Numerical Modelling of Plastic Dispersal in Aquatic Environments

Promovendus/a: Nithin Achutha Shettigar

Promotor(en): Prof. dr. ir. Erik Toorman

Plasticvervuiling is een van de grootste milieuproblemen van deze tijd. Kleine plasticdeeltjes - zogenaamde microplastics (MP) - worden tegenwoordig overal aangetroffen: in rivieren, estuaria, kustgebieden en zelfs in de open oceaan. Wetenschappers hebben al veel waardevolle veldgegevens verzameld over de mate van plasticvervuiling, maar het is veel complexer om precies te begrijpen hoe deze deeltjes zich verplaatsen, veranderen en zich na verloop van tijd afzetten. Net als bij weervoorspellingen hangt het simuleren van de verspreiding van microplastics in watermilieus af van vele veranderlijke factoren - stromingen, getijden, wind, sedimenten en de eigenschappen van de microplastics zelf. En zoals weersvoorspellingen nooit perfect maar wél nuttig zijn, kan geen enkel model elk detail van het transport van microplastics volledig vastleggen. Het doel is niet om absolute precisie te bereiken, maar om zinvolle inzichten te verkrijgen in de processen die de verspreiding van microplastics aansturen.

Onderzoekers gebruiken hiervoor computermodellen die simuleren hoe microplastics door stromingen worden meegevoerd, naar de bodem zinken of juist naar het wateroppervlak stijgen. De meeste bestaande modellen zijn echter oorspronkelijk ontwikkeld voor natuurlijke deeltjes zoals zand of slib, die zich veel uniformer gedragen. Microplastics zijn daarentegen veel diverser - ze kunnen groot of klein zijn, licht of zwaar, vezelachtig of korrelig. Deze variatie maakt het moeilijk om hun gedrag te beschrijven met traditionele ‘one-size-fits-all’-modellen.

In dit onderzoek is daarom een nieuw modelleringskader toegepast, gebaseerd op Population Balance Equations (PBE), dat deze diversiteit wél kan weergeven. In tegenstelling tot conventionele modellen, die de deeltjes in enkele vaste klassen indelen, behandelt de PBE-aanpak hun eigenschappen als een doorlopend spectrum. Hierdoor kan het model nauwkeuriger beschrijven hoe belangrijke kenmerken van microplastics - zoals grootte en zinksnelheid of opwaartse snelheid - zich in tijd en ruimte ontwikkelen.

De resultaten laten zien dat het PBE-model even goed presteert als traditionele modellen, maar met een kortere rekentijd. In een geïdealiseerd estuarium wist het model dezelfde verdeling naar grootte en transportpatronen te reproduceren als een standaard model met discrete klassen. Toegepast op een reëel estuarium liet het model zien hoe microplastics reageren op lokale stromingen en sedimenten. Getijdenbewegingen bleken te zorgen voor een heen-en-weer verplaatsing en tijdelijke menging, terwijl residuele stromingen een netto-uitstroom van microplastics naar zee veroorzaken. Daarnaast bleek dat microplastics zich ophopen in zones waar ook fijne sedimenten (modder) samenkomen - vergelijkbaar met de patronen die bekend zijn van natuurlijke sedimentdynamiek.

Het model werd vervolgens uitgebreid naar drie dimensies om de verspreiding van microplastics op de Europese continentale shelfzee te simuleren, waarbij zowel zinkende als drijvende microplastics werden meegenomen. De zinkende deeltjes bleken zich te concentreren nabij de zeebodem en te bewegen langs de banen van de residuele stromingen, terwijl de drijvende microplastics oppervlaktepluimen vormden die werden beïnvloed door heersende winden. Op langere tijdschalen suggereren de simulaties dat diepe zeetroggen kunnen fungeren als langdurige opslagzones voor microplastics, vergelijkbaar met de opslag van fijne sedimenten.

Dit onderzoek richt zich op de processen van advectie, diffusie en bezinking, maar houdt nog geen rekening met golfgedreven stromingen of aanspoeling, die een belangrijke rol spelen in kustzones. Ook begrafenisprocessen en de invloed van bentische (bodem)organismen zijn cruciaal voor het langetermijngedrag van microplastics. Door te kiezen voor een continue modellering biedt deze studie een krachtig nieuw hulpmiddel om de verplaatsing en het lot van microplastics in natuurlijke wateren beter te begrijpen. Het model vormt een brug tussen veldwaarnemingen en numerieke simulaties, en helpt beleidsmakers om goed onderbouwde beslissingen te nemen over het beheer en de vermindering van plasticvervuiling.