非饱和土壤中不规则颗粒表面水膜厚度的DLVO理论模型构建与验证

针对现有模型无法准确预测不规则颗粒表面水膜厚度的问题，研究人员基于Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek（DLVO）理论，创新性引入固体表面曲率效应，建立了适用于非饱和土壤的水膜厚度预测模型。该模型在RH>95%时能准确捕捉水膜厚度剧增现象，并揭示离子价态、温度与曲率的协同作用机制，为土壤水力传导和污染物迁移研究提供了新工具。

　　

在自然界中，土壤颗粒从不是完美的球形——它们表面凹凸不平，有尖锐的棱角、凹陷的坑洞，还有大片的平坦区域。这种复杂的几何特征使得水分在颗粒表面形成的薄膜厚度分布极不均匀，而传统理论模型却将这些千奇百怪的颗粒简化为光滑球体或平面。这种理想化处理导致对非饱和土壤中水力传导率、污染物迁移等关键过程的预测出现显著偏差，就像用积木搭建的简化模型去模拟崇山峻岭的地形变化。

正是认识到这一局限，研究人员在《Environmental Geotechnics》发表的研究中，将经典的DLVO（Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek）理论进行革新性拓展。他们首次系统性地将固体表面曲率纳入水膜厚度计算模型，通过理论推导与实验验证的闭环研究，揭示了相对湿度（RH）超过95%时水膜厚度会呈指数级增长的现象。更令人惊讶的是，当RH突破99%的临界值后，温度每升高1°C或颗粒表面曲率半径减小10%，水膜厚度可增加达15%。这些发现如同为土壤微观水文过程安装了一台高精度显微镜，让研究者首次看清了离子价态（如Na⁺与Ca²⁺的差异）、纳米级曲率变化与宏观水文特性之间的隐秘关联。

研究团队采用三步走的技术路线：首先建立包含曲率参数的DLVO理论修正方程，接着通过原子力显微镜（AFM）测量不同RH下实际土壤颗粒的水膜厚度分布，最后采用蒙特卡洛模拟验证模型普适性。实验样本涵盖石英、长石等典型矿物组成的非均质土壤体系。

【模型构建】通过引入曲率修正项，新模型成功量化了凸面（正曲率）会抑制水膜形成、而凹面（负曲率）促进水膜累积的现象。理论计算显示，在RH=98%时，半径50nm的凹面处水膜厚度比平坦区域高22%。
【湿度阈值效应】实验数据验证了95%RH的临界阈值——低于此值时水膜增长缓慢（<3nm），而高于此值后，RH每增加1%会导致水膜厚度翻倍，这与传统平板模型的线性预测形成鲜明对比。
【多因素耦合】在饱和蒸汽压条件下，温度从20°C升至40°C可使水膜增厚40%，而二价离子（如Mg²⁺）比一价离子（如K⁺）会使水膜变薄约35%，证实了双电层压缩效应的主导地位。
【孔隙尺度效应】模型预测小孔隙（<100nm）在RH=90%时即可通过吸附作用完全充水，而传统理论预测需要RH>97%，这一发现完美解释了实验中观察到的"毛细凝聚提前现象"。

这项研究的突破性在于将土壤颗粒的几何复杂性首次量化纳入水文模型，就像为盲人摸象的故事提供了全息成像技术。它不仅修正了沿用半个世纪的理想化模型偏差，更揭示了多场耦合（湿度-温度-化学-几何）作用下水膜演变的非线性规律。这些发现对精准预测干旱区土壤水分运移、污染物防控以及地质封存系统的稳定性评估具有深远意义，标志着土壤微观水文学从"理想国"迈向"真实世界"的重要一步。