兰州—郑州段管线自西往东全线穿越黄河水系。该工程兰州首站即位于黄河岸畔的西固城，并在陕西省潼关县秦东镇穿越黄河干流而连接山西支干线。管线穿越的黄河一级支流有宛川河、关川河、渭河、涑水河、汾河、伊洛河等。
黄河是我国的第二大河，干流河道全长5464km，流域面积79.5万km12，其多年平均径流量：兰州段242亿m3/a，三门峡段420亿m3/a；河流流量季节性变化极为明显。因流经黄土高原，水土流失严重，河水含沙量极大，平均含沙量达37kg/m3，年均输沙量16亿吨。近年来因加强水土资源保护，含沙量和输沙量有所减少。
宛川河和关川河是甘肃段内黄河的一级支流，河流短促，由南往北流，枯水期流量很小甚至断流，而汛期流量倍增，常诱发自然灾害。关川河集水面积1640km2，多年平均径流量0.35亿m3/a，最大流量204m3/s。
渭河是黄河最大的一级支流，发源于甘肃省渭源县，自西往东流，于宝鸡峡入陕西省境，下游横贯关中盆地，至潼关县港口注入黄河，全长818km，流域面积13.48万km2，年均流量299m3/s。渭河系多泥沙河流，平均含沙量65.2kg/m3。在关中盆地中，渭河两岸堆积阶地发育，河床比降小。20世纪60年代初自三门峡水库蓄水后，渭河自临潼以下段淤积严重，河槽行洪能力逐年下降，近40年来汛期曾发生多次洪涝灾害，洪水冲溃堤防，造成大片农田和村庄等被淹的灾祸。受新构造运动的影响，渭河两岸支流呈不对称分布。北岸支流源远流长，主要流经黄土塬区，在管线地段有葫芦河、清水河、千河、漆水河、泾河、石川河、洛河等纳入渭河，这些支流河曲发育，洪枯期流量相差悬殊，泥沙含量大，以悬移质为主，是渭河泥沙的主要来源。南岸支流较短促，发源于秦岭北坡，均在陕西境内，主要有沋河、赤水河、罗夫河等，它们比降较大，水流湍急、泥沙含量相对较小，以推移质为主。输油管线在咸阳市石桥镇和渭南市信义镇附近两次跨越渭河。
涑水河是山西省境内的黄河一级支流，发源于绛县，在永济县的弦道园注入黄河，全长197km，流域面积5774km2。平时中下游干涸无水，雨季有洪流，平均清水径流量0.274亿m3/a，平均含沙量7.66kg/m3。输油管线3次穿越涑水河，分别位于运城盆地的阵盟桥、伍姓湖和洛沱湾。
汾河是仅次于渭河的黄河一级支流，全流域皆在山西省境内，发源于宁武县管涔山，由北往南流，于河津县北斐庄注入黄河，全长413km，流域面积3.9万km2，平均纵坡降1.12%～。洪洞县石滩水文站实测，年均流量25.4～69.2m3/s，最大洪水流量2800m3/s，最小流量3.6m3/s。输油管线在临汾盆地的侯马市西高村和洪洞县马牧镇2次穿越汾河干流。汾河的支流较多，呈树枝状不对称分布于它的两侧，右岸发源于吕梁山西麓的河流大多为短促的季节性河流，在管线主经过地段的左岸主要有浍河、仁义河、龙凤河、昌源河、乌马河、象峪河、潇河和扬兴河等，河长大多在百公里以内。
伊洛河是河南省境内黄河重要的一级支流，其上游为伊河和洛河两条河流，伊河发源于熊耳山南麓的栾川县，洛河发源于陕西省洛南县，二河流向皆为北东向，在偃师市杨村伊河汇入洛河，最后于巩义市注入黄河。伊河全长268km，流域面积6100km2，多年平均流量40.85m3/s。洛河全长410km，流域面积1.2万km2，多年平均径流量21.33亿m3。输油管线工程在巩义市清易镇附近穿越伊洛河。