水稻是我国主要粮食作物之一，其生产规模的稳定与发展，在我国的粮食安全战略中具有举足轻重的地位。随着社会经济的发展，工业和生活用水量急剧增长，与农业用水的冲突日益加剧，在农业用水总量只能是零增长甚至是负增长的情况下，要大幅度提高灌溉水的利用率、产出率及扩大灌溉面积、提高灌溉保证率，只能靠进一步挖掘农业节水潜力来实现。在水稻灌溉中，需要突破传统的灌溉理论，采用先进的灌溉方式，以节约灌溉用水、提高灌溉水资源利用效率，非充分灌溉技术因此而成为人们的研究热点。稻田土壤在进行非充分灌溉后将会导致土壤中大孔隙的出现，从而产生大孔隙流，一方面，造成水分大量流失，浪费水资源；另一方面，土壤中留存的化肥、农药等污染物随大孔隙流迁移到地下水中造成地下水资源的污染。针对目前大孔隙流研究存在的问题，本文从土壤微观结构出发，运用数字图像制备分析技术对土壤大孔隙结构进行定量描述，并采用分形理论研究土壤大孔隙流的运动模型，主要工作及创新点如下：(1)运用数字图像制备分析技术，对土壤大孔隙的数目、大小、形状分布等特征进行定量描述，构建了大孔隙结构中大孔隙数目N、大孔隙度Φ、面积A、周长P、成圆率C、平均孔径R_p、孔隙复杂度D、图像5mm间距孔隙面积变异度V_j和孔隙重叠度O_p等分析指标；分析了不同质地土壤大孔隙结构在土壤纵断面上的变化规律及差异，粘土和砂壤土的孔隙分形维数D_v分别为1.8567和1.7044，土壤质地越细(粘粒含量越高)，分形维数越大。(2)应用大孔隙分形模型预测了土壤水分特征曲线和非饱和导水率。由孔隙分形维数D_v计算出的水分特征曲线分形模型，粘土和砂壤土的体积水分含量预测的均方根误差(RMSE)分别为0.018和0.078，而根据颗粒大小分布估计土壤水分特征曲线的分形模型，其粘土和砂壤土的RMSE值分别为0.073和0.113；由孔隙分形维数D_v计算出的水力传导度分形模型，粘土和砂壤土的RMSE值分别为0.085和0.108，而根据颗粒大小分布估计的土壤水力传导度分形模型，其粘土和砂壤土的RMSE值分别为0.297和1.363。结果表明，由孔隙分形维数D_v计算出的分形模型，其预测效果达到一定的精度，比由颗粒大小分布估计的分形模型预测效果好，可用于实际问题的研究之中。(3)通过有大孔隙原状土的水分穿透试验，研究了供水流量、土壤质地对大孔隙流发生的影响过程。结果表明，随着供水流量的增加，水在土壤中的穿透时间将会缩短；水在砂壤土中的穿透速度快于粘土。在此基础上，确定了大孔隙流运动参数的测定方法，为大孔隙流模型建立和验证所需准确数据的获取，提供了方法指导。现有研究表明，土壤中大孔隙分布及不均性是大孔隙流的重要影响因素，由于土壤水分、溶质的持留和运移在很大程度上是由土壤孔隙的几何性质所决定的，因而以往仅仅采用土壤颗粒大小分布这一单一因素来确定分形维数、研究土壤大孔隙流的方法是不完备的。虽然土壤孔隙的数目、大小、形状分布非常复杂而且难于识别，但是现代图像处理和分析技术为解决这一问题提供了一个强有力的工具。本文运用数字图像制备分析技术，结合大型图像处理软件ImageSys对土壤大孔隙的数目、大小、形状分布等特征进行了定量描述；计算出不同质地土壤的孔隙分形维数D_v，并通过孔隙分形模型对土壤水分特征曲线和土壤水力传导度进行预测。结果表明，运用数字图像制备分析技术计算出的大孔隙分析指标能够定量评价不同质地大孔隙结构的差别，由孔隙分形维数D_v计算出的分形模型，其预测效果达到一定的精度，比由颗粒大小分布估计的分形模型预测效果好，该方法快捷、准确、成本低，可用于实际问题的研究之中。本文对非充分灌溉稻田土壤大孔隙流的研究，丰富了大孔隙的研究理论，对节水灌溉和减少农业面源污染具有一定的科学指导意义。