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我们通过小程序科研零时差追踪到: Catena近期发表题为“Experimental analysis and formula development for natural soil water infiltration processes in cold region freeze-thaw environments”的文章。第一单位为南京水利科学研究院。
doi: https://doi.org/10.1016/j.catena.2026.110037
数据(代码)链接: Mendeley Data
作者邮箱：ylliu@nhri.cn, diaoyanfang@sdau.edu.cn, jbao@nhri.cn, jljin@nhri.cn, yfma@nhri.cn
标签：#气候变化 #冻融循环 #水分入渗 #原位实验 #控制实验 #非线性拟合
cover本文内容速览：
- 1. 提出科学问题
- 2. 文章的主要结论
- 3. 分析过程和方法
- 4. 研究的局限性
1. 提出科学问题
1.1 研究领域现状
土壤水分入渗是控制降水向地表径流和地下水转化的关键水文过程。在占据全球陆地面积约25%的寒冷地区，冻融循环通过改变土壤内部结构，对入渗机制产生决定性影响。传统的入渗模型（如Green-Ampt、Philip和Horton方程）均基于_气候温和、属性恒定的非冻土环境_开发。这些经典模型_未考虑受温度调控的相变过程_以及冻土中由温度和势能梯度驱动的水分运移机制，将其直接应用于冻融环境会导致严重的水文模拟误差。
1.2 本文要解决的关键科学问题
针对现有传统入渗模型在寒区适用性差的缺陷，本文旨在通过系统的实验与理论推导，解决以下科学问题：
- • 问题 1: 如何通过原位和室内控制实验，定量刻画冻融循环期间入渗率和入渗模式的_动态演变特征_？
- • 问题 2: 地形坡度和植被覆盖度这两种关键下垫面条件，如何_独立及交互地影响_土壤水分的入渗过程？
- • 问题 3: 如何构建一个_融合土壤冻融状态、坡度和植被因子_的物理机制入渗新公式？
1.3 研究的理论/现实意义
本研究通过开发专门针对寒区冻融环境的Horton-RCCC入渗公式，打破了直接套用温带入渗公式的传统研究范式。这不仅提高了寒区分布式水文模型对_入渗过程的物理表征能力_，也为青藏高原及其他受全球变暖影响剧烈的寒区提供了更精确的理论工具，对未来的水资源科学管理和气候变化适应策略具有重要现实支撑作用。
2. 文章的主要结论
本研究通过多组实验验证与参数拟合，系统评估了下垫面因素对入渗的影响，并成功验证了新构建入渗公式的可靠性：
- • 结论 1: 土壤初始入渗率和稳定入渗率与_土壤容重及植被覆盖度均呈显著的负相关关系_，即容重越大、植被覆盖度越高的区域，入渗能力相对越弱。
- • 结论 2: 随着坡度从0°增加至30°，累积入渗量呈现_负指数下降趋势_，且这种下降速率因土壤类型的不同而存在差异。
- • 结论 3: 采用当前冻融深度与最大冻融深度的比值作为状态变量的新公式（Horton-RCCC），能够_连续且高精度地模拟冻融交替期间的动态入渗过程_，相较于传统Horton模型，其在坡面和冻融条件下的计算精度得到实质性提升。
3. 分析过程和方法
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本文的分析逻辑遵循“原位观测定基准—室内控制探机制—数学建模构公式—实验数据做验证”的系统性研究路径。作者不仅展示了现象，更将物理机制转化为数学表达。
研究首先在青藏高原的长江与黄河源区（如风火山、若尔盖和久治观测站）开展了原位双环入渗实验。通过在完全融化期的现场测试，获取了不同土壤类型在自然状态下的初始入渗率和稳定入渗率，以此作为后续公式推导的基准数据。同时，为保证后续实验的物理保真度，作者采用了_原状土块与环刀分层采样相结合_的方法，获取了大量具有原位物理结构的土壤样本。
▲Figure 1. 研究区地理概况及实验站点分布图随后，研究将分析重心转移至室内受控实验。在实验方法实现上，作者并未简单填埋散土，而是根据测定的原位土壤湿密度，自下而上分层复原土柱，并允许其自然沉降。这一关键步骤最大程度还原了土壤的原生结构。
▲Figure 2. 原位野外入渗实验及大体积原状土与散土采样过程室内观测实验分为两个核心模块。第一个模块是坡面产流实验。作者设计了可调节坡度的降雨-径流模拟装置（调节范围为0°至30°）。通过控制降雨强度（1 mm/min）和降雨量，收集不同坡度下的地表径流，进而推算入渗量。第二个模块是冻融循环入渗实验。依托气候模拟实验室，在-30℃至20℃的变温环境下，利用埋设于不同深度的土壤温度和水分传感器实时追踪0℃冻结锋面的位置，并在特定冻融深度利用单环入渗仪记录入渗数据。
▲Figure 3. 室内实验装置概览：土样制备、坡面产流及受控环境入渗监测在获取大量观测数据后，研究进入核心的理论公式推导阶段。传统Horton模型的衰减系数和极限入渗率通常作为全流域单一参数，无法反映空间异质性。作者提出将土壤容重和植被覆盖度作为空间分布的下垫面参数，引入到模型中。更重要的是，作者引入了_坡度影响系数_以及_冻融影响系数_。针对冻土相变，作者巧妙地将其划分为初始融化、完全融化、初始冻结和完全冻结四个阶段，并引入当前冻结/融化深度与最大深度的比值作为状态变量。通过分段幂函数连接，构建了确保函数连续性的Horton-RCCC公式。
为确定新公式的内部参数关系，作者采用了非线性拟合方法。利用Levenberg-Marquardt迭代算法，将实验获取的初始入渗率和稳定入渗率与容重、植被覆盖度进行三维空间平面拟合。图表展示上，作者使用了三维散点及拟合平面图，直观呈现了多变量间的负相关关系。
▲Figure 4. 下垫面参数（容重与植被覆盖度）与入渗参数的拟合关系平面对于地形坡度参数，作者定义了坡度影响系数（即某坡度入渗量与水平坡度入渗量的比值）。散点图清晰表明，随着坡度值增加，坡度影响系数呈现先急剧下降后趋于平缓的特征。据此，作者同样使用Levenberg-Marquardt算法，为三种不同质地的土壤拟合了负指数关系曲线。
▲Figure 5. 坡度影响系数与坡度值的指数拟合关系在验证阶段，作者详细对比了传统Horton模型与Horton-RCCC模型。首先在完全融化阶段进行验证。数据表明，在水平坡度下两者精度相当；但引入10°坡度后，传统Horton模型因无法体现坡度效应导致径流计算严重偏小，而Horton-RCCC公式的计算结果则与实测值高度吻合。
▲Figure 6. 完全融化阶段Horton公式与Horton-RCCC公式的验证对比最具创新性的展示在于对冻融循环全过程的拟合对比。作者在此引入了一个转换思路：设定恒定的冻融速率（5 cm/d），将原本难以直观比较的“冻融深度”转化为连续的“时间序列（天）”，以此构建了入渗率随入渗时间及冻融历时变化的真实三维空间。在可视化呈现中，Horton公式的拟合面呈现为平直的圆柱面，表明其对冻融状态毫无响应；而Horton-RCCC公式的拟合面呈现出先上升、后平稳、再下降的起伏形态，精准契合了土壤解冻时入渗增强、冻结时入渗受阻的物理客观规律。决定系数的显著提升证明了该公式在动态环境下的强适用性。
▲Figure 7. 冻融循环全过程Horton公式与Horton-RCCC公式的拟合曲面对比4. 研究的局限性
受客观环境与实验条件的制约，本研究存在部分局限性。首先，在建立容重、植被覆盖度与入渗参数的关系时，受制于采样难度，样本量较为有限，这使得经验参数在应用于大尺度流域模拟时可能引入一定的不确定性。其次，为避免大规模采样破坏脆弱的高寒生态环境系统，以及规避大体积土柱在实验室内部难以保持同层温度均匀的问题，研究采用了小体积土柱进行控制实验，这在一定程度上限制了对坡度影响和深层水分运移的更宏观考察。此外，本研究仅针对源区内三种典型土壤类型进行了参数验证，未来需要扩展观测数据集，涵盖更广泛的土壤和植被类型，以进一步校准非线性关系中的经验参数，提升模型的普适性。
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