为了合理开发利用水资源，必须评价水资源的数量和质量，研究大气水、地表水、土壤水和地下水的相互转换关系，而土壤水分运动问题则是此项研究的重要环节。非饱和土壤的水力性质包括土壤水分特征曲线和非饱和水力传导率函数，它决定了水分和溶质(盐分、养分)在非饱和带中的运移速度和方向，是进行定量分析和数值模拟的最为关键的参数。但由于土壤空间的强烈变异性、水分运动的滞后效应和农业活动(如耕作)等诸多因素的影响，直接测定土壤水力性质的实验方法比较费时、昂贵，对于大范围的研究来说通常是不可行的。因此方便易行、成本低廉，而且有足够的精度的估计土壤水力性质的间接方法越来越引起人们的重视。 由于土壤可以看作是由大量相互作用的组分组成的非均质分层系统，土壤结构从微观尺度到宏观尺度都具有自组织分层性质，因此土壤空间可以近似看作是一种分形体，在一定尺度范围内，具有统计自相似性和尺度不变性。由于土壤孔隙的大小、形状及其排列方式非常复杂而且难于识别，仅仅用颗粒大小分布资料来研究土壤分形特征是不完备的，而数字图像能够准确描述土壤孔隙结构，因此本文主要应用数字图像处理分析技术研究不同质地土壤的分形特征，并应用分形模型和结合形态学方法的网络模型预测非饱和土壤的水力性质。 本文对中国科学院封丘生态农业实验站采集的砂壤土(sandyloam)、粉砂粘壤土(siltclayloam)和粉砂壤土(siltloam)的土壤样本剖面图像的孔隙分形特征和孔隙轮廓线分形特征进行了深入研究。结果表明，土壤孔隙空间在一定尺度范围内才存在明显的分形特征，而且土壤质地越细(粘粒含量越高)分形维数取值越大。用面积法计算的孔隙分形维数对土壤质地最为敏感。而大孔隙的孔隙轮廓线的分形特征同粘粒颗粒有着更为明显的关系，随着粘粒含量的增加，能够识别的孔隙轮廓线更加复杂。 分形模型预测非饱和土壤水力性质的最大优点在于它具有比较明确的物理意义，而且数字图像的处理非常简便，易操作性强，预测的水力性质具有足够的精度，能够满足实际问题的研究需要，具有很强的实用性。对不同质地土壤样本的水分特征曲线分形模型研究表明，用Tyler-Wheatcraft分形模型和Perrier分形模型中Brooks-Corey公式确定土壤水力性质效果较好，Perfect分形模型次之，Rieu-Sposito模型预测效果最差。不同的分形模型除了要考虑适用的土壤质地类型外，还应当注意适用的压力水头范围。在高压水头范围(大于1000cm)内，土壤水的保持主要受质地、有机质含量以及粘土矿物的影响，应用分形模型预测土壤水分特征曲线时，对残留水分含量较高的砂壤土和粉砂粘壤土预测均有较大误差；对于残留水分含量较小的粉砂壤土，在高压段拟合结果较为理想。在低压水头范围(小于1000cm)内，对于细质地的粉砂粘壤土，Tyler-Wheatcraft分形模型拟合效果最好。这一结果表明要完整刻画整个压力水头范围内的水分持留特征，需要在分形模型中考虑其他因素的影响(如有机质含量)等，才能进一步提高预测的精度。 本文利用孔隙分形维数和孔隙轮廓线分形维数分别结合Mualem模型和Burdline模型预测了砂壤土、粉砂粘壤土、粉砂壤土的水力传导率函数。结果表明，对于砂壤土用孔隙轮廓线分形维数进行预测更为合适，对于粉砂粘壤土，预测水力传导率均高于实测拟合值；粉砂壤土用孔隙分形维数和孔隙轮廓线分形维数的预测结果相差不大。 结合形态学方法的孔隙网络模型采用形态学方法直接确定土壤中孔隙大小分布和连通性函数，并将其作为参数输入网络模型，具有明确的物理意义并构建了土壤三维孔隙空间，比任意指定参数的其它网络模型具有更高的可靠性。本文应用形态学的分析方法，利用土壤孔隙的拓扑特征研究了土壤三维孔隙空间的连通性，构建了土壤三维孔隙空间。并应用结合形态学的孔隙网络模型了预测了砂壤土、粉砂粘壤土和粉砂壤土的水力性质。拟合结果表明接近饱和状态下，网络模型过高地估计了水分含量。而随着压力水头的增大，水分含量迅速降低，从而过低地估计了土壤水分含量。不同质地土壤的非饱和水力传导率的预测值均高于实测值。由于结合形态学特征的网络模型，对样品的制备，图像的获取均需要很高的精度，因此该方法还不是一种很实用的方法。