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海河流域多年平均年河川径流量为216.1亿m3(1956〜2000年）， 折合流域多年平均年径流深67.5mm,产流模数6.8亿mV(km2.a)。 其中山区径流量164亿m3,占流域的75.9%， 平原径流量52亿m3,占流域24.1%。2010年海河流域天然河川径流量仅为149.0亿m3, 折合径流深为46.6mm,比多年平均值偏少31.2%,属枯水年份。
海河流域多年平均年径流深的区域分布基本与流域多年平均降水量等值线的分布一致， 沿燕山、太行山脉的迎风山区为一条年径流深大于l00mm的高值带， 其中由北到南分布有河北秦皇岛至河南安阳的6个年均径流深大于300mm的高值中心， 同时在恒山及云中山高山区也各分布有1个年径流深大于100mm的高值中心； 在平原区中部及南部，年径流深不足50mm,北部及平原区周边年径流深为50〜100mm。 背风区多年平均径流深多在100mm以下， 洋河盆地、大同盆地、坝上高原等地区年径流深小于50mm，是流域的低值区。
海河流域年径流受降水、地形地质、土壤植被等因素的影响， 一般在降水量相同的地区，山区径流大于平原； 植被好、地形坡度大、土层薄的山区径流大于植被差、地形坡度小、土层厚的山区径流； 平原区地面坡度大、土质黏性重的径流大于地面坡度小、土质黏性轻的径流。
海河流域主要以降水补给为主，还有季节性积雪融水补给、地下水补给。 另外，河流在不同时期的补给也不相同，雨季以地面水源补给为主，旱季以地下水源补给为主。