我国西北干旱半干旱地区水资源紧缺,生态环境脆弱,二者对全球气候变化的响应更为敏感。进行气候变化条件下干旱区水资源的可持续利用研究,对于构建干旱区山水林田湖草生命共同体,实现人与自然和谐共生具有重要的理论与现实意义。本文选取我国第二大干旱内陆河流域黑河流域,以黑河干流中游盆地为研究区,基于最新数据总结了黑河干流河水入渗与地下水溢出规律,取得了黑河河水与地下水相互转化和量化表达方面的新认识;建立了黑河干流中游盆地地下水流数值模型,细致刻画了地下水流量及流速的时空分布,揭示了自然条件变化是中游盆地地下水资源变化的主因;预测了气候条件变化下研究区未来20年的多情景水资源变化,提出了区域地下水资源可持续利用优化方案。本文取得的主要成果如下:(1)黑河河水与地下水相互转化关系方面,基于黑河G312大桥测流数据总结草滩庄-G312大桥河段河水入渗量与来水量的控制性分段经验函数,依据函数计算该段黑河1990-2013年年均入渗量为4.71×10~8 m~3/a。基于河道水均衡法计算1990-2013年莺落峡-草滩庄河段年均河水入渗量为2.03×10~8 m~3/a,G312大桥-正义峡河段地下水溢出量为12.51×10~8 m~3/a。(2)地下水系统方面,建立黑河干流中游盆地非均质各项异性三维非稳定流数值模型,确定盆地地下水主径流区及高流速区。1990-2013年中游盆地地下水总体处于负均衡状态,年均-1.090×10~8 m~3/a。2000年后黑河流域趋于丰水,地下水负均衡明显改善。依据数值模型计算莺落峡径流量多年均及4个典型保证率下的中游盆地地下水补给资源量,多年均补给量为16.219×10~8 m~3/a。通过设置水资源配置情景,定量识别盆地地下水补给项与排泄项的天然条件与人类活动作用。中游盆地地表水与地下水的强烈相互转化是黑河流域水资源的典型特征。(3)未来水资源变化情景预估基于历史重现法与CMIP5气候模式预估进行。分析黑河流域气象要素与多个全球大气环流指数的遥相关;将未来流域降水与潜在蒸散量预估应用于未来莺落峡径流量、中游盆地降水量与陆面蒸散量等的预估。(4)水资源优化利用方案方面,基于中游盆地目标规划模型给定多个未来水资源变化情景下的优化灌区引水量、开采量与河水入渗量等,为未来水资源可持续利用分析提供地下水流数值模型输入数据。(5)黑河干流中游盆地可持续利用分析表明,历史重现情景下盆地水资源开发利用状况不可持续;未来气候变化情景下地下水的负均衡状态明显改善;气候变化叠加节水灌溉情景在RCP4.5路径下,未来中游盆地地下水总体为正均衡,同时正义峡径流量可在更多年份满足国务院分水方案要求。节水灌溉是实现中游盆地水资源可持续利用的重要举措。