【技术交流】上海大学魏亚强、李辉团队ES&T封面：微塑料在土壤和地下水中的迁移模型——对粒子弥散和颗粒特性影响的新见解

第一作者：魏亚强

通讯作者：魏亚强、李辉

通讯单位：上海大学环境与化学工程学院

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成果简介

近日，上海大学环境与化学工程学院魏亚强副研究员和李辉研究员团队在环境领域著名学术期刊EnvironmentalScience&Technology上发表了题为“ModelingofMicroplasticsMigrationinSoilandGroundwater:InsightsintoDispersionandParticlePropertyEffects”的封面论文。文中构建出一种改进的针对土壤-地下水交互作用影响下的微塑料粒子迁移模型技术——弥散-曳力耦合模型，用于预测非均质土壤-地下水环境中微塑料的迁移。弥散-曳力耦合模型综合考虑了流场变化和微塑料自身性质，研究表明弥散项的加入显著提高了微塑料的全局最大粒子速度，导致含水层中微塑料粒子总量增加。此外，灌溉流量和灌溉面积的增加也显著加速了微塑料从土壤表层向深层饱和含水层的迁移。有趣的是，微塑料的全局最大粒子速度在粒径为8μm时达到最大值，而在微塑料粒径为20~100μm时，微塑料的全局最大粒子速度呈下降趋势。此外，非均质低渗透区的存在显著促进了微塑料在饱和含水层中的扩散迁移。本研究为土壤和地下水中微塑料迁移转化定量研究奠定基础。

引言

地下水位波动可以作为污染物进入地下水的驱动力。农业生产中塑料薄膜的广泛使用和农田灌溉，导致地下环境中积累了大量残留的塑料薄膜。塑料废弃物和农用塑料薄膜在土壤中逐渐分解成微塑料，通过农田灌溉渗入地下水环境中造成地下水水质健康风险。目前，质量平衡数值模拟和溶质迁移方法仍然是量化土壤-地下水系统中微塑料迁移机制的主要技术，核心依赖于传统的对流-弥散方程(ADE)，并将流体视为连续的实体。ADE方程通常适用于描述由流体运动引起的溶解组分随时间和浓度梯度的分散和传输过程。然而，在土壤-地下水相互作用过程中，以颗粒形式存在的微塑料的迁移行为与溶液的迁移行为明显不同。作为流体动力学中另一种最常用的建模方法，使用粒子追踪方法的拉格朗日模型可用于预测各种介质（如空气或水）中离散粒子的运动。目前，微塑料粒子追踪方法主要集中在海洋环境中的研究，在非均质土壤-地下水环境中的应用存在空缺。现有的土壤-地下水环境中微塑料迁移模型难以充分考虑颗粒密度、粒径和弥散作用的综合影响。因此，本研究提出了一种结合弥散项和曳力模型的粒子追踪模型，用于精准预测非均质土壤-地下水环境中微塑料的迁移过程，阐释土壤-地下水交互作用影响下的流场变化和微塑料颗粒的特性引起的微塑料迁移路径差异。

图文导读

土壤-地下水交互作用影响下的微塑料迁移机理和模拟流程

图1：(a) 土壤-地下水交互作用影响下的微塑料迁移机理图。在对流和弥散作用下，地下水流动引起微塑料空间分布的变化。(b)提出的弥散-曳力耦合模型的计算流程图。

数值模拟是研究微塑料迁移的重要定量方法。本研究提出了一种耦合了弥散项和曳力模块的方法，用于定量表征微塑料在变饱和非均质地下环境中的迁移行为（图1a）。该模型利用瞬态流提供土壤-地下水系统中微塑料迁移的流场，并采用随机行走算法，利用曳力模型和粒子弥散来预测微塑料的运动轨迹。

不同弥散度对微塑料粒子迁移轨迹的影响

图2：在0m2/s(A)、2.775×10−21m2/s(B)、5.55×10−20 m2/s(C)和2.775×10−17 m2/s(D)的不同弥散度影响下，32天、200天和300天的微塑料粒子迁移轨迹分布图。绿线表示地下水位，彩色线表示微塑料粒子的轨迹。

本研究通过弥散项的引入及敏感度对比分析，研究发现弥散项的引入扩大了微塑料的迁移范围，促进了微塑料从表层土壤向饱和含水层的入渗，并形成了微塑料粒子迁移轨迹的增加。敏感度计算发现较高的弥散度会导致微塑料的迁移速度加快。随着土壤-地下水环境深度的增加，弥散项对微塑料迁移的影响更加明显，导致微塑料颗粒迁移速度的增强，并进一步显著影响微塑料在饱和含水层内的迁移通量。在微塑料首次从土壤表层释放时，观察到未引入弥散项的微塑料共需要14天才能完全渗透到饱和含水层中。然而，引入弥散项后，微塑料进入饱和含水层所需的时间缩短了一半。在前6个灌溉周期中，引入弥散项对饱和含水层中微塑料数量的影响较小。之后，随着时间的推移，弥散度的增大显著增强了微塑料在饱和含水层中的迁移通量及迁移范围。

不同的情景下的模型边界微塑料通量变化及敏感性分析

图3：不同的情景下的不同弥散度(A)、灌溉流量(B)、粒子粒径(C)和粒子密度(D)的模型边界上微塑料通量随时间的变化及敏感性分析。

结果表明，弥散度的增加导致饱和含水层中微塑料的迁移范围更大，微塑料通过排放边界的通量更大。根据农田现有田间实际灌溉情景研究了不同灌溉流量对微塑料迁移行为的影响。随着灌溉补给量的增加，地下水位的抬升和微塑料轨迹的变化更加明显（图3B）。当粒径从50μm增加到100μm时，微塑料向饱和含水层的迁移量从466n减少到440n（图3C），同时微塑料的全局最大粒子速度也略有减少，在50天后从1.522×10−5 m/s下降到1.521×10−5m/s。此外，该研究针对三种不同类型的微塑料：密度为0.89g/cm3的PE，密度为0.98g/cm3的PP和密度为1.58g/cm3的PVC，分析了密度差异对微塑料迁移行为的影响。从密度为0.89g/cm3的PE到密度为1.58g/cm3的PVC，全局粒子最大速度随着密度的增加而下降0.0254%，这与海洋环境中的迁移规律一致。大量试验表明，在动态水动力作用下，PE随灌溉引起的流场向土壤较深层迁移，高密度的微塑料可能导致更高的保留率和更低的迁移率，同样的现象也可以在微塑料迁移的边界通量中观察到（图3D）。总体而言，密度较低的微塑料更倾向于通过边界迁移排放，这进一步对周围的地下环境造成危害。

低渗透/高渗透“透镜体”对微塑料迁移路径的影响

图4：非均质地层50天、150天和300天的微塑料颗粒轨迹，“透镜体”渗透系数系数(K)为7.128m/d(a)，低渗透系数(K)为0.007128m/d(B)，高渗透系数(K)为142.46m/d(C)的敏感性分析。绿线表示地下水位，彩色线表示微塑料的轨迹。

由于土壤和含水层的非均质性影响着渗流场和污染物迁移途径。因此，本研究在饱和含水层的中部放置一个K值分别为0.007128m/d、7.128m/d和142.46m/d的非均质区。随着K值从7.128m/d减小到0.007128m/d，非均质区内流场路径发生了较大变化，分布不均匀。模拟结果表明，低K区域阻碍了水和微塑料的迁移，导致流场和微塑料随时间的运动轨迹发生改变（图4）。K从7.128m/d降低到0.007128m/d，300天最大地下水位上升0.04m。相反，随着K值从7.128m/d增加到142.46m/d,300d时最大地下水位下降0.01m，微塑料的全局最大粒子速度从2.54×10−5m/s增加到5.72×10−5 m/s。

同时，进一步探讨不同粒径下的微塑料全局最大粒子速度，研究发现了影响微塑料迁移的粒径阈值，当微塑料粒径小于20μm时，全局最大粒子速度出现了显著波动，并且在曳力和弥散项的共同影响下，全局最大粒子速度出现了非线性变化。其中，粒径为8μm时，微塑料颗粒全局最大粒子速度最高，为1.64×10−5m/s。当粒径为20~100μm时，微塑料颗粒全局最大粒子速度的变化在1.522×10−5 m/s左右较为稳定，但随着微塑料粒径的增大，全局最大粒子速度的变化趋势仍呈下降趋势（图5a）。整体上，高K的非均质“透镜体”导致地下水流速和微塑料的全局最大粒子速度增加，非均质区积聚效果显著（图5b）。低K的非均质区倾向于分散微塑料的迁移路径，使微塑料能够迁移到更远的距离，而高K的非均质区则在该区域表现出更强的保留微塑料的能力。

小结

本研究开发并验证了一种土壤-地下水交互作用影响下的微塑料粒子迁移数值模型，该模型将弥散项耦合曳力模型，以捕捉复杂的土壤-地下水相互作用，并预测微塑料在非均质和变饱和环境下的迁移。研究结果表明，粒子跟踪模型可以精确地集成微塑料的特性。自然或人为刺激的影响使得土壤-地下水交互作用增强，导致进入饱和含水层的微塑料通量增加。同时，模型结果表明，弥散项的引入显著增加了饱和含水层中微塑料的通量。此外，当微塑料尺寸从20μm变化到100μm时，微塑料全局最大粒子速度表现出最小的变化，但仍保持下降的趋势。而探究不同密度影响下的微塑料迁移通量，发现密度最高的PVC向含水层的迁移通量最大，PE和PP的迁移趋势基本一致。此外，低K的非均质区也会促进微塑料的分散，使它们能够迁移至更远的距离。在未来的微塑料迁移模型研究中，需要更多地考虑多种类微塑料的共存、土壤吸附、物理破碎和老化等因素的影响，以完善所提出的弥散-曳力耦合模型。此外，土壤-地下水相互作用过程中的多种情景，如降雨、地下水动态和沿海地区的潮汐效应也应被考虑。本研究开发的弥散-曳力耦合模型能帮助环境管理者了解土壤-地下水交互作用中微塑料迁移的能力，有助于污染评价和控制措施的效果评估，从而帮助环境管理者进行污染管理、修复和风险评估的生态决策。

作者简介

魏亚强：上海大学环境与化学工程学院副研究员，上海交通大学博士后，中国科学院大学和美国亚利桑那大学联合培养博士。主要从事土壤和地下水多介质污染物迁移转化与归趋研究，目前在EnvironmentalScience&Technology（2篇封面论文）, Waterresearch, JournalofHazardousMaterials等TOP期刊发表论文30余篇，其中第一或通讯作者20余篇。获得发明专利授权4项、软件著作权5项。主持国家自然科学重点基金课题、自然科学青年基金、国家重点研发计划“场地土壤污染成因与治理技术”子课题等。参与完成国家973项目、基金委联合重点项目、国防科工局高放废物地质处置研究开发项目、中国科学院战略性先导科技专项等多项国家级研究课题。现任现任上海市生态环境局科研项目专家库专家，《Eco-Environment&Health》《AgricultureCommunications》《生态与农村环境学报》《西北大学学报》《华东地质》等期刊青年编委。负责生态环境部《地下水污染模拟预测评估工作指南》修订，参与《全国地下水污染防治实施方案》《污染地块地下水修复和风险管控技术导则》编制。

李辉：上海大学环境与化学工程学院研究员，博士生导师。国家杰出青年基金获得者、国家重点研发计划首席科学家；长期从事化工场地土壤与地下水污染物的环境行为、生态毒理、健康风险和修复机理及技术等多学科交叉研究，主持在研和完成了国家重点研发计划重点专项项目、国家自然科学基金（国家杰出青年科学基金1项，面上项目3项，青年项目1项）、国家环境基准研究专项课题、全国重点地区环境与健康专项课题、上海市科委重点项目等国家和省部级重点科研项目20余项；以第一或通讯作者发表高水平SCI论文60余篇，授权发明专利20余件，参编英文专著1部；获得国家科技进步二等奖1项、中国石油和化学工业联合会技术发明一等奖、上海市技术发明一等奖和环境保护科学技术一等奖等省部级科技一等奖共6项，上海市技术发明二等奖和教育部高校优秀科技成果二等奖各1项；入选教育部新世纪优秀人才、国家环境保护专业技术青年拔尖人才、上海市优秀技术带头人计划、上海市曙光学者、上海市青年科技英才、上海市青年科技启明星计划上海市人才发展资金等省部级人才计划8项。