山丹东、南、北三面环山，山区基岩的构造裂隙和风化裂隙都很发育，为基岩裂隙水贮存创造了良好的条件。祁连山区径流深为100—300毫米，大黄山区径流深为50—200毫米。因此基岩山区一般都不同程度的贮存有裂隙水。由于沟谷的切割及受山前断裂的阻隔，绝大部分基岩裂隙水出山前都排泄于沟谷，部分被引为灌溉，部分入渗山前盆地，补给地下水。

在盆地下游，由于基底抬高，或断裂构造阻隔等地质条件的变化，地下水一部分以泉水溢出地表，复为河川径流。如马营河及其支流从祁连山发源出山口后，一部分渗入马营盆地形成地下潜流，一部分由军马场引灌，还有一部分由白石崖同后稍沟渠道输入下游马营河灌区与霍城河灌区。军马场灌溉回归水以及输水渠道渗漏水又补给了地下水。到马营盆地北部边缘，由于大黄山隆起及断裂影响，基底抬高，地下水溢出地表，复为河川径流。大马营和霍城灌区引灌后的回归水及渠系渗漏水补给了灌区一带的地下水，至李桥水库附近，两灌区的地下水沿河两岸处溢出地表，成为河川径流。经李桥水库拦蓄灌溉。渠系渗漏水和田间入渗水补给地下水，至山丹城南因断裂构造，地下水受阻溢出地表。被山丹河灌区引灌后，其渗漏水又补给地下水，到了祁家店水库，因瞭高山隆起，潜水溢出地表，再被祁家店水库拦蓄调节后引灌。地下水和地表水多次互相转化，给山丹有限的水资源形成了多次重复利用的机会。

南部祁连山区和中部大黄山区降水较丰富，地下径流模数1—3升／秒平方公里，水质好。北部龙首山区降水少，地下水缺乏，地下径流模数一般在0.5升／秒平方公里以下，且水质较差。

南部马营盆地，地下水补给量7348.26万立米，排泄量7251.23万立米，已开采36.5万立米。潜水的补给主要是河渠水的垂向入渗。盆地内赋存和运动条件好，地下水资源较丰富，南中部单井涌水量在3000—5000立米／昼夜，北部单井涌水量在500—1000立米／昼夜，水质好，矿化度低于1克／升。潜水的埋深条件，从盆地的南部到北部由深变浅，深处达到百米，局部地方达到数百米，浅处一般小于50米，到了大马营和霍城一带，由于受地质构造及地貌条件的影响，潜水受阻溢出地表。

北部新河盆地，是大黄山与龙首山之间的山间盆地。地下水补给量5706万立方米，排泄量6044万立方米，现开采3692万立方米，潜水的补给来源主要是两山区沟谷排出的地表径流同灌溉水的入渗。盆地的中下段地区，即在马营河畔的四坝滩，山丹河畔的城区以及丰城堡滩潜水资源也较丰富，单井涌水量一般在1000—5000立方米／昼夜，水质大多较好，矿化度小于1克／升。潜水埋深由山丹城南泉水溢出带向南、东、北逐步扩展而由浅渐深，从零米达到百米。老军乡丰城堡一带，有多层承压含水层，局部自流，有喷井1眼，水质较好。

白水泉盆地，系龙首山区的山间盆地，由于盆地封闭性好，基本上形成了一个自求平衡的小水文地质单元。地下水补给量为370万立方米，排泄量223万立方米，已开采180万立方米，潜水的主要补给来源是排出沟谷的雨洪径流入渗与龙首山基岩裂隙水潜流补给，单井涌水量为100立米／昼夜左右，且水质较差，矿化度2—5克／升，含氟量1.2毫克／升。潜水埋深多为40—50米，流向自北东至南西，在南西边缘处，潜水因受地质构造的影响，有少量以泉水的形式溢出地表。

红寺湖是龙首山区的山间槽地，潜水的补给来源是山区基岩裂隙水与沟谷雨洪径流的入渗，含水层厚度1—2米。马莲湖一带有零星的上升泉。地下水补给量229.4万立米，排泄量222.3万立米，且矿化度大于2克／升，氟离子含量1—2毫克／升之间。

祁家店区盆地，地下水补给量为963.1万立米，排泄量919.8万立方米。潜水的主要补给来源。首先是灌区水入渗，其次为山区沟谷排出的雨洪径流入渗和山区基岩裂隙水潜流补给。西屯、山羊堡滩一带比较丰富，单井涌水量400立米／昼夜左右。潜水自北东向南西运动，埋深50—100米，水质较好，矿化度一般1克／升左右。现已打井32眼。

山丹县地下水由于水库拦蓄、上游打井、南部沿山地区大量开荒和水源涵养林区植被退化等因素的影响，水资源明显减少。中华人民共和国建国初，全县有泉眼2502个，已干涸1012个，大马营蔡家湖及其城南湖地带多为沮洳，今大半干涸。地下水排泄的主要河流马营河、霍城河，70年代初来水比60年代初减少10％,80年代初来水比70年代初减少3.3％。山丹河泉水减少尤为突出，1964年前，泉水溢出量在0.79—0.81立方米／秒，1965年李桥水库蓄水，至1970年每年递减5％,1971年至1974年，每年递减7％左右，到1980年仅为0.197立方米／秒。自1972至1980年，山丹河畔地下水位已下降了1—3米。