《Environmental Pollution》：Integrated modeling to quantify transport and fate of nano-plastics in the hyporheic zone under the influence of hyporheic exchange
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纳米塑料在河床潜流区的迁移规律及其多物理过程模型研究。摘要显示，基于柱穿透实验和DLVO理论建立的耦合模型，成功模拟了地表水、孔隙水及纳米塑料的三场耦合迁移，实验验证表明>90%的NPs在0-8cm表层沉积物中富集，颗粒大小、密度及几何形态显著影响迁移深度和路径。结论指出纤维状NPs比球状更易深入河床，低浓度时河床特性不受影响但高浓度时可能改变孔隙结构。
杨子君|夏军|侯军|吴军|游国祥|苗凌湛
西南交通大学环境科学与工程学院，成都，611756，中国
摘要
由于纳米塑料（NPs）的尺寸小、反应性强且流动性高，它们对环境构成了显著风险，然而它们在潜流带（hyporheic zone）中的迁移行为仍知之甚少。以往的模型主要采用了一维纳米塑料在多孔介质中的渗透过程，忽略了包括潜流交换动力学、颗粒拦截效应以及纳米塑料自沉降行为在内的关键多物理过程。本研究提出了一个综合建模框架，该框架首次将上层水流、孔隙水循环和纳米塑料传输场耦合在一起，同时考虑了潜流交换条件下的平流、扩散、拦截和重力沉降效应。通过水槽实验验证，该模型能够准确反映纳米塑料在潜流带中的传输和分布特征。
通过全面的水槽实验验证，该模型能够准确预测纳米塑料的分布模式，结果显示超过90%的纳米塑料积聚在0-8厘米的沉积层中。沙坡上游面的滞留深度略高于下游面。颗粒大小和密度通过影响捕获-沉降过程和沉积-悬浮过程，改变了纳米塑料在沙坡中的迁移路径。纳米塑料的粒径越大、密度越高，它们进入河床的深度越深，也更容易被捕获。具有不规则几何形状的纳米塑料（如纤维状塑料）沉降速度更快，在沙坡中的迁移距离也更远。此外，正交实验设计揭示了显著的交互效应：纤维状几何形状会放大大颗粒纳米塑料的渗透深度，而不规则几何形状可以增加低密度颗粒的渗透深度。值得注意的是，在初始浓度较低（20毫克/升）的情况下，纳米塑料对河床特性（如孔隙度θ和渗透性K）的影响可以忽略不计。随着纳米塑料初始浓度的增加，它们进入河床可能会改变河床特性。本研究有助于理解纳米塑料在地表水-地下水交换过程中的迁移规律，其结果可以为预测和控制潜流带中纳米塑料的潜在风险提供有用信息。
引言
近年来，塑料污染引起了全球的广泛关注[1]、[2]。当塑料释放到环境中后，会通过风化、机械磨损和生物过程分解成微塑料（MPs；<5微米）和纳米塑料（NPs；<1000纳米）[3]。预计纳米塑料在环境中的浓度将远高于微塑料[3]，并且表现出不同的表面特性和环境行为[4]。它们较小的尺寸、增强的表面反应性和更高的流动性可能带来更大的环境风险[5]。尽管如此，与微塑料相比，纳米塑料受到的研究关注要少得多，尤其是在其环境传输方面。因此，阐明纳米塑料在各种介质中的命运和行为——尤其是在关键的潜流带中——仍然十分重要。
潜流带是地表水与地下水之间的动态界面，它调节河流温度，促进生物地球化学循环，并为底栖生物提供栖息地和食物资源[6]、[7]。它是河流能量和物质交换的关键区域，也是河流系统中溶质和颗粒的主要储存场所[8]、[9]。然而，尽管经常观察到低密度浮性塑料碎片在河床沉积物中积累，但潜流交换作为纳米塑料在这些环境中积累的机制却未得到充分认识。潜流交换——即水、物质和生物在表层水和地下水之间的双向运动——是由近床湍流和河床压力梯度驱动的[9]、[10]。这一过程迫使水和悬浮颗粒（包括纳米塑料）进入和离开沉积物孔隙空间，从而控制着物质的地下滞留、传输和转化[11]、[12]。河道形态和水文动态导致交换流模式和溶质停留时间的显著空间异质性[13]。因此，潜流交换在河流中普遍存在，导致细颗粒（如纳米塑料）在潜流带中积累，其沉降速率非常缓慢。
潜流交换会显著影响纳米塑料本身的沉降过程，以及纳米塑料与沉积物之间的拦截效应（包括吸附-解吸和堵塞效应）[14]。目前大多数模型通常通过圆柱形渗透实验来描述纳米塑料在多孔介质中的一维渗透过程[15]、[16]。它们忽略了实际潜流带中纳米塑料的多方向地下水流交换，也没有考虑各种物理过程（如捕获和自沉降）的影响[17]、[18]。传统方法无法捕捉孔隙水速度场与纳米塑料特性之间的复杂相互作用，因此现有模型难以准确解释实际潜流带中纳米塑料迁移的实验结果。
本研究首先进行了沙柱渗透实验，根据纳米塑料的洗脱曲线推导出其拦截系数和沉降速度。随后，结合传统的胶体传输理论，引入了纳米塑料拦截和沉降项，建立了连接上层水流场、潜流孔隙水流场和纳米塑料迁移场的迁移方程。结合水槽实验，分析了在潜流交换作用下纳米塑料在上层水、孔隙水和沉积物床中的迁移和分布情况。数值模拟与水槽实验相结合，进一步阐明了纳米塑料特性（尺寸、密度、几何形状）对滞留、释放和分布的影响。此外，还研究了河床性质变化对纳米塑料迁移的影响。本研究中的纳米塑料是指尺寸介于50纳米到1000纳米之间、密度介于0.87克/立方厘米到1.51克/立方厘米之间的塑料颗粒，代表了常见的环境纳米塑料，如聚苯乙烯（PS）、聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP）。由于这些颗粒的尺寸较小，它们在水环境中表现出胶体行为，而其密度的变化显著影响了它们的沉降-悬浮动态。本研究有助于理解纳米塑料在地表水-地下水交换中的迁移规律，其结果可以为预测和控制潜流带中纳米塑料的潜在风险提供有用信息。
实验部分
实验室实验在室温下的循环水槽中进行（图1a），类似于Jin等人的实验[19]。关于纳米塑料悬浮和水槽实验的更多细节见补充材料。
数学模型
为了模拟河水流动、孔隙水流动和河床中的溶质传输，采用了单向顺序耦合方法，因为涉及不同的过程[20]、[21]。河水流动是使用FLUENT软件计算的
纳米塑料的传输和DLVO计算
柱状实验研究了进水浓度、沙粒大小和纳米塑料密度对饱和石英砂中PS-NPs传输的影响。图S4展示了不同条件下纳米塑料迁移的突破曲线。不同的进水浓度导致了不同的突破曲线，表明纳米塑料在多孔介质中的迁移性明显不同。这种行为主要源于带负电的PS-NPs与石英砂之间的静电排斥作用结论
通过渗透实验、水槽实验和数值模拟，本研究分析了不同纳米塑料在潜流带中的分布特征、迁移规律和界面通量，并研究了潜流交换对纳米塑料迁移的影响。主要发现如下：
- 1.
根据渗透实验和DLVO理论，随着纳米塑料输入浓度的增加和沙粒大小的减小，纳米塑料与沙子之间的能量障碍
作者贡献声明
侯军：撰写——审稿与编辑。杨子君：撰写——初稿
利益冲突声明
? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了中央高校的基础研究基金（编号：B240201031、B230201058）的支持
