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土壤具有强烈的空间变异性，其根源在于非均质性广泛存在于由单个孔隙到田块直至整个流域的各个观测尺度上。土壤系统在宏观上发生的过程(水分传输、溶质运移等)和现象(优势流等)在很大程度上取决于系统的最小单元——孔隙的属性及其相互间的关系。通过获取原状土壤孔隙结构的三维信息，采用模型模拟的方法将土壤微观结构与生态功能及其内在机制关联起来，是目前土壤学领域的研究热点之一。但土壤作为一种复杂的非固结多孔介质，其三维孔隙结构的获取、分析和有效模拟涉及到诸多的技术难点，目前尚无完善的思路和技术途径。
本文针对以上问题开展研究工作，以河南封丘地区3种不同质地的潮土为对象，通过对原状和填装样本的CT扫描得到各样本的二维系列数字图像，用数字图像分析方法确定土壤孔隙大小分布与连通性，进行了土壤孔隙空间的三维重建。在此基础上建立了符合实测孔隙形态与结构特征的相关网络模型，模拟了孔隙尺度的水分运动过程，并预测了土体尺度的土壤水力学性质。实现了由孔隙形态和结构特征直接预测土体尺度的介质有效水力学性质，为以后向更大尺度的拓展奠定了基础。主要得到以下几点结论：
(1)与以往通过打磨切片来获取土壤孔隙二维图片的方法相比，本文采用的CT扫描方法不仅提高了图片的获取效率，同时也避免了对样本孔隙结构的扰动，结果更接近真实情况。
(2)自行开发了土壤孔隙结构的三维重建软件，构建了三维土壤孔隙空间的虚拟实体，更直观、准确的反映出土壤的内部结构，弥补一般网络模型模拟的孔隙结构在视觉上与实际土壤内部结构差距较大的缺陷。
(3)通过CT数字图像分析获得的孔隙大小分布与孔隙连通性参数(欧拉特征数)来共同表征实际土壤的孔隙结构特征，结果可以很好地反映不同土壤样本孔隙结构间的差异。扰动土与原状土间的差异主要体现在原状样本中可识别出的孔隙含量(≥50μm)高于同质地的扰动土，且存在相互连通的孔径较大的孔隙(≥600μm)。
(4)构建了同时符合实测孔隙大小分布与孔隙连通性的相关网络模型和仅符合实测孔隙大小分布的随机网络模型，通过理想介质(彩色石英砂)对两种网络模型的有效性进行了验证。结果表明，相关网络模型更好地预测了石英砂介质的水分特征曲线(RMSE=0.030 cm3 cm-3，R2=0.964)及水力传导率(RMSE=72.39cm/d，R2=0.945)。孔隙尺度水分运动过程的模拟结果也同样表明，相关网络能够更好地反映较大孔隙对水分运动过程的影响。
(5)采用两种网络模型分别预测不同质地的扰动土及原状土样本的水力学性质。在预测土壤水分特征曲线时，相关网络模型对各质地扰动土及原状土均取得了较好的预测效果(RMSE≤0.021 cm3 cm-3，R2≥0.846)，优于随机网络模型。在预测水力传导率时，相关网络模型在压力水头较低(小于10cm)时对扰动土和原状土的预测值均较实测值偏高。随压力水头逐渐增加，预测值与实测值变化趋势基本一致。随机网络在低水头段的预测值虽与实测值较接近，但是随压力水头逐渐增加，预测值的变化趋势与实测值并不相符，特别是无法反映出原状土中大孔隙对水力传导率的影响。