根据Kaiser等人（2017年）的实验，我们使用了六周的时间限制，因为在这个时间之后生物污损会显著影响沉降行为。为了评估风阻效应，我们将S2风况1的输出与使用Ko等人（2020年）平均值得出的0.03风阻的模拟结果进行了比较。我们通过在瓦尔诺河释放点和城市港口（北纬54.09°，东经12.14°，这是漂浮物释放的位置之一，见图6）释放1000个颗粒来测试风阻。这些颗粒被追踪了4天。

2.4. 野外数据：芦苇带中的大型垃圾和漂浮物实验
2024年9月至11月期间，在瓦尔诺河口的芦苇中采集了垃圾样本（图1B中的垃圾采样点）。收集到的垃圾根据Galgani等人（2023年）的垃圾分类清单进行了分类和拍照。这些数据提供了瓦尔诺河口存在垃圾捕获的现场证据（Newland, 2025）。我们使用配备GPS的设备进行了野外实验。漂浮物的设计旨在模拟一块垃圾（见图6C）。这是一种低成本设备（每个漂浮物约20欧元），由一个高10厘米的瓶子组成，瓶子上装有GPS（SinoTrack?），通过SIM卡每5分钟与2G网络通信一次（见图6C）。我们添加了重量和浮力测试以确保没有显著的风阻。我们进行了两种不同的漂浮物实验。一种实验旨在计算保留率，另一种实验旨在通过将观察结果与模型模拟进行比较来了解漂浮塑料在河口中的运输情况。

对于保留率实验，漂浮物被部署在距离芦苇带不同的三个距离：5米、3米和1米。观察它们的移动情况20分钟，以确定它们是被捕获还是继续漂浮。保留率计算为被捕获的漂浮物数量与总部署数量的比率：
R?r = (Ntrap(d) / Ntotal(d))，其中R?r是所有距离的平均保留率；Ntrap(d)是在距离d处被捕获的漂浮物数量；Ntotal(d)是在距离d处的总部署数量，n是距离的数量（这里n=3：1米、3米、5米）。总共进行了30次部署，每个距离10次。这个保留率被添加到颗粒追踪模型中，作为对含有芦苇带或沙质海岸的沿海单元的平流-扩散核的一部分。我们假设如果沿海单元的R?r值大于或等于1，则表示颗粒被捕获，否则表示颗粒在下一个模型时间步继续移动。

关于运输和移动实验，我们在不同的日子和条件下部署了4个漂浮物（见图6 A, B）。第一天，漂浮物从河口上部的四个点释放，包括城市港口。第二天，从两个点释放。第一天的风速为西南风（SW）5–9米/秒，第二天的风速为东南风（SE）4–6米/秒。我们从漂浮物释放的相同位置进行了两次颗粒追踪模拟，分别对应两种风况。对于模拟，从每个释放点释放了5000个虚拟颗粒，并在20分钟、2小时和24小时时分析了它们的轨迹和保留率。

3. 结果
3.1. 保留率 - 技术要求
在瓦尔诺河口，测试了两种水平空间分辨率用于颗粒追踪：200米和20米（S1，表2）。200米分辨率的水动力网格尺寸在大多数较低的区域超过了河口宽度，导致所有颗粒在初始时间步中离开了模型域。另一方面，20米水平分辨率允许模拟保留率和积累点。在格赖夫斯瓦尔德湾（GwB），由于系统较宽，200米的水动力网格足以进行颗粒追踪。瓦尔诺河口的颗粒释放区域宽度约为440米。使用200米网格分辨率时，只有2.2个模型单元被覆盖，这不足以捕捉保留过程。将分辨率提高到20米后，这一比例增加到河口颗粒释放区域的22.5个单元，提供了更好的空间表示，并能够表示保留过程。在GwB，2.5公里的释放区域在200米分辨率下包含了12.5个单元，由于系统较大，这是足够的。总体而言，至少每12米沿海系统宽度有一个模型单元的分辨率对于捕捉颗粒保留是有效的。

在时间尺度方面，四天稳定风条件下的模拟给出了可靠的保留率估计（见图3）。在瓦尔诺河，四天的风条件无法代表保留情况，因为系统大小不允许颗粒到达海湾边界并被芦苇带捕获，也无法进入波罗的海。像瓦尔诺河这样的狭窄系统更有可能快速保留垃圾，单一风况可以说明垃圾可能积累的位置。在像格赖夫斯瓦尔德湾这样的较大系统中，风的变化发生在完全保留之前，区域的形状会在更长的时间框架内捕获垃圾。尽管如此，仍然可以知道大多数颗粒在释放点附近被保留（见图4）。

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图3. S2和S3场景（表2）中的保留情况，风玫瑰图（详见图2），颗粒释放位置（X），以及瓦尔诺河口4天模拟的最终位置热图。模拟中保留稳定所需的时间（以小时为单位）也有所标注。

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图4. S2和S3场景（表2）中的保留情况，风玫瑰图（详见图2），颗粒释放位置（X），以及格赖夫斯瓦尔德湾（GwB）4天模拟的最终位置热图。模拟中保留稳定所需的时间（以小时为单位）也有所标注。

3.2. 瓦尔诺河口的保留率
在不同风条件下（S2和S3，表2），瓦尔诺河口的颗粒追踪模拟显示平均模型保留率为98.9±2.2%（25.5±27.8小时）。然而，只有被芦苇带捕获的颗粒在模型中被计为“被保留”。其余颗粒虽然没有计入保留百分比，但被码头或堤坝等人造结构捕获，特别是在风况2、3和4下。没有颗粒到达波罗的海（北纬54.20°，东经12.09°）（见图3）。

尽管保留率相似，但空间分布和达到完全保留所需的时间有所不同（见图3）。情况3显示运输较慢，56小时后保留率为88.6%，72小时后为91.4%；其余颗粒被硬结构捕获。在情况4中，90.5%的颗粒在5小时内被保留，99.0%在47小时内被保留，而10.0%的颗粒到达河口上部并卡在硬结构中。极端风况（S3，表2）也显示了100%的保留率，但需要11小时。这些结果表明，某些条件会导致颗粒快速运输，硬结构也可以作为捕获点。我们能够用包含捕获因素的模型复制观察到的行为（见3.4中的漂浮物实验）。我们可以假设52小时是模拟该系统以捕捉真实保留率的最短时间，重点关注特定的风条件。颗粒的平均移动距离为3439.5±4974.8米。在情况4中，颗粒移动的最远距离为12,320米（见图3）。

2018年瓦尔诺河口的年度模拟（S4，表2）显示，在夏季月份（7月至9月），颗粒倾向于靠近其释放点（70.0%的颗粒在释放点400米范围内积累）。然而，保留率没有显著的季节性差异，全年保持在90.0%以上（表3）。年度平均保留率为95.0%±3.4%。水中的颗粒也可能被人造结构捕获，但这没有在计算中考虑。

表3. 2018年瓦尔诺河口和格赖夫斯瓦尔德湾的季节性颗粒保留率
| 海岸系统 | 季节 | 保留率（%） | 在水中的颗粒（%） |
| --- | --- | --- | --- |
| 瓦尔诺河 | 冬季（1月至3月） | 91.0 | 9.0 |
| | 春季（4月至6月） | 93.3 | 6.7 |
| | 夏季（7月至9月） | 97.4 | 2.6 |
| | 秋季（10月至12月） | 98.2 | 1.8 |
| | 年平均 | 95.0±3.4 | 5.0±3.4 |
| 格赖夫斯瓦尔德湾 | 冬季（1月至3月） | 70.6 | 29.4 |
| | 春季（4月至6月） | 80.5 | 19.5 |
| | 夏季（7月至9月） | 89.0 | 11.0 |
| | 秋季（10月至12月） | 97.7 | 6.3 |
| | 年平均 | 83.4 | 5.0±8.8 |
| | | 16.5 | 5.0±8.8 |

瓦尔诺河的积累点集中在排放点附近（约1公里）（补充图）。将我们估计的保留率应用于González-Fernández等人（2021年）的预测，他们估计每年有69,000至198,000件大型垃圾从瓦尔诺河进入波罗的海，我们计算了在不同保留情景下进入波罗的海的潜在数量。在最乐观的情景下，假设最大保留率（95.0%），估计的年度排放量为3,450至9,900件大型垃圾。相反，在最悲观的情景下，假设最小保留率（91.6%），排放量可能高达每年5,796至16,632件。

3.3. 格赖夫斯瓦尔德湾的保留率
在格赖夫斯瓦尔德湾，4天稳定风条件下（S2，表2），平均有29.5±16.6%的颗粒被芦苇带区域捕获（见图4）。同时，100%的颗粒留在海湾内，主要集中在南部区域。情况2的保留率最低（7.2%），情况4的保留率最高（56.8%）。较高的颗粒积累可能是由于风向的作用，使表面水流导向排放点后的相邻海岸线（见图4）。如果初始4天模拟后保留的颗粒百分比超过90%，则停止模拟。然而，如果4天结束时保留率低于80%，则延长模拟直到保留率达到90%。为此，我们从最常见的风况情况1开始模拟，并继续模拟直到达到90%的保留率阈值。在这些扩展的模拟中，由于实际风况是变化的，重点从分析特定风条件的影响转变为确定颗粒到达波罗的海所需的时间。

在情况1下，经过4天的稳定西风后，34.4%的颗粒被保留。10天后，颗粒的滞留率上升至61.8%；26天后，这一比率升至83.9%；经过57天的模拟，滞留率达到了95.8%。剩余的颗粒从海湾中排出，通过海湾的东侧流入波罗的海（图5）。我们决定忽略生物污损和沉降过程，因为超过80%的滞留发生在六周以内的时间内（Kaiser等人，2017年）。下载：下载高分辨率图像（541KB）下载：下载全尺寸图像

图5. 在格赖夫斯瓦尔德湾（GwB）中，经过4天、26天和57天的模拟后，颗粒的滞留情况和最终位置以热图形式表示，起始风速条件为1。

在格赖夫斯瓦尔德湾的年度模拟中，观察到颗粒大约需要29天才能通过东侧出口到达波罗的海。在释放的颗粒中，10.0%朝向东侧出口方向移动，而86.0%停留在里克河释放点附近，距离释放点不到3公里（见补充图表）。滞留率没有显示出显著的季节性变化，所有季节的平均值为83.4% ± 8.8%。然而，在冬季（1月至3月），滞留率较低（70.6%）（表3）。

3.4. 芦苇带中的大型垃圾和漂流实验
在瓦诺河口采集的样本面积为7895平方米，共收集到409件垃圾，平均每平方米0.05件。该样本面积约占瓦诺河总芦苇带的2.0%，不能反映季节性变化，因此这些数据未用于外推或比较。在芦苇带中发现的垃圾类型多样，反映了该水域的多种用途。其中，与食物、包装和碎片相关的垃圾占总量的大约80.0%。
前五种垃圾类型分别是：塑料薯片包装/糖果包装纸（18.0%）、泡沫聚苯乙烯碎片（2.5厘米≤尺寸≤50厘米）（12.8%）、塑料薄膜、工业包装材料（10.0%）、非泡沫塑料碎片（2.5厘米≤尺寸≤50厘米）（7.7%）以及玻璃瓶（6.7%）（Newland，2025年）。在瓦诺河芦苇带中收集到的垃圾显示出长时间暴露在河流中或被芦苇缠住的痕迹。许多垃圾出现了破碎现象，碎片是最常见的垃圾类型之一。

通过漂流实验计算得出的滞留率平均值为0.7，这一数值被用作颗粒追踪的滞留率参考。在距离芦苇带5米处释放的漂流物有40.0%被滞留，而在3米处释放的漂流物有70.0%被滞留，而在1米范围内释放的漂流物则100%被滞留。

我们使用漂流实验分析了两种不同风向和拖曳速度对瓦诺河口漂浮垃圾传输的影响。第一天（图6A），当西南风（SW）风速在5至9米/秒之间时，漂流物在25.2±12.0分钟内到达芦苇带，覆盖距离为240.5±198.5米，平均速度为0.16米/秒。第二天（图6B），在东南风（SE）风速在4至6米/秒之间时，漂流物在约2小时内向码头方向移动了约1.3公里，平均速度为0.18米/秒。漂流物的速度与瓦诺河中模拟的水平水流速度（0.15±0.10米/秒）非常接近。数据表明，尽管风速和方向有所不同，漂浮垃圾的传输速度仍与模型的预测一致。

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图6. 在瓦诺河口两种风条件下的漂流实验。漂流物的轨迹跟随风向。黑点表示漂流物的释放位置，红色和黄色点分别表示在西南风（SW）（A）和东南风（SE）（B）条件下的回收位置。漂流物（C）被设计用来代表垃圾样本。

关于漂流实验与模型之间的滞留率比较，在与第一天相同的风条件下进行的实验中，24小时后，西南风条件下的滞留率为79.1%，颗粒的最大移动距离为4.0公里。在东南风条件下（即漂流实验的第二天），24小时后的滞留率为28.9%，最大移动距离为7.0公里。模拟4天的西南风后，滞留率为47.6%。将模拟时间延长至10天后，92.0%的颗粒被滞留。需要注意的是，4天和10天模拟中的风向和风速有所不同，因此这并不能完全反映东南风的影响。漂流实验和模型均显示，颗粒的最终位置会随风向变化（图6）。

3.5. 风的影响
使用风核模型计算得出的滞留率在3小时后达到100%，这与无风条件下的模拟结果相同。此外，由于两种情况下的堆积模式相同，我们选择仅展示无风条件下的模拟结果。从有风条件的港口释放点开始，颗粒从第一小时起就被港口基础设施捕获，并在整个4天的模拟过程中一直停留在那里。包括风影响在内的4天模拟结果显示，风对瓦诺河口颗粒传输的影响可以忽略不计。模型结果与漂流实验观察结果一致，无论释放点如何。

3.6. 与其他系统的比较
瓦诺河口和格赖夫斯瓦尔德湾可以被视为两种形态不同的非潮汐海岸系统，因此可以与全球类似的系统进行比较（表4）。尽管特定地点的因素会影响滞留率，但文献中描述的几个海岸系统与瓦诺河口（封闭、狭窄、城市化）或格赖夫斯瓦尔德湾（开阔、类似海湾、水流较弱）具有关键的物理特征相似，这表明这里发现的滞留机制可以应用于其他波罗的海海岸系统及其他地区。

表4. 瓦诺型和非瓦诺型非潮汐海岸系统的比较及其漂浮大型塑料的滞留特性

| 海岸系统 | 滞留特性 | 可比系统 |
| --- | --- | --- |
| 瓦诺型（封闭、狭窄、城市化） | 快速滞留（几小时至几天）；靠近岸线/基础设施的热点区域限制了向开阔海域的排放 | 泰晤士河内部、低潮影响（英格兰）（Morritt等人，2014年），基尔（德国）（Ory等人，2020年），瓜伊巴湖连接（巴西）（Bertoldi等人，2020年），荒川河（日本）（Sankoda和Yamada，2021年） |
| 格赖夫斯瓦尔德型（开阔、类似海湾、水流较弱） | 逐渐积累（几周至几个月）；较长的停留时间；通过风速变化进行排放 | 格但斯克湾/普克湾（波兰）（Dippner等人，2019年），什切青/奥得泻湖（德国/波兰）（Kache等人，2025年），旧金山湾（美国）（Sutton等人，2016年） |

这种可转移性主要限于非潮汐或水流较弱的海岸系统。强潮汐河口、以河流为主的三角洲以及水流较快的海岸海湾则不适用，因为它们的滞留机制不同。例如密西西比河三角洲（美国）和恒河-布拉马普特拉河三角洲（孟加拉国/印度），在这些地方，强烈的潮汐流和河流排放会迅速将漂浮物带入开阔海域（Lebreton等人，2017年）。

4. 讨论
使用二维拉格朗日粒子追踪方法研究漂浮塑料是一个成熟且广泛应用的技术（例如Andreussi等人，2024年；Hernandez等人，2025年）。通常会忽略生物污损等过程，因为许多海岸尺度研究考虑的运行时间较短，此时生物污损效应不显著。在波罗的海地区，特别是在较冷的月份，生物污损生长率较低，因此可以在模型中简化不考虑生物污损和/或沉降过程（Kaiser等人，2017年）。对于格赖夫斯瓦尔德湾（GwB），由于超过90%的颗粒滞留时间超过了我们模拟的4天稳定风速条件，因此仍可以忽略生物污损。格赖夫斯瓦尔德湾位于北温带地区，这一区域通常生物污损率较低（Dürr和Thomason，2010年）。

我们的研究讨论了流体动力场空间分辨率对拉格朗日粒子追踪模型适用性的影响，这影响了该模型在瓦诺河口识别滞留率的准确性。该系统狭窄、规模小且形态复杂，因此需要20米的网格才能准确表示滞留过程及其与芦苇带和人工结构的相互作用。200米的网格无法准确表示海岸线，这也是其他研究中也注意到的问题（Ward等人，2023年）。

另一方面，对于格赖夫斯瓦尔德湾（GwB），200米的网格分辨率足以表示滞留模式，主要是因为该系统更大更宽。这表明，虽然Ward等人（2023年）建议海岸研究使用小于100米的网格，但我们的结果表明，模型分辨率的选择应根据系统的规模和复杂性来评估。大约1:12的网格与系统宽度比例足以表示两个系统中的漂浮大型塑料的滞留动态。这一比例可以作为未来沿海系统漂浮垃圾研究中选择模型空间分辨率的实际指南。Hernandez等人（2025年）在巴塞罗那的一个沿海区域采用了嵌套网格的方法，提高了流体动力网格分辨率，以适应更高搁浅概率的区域。

时间分辨率对于捕捉漂浮塑料的滞留情况非常重要。在瓦诺河口，4天的模拟就足以捕捉95.0±3.4%的滞留率，即使52小时也足以表示河口开始时释放的所有颗粒的滞留情况，无论风速如何。在格赖夫斯瓦尔德湾，需要长达57天的模拟才能达到类似的滞留率（95.8%）。系统的规模和形态影响了捕捉滞留过程所需的时间框架，而不仅仅是排放量（Roebroek等人，2022年）。对于更广阔的系统，风速的变化会在达到完全滞留之前就发生，增加了预测堆积热点的复杂性。对于这些系统，应考虑长达2个月的模拟。在管理方面，较小的系统可能需要更频繁的清理工作或监测活动，而在更开阔的海湾中，由于垃圾沿岸堆积所需时间较长，因此可以间隔更长时间进行监测。这些数据可以帮助制定针对具体情况的监测策略（Tasseron等人，2024年；Vriend等人，2020年）。

虽然人们普遍认为漂浮的大型塑料会积聚在芦苇带、河岸植被或人工结构中（Emmerik等人，2022年），但我们的研究提供了具体的滞留值、时间框架以及排放点与堆积热点之间的距离。大部分颗粒的堆积发生在芦苇带内，证实了它们在自然滞留过程中的关键作用（Cesarini和Scalici，2022年）。

结合粒子追踪模型和漂流实验的结果表明，即使没有风的影响，模型也能显示出相同的整体模式。在西南风条件下，颗粒在芦苇带附近的滞留速度较快（漂流实验中为20分钟），而东南风则增加了扩散并延迟了滞留。这些发现与先前关于漂浮大型塑料扩散和堆积的研究结果一致，即风向会影响漂浮塑料的路径和堆积位置，无论是在潮汐系统还是非潮汐系统中（Garello等人，2021年；Krelling等人，2017年）。风在短时间尺度上通过表面水流传输大型塑料的作用也在河流系统中得到证实，大多数塑料倾向于在洪泛区堆积而不是被带到下游（Schreyers等人，2024年；Semcesen等人，2025年）。我们研究的新颖之处在于明确了具体的时间框架和堆积发生的区域。在一项关于潮汐河口大型塑料传输“热点”和滞留-再移动周期的研究中，发现滞留后的垃圾不易重新移动（Mani等人，2023年），这支持了我们在短期模拟中忽略再移动的影响。

就季节性而言，我们的结果显示，波罗的海两个海岸系统的漂浮塑料滞留率季节性差异很小，表明河口形态和滞留区域（如芦苇带）对滞留率的影响大于季节性风速和流体动力变化。然而，我们的研究没有考虑大型塑料输入的季节性变化。某些活动和事件，如旅游活动（例如罗斯托克的汉萨帆船活动 - Schernewski等人，2024年研究中的瓦诺河口）、雨水溢出或河流流域和淡水排放，可能会改变海岸系统的输入量。未来的模型场景可以包括降水/洪水事件，例如德国威悉河的研究，该研究显示微塑料浓度与降水驱动的排放量之间存在强相关性（Moses等人，2023年）。

我们的研究为管理策略提供了参考，因为这里确定的滞留比例可能在不同输入条件下保持相似，因此可以将其推广到其他季节或事件。例如，一旦为特定的旅游高峰期（如帆船节）估算出输入值（Schernewski等人，2024年），就可以通过与我们的六个瓦尔诺河风况场景进行比较来推断相应的滞留率和潜在的积累区域。漂流实验有助于确定不同海岸线类型的特定滞留行为（Semcesen等人，2025年）。人工结构中漂浮垃圾的积累也得到了港口研究的支持（Nú?ez等人，2019年），这突显了在未来的模型和监测策略中需要纳入人工结构的重要性。在码头和休闲港口使用清洁设备（例如垃圾箱）已经是一种成熟的做法，并且可以用来改进监测策略，并将信息与模型输出中的人工结构滞留情况进行比较（Gontarek-Castro等人，2026年）。其中一个与政策最相关的结果是，在最坏情况下，流入波罗的海的宏观塑料量受到限制，包括较低的滞留量（3800万件，而根据González-Fernández等人（2021年）的数据为每年7600万件）。瓦尔诺河口的滞留量很高，之前的研究也发现，从河口另一处释放的颗粒中有0.4%最终到达了波罗的海（Schernewski等人，2024年）。以格赖夫斯瓦尔德湾为例，整合生态视角，如宏观塑料积累与鱼苗栖息地或海草床之间的重叠，可以突出这种跨学科联系的重要性，尤其是在与生物多样性相关的沿海系统中（Arevalo等人，2023年；Finke等人，2022年）。芦苇带作为滞留区，这证明了保护它们并可能将其纳入清理计划的合理性。同样，经常被忽视的人工结构（如港口和码头）也可能起到滞留作用（Gontarek-Castro等人，2026年）。然而，我们的方法存在一些局限性：只量化了短期滞留情况，而没有涉及长期过程和重新移动的问题。此外，假设的芦苇带捕获效率（0.7）可以通过实地实验进行改进。基于我们研究案例中两种不同形态的见解可以作为制定特定情况下的监测和缓解策略的基准，特别是对于表4.5中提到的非潮汐系统。

结论：海岸线形状、风向和人工结构可能会影响漂浮宏观塑料的滞留时间和积累区域。在这里研究的两个沿海系统中，不同风况下的垃圾滞留百分比存在差异。一个关键发现是，狭窄的系统在三天内可以达到100%的滞留率，而较宽的系统在两个月内可以达到96%的滞留率。这些一般性结论可以作为管理行动的指导，并为具有类似特征的系统的进一步比较研究提供依据，重点关注那些受潮汐影响较小的系统。用于评估芦苇带滞留情况的漂流实验非常有用，我们能够在颗粒追踪模型中应用0.7的滞留系数。此外，漂流物在不同风向（西南风和东南风）下的运动与模型预测的颗粒运动和积累热点以及滞留时间相符。我们强调了高分辨率、特定地点的模型在半封闭沿海系统中对海洋垃圾滞留的重要性。形态、水动力学和基础设施共同决定了滞留点。沿海管理者应不仅将半封闭沿海系统视为污染源，还应将其视为控制漂浮宏观塑料进入海洋的关键点。长期监测结合建模和现场漂流实验可以帮助识别积累热点，从而支持更有效的清理、缓解和预防策略。

**作者贡献声明：**
Ramos Bruna De：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、方法论、调查、数据分析、概念化。
Daniel González-Fernández：撰写——审稿与编辑、验证。
Gabriela Escobar-Sánchez：撰写——审稿与编辑、验证。
Xaver Lange：方法论。
Ulf Gr?we：方法论。
Gerald Schernewski：撰写——审稿与编辑、监督、资金获取、概念化。

**关于写作过程中生成式AI和AI辅助技术的声明：**
在准备这项工作时，作者使用了ChatGPT 4.0来提高英语写作的清晰度和语法。使用该工具后，作者根据需要对内容进行了审稿和编辑，并对出版物的内容负全责。

**资金支持：**
这项工作得到了德国联邦研究、技术和空间部（BMBFTR）的支持，项目包括“DAM sustainMare: Coastal Futures II”（资助编号03F0980B）和“DAM mareXtreme: Prime Prevention”（资助编号03F0953D）。此外，还得到了Interreg South Baltic Programme 2021–2027项目“Circular Ocean-bound Plastic”（项目编号STHB.02.03-IP.01-0006/23-00）的支持。GE-S获得了立陶宛克莱佩达大学生态与环境科学博士奖学金计划的支持。BR获得了CAPES/DAAD博士奖学金（项目编号88881.722642/2022-01）的支持。DG-F由欧盟通过Horizon Europe（HORIZON-MISS-2022-OCEAN-01）项目“INSPIRE - Innovative Solutions for Plastic Free European Rivers”（资助协议编号101112879）资助，该项目属于欧盟“Restore our Ocean and Waters”任务的一部分，并得到了联合国海洋十年的认可。