深圳訊 近日，南方科技大學環(huán)境科學與工程學院副教授匡星星團隊以“水分特征曲線和滲透率模型對空氣相對滲透系數(shù)預測的影響 (Effects of water retention curves and permeability equations on the prediction of relative air permeability)”為題在地球科學頂級期刊Geophysical Research Letters發(fā)表最新研究成果。該研究結(jié)合觀測數(shù)據(jù)和模型推導，揭示了滲透率模型在預測擾動土壤空氣相對滲透系數(shù)中的關(guān)鍵作用。

在研究諸如溫室氣體(CO2)的地質(zhì)存儲、揮發(fā)性污染物遷移、土壤呼吸和蒸散發(fā)、水力壓裂流體運移等多相流問題時，空氣相對滲透系數(shù)都是必不可少的，它也是多孔/裂隙介質(zhì)多相流數(shù)值模型(如TOUGH2和STOMP)里的一個關(guān)鍵參數(shù)。目前文獻中已有許多對水相相對滲透系數(shù)的研究，而空氣相對滲透系數(shù)的相關(guān)研究工作則比較少，而且文獻中已有的少量空氣相對滲透系數(shù)模型對實測數(shù)據(jù)的預測精度也不甚清楚。

研究團隊聯(lián)合4個土壤水分特征曲線模型和6個滲透率模型，總共獲得了24個空氣相對滲透系數(shù)模型(其中15個為新推導出的模型，另9個為文獻中已有)，利用從文獻中搜集的31組土壤觀測數(shù)據(jù)對24個模型進行了驗證 (圖1，2)。結(jié)果表明，土壤水分特征曲線(不論經(jīng)驗性或分形)的選取對空氣相對滲透系數(shù)的預測幾乎沒有影響，而選擇合適的滲透率模型則具有決定性的影響。這表明滲透率模型中的孔隙彎曲-連通因子在對空氣相對滲透系數(shù)的準確預測中起到了關(guān)鍵的作用 (圖3)。該成果為多相流數(shù)值模型中的空氣相對滲透系數(shù)的準確選取提供了依據(jù)，為更好地進行多孔/裂隙介質(zhì)多相流數(shù)值模擬奠定了基礎。

圖1 空氣相對滲透系數(shù)模型預測結(jié)果和觀測數(shù)據(jù)的比較。(a) 基于Burdine的統(tǒng)計和分形模型；(b) 基于Modified Burdine的統(tǒng)計和分形模型。

圖2 空氣相對滲透系數(shù)模型預測結(jié)果和觀測數(shù)據(jù)的比較。(a) 基于Mualem的統(tǒng)計和分形模型；(b) 基于Modified Mualem的統(tǒng)計和分形模型。

圖3 空氣相對滲透系數(shù)模型預測和31種土壤觀測數(shù)據(jù)的比較。(a) 基于Mualem的統(tǒng)計模型； (b) 基于Modified Mualem的統(tǒng)計模型；(c) 基于Mualem的分形模型；(d) 基于Modified Mualem的分形模型。

匡星星為論文通訊作者，西湖大學副研究員楊震雷、講席教授李凌分別為論文第一、合作作者。南科大為論文第一單位。內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學講師童新和美國德州農(nóng)工大學講席教授Binayak Mohanty參與了研究工作。該研究得到了國家自然科學基金“西南河流源區(qū)徑流變化和適應性利用”重大研究計劃重點支持項目的經(jīng)費支持。（晏梓添）