综述：水动力学是微塑料在地表及地表-地下水体交互区迁移的关键驱动力：机理综述与研究重点

《Journal of Hazardous Materials》：Hydrodynamics acts as a key driver of microplastics transport throughout surface and surface-subsurface water interaction zones: A mechanistic review and research priorities

　　

摘要 阐明水动力驱动的微小塑料（MPs）运输过程对于量化全球河流通量及评估相关风险至关重要。然而，目前的知识在很大程度上仍然是观测性的，且在不同水域间是碎片化的。本研究从 MPs 的非均匀分布和水动力驱动过程出发，旨在从地表水到地表 - 地下相互作用带实现机理上的理解，并提出一个开放的概念框架，以更好地连接两个水体间的 MPs 运输。结果表明，MPs 在运输过程中表现得像沉积物和溶质的类似物。借鉴相应的理论，研究了沉降/上升速度、垂直丰度剖面、水面和河床的水动力动员、地表水轨迹以及地表 - 地下交换。主要发现有三点：(1) 源自沉积物和溶质的机理公式并不能完全适用于多样化的 MPs，因为目前的理论检验主要依赖于球形颗粒；(2) 理论发展仍处于起步阶段，且在不同研究重点之间整合较差，例如，发展完善的沉降/上升速度公式并未广泛应用于其他关键行为；(3) 地表水和地下水之间的运输行为连接不足，边界交换构成了特殊挑战。为推进机理理解，基于彻底的文献综述提出了一个开放框架，这可能为河流 MPs 运输建模提供前瞻方向。同时，确定了每种机理公式的研究重点，以促进实际应用并更好地连接两个水体间的 MPs 运输。本研究将范式从基于观测转变为基于过程的理解，为未来的理论和模型开发提供路线图，以准确评估河流网络中 MPs 的命运。

引言 微小塑料（MPs），定义为小于 5 毫米的塑料碎片，于 2004 年首次被正式引入 [1]。在过去二十年中，越来越多的证据表明 MPs 对生态系统健康和人类生计产生负面影响 [2]。尽管有几项全球举措旨在应对这一新兴环境挑战，但预测的塑料生产增长预计将超过减轻污染的努力 [3]。河流被认为是从陆地源到海洋汇的主要运输载体。预计约 80% 的 MPs 将通过河流系统输送 [4]，每年有几百万公吨到达海洋 [4], [5], [6]。地表和地下水之间的水动力驱动 MPs 的运输、沉积、积累和再悬浮 [7], [8]，介入 MPs 通量在陆地、淡水和海洋系统间的连续过程。一个典型现象是 MPs 会滞留在源头 [9]、水力结构周围 [10] 以及河口内部 [11]。

尽管水动力的重要性已得到公认，但它们如何决定 MPs 运输仍知之甚少。迄今为止，MPs 主要被视为沉积物和溶质的类似物。因此，研究借鉴了沉积物运输理论来研究动员 [12], [13] 和水中的运输 [14], [15]，采用拉格朗日和欧拉模型来模拟运输轨迹 [16], [17]。这些理论的应用基于野外和实验观测。然而，河流 MPs 观测受到的关注少于在海洋系统中进行的观测。这种数据稀缺使 MPs 运输的机理理解处于早期阶段（图 1）。借鉴海洋塑料碎片研究的拉格朗日和欧拉轨迹研究 [18], [19]，自 2017 年起被广泛应用于 MPs 运输。除此之外，大多数关于 MPs 的理论调查自 2019 年左右出现。萌芽阶段的机理理解导致河流 MPs 研究仍然不清楚。例如，一份关于海洋环境的详细报告表明，90% 的 MPs 存在于沉积物中 [20]，而 MPs 在河流沉积物中埋藏的程度仍不清楚 [9]。同样，用于追踪 MPs 轨迹的区域数值模型已为海洋发展完善 [21]，而类似的内陆河流系统模型仍在进行中 [22]。

多种水动力控制因素加上 MPs 与自然颗粒之间的显著差异，需要在当前的理论检验中进行不同的假设，这将导致相应机理公式的局限性。然而，现有的综述主要集中在 MPs 的发生、分布和潜在来源上，对水动力对 MPs 运输物理过程的关注较少 [23], [24]。尽管最近的研究汇编了理论背景以告知野外采样策略 [25], [26]，但关于这些机理公式的适用性、局限性、相互关系和模型实施的全面讨论仍然稀缺。

为了预测河流系统中 MPs 的运输和命运，从地表到地下水获取机理见解至关重要，因为它们的水文过程根本不同 [27], [28]。基于这一视角，地表和地下模型通常是分别推进的。在不同理论框架下，MPs 在地表 - 地下水之间如何交换，尚未得到充分解决。Kramer [13] 和 Wickramarachchi 等人 [29] 明确指出，水 - 床界面处的 MPs 交换不同于溶质和天然沉积物，这些行为尚未被纳入任何集成的地表 - 地下交换模型。

鉴于这些持续存在的差距，我们旨在综合理论发展，识别不适用条件，并探索改进地表到地下水 MPs 运输建模的潜在途径。本文结构如下：第 2 节简要总结由水动力驱动的 MPs 非均匀分布。第 3 节地表水运输过程，第 4 节地表与地下水之间的运输过程，回顾和讨论水动力如何驱动 MPs 从地表水到地表 - 地下相互作用带的运输。逻辑是：(a) 综合基本水力参数与 MPs 行为之间的关系，以获得对 MPs 的力平衡分析；(b) 分析当前的机理理解并讨论其局限性。第 5 节提出一个开放的概念框架，以弥合理论与建模之间以及地表与地下域之间的差距。第 6 节呈现总结和未来研究展望。这些将使我们能够通过理论框架深入了解并强调 MPs 运输的知识差距，并更好地建模地表 - 地下连续体的 MPs。

章节摘要 河流网络中的空间异质性 水动力强度在从源头到河口的河流网络中各不相同，并进一步受到连通性制度（例如由水坝、湖泊和湿地引起的碎片化）的调节。这些因素关键地重新分配 MPs，产生空间异质的滞留区。（图 2a）。源头区域的特点是低流量和低流速，促进 MPs 在河流沉积物中的长期滞留 [9]。河口环境也会困住 MPs，特别是在河海交界处

基本参数反映水动力驱动 在 MPs 的垂直运输过程中，MPs 的内在属性（形状、密度和尺寸因子）和流体（密度和粘度）决定 MPs 是沉降还是上升。高密度和大尺寸的 MPs 容易下沉 [38]，而水动力可以改变它们的运输轨迹 [55]。复杂的流动条件对 MPs 的垂直运输产生双重干扰效应。以剪切速度（??*）、弗劳德数（????）、雷诺数（Re??）和流速（??

基本参数反映水动力交换 地表和地下水之间的交换在水量和水质方面发挥着关键作用，这也重组了 MPs [109], [110]。沿着流动路径，MPs 的位置被概念化为三个不同的隔室：地表水、水 - 河床界面和地下区。这些隔室之间复杂的水动力相互作用驱动 MPs 的沉降 - 埋藏 - 再悬浮 [9], [111]。地表水湍流以不同方式塑造 MPs 分布（图 5a）。升高

表征从地表到地下水 MPs 的开放框架 为了实际和可行的建模，与完全集成的双向耦合方法相比，单向耦合策略仍然是可行且成本效益高的替代方案。借鉴第 3 节和第 4 节提出的综合和讨论，因此我们提出一个在单向耦合方案下建模从地表到地下水 MPs 运输的开放框架。(1) 地表水建模 对于地表水模拟，拉格朗日和欧拉方法都是可行的。在

总结和展望 本研究批判性地综合了水动力参数与 MPs 特性之间的关系，以推导控制 MPs 运输的力平衡，并进一步检查了地表水和地表 - 地下相互作用带的机理理解。主要发现和研究重点总结如下。(1) 系统地讨论表征 MPs 运输的关键机理公式及其相关局限性。通过类比沉积物和溶质

未引用参考文献 [131], [132], [133], [134], [135], [136], [137], [138], [139], [140], [141], [142], [143]

CRediT 作者贡献声明 孟雨川：写作 – 回顾与编辑，监督，资金获取，概念化。陈宇：写作 – 回顾与编辑，调查，概念化。赵鹏：写作 – 回顾与编辑，可视化，调查。刘丽：写作 – 回顾与编辑，可视化。唐可明：写作 – 回顾与编辑，监督，调查。黄晓华：写作 – 原稿，可视化，调查，概念化。

利益冲突声明 作者声明他们没有任何已知的竞争性财务利益或个人关系，这可能被认为影响了本论文报告的工作。

致谢 本研究由国家自然科学基金（52379071）资助。我们深切感谢三位匿名审稿人和编辑的建设性建议，这使得手稿得到了极大的改进。

黄晓华 | 孟雨川 | 陈宇 | 赵鹏 | 刘丽 | 唐可明
四川农业大学水利水电学院，中国四川雅安 625014