改进的van Genuchten土壤水分特征模型：考虑表面吸附力的全范围水分表征

本研究针对经典van Genuchten（vG）模型在干燥区间因忽略表面吸附力导致预测偏差的问题，提出了一种改进的单段连续模型（IvG）。该模型无需新增参数，通过数学重构实现了从饱和到完全干燥的全范围精准拟合，并与Mualem导水模型耦合验证了其物理合理性。研究为土壤水分运移模拟提供了更简洁可靠的数学工具，对农业灌溉、生态水文等领域具有重要意义。

　　

土壤水分特征曲线（Soil Water Characteristic, SWC）是描述土壤基质势与含水量关系的核心水力特性参数，其精确建模对农业节水、污染物迁移预测等至关重要。经典van Genuchten（vG）模型基于"毛细管束"假设，虽在湿润区间表现良好，却因忽视干燥区以表面吸附力（如黏土矿物对水分子的吸附）为主导的机制，导致预测值偏离实测数据。现有改进方案多采用分段函数或增加参数，但存在连续性差、复杂度高等缺陷。针对这一瓶颈，美国犹他州立大学等单位的研究团队在《Journal of Hydrology》发表研究，提出了一种兼具简洁性与精确性的改进方案。

研究采用数学重构方法，通过分析UNSODA数据库及公开文献中涵盖砂土至黏土的8种典型土壤数据（表1），对比了vG模型与改进模型（IvG）的拟合效果。关键技术包括：（1）基于原始vG方程参数（α、n、m）的代数重构；（2）采用Mualem模型计算非饱和导水率K(h)；（3）通过RMSE（均方根误差）和AIC（赤池信息准则）定量评估模型性能。

土壤水分特征（SWC）函数
通过引入连续修正项，IvG模型将vG方程扩展为S_vG(h)=[1+(αh)ⁿ]^-m+Δ(h)，其中Δ(h)为吸附力修正项。该公式保持原参数体系，但通过首阶连续性处理实现了干燥区水膜厚度的渐进表征。

材料与方法
选取Sand #4520、Gilat壤土等代表性土壤，其SWC数据覆盖10⁰-10⁶ cm基质势范围。结果显示（图1-2），IvG在干燥区（h>10⁴ cm）的预测误差较vG降低35%-68%，尤其对高黏粒土壤的拟合优度R²提升至0.98以上。

拟合效能对比
IvG成功解决了vG模型在θ→θ_r（残余含水量）时的平台效应，如Gilat壤土在h=10⁵ cm时，IvG预测值较实测偏差仅0.003 cm³ cm^-3，而vG偏差达0.018 cm³ cm^-3。与双段模型相比，IvG的AIC值平均降低22%，证实其参数效率优势。

结论与意义
该研究首次实现了单方程描述毛细-吸附协同作用的全范围SWC，其创新性体现在：（1）物理上统一了毛细管上升与表面吸附的过渡机制；（2）数学上维持了vG模型的简洁微分特性，便于耦合Richards方程求解。成果为干旱区土壤水分模拟、精准灌溉系统设计等提供了更可靠的模型基础，尤其对黏质土壤占主导的生态脆弱区具有重要应用价值。