Dispersion and accumulation of plastic in coastal regions. Application to the Barcelona coastline

(English) Plastic debris concentrations in the Barcelona coastline are among the highest in the Mediterranean Sea, comparable to those found in subtropical gyres. The Barcelona coastline is highly industrialised and densely populated, with a complex morphology that accommodates the different coastline interests. It contains one of the largest Mediterranean harbours with a complex shape characterised by two entrances and several marinas. It also hosts numerous urban beaches separated by breakwaters that also serve as part of a combined sewer overflow system. Two main rivers border the city limits to the north and south. The transport mechanisms of floating plastic debris in coastal zones remain poorly understood due to complex geometries and the influence of coastal processes. A Lagrangian numerical model (LOCATE) was developed to study how marine litter is transported at coastal scales in the Barcelona coastline. Lagrangian simulations at coastal scales, however, present challenges, which were addressed by using a coupled current-wave system and high-resolution hydrodynamic data at varying resolutions in a nested grid configuration. The LOCATE model was successfully validated using drifter data, producing high skill score results in areas covered by the high-resolution data. A distance-based beaching module was developed using high-resolution shoreline data, successfully resolving complex structures along the coastline and providing continuity within the varying spatial hydrodynamic resolutions. Coastal processes such as wave-induced currents were still at the sub-grid scale, resulting in uncertainties that were addressed by developing a probabilistic beaching framework. This included a beaching timescale of 26.35 h and an additional condition requiring a minimum particle travel distance of 1 km. Analysis of simulation outputs using observational river discharge data revealed a mildly positive association between particle beaching with the significant wave height. A complex and nuanced association with the coastline orientation and wave direction was also found. Proximity to the source and coastal geometric complexity were also highly influential in particle beaching. A beaching likelihood parameter was developed to quantify the propensity of an area to receive particles from a source, with areas adjacent to discharge sources found to have elevated likelihoods to receive particles. Possible sources of marine litter in Barcelona’s beach waters were identified using samples collected from citizen science and the probabilistic framework to conduct backtracking simulations. The concentration of plastic debris in urban beach waters was calculated as 1.78×109 items km-2 year-1. The urban Barcelona coastline, however, is a net recipient of marine litter, with 55.84% originating from outside the study domain. Land sources of plastic debris for urban beach water samples very clearly pointed to the combined sewer overflow network. Furthermore, samples collected directly at discharge sources, such as the rivers or the sewer overflows, were used to calculate a marine litter discharge budget with total discharge volumes for the Barcelona coastline. Fluxes were established from Lagrangian numerical simulations of the discharged quantities. Total plastic discharges are estimated at 5.96×1010 items year-1 of which 97.44% are microplastics, with a mass estimate at 16.96 metric tonnes year-1, of which 81.70% remains in the nearshore. These findings also underscore the urgent need for upstream waste reduction and targeted mitigation measures to prevent plastic debris from entering the sea. (Català) Les concentracions de residus plàstics a la costa de Barcelona es troben entre les més elevades de la Mediterrània, i són comparables a les registrades als girs subtropicals. La línia de costa barcelonina és altament industrialitzada i densament poblada, i presenta una morfologia complexa que reflecteix la diversitat d’usos i interessos del litoral. Els mecanismes de transport de residus plàstics flotants a les zones costaneres continuen essent poc coneguts a causa de les geometries complexes i de la influència de diversos processos costaners. Per analitzar el transport de deixalles marines a escala costanera al litoral barceloní, es va desenvolupar un model numèric lagrangià (LOCATE). Tanmateix, les simulacions lagrangianes a escala costanera presenten diversos reptes, que es van abordar mitjançant l’ús d’un sistema acoblat de corrents i onatge, juntament amb dades hidrodinàmiques d’alta resolució en una configuració de malles imbricades. El model LOCATE va ser validat amb èxit utilitzant dades de boies de deriva, obtenint valors elevats a la prova de skill score en les zones cobertes per les dades d’alta resolució. Es va desenvolupar un mòdul de beaching (varament de partícules) basat en la distància i utilitzant dades de línia de costa d’alta resolució, que va permetre resoldre amb èxit estructures complexes al llarg del litoral i proporcionar continuïtat entre les diferents resolucions hidrodinàmiques. Els processos costaners, com les corrents induïdes per l’onatge, van continuar a escala submalla, generant incerteses que es van abordar mitjançant el desenvolupament d’un marc probabilístic de beaching. Aquest marc va incloure una escala temporal de beaching de 26,35 h i una condició addicional que requeria una distància mínima de trajecte de les partícules d’1 km. L’anàlisi dels resultats de les simulacions, juntament amb dades observacionals de cabal fluvial, va revelar una associació lleugerament positiva entre el beaching de partícules i l’alçada significativa d’onada. També es va identificar una relació complexa entre l’orientació de la línia de costa i la direcció de l’onatge. La proximitat a la font i la complexitat geomètrica costanera van resultar igualment factors molt influents en el beaching de partícules. Es va desenvolupar un paràmetre de probabilitat de beaching per quantificar la propensió d’una zona a rebre partícules des d’una font, observant-se valors elevats a les àrees adjacents als punts de descàrrega. Les possibles fonts de residus marins a les aigües de les platges de Barcelona es van identificar mitjançant mostres obtingudes a través de ciència ciutadana i simulacions backtracking (retrospectives) emprant el marc probabilístic. La concentració de residus plàstics a les aigües de les platges urbanes es va estimar en 1,78×109 ítems km-2 any-1. Tanmateix, la costa urbana de Barcelona actua com a receptora neta de residus marins, amb un 55,84% procedent de fora del domini d’estudi. Les fonts terrestres de residus plàstics per a les mostres d’aigües de platja urbana van assenyalar clarament el sistema d’aliviadors. A més, les mostres recollides directament a les fonts de descàrrega, com els rius o els aliviadors, es van utilitzar per calcular un pressupost de descàrrega de residus marins amb volums totals de descàrrega per al litoral de Barcelona. Els fluxos es van establir a partir de simulacions lagrangianes de les quantitats descarregades. S’estima que les descàrregues totals de plàstics ascendeixen a 5,96×1010 ítems any-1, dels quals el 97,44% són microplàstics, amb una massa total estimada de 16,96 t any-1, de les quals el 81,70% romanen a la zona costanera. Aquests resultats posen de manifest la necessitat urgent de reduir els residus en origen i d’implementar mesures de mitigació específiques per evitar l’entrada de plàstics al mar. (Español) Las concentraciones de residuos plásticos en la costa de Barcelona se sitúan entre las más elevadas del mar Mediterráneo, siendo comparables a las registradas en los giros subtropicales. La línea de costa barcelonesa está altamente industrializada y densamente poblada, y presenta una morfología compleja que refleja la diversidad de usos e intereses del litoral. Los mecanismos de transporte de residuos plásticos flotantes en zonas costeras siguen siendo poco comprendidos debido a las geometrías complejas y a la influencia de diversos procesos costeros. Para analizar el transporte de basura marina a escala costera en el litoral barcelonés, se desarrolló un modelo numérico lagrangiano (LOCATE). No obstante, las simulaciones lagrangianas a escala costera presentan diversos desafíos, que se abordaron mediante el uso de un sistema acoplado de corrientes y oleaje, junto con datos hidrodinámicos de alta resolución en una configuración de mallas anidadas. El modelo LOCATE fue validado con éxito utilizando datos de boyas de deriva, obteniendo altos valores en la prueba de skill score en las zonas cubiertas por los datos de alta resolución. Se desarrolló un módulo de beaching (varamiento de partículas) basado en la distancia y utilizando datos de línea de costa de alta resolución, que permitió resolver con éxito estructuras complejas a lo largo del litoral y proporcionar continuidad entre las distintas resoluciones hidrodinámicas. Los procesos costeros, como las corrientes inducidas por el oleaje, permanecieron a escala submalla, generando incertidumbres que se abordaron mediante el desarrollo de un marco probabilístico de beaching. Este marco incluyó una escala temporal de beaching de 26,35 horas y una condición adicional que requería una distancia mínima de trayectoria de las partículas de 1 km. El análisis de los resultados de las simulaciones, junto con datos observacionales de caudal fluvial, reveló una asociación ligeramente positiva entre el beaching de partículas y la altura significante de ola. También se identificó una relación compleja entre la orientación de la línea de costa y la dirección del oleaje. La proximidad a la fuente y la complejidad geométrica costera resultaron igualmente factores muy influyentes en el beaching de partículas. Se desarrolló un parámetro de probabilidad de beaching para cuantificar la propensidad de una zona a recibir partículas desde una fuente, observándose valor