水力滞后中空气滞留-吸力互作机制的实验解析与状态依赖型持水模型构建

本研究针对非饱和土水力滞后现象中空气滞留动态与基质吸力路径依赖性的表征难题，通过粉土、黏土和残积土的实验，揭示了滞留空气含量受历史最大基质吸力主导的规律。提出新型吸力依赖公式（R2=0.984–0.998），建立参数精简（9→5）的状态依赖持水模型，证实忽略空气滞留会导致8–10%饱和度误差，为水文地质与岩土工程提供更精准的滞回行为预测工具。

　　

土壤中的水-气相互作用如同一场精妙的拉锯战，尤其在干旱与湿润交替的环境中，水分的进出并非简单的可逆过程。这种被称为"水力滞后"的现象，使得土壤在相同吸力条件下因历史干湿路径不同而呈现差异化的含水量。传统研究多聚焦于毛细作用，却忽视了滞留空气的"隐形玩家"角色——它们像被困在迷宫中的气泡，随着土壤吸力的变化不断重组，直接影响着水分运移和工程稳定性预测的准确性。

针对这一难题，中国国家自然科学基金支持的研究团队在《Journal of Hydrology》发表论文，通过郑州黏土、三门峡粉土和台州残积土的系列实验，首次量化了历史最大吸力对空气滞留的决定性作用。研究采用高精度吸力控制装置监测饱和度的动态演变，结合X射线衍射（XRD）分析矿物组分，并基于ISVH-TRAP模型框架开发了新型状态依赖持水模型。

滞回机制
研究阐明了接触角差异和"墨水瓶效应"（ink-bottle effect）共同导致的滞回现象。当水进入狭窄的瓶颈状孔隙时，会形成气穴，这些被困空气的体积与土壤经历过的最大吸力呈非线性关联。

测试材料
三种土壤的矿物学组成显示，高塑性的郑州黏土（孔隙率n=0.492）比砂质土更易形成复杂的孔隙网络，这为空气滞留提供了结构基础。

跨土类的滞回行为
实验数据表明，所有土壤在30 kPa吸力下均无法恢复初始饱和状态（S_r⁰），且最终饱和度随反转饱和度（S_r^t）降低而递减。细粒土的滞回曲线呈现显著非线性，而砂土在高吸力区（>50 kPa）遵循二次函数规律。

控制方程
改进的ISVH-TRAP模型将拟合参数从9个精简至5个，通过引入Γ_a(ψ_{maxmax²+bψmax描述滞留空气与最大吸力的定量关系，验证显示该模型对Lenhard等（1991）的砂柱数据同样适用。}

结论与意义
这项研究突破了传统滞回模型对毛细作用的单一依赖，建立了吸力-空气滞留的普适性关系：①历史最大吸力（而非循环次数）主导空气滞留量；②提出的二次函数比线性关系更准确预测滞回环（RMSE<5%）；③忽略空气滞留将导致8-10%的饱和度误差。该模型为边坡稳定性分析、污染物迁移模拟等工程应用提供了更可靠的参数化方案，尤其适用于季风区频繁干湿交替的土体行为预测。通过将微观气-水相互作用与宏观土水特征曲线（SWRC）相关联，为多相流理论的发展提供了新的实验支撑和建模思路。