污染物共变作为泰国城市运河-河流系统水文连通性的一种潜在指示因素

《Science of The Total Environment》：Contaminant covariation as a potential indicator of hydrological connectivity in an urban canal–river system, Thailand

　　**摘要**
城市运河经常将未经处理的废水排放到接收河流中，但在缺乏流量数据的情况下，追踪这种污染仍然是监管机构面临的主要障碍。为了测试污染物混合物结构是否可以作为水文示踪剂，我们在泰国北部的Mae Kha运河–Ping河流系统中选取了九个站点，进行了十二次每月一次的综合性监测。运河站点显示出强烈的、共变的废水特征——主要由 Ace-Sulfame、咖啡因和Gemfibrozil 组成——而这些成分在上游河流中完全不存在。这种运河信号在下游逐渐减弱，但仍有几种仅存在于废水中的化合物在河流中被检测到，这证实了尽管有显著的河道衰减，城市污染仍然持续存在。值得注意的是，Atrazine 的分布模式则有所不同，表明外部农业输入会改变——但不会消除——运河带来的特征。我们的发现引入了一个实用的、不受流量影响的分析框架：通过分析持久性和易变性示踪剂的共变性，可以区分城市水力连通性和简单稀释效应，即使在没有测量数据的流域中也是如此。这种方法为监管机构提供了一种低成本的诊断工具，以确定优先安装运河拦截器，并验证在常规监测基础设施不足的情况下的河流质量模型。

**引言**
城市运河积累、转化并排放工业化学品、药品、个人护理产品、营养物质、病原体和微塑料的混合物，从而在下游造成持久的社会生态和管理挑战（Xu等人，2011；Tran等人，2014；Dsikowitzky等人，2017；Wang等人，2019；Li等人，2023；Tong和Thao，2024；Bhagat等人，2024；Nguyen等人，2025；Vu等人，2025）。这一现象在快速发展的南方国家尤为重要，因为这些国家的废水基础设施往往不完善（Biswas和Vellanki，2021；Dang等人，2022；Lee等人，2024a；Sumida等人，2024）。在东南亚地区，运河同时具有防洪通道、运输网络和非正式废水排放渠道的功能，但它们对接收水体中污染物的影响尚未得到充分认识（Yang等人，2018；Abed和Alrawi，2022；Huang等人，2024；Ziegler等人，2025）。污染物混合物进入用于渔业、灌溉和娱乐的河流，通过皮肤接触、气溶胶化以及受污染的食物链为运河沿岸社区带来暴露风险（Gomes等人，2019；Faccin等人，2026）。同样的整合特性也支持基于废水的流行病学研究，该方法利用污水中的化学信号来监测社区健康、药物使用和非法药物消费情况（Daughton，2001；Choi等人，2018）。因此，运河构成了城市暴露组的重要组成部分，因为它们携带的混合物及其与下游水域的连通性决定了城市人口和生态系统所经历的化学环境（Wild，2005；Boelee等人，2019）。在欧洲、北美和澳大利亚，复杂污染物混合物通过城市水道的传输早已被认识到（Kolpin等人，2002；Ellis，2006；White等人，2019；Wilkinson等人，2022；Samanandra等人，2023），类似的状况也在包括巴基斯坦、斯里兰卡、越南和泰国在内的发展中国家得到记录（Ashfaq等人，2019；Gomes等人，2019；Tran等人，2019；Le等人，2024；Chuiprasert等人，2025）。在泰国，城市运河可以起到扩展的废物稳定池的作用，其中持续的污水流入导致病原体负荷升高且自然衰减有限（Anceno等人，2007；Diallo等人，2009）。其他已记录的压力包括曼谷Saen Saeb运河中高微塑料负荷与城市密度和家庭废物有关（Eamrat等人，2022；Eamrat等人，2023），来自城郊发展的营养物质通量增加（Honda等人，2010），以及较小城市运河中废水处理不足（Wongaree，2019）。新兴关注的污染物——包括药品、生活方式标志物和农业化学品——尽管在泰国地表水中的检出率不断增加，但对其了解仍然有限（Tewari等人，2013；Mrozik等人，2019；Kingsley和Witthayawirasak，2020）。早期对清迈Mae Kha运河中的药品、杀虫剂和工业化学品的分析显示，城市核心区域下游的Ping河中污染物浓度升高（Lee等人，2024a；Ziegler等人，2025）。报告称，Ace-Sulfame、Gemfibrozil、Fexofenadine、Tris(2-butoxyethyl) phosphate（TBEP）和咖啡因等化合物在下游浓度增加，这种模式表明污染物是从运河转移到河流中，而不是被动接收背景污染。这些发现表明Mae Kha运河是连接城市废水与下游河流污染的重要途径。本研究将混合物作为分析单位，测试其共变结构是否包含有关水文连通性的信息。由于该系统没有同时的排放记录，它还测试了在没有直接水文测量的情况下，混合物化学成分是否可以提供连通性证据。

**城市运河系统中的污染物混合物**
城市运河系统中的污染物混合物可能受到运河与河流连通性的影响，这种连通性控制着化学信号在网络中的传输、稀释、滞留和混合（Leibowitz等人，2018；Paton和Haacke，2021）。一些化合物——特别是人工甜味剂如Ace-Sulfame和Sucralose——已被提出作为各种系统中的污染示踪剂（例如，Buerge等人，2003；Buerge等人，2009；Oppenheimer等人，2011；Van Stempvoort等人，2011）。最近的研究也开始使用化合物组合作为城市流域的来源指示器（例如，Behrens等人，2025）。然而，系统地研究完整的污染物混合物如何反映连通性仍然有限。特别是，很少关注具有共同来源、传输路径或环境持久性的化合物在通过连接段时是否表现出协调变化。此外，这些相关结构在连接弱或断开的水生网络段中的变化也不清楚（Elliott等人，2018；Marshall和McCluney，2021；Pronk等人，2024）。混合物结构也可能反映了潜在的水文系统（Kaushal等人，2018；Kaushal等人，2020）。如果是这样，共现和共变性可能提供与连通性一致并补充直接水文测量的化学证据。我们研究了地点之间的关联以及化合物之间的共现情况，这两个特征对于理解污染物混合物至关重要（Gomes等人，2019；Mrozik等人，2019）。这些关联结构可能反映了共同的来源、共用模式和共同命运过程（Meng等人，2026）。相关性分析可以识别出与共同排放或共同传输一致的模式。聚类可以区分代表性站点和异常值。排序可以揭示混合物组成的主导趋势。高度共现的化合物也可能支持开发更高效的监测指标集，尽管它们的诊断价值需要验证（Dickenson等人，2011；Schenck等人，2015）。在这里，我们使用 eleven 种目标化合物，在九个运河-河流站点进行了十二次每月一次的采样，分析了Mae Kha–Ping河流系统中的化学共变性和连通性（图1）。我们应用相关性分析、聚类、排序、站点级分析和惩罚回归来评估混合物共变性是否可以提供有关水文连通性的信息，以及同一个月的运河出口化学成分是否包含关于下游浓度的交叉验证信息。

**研究方法**
我们测试了关于Mae Kha–Ping系统中污染物混合物结构如何反映水文连通性的两个假设：(i) 途径分离。与共同输入途径相关的污染物形成连贯的组别，家庭废水化合物与由非家庭或农业来源主导的污染物区分开来。(ii) 运河-河流连通性。化学相似性遵循已知的运河-河流网络，即运河站点具有共同的污染物特征，上游河流在化学上有所不同，下游河流在接受运河输入后保留了减弱的运河相关特征。这个假设在九个站点的网络中进行了评估，P-14、P-10和P-40提供了上游-运河出口-下游的比较。作为次要的探索性分析，我们测试了同一月份三个运河出口处的污染物浓度是否包含关于下游位置的交叉验证信息。如果这些假设得到支持，并且建模作为次要证据，那么基于混合物的指标可以补充基于排放的监测方法，在热带城市运河-河流系统中发挥作用。

**研究区域**
清迈是一个快速城市化进程中的城市，具有作为区域中心的悠久历史（Vanwambeke等人，2007）。作为兰纳王国的首都，清迈现在是旅游、贸易、技术和教育的重要区域中心（图1）。大都会区位于Ping河流域内，住宅区、商业中心、医院、大学和轻工业与绿地及城郊发展共存。

**数据说明**
我们分析了Mae Kha运河–Ping河流系统中九个采样点的十一种污染物，这些污染物涵盖了三个来源类别——家庭废水（生活方式和药品）、非家庭来源和农业来源（表1），基于Ziegler等人（2025）和Lee等人（2024a）的调查框架。现场采样从2022年6月持续到2023年6月，每个站点最多进行了十三次观测。2022年6月并非所有站点的采样都完整完成。

**污染物浓度数据**
我们分析了代表生活方式、药品、农业和非家庭来源的十一种污染物（表1）。在108个站点-月份的观测中，检测频率范围为0.76到0.97，符合用于选择分析组的≥75%出现阈值。Atrazine、Ace-Sulfame和咖啡因的检测频率最高，而TBEP和Valsartan的检测频率最低。

**结论**
本研究通过从网络尺度解释污染物混合物，推进了之前的研究（Ziegler等人，2025）。运河站点形成了一个连续的废水相关化学走廊，上游的Ping河在化学上有所不同，而下游站点保留了减弱的运河特征。这种空间组织表明Mae Kha运河作为一个连接途径，收集城市输入并将部分化学信号传递给下游河流。

**作者贡献声明**
Alan D. Ziegler：撰写——审稿与编辑、原始草稿撰写、资源准备、方法论研究、数据分析、概念化。
Theodora Hui Yian Lee：撰写——审稿与编辑、方法论研究、数据分析、概念化。
Khajornkiat Srinuansom：撰写——审稿与编辑、研究。
Teppitag Boonta：撰写——审稿与编辑、研究。
Jongkol Promya：撰写——审稿与编辑、监督。
Shane Allen Snyder：在撰写过程中声明了使用生成式AI和AI辅助技术的情况。在准备这项工作期间，作者使用Claude和ChatGPT协助代码开发、语言编辑以及提高手稿的组织性和可读性。作者审查、修改并验证了所有AI辅助的输出，并对出版物的内容负全责。

**利益冲突声明**
作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：Khajornkiat Srinuansom报告称获得了Lien Environmental Fellowship Programme的财务支持。其他作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。