西北内陆盆地包括柴达木盆地、准噶尔盆地、塔里木盆地以及河西走廊地区。西北内陆盆地的区域水循环规律非常相似。
一、地下水输入与输出
柴达木盆地浅层地下水系统输入主要由山区河流垂直渗漏补给，渠道渗漏补给和农田回归水补给以及基岩裂隙水侧向补给组成。浅层地下水输出系统包括:①泉水排泄，平原区冲洪积扇潜水在其前缘细土平原带，地下水受阻水位壅高泄出地表，并形成“泉集河”;②侧向排泄，平原区侧向排泄主要发生在冲洪积(洪积)扇前缘，潜水侧向排泄补给承压自流水;③蒸发蒸腾排泄，主要发生在冲洪积扇前缘和冲湖积平原、湖积平原地下水浅埋区;④人工开采排泄，开采井主要分布在各河流出山口洪积扇中前缘、山前洪积平原及河谷平原区。深层水输入，主要接受山区深部基岩裂隙水及局部水流系统中部分潜水的补给。平原内地下水侧向补给是盆地承压水的主要输入方式，在盆地冲湖积平原及冲洪积扇前沿分布着多层承压自流水。其含水层与潜水含水层相沟通，形成潜水侧向补给承压自流水;深层水输出系统，深层地下水向尾闾湖缓慢径流，水体排泄方式以越流补给上层为主，最后通过浅部的潜水及晶间卤水蒸发。部分可通过活动断裂泄出地表形成泉集河排泄。
准噶尔盆地浅层地下水输入，主要为山区河流的沟谷潜流补给、河道入渗补给、山区基岩裂隙水侧向径流的补给、山前暴雨洪流的入渗补给、渠系与田间灌溉回归入渗补给。浅层地下水输出系统，准噶尔盆地南部玛纳斯湖、艾比湖为排泄中心，北部地下水由河流两侧向河谷汇集，向乌伦古湖和额尔齐斯河排泄，排泄方式主要通过人工开采、蒸发蒸腾、泉水溢出、向下游侧向径流等方式进行排泄。人工开采占总排泄量的50%，泉水溢出占总排泄量的15%，蒸发蒸腾占排泄总量的30%。深层水输入，主要接受山区深部基岩裂隙水及局部水流系统中部分潜水的补给。平原内地下水侧向补给是盆地承压水的主要输入方式，在盆地冲湖积平原及冲洪积扇前沿分布着多层承压自流水。其含水层与潜水含水层相沟通，形成潜水侧向补给承压自流水。深层水输出系统，深层地下水向尾闾湖缓慢径流，水体排泄方式以越流补给上层为主，最后通过浅部的潜水蒸发蒸腾排泄。
塔里木盆地四周中高山降水较充沛、现代冰川发育，盆地内气候极为干旱，年降水量一般小于50mm，平原地下水的形成主要靠山区地表径流出山口后的大量渗漏补给。山区的大气降水和冰雪融水在形成地表径流的过程中，在山区已部分完成了地表水—地下水—地表水的转化，在出山后的径流过程中产生大量渗漏又补给地下水，经过山前戈壁带地下径流至冲洪积扇缘地带多以泉水溢出，形成泉集河。扇缘与下游的高水位地带地下水溢出形成沼泽，一部分转化为地表水径流，而另一部分消耗于蒸发排泄。
二、地下水流系统
西北内陆盆地发育区域水流系统和局部水流系统(图3-3-6)，一般不具有中间性水流系统。局部地下水流系统分布于区域地下水流系统之上，表现为源汇相间分布，水循环相对强烈。
图3-3-6 西北内陆盆地地下水流系统示意图
(一)盆地局部水流系统
Ⅰ1山前戈壁平原局部地下水系统。分布范围从山前到冲洪积扇裙前缘的溢出带，以单一大厚度潜水含水层为主，沉积物颗粒粗大，导水性极强，接受补给条件好，是盆地地下水的主要补给区。在其形成的整个地质历史过程中，河流出山口后大量入渗补给地下水，地下水径流至冲洪积扇前缘，由于地形变缓和地层颗粒变细而受阻，溢流成泉(集河)。该水流系统内，地下水补给、径流和排泄速度较快，为地下水积极循环交替带。溶盐含量极低，是盐分溶滤带，地下水咸化程度很低，其TDS与补给河水相差无几。
Ⅰ2冲湖积细土平原局部地下水系统。盆地戈壁边缘与腹地之间呈条带或片状分布(绿洲区)。含水层岩性以砂、细砂和粉细砂为主，厚几十米到百米，垂向上多表现为潜水和微承压水组成的二元结构。细土平原处于地下水和盐分迁移带，水化学类型复杂，咸淡水混合分布。
Ⅰ3湖积平原局部地下水系统。呈片状分布于盆地腹地(尾闾地带)。含水层单层厚度薄、分层多，垂向上多表现为潜水和微承压水组成的多元结构。地下水埋深浅，主要受蒸发作用影响，水交换以垂向作用为主，是地下水排泄和盐分聚集带，主要是咸水，仅在河流两侧局部分布有淡水体。
(二)盆地区域地下水流系统
盆地区域地下水流系统，以地下水流面或相对隔水层同局部地下水流系统相分隔，部分水由山前冲洪积扇地带局部地下水流系统向深部径流，最终到达盆地腹地上升运动排泄到湖积平原局部地下水系统之中。区域地下水流系统的分布范围可从山前一直到盆地最低洼处的尾闾湖区，按水交替方式、循环速度和埋藏特点可划分为浅循环区域地下水流系统、深循环区域地下水流系统和深埋滞流型地下水流系统。
Ⅱ1浅循环区域地下水流系统。分布于山前到盆地中心地带，地下水在山前接受侧向径流补给，并在向下游的缓慢径流途中顶托补给上部潜水，最后汇集于盆地中心地带消耗于蒸发排泄。
Ⅱ2深部循环区域地下水流系统。布于山前到盆地中心地带。浅循环区域地下水流系统之下，含水层岩性为松散沉积层或半胶结古近-新近系顶部地层，地下水运动极为缓慢。
Ⅱ3深埋滞流型地下水流系统。分布于断陷盆地底部，上下界线尚不清楚。具有高承压性，受高温高压影响，地下水为高矿化卤水。
三、区域地下水循环模式
西北地区年降水量的分布极不均匀，高山地形屏障对降水的影响极为明显。各山区各自形成降水高值中心，内陆盆地中部则极端干燥少雨。地下水资源一般起源于山区降水和融雪，以地表或地下径流形式汇入盆地平原，期间经多次转化，最终消耗于盆地中心的沙漠地带。这种以山区—山前戈壁带—细土平原(绿洲带)—沙漠带的水平分带性以及地下水—地表水—地下水的多重循环是西北内陆盆地下水资源形成和分布的一个重要特点，也形成了内陆盆地地下水循环的基本模式(图3-3-7)。
图3-3-7 西北典型内陆盆地地下水循环模式示意图
西北内陆盆地上游山区为区内地下水的最终形成区，由于海拔较高和地形切割，人类活动稀少;高山发育的冰川每年夏季消融，形成冰川径流，成为多数河流的源头。径流出山后，流经透水性极强的山前冲洪积扇，河水会大量入渗补给地下水，河川径流沿程减少;地下径流经过山前戈壁带至冲洪积扇缘地带又多以泉溢出，形成泉集河，河水汇集，向下游径流过程中，又通过河水沿途入渗、绿洲地区灌溉回归等方式补给沿途地下水。另外，尽管平原区也有降水，仅有少量入渗补给地下水。
天然条件下，地下水在流经盆地中游时，经过了地表水—地下水—地表水的多次循环转化。山前洪积扇带地表水的入渗补给，是盆地中游地下水的主要补给来源。盆地冲洪积扇缘带是山前倾斜平原与细土平原的交汇过渡带。由于地势变缓，含水层岩性变细、透水性由强变弱、地下水流受阻，导致水位升高，因此地下水在地形低洼的地方以泉的形式大量溢出。扇缘带以下河段，也是地下水的主要排泄处，在盆地某些地区受阻水边界的影响，地下水无法直接进入下游盆地，而是随基底抬升而上升溢出，转化为地表水进入下游盆地。近50年来，由于受人类活动的影响，这种循环转化模式已发生根本性的转变。中游盆地灌渠大多实行了高标准的衬砌，减少了地表水的渗漏，使地下水补给量大幅减少;同时盆地大量超采地下水用于灌溉，地下水补给量的减少和过度开采地下水，引发地下水位大幅度持续下降，泉水溢出带的水量经历了由大到小并逐渐消失的动态变化过程。目前大多中游盆地原泉水溢出带泉水已基本枯竭，扇缘带以下河段地下水排泄量大幅衰减，中游盆地水循环模式由天然的地表水—地下水—地表水的复杂转换模式逐渐向地表水—地下水的单一循环模式转变。
天然条件下，在盆地下游细土平原区或洼地，地下水水位变浅或出露地表形成湖泊，即尾闾湖，通过地表蒸发蒸腾，形成全排泄。近50年来，流域中、上游农业灌区规模的发展，耗用水量大幅度增加，使得进入下游地区的河川径流锐减，上游来水量持续减少，不得不大量开采地下水来满足农业用水和生活用水要求，水量亏损造成盆地地下水水位持续大幅度下降，地下水循环速度减慢。目前，盆地内天然湖、塘大多干涸消失，地下水自由溢出水面的情况早已不复存在。
综上所述，西北内陆盆地地下水循环多为河流山前侧渗、沿途线状补给为主，最终在下游地区形成全排泄，途经地表水—地下水—地表水多次转化的地下水循环模式。
四、西北内陆盆地区域水循环主要特征
1)地下水的输入、输出具有典型特征。山区降水与冰川融水在出山口的大量渗漏补给为盆地地下水主要来源。冲洪积扇潜水在其前缘细土平原带形成泉集河排泄，冲湖积平原、湖积平原地下水浅埋区主要为蒸发蒸腾排泄。
2)西北内陆盆地发育区域水流系统和局部水流系统。西北内陆盆地从山前到盆地尾闾湖(排泄中心)发育区域水流系统，区域水流系统之上发育山前戈壁平原、冲湖积细土平原以及湖积平原等局部水流系统，一般不具有中间性水流系统。区域地下水流系统，以地下水流面或相对隔水层同局部地下水流系统相分隔。
3)地表水与地下水多次转化，形成典型水循环模式。地下水资源一般起源于山区降水和融雪，以地表或地下径流形式汇入盆地平原，期间地表水与地下水经多次转化，最终消耗于盆地中心的沙漠地带。形成了以山区—山前戈壁带—细土平原(绿洲带)→沙漠带的水平分带性以及地下水→地表水→地下水的水循环模式。