土壤水分入渗过程中空气被困对入渗率的阻滞效应与模型修正研究综述

土壤水分入渗过程中空气被困对入渗率的阻滞效应与模型修正研究综述土壤水分入渗是降水、灌溉水等进入土壤孔隙的核心过程，直接决定地表产流、地下水补给及溶质运移效率，是水文循环、农业水土工程、生态修复等领域的关键研究命题。传统入渗理论多基于“土壤孔隙被水完全填充、空气可自由排出”的理想假设，推导的Green-Ampt模型、Philip模型、Horton模型等对均质砂土入渗过程的拟合精度较高，但在黏粒含量较高的土壤、压实土壤或降水强度较大的场景中，实测入渗率往往比理论预测值低30%~60%，这一偏差长期困扰相关研究与工程应用。20世纪90年代以来，越来越多的研究证实，入渗过程中土壤孔隙内的空气无法及时排出而被水压封闭形成“被困空气”，是导致入渗率异常降低的核心诱因，相关效应的定量刻画与模型修正逐渐成为土壤水文学的前沿研究方向。一、入渗过程中空气被困的形成机制与分布特征入渗过程中空气被困的形成是水分驱替空气与孔隙结构约束共同作用的结果。当水分进入非饱和土壤时，大孔隙优先被水分充填，若上层孔隙的连通性被水膜阻断，下层孔隙内的空气无法通过向上排气通道逸出，就会被封闭在土壤孔隙中形成高压气囊。根据已有的可视化试验结果，空气被困的形成主要受三类因素控制：第一是土壤孔隙结构特征，孔径分布越不均、孔隙连通性越差的土壤越容易形成被困空气，黏壤土中被困空气体积占总孔隙体积的比例最高可达25%，而均质砂土中该比例通常低于8%；第二是入渗边界条件，降水强度越大、地表积水形成速度越快，空气被封闭的概率越高，当降水强度超过土壤饱和导水率1.5倍时，入渗初期即可在表层以下5~10cm处形成连续的空气阻隔层；第三是初始含水率条件，土壤初始含水率越高，剩余通气孔隙的连通性越差，入渗时更容易发生空气封闭，初始体积含水率达到30%的黏质土壤，入渗时被困空气含量比风干土壤高40%以上。被困空气在土壤剖面中的分布具有明显的分层特征。入渗初期，被困空气主要集中在湿润锋上方0~5cm范围内，气压值可达0.1~0.3MPa，显著高于大气压力；随着入渗过程推进，部分气囊在压力差作用下突破水膜向上逸出，剩余被困空气逐渐向更深层的土壤孔隙迁移，在湿润锋下方形成断续分布的气囊带，气压值稳定在0.05~0.15MPa。通过CT扫描技术对土壤剖面的原位观测显示，被困空气的形态与孔隙尺寸高度相关：直径大于1mm的大孔隙内的被困空气多呈不规则团状，容易在水分压力作用下发生变形、破裂；直径在0.1~1mm的中孔隙内的被困空气多呈柱状，稳定性较强，可在入渗过程中存在数小时；直径小于0.1mm的微孔隙内几乎不会形成被困空气，水分可通过毛细作用缓慢充填全部孔隙。二、空气被困对入渗率的阻滞效应与作用机理空气被困对入渗过程的阻滞效应主要通过改变土壤有效导水面积、增大渗流阻力两种路径实现。首先，被困空气占据部分孔隙空间，直接减少了水分流通的有效截面积，相当于降低了土壤的饱和导水率。室内土柱入渗试验结果表明，当被困空气体积占总孔隙体积的比例达到15%时，土壤饱和导水率会降低40%左右，且这一降低幅度与气囊的分布连续性密切相关：当气囊呈连续层状分布时，相同含量下导水率降低幅度可达60%，而气囊呈孤立分散状态时降低幅度约为25%。其次，被困空气的气压会抵消部分水力梯度，传统入渗理论中驱动水分运动的动力是基质势与重力势之和，而被困空气形成的气压会作为反向力阻碍水分下渗，当湿润锋处的空气压力达到0.1MPa时，相当于抵消了10m水头的驱动作用，这一效应在浅层入渗过程中尤为显著。不同入渗阶段空气被困的阻滞效应存在明显差异。入渗初期（0~30min），地表快速积水导致大量空气被封闭，气囊压力快速上升，此时空气阻滞效应最为显著，实测入渗率仅为传统模型预测值的40%~60%；入渗中期（30~120min），部分气囊在压力差作用下突破水膜向上逸出，空气压力逐渐降低，入渗率逐步回升，此时实测值与理论预测值的偏差缩小至20%~30%；入渗后期（120min以后），剩余被困空气的压力与水力驱动力达到动态平衡，气囊位置基本稳定，入渗率进入稳定阶段，此时稳定入渗率比无空气被困的理想状态低15%~25%。值得注意的是，空气阻滞效应存在阈值特征：当入渗强度低于土壤饱和导水率的0.8倍时，水分缓慢入渗过程中空气有足够时间排出，几乎不会形成被困空气，阻滞效应可以忽略；当入渗强度超过饱和导水率2倍时，空气被困比例快速上升，阻滞效应呈非线性增强。空气被困还会引发入渗过程的非稳定波动现象。传统入渗理论中入渗率随时间呈单调递减趋势，但在存在明显空气被困的场景中，实测入渗率会出现周期性波动，波动幅度可达稳定入渗率的20%~30%，波动周期通常为5~15min。这一现象的本质是气囊的“积累-破裂”循环：当水分持续下渗导致气囊压力不断升高，超过水膜的表面张力阈值时，气囊破裂并向上排出部分空气，入渗阻力瞬间降低，入渗率出现短暂上升；之后上层孔隙再次被水封闭，气囊重新积累压力，入渗率再次下降，如此循环往复直至入渗过程结束。这种非稳定波动特征在黏性土壤、压实土壤的入渗试验中普遍存在，也是传统入渗模型难以准确拟合实测数据的重要原因。三、考虑空气阻滞效应的入渗模型修正研究进展针对传统入渗模型未考虑空气被困效应的缺陷，国内外学者从不同角度开展了模型修正研究，目前已形成三类主流修正思路。第一类是基于Green-Ampt模型的参数修正，核心是引入“有效饱和导水率”和“空气压力项”对传统模型进行改进。1997年，Faybishenko等首次在Green-Ampt模型的驱动力项中加入湿润锋处的空气反向压力，假设空气压力与湿润锋深度呈线性关系，修正后的模型对黏壤土入渗过程的拟合精度提升了35%以上。2010年，王全九等进一步将有效饱和导水率表示为被困空气体积含量的指数函数，通过室内试验率定得到不同质地土壤的模型参数，修正后模型对不同降水强度下入渗过程的预测误差控制在15%以内。这类修正模型的优势是形式简单、参数较少，便于工程应用，但缺点是空气压力的假设过于简化，无法反映入渗过程中气囊动态变化的特征。第二类是基于两相流理论的数值模型修正，将土壤水分入渗看作水、气两相流体在孔隙介质中的驱替过程，通过耦合水流方程与气流方程模拟空气压力与含水率的动态变化。2005年，Pruess等开发的TOUGH2软件中加入了非饱和带水-气两相流模拟模块，考虑了空气的可压缩性、水-气界面张力等因素，能够准确模拟入渗过程中空气压力的动态变化与被困空气的分布特征，对入渗率波动现象的再现精度可达90%以上。2018年，国内学者结合CT扫描得到的孔隙结构参数，对两相流模型的相对渗透率曲线进行改进，进一步提升了模型对非均质土壤入渗过程的模拟精度。这类模型的优势是物理机制清晰，能够反映空气与水分的相互作用过程，但缺点是参数多、计算量大，需要土壤孔隙结构、水-气特征曲线等大量基础参数，难以直接应用于野外大尺度入渗模拟。第三类是基于经验公式的半物理修正模型，通过大量试验数据拟合得到空气阻滞效应的经验系数，嵌入传统入渗模型中。2015年，Assouline等基于全球200多组不同质地土壤的入渗试验数据，建立了空气阻滞系数与土壤质地、初始含水率、入渗强度三个因子的经验关系，将该系数乘以传统模型计算的入渗率即可得到修正后的入渗率值，模型预测误差平均为18%，无需额外测定空气压力等参数，便于野外实际应用。2022年，我国水文地质领域学者针对黄土高原地区的土壤特性，对Assouline经验模型进行本地化修正，加入了土壤压实度作为影响因子，修正后的模型对黄土区坡地入渗过程的预测误差降低至12%以内，在水土保持工程设计中得到了初步应用。这类模型介于物理模型与纯经验模型之间，兼顾了精度与易用性，是当前农业、水土保持等领域应用最广泛的修正模型类型。四、当前研究存在的不足与未来发展方向尽管空气被困对入渗率的阻滞效应研究已取得诸多进展，但仍存在三个方面的明显不足：一是野外原位观测数据匮乏，现有研究多基于室内土柱试验开展，而野外土壤存在空间异质性、裂隙、生物孔隙等复杂因素，被困空气的形成与演化规律与室内理想条件存在较大差异，目前野外原位监测空气压力与被困空气含量的技术手段仍不成熟，导致修正模型的野外验证数据严重不足；二是多因子耦合作用机制研究不足，现有研究多单独考虑空气被困的效应，而实际入渗过程中土壤结皮、孔隙堵塞、溶质运移等过程与空气被困效应存在耦合作用，其协同影响机制尚未明确，导致模型在复杂场景下的预测精度大幅降低；三是大尺度扩展应用存在瓶颈，现有修正模型多适用于点尺度入渗模拟，如何将空气阻滞效应嵌入流域尺度水文模型，实现坡面-流域尺度的入渗过程精准模拟，仍是当前研究的难点问题。未来相关研究可重点从三个方向推进：第一，研发高精度原位监测技术，结合光纤传感、原位CT扫描等技术，实现野外土壤剖面空气压力、被困空气含量的实时、连续监测，积累不同气候区、不同土壤类型的原位观测数据集，为模型验证与参数率定提供数据支撑；第二，开展多过程耦合机制研究，定量刻画空气被困与土壤结皮形成、生物孔隙演化、溶质运移等过程的相互作用，建立多因子耦合的入渗模型，提升模型在复杂自然场景下的适用性；第三，推进模型的尺度扩展研究，基于点尺度的物理机制，结合遥感反演的土壤参数空间分布数据，建立适用于流域尺度