玛纳斯河流域属于典型的干旱内陆河流域,是我国开垦最早且规模最大的人工绿洲灌区,膜下滴灌种植面积大,在新疆经济发展中起着重要的作用。过去50年来随着灌区面积和人口快速增加,地下水过度开发利用引起地下水咸化、土地盐渍化、植被退化等生态环境问题。正确认识地下水流系统的补给与排泄特征对于水资源评价与生态环境保护具有重要的意义。本次研究在深入分析玛纳斯河流域地质与水文地质基础上,应用地下水位、水文地球化学、环境同位素、溴示踪试验、数值模拟等技术方法,构建天然和人类活动下地下水流系统模式,模拟预测地下水开采对地下水流系统的影响。得到的主要成果如下:玛纳斯河流域天然地下水流呈现局部、中间和区域三级嵌套的水流系统。山前戈壁带局部水流系统以低矿化（TDS<400 mg/L）的HCO₃·SO₄-Ca型地下水为主,地下水流速大于0.5 m/d,地下水年龄小于50 a;绿洲浅层区局部水流系统由降水或河水入渗及蒸发排泄构成,地下水年龄50～180 a。山前平原区至沙漠区为中间和区域水流系统,地下水由中等矿化度的HCO₃·SO₄-Na型与Cl·SO₄-Na型转变为高矿化（TDS>3 g/L）Cl-Na型,地下水径流速度小于0.05 m/d,地下水年龄10～30 ka。人类活动条件下玛纳斯河流域绿洲平原区新增膜下滴灌田间土壤水流系统,中间与区域水流呈现混合水流模式。膜下滴灌下绿洲浅层区局部水流系统向灌溉入渗及蒸发蒸腾为主的田间土壤水流系统转变;绿洲平原区中间和区域水流系统转为向开采井汇流,形成开采-灌溉-入渗的集水混合模式,开采井地下水年龄由现代水和古地下水组成,地下水年龄5～10 ka。利用人工溴示踪试验和非饱和数值模拟模型确定了田间土壤水流系统的入渗补给与蒸散发量。研究区8处溴示踪试验点结果表明,潜水蒸发速率位于0.02～0.71mm/d;通过溴示踪试验值与对应点处非饱和水流模型计算值比较,土壤水力参数识别可靠。构建13处试验点的非饱和水流数值模拟模型,结果显示膜下滴灌棉田蒸散发量位于500～750 mm/a之间,其中棉花生长期内蒸散发量位于460～650 mm/a之间,地下水入渗补给量位于5～38 mm/a之间。利用非饱和与饱和水流耦合的数值模拟模型预测人类活动对地下水流系统的影响。模拟结果表明山前平原区地下水开采量增加10%或20%时,水位下降幅度增加0.2 m/a左右;当绿洲平原区地下水开采量减少20%时,水位下降幅度减小0.3m/a;当山前平原区和绿洲平原区地下水开采量增加10%时,水位下降幅度增加0.16m/a。研究区大量开采中深层地下水进行农业灌溉,区域地下水流场变化显著。继续超采或进一步扩采,将持续消耗中深层古地下水,增大开采井集水系统范围,影响干旱区农业发展和生态环境保护。本文研究成果不仅可为我国西北干旱内陆盆地生态环境保护、水资源和社会经济协调发展提供科学依据,并可为世界各地相似地区提供借鉴。