《Nature Water》6月8日文章：国家尺度高分辨率河网微塑料含量预测
研究背景
微塑料是天然水体中普遍存在的污染物，在全球范围内有越来越多的塑料排放到环境中。自然环境中发现的大多微塑料均是随着水体流动输送到各地，因此引出了一个科学问题，即微塑料可以在河流中运输多远、在不同景观和土地类型的流域、国家或大陆之间如何变化。
为了克服实地测量的局限性，人们开发了几种(微)塑料在水中运移的模型。然而，到目前为止人们还没有对微塑料的排放与环境暴露之间的关系有一个大致的了解，特别是在国家等更大的地理范围内。因此，本文目标是开发一种可广泛应用于微塑料排放和运输预测的新模型，以期在国家尺度上实现高空间分辨率预测。
研究方法
- 地理、水文数据和微塑料排放信息
本研究主要利用研究区(以瑞士国家为例)的河网和湖泊空间分布数据，该数据按照补充信息中的标准进行整理，确保河流的流通性和河网中微塑料的正确运输。其中，河流和湖泊网络被划分为单个河段和湖泊段，每个河段和湖泊段的微塑料输入排放量应以每秒质量为单位。
本研究基于高空间分辨率微塑料释放模型结合社会的物质流分析模型，估算废水处理中微塑料流出的点源和扩散源。微塑料的累积方式如图所示。
图4 微塑料累计方法
微塑料的形态在本研究中涉及三种：悬浮状态、沉积物状态和深层沉积物状态(图5)。深层沉积物状态为微塑料最终的汇，悬浮物和沉积物中的微塑料可以随河流水流向下游迁移。默认情况为微塑料首先分配到悬浮状态，随后成为沉积物。
沉积物状态的微塑料存在不同情况：深埋形成深层沉积物；再悬浮成为悬浮状态；被输送到下游的河流或湖泊的沉积物中。
图5 本研究中微塑料涉及的三种形态
另一方面，本研究中考虑的为微塑料的质量而不是数量和粒径大小，因此将模型简化为一个粒径级别，并参考对微塑料颗粒全粒径谱的测量和在质量方面起到重要作用等角度，选择较大的微塑料例子(毫米级别)。
- 悬浮状态微塑料的预测
悬浮状态微塑料的运输主要受河流流速的影响，并且还影响微塑料和河流泥沙之间的相互作用(沉积概率等)。另外，研究以每秒质量计算微塑料输运，并辅以假设时间处于一秒的稳定状态，对沉积物和悬浮物中的运输速度可以忽略。
参考图5的运输路径，发现沉降因子(fsed)是减少微塑料的第一步，并结合累积因子(facc)进行分析。对于河流和湖泊的fsed计算方法如下公式，facc则采用10%作为默认值，代表有10%的微塑料将进行沉积。
此外，还存在一部分再悬浮(fresus)的悬浮状态微塑料，并针对河流设置3%的阈值即沉积物中3%的微塑料会再悬浮，针对湖泊设置为0。
研究结果
- 瑞士水体微塑料污染情况
本研究将每个河段和湖泊与下游的河段和湖泊进行连接，模拟了瑞士整个河网以及三个重点流域(莱茵河、罗讷河和杜布斯河)的微塑料运输情况：不滞留(S0)、仅滞留在湖泊(Slake)、仅滞留在瑞士15个最大的湖泊(Slake15)或滞留在湖泊和河流(Sall)。
图6展示了本研究模型可以突出污染较严重的河流区域和没有预期污染多的河流区域。可以看到微塑料的运输量在瑞士边境下游增加，在莱茵河上观察到的含量较高，较小河流和偏远山区河流直接受到微塑料污染较小，解释了未受污染河流较多的原因。
图6突出污染较严重的河流区域和没有预期污染多的河流区域的模型
根据不同情境下的微塑料输送情况，研究预测有一半的微塑料保留在瑞士境内，33%的微塑料残留在湖泊中，其中99%保留在瑞士15个最大湖泊中。虽然湖泊占主导地位，但是河流也会保留所有输入微塑料的17%。
总体来说，有近50%直接排放到水体的微塑料被保留在瑞士境内，受到沉降因子和累积因子对滞留量描述的差异，不同聚合物之间的质量存在显著差异。
图7 不同情境下的微塑料输送情况
2、沿河流长度的微塑料质量和来源
微塑料的质量和滞留量在流域和河流长度上存在差异，并且湖泊等沉淀水体对悬浮物和沉积物中的微塑料有很大影响。对于选择的三个流域，研究发现其排放的微塑料质量存在量级上的差异(莱茵河：4565 kg/a；罗讷河：300 kg/a；杜布斯河：61 kg/a)，这三个流域覆盖了瑞士所有微塑料流出量的88%。
此外，流经人口密集区域的河流和穿越城市的河流均在接受大量的微塑料的排放，因此莱茵河(巴塞尔流域出口)受到支流的影响存在大量的微塑料。根据研究模拟方法，在离开瑞士的所有微塑料质量中约有2-9%是通过泥沙输送的。
- 沿河流长度的微塑料的保留
湖泊是微塑料保留沉积的重要区域，因此考虑湖泊位置和排放地点的关系是至关重要的。
瑞士的日内瓦湖(罗讷河流域)和康斯坦斯湖(莱茵河流域)是两个面积为500 km2的最大湖泊，预计通过沉降将微塑料质量减少到原有的三分之一，但是对于莱茵河流域，湖泊总体滞留率不如罗讷河流域，主要由于来自阿勒河流域的大量水体在经过康斯坦斯湖之后才流入莱茵河。在罗讷河流域日内瓦湖位于流域出口附近，因此保留了流域上游释放的大量微塑料。
总结
本研究首次利用国家尺度的高空间分辨率建模方法聚焦微塑料质量的输入与排放。研究发现，根据聚合物的不同，湖泊可以保留比河流多十倍质量的微塑料，但是针对大坝截流效果还未得到充分的验证，并且湖泊内塑料的详细分布模型构建仍具有挑战性。该模型适用于不同地区，可以通过选择不同微塑料的尺寸或增加运输过程的细节更加细化模型。
本研究通过以瑞士为例分析了微塑料污染的热点区域和关键排放点，可以更好的验证和评估不同治理的效果。
研究在最后强调更多的实地测量数据对于了解基于过程的微塑料在流域和国家尺度上的运输和分配十分重要，而水文参数的考虑对于选择进一步建模的方法是有益的。
来源：nature water、湖泊遥感与智慧流域-仇志强