干旱半干旱地区的水资源问题是一个世界性的难题，在我国的西北地区也不例外。如何合理、有效的利用有限的水资源，一直是水资源管理者和研究者们关注的重点，而其中一个关键问题就是如何对水资源进行有效存储。多年以来，水资源管理者倾向于将水资源存储地表水库之中，存储和利用都比较方便。然而，由于干旱半干旱地区自身的特点—降雨量少，蒸发量大，利用地表水库储水的方式导致了大量水资源的无效损失。在此背景之下，研究者们提出了“地下水库”的概念，即将水资源存储于地下水，从而到达减少无效的蒸发量，提高可被利用的水资源量。“地下水库”的研究涉及内容较多，如地下水库库址的选择、库容设计、水资源论证等等。本论文选择了位于新疆乌鲁木齐流域的柴窝堡盆地-河谷区为研究对象，①从区域地质、地质构造、水文地质条件、水资源条件等分析了“地下水库”建设的可行性，认为柴窝堡盆地的乌鲁木齐河径流区比较适合建设天然的“地下水库”；②通过利用分布光纤测温技术，监测在注水补给模式下，柴窝堡盆地的河床地层浅层的温度变化过程，定性分析了注水模式下，水流运动的基本特征以及河床浅层沉积物的热物理性质，认为在松散沉积物中和垂向补给方式下，水的运动一般以垂向运动为主；随着深度的增加，水流在垂向下移的过程中，还是会伴随着水平流动的迹象，但水平方向上受到水流的影响范围比较有限，另外，柴窝堡盆地浅层沉积物导热性能较好，而散热性能较差；③根据水热传导模型和温度场监测数据，通过模型模拟手段，间接获得河床浅层的水文地质参数，经过模型识别，在试验点的水平和垂向渗透系数分别为1.48×10-4m/s和1.34×10-5m/s。④将集合卡尔曼滤波法与数值模拟方法相结合，进行地下水位预测研究。通过理论分析和实例验证，集合卡尔曼滤波法是提高模型预测结果精度的有效方法之一。