高寒冻融区土壤水分入渗过程实验分析及其公式化表征

《CATENA》：Experimental analysis and formula development for natural soil water infiltration processes in cold region freeze-thaw environments

为解决传统入渗模型不适用于冻融环境、导致寒区水文模拟误差大的问题，研究人员针对高寒冻融区，开展了土壤水分入渗过程的实验分析与公式开发研究。他们基于Horton方程，提出了适用于寒区冻融环境的Horton-RCCC公式，该公式考虑了坡度、植被盖度和冻融状态的影响，在完全融化和冻融期均表现出更高的精度。该研究突破了对温带模型直接应用的依赖，有望改进寒区水文建模与水资源管理。

　　

在广袤的寒区，包括地球陆地表面的四分之一，水循环中的一个关键环节——土壤水入渗过程，正经历着气候变化的深刻重塑。冻融循环通过改变土壤结构，显著影响着水是成为地表径流还是下渗补给地下水，进而调控着当地乃至下游的水资源分布与生态功能。然而，一个不容忽视的挑战是，我们当前描述水如何渗入土壤的“工具箱”——如Green-Ampt、Philip和Horton等经典模型，都是在稳定、温和的条件下开发出来的，它们假设土壤性质恒定不变。这与寒区冻融环境中土壤水、冰相态剧烈变化，水力特性高度异质的复杂现实形成了鲜明对比。当我们将这些“温带公式”直接套用到冻土区时，往往会引入显著误差，导致水文预测充满不确定性，这对于被称为“亚洲水塔”、为近14亿人提供水源的青藏高原等敏感地区的水资源管理与气候适应构成了严峻挑战。为了突破这一瓶颈，由水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院水灾害防御全国重点实验室的姚传辉、刘艳丽、王泽军、刁艳芳、涂伟铭、鲍静、金君良和马玉斐组成的研究团队，在《CATENA》上发表了一项开创性研究，他们通过系统的野外与室内实验，深入分析了高寒冻融环境的土壤水分入渗过程，并成功开发了一个专为冻融环境“量身定制”的新型入渗公式——Horton-RCCC公式。

为了探究冻融环境下土壤水入渗的奥秘，研究人员综合运用了多种关键技术方法。研究区域选在了典型的高寒冻土与季节冻土分布区——青藏高原长江黄河源区。他们首先在沱沱河风火山、若尔盖和久治等代表性地点的完全融化期，进行了野外双环入渗原位试验，以获取传统Horton模型的初始入渗率(f₀)和稳定入渗率(f_c)参数，并采集了环刀、原状土块和散装土三种类型的土壤样品。在实验室内，他们利用模块化金属箱重建了反映源地分层特性的土壤柱。通过人工控制环境温度的实验室，模拟了从完全冻结到不同深度（如15厘米）开始融化的冻融过程，并利用单环入渗仪观察了水在冻融土壤中的入渗行为。此外，他们还设计了可调节坡度的降雨-径流模拟装置，通过喷洒定量水模拟降雨，测量不同坡度下的地表径流量，从而反推出入渗量，定量分析了地形坡度对入渗过程的影响。这些方法为构建和验证新模型奠定了坚实的实验数据基础。

2. 研究区与方法。研究区位于对全球变化高度敏感的青藏高原长江黄河源区，该区域是典型的低纬度、高海拔多年冻土分布区，被誉为“亚洲水塔”。年平均降水量在257.54毫米（长江源）到429.64毫米（黄河源）之间。研究选择了风火山实验站作为多年冻土入渗特征的研究单元，选择若尔盖站和久治小流域作为季节冻土的研究单元。在方法上，研究基于具有广泛适用性的Horton方程进行改进，提出了针对高寒地区冻融环境的Horton-RCCC公式。该公式的核心创新在于引入了坡度影响系数λ(i)、冻融影响系数H(h)，并将初始入渗率f₀和稳定入渗率f_c构建为与土壤容重(γ)和植被覆盖度(FVC)相关的函数，从而能够显式表征下垫面的空间异质性，使其与分布式水文建模框架兼容。

3. 实验与方法。这部分详细描述了获取模型参数和验证公式所开展的各类实验。3.1. 原位野外入渗实验与土壤采样。研究人员在完全融化期使用双环入渗仪在选定的多个点位进行了入渗试验，并同步采集了用于测定土壤物理性质（如容重）和用于后续室内重建实验的土壤样品。3.2. 实验室观测实验。这是研究的核心实验部分，包括：（1）土壤样品重建：利用野外采集的散装土，在实验室内按原状土的分层特性重建了土壤柱，为后续实验提供受控样本。（2）坡度径流产生实验：通过改变土壤槽的倾斜角度（0°至30°），在特定降雨强度下模拟降雨，测量不同坡度下的地表径流量，计算出对应的入渗量，进而确定了坡度影响系数λ(i)，其定义为任意坡度下的入渗量与水平坡度（0°）下入渗量的比值。（3）土壤冻融循环过程中的入渗实验：在人工气候室内，对重建的土壤柱进行从完全冻结到逐渐融化的温度控制，并在土壤达到特定的融化深度（如15厘米）时，进行单环入渗实验，从而观测和量化冻融状态对入渗过程的影响。3.3. 冻融状态表征与Horton-RCCC公式。基于冻土的四个阶段（初始融化、完全融化、初始冻结、完全冻结），研究提出了对应的分段入渗公式。其中，冻融影响系数H(h)被理论推导为以当前冻融深度与最大冻融深度的比值为变量的幂函数形式，从而巧妙地实现了与完全冻结（系数为0）和完全融化（系数为1）阶段公式的平滑衔接。最终形成的Horton-RCCC公式体系能够动态反映冻融循环、坡度及下垫面属性对入渗能力的综合影响。

4. 结果与分析。4.1. 入渗参数。通过拟合野外双环入渗实验数据，得到了不同下垫面条件下的f₀和f_c值，并进一步建立了它们与土壤容重γ、植被覆盖度FVC之间的定量关系式。4.2. 坡度影响。实验室坡度径流实验结果表明，随着坡度i的增加，入渗量显著减少。通过数据分析，得到了坡度影响系数λ(i)与坡度i之间的经验关系式。4.3. 冻融影响。室内冻融入渗实验证实，在初始融化阶段，入渗能力随着融化深度的增加而非线性增强。通过对实验数据的拟合，确定了表征融化过程的参数β和表征冻结过程的参数α的取值。4.4. Horton-RCCC公式的验证。利用未参与参数率定的独立室内冻融入渗实验数据对构建的Horton-RCCC公式进行了验证。结果表明，在完全融化期（坡度为零时），Horton-RCCC公式与原始Horton公式精度相当；而在有坡度的情况下，新公式展现了其优势。更重要的是，在冻融期，Horton-RCCC公式能够有效处理下垫面入渗条件的动态变化，其模拟精度相比传统模型有显著提高。

5. 结论与讨论。这项研究取得了具有重要意义的成果。它系统地通过野外原位观测与室内控制实验相结合的方式，首次定量刻画了冻融循环过程中土壤入渗速率与模式的动态演变规律。研究明确了坡度梯度与植被覆盖对入渗过程的个体与交互影响，并在此基础上，成功开发了一个新的、具有物理基础的入渗公式——Horton-RCCC公式。该公式的创新之处在于，它集成了土壤冻融状态、坡度和植被因子，突破了直接应用温带条件入渗公式的传统研究范式。

Horton-RCCC公式的意义深远。在理论上，它增强了对寒区特殊水文过程物理机制的刻画，为理解冻土区水循环提供了更精细的工具。在应用上，该公式由于明确包含了易于获取的下垫面参数（土壤容重、植被覆盖度、坡度），天生与分布式水文模型的框架兼容，能够显著改善寒区流域水文模拟的精度。面对全球变暖导致的冻土退化、冻融循环加剧等变化，这一公式能够更好地模拟和预测寒区水文系统对气候变化的响应，从而为寒区水资源管理、生态系统保护及气候变化适应策略的制定提供更为可靠的科学依据。这项研究标志着在寒区水文过程模拟领域迈出了关键一步，为后续相关研究树立了新的标杆。