地下水位的上升或下降会驱动包气带中的空气流动，并与水位升降运动发生相互作用。当潜水含水层被低渗透介质覆盖时，这种水位升降与空气流的耦合现象会更加的明显。本文利用2-7.5cm厚度的薄层细砂作为低渗透介质盖层与厚层的粗砂组合成双层结构砂柱，并进行了注水和排水实验的研究。在排水实验中，当粗砂层被细砂层覆盖时，随着砂柱水位面下降，包气带会形成显著的真空，吸取外界大气进入砂柱。有细砂覆盖层的排水实验由于真空对水形成吸持作用，使得水不能顺利排出，其排水速率显著低于无细砂层覆盖的情况，证实了真空阻滞效应的存在。在注水实验中，砂柱水位面抬升，包气带气压增大，使得空气向外流动。无论是注水还是排水实验，包气带气压随时间的变化曲线呈单峰形式，先快速增大然后缓慢减小。峰值的大小受细砂层厚度的影响，细砂盖层越厚，包气带相对气压的峰值越大，达到峰值的时间也越长。考虑砂柱饱水带的Darcy流和包气带可压缩空气的线性渗流，提出了一个描述砂柱水-气运动的简化动力学模型，通过Runge-Kutta法进行实验过程的数值模拟，包气带气压变化的模拟曲线重现了观测到的包气带气压变化特征，说明模型揭示了砂柱实验的主要动力学特征。模拟结果表明包气带气压的极值随着低渗透盖层厚度的增加而呈非线性增大的趋势。在简化动力学模型基础上，还得到了排水实验早期和晚期真空度变化的近似解析公式。说明本文提出的动力学模型只需少量介质参数便可以解释包气带相对气压和饱和带水位面的变化过程，包气带相对气压主要取决于强渗透介质的饱和渗透系数、弱渗透介质的透气性及其厚度。对实验结果进行的参数分析发现，盖层透气性在排水晚期会明显大于排水早期，反映了盖层含水量对透气性的影响。使用基于有限元的多物理场模拟软件COMSOL改写水-气二相流的控制方程，考虑空气的压缩性，建立了适合于本文实验研究的COMSOL模型。对细砂覆盖层厚度分别为2cm和5cm的非均质砂柱排水实验进行了数值模拟。COMSOL的模拟结果印证了低渗透介质覆盖条件下真空阻滞效应的存在，但是与实测数据的拟合结果并不理想，COMSOL低估了砂柱中的真空，相应的高估了累计排水量，具体原因还有待进一步研究。