巴丹吉林沙漠的地下水来源长期以来存在很大争议,其中两个焦点问题就是地下水补给量和地下水排泄量,都与包气带水分密切相关。因此,对巴丹吉林沙漠包气带水分观测和模拟研究对于查明该区域地下水来源和水资源环境保护都具有重要意义。本文以历史文献数据、野外原位观测数据、室内实验数据为基础,从不同角度对巴丹吉林沙漠的降水入渗补给和潜水蒸发开展模拟分析。收集了包气带不同深度水分观测资料和水力参数测试成果,采用前人提出的水分特征曲线参数的耦合随机模型,对巴丹吉林沙漠风积砂的变异特征进行了Monte Carlo模拟,并在此基础上重建土水势的垂向分布,发现稳定下渗带的水力梯度接近于1,基本满足重力作用控制的自由下渗条件。然后基于Richards方程对不同下渗强度条件的包气带含水率分布进行了Monte Carlo模拟,通过与观测统计特征对比得到下渗强度的合理取值范围。结果表明,包气带水下渗强度最有可能取值范围是15-34 mm/yr。对巴丹吉林沙漠包气带0~3 m深度包气带水分和温度的多年监测数据进行了分析,结果表明,浅表包气带温度和含水率的振幅随深度增加呈现明显减小趋势。对于埋藏超过3 m的深部包气带,以深度3 m观测结果为边界条件,利用Hydrus-1D模型和前人提出的解析模型分别分析了季节性波动向下传递的情况。两者都给出了包气带水分下渗通量的季节性波动结果,显示出类似的振幅随深度衰减趋势。以负压振幅小于1 cm作为波动微弱到可忽略不计的临界条件,则季节性动态的穿透深度约为47 m,且下渗通量维持在30.7±4 mm/yr的水平。基于巴丹吉林沙漠的气候背景、砂土特征和不同地下水埋深时的典型植被特点设计了54种情景,利用Hydrus-1D对不同情景下的潜水蒸发开展数值模拟。模拟结果表明,多年平均潜水蒸发量有着随地下水埋深增大而非线性减小的趋势,这种非线性关系可以用一个新提出的经验公式进行较为准确的拟合。将这个研究结果用于评价巴丹吉林沙漠湖泊集中区地下水的蒸发消耗,发现潜水蒸发总量显著大于湖面蒸发总量,前者约为后者的2~3倍,必须在沙漠水分平衡的分析中加以考虑。