黑河流域可划分为东、中、西三个子水系。其中西部水系为洪水河、讨赖河水系，归宿于金塔盆地；中部为马营河、丰乐河诸小河水系，归宿于明花、高台盐池；东部子水系包括黑河干流、梨园河及东起山丹瓷窑口、西至高台黑大板河的20多条小河流，总面积6811平方公里 。流域中集水面积大于100 平方公里 的河流约18条，地表径流量大于1000万立方米 的河流有24条。在山区形成的地表径流总量为37.55亿立方米 ，其中东部子水系出山径流量24.75亿立方米 ，包括干流莺落峡出山径流15.8亿立方米 ，梨园河出山径流量2.37亿立方米 ,其他沿山支流6.58亿立方米。

流域地表水时空分布规律主要取决于祁连山大气降水和冰雪融水的时空分布以及祁连山区水文气象垂直分带性、下垫面条件等。一般来说，山区地表径流年内分配与降水过程和高温季节基本一致，径流量与降水量集中于暖季，春季以冰雪融水和地下水补给为主，夏秋季以降水补给为主，具有春汛、夏洪、秋平、冬枯的特点。年内变化受气温、森林植被的影响，呈明显的周期规律，冬春枯水季节（10 ~ 3月），黑河径流量占年径流总量的19.73%，降水以固态形式蓄存，占年降水量的5 ~ 10%。春末夏初，随气温升高，地表径流量上升，占全年总流量的24.55%，雨季（7 ~ 9月）降水量增加，冰川融水量大，地表径流达55.71%。黑河干流出山后进入走廊平原，受人为因素的强烈影响，至正义峡断面，径流年内分配明显发生变化，3 ~ 5月，中游地区进入春灌高峰，正逢河水枯水期，黑河下泄水量很少，甚至出现河床断流现象，因而正义峡以下，地表径流量处于年内最低值；6月河水开始增加，7 ~ 9月出现夏汛，9月份灌溉回归水和地下水大量溢出,形成年内径流高峰，10月份随冬灌和降水量减少，河流量再度减少，至11月达到最低值，12月至翌年3月为非农业用水季节，中游用水量减少，地下水（泉）补给稳定，河流量平稳。黑河下游水量年内分配已完全受制于人类活动，年内径流量变化过程是：5、6、7月河水断流，8月出现径流直至9月夏汛，11月后气温下降，河水封冻，中游来水减少，直至翌年2月下旬开始融冰，3 ~ 4月形成春汛。上游山区为地表径流形成区，径流量的大小受降水，融冰及森林植被覆盖度等影响，径流年内分配不均匀，年际变化较大，但变幅比单一降水补给型小。中游走廊平原区为径流利用区，下游尾闾湖段为径流消耗区。

（ 1）河川径流形成、利用、消失分区明显

河川径流可划分为径流形成区、径流利用区和径流消失区。上游祁连山区降水较多，又有冰川融水补给，下垫面为石质山区且植被良好，是黑河径流形成区。祁连山出山口以上径流量占全河天然水量的 88.0%。山区径流深自山岭向山脚递减，自东向西递减，山岭径流中心位于大渚麻河上游，径流深约500毫米左右，逐渐向山口减至5毫米。

中游河西走廊和下游阿拉善高平原南部，降水少而蒸发强烈，下垫面是深厚的第四系沉积层，成为良好的地下贮水场所，一般强度的降水均耗散于蒸发，偶尔一次强度较大的降水，也下渗补给了地下水，所以基本上不产流。上游来的河水被大量引用，河川径流沿程减少，属于径流利用区。最下游河流尾闾附近，地下径流和余留的河川径流以土壤潜水层蒸发和流入居延海水面蒸发的形式，为尾闾地区生态所消耗，属于径流消失区。

（ 2）河川径流以降水补给为主

黑河流域源头分布有大小冰川 100平方公里，估计冰储量27.5亿立方米 ，年平均冰川融水1.0亿立方米 ，仅占河川天然径流量的4%左右，其余96%的径流量均由降水补给。

（ 3）河川径流年际变化不大

由于河川径流受冰川补给的影响，径流年际变化相对不大，干流莺落峡站多年平均径流 15.8亿立方米，最大年径流23.2亿立方米（1989年），最小年径流11.2亿立方米（1973年），年径流的最大值与最小值之比为2.1，年径流变差系数Cv值为0.15左右。　（ 4）径流年内分配集中

河川径流年内分配不均匀。 10月～翌年2月，为径流枯水期，莺落峡站该时期径流量占年径流量的17.4%；从3月开始，随着气温的升高，冰川融化和河川积雪融化，径流逐渐增加，至5月出现春汛期，3～5月径流量占年径流量的14.8%；6～9月是降雨最多的季节，而且冰川融水也多，其径流量占年径流量的67.8%，其中7～8月份径流量占年径流量的41.6%。

（ 5）中游地表水～地下水转换频繁

地表水和地下水多次转化和重复利用，是内陆河最为独特的水文现象。河流出山后，流入山前冲积扇，一部分被引入灌溉渠系和供水系统，消耗于农、林业的灌溉以及人畜饮用、工业用水，其余则沿河床下泄，并沿途渗入地下，补给了地下水。被引灌的河水，除作物吸收蒸腾、渠系和田间蒸发外，相当一部分下渗补给了地下水，地下水以远比地面平缓的水面坡度向前运动，在细土平原一带出露成为泉水，或者再向前回归河流，或者再被引灌，连同打井抽取的地下水，再进行一次地表、地下水转化。在中游非灌溉引水期的 12月～翌年3月，由于前期灌溉水回归河道，正义峡断面的径流量较莺落峡断面大2.5～3.0亿立方米。水资源多次转换并被多次重复利用的同时，也增加了无效消耗的次数和数量。

流域祁连山地受山地气候、地形和植被影响，土壤具明显的垂直带谱，主要土类有寒漠土、高山草甸土（寒冻毡土）、高山灌丛草甸土（泥炭土型寒冻毡土）、高山草原土（寒冻钙土）、亚高山草甸土（寒毡土）、亚高山草原土（寒钙土）、灰褐土、山地黑钙土、山地栗钙土、山地灰钙土等。流域中、下游地区属灰棕荒漠土与灰漠土分布区。除这些地带性土类外，还有灌淤土（绿洲灌溉耕作土）、盐土、潮土（草甸土）、潜育土（沼泽土）和风沙土等非地带性土壤。

在下游额济纳旗境内，以灰棕漠土为主要地带性土壤，受水盐运移条件和气候及植被影响，也分布硫酸盐盐化潮土、林灌草甸土及盐化林灌草甸土、碱土、草甸盐土、风沙土及龟裂土等非地带土壤。

上游祁连山山区植被属温带山地森林草原，生长着呈片状、块状分布的灌丛和乔木林，垂直带谱极其明显，东西山区稍有差异，由高到低，依次分布：高山垫状植被带，分布在海拔3900-4200米，是高山带流石滩植被组成的寒漠；高山草甸植被带，分布在海拔3600-3900米，主要是矮草型的蒿草高寒草甸和杂类草高寒草甸等；高山灌丛草甸带：阳坡分布在海拔3400-3900米，阴坡在3300-3800米，由常绿革叶杜鹃灌丛、落叶阔叶高山柳灌丛和金露梅矮灌丛等植被类型所组成；山地森林草原带:阳坡海拔2500-3400米，阴坡2400-3400米，是祁连山区森林主要分布带，主要树种为青海云杉、祁连圆柏。此植被带对形成径流、调蓄河流水量、涵养水源有着非常重要的作用；山地草原带，阳坡分布在海拔2300-2600米，阴坡分布在2200-2500米，为山地典型草原、植被稀疏；荒漠草原带，此带海拔高度在1900-2300米，在中部低山带，具有超旱生小灌木，小半灌木组成的草原化荒漠类型复合分布。

中下游地带性植被为温带小灌木、半灌木荒漠植被。中游山前冲积扇下部和河流冲积平原上分布有灌溉绿洲栽培农作物和林木，呈现以人工植被为主的绿洲景观，是我国著名的产粮基地。下游两岸三角洲与冲积扇缘的湖盆洼地里，生长有荒漠地区特有的荒漠河岸林，灌木林和草甸植被，主要树种有胡杨、沙枣、红柳和梭梭。荒漠植被的植物种类和中游差别不大，呈现出荒漠天然绿洲的景观。

黑河流域在大地构造上大体可分为三种基本单元：祁连山地槽褶皱带、阿拉善台隆和北山断块带及河西走廊拗陷盆地。本区域新生代以来的区域沉积、建造及地下水的赋存与运动是由挽近地质构造运动所控制，中生代以来，明显进入以强烈的差异性断块运动为主的构造运动期。

祁连山是挽近地质构造的强烈隆升区，地势高亢，是中下游盆地松散碎屑物质的来源，降水丰富又是本区各水系的发源地。南部受祁连山构造控制，中游的构造—地貌盆地呈南北两排展布；南盆地（张掖—酒泉盆地）地势较高，海拔1400—2200米，盆地内大型洪积扇构成洪积扇型倾斜平原和前缘的细土平原，地质构造上具有山前拗陷或山间断陷地性质，其南缘与祁连山多为断层相接，该压性断裂与祁连山麓中新生界褶皱一起构成一个阻水屏障，使山区地下水径流难以直接补给盆地。新第三系或白垩系构成盆地基底，其上沉积了数百米乃至千余米厚的洪积—冲积相第四系松散物质，其间赋存着丰富的地下水。北盆地（金塔盆地）地势较低，海拔1100～1450米，地质构造上属边缘断陷类型，盆地边缘亦分布巨大断裂，基底为新第三系，与南盆地比较，第四系沉积厚度较小，一般小于400米，并受基底断块升降运动所控制。额济纳盆地为阿拉善台隆凹陷，其间发育的北东、北西及北北东向构造，将其分割成规模不等的棋盘格式地块，构成凹陷与隆起相间的特征。第四纪以来，区域地壳活动比较稳定，额济纳平原是缓慢隆起带内的沉降区，其相对沉降幅度不大而且具有不均匀性。

上中游与下游具有不同的地貌成因和形态，中上游地貌根据成因和形态特征可分为三种基本类型，包括强烈褶皱断块隆升的高山、断块隆升的中高山、褶皱断块低山等组成的山地，由震荡上升并被水流割切的梯状高平原、构造—剥蚀作用形成的低山丘陵等构成的准平原，以及由冲洪积、洪积砾石戈壁平原，冲洪积细土平原及风积平原等组成的走廊平原区。中生代地质构造奠定了下游地区地貌的基本格架，近期干旱气候的风化剥蚀作用塑造了现代地貌形态，从成因角度可划分为三种类型，分别是由低山丘陵、准平原组成的构造剥蚀地貌，由冲洪积平原、冲湖积平原、湖积平原、洪积倾斜平原等组成的堆积地貌以及由固定半固定、垄状、波状及复合式沙丘以及其他风蚀地貌组成的风成地貌，其中堆积地貌和风成地貌是主要地貌类型。

干旱是限制该区经济与社会发展的主要障碍，也是造成其生态环境极度脆弱的主要原因。河西走廊位于青藏高原北侧，在大地形边缘下沉气流和亚洲东岸西北气流控制之下，是世界上同纬度最干旱的地区之一，黑河流域所处的地带属于温带气候区和暖温带偏干旱荒漠气候交汇地带，年降水量中游地区介于 200毫米—100毫米之内，下游地区＜60毫米，在终端湖区，甚至不足40毫米。根据1951年以来气象资料统计，中游地区旱灾发生年5、6、7月降水总量显著低于非干旱年，而这期间正好是该区主要作物—春小麦的生育需水高峰期，其需水量占小麦全生育期的70%—80%，因此，往往造成农牧业生产大幅度下降。

霜冻是大面积危害流域农作物及天然林草生长的主要农业气象灾害之一，霜冻发生时最低气温可达-2.0℃～-6.2℃，使玉米、小麦及经济作物受灾面达到80%以上，造成农业大面积歉收，天然林草衰亡。从霜冻发生频率来看，山区5月中、下旬发生机率最高，达29%和31.9%，其次为6月上旬，达21.7%；平原区以4月下旬和5月上旬为高发期，发生机率达29.1%和20.8%，6月份基本不发生霜冻。

干热风作为干旱区普遍存在的自然灾害，在黑河流域也是常见的一种气象灾害现象，其特点是风速不大，但气温很高，异常干燥，能迅速蒸散农作物和土壤水分，导致农作物大量失水而减产。干热风危害较为严重的区域是海拔高度低于1800米的广大平原地带，年平均日数超过5.5天，而在海拔1800—2000米的山前的洪积扇上缘及丘陵地带，干热风危害较轻，年平均日数一般为3.0天左右。

大风是指瞬时速大于17米/秒，相当于八级以上的风。由于受到蒙古—西伯利亚高原反气旋的影响，大风是我国干旱区较为普遍的天气现象，是危害农作物及林草正常生长的常见灾害之一，也是区域沙漠推移及沙尘暴的主要动力。黑河流域各地均有大风天气出现，一般平原区多于山区，总体上呈现由西北向东南减少的分布趋势。中游地区年均大风日数20—30天，下游地区40—50天。沙尘暴是风沙危害的主要形式，不同于扬沙或浮尘天气，它轻则侵蚀土壤表土，埋没农田，重则驱动沙丘，摧毁农庄，埋田毁林，常造成渠道、村舍、铁路被毁坏，甚至造成人畜伤亡，是干旱区特有的毁灭性自然灾害。

沙尘暴危害巨大，以 1993年“5.5”特大沙尘暴为例，在受其严重影响的新疆东部，甘肃河西走廊地区、宁夏大部、蒙西部等地，农作物受灾560万亩，死亡85人，伤264人，死伤牲畜120万头，部分公路铁路运输及供电线路中断，经济损失达5.5亿元人民币。河西走廊及腾格里沙漠西南缘是西北干旱区沙尘暴发生的高频区之一，而且也是重灾区，流域沙尘暴日数大部分地区超过13天，金塔及额济纳旗高达20天以上。

黑河上游流冰时间最早为11月上旬，1月初至2月底河封冻，3月中下旬开始解冻。最大岸冰厚度为1.14米，最大河冰厚度为0.88米。

上游地区的主要生态环境问题是以草原秃斑地和草地沙化、杂毒草蔓延、草地生产力下降、珍惜生物物种数量减少为主要标志的草地退化，冰川面积减少、冰川末端波动后退。但目前山区水源涵养林草与生物多样性保护的专门性研究工作十分薄弱，需要加强研究。

中游地区主要的生态环境问题是土地沙漠化与盐碱化、水环境污染等。具体表现在：中游部分地区如金塔、高台等地在 1990年以来沙漠化仍呈扩展趋势；盐碱化土地面积有所增加；水污染严重且呈发展态势。西子水系水污染已十分严重，东子水系水污染业已达到三级，而且由于缺乏监测与防治措施，河道环境容量较小，潜在污染趋势不容乐观，另外浅层地下水咸化趋势明显，城镇地下水污染趋势加剧；由于大量垦荒造成草地面积大幅度减少，尚存草地由于高强度过牧而退化严重，不合理的产业结构不仅限制了区域经济的稳定发展，而且加剧了水资源供需矛盾，导致其他诸如土地沙漠化、盐碱化等一系列生态环境连锁反应。

下游地区是黑河流域生态环境劣变最为严重的区域，集中表现在终端湖泊消失、众多天然河道废弃并形成绿洲内部沙源、天然绿洲萎缩、土地沙漠化发展迅速。不仅使得本区域环境恶化、生物物种减少、经济与社会稳定发展受到严重制约，而且已威胁到整个流域的生态安全和国防建设的环境保障。