我国西北干旱区降水稀少,气候干燥,沙漠广布,但境内的高山如祁连山等却是荒漠中的“湿岛”。发源于冰川而最终消失于沙漠的内陆河孕育着许多绿洲。这种特殊的山地-盆地结构决定了山区是径流的形成区,盆地则是径流的耗散区,盆地内降水极少。一个流域可看作一个生态系统,大气降水-地表水-地下水之间相互转化,故以流域为生态单元进行开发研究已成为必然趋势。近年来,随着国民经济的发展和人口的迅速增加,对水资源的不合理利用,导致了西北干旱区生态环境恶化。为了对水资源进行合理开发利用,实现水资源的可持续开发,研究干旱区内陆河流域地表水与地下水的相互转化、地下水的滞留时间、更新速率、区分不同层位地下水资源的属性是关键。环境同位素广泛的存在于自然界水体中,在降水、地表水、地下水、土壤水和植被体内相互转化的水循环过程中,同位素的分馏效应导致不同水体具有不同的同位素含量。利用不同水体同位素含量之间的差异,为研究它们之间的相互转化方式与转化数量,获得了传统方法不可能得到的一些重要信息;同时,放射性氚（³H）和碳(¹⁴C)测年技术可以提供地下水系统循环时间和更新速率的详细信息。这些技术为流域水资源可持续利用、合理开发地下水资源、保护脆弱的生态环境提供了科学依据。本文在收集前人研究资料和成果的基础上,通过野外调查、水样采集、室内样品分析和数据整理,运用同位素水文学数学模型,以黑河和石羊河流域为例,研究了西北干旱内陆河流域地表水-地下水相互转化、地下水滞留时间与更新速率及以地下水为古环境变化的信息载体,建立含水层古气候档案,重建地下水资源形成演化及其对气候变化的响应过程。通过研究取得了以下主要研究成果:1.利用小波分析得到黑河出山口径流的变化存在3年,5-9年、21-29年的主周期;从经验模态分解（EMD）残余变量R上,可以看出黑河出山口径流量呈增加趋势。特别进入20世纪80年代以后,黑河出山口径流量的增加趋势更加明显。这主要是由于该时期研究区气候由暖干向暖湿转变,降水量增加,山区春秋积雪量增多、河川径流量增大等因素造成的;2.利用同位素质量守恒方程,研究了黑河山区径流中降水、冰雪融水、基岩裂隙水的混合比例。尽管在不同的样点位置上,不同组分的混合比例不同,但从平均上看,夏季山区地表径流中,冰雪融水对地表水贡献率最大,其次是基岩裂隙水,降水最小。3.利用指数活塞流模型（Exponentional Piston Model,EPM）计算了额济纳盆地浅层地下水滞留时间。计算结果表明:额济纳浅层地下水的最老的年龄为58年,位于古日乃地区;最年轻的地下水处于鼎新-老西庙一带,年龄为13年;在额济纳县城一带的浅层地下水年龄为22年:在板滩井附近的浅层地下水年龄为20年。4.根据³H和¹⁴C的比例混合模型和均匀混合模型,研究了额济纳盆地地下水的更新速率。结果表明:额济纳旗盆地浅层地下水系统具有一定的更新性,平均更新速率为0.76～3.3%·a^-1;而深层地下水除了河道可影响的区域外,基本上属于不可更新资源,大部分更新速率变化范围为为0.003～0.006%·a^-1。5.研究民勤盆地地下水系统特征为:a.民勤盆地地下水的输入碳源极大可能是以C₄植被类型为主的土壤CO₂;b.在封闭条件下,发生碳酸岩溶解。并利用各种¹⁴C年龄校正模型,计算了民勤盆地地下水年龄范围为4 ka B.P.～36 kaB.P.。6.利用深层地下水δ¹⁸O和δ²H信息解释了石羊河河流域、黑河流域区域性古气候的变化特征。36ka B.P.～10ka B.P.,地下水的δ¹⁸O和δ²H值较低,反应了末次冰期的气候寒冷的特征,地表的平均温度是7.3℃;10ka B.P.～1ka B.P.,地下水的δ¹⁸O和δ²H值振荡增加,说明全新世转变时期气候波动频繁而不稳定,这一时期较低的δ值标志着进入全新世之前短暂的冷期,在短暂的冷暖交替之后,向全新世快速的转变。1ka B.P.～至今,地下水的δ¹⁸O和δ²H值明显高于其平均值,说明全新世气候开始变暖。