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土壤结构具有强烈的空间变异性，原因在于非均质性广泛存在于土壤的各个观测尺度上。渗透（渝渗）理论指出复杂系统在宏观上表现出的现象、过程是由其组成单元的属性和结构决定的。对于土壤而言，水分传输、溶质迁移等重要生态过程和水分持留、优势流等现象是由土壤系统最小观测尺度的孔隙的属性及其之间的相互关系决定的。因此，从微观尺度出发，将孔隙空间的几何形态和拓扑特征与样本尺度上的水力学性质联系起来，能够从孔隙尺度上解释复杂的宏观现象。 土壤孔隙结构作为一种地质现象，具有空间分布上的随机性和空间依赖性，且土壤孔隙原状结构的获取方法很少，局限性很大，而且得到的结构图片均为二维的。随机模拟技术是地质统计学的新领域，它能再现研究对象的三维空间结构，而且随机模拟技术在分析和表征空间分布的非均质性和不确定性方面有巨大优势:随机模拟能够产生多个等可能的实现，实现之间的差异反映了对象空间分布的非均质性和不确定性。根据孔隙空间分布上的整体相关性，通过已知点的属性来预测未知点的属性，进而就可以预测更大尺度上未知点的属性。地统计学在土壤科学中的应用，主要是用来研究土壤特性的空间分布特征及其变异规律等宏观现象，本文将其应用于微观的土壤孔隙结构研究，是一个全新的尝试。 本文按照由简入繁、层层推进的过程，利用不同程度的孔隙结构信息分别以粒径分布模型、分形几何模型、孔隙网络模型和随机模拟对土壤孔隙结构进行微观模拟，再现土壤空间结构状况，预测土壤的水力学性质，以期能够在实践中指导人们采取合理的灌溉和耕作制度，减少地下水污染和养分的流失，提高作物产量。 本文以河南封丘地区三种不同质地的潮土为研究对象，通过对原状样本的CT扫描，获取样本孔隙空间的数字图像，并利用数字图像处理方法获取土壤孔隙结构参数;根据实测颗粒大小分布和容重等信息，利用粒径分布模型对土壤孔隙结构进行了模拟，并预测了水力学性质;在图像分析的基础上，获取了土壤孔隙结构分形维数，以及孔隙大小分布和连通性等参数，分别建立了分形几何模型和孔隙网络模型;应用孔隙二值图像，随机选取一部分点，对孔隙结构进行了随机模拟，产生一系列新的孔隙结构图像，对新图像进行图像分形，获取孔隙大小分布、连通性等参数，并与实测值进行比较，验证随机模拟的效果和可行性。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)利用实测颗粒大小分布数据，来推求颗粒分布的分形维数，间接计算孔隙的分形维数，最后预测样本的水分特征曲线和水分传导率。结果表明Brooks-Corey模型对水分特征曲线的预测较好，与实测值之间差距最小，但Brooks-Corey模型对于粉砂土的预测结果偏差较大，仍有其不能应用的范围。Burdine，Mualem两模型对于非饱和导水率的预测在粉砂土效果最好。 (2)与以往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，也避免了对样本孔隙结构的扰动，结果更接近真实情况。 (3)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。 (4)将CT图像转换为二值图像，利用计盒维数基本原理确定孔隙的面积分形维数，带入不同模型预测土壤样本的水分特征曲线和非饱和导水率。结果表明:对水分特征曲线的预测，总体看来，Brooks-Corey模型效果要优于其他两种模型，预测结果与实测值最接近，Rieu-Sposito模型预测结果与实测值差异最大，其次是Tyler-Wheatcraft模型。对于非饱和导水率选定的两种模型预测结果非常接近且在粉砂土上预测效果最好，对于壤土样本，模型预测值低于实测值，而粉砂粘壤土中模型预测值则高于实测值。 (5)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。 (6)利用从不同质地原状土壤样本CT图像中获取的孔隙结构特征，建立了相关及随机两种网络模型，模型模拟了原状土样的孔隙结构并预测了各土样的水力性质，结果表明:相关网络模型对不同质地原状土样体积水分含量的预测均取得了较好的效果（三种质地平均均方根误差为0.008 cm3cm-3，平均确定性系数为0.945，平均AIC值为-82.167）;随机网络模型预测的体积水分含量结果虽然没有相关网络模型好，但是通过调整网格配位数，也取得了较好的预测结果（平均均方根误差为0.020 cm3cm-3，平均确定性系数为0.833，平均AIC值为-61.432）。相关网络模型对水力传导率预测的平均均方根误差为2.478cm/d，平均AIC为7.414。虽然随机网络模型对水力传导率的预测平均确定性系数均较高(R2=0.934)，均大于相关网络模型，但是未能体现出大孔隙对水力传导率的影响，不能模拟出双重孔隙度下的水分传导情况。 (7)选取的像素比例越高，模拟的孔隙图像和原始图像的相似程度也越高，得到的孔隙大小分布和连通性就越能够代表真实的土壤孔隙特征。随机选取的50％比例的像素个数，对孔隙大小分布和连通性都取得了十分理想的结果。结果表明，土壤孔隙结构在空间上具有强烈的相关性，能够利用条件模拟来对孔隙进行微观模拟，预测孔隙在未知点的空间分布状况。