基于广义非饱和未冻土水力传导模型与土壤冻结特征曲线的饱和冻土水力传导率新模型开发及其应用验证

本研究针对现有饱和冻土水力传导率模型存在参数确定随意、难以准确预测等瓶颈问题，创新性地将广义非饱和未冻土水力传导模型与土壤冻结特征曲线（SFCC）相结合，开发了三种新的饱和冻土水力传导率预测模型。研究通过引入弯曲度参数（m=3.29或χ=1.11）显著提升了模型性能，并提出了当SFCC未知时可使用的经验函数。模型验证表明，考虑弯曲度的Burdine模型和CCG模型预测效果最佳，为寒区水文过程模拟和工程应用提供了重要理论工具。

　　

随着全球气候变化和寒区工程开发的不断推进，冻土水文过程研究日益受到重视。在寒冷地区，冻土层的存在显著改变了地下水的运移规律，而冻土水力传导率作为控制水分迁移的关键参数，直接影响着寒区生态水文过程、工程稳定性和环境演化。目前，冻土水力传导率的预测仍面临重大挑战：现有模型或依赖经验性冰阻抗系数（如O'Neill和Miller提出的γ取7或9），或直接表示为温度函数而忽视滞后效应，或采用恒定经验参数而缺乏普适性，导致预测结果存在较大不确定性。这些局限性严重制约了寒区水文模型的精度和工程应用的可靠性。

为突破这一瓶颈，研究人员在《Journal of Hydrology: Regional Studies》发表了创新性研究成果，通过将广义非饱和未冻土水力传导模型与土壤冻结特征曲线（SFCC）相结合，建立了新的饱和冻土水力传导率预测框架。该研究首次系统性地将基于孔隙分布的非饱和土水力传导理论引入冻土研究，通过开尔文方程和吉布斯-汤姆逊方程实现了吸力与温度参数的转换，为冻土水力特性的理论预测提供了新途径。

研究团队采用了多学科交叉的技术方法，主要包括：基于中国寒区（西北和东北省份）11种典型冻土样本的物理特性测试；运用Nixon模型进行SFCC拟合获取参数b；通过广义Burdine模型、CCG模型和Mualem模型的数学重构；采用弯曲度参数（m或χ）优化；以及基于RMSE和平均偏差(AD)的模型验证方法。这些方法的综合运用确保了研究结果的可靠性和普适性。

研究结果主要体现在以下几个层面：

通过SFCC参数化分析发现，不同土样的指数b存在显著差异（-1.008至-0.253），导致理论指数γ变化范围达2.98-9.91，这解释了为何采用固定经验值会导致预测偏差。这一发现从理论上证明了需要根据具体土体的冻结特性来确定水力参数。

在模型构建方面，研究团队成功将三种广义水力传导模型重构为饱和度的指数函数形式。特别值得注意的是，当不考虑弯曲度时，所有模型都系统性高估了实测值；而引入弯曲度校正后，预测精度显著提升。其中，采用弯曲度函数S_e^m（m=3.29）或S_e^-χ/b（χ=1.11）的模型表现出最佳性能。

验证结果表明，考虑弯曲度的Burdine模型（K_r^B-χ = S_e^1-(2+χ)/b）和CCG模型（K_r^C-χ = S_e^2-(2+χ)/b）预测效果最为理想，其RMSE和AD值显著低于无弯曲度模型。这一发现为解决长期困扰冻土水文模型的参数确定问题提供了有效方案。

针对SFCC未知的实际情境，研究还提出了经验解决方案：通过建立γ与孔隙度φ的经验关系（γ = 24.163φ - 2.817），以及特定水容量C_w(θ)的计算方法（C_w = cθ_u^d，其中d=γ/2）。这些经验公式为缺乏实测数据的工程应用提供了实用工具。

在模型应用层面，研究团队将所提出的水力传导率和特定水容量模型集成到热-水耦合模型中，成功模拟了内蒙古粉质粘土和黑龙江粘质粉土的冻结过程中水分重分布。模拟结果与实测数据高度吻合，验证了所提出模型在实际应用中的可靠性。

研究结论强调，基于孔隙分布理论构建的冻土水力传导模型相比传统经验方法具有显著优势：首先，通过SFCC确定指数γ的方法具有坚实的物理基础，避免了参数选择的随意性；其次，引入弯曲度校正有效解决了模型高估问题；第三，所提出的经验公式为不同条件下的模型应用提供了灵活性。这些创新不仅推动了冻土水文学理论发展，而且为寒区工程建设、生态环境保护和气候变化研究提供了重要工具。

该研究的重要意义在于：理论上，首次建立了非饱和未冻土与饱和冻土水力传导特性之间的定量联系，填补了该领域的理论空白；方法上，提出了可同时适用于冻结和融化过程的统一模型框架，解决了滞后效应难题；应用上，开发的模型和经验公式可直接用于寒区水文模拟、工程设计和环境评估，具有广泛的实用价值。未来研究可进一步考虑有机质含量、化学组成、冻融循环次数等影响因素，通过修正SFCC参数来拓展模型的适用范围。