老化微塑料在河流汇合区的输运：沉降行为与影响因素

《Environmental Pollution》：Transport of Aged Microplastics in River Confluence Zones: Settling Behavior and Influencing Factors

　　

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  PET颗粒的输运表现出强烈的流态依赖性行为。
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  Fenton老化降低了近壁湍流区PET颗粒的纵向流速
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  汇流比是控制微塑料颗粒纵向流速的主导因素。

引言

塑料因其轻质、机械稳定性和成本效益而在纺织和包装等行业中广泛应用（Tourinho等，2019）。其聚合物结构抵抗环境降解，导致塑料废弃物在水生系统中持续积累。通过风化和碎裂，塑料碎片分解为微塑料（MPs），这是主要的降解产物（Thompson等，2004）。微塑料可吸附重金属和有机污染物，作为污染物迁移的载体（Long等，2017）。微塑料类似食物颗粒，容易被水生生物摄取，可能通过食物链破坏生态系统结构和功能。因此，微塑料污染已成为环境科学研究的重要焦点。

微塑料的广泛危害源于其环境迁移，而连接陆地与海洋的河流是主要的输运载体。全球河流每年向海洋输送估计有115万至241万吨微塑料（Lebreton等，2017）。在长江（Yuan等，2022）、黄河（Liu等，2023）、海河（Liu等，2021）、珠江（Lin等，2018）和渭河（Bian等，2022）流域报告了显著的微塑料浓度。人口密集和城市化程度高的地区通常表现出更高的微塑料污染。此外，水力作用促进微塑料碎裂和长距离迁移。值得注意的是，洪水事件可导致下游微塑料通量显著激增（Hurley等，2018），导致流域尺度的污染扩散。

河流汇流区在自然河流中普遍存在。汇流区作为微塑料积累和转化的关键枢纽，具有复杂的水动力学特征。监测数据显示，汇流区的微塑料丰度高于非汇流区（Zhang等，2025；Ballent等，2016）。特别是在汇流区，复杂的水动力学改变了微塑料的输运路径并重新悬浮已沉积的微塑料，显著增加了上覆水中的微塑料丰度。因此，支流流入对微塑料在河流系统中的积累过程及其向下游的输运效率具有不可忽视的调控作用。

然而，现有研究大多关注微塑料在孤立河道或开阔海域中的分布和迁移，忽视了复杂水动力学改变粒子沉降速度的关键汇流区——沉降速度是控制沉积和迁移距离的关键参数。

早期研究假设微塑料遵循沉积物输运模式（Horton & Dixon, 2018；Nizzetto等，2016），但这一假设缺乏对微塑料特性的系统性验证。Waldschl?ger & Schüttrumpf（2019）证明传统沉积物公式存在较大偏差，并基于粒子形态和密度提出了改进的经验公式；然而，他们使用未经老化的微塑料限制了环境适用性，这一局限性后来通过自然老化微塑料的测试得到了部分解决（Waldschl?ger等，2020）。这些实验仍在静水中进行，而自然湍流显著改变了粒子受力，使静止沉降速度不再适用。后续水槽研究纳入了湍流（Ijaz等，2024；Wang等，2026），湄公河汇流区的现场观测证实了复杂水动力学在调控塑料输运中的关键作用（Haberstroh等，2021）。然而，没有一项工作系统地阐明了粒子特性与汇流水动力学耦合效应控制的单粒子水平输运机制。

更重要的是，环境老化显著改变了微塑料（MP）的特性，包括粒径、表面形貌和官能团（Liu等，2020；Song等，2017）。经紫外老化后的PET变得明显粗糙并产生明显的裂纹（Bao等，2022）。热氧化老化显著增加了PET的吸附能力（Papac Zja?i?等，2023）。Li等（2024a）证明老化后的PET在60天后沉降速度增加了4.6%，归因于表面粗糙度和密度的增加。这些改变的特性与湍流汇流水动力学相互作用，导致迁移轨迹与原始微塑料不同，这促使本研究关注老化微塑料。

以往研究确定了微塑料输运的关键因素，但仍存在两个空白。首先，老化和湍流对老化微塑料输运的耦合效应知之甚少，阻碍了归趋预测。其次，当前研究关注丰度和组成，忽视了单粒子运动的异质性。具体而言，不同尺寸和密度的微塑料在汇流区轨迹偏转和停留时间的调控机制仍不清楚。因此，本研究采用汇流渠道研究单微塑料输运动力学。通过追踪不同尺寸和密度的单微塑料在不同流量比下的运动，系统阐明了汇流水动力学和粒子特性如何影响微塑料轨迹偏转和滞留。此外，通过比较不同老化时长的微塑料沉降速度，揭示了老化对垂直输运能力的影响。这些发现为河流汇流区微塑料输运预测框架提供了关键数据和理论基础。

章节摘要

实验设置

实验在自循环玻璃汇流水槽中进行（图1a）。主槽和支槽的尺寸分别为12.5 × 1 × 0.8米和3.0 × 0.5 × 0.5米。x、y、z轴分别对应纵向、横向和垂直方向。详细的微塑料释放程序见2.4节。在尾闸处安装了0.5毫米网眼以捕获下游微塑料。平衡状态下的水力学条件总结于表1。

微塑料颗粒

以往研究已确定六种

速度场

使用声学多普勒流速仪（ADV）在汇流区测量三维速度场。ADV采样频率设为200 Hz，采样持续时间为60秒，产生12,000个数据点。原始速度数据首先在MATLAB中进行预处理：信噪比（SNR）低于25且相关系数小于0.80的数据点被丢弃以消除低质量信号（Yu等，2022）。然后使用Excel VBA宏计算时间平均

讨论

所有粒子轨迹均从二维图像序列在纵向-垂直（x–z）平面中重建。尽管汇流流本质上是三维的，但主导的迁移-沉积机制，即纵向拖曳力与垂直重力/浮力之间的平衡，在该框架中得到了完全解析。横向变异性通过跨河宽离散释放位置捕捉。因此，二维框架足以解析比较

结论

本研究调查了典型PET、PA和PVC微塑料在河流汇流区的水动力学输运，系统考察了粒子类型、尺寸和Fenton诱导的老化如何调控其运动，揭示了多因素耦合机制。

• (1)
  PET粒子输运表现出强烈的流态依赖性，特征为高流态下水平迁移增强和低流态下优先沉积。PET的平均纵向流速

CRediT作者贡献声明

Lei Su：写作 – 审阅与编辑。Xingying Bie：写作 – 原稿、验证、软件、方法论、调查、正式分析、数据管理、概念化。Feifei Wang：写作 – 审阅与编辑。Jianping Wang：写作 – 审阅与编辑、监督、资源、项目管理。Keyao Han：写作 – 审阅与编辑。Bin Sun：写作 – 审阅与编辑。zhiwei li：写作 – 审阅与编辑、可视化、监督、软件、资源、项目管理，

未引用参考文献

Elagami等，2022；Li等，2024；van Emmerik等，2023。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的竞争经济利益或个人关系可能影响本论文报告的工作。

致谢

本工作由河南省自然科学基金（252300421946）、水利部黄河下游河道与河口调控重点实验室开放研究基金（LYRCER202202）、中国铁建投资集团科研项目（DJ-ZSLJ-2023-01）、国家自然科学基金（黄河水科学研究联合基金）（U2443208）和国家自然科学基金（12672539，52479052）资助。

Xingying Bie|Lei Su|Zhiwei Li|Bin Sun|Keyao Han|Jianping Wang|Feifei Wang