石河子垦区为新疆典型的灌溉农业区和生态脆弱区，气候干旱和地下水埋深浅是该区的主要特点。垦区水资源总量偏少，水资源供需矛盾及与生态环境之间的矛盾随着社会发展逐渐加剧。因此，分析和探讨地下水浅埋条件下土壤水分变化规律，可对旱区农业可持续发展提供水资源保障，对合理开发利用水资源及生态环境保护具有重要意义。本文以石河子垦区121团场为研究区，开展野外试验，对研究区地下水、土壤水动态进行实时监测，系统地分析地下水浅埋条件下土壤水动态变化特征及其影响因素，分析土壤水分剖面分布规律，建立土壤含水率随土壤深度变化的经验公式；建立水、汽、热、干空气耦合运移模型，定量模拟区内降水—土壤水—地下水的转化过程，揭示各界面及相互间水分与能量的转换过程及机理。研究结果可为农业墒情预报及灌溉管理提供理论参考，为地下水资源可持续开发利用提供科学依据。研究主要得到了以下结论：（1）分析2013年6月～2014年5月实测气温和各深度土壤温度，发现土壤温度与气温之间关系密切，浅层土壤温度随气温的波动而波动，变化趋势基本一致；随着土壤深度增加土壤温度波动减弱。土壤温度的变化滞后于气温的变化，而且滞后的时间随土壤深度增加而增大。采用Fourier级数建立土壤的温波方程，能够较好地反映实测土壤温度的变化规律。（2）研究区6～10月实测资料表明各深度土壤含水率随时间延续有减小趋势，以80cm埋深为分界线，下部土壤的含水率显著高于上部土壤。降水主要影响20cm以浅的土壤含水率，蒸发主要影响60cm以浅的土壤含水率。冻融前后0～60cm土壤含水率变化较大，初融时比初冻时明显增大；80～200cm土壤含水率较稳定，冻融前后略有减少。（3）实测的地下水埋深资料显示，研究区地下水位自每年的2月末或3月初至7月末或8月初处于上升阶段，8月至次年2月处于下降阶段。对同一深度土壤，随着地下水埋深增大，土壤含水率减小。越靠近地下水面，土壤含水率与地下水埋深动态相关性越显著。2013年6月～2014年5月，200cm深土壤含水率与地下水埋深相关关系的R2值达0.9986。（4）分析研究区实测土壤含水率，通过与地下水埋深大于20m的陕西泾惠渠试验站土壤含水率的分布对比，发现研究区土壤含水率分布与地下水埋深关系非常密切。对此，建立了土壤含水率随深度变化的经验公式。将土壤含水率剖面变化特征分两段分析：第一段0～80cm，第二段80～200cm。公式计算值与实测值较吻合。（5）在已有的非饱和土壤水、气二相流模型的基础上，针对研究区建立了非饱和带——饱和带水、气二相流的质热传输模型，模拟地下水浅埋条件下土壤水、汽、热、干空气耦合运移过程。采用相对均方根误差RRMSE和平均相对误差AVRE来定量评价模型精度。底部靠近地下水面的土壤含水率模拟结果好于上部，但土壤温度的模拟结果，底部比上部差。总体上，土壤温度和含水率模拟值的RRMSE都小于10%，AVRE都与1值接近，表明模型能够较好地模拟实测值的变化规律。（6）在日降水量为9.7mm的情况下，考虑土壤空气压强的耦合模型的入渗可影响到20cm深土壤含水率，而单相模型可影响到30cm深左右。降水后，耦合模型浅层土壤含水率的增量小于单相模型。降水发生时及发生后短时间内，不考虑土壤空气压强会低估土壤水分蒸发速率。模型的通量结果显示地下水对土壤水的补给量占总蒸发量的51.1%。0～200cm土壤的水量平衡分析结果显示土壤水分蒸发量的模拟值与计算值相差1.73%，表明本文建立的模型模拟结果可靠。