本论文应用国际先进的环境同位素示踪技术和CFC定年技术，结合水化学和水文方法等研究了流域地下水循环规律和变化特征，黑河流域不同河段地表水与地下水的转换关系和转化强度；分析了流域地下水来源特别是深层地下水的补给来源，以及流域地下水的补给年龄和更新速度；分析了流域人类活动如水利工程、地下水开采对区域水循环规律和生态环境的影响等。 研究结果：1)同位素数据显示山区地表水主要由降水、冰雪融水和地下水组成。山区地下水由于出山口阻水构造的阻隔在出山口绝大部分转化为地表水，最终以地表水的形式进入中游盆地，地下水转换量多年平均大约占出山径流的37％。2)中游山前冲洪积扇地表水入渗带是盆地地下水的主要补给区，环境同位素、CFC等数据显示，该区域地下水积极参与现代水循环，水交替迅速；中游细土平原区地下水除受山前地下水侧向补给外，灌溉回归水也是重要补给来源，浅层地下水补给年龄一般小于40年；区域深层地下水则主要来自山前侧渗补给，形成年代较早，基本不参与现代水循环；沿河环境示踪剂变化显示，张掖黑河大桥处是地下水补给与排泄的一个转折点，其以上出山口洪积扇区，河水以“渗水式”补给地下水；黑河大桥以下以排泄地下水为主，在高台附近，在地下水强开采时段，个别河段存在河水回补地下水的现象。3)下游地表水与地下水的转换关系主要为地表水入渗补给地下水，黑河水是维持下游天然绿洲的重要水源。环境同位素、CFC和水化学数据表明，下游额济纳旗盆地地下水补给来源具有多源性，黑河是下游盆地地下水的主要补给来源；古日乃地区地下水与黑河水没有明显的水力联系，浅层地下水存在现代水补给，该区域深层地下水形成年代早，浅层地下水主要来自现代降水形成的地下水侧渗补给和深层地下水的越流补给；居延海以北深层地下水主要来自北部的蒙古高原地下水的补给，与南部深层地下水在居延海南部附近交汇。4)近几十年来，由于大规模修建水利工程、引用地表水和开采地下水等，地表水与地下水之间的转化关系和强度，受到人为因素的强烈干扰。地下水补给量的减少和地下水开采量的增加，使流域地下水位多年来持续下降，中游盆地泉水溢出量大幅减少，地下水对河流的补给量大幅减少。下游盆地地下水补给量的减少和地下水位持续下降，导致额济纳盆地生态环境严重恶化。目前黑河流域水循环模式已演变为典型的天然——人工二元水循环模式。