Le lac Balkhach est situé dans le centre-est du Kazakhstan, à peine 1 000 kilomètres à l'est de la mer d'Aral. Occupant le vaste bassin du Balkhach et de l'Alakol, à 342 mètres d'altitude, il s'étend sur 605 kilomètres d'est en ouest. Sa superficie varie fortement selon le bilan hydrologique. Lorsque l'eau est abondante (comme au milieu du xxe siècle et lors des années 1958-1969), le lac peut atteindre entre 18 000 et 19 000 kilomètres carrés. En période de sécheresse (fin du xixe siècle et lors des décennies 1930 et 1940), sa superficie peut se réduire à entre 15 500 et 16 300 kilomètres carrés. Le niveau de l'eau peut ainsi varier de plus ou moins 3 mètres. La péninsule de Sarymsek, qui forme une longue avancée dans le lac, sépare le Balkhach en deux ensembles hydrologiques distincts : une partie occidentale, large (de 27 à 74 kilomètres) et peu profonde (11 mètres maximum), et une partie orientale, étroite (de 10 à 19 kilomètres) et relativement profonde (jusqu'à 26 mètres). Les deux ensembles sont reliés par un mince détroit, l'Uzun-Aral, d'une profondeur d'environ 6 mètres.
La large rivière Ili se déverse, depuis le sud, dans la partie ouest du lac. Avant la construction d'un barrage hydroélectrique à la fin du xxe siècle, l'Ili représentait entre 80 et 90 p. 100 de l'apport en eau du lac. Seuls de petits cours d'eau, comme le Karatal, l'Aksu, l'Ayagoz et le Lepsy, alimentent le lac à l'est. Les deux parties du lac ayant une superficie quasi égale, l'eau afflue continuellement d'ouest en est. Si à l'ouest, l'eau était autrefois presque douce et, de ce fait, exploitable pour l'industrie et la consommation, à l'est, elle est saline depuis longtemps.
Au nord, les rives élevées et rocailleuses présentent des traces nettes d'anciennes terrasses. Les rives sud sont basses et sableuses, recouvertes en de nombreux endroits par de petits lacs peuplés de roseaux. Peu élevées, ces rives sont périodiquement inondées par les eaux du Balkhach.
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