在具有复杂地形的河床中，微塑料颗粒的滞留热点位于哪些位置？

《Journal of Hydrology》：Where are the retention hotspots of microplastic particles in the riverbed with complex topography

　　

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  一个3D耦合模型可以映射复杂河床地形中的微塑料（MP）滞留情况。
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  MP的进入过程反映了终端速度与潜流通量之间的竞争。
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  河床上的鞍状结构和凸起部分会导致不均匀的纵向滞留带。
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  核心位置的设置可能会导致MP库存估算结果相差高达3.6倍。

引言

微塑料（MP）污染已成为一个普遍的全球环境危机。这些持久的污染物现在在陆地、水域和大气中普遍存在（Thompson等人，2024年；Wang等人，2021年）。虽然早期的研究主要集中在海洋系统中（Thompson等人，2004年），但现在人们认识到河流不仅是将陆地废物输送到海洋的通道，还是重要的储存库（Weiss等人，2021年）。最近的全流域研究表明，大量塑料物质被滞留在河流走廊中，其中河床沉积物是主要的汇积场所（Hurley等人，2018年；Mennekes和Nowack，2023年）。在包括长江（Yuan等人，2022年）和砾石河床的Ain河（Andre-Marie等人，2023年；Wazne等人，2025年）在内的不同水文环境中的实地观察表明，沉积物中的MP浓度可以比上覆水柱中的浓度高出几个数量级。这些发现突显了迫切需要解决控制MP在沉积物-水界面（SWI）处的传输和滞留机制，以便评估淡水系统中的长期生态风险和塑料污染物的最终命运（Arnon，2025年；Viaroli等人，2022年）。

河床中MP的积累受到颗粒特性的固有复杂性和它们运动行为的复杂影响（Li等人，2024b）。与天然矿物沉积物不同，MP具有多样的密度、高度不规则的形态（例如纤维状、碎片状、球形）以及广泛的尺寸范围（Waldschl?ger和Schüttrumpf，2019a，2019b，2020年）。这些不同的特性导致了不同的传输动态：高密度聚合物（例如PVC、PET）主要受重力沉降的影响（Lenaker等人，2019年），而低密度颗粒（例如PE、PP）在天然淡水中具有固有的浮力（Constant等人，2023年；Frei等人，2019年）。最近的孔隙尺度可视化研究表明，MP的形态在多孔介质中的移动性中起着决定性作用（Dong等人，2022年；Qiao等人，2024年；Wang等人，2025年）。例如，纤维状的MP倾向于形成缠结，并在孔隙空间中表现出独特的移动方式，如滑动、滚动和跳跃（Dong等人，2024年；Dong等人，2022年）。这种多变量依赖性给预测MP在SWI处的进入阈值带来了重大挑战，因为垂直迁移代表了内在终端速度与局部水动力之间的持续竞争（Yang和Foroutan，2023年）。

此外，MP在SWI处的传输主要通过潜流交换实现，而这种交换受到表面水流与河床地形相互作用的深刻影响（Dichgans等人，2023年；Drummond等人，2020年；Yuan等人，2025年）。在天然河流中，如波纹和沙丘等地形特征会创造出非静水压力梯度，从而驱动地下水的对流（Boano等人，2014年；Cardenas和Wilson，2007b；Kiel和Bayani Cardenas，2014年）。尽管早期研究主要关注理想化的二维（2D）河床形态，但天然河床实际上具有复杂的三维（3D）结构和分形特性，这些特性显著改变了界面过程（Chen等人，2018年；Lee等人，2020年）。这些3D地形特征引导水流方向并形成侧向路径，导致比使用2D简化模型预测的更高界面通量、更大的潜流交换深度和更短的停留时间（Behzadi等人，2021年；Chen等人，2015年）。此外，其他水动力因素，如近床湍流、冲刷喷射事件和自由表面的变形，可以进一步增加物质进入河床的输送量（Lee等人，2021年；Saavedra Cifuentes等人，2023年）。尽管有了这些水动力方面的认识，但地形的空间异质性如何决定MP的精细尺度分选仍然不清楚，特别是当下沉通量能够有效地捕获原本会悬浮在水柱中的颗粒时（Drummond等人，2020年；Yang和Foroutan，2023年）。

一旦MP颗粒浸入河床沉积物中，它们的积累就由过滤、挤压或物理化学附着等传输和滞留过程决定（Jin等人，2019年；Karwan和Saiers，2012年）。现有的流域尺度模型主要采用一维（1D）假设，并通过参数化的交换和滞留率来估算潜流区的颗粒数量（Drummond等人，2022年；Mennekes和Nowack，2023年；Norling等人，2024年）。最近的槽实验表明，MP可以通过2D河床形态诱导的潜流交换传输，甚至可以渗透到河床振幅两倍的深度（Boos等人，2024年；Boos等人，2021年；Schneidewind等人，2025年）。然而，这些简化的建模和实验方法忽略了河床中高强度滞留热点的形成，这可能导致底栖生物局部暴露于高浓度MP中，并严重偏 estimation of total MP inventories （He等人，2021年；Loui等人，2026年；Xu等人，2025年）。如果不解决这些积累动态，目前量化MP污染遗传效应及其对底栖生态系统风险的方法仍然有限（Drummond等人，2022年；Frei等人，2019年；Yang和Tang，2025年）。

为了解决这些问题，本研究开发了一个耦合的3D地表水-地下水（SW-GW）模型，以研究具有复杂地形的河床中MP的传输和滞留情况。通过整合湍流表面流与地下流和颗粒传输，本研究旨在：（1）通过分析沉降速度或上升速度与界面通量之间的相互作用，评估各种类型MP在SWI处的进入可行性；（2）阐明MP积累的时空演变，以表征高强度滞留热点的形成。该研究能够明确识别MP滞留热点，为评估河床的汇积功能以及预测自然河流系统中MP污染的长期命运提供机制基础。

章节片段

方法论

为了阐明MP在形态复杂的河床中的传输机制并识别滞留热点，建立了一个耦合的SW-GW建模框架。该框架整合了几何河床形态生成模型、用于地表水动力学的计算流体动力学（CFD）模型以及用于MP迁移和滞留的多孔介质传输模型。

水动力特性和模型验证

精确地表-地下连续体中的水动力特性至关重要，因为它是一个基本的驱动因素，决定了MP颗粒的传输和滞留。具体来说，潜流交换流（HEF）是主要的对流驱动力，它与颗粒的沉降或上升速度相结合，调节MP在SWI的渗透能力并配置它们在沉积物矩阵中的传输路径（Boano等人，2014年；Cardenas，

总结与结论

本研究提供了对具有3D复杂地形的河床中MP传输和滞留的全面机制评估。我们的发现表明，SWI作为一个选择性的水动力过滤器，颗粒的进入取决于其内在终端速度与局部垂直通量之间的相对大小。对于处于竞争活跃尺寸范围（1-50微米）的颗粒，地形诱导的下沉作用可以有效地将有浮力的MP捕获到沉积物中

CRediT作者贡献声明

袁海宇：撰写——原始草稿，验证，方法论，资金获取，正式分析，概念化。金光秋：撰写——原始草稿，监督，资源获取，正式分析。张凯文：资源，方法论，正式分析。平雪：验证，监督，方法论。马然：验证，方法论，正式分析。王桂桥：资源，正式分析，数据管理。齐向飞：资源，方法论。赵汉清：资源，

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本研究得到了中国自然科学基金（项目编号：52579063）、国家重点研发计划（项目编号：2022YFC3202602）、江苏省研究生研究与实践创新计划（项目编号：KYCX24_0867）以及江苏省水利科学技术项目（项目编号：2022057）的支持。

Haiyu Yuan|Guangqiu Jin|Kaiwen Zhang|Xue Ping|Ran Ma|Guiqiao Wang|Xiangfei Qi|Hanqing Zhao