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特邀综述:利用转换函数预测饱和渗透系数

2019-06-20 3266

         受地学权威期刊Journal of Hydrology邀请,天津大学地科院副教授张永根与美国亚利桑那大学教授Marcel Schaap撰写了如何利用转换函数预测饱和渗透系数的综述论文(invited review paper),目前已正式在线发表。

         饱和渗透系数,又称为饱和水力传导度,是地球系统科学研究中非常重要的参数。饱和渗透系数是描述介质在饱和状态下透水能力的参数,并在非饱和状态下作为比例因子通过与孔隙分布模型相结合决定了非饱和水分运动过程。此外,渗透系数在土木工程、石油工程、地质工程、农田水利等学科中对水工建筑物设计、油气藏开采、地下水资源分析、农田排水计算等研究都起到关键作用。直接测量饱和渗透系数需要耗费较高的人力物力,尤其在大尺度的模拟计算(如陆面模式、全球气候模式)中,几乎不可能直接测量渗透系数。

         转换函数(pedotransfer function)是一种利用容易测量的土壤性质获取饱和渗透系数的高效手段。本综述从达西定律(Darcy 1856)出发,详细介绍了饱和渗透系数概念的起源,以及与 Kozeny-Carman (KC) 方程的关系。KC方程是本综述文章的核心,通过KC方程可确定在孔隙尺度下影响饱和渗透系数的因素,并可结合计算流体力学,对饱和渗透系数进行深入的研究。另外,本综述详细分析了建立转换函数所需要的数据、统计方法、及用于评价模型优劣的准则,并基于全球有效孔隙度(Zhang et al. 2019)和基于土壤质地(Zhang et al. 2017等)分别预测了全球尺度的土壤饱和渗透系数地图。最后,本综述讨论了预测饱和渗透系数的挑战及远景,同时建议建立大规模及全面的饱和渗透系数数据库来评价全球饱和渗透系数的精度和准确度,考虑引入遥感数据等改进目前预测渗透系数的精度,并通过陆面模式、全球气候模式等进行验证。

        文章信息: Yonggen Zhang*, Marcel G. Schaap*, 2019. Estimation of Saturated Hydraulic Conductivity with Pedotransfer Functions: A Review. Journal of Hydrology. 575, 1011–1030. https://doi.org/10.1016/J.JHYDROL.2019.05.058


Fig1.png

图 Darcy (1956) 附录D中达西定律截图


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上图:虚拟土壤粒径示意图:从左到右分别为1200个小粒子(直径为50像素);75个大粒子(直径为100像素)与600个小粒子(直径为50像素)的组合;150个大粒子(直径为100像素)。下图: 三种不同土壤粒径利用格子玻尔兹曼(Lattice Boltzmann)模拟的流场及对应流速场(蓝色代表低速,黄色、红色代表中速及高速)


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: 基于Zhang et al. (2019) 中全球土壤有效孔隙度推导出的全球饱和渗透系数的(a)均值及(b)变异系数(CV



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图  基于Rosetta3 (Zhang and Schaap, 2017) 等模型预测的全球土壤饱和渗透系数及相应模型的均值和变异系数(CV