《Journal of Hazardous Materials》：Seasonal multiphase partitioning and driving mechanisms of eutrophicants and toxic contaminants in effluent-receiving rivers: Integrating field monitoring and hydrodynamic modeling
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摘要在水资源紧张的地区，城市河流越来越依赖污水作为人工基流。然而，污水输入对富营养化物质和有毒污染物在溶解态、悬浮颗粒态和沉积物态之间的季节性多相分配影响仍不甚明了。本研究在两条典型的受污水影响的城市河流中开展了全年实地监测，并结合MIKE21水动力模型，以揭示其分配行为及驱动机
摘要
在水资源紧张的地区，城市河流越来越依赖污水作为人工基流。然而，污水输入对富营养化物质和有毒污染物在溶解态、悬浮颗粒态和沉积物态之间的季节性多相分配影响仍不甚明了。本研究在两条典型的受污水影响的城市河流中开展了全年实地监测，并结合MIKE21水动力模型，以揭示其分配行为及驱动机制。研究结果表明，在出水口下游0–1公里范围内，污水排放显著提高了溶解态和悬浮颗粒态中营养物质和抗生素的比例，但对多环芳烃和重金属的影响则可忽略不计。从机制上看，靠近出水口处，水动力扩散是主导因素（占比34.2-69.6%），而在更下游的区域，吸附和降解则成为主要作用机制（占比13.2-47.2%）。值得注意的是，我们提出了一个新的指标——生态缓冲距离（Leq）来描述相平衡的恢复情况，冬季这一距离为1–3公里，远长于其他季节。统计分析表明，污水中的溶解氧和有机物质分子量与富营养化物质和抗生素在溶解态中的分配有关，而电导率则与它们在悬浮颗粒态和沉积物态中的分配相关。情景模拟进一步显示，与其他相相比，溶解态的分配对污水排放波动更为敏感，尤其是在冬季。本研究为了解受污水影响河流中多种污染物之间的多相动态提供了机制性见解，有助于在全球水资源短缺背景下为城市水生生态系统提供科学的管理依据。
引言
在城市河流生态系统中，尤其是在水资源紧张的地区，处理过的污水日益成为维持河流的水文、景观和生态功能的重要来源。在这些地区，由污水构成的生态基流可占河流总流量的23–100%[1]、[2]、[3]。尽管先进的污水处理技术已得到广泛应用，但污水中仍然含有环境浓度较高的富营养化物质和有毒污染物[4]、[5]、[6]，这引发了全球对于受污水影响的水生环境长期可持续性和生态完整性的担忧[7]、[8]。
明确这些污染物在接收河流中的转化和衰减路径，对于评估相关的生态风险至关重要[8]、[9]。当这些污染物进入河流系统后，会在溶解态、悬浮颗粒态和沉积物态之间发生复杂的多相迁移和转化，这一过程受水动力条件以及物理化学-生物地球化学过程的共同调控[10]。先前的研究已经证实，污水排放会提高下游河流中污染物的浓度[11]、[12]、[13]。然而，大多数现有研究仅关注单一相中的浓度衰减，或将多相分配视为一种静态结果，而非一个随季节变化的动态过程。因此，溶解态、悬浮颗粒态和沉积物态之间多相分配的机制控制因素仍不十分清楚。尤其是，污水干扰下的多相分配达到准稳态所需的下游距离——即生态缓冲距离（Leq）——至今尚未得到系统性的量化。
仅依靠传统的实地监测无法完全厘清这些复杂的机制，因为它无法定量分析水动力扩散、吸附和降解等因素对多相分配动态的相对贡献[14]。为弥补这一知识空白，将系统的实地监测与基于过程的水动力建模（如MIKE 21）相结合，可提供一种有力的方法论框架[14]、[15]、[16]。这种耦合方法不仅能再现富营养化物质和有毒污染物在空间和时间上的浓度变化规律，还能识别出主要的控制机制，并预测在不同管理情景下的分配变化情况。尽管具有这些优势，但将实地监测与水动力建模相结合，系统量化受水动力驱动的季节性多相分配过程和机制的研究仍然极为有限。
本研究选取了两条接纳不同强度污水排放的城市河流作为研究对象，构建了结合实地监测与MIKE 21水动力模型的综合分析框架，用于研究富营养化物质和有毒污染物在溶解态、悬浮颗粒态和沉积物态之间的季节性分配行为，并量化多相分配达到准稳态所需的生态缓冲距离Leq。具体研究目标包括：1）描述并比较富营养化物质和有毒污染物在三种状态下的分配模式；2）解析影响受污水影响河流中多相分配的季节性机制；3）确定驱动这些多相分配动态的关键环境因素；4）预测在不同污水管理情景下的分配变化情况。本研究的结果可为制定针对性的季节性污水排放标准、提升全球范围内受污水影响河流生态系统的生态韧性提供科学依据。
章节节选
研究区域
本研究选取了中国两座具有不同处理能力的典型污水处理厂作为研究对象（见图1）。WWTP1位于湖北省（东经114°56′43″，北纬30°25′36″），处理能力为100,000立方米/天，采用生物接触氧化法处理污水，其出水被排入长河。WWTP2位于江苏省（东经120°42′39″，北纬31°29′32″），采用厌氧-缺氧-好氧法处理污水，处理能力为25,000立方米/天，其出水则被排入
污水理化性质的季节性差异
图2和补充资料中的图S2总结了四个季节中污水的理化性质变化情况。虽然pH值全年相对稳定，但重量浓度、电导率、溶解氧以及F1:F2比值都存在明显的季节性变化（见补充资料中的图S2）。S275-295值在冬季达到峰值，说明寒冷季节时污水中低分子量的有机质占比更高[27]。这种现象可能是由于低温抑制了微生物活性，从而限制了有机质的分解
结论
本研究通过结合季节性实地监测与MIKE 21水动力模型，探讨了受污水影响的城市河流中富营养化物质和有毒物质的多相分配模式及其背后的机制。研究结果表明，污水排放打破了富营养化物质和抗生素的多相平衡，而对多环芳烃和重金属的分配影响则相对较小。所提出的生态缓冲距离Leq为实际应用提供了参考依据
利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益冲突或个人关系。
致谢
本研究得到了中国国家重点研发计划（2023YFC3208900、2023YFC3208902）、国家自然科学基金（52525904、52479079、52300224）、青海省昆仑英才计划（QHKLYC-2024-374）以及江西省自然科学基金（20252BAC230006）的支持。
研究意义
本研究通过量化季节性多相分配过程，并分离出水动力、吸附等作用机制，进一步加深了对受污水影响河流中污染物命运的认识
段崇森|刘飞|李浩文|曹月奇|游继康|郭梦静|孔明|徐华成
中国科学院南京地理与湖泊研究所湖泊与流域水安全重点实验室，中国南京211135
