矿区大型机械压实造成土壤严重退化,探索压实对土壤大孔隙结构与水力特性的影响,对复垦区土壤恢复及土壤水文平衡维持具有重要意义。当前,针对矿区重型机械压实对土壤孔隙结构及水力性质方面的影响机制尚不明晰。本研究以平朔大型露天矿区重型机械压实后未复垦排土场为研究对象,通过实地采集压实土壤样品和实验室模拟不同压实程度制备土壤样品,经CT扫描和孔隙三维重建,构建了压实土壤大孔隙模型;通过提取大孔隙特征参数,分析压实对土壤孔隙结构的影响,同时比较实验室模拟压实与矿区大型机械压实对土壤大孔隙结构的影响;通过实验室测定土壤水力特性,分析压实对土壤水力特性的影响;此外,进一步引入分形模型预测土壤水力特性,对预测模型的精度进行判断。获得的主要研究结果如下:(1)通过CT扫描和三维重建软件,对压实后土壤孔隙结构特征有了直观了解,大孔隙数量呈现随压实程度增加而减小的趋势,实验室和矿区未压实土壤样品大孔连通性较好,压实严重样品组土壤大孔连通性差,孤立孔隙较多。(2)大孔隙结构特征定量研究主要分析了土壤大孔隙数量、面积、体积、欧拉数、孔吼等,压实对土壤大孔隙结构参数有较大影响,土壤大孔隙数量、大孔隙度随容重增加而减少;实验室土壤样品随着压实度增加,大孔数和大孔率显著降低,大于1000μm的孔隙更容易受到压实的影响;矿区压实土壤样品大孔隙度整体表现出随压实程度增加,孔隙度减小的特点,在相同土层深度,随压实程度增大而减小;压实还显著影响土壤孔隙连通性,随着压实度的增加,实验室土壤样品大孔连通性显著降低;而矿区土壤样品平均欧拉数在相同土层、不同样点或相同样点、不同土层条件下,和容重表现出较强的正相关规律性;土壤样品的容重与孔吼数、孔吼厚度呈对数关系,说明土壤压实是破坏大孔隙连通性的主要原因。(3)实验室条件下测定了压实土壤水力特性,土壤含水量、饱和导水率、水分扩散率等。结果表明,土壤含水量在低吸力段随吸力增加而显著降低,高吸力段土壤水分含量随吸力增加减小的趋势变缓;同等吸力条件下,土壤含水量随容重增加而减小;土壤水分常数的变化趋势为有效含水率(AW)、速效含水率(RAW)和迟效含水率(SAW)随土壤容重增加而增加;田间持水量(FWC)、萎蔫系数(WC)、饱和含水率(SW)和毛管断裂含水率(CRM)随容重增加而减小;土壤压实对饱和导水率有显著影响,容重增加饱和导水率逐渐减小;在不同压实条件下,土壤水分扩散率与土壤含水量呈正相关关系;随着土壤水头势的增加,土壤比水容量逐渐降低,不同容重之间在较低吸力段差异较为明显,高吸力段差异不明显。(4)建立了基于孔隙结构分形理论的土壤水力特性参数预测模型,根据KZ-BC模型预测土壤水分特征曲线和分形模型Mualem预测土壤非饱和导水率准确度较高,预测效果较好;压实对土壤水分特征曲线和非饱和导水率预测值的影响趋势与实验室测定值相似,实验室模拟压实条件和矿区预测值存在一定差异性,未来研究中需进一步校正,以提高预测精度和扩大分形模型的适用范围。(5)基于经济、社会、生态视角,分析矿区土壤压实缓解的内在机理,提出适合矿区排土场大型机械压实的缓解机制及复垦措施,结合露天矿区实际情况,分别从排土场土壤压实预防、土壤大孔隙结构改善、排土场稳定性维持和土地复垦管理等角度提出可行建议,为建设绿色矿山和实现矿区可持续发展提供参考。