黑河流域作为我国西北地区典型的内陆河流域,以其特殊的寒区水文过程、复杂的陆地水文循环过程、省际水事矛盾、脆弱的生态环境等诸多科学与热点问题受到广泛关注。其水资源形成于上游山区,开发利用于中游灌溉绿洲,耗散于下游巨大的蒸发中,具有鲜明的分区特征。由于大规模的、长时期的水资源开发,黑河流域已经成为人类干预再造地表水、土壤水和地下水的综合试验场,形成自然-人工复合型的水循环系统。本文从黑河流域上游、中游、下游的特点出发,通过模型设计和数值模拟分别阐述了上、中、下游的水循环模式及其对人类活动的响应。上游祁连山区是黑河流域的产流区。除黑河干流研究程度较高外,仍有众多子流域因观测资料缺乏而进展微弱。本文在对祁连山区数字地形识别的基础上,运用流域水量平衡原理,对祁连山黑河流域20多个子流域的降水-径流关系进行了统计,提出多年平均状态下估算出山径流量的统计模型。该统计模型中,各子流域的年蒸发系数与其年降水量成幂函数关系;进一步研究表明,年蒸发系数从统计意义上又可表述为年降水量与年水面蒸发量比值的双曲函数。在假设月蒸发系数和年蒸发系数具有相同函数表达式的基础上,对黑河干流地区设计了TANK流域水文模型。通过模拟可知,黑河干流地区年降水量的38%用于产流,直接地表径流、融雪径流、地下径流对出山径流的贡献分别为52%、11%、37%。本文以黑河干流中游地区即张掖盆地为研究对象,在定性分析其地表水、地下水相互转化特征的基础上,提出张掖盆地年水均衡模型,定量解释了地表水与地下水之间的相互转化。年水均衡模型中包含一个非线性的河道渗漏模型,该模型充分考虑了河道水量适时变化条件下的河道渗漏行为以及灌溉引水对河道渗漏的影响。从地下水动力学角度出发,通过分析典型观测孔水位与高崖断面(黑河干流河道上的重要控制断面)基流量的关系,提出基于地下水观测的高崖断面月径流模型,模型参数少、精度较高,基本反映了高崖断面径流量的变化特征。张掖盆地地下水补给区的包气带厚度普遍较厚,厚层包气带的存在,影响地下水补给的时间和数量,通过简化的数值模拟得出张掖盆地厚层包气带中入渗-补给转化过程的总体特征,在此基础上提出简化的地下水补给模型,并将其应用到张掖盆地月水均衡模型的设计中。基于张掖盆地出口断面正义峡月径流过程的不同模拟方案,提出两种月水均衡模型,详细刻画了张掖盆地地表水-地下水相互转化的各个环节与细节。下游地区水循环特征以垂向的蒸发蒸腾为主。地下水位的高低决定着植被的生长状况与演替,而地下水则主要接受黑河河水的补给,构成了河流-地下水-植被相互反馈、相互制约的生态链条。结合黑河调水的新形势,在分析黑河下游地质、水文地质条件的基础上,采用Visual Modfolw 4.0建立黑河下游盆地地下水模型,模拟分析了调水前后生态耗水区的变化。结果显示,生态耗水区较调水前明显增大,生态状况趋于好转。根据中、下游模型结果,深入分析了人类活动对黑河流域中下游水循环过程的影响。灌溉回归水需要在厚层包气带中平均运移长达5个月之久,才能到达潜水面,会引起地下水的二次补给;灌溉引水量对中游水循环过程的影响具有双重性,表现为正义峡流量与灌溉引水比例(灌溉引水量与河流径流量之比)呈很强的负相关,而与灌溉引水量呈弱的正相关。在限制灌溉引水增加的条件下,采用渠系防渗能有效减少地表水的渗漏。黑河调水工程实施后,中游地区除黑河干流沿岸有局部区域地下水位呈上升趋势外,其他大部地区地下水位呈下降趋势;下游地区受入境河水量的增加,地下水位普遍呈上升趋势。