本文主要基于华北典型地区的土壤水文试验资料，运用数据挖掘技术、统计学理论、突变理论、分形几何学、地下水和土壤水动力学、随机理论、运动界面追踪技术等，研究了华北典型地区地下水环境、土壤以及近地表热岛效应三者之间的关系，该研究是对地下水环境与气候演化规律的有益补充，对于指导修复华北地区地下水环境、生态系统，推动地区经济可持续发展具有重要意义。主要研究内容如下： (1) 基于华北典型地区大量的野外试验资料，利用数据挖掘技术研究了近地表热岛效应与各主要影响因子之间的关系，得到浅埋地下水是近地表地温的主要影响因素之一，并利用浅层地温和近地表气温的高相关性，从而验证了浅埋地下水和热岛效应之间存在一定的联系。 (2) 首先基于近地表热岛效应的影响因素挖掘结果，建立了近地表热岛效应的时间序列模型，包括统计模型和灰模型。并利用陆面地温的地下水影响分量和地下水埋深之间的非线性关系，基于突变理论，建立了地下水开采深度的突变判据，从而建立了地下水热岛效应临界埋深的概念。 (3) 在前人研究的基础上，建立了土壤水文过程数值模拟中土壤分形参数的统一描述，即推导出兼顾介质动态性质与静态性质的水力传导度，以及可以同时描述脱湿曲线和吸湿曲线的非饱和土的水分特征曲线；考虑地下水水位的变动，利用等值面函数法处理饱和—非饱和土壤水文过程中的界面追踪问题，并运用Galerkin间断有限单元法进行了数值模拟。 (4) 利用试验资料，通过数值模拟构造了地下水埋深和表层温度增幅的函数关系，得到地下水热岛效应是种非尖顶热岛效应图的结论，和前面突变模型得到判据相符。并通过资料分析和模拟，研究了地下水位、含水量以及土壤特性等对表层地温的影响，找出各因素和热岛效应的影响关系，以便找出抑制热岛效应的有效措施。