河流
境内河流均为黑河水系支流，发源于祁连山北麓的前山地带和大黄山，为季节性间歇河流。有马营河、霍城河、大独沟、寺沟河、山丹河和大黄山浅山区的流水沟、大口子河、南山口、羊虎沟及龙首山北的红寺湖等小沟小河。
马营河 是黑河最东的一条支流，也是县境内最大的河流，全长113公里。上游为白石崖河，中游称大马营河，下游为马营河，后统称马营河。李桥水库以上集雨面积800平方公里，年径流量0.588亿立方米。
马营河发源于祁连山冷龙岭北坡，山岭陡峻，河床深切，自然坡降1/30—1/40，植被较好。源头由白石沟、西沟、大东沟、西岔沟等支流组成，从源头由南向北至白舌口出山。主河道长22公里，流域面积156.4平方公里，年径流量0.43亿立方米，出山后流入大马营滩，向北30公里至大马营乡的石泉、磨湾村一带呈泉水溢出。向北流经新墩，汇合大小蔡家湖和大黄山小股泉水，经夹河和大马营乡的新泉、楼庄、城南、花寨、上山湾，流程30公里，于李桥乡的高庙村南1.3公里处纳霍城河注入李桥水库。经水库调节后，向北经李桥乡的杨坝、陈户乡的山湾和位奇乡的朱湾、暖泉、柳荫、位奇、马寨、永兴、四坝、东湾等村，流程31公里，于县城东南2公里处汇大沙河入山丹河。
霍城河 发源于白石崖河西部的祁连山北坡，全长43公里，流域面积343平方公里，自然坡降1/30—1/40，年径流量0.315亿立方米。源头由后稍沟、大香沟、小香沟、红泉沟、天井沟、狼洞沟等支流组成。出山后入渗大草滩，向北至霍城泉头和驼铃山东西两侧及西山南侧的圆圈子一带呈泉水溢出，汇流成霍城河，经霍城乡的王庄、周庄、西关、沙沟、双湖、新庄和李桥乡的河湾村，纳大独沟，于高庙村南1.3公里处汇入马营河。
寺沟河 发源于大黄山北坡，全长20公里，流域面积（包括三十六道沟）120平方公里，河床比降1/30—1/40。上游由直沟、大南岔、小南岔组成，山势陡峻，灌木密集，植被良好，阴坡有大片云杉、圆柏等乔木森林。由东南向西北汇入直沟，流程14公里至香炉台纳跌老鸦河是为寺沟河。向北经大马营乡的中河、下河村注入寺沟水库。经水库调节后于坝后0.3公里处纳三十六道沟，年径流量0.1351亿立方米。其支流三十六道沟发源于大黄山北坡，上游称青石头沟，全长10.7公里，流域面积47平方公里，河床比降1/30—1/40，年径流量0.0281亿立方米，距出山口1.5公里处建有三十六道沟水库。经水库调节后汇入寺沟河，向北经陈户乡的寺沟、范营、崖头、沙河湾村，汇合流水沟沙河，经新河东门向北注入大沙河。寺沟河由于在大黄山内流程短、产流有限、各支流水量不足，一般在出山后几乎无地表径流入河。
石沟河 源于霍城镇河西村的西山地带，由南向北流经霍城镇的河西村、上下西山村，位奇镇新开村的石沟河入石沟河水库，经水库调节后，流经芦堡村、汪庄村、清泉镇的南湖村后入山丹河。全长60公里，流域面积280平方公里。主要径流量为园圈子湖出露地表的泉水和后稍沟渠道分配给新开坝的灌溉水量，石沟河水库以下再无地表径流入河，年径流量0.0735亿立方米。主要灌溉霍城镇的河西村、上西山村、下西山村，民乐县的龙山村及位奇镇新开村耕地。
山丹河 古称“弱水”。《辞海》注释：弱水上源指今甘肃山丹河，下游即山丹河与甘州河合流后的黑河，是马营河、霍城河、寺沟河和老军诸小沟小河于山丹县城东南2公里处汇流而成的间歇河。由东南向西北，过县城经清泉乡的双桥、清泉、北湾村入祁家店水库，调节后经东乐乡出境汇入黑河。县境内干流全长36公里，流域面积2079.6平方公里，河床比降1/190左右。1981年祁家店水库断面实测年径流量0.146亿立方米，至1989年年径流量减少为0.0728亿立方米，1995年后全部干涸。
小沟小河 发源于大黄山浅山区的流水沟、大口子河、南山口、瓷窑口、羊虎沟和龙首山南坡的白水泉及南坡沿线各山口、北坡的红寺湖小沟小岔，以及发源于祁连山区流入西大河、童子坝河等出境沟岔。一般流程都较短，坡降较陡，年径流量0.6249亿立方米。流水沟出山口处建有流水口水库。流水沟和大口子河出山后汇合，沿大黄山北麓流经老军、焦湾至陈户乡的周坑折北，至沙河湾汇合寺沟河注入大沙河，全长32.5公里，流域面积67平方公里，年径流量0.0669亿立方米；瓷窑口（建有瓷窑口水库）、羊虎沟、南山口等沟岔向东北，汇集硖口等雨洪与明长城平行向西北，纳下北山沟岔至陈户乡的三十里铺汇合寺沟河入大沙河；红寺湖小沟小岔由龙首山北坡向北，年径流量0.0158亿立方米。
境内各河流的径流量主要由冰雪融水和降水补给，其中降水补给约占85％—90％，冰雪融水只有在3—5月气温较高时补给，其余以地下水的形式补给。年内降水过程多集中在6—9月，约占全年降水的60％，为一年内主汛期，常有局地暴雨引发的山洪灾害。但因大多河谷流程较短，洪水历时短、洪量大，来势凶猛、挟沙量大，对群众生产生活危害和水利设施破坏严重。
地表水资源
山丹县主要产流区在祁连山区，次为大黄山区，龙首山区很少。地表径流出山后，大部分入渗山前冲洪积扇平原形成潜流，少部分被直接引灌农田。潜水在冲洪积扇边缘以泉水形式溢出，复为地表径流。水资源主要来源于马营河、霍城河、寺沟河、老军河等，各河流来水量年均分配极不均匀，大多集中在6—9月，与降水的年内分配规律相适应。每年4—5月为春汛期，气温升高，径流主要由上游冰雪融水补给，来水量占全年的9.5％。6—9月为夏季洪水期，径流主要为大气降水，其来水量约占全年的80％。10—11月为秋季平水期，径流主要是地下水补给量和河槽储蓄量，其水量约占年水量的10.5％；12月至次年3月为冬季枯水期，地表径流基本断流，仅以地下水补给为主，水量小而相对稳定。
全县水资源特征为：境内地表水资源主要为自产水，入境很少。受时空和地域影响，分布不均，南部山区优于北部平川区。多年平均水资源总量12354.69万立方米，其中地表水资源总量8079.41万立方米（马营河灌区4340.2万立方米、霍城灌区2095万立方米、寺沟灌区763.46万立方米、老军灌区787.75万立方米、红寺湖灌区93万立方米）。
根据山丹县第一次全国水利普查成果，2011年度全县供需水量18060.81万立方米，其中居民生活用水374.26万立方米、农业用水16843.38万立方米、工业用水636.15万立方米、建筑业用水22.06万立方米、第三产业用水170.42万立方米、生态环境用水14.54万立方米。由此可以看出，山丹县水资源开发利用程度非常高，开发利用潜力不大，并仍有大量缺水，属资源型缺水。要想加快新农村建设，只有大面积推广高新节水技术，调整产业结构，加大退耕还林力度或从外流域调水，才能从根本上解决缺水问题。