土壤水热耦合运移模型研究综述

土壤水热耦合运移模型研究综述土壤作为陆地生态系统的核心组成部分，其内部水分与热量的传输过程是连接大气圈、水圈、生物圈与岩石圈物质能量交换的关键纽带。水热耦合运移不仅直接影响土壤肥力、植被生长与农田生产力，更是陆面过程模拟、水文循环预测、气候变化响应评估等领域的核心研究内容。自20世纪中叶以来，随着流体力学、热力学、土壤物理学等多学科理论的交叉融合，以及计算机模拟技术的快速发展，土壤水热耦合运移模型经历了从经验统计到物理机制、从单点尺度到流域乃至全球尺度的演进过程，逐步成为揭示土壤内部复杂过程、支撑农业水资源管理与生态环境保护的重要工具。一、土壤水热耦合运移的理论基础土壤水热耦合运移的理论体系建立在多孔介质流体动力学与传热学的交叉基础之上，核心是揭示水分运移与热量传输的相互作用机制。水分在土壤中的运移遵循达西定律与质量守恒原理，而热量传输则包含传导、对流与辐射三种基本形式，二者通过一系列物理过程形成紧密耦合关系：一方面，水分的相变（蒸发、凝结）与流动会携带大量潜热与显热，直接改变土壤温度场的分布；另一方面，温度变化会导致土壤水的粘度、表面张力与饱和导水率发生改变，同时温度梯度驱动下的水汽扩散也是干旱、半干旱地区土壤水分运动的重要组成部分。经典的土壤水热耦合理论框架由Philip与deVries于1957年提出，该理论首次将土壤水分划分为液态水与水汽两部分，明确了温度梯度对水分运动的驱动作用，构建了包含基质势梯度与温度梯度共同作用的水分运移方程，以及包含热传导、热对流与潜热交换的热量传输方程，为后续耦合模型的发展奠定了理论基础。此后，众多学者针对不同土壤类型与环境条件对该理论进行了修正：例如针对冻土区土壤，引入了冰-水相变过程对水热参数的影响机制；针对盐碱土，考虑了溶质浓度梯度对水分运移的附加驱动作用；针对有植被覆盖的农田土壤，加入了根系吸水、冠层截留等生物过程对水热平衡的调节效应，使得理论体系的适用性不断拓展。二、典型土壤水热耦合运移模型分类与特征根据模型构建的理论基础与适用场景，当前主流的土壤水热耦合运移模型可划分为经验模型、半经验半物理模型与物理过程模型三大类，不同类型模型在复杂度、数据需求与模拟精度上存在显著差异。（一）经验与半经验模型经验模型是基于大量野外或室内试验数据，通过统计回归方法建立的水热特征关系模型，其优势在于结构简单、参数少、计算效率高，适合在数据匮乏的区域进行快速估算。典型代表包括由VanGenuchten于1980年提出的土壤水分特征曲线经验公式，该公式通过拟合试验数据得到残余含水量、饱和含水量、进气压力与孔径分布指数四个参数，能够较好地描述不同质地土壤的基质势与含水量关系，至今仍是绝大多数物理模型的基础输入模块。此外，针对农田土壤温度的预测，学者们也发展了一系列基于气温、日照时数等气象要素的经验统计模型，通过引入土壤热扩散系数的经验估算方法，能够实现不同深度土壤温度的日动态与季节动态模拟。半经验半物理模型则在经验关系的基础上加入了部分物理过程的简化描述，在保持计算效率的同时提高了模型的机理性。例如广泛应用于大尺度水文模拟的新安江模型、SWAT模型中的土壤水热模块，通过分层简化土壤水热传输过程，将土壤划分为若干个水平衡层与热平衡层，基于质量守恒与能量守恒方程计算每层的含水量与温度，其中部分参数如土壤导水率、热容量等采用经验公式根据土壤质地估算，无需复杂的参数率定过程，适合在流域尺度与区域尺度的长期模拟中应用。（二）物理过程模型物理过程模型以严格的质量守恒与能量守恒定律为基础，通过数值求解耦合的偏微分方程组来描述土壤内部的水热传输过程，具有明确的物理意义与较高的模拟精度，是当前研究的主流方向。其中最具代表性的是HYDRUS系列模型，该模型由美国盐土实验室开发，能够模拟一维、二维与三维条件下非饱和土壤中的水分、溶质与热量耦合运移过程，支持考虑根系吸水、水分相变、溶质吸附等多种复杂过程，内置了多种土壤水力参数与热参数的估算模型，提供了灵活的边界条件设置功能，被广泛应用于农田灌溉效率评估、污染物迁移模拟、冻土区水热动态研究等领域。此外，针对不同应用场景的专业物理模型也得到了快速发展：例如针对冻土区开发的CoupModel模型，耦合了土壤冻融过程中的水、热、溶质传输过程，能够模拟多年冻土与季节冻土区的活动层水热动态变化；针对陆面过程模拟开发的Noah-MP、CLM等陆面模型中的土壤水热模块，将土壤水热过程与冠层辐射传输、地表能量平衡、植被生理生态过程进行耦合，能够为气候模式提供准确的下垫面通量数据；针对农田生态系统开发的DSSAT、APSIM等作物生长模型中的水热模块，进一步耦合了作物生长过程对土壤水热的反馈调节作用，能够实现不同耕作措施与灌溉制度下的作物产量与水分利用效率模拟。三、模型参数化与不确定性研究进展模型参数的准确获取是保障模拟结果可靠性的关键，土壤水热耦合模型的参数主要包括土壤水力参数、热参数与边界条件参数三大类。其中土壤水力参数如饱和导水率、vanGenuchten模型参数等具有显著的空间异质性，传统的室内测定方法费时费力且难以代表田间实际情况，近年来随着原位测定技术的发展，张力计、时域反射仪（TDR）、中子仪等设备的广泛应用大大提高了水力参数的测定精度，同时基于土壤传递函数（PTFs）的参数估算方法也得到了快速发展，通过建立土壤质地、容重、有机质含量等基本土壤属性与水力参数之间的统计关系，能够快速获取区域尺度的土壤水力参数分布，极大降低了模型的参数获取成本。土壤热参数的参数化研究近年来也取得了重要进展。土壤热容量、热传导系数与热扩散系数是描述土壤热量传输过程的核心参数，传统的参数化方法多基于土壤固相、液相与气相组分的加权平均计算，然而实际土壤中孔隙结构、水分分布与有机质含量对热参数的影响十分复杂。近年来通过室内热脉冲技术与原位光纤测温技术的结合，学者们揭示了不同含水量、不同质地土壤的热参数动态变化规律，建立了考虑土壤孔隙度、有机质含量与水分相变的热参数估算模型，有效提高了热量传输过程的模拟精度。模型不确定性分析是当前研究的热点方向，土壤水热耦合模型的不确定性主要来源于参数不确定性、输入数据不确定性与模型结构不确定性三个方面。针对参数不确定性，贝叶斯估计、马尔可夫链蒙特卡洛（MCMC）、广义似然不确定性估计（GLUE）等方法被广泛应用于参数的敏感性分析与不确定性区间估计，能够定量评估参数不确定性对模拟结果的影响程度；针对输入数据不确定性，多源数据融合技术被用于整合站点观测、遥感反演与模式模拟等不同来源的输入数据，通过数据同化方法如集合卡尔曼滤波、四维变分同化等，能够将实时观测数据融入模型模拟过程，有效降低输入数据误差带来的模拟偏差；针对模型结构不确定性，多模型集合模拟方法逐渐得到应用，通过集合不同结构的模型模拟结果，能够显著降低单一模型的结构偏差，提高模拟结果的可靠性与鲁棒性。四、多尺度耦合与交叉应用研究随着研究的不断深入，土壤水热耦合运移模型的应用尺度正从传统的单点尺度、田块尺度向流域尺度、区域尺度乃至全球尺度拓展，多尺度耦合机制与尺度转换方法成为研究的关键问题。土壤水热过程具有显著的尺度依赖性，小尺度上的土壤异质性、优先流等过程在大尺度模拟中无法直接被解析，因此需要发展适用于大尺度的等效参数化方法与尺度上推技术。近年来，随着遥感技术的发展，MODIS、Sentinel等卫星提供的地表温度、土壤湿度、植被覆盖度等产品为大尺度模型的参数校准与结果验证提供了数据支撑，通过将遥感观测数据与陆面过程模型相结合，学者们实现了全球尺度的土壤水热动态模拟，为气候变化对陆地生态系统的影响评估提供了重要基础。模型的交叉应用领域也在不断拓展，除了传统的农田水利、水文水资源领域外，土壤水热耦合模型在气候变化应对、生态环境保护、地质灾害防治等新兴领域的应用日益广泛。在气候变化研究中，土壤水热过程的准确模拟是评估陆地生态系统碳循环、水循环对气候变化响应的关键，通过将土壤水热耦合模型与生态系统模型、气候模式相耦合，能够定量预测未来气候变化情景下土壤干旱、热浪等极端事件的发生频率与影响程度；在冻土区工程建设中，水热耦合模型能够模拟冻土活动层的冻融过程对道路、管线等工程设施的热影响，为冻土区工程的设计与维护提供理论支撑；在城市生态系统研究中，考虑城市下垫面特性的土壤水热耦合模型能够模拟城市绿地的降温增湿效应，为城市海绵城市建设与生态宜居城市规划提供科学依据。五、现存挑战与未来发展方向尽管土壤水热耦合运移模型研究已经取得了丰硕的成果，但面对日益复杂的应用需求，当前研究仍然存在一系列挑战：首先是复杂过程的耦合机制仍不完善，特别是土壤-植被-大气连续体（SPAC）中的多界面水热交换过程、生物过程与物理过程的相互作用机制、极端条件下（如极端干旱、极端降雨）的水热传输规律等仍有待进一步揭示；其次是多尺度模拟的精度仍有待提高，大尺度模拟中的参数异质性表征、尺度转换方法、次网格过程参数化等问题尚未得到很好的解决；第三是模型的易用性与通用性不足，多数专业模型操作复杂、参数繁多，对用户的专业背景要求较高，难以在实际生产部门中推广应用。未来土壤水热耦合运移模型的发展方向主要集中在以下几个方面：一是多过程耦合与多学科交叉融合，进一步整合土壤生物学、生物地球化学、植物生理学等学科的研究成果，发展考虑水-热-气-生-溶质多过程耦合的综合模型，提高对土壤系统复杂过程的模拟能力；二是人工智能技术与传统物理模型的深度融合，利用机器学习技术强大的数据拟合能力与特征提取能力，结合物理模型的机理性优势，发展物理informed的机器学习模型，在保证模拟精度的同时降低模型的计算复杂度与参数需求；三是多源观测数据的同化与融合，进一步整合原位监测、无人机遥感、卫星遥感、物联网监测等多来源、多分辨率的观测数据，发展高效的数据同化算法，实现模型模拟结果的动态更新与实时校正；四是