重点实验室聚焦四大科学问题，在流域尺度布局四大研究方向与四大研究团队：
一 旱区河流与地下水转化的动力学过程及多场耦合机制研究团队
人类活动和环境变化改变了河流与地下水之间的水力联系，引起河川基流量大幅度缩减，山水林田湖草生命共同体水分、物质、能量平衡遭受破坏，水安全形势日趋严峻，上述问题已威胁旱区水安全、粮食安全和生态安全。基于此，重点实验室在该方面持续发力，开展了系列研究：
科学认知层面，全面剖析了地表水与地下水水文机制与流域生态系统水分、能量和物质交换及其衍生的异质性格局关系，形成了流域尺度下的地表水与地下水转化的科学认识。
动力学过程层面，首次系统揭示了河流与地下水转化的完整动力学过程，打通了“野外观测试验-物理模拟-理论推导-模拟技术研发-示范应用”河流-地下水相互作用研究新范式，有效解决了河流与地下水耦合建模的理论与技术难题—回答了转化机理、建模与量化问题。
场域耦合层面，阐明了河流-地下水相互作用中水文-生物地球化学-生态过程的耦合机理，创建了污染物在河流-地下水系统中传输过程的理论方法体系，解决了河流污染对地下水污染影响程度与影响范围划界的技术难题，为河流-地下水污染精准识别和协同管控提供了理论基础。
战略服务层面，首次鉴别了地下水对河流生态基流保障程度，形成了保持健康黄河必须保护好流域中上游地下水环境的重要结论，为流域地表水和地下水协同整治提供了理论依据。
研究成果已在“Water Resources Research” 、“Journal of Hydrology”等高水平主流学术期刊上发表，8篇代表性论著总他引481次，其中2篇为高被引论文和中国精品科技期刊顶尖学术论文（F5000）。《陕西生态文明建设纲要研究》、《陕西省国土空间规划生态修复（2021-2035）》和《秦岭生态环境保护路径》等咨询报告直接采用了该研究成果，为秦岭生态保护、国土空间规划和黄河流域高质量发展等国家战略实施发挥了智库作用。2022年获得了陕西省自然科学奖一等奖、生态环境部环境保护科学技术奖一等奖和陕西省哲学社会科学优秀成果奖一等奖。
二 典型地貌区地下水文过程与水文地球化学/生态环境间协同机制研究团队
大型盆地、黄土高原、青藏高原是西北旱区的精华所在，其地下水循环演化控制着旱区的生态格局，直接关系到区域社会经济的可持续发展。在自然变化和人类活动影响下，不同类型区地下水怎样响应、怎样循环、怎样演化？这些问题都旱区水资源开发利用与生态保护中亟需解决的关键科学问题。在国家自然科学基金重大项目、重点项目等项目的支持下，重点实验室针对黄图渗流与灾变效应开展了系统的研究工作：
黄土高原：深化了黄土高原地下水循环演化的水化学指示研究，阐明了地下水污染的水动力学和水化学演化过程，并构建了一套充分考虑人类活动影响下的区域地下水环境研究方法体系。阐明了黄土高原区包气带典型土壤与水文特征，创建了包气带容重多尺度预测模型，揭示了土地利用类型与地下水水质的定量关系，有效提升了我国在全球变化下黄土高原地区潜在地下水补给时空演变领域的研究水平。
青藏高原：查明了湖床沉积物渗透性变异规律，厘清了热喀斯特湖区域地下水动力场、水化学场、同位素场特征，建立了考虑“热传导”和“热对流” 过程的“水—冰—热” 耦合数值模型，揭示了热喀斯特湖与多年冻土间的相互作用关系及热喀斯特湖与地下水间的协同演化过程。
西北大型盆地：从水动力场、水化学场、环境同位素等角度研究了区域地下水循环演化模式、循环强度、更新速率及效应，构建了地下水循环模式划分的指标体系，划分了不同类型的地下水循环演化模式，定量计算了不同模式下的地下水循环强度，为合理开发旱区地下水提供了科学依据。
研究成果已在“Journal of Hydrology”、“Geoderma”、“Engineering Geology”等高水平主流学术期刊上发表论文36篇，文章总他引700余次，其中ESI高被引文章9篇，申请专利6项。相关研究成果已在黄土高原地区成功应用，部分编入到本科生教材《水文地球化学（第二版）》。依托上述成果，2021-2022年间获得了陕西省生态科学技术奖自然科学奖特等奖，绿色矿山科学技术奖一等奖等共计4项省部级和厅局级奖项，1人获陕西省优秀博士论文，3人次入选全球顶尖科学家或高影响力学者。
三 旱区地表-地下水系统水汽热转化机理及其生态效应
旱区地表水及降水资源贫乏，地下水与生态环境之间的关系密切，哪里有水，哪里就有绿色与生命、就有富裕与文明、就有激荡与活力。由于旱区地表水贫乏，地下水生态和资源功能极为突出。因此，提升有限降水资源的蓄存和利用效率是旱区生态恢复和植被建设面临的重要科学问题。
在水热通量方面，揭示了旱区土-气界面与包气带水分传输过程，初步厘清了旱区土-根界面水分交换规律，构建了根系吸水模型，形成了旱区地表-地下水系统水汽热转化机理与多界面动力学理论体系。
在生态水文互馈方面，揭示了旱区植被类型、长势与地下水埋深之间的关系，阐明了裸地土壤水分在冻融期的季节性迁移规律，厘清了沙地裸地季节性土壤水分运移机制，初步明确了旱区冻融期和生长季土壤-植被的水文-生态互馈关系。
在模拟技术方面，提出了改进型有限分析模拟方法，推导了旱区包气带非均质条件下水分运移的有限分析计算格式，研发了包气带水分参数与界面通量协同反演技术，探明了旱区植被和裸地条件下的土壤水分运移机制，量化了土壤-地下水对旱区典型植被的贡献。
在旱区应用层面，创新性地提出了地下水生态价值的概念，构建了面向生态的地下水资源评价的理论和方法，形成了基于水文过程的旱区生态环境危机的多维临界阈值体系，为旱区水资源和生态环境评价、预警与修复奠定了技术基础。
相关研究成果在“Water Resource Research”、“Journal of Hydrology”、“Science of the Total Environment”、“水科学进展”、“农业工程学报”等高水平主流学术期刊上发表102篇，其中73篇被SCI收录，9篇入选ESI高被引论文，申请发明专利6项，出版专著3部，2个提案被九三学社中央采纳。
获得了陕西省科学技术一等奖、国土资源科学技术奖二等奖、甘肃省科技进步二等奖，陕西省环境保护科学技术二等奖、陕西省生态科学技术奖自然科学一等奖等多项省部级和厅局级奖项。
四 旱区地下水可持续利用及区域生态环境协同整治研究团队
在强烈的人类活动和气候变化双重影响下，旱区地下水系统的循环演化过程不断加快，呈现出高度复杂性、空间异质性和连锁效应。在山水林田湖草沙生命共同体和流域高质量发展的战略需求下，如何科学开采地下水，如何防范地下水安全风险，如何指导工程实践，促进旱区生态环境协同整治，这些都是当前国家西部生态文明建设中需要重点破解的难题。重点实验室针对上述问题开展了系统地研究工作：
在地下水数据资源方面，基于多源异构数据和集成方法，构建了一套水文地质结构建模方法，克服了以往在构建地质结构模型时把钻孔深度（约300 m）作为结构基底边界的缺陷，将其应用于银川平原，提出了面向银川平原土壤盐渍化的水资源利用优化策略。
在地下水开采技术方面，探究了渗流井的取水机理，揭示了渗流井取水过程中地下水渗流场变化规律，建立了渗流井取水的“渗流—管流”耦合数值模型，优化了结构参数，解决了多个渗流井同时取水模拟计算的难题，并提出了饱和、非饱和条件下地下水渗流场及渗流井产水量的预测方法。
在地下水开发利用策略方面，提出了优先开发利用积极循环带水资源、有节制开发中等循环带水资源、尽量避免开采弱循环带水资源的原则，以及“地下水库式开发模式、雨洪利用模式、河流近岸开发模式、井渠结合模式、井灌井排模式、排供结合模式”等水资源利用模式与地下水可再生维持途径与调控技术。
在地下水生态环境管控方面，构建了全流域三维地质结构和地下水流与溶质运移数值模拟模型，获取了水流与溶质运移的关键水文地质参数，预测了地下水压采、生态补水和污染负荷减量化下地下水流场和污染的发展趋势，提出了流域地下水生态风险分类管控方案，编制了61幅雄安新区地下水生态风险防控图件，研发了地下水生态环境监测技术方法，为雄安新区流域地下水资源合理开发和生态环境保护指明了方向。
研发的土壤-地下水环境多要素原位监测技术方法被中国地质调查局水文地质环境地质调查中心应用到“白洋淀地区生态地质调查”项目中，指导建立了白洋淀湿地综合监测网络。
编制《水文地质调查技术要求（1∶50000）》和《水文地质调查图件编制规范第1部分：水文地质图编制（1∶50000）》两项地质调查技术标准，为国土空间规划布局、生态文明建设、矿产资源科学利用提供了地学支撑。
获得了国土资源科学技术二等奖、环境保护科学技术一等奖、陕西省环境保护科学技术奖二等奖等多项国家级、省部级奖项，参与编写行业规范2项，出版专著2部。
