近日，南方科技大学环境科学与工程学院副教授匡星星团队以“水分特征曲线和渗透率模型对空气相对渗透系数预测的影响 (Effects of water retention curves and permeability equations on the prediction of relative air permeability)”为题在地球科学顶级期刊Geophysical Research Letters发表最新研究成果。该研究结合观测数据和模型推导，揭示了渗透率模型在预测扰动土壤空气相对渗透系数中的关键作用。

在研究诸如温室气体(CO2)的地质存储、挥发性污染物迁移、土壤呼吸和蒸散发、水力压裂流体运移等多相流问题时，空气相对渗透系数都是必不可少的，它也是多孔/裂隙介质多相流数值模型(如TOUGH2和STOMP)里的一个关键参数。目前文献中已有许多对水相相对渗透系数的研究，而空气相对渗透系数的相关研究工作则比较少，而且文献中已有的少量空气相对渗透系数模型对实测数据的预测精度也不甚清楚。

研究团队联合4个土壤水分特征曲线模型和6个渗透率模型，总共获得了24个空气相对渗透系数模型(其中15个为新推导出的模型，另9个为文献中已有)，利用从文献中搜集的31组土壤观测数据对24个模型进行了验证 (图1，2)。结果表明，土壤水分特征曲线(不论经验性或分形)的选取对空气相对渗透系数的预测几乎没有影响，而选择合适的渗透率模型则具有决定性的影响。这表明渗透率模型中的孔隙弯曲-连通因子在对空气相对渗透系数的准确预测中起到了关键的作用 (图3)。该成果为多相流数值模型中的空气相对渗透系数的准确选取提供了依据，为更好地进行多孔/裂隙介质多相流数值模拟奠定了基础。 

图1 空气相对渗透系数模型预测结果和观测数据的比较。(a) 基于Burdine的统计和分形模型；(b) 基于Modified Burdine的统计和分形模型。

图2 空气相对渗透系数模型预测结果和观测数据的比较。(a) 基于Mualem的统计和分形模型；(b) 基于Modified Mualem的统计和分形模型。 

图3 空气相对渗透系数模型预测和31种土壤观测数据的比较。(a) 基于Mualem的统计模型； (b) 基于Modified Mualem的统计模型；(c) 基于Mualem的分形模型；(d) 基于Modified Mualem的分形模型。

匡星星为论文通讯作者，西湖大学副研究员杨震雷、讲席教授李凌分别为论文第一、合作作者。南科大为通讯作者唯一单位。内蒙古农业大学讲师童新和美国德州农工大学讲席教授Binayak Mohanty参与了研究工作。该研究得到了国家自然科学基金“西南河流源区径流变化和适应性利用”重大研究计划重点支持项目的经费支持。

论文链接：https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2021GL092459

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供稿：环境科学与工程学院

通讯员：晏梓添

编辑：劳湘雯