基于激光衍射技术与粒径分析模型的非饱和带网格尺度水力表征新框架

《Scientific Reports》：Performance evaluation of laser diffraction and sieve-pipette techniques for grid-scale hydraulic characterization of lateritic vadose zones

　　

摘要

非饱和带在维持地球社会和生态系统中起着至关重要的作用。非饱和带的复杂性，加上昂贵且繁重的实地调查，使其表征面临严峻挑战，因此在水文地质研究中常被忽视。本研究展示了一个利用激光衍射（LD）技术和粒径分析（GSA）模型进行非饱和带网格尺度水力表征的新型科学框架。为了验证所提出的方法，研究人员在印度东部红土地形的 33 个网格的四个层中收集了总共 126 个非饱和带样品和 95 个土芯样品。此后，通过生成粒径分布曲线（GSDCs）并使用选定的 GSA 模型在四个不同深度（0–50 厘米、50–100 厘米、100–150 厘米和 150–200 厘米）估算非饱和带水力传导系数（K_vz），比较了先进 LD 技术和传统筛洗分析（SP）的有效性，接着进行不确定性分析。最后，使用现场测量的 K_vz 验证了基于 SP-GSA 和 LD-GSA 模型的 K_vz 估计值。对不同深度的 GSDCs 分析显示，与 SP 技术相比，LD 技术产生的 S 形 GSDCs 更平滑。与此一致的是，与 SP-GSA 模型估算的 K_vz（0.0008–2.171 米/天）相比，LD-GSA 模型估算的 K_vz（0.0002–1.203 米/天）表现出低不确定性。基于统计和图形指标的验证结果显示，对于非饱和带的所有层，大多数 LD-GSA 模型产生的 K_vz 与测量的 K_vz 值密切吻合 [MAE：0.38 至 0.89 米/天，RMSE：0.6 至 0.98 米/天]。另一方面，SP-GSA 模型的性能也被发现是合理的，在所有非饱和带层中产生的 K_vz 值的 MAE 和 RMSE 分别在 0.36 至 1.45 米/天和 0.64–1.74 米/天之间。结论是，LD 技术提供了更可靠的 GSDCs，而 SP 和 LD 技术均能产生可靠的 K_vz（使用适当选择的 GSA 模型），从而为网格尺度估算 K_vz 提供了一个有用的科学框架。所提出的框架为在不同水文地质和水文气候条件下进行更大空间尺度的可迁移性和未来评估提供了基础。