包气带作为联接地表与地下系统的纽带,在水分、养分与能量循环的过程中扮演重要角色,支撑着陆地生态系统。鉴于包气带的重要性,有关包气带水盐运移的研究正在水文和生态领域变得愈来愈重要。由于实地观察时空上的制约,模型模拟成为土壤水分运移研究的重要手段。然而传统的土壤水力模型往往只针对毛管流的作用,不能描述低含水量条件下土壤水分的运移特征,此时薄膜流和水汽运移可能变得很重要。而在广袤的干旱半干旱区,由于降水稀少,蒸发强烈,土壤表层的含水量长期处于低值。因此有必要扩展传统的土壤水力模型,使其能同时描述低含水量条件下土壤水分的运移特征。论文旨在理论分析的基础上,通过室内土柱实验和野外水分水势实时观测,拟建立一种新的基于机理的描述薄膜形式水分运移的模型,并尝试将毛管、薄膜和水汽三种水分的运移形式耦合到一个模型当中,来描述土壤从饱和到含水量为0时的水分运移特征,最后,用野外的观测数据来检验模型的表现。研究所得结论如下：1.基于薄膜厚度与水势之间的关系方程,研究建立了一个新的表征薄膜形式水分运移的土壤水力模型,模型物理意义清楚,易于使用。实验室土柱蒸发实验的反算结果表明,新的表征薄膜流的土壤水力模型可以很好地描述低含水率条件下土壤水分的运移过程。2.基于Fredlund and Xing的模型框架,将表征薄膜形式水分运移的土壤水力模型与传统的毛管流模型相耦合,建立了描述整个液态水分范围(从饱和到含水量为0)下的土壤水力模型。相较于已有的模型,新的土壤水力模型数学上连续且易于使用。文献中已有的11种不同类型土壤水力数据的拟合结果以及4个土壤蒸发实验的反算结果表明,新的模型可以很好地描述不同类型土壤从饱和到含水量很低时的土壤水力特征,模型模拟的结果要优于已有的耦合模型。同时,新模型模拟的结果表明,一般情况下,土壤颗粒的直径越大薄膜的饱和导水率也越大。3.将耦合毛管和薄膜的模型与水汽运移方程相结合,得到了描述土壤从饱和到完全干旱条件下的水分的运移方程(包括液态与气态水分运移)。在此基础上,利用模型区分毛管、薄膜以及水汽三种水分运移形式对不同类型土壤蒸发过程的贡献。室内土柱实验模拟的结果表明,对取自腾格里的沙土而言,仅仅表征毛管力的土壤水力模型会严重低估土柱的水分蒸发损失,模型仅能模拟大约总蒸发量的89.4%。考虑薄膜流后,99.9%的蒸发量被模拟出来,而水汽运移大约只占到总蒸发量的0.1%。一个两种不同类型土壤蒸发情景的模拟结果表明,相比于颗粒较小的壤土,薄膜流对于颗粒直径大的沙土更为重要,而水汽的运移对两种土壤的影响都不大。但是,所有这些分析都是基于模型模拟的结果,还存在很多不确定性。4.利用腾格里和花寨子两个野外不同土壤类型特点的研究区的土壤水分水势观察值来验证模型的表现,模拟结果表明耦合毛管和薄膜的模型可以较好地模拟土壤在低含水率条件下水分的变化特征,而传统的毛管模型不能描述低含水量条件土壤水分水势的变化特征。对沙子含量很高的腾格里研究区来说,土壤表层很可能长期都是薄膜流在起作用。而在土壤为壤土的花寨子研究区,薄膜流在水分低于0.08时变得重要。模型模拟的结果表明,水汽运移的影响在两个研究区都较小。5.在土壤水分运移过程研究的基础上,研究建立了一个新的依据潜在蒸发速率计算水分限制区域平均日蒸发速率的模型,模型仅需引入一个表征降水后阶段1土壤占总土壤比重的参数。模型在花寨子和新墨西哥州两个研究区表现都很好,不受降水强度不同和土壤特性差异的影响。