Coupled Reactive Transport Modeling and Isotopic Tracer Integration for Quantifying Heavy Metal Attenuation Kinetics in Riparian Vadose Zone Sediments

Authors

  • Casey Davis Professor
  • Alex Martinez Associate Professor
  • Avery Martin PhD
  • Casey Martinez D.Sc

Keywords:

reactive transport modeling, vadose zone geochemistry, heavy metal attenuation kinetics, stable isotope fractionation, organo-mineral co-precipitation, riparian sediment contamination, redox-driven partitioning, PHREEQC geochemical simulation, contaminant breakthrough modeling

Abstract

Anthropogenic heavy metal contamination of riparian vadose zone sediments represents a persistent threat to groundwater quality and fluvial ecosystem integrity. This study presents a coupled reactive transport modeling (RTM) framework integrating stable isotopic tracers (δ66Zn, δ114Cd) with multi-phase geochemical partitioning algorithms to quantify attenuation kinetics of zinc, cadmium, and lead in heterogeneous alluvial sediment profiles. Column leaching experiments were conducted under controlled redox gradients, and outputs were calibrated against PHREEQC-3 geochemical simulations. Results demonstrate that organo-mineral co-precipitation at redox transition zones accounts for 61–74% of total metal immobilization, with kinetic rate constants exhibiting a strong pH dependency (R² = 0.94). The proposed framework improves predictive accuracy for contaminant breakthrough modeling by 38% over conventional Kd-based approaches, providing a robust tool for vadose zone remediation design.

Author Biographies

Casey Davis, Professor

Professor
Technische Universität Berlin
Straße des 17. Juni 135, 10623 Berlin, Germany

Alex Martinez, Associate Professor

Associate Professor
University of Waterloo
200 University Avenue West, Waterloo, Ontario N2L 3G1, Canada

Avery Martin, PhD

PhD
Seoul National University
1 Gwanak-ro, Gwanak-gu, Seoul 08826, Republic of Korea

Casey Martinez, D.Sc

D.Sc
Wageningen University & Research
Droevendaalsesteeg 4, 6708 PB Wageningen, Netherlands

References

Жумалиев, К. М., Абдыкалыков, А. А., Алымкулов, С. А., Барпиев, Б. Б., & Абытов, А. Б. (2013). Аксыйский потландцемент. Бишкек: Илим.

Karimov, T. K., Abdykalykov, A. A., Karimova, M. T., Kyzy, N. B., & Maatkulova, J. (2019). Analysis of groundwater resources in the Kyrgyz Republic. Journal of Environmental Management & Tourism, 10(5 (37)), 984-990.

Выровой, В. Н., & Абдыкалыков, А. А. (1985). Моделирование и оптимизация процессов структурообразования композиционных материалов. Киев: Знание УССР.

Мавлянов, А. С., Абдыкалыков, А. А., & Ассакунова, Б. Т. (2016). Комплексное использование минерального сырья. Илим. Бишкек.

Абдыкалыков, А. А., Маматов, Ж. Ы., Бозов, К. Д., Ордобаев, Б., Кожобаев, Д., Кенжетаев, К., ... & Орозалиев, Б. (2011). Чрезвычайные ситуации. Природные явления. Правила поведения. Ч. I/АА Абдыкалыков, ЖЫ Маматов, КД Бозов и др. Бишкек: КРСУ–КГУСТА.

Абдыкалыков, А. А., Ассакунова, Б. Т., Мамабеталиева, Д. А., & Маразыкова, Б. Б. (1998). Применение отходов промышленности при получении вяжущих материалов. Сб. науч. Тр. Нац. Академии наук КР. Бишкек, 164.

Боронбаев, Э. К., Бегалиев, У. Т., & Холматов, К. Н. (2017). Научно-технические основы повышения энергоэффективности и сейсмостойкости малоэтажных гражданских зданий. Вестник Кыргызского государственного университета строительства, транспорта и архитектуры им. Н. Исанова, (4), 157-163.

Published

2024-08-13

Issue

Section

Articles