考虑非饱和区的改进Green-Ampt模型开发及其在土壤水分入渗模拟中的应用

为解决传统Green-Ampt（GA）模型因忽略非饱和区导致的入渗过程模拟偏差问题，研究人员开发了改进的Green-Ampt（MGA）模型。该模型通过引入非饱和区椭圆分布假设、平均非饱和导水率及湿润锋平均吸力修正项，显著提升了12种USDA土壤质地的入渗模拟精度（MAE降低至8.8 mm，MRE为6.6%）。研究成果为水文循环模拟和农业灌溉优化提供了更精准的理论工具。

　　

土壤水分入渗模拟的突破：当Green-Ampt模型遇上非饱和区

土壤水分入渗是水文循环的核心环节，直接影响农业灌溉效率与洪水预测精度。传统Green-Ampt（GA）模型虽被广泛应用，但其“活塞流”假设——将土壤简单划分为完全饱和的湿区和干燥区——始终难以刻画真实入渗过程中非饱和区的渐变特性。这种简化导致模型在湿润锋深度和累积入渗量预测上存在系统性偏差，尤其对黏土或砂质土等不同质地土壤的适应性不足。如何量化非饱和区的水力特性，成为提升入渗模型精度的关键“卡脖子”难题。

针对这一挑战，国内某研究团队在《Biosystems Engineering》发表研究，提出了改进的Green-Ampt（MGA）模型。该模型首次将非饱和区土壤含水量分布描述为椭圆曲线，并创新性地提出两个核心修正：一是将非饱和区平均导水率（K_unsat）等效为平均土壤含水量对应的导水率；二是建立湿润锋平均吸力（S_m）的动态修正项。通过耦合HYDRUS-1D的数值模拟与实验室实测数据，团队验证了MGA模型在12种USDA标准土壤质地中的普适性，其湿润锋深度预测误差（MAE=8.8 mm）较传统GA模型降低超30%。

关键技术方法
研究采用多尺度验证策略：①利用HYDRUS-1D软件构建一维垂直入渗数值模型，模拟12种土壤质地的水分运移过程；②通过实验室土柱实验获取实测湿润锋数据；③基于椭圆分布函数拟合非饱和区含水量剖面，推导平均导水率与吸力修正项的数学表达式；④采用平均绝对误差（MAE）、相对误差（MRE）和百分比偏差（PB）量化模型性能。

研究结果
1. Green-Ampt模型的理论局限
传统GA模型将湿润锋（Z_f）视为饱和区与干区的突变界面（图1），其基本公式i=K_s(h₀+S_m+Z_f)/Z_f中，饱和导水率（K_s）和恒定吸力（S_m）假设导致对非饱和区水力特性的忽视。

2. 非饱和区厚度动态变化规律
HYDRUS-1D模拟揭示：非饱和区厚度与湿润锋深度比值（δ/Z_f）呈非线性递减（图2），黏土类土壤的δ/Z_f衰减速率显著快于砂土，证实土壤质地是影响非饱和区演化的关键因素。

3. MGA模型的创新架构
MGA模型将湿区重构为饱和区与非饱和区（图4），其中非饱和区含水量θ(z)服从椭圆分布θ(z)=θ_sat-[(θ_sat-θ_init)(1-(z/δ)²)]^0.5，平均导水率K?=K(θ?)通过Brooks-Corey模型计算。湿润锋吸力修正项ΔS_m=-0.21ln(δ/Z_f)+0.37显著提升吸力表征精度。

4. 模型验证与性能对比
实验室与HYDRUS-1D数据双重验证显示：MGA模型的湿润锋预测MAE（8.8 mm vs. GA模型的20.6 mm）和累积入渗量MRE（5.9% vs. 9.2%）均显著优化，尤其在粉壤土中PB偏差从-7.1%降至-1.6%。

结论与意义
该研究突破了GA模型百年来的“活塞流”理论框架，首次通过椭圆分布函数实现了非饱和区水力参数的物理表征。MGA模型不仅为不同质地土壤的入渗模拟提供统一解决方案，其提出的δ/Z_f非线性衰减规律更深化了对土壤水分运移机制的认识。实际应用中，该模型可显著提升农业灌溉效率评估和降雨-径流模型的精度，相关成果已获国家自然科学基金等项目的持续支持。未来研究可进一步探索非饱和区模型在根系吸水效应和坡面稳定性分析中的拓展应用。