经过多年的努力,我国对西北干旱区以及北方半湿润半干旱区的水文、水资源、生态保护的研究基本上达到较为一致的共识。处于这两类区域之间、降雨在300～400mm的过渡区域,本文称之为半干旱区,研究处于滞后状态。对此类地区开展水文水资源、生态水文深入、系统的研究,十分迫切。西辽河流域面积13.5万km2,属于这类地区的主体,具有很强的典型意义。迄今为止,西辽河乃至内蒙古东部草原农牧区水问题研究较为零散,缺乏系统性,有关松辽流域的水资源规划与管理,以及与之相关的资源环境课题都是将西辽河作为一个基本单元总体分析,缺少草原农牧区水资源合理利用与生态保护综合性的深入分析。干旱区平原降雨稀少不产流,地下水来自于出山口径流,形成荒漠绿洲的生态圈层结构;而半湿润半干旱区降雨产生地表地下径流,河流与地下水具有相互调节的特点,形成流域生态系统。本文所指的半干旱区在水文循环、水文与生态关系的特征上,与干旱区和半湿润半干旱区有显著的区别,具有自身的独特性:年降雨量300～400mm,不产生地表径流,垂直入渗活跃,地下水的形成依赖降雨补给,其耗散又补养草原植被。因此,地下水是半干旱区水资源合理开发利用与生态保护的基础。本文以西辽河平原为典型区,阐述了半干旱区水文循环与生态水文特点,研究西辽河平原以地下水为核心的径流形成与耗散的生态水文作用机理,提出以支撑地表植被生态系统为目标的地下水临界埋深和以保护地下水含水层为目标的降雨入渗补给地下水临界埋深的两个特征值。并以理论分析与野外观测相结合,通过对地下水临界埋深形成的物理过程的研究,构建相关计算模型,开展分析计算。根据农牧区生态格局,分别确定牧区与农区地下水保护的控制指标,实现以地下水为核心、经济社会发展与生态保护并重的资源与生态安全的科学管理。主要研究成果如下:(1)揭示了半干旱区生态水文作用机理。结合西辽河平原水文循环特点、水资源利用、植被组成和分布,分析了西辽河平原生态水文作用机理,认为降雨支撑西辽河平原以草本植被为主的草原,通过地下水的潜水蒸发补给,形成草甸植被、灌木半灌木植被丰富,兼有少许乔木分布的草原。明确了地下水是半干旱区水资源开发利用与生态保护的基础,提出以支撑地表植被系统与保护地下水含水层系统为目标的临界水文条件。(2)根据毛细管作用原理描述地下水潜水蒸发与植被吸收补给的物理过程,定义地下水补给植被的临界埋深;利用土壤物理学理论,以土壤孔隙度与有效粒径为已知条件,构建了描述土壤结构的有效孔径计算模型,辅以野外实地观测,作为计算毛管水上升高度的基本方法,计算了不同类型土壤的毛管水上升高度;并对HYDRUS-1D模型模拟计算毛管水上升高度的合理性做了分析;以植物生理学原理分析地表植被的根系作用;结合植被根系调查,科学界定临界埋深。给出了西辽河平原不同土壤类型区不同植被类型对应的地下水补给植被的临界埋深:在草原风沙土、潮土和草甸土区,乔木为6.5～7m,灌木半灌木为2～2.5m,草本植物为1～1.5m;在栗钙土区,乔木为7.5m,灌木半灌木为3m,草本植物为2m。(3)以维持地下水的可再生性为目的,阐述了降雨入渗补给地下水的临界埋深的物理机制与计算方法,构建了基于饱和与非饱和入渗理论的降雨入渗深度计算模型。计算了不同水文年、不同土壤含水量条件下的入渗深度,基于不同入渗条件下的入渗结果分析:有利于入渗的条件下入渗深度为8.8～16.1m,不利于入渗的条件下入渗深度为2.9～4.6m,一般入渗深度为5.5～8.5m。考虑农灌区灌溉水回补的影响,一般入渗深度为7～10m。并采用HYDRUS-1D模型模拟了相同条件下的入渗深度计算结果,验证了计算结果的合理性。(4)提出了西辽河平原农牧区维持生态稳定与地下水可再生性的管理建议。分析了地下水补排耗散作用;结合牧区保护生态稳定的研究目标,将牧区生态水位控制在2～2.5m(草甸土、潮土、风沙土)或3m(栗钙土);结合农区保护地下水含水层的研究目标,考虑灌溉回归的补给,将农区生态水位控制在7～10m,并结合农灌区地下含水层厚度,将抽水井的井距应控制在大于2倍影响半径的距离。