耦合SWAT-MIKE21-ECO Lab模型揭示石煤矿区流域重金属迁移规律及生态修复策略

针对历史煤矿区重金属污染溯源难题，研究人员创新性耦合SWAT-MIKE21-ECO Lab模型，系统模拟汉江支流小弥溪沟流域Zn/Cd/Ni/Al的迁移转化规律，发现Al(8.00–9.15 mg L?1)为主要污染物且呈现下游递减趋势，而Cd反常升高指示新污染源，为全球矿区重金属治理提供模型范式。

　　

在煤炭资源开发历史悠久的秦巴山区，酸性矿山排水(AMD)导致的重金属污染已成为威胁汉江流域生态安全的顽疾。当富含硫化物的煤矿废石暴露于空气和水中时，会引发连锁化学反应——黄铁矿氧化释放硫酸和铁离子，pH值骤降至3以下，像"化学钥匙"般打开铝硅酸盐矿物的禁锢，使铝(Al)、锌(Zn)、镉(Cd)等重金属倾泻入河。这种污染在陕西安康小弥溪沟流域尤为典型，当地20世纪50年代遗留的无序开采遗迹，让河流常年漂浮着由氢氧化铝沉淀形成的"白色絮体"，水体中铝浓度高达9.15 mg L^?1，远超饮用水标准。更棘手的是，传统监测手段难以捕捉重金属在复杂水文-生物地球化学耦合过程中的动态变化，使得污染治理如同"盲人摸象"。

针对这一难题，西安科技大学的研究团队开创性地构建了SWAT-MIKE21-ECO Lab耦合模型系统。这项发表在《Chemosphere》的研究首次实现了从流域水文循环到河道重金属迁移转化的全过程模拟。研究人员通过整合土壤与水资源评估工具(SWAT)的水文过程模拟优势、MIKE21二维水动力模型对河道流场的精确刻画，以及ECO Lab模块对重金属吸附-解吸、沉淀-溶解等界面反应的动态描述，成功破解了矿区重金属"从哪里来、到哪里去"的科学谜题。

研究方法上，团队在小弥溪沟布设12个监测断面，采集水样和底泥样本测定Zn/Cd/Ni/Al含量；利用SWAT划分37个子流域并计算径流污染负荷；通过MIKE21建立500×50m网格的二维水动力模型，耦合ECO Lab设置重金属迁移转化的12个关键参数，包括pH依赖的吸附系数、氧化还原敏感的反应速率等。

模型预测结果显示：铝污染呈现显著的空间梯度特征，从上游矿区的9.12 mg L^?1降至下游的8.00 mg L^?1，归因于氢氧化铝沉淀和支流稀释作用；锌(Zn)和镍(Ni)的迁移规律与铝类似，但镉(Cd)浓度却从上游0.0420 mg L^?1逆势增至下游0.0725 mg L^?1，模型溯源发现这与下游农业区含磷化肥的使用密切相关——磷酸根离子会竞争吸附位点，促使沉积物中的镉重新释放。

讨论部分指出，该模型的创新性体现在三个方面：首次实现SWAT流域尺度污染负荷与MIKE21河道精细模拟的耦合；突破传统模型对重金属形态转化的简化处理，引入微生物介导的硫酸盐还原反应模块；通过参数敏感性分析识别出pH和流速是影响铝沉淀的关键因子。研究建议采取"上游控源-中游沉淀-下游修复"的梯次治理策略，特别强调在酸性汇水区投加石灰中和的同时，需配套建设人工湿地以增强生物地球化学屏障功能。

这项研究不仅为秦巴山区矿山修复提供科学依据，其模型耦合框架更可推广至全球类似矿区。正如论文通讯作者Huo Aidi教授指出："当我们在SWAT中嵌入重金属反应模块时，就像给水文模型装上了'化学眼睛'，终于能看清那些隐藏在湍流中的金属迁移密码。"该成果对实现联合国可持续发展目标(SDG6)中"清洁饮水和卫生设施"的承诺具有重要实践价值。