季节冻土分布面积占我国国土面积的53.5%,区内的丰富资源对于人类的生存环境及生产活动有重要意义。受季节性冻融循环作用影响,包气带中水、汽、冰三相迁移转化过程和机理相对复杂,关于水汽热耦合传输机制、模型构建及计算模拟技术等方面的研究相对薄弱,限制了人们对于包气带水循环机理以及许多环境与工程问题的理解。本文以毛乌素沙地季节性冻土区为研究对象,聚焦包气带水汽热耦合传输机制,在原位监测及室内外试验的基础上,通过数值模拟技术定量研究冻融期及非冻融期包气带水汽热耦合运移过程,揭示了不同时间尺度下、不同深度处土壤水分、温度以及通量的分布特征与变化规律。主要取得如下研究成果:（1）通过长期原位监测包气带水热动态发现,受降水频繁及蒸发强烈影响,在非冻融时期浅层10 cm处土壤水分波动显著。随深度增大土壤水分与温度变幅减弱,且存在明显滞后现象。当土壤温度低于冻结点后,液态水含量显著下降,含冰量逐渐增大,最大冻结深度超过110 cm。土壤水汽密度与温度变化联系紧密,在冻结时数值较小。（2）基于监测及室内外试验数据,利用Hydrus-1D软件分别建立了水汽热耦合模型与等温模型研究非冻融期包气带水分迁移过程。相比较而言,耦合模型土壤水分与温度拟合RMSE值分别为0.007 cm3/cm3与0.7℃,误差相对较小,表明其适用于评价干旱半干旱地区土壤水分运移过程。由于忽略了温度梯度驱动下液态水与气态水迁移过程,等温模型的拟合结果较差,误差随模拟时间增长而逐渐增大。（3）对不同气象条件下耦合模型中各水分通量的日变化规律进行分析表明,等温液态水在干旱时期受蒸发作用影响通量方向向上,在降雨过程中表层会交替出现聚集型及发散型零通量面,通量值显著增大;而等温气态水通量在干旱时期及湿润时期通量值均较小,对水分迁移过程影响可被忽略。在温度梯度驱动下,非等温液态水与气态水通量存在明显的日变化规律。在干旱时期气态水与液态水通量最大值分别出现在土壤表层及20 cm处,受降雨过程影响液态水通量显著增大而气态水通量减小。（4）基于冻融期包气带水汽热耦合运移理论,研发了适用于冻融条件下包气带水汽热耦合运移程序,将其嵌入Hydrus-1D软件中。在程序计算过程中,对容易引起数值计算不收敛的问题进行了改进,包括采用有效能量理论方法修正了相变时计算的土壤温度以及增加含冰量计算模块,提升了模型运行稳定性。利用该程序建立了水汽热耦合数值模型,其模拟结果与冻融期实测值拟合较好,土壤水分与温度拟合RMSE值分别为0.006 cm3/cm3与0.6℃。此外,通过不同试验场地实测数据验证表明该模型具有良好的适用性,可用于不同冻土地区研究中。（5）利用所建立的模型模拟了冻融时期包气带水汽热耦合运移过程,在典型冻结时期内,浅层土壤中存在日冻融循环现象,内部冻结锋不断向下运移,而在典型融化时期内土壤呈现出双向融化状态。在基质势梯度及温度梯度的驱动下,土壤水分向冻结锋处迁移,引起深部土层含水量减小。在冻层内部,由于冰的存在液态水流动受到抑制,其通量比之前减小了1～5个数量级,此时等温气态水通量数值相对较大。（6）对不同时期土壤水分迁移驱动力进行分析表明,等温液态水通量是总水分通量的最重要组成部分,由温度梯度驱动的气态水与液态水则分别对土壤浅层及内部的水分运移过程影响较大。在非冻融期内非等温气态水通量在总水分通量中的占比超过20%。并随降雨量的减少,其影响不断增大。当土壤冻结后非等温气态水主导冻层内水分运移过程,并且等温气态水的影响也不该被忽略。以上研究成果不仅可为毛乌素沙地水资源合理利用及生态环境保护提供科学依据,同时所研发的冻融程序也可应用于其他地区,对于揭示季节性冻土区包气带水分循环机理具有重要理论及实际意义。