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  據野外踏勘,史前時期居延海面積達2600平方公里。漢時稱為居延澤,面積726平方公里。  古居延海由東、西居延海和京斯圖淖爾三部分組成,額濟納河,又稱黑水、黑河,自甘肅省張掖(古稱甘州)往北流,改稱弱水,至上流青山頭再分成兩條支流;西為穆林河,注入西居延澤(嘎順諾爾);東為納林河,注入東居延澤(索果諾爾),在豐水期時居延海合成一湖。與蒙古族土爾扈特部世代相伴。居延海總面積約720平方公里,飛鳥棲息,波光粼粼,“鴨浮綠波、碧水青天”。  該地區年蒸發量約3000毫米,而降雨量不足40毫米,完全靠額濟納河(黑河)補給,清代詩人任萬年稱“巨浪滔天大石浮,龍形滾滾向東流”。東居延海的海拔為907米。居延海是在東西斷裂形成的條帶狀窪地的基礎上形成,再加上風力剝蝕作用使窪地範圍擴大形成居延海湖盆。湖盆內有巨厚的侏羅紀沉積。第四紀早期造成靜水沉積的環境,說明為溫暖溼潤的淡水湖泊。更新世-全新世以來氣候轉為乾旱。

  1958年(特大豐水年)航片顯示,西居延海面積約為267平方公里,東居延海面積約35平方公里。由於黑河上中游人口的增加,阿拉善高原曾掀起幾次大規模的開荒浪潮,因黑河上游過度開荒造田,截留蓄水灌溉,20世紀後期居延海曾幾度乾涸,1961年西居延海乾涸,1992年東居延海乾涸,造成胡楊林、沙棗林、紅柳林、蘆葦、芨芨草等優質牧草大面積死亡,生態環境急劇惡化,成為沙塵暴的發源地之一。  2000年起,國務院授權中華人民共和國水利部黃河水利委員會設立黑河流域管理局,對黑河流域統一管理,逐步採取措施恢復居延海生態環境。每年通過“全線閉口,集中下洩”向下遊多次調水。同時,限制上游(主要是甘肅省張掖市)用水。2002年、2003年黑河流域發生洪水,調水過程比較順利。從2002年起,每年有4000-5000萬立方米黑河水流入居延海。2002年7月17日,首次流入東居延海。2003年的第二次調水,形成了東居延海26.8平方公里。2003年9月24日,首次流入乾涸42年的西居延海。2005年7月調水後,東居延海自1992年以來首次實現全年不幹涸。2006年居延海水面面積達到38.5平方公里,蓄水量達到4720萬立方米。2011年蓄水量約5000萬立方米,面積38平方公里。

  公元前121年(元狩二年),漢朝大將軍霍去病的軍隊出北地自靈武(今寧夏銀川西北)渡河,翻越賀蘭山、穿越浚稽山沙地(今巴丹吉林大沙漠),飲馬於居延海,再經黑河向南包抄祁連山下,在酒泉和張掖一帶擊敗了匈奴主力,擒獲單桓王和酋塗王,匈奴渾邪王刺殺休屠王之後,歸降漢朝。漢太初三年(前102年)伏波將軍路博德築城於居延澤上,遣軍民十八萬,置居延休屠二縣,廣建寨牆亭障,防禦匈奴南下侵攏。公元前99年(天漢二年),“使(李)陵將其射士兵五千人,出居延北可千餘里,欲以分匈奴兵”。東漢時期設居延屬國。  魏晉時稱為西海。唐代詩人王維更是寫下《塞上作》一詩:“居延城外獵天驕,白草連天野火燒,暮雲空磧時驅馬,秋日平原好射鵰。”  至今兩岸古蹟甚多,西夏建有喀喇浩特(即黑水城),傍居延海而建,並設定了“黑水鎮燕軍司”。西夏末年河水改道,古居延海逐漸消失。元代擴建黑水城,設定“亦集乃路總管府”,“亦集乃”漢語譯為“黑城”。元代分為哈班、哈巴、喇失三海子。1372年,明朝將軍馮勝率軍進攻元朝將領卜顏帖木爾據守的黑城,在東河上築攔河壩,斷絕黑城飲水,迫使元軍投降。由於當時馮勝採取了斷水為攻的戰法,使得弱水改道,造成居延海的綠洲消失。明朝在攻克黑城後,旋即又被迫放棄控制居延海地區。
居延海,位於內蒙古自治區阿拉善盟額濟納旗北部。漢代稱“居延澤”,後也稱“西海”,唐代以來一直稱“居延海”。西居延海稱嘎順淖爾,東居延海稱蘇古諾爾,是穿越巴丹吉林沙漠和大戈壁通往漠北的重要通道。古代認為這裡就是《尚書》所謂的“流沙”。目前,東居延海為國家級水利風景區。西漢至唐時期為河西走廊的一部分,屬張掖郡(甘州),西夏時期建有黑水城(喀喇浩特),明初廢棄,位於嘉峪關以北,為通向草原絲綢之路的常經之地,也是軍事戰略要地,曾出土過西漢中期至東漢晚期的居延漢簡。東漢曾在此建立過西海郡;東突厥復國後,安北都護府遷於此地。