微塑料在汇流处的传输与滞留机制：重点关注汇流比例的影响

《Journal of Hydrology》：Transport and retention mechanisms of microplastics at confluence: Focus on the effect of confluence ratio

微塑料污染在河流交汇处受水动力与汇流比率影响显著，基于CFD-DEM耦合模型揭示汇流比率（λ）对微塑料轨迹偏转、污染面积及滞留效率的调控机制：λ负相关于最大曲率k，正相关于污染面积S；滞留效率E在冲刷区随λ呈幂律下降，分离区呈二次曲线变化，主导滞留区随λ>0.65向冲刷区转移，0.65<λ<1.61以冲刷区为主，λ>1.61转为分离区主导。研究为交汇处微塑料污染防控提供理论依据。

　　

李小龙|沈宇涵|蔡焕杰|李德宏

西北农林科技大学水资源与建筑工程学院，中国杨凌712100

摘要

微塑料污染已成为对人类健康的主要威胁。由于复杂的三维水动力学和排放变化的影响，河流交汇处容易成为微塑料的积聚和污染热点。本研究的目的是阐明交汇比例如何影响河流交汇处的微塑料传输和滞留机制。采用CFD–DEM方法开发了一个用于交汇区域的三维水动力学-微塑料耦合传输模型。研究了不同交汇比例对微塑料轨迹偏转、污染面积和滞留效率的影响。结果表明，交汇比例λ显著影响微塑料的传输和滞留：在传输方面，λ与无量纲最大曲率k呈负幂律相关；在滞留效率方面，无量纲滞留效率E在冲刷区和恢复区随λ的增加而呈负幂律下降，在分离区则呈现先下降后上升的二次方趋势。此外，不同的交汇比例对应不同的主要滞留区：当λ<0.65时，滞留主要由下游恢复区的稳定流场控制；当0.65<λ<1.61时，冲刷区成为主要积聚区；当λ>1.61时，由于强烈的循环流动和低速流场，滞留主要由分离区控制。本研究为河流交汇处的微塑料污染治理提供了科学依据。

引言

微塑料（MPs）被定义为直径小于5毫米的塑料颗粒（Thompson等人，2004年），在过去二十年里受到了广泛关注。微塑料广泛存在于各种环境介质中，包括土壤（Boots等人，2019年；Wang等人，2023a年）、地下水（Chia等人，2021年；Xu等人，2022年）、河流（Fan等人，2022年；Xia等人，2025年）、湖泊（Yang等人，2022年；Li等人，2025年）、湿地（Xia等人，2022年；Zhang等人，2025年）以及海洋生态系统（Liu等人，2019年；Kumar等人，2021年；Kaandorp等人，2023年），并已成为一种不可忽视的新型污染物（Morin-Crini等人，2022年）。由于其微小尺寸、广泛分布和持久性，微塑料容易被各种水生生物摄入（Sharma和Chatterjee，2017年）。例如，淡水动物倾向于摄入白色、黄色和蓝色的微塑料颗粒（Bhutto和You，2022年）；纤维状微塑料（类似蠕虫和卵）经常被鱼类无意中摄入（Peters等人，2017年）。最终，它们通过食物网传播，对人类健康构成威胁。现有研究表明，摄入含有塑料颗粒的食物可能引发健康风险，包括胃肠道疾病、肺部疾病和心血管系统疾病（Osman等人，2023年）。微塑料污染日益成为对人类健康的重要威胁。

河流被认为是陆地塑料垃圾的主要传输载体（Dusaucy等人，2021年），与人类的接触比海洋更直接和频繁（Jiang等人，2019年）。河流交汇处分布广泛，是河流网络的重要组成部分。两条河流的交汇会导致水动力学的突然变化（Hui等人，2019年），产生复杂的三维流结构，如强剪切、分离区涡流和次级流（Shen等人，2019年；Shen等人，2022年；Shen等人，2023a年；Yuan等人，2024年）。这不仅改变了交汇处微塑料的空间分布特征，还影响了它们的迁移路径和滞留模式。Laermanns等人（2021年）表明，支流可能是微塑料进入较大河流的重要来源。同样，Addrita等人（2024年）通过原型观测发现，交汇处的微塑料浓度高于上游区域，这可能增加水生生物摄入微塑料的可能性。因此，深入分析交汇处流结构对微塑料迁移的影响机制对于生态系统和人类健康至关重要。

作为代表支流与主流交汇比例的关键参数，交汇比例在交汇处的流结构和动量交换中起着决定性的调节作用（Chen等人，2017年）。Best（1987年）在交汇处定义了六个区域：流偏转区、流分离区、流停滞区、最大流速区、流恢复区和明显剪切层，并在此基础上进一步研究了交汇比例对分离区的影响。结果表明，随着交汇比例的增加，分离区的长度和宽度增加，而形状指数基本保持不变（Best和Reid，1984年）。Yuan等人（2017年）观察到，在交汇比例较小时，剪切层和最大流速区之间存在低速区域，但随着交汇比例的增加，这一区域消失。Shen等人（2023b）进一步发现，交汇比例还影响交汇处的回水区。此外，交汇比例对交汇处污染物的迁移、扩散和分布也有显著影响。Zhang等人（2013年）在研究黄河上游支流时发现，强降雨会增加支流流量，提高交汇比例，从而增强支流对主流的阻挡作用，增加交汇处沙洲沉积的风险。更重要的是，当交汇比例较高时，溶解污染物的侧向扩散面积显著扩大，扩散效率和混合率也随之增加（Liu等人，2023年；Wang等人，2023b年）。总体而言，这些结果表明，交汇比例作为调节交汇处水动力特性的关键参数，在污染物的迁移路径和空间分布模式中也起着重要作用。

关于交汇比例对交汇处流结构及溶解污染物传输模式影响的研究相对较多。然而，当研究对象从溶解污染物转向具有不同物理性质（如形状、密度、大小）的固体颗粒污染物（如微塑料）时，其传输机制不再仅受流特性的支配，而是受到多种物理过程的耦合和复杂影响。作为新型颗粒污染物，学术界对微塑料的研究主要集中在来源识别、迁移过程、沉降机制和生态毒性方面（Kaiser等人，2019年；Jiang等人，2025年；Rajan等人，2025年；Shao等人，2025年）。现有研究表明，微塑料污染的主要来源包括工业活动（Broˇzov?a等人，2023年；Kabir等人，2023年）、农业生产（Qi等人，2020年；Li等人，2022年）、城市污水（Ziajahromi等人，2021年；Zhang等人，2022年）、地表径流以及大气沉降和传输（Allen等人，2019年；Sun等人，2022a年；Imbulana等人，2024年；Liu等人，2024年）。微塑料的迁移和沉降过程是其内在物理化学性质（如密度、颗粒大小）和外部环境条件（包括水动力条件、沉积物类型和水力工程干预）共同作用的结果（Cao等人，2024年；Chen等人，2025年）。值得注意的是，吸附在微塑料表面的化学污染物可以通过协同效应显著增强毒性。例如，Soltanighias等人（2024年）的研究证实，同时暴露于微塑料和PFAS会降低水蚤的繁殖成功率59%，并引发一系列连锁效应，如胚胎发育失败、性成熟延迟和体生长抑制。然而，在现有文献中，微塑料在交汇处的迁移和扩散及其与交汇比例的机制关系尚未得到充分阐明。

基于此背景，本研究聚焦于一个非等宽矩形明渠交汇处（交汇角为45°），开发了一个计算流体动力学-离散元方法耦合的微塑料传输数值模型，并通过物理实验验证了模拟结果。本研究旨在阐明交汇比例对微塑料轨迹和滞留机制的影响，而不仅仅是关注静态水条件下的微塑料丰度和沉降。本工作的创新之处在于：（i）分析了微塑料的水平偏转机制以及交汇比例调节下污染扩散面积的变化，揭示了次级流在驱动微塑料偏转轨迹中的作用，并建立了微塑料偏转行为与交汇比例之间的定量关系；（ii）研究了不同交汇比例下交汇处各流场区域内微塑料滞留行为的差异。这些发现有助于推进交汇处微塑料传输的理论，并为河流生态管理和交汇处污染控制策略提供科学依据。

实验装置设计

水槽实验装置的设计

为了验证CFD–DEM耦合模型在交汇处的适用性，在一个非等宽矩形明渠交汇水槽中进行了水动力学和微塑料传输模式的实验验证。交汇水槽的设置如图1(a)所示。整个水槽系统由主流水槽、支流水槽和下游水槽组成。水槽的侧壁由有机玻璃制成，并用方形钢框架和螺丝固定。

水动力学验证

实验速度数据通过ADV软件Vectrino Profiler和MATLAB R2023a在Java环境中联合提取和校正，而数值模拟的速度数据则在Tecplot中提取。使用四个测量点沿垂直线的平均速度作为指标，绘制了不同测量线上九个横截面的平均速度变化情况。比较了模拟速度和测量速度之间的差异。

结论

本研究采用经过实验验证的CFD–DEM耦合数值模型，研究了在不同交汇比例下45°河流交汇处微塑料的迁移轨迹、偏转机制和滞留行为。它为阐明复杂水动力学对交汇区微塑料环境行为的调节机制提供了理论基础。主要研究结果如下：

(1)

微塑料的垂直沉降和偏转响应

未引用参考文献

Hui等人，2022年；Kaiser等人，2019年；Xia等人，2022a年；Xia等人，2022b年。

CRediT作者贡献声明

李小龙：撰写——初稿、验证、方法论、数据管理。沈宇涵：撰写——审稿与编辑、监督、方法论、资金获取、数据管理、概念构思。蔡焕杰：撰写——审稿与编辑、数据管理。李德宏：撰写——审稿与编辑、验证、方法论。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（项目编号：52109101）、中国博士后科学基金（项目编号：2023T160532）以及四川大学水力与山区河流工程国家重点实验室开放基金（项目编号：SKHL2416）的支持。