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塔里木河流域径流形成于山区，河川径流补给来源主要包括高山冰雪融水、季节积雪融水、雨水和地下水。高山冰雪融水补给主要发生在高山地带，包括冰川融水、永久积雪融水及夏季冰面降雪融水。高山上的降雪除部分当年融化形成径流外，其余形成永久积雪和冰川，若干年后以冰川融水的形式补给河川径流。冰川融水受高山热量变化的影响，与太阳辐射量多寡和气温高低成正比，是独立于同年高山降水的径流补给源。
季节积雪融水补给主要发生在中低山地带。季节性积雪融水汇人河流后形成当年的径流量。雨水补给主要发生在中低山地带和河谷。天山山区夏季降水较多，雨水是天山中、低山区径流的主要补给源。
地下水补给主要发生在河谷和平原地带。山区降水或冰雪融水渗人地表后，在土壤和岩石裂隙中缓慢运动，蒸发损耗极少，通常经过若干年后，在山间盆地、冲积扇前缘与泛滥平原外侧等平原地带以泉流形式溢出补给河流和湖泊。由于广大面积的含水层具有巨大的水量调蓄功能，地下水补给部分通常比较平稳，年际年内变化都较小，是河流的基流部分。
塔里木河流域高山冰雪融水、雨雪混合和地下水补给量分别占流域径流总量的40%、37%和23%。其中，昆仑山区河流以高山冰雪融水补给为主，而天山山区不同河流的径流组成比例差异较大（表1)。虽然喀喇昆仑山和昆仑山区冰川条数、面积及储量都大于天山，冰川融水量占河流径流量比重也大于天山，但冰川融水总量小于天山山区。
表1 塔里木河流域主要河流多年平均径流置及径流组成
水系 | 河流 | 水文站 | 多年平均年径流量/亿m3 | 径流组成/% | ||
高山冰雪融水 | 雨雪混合 | 地下水 | ||||
| 阿克苏河 | 库玛拉克河 | 协合拉 | 48.90 | 52.4 | 30.4 | 17.2 |
托什干河 | 沙里桂兰克 | 28.11 | 24.7 | 45.1 | 30.2 | |
台兰河 | 台兰河 | 7.54 | 69.7 | 7.9 | 22.4 | |
叶尔羌河 | 卡群 | 66.24 | 64.0 | 13.4 | 22.6 | |
叶尔羌河 | 提孜那甫河 | 江卡/玉孜门勒克 | 8.60 | 29.9 | 55.3 | 14.8 |
玉龙喀什河 | 同古孜洛克 | 22.51 | 64.9 | 17.0 | 18.1 | |
和田河 | 喀拉喀什河 | 乌鲁瓦提/托满 | 21.89 | 54.1 | 22.1 | 23.8 |
皮山河 | 皮山 | 3.40 | 19.7 | 74.3 | 6.0 | |
开都河 | 大山口 | 35.38 | 15.2 | 44.0 | 40.8 | |
开都河-孔雀河 | 黄水沟 | 黄水沟 | 2.91 | — | — | — |
迪那河 | 迪那河 | 迪那河 | 3.66 | 16.9 | 76.9 | 6.2 |
木扎尔特河 | 破城子 | 14.28 | 80.0 | 0 | 20.0 | |
黑孜河 | 黑孜 | 3.25 | 9.7 | 50.3 | 40.0 | |
渭干河 | 卡木斯浪河 | 卡木鲁克 | 6.80 | 57.6 | 6.3 | 36.1 |
库车河 | 兰干 | 3.81 | 6.8 | 66.7 | 26.5 | |
克孜河 | 卡拉贝利 | 21.32 | 24.7 | 45.1 | 30.2 | |
喀什噶尔河 | 盖孜河 | 克勒克 | 9.47 | 65.2 | 10.7 | 24.1 |
车尔臣河 | 车尔臣河 | 且末 | 5.52 | 45.9 | 19.1 | 35.0 |
塔里木河 | 塔里木河干流 | 阿拉尔 | 45.6 | — | — | — |