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华北平原是我国重要的粮食产区，由于地表水资源匮乏，因此农业生产主要依赖于地下水资源，多年地下水开采使得区内形成大范围常年性浅层地下水降落漏斗。为保障农业生产和粮食安全，同时恢复地下水水位，在具备引水条件的区域采用引水补源、先灌后补、以灌代补的灌溉方式。掌握引水补源区水循环模式，了解水循环要素变化规律，量化补源灌溉对地下水补给效果，并在此基础上分析补源区地下水水化学组分特征及演化规律，对于指导当地水资源管理以及评估多年补源灌溉效益均具有重要的理论和现实意义。此外，氮肥作为补源区粮食增产的主要因子，补源区水循环模式的改变可能会增大地下水硝酸盐污染的风险，因此了解地下水硝酸盐分布并对其进行来源辨析，对于掌握补源区水肥循环规律具有重要意义。 本研究以具有40多年补源灌溉历史的河南省濮清南补源灌区为研究区域，基于区域气候、水文、地质等资料，开展了野外调查采样和室内实验分析，利用氢氧稳定同位素、水化学、地下水水位数据，结合多种统计分析方法，研究了补源灌溉区域水循环各要素的特征，估算了地下水补给量，分析了地下水的水化学形成作用及引黄补源对地下水水化学的影响，并重点分析了水体硝酸盐变化规律及其主要来源。 主要结论如下:(1)对历年实际引黄量分析表明，自1986年第一濮清南灌渠(FPQN)建成通水以来，实际引水量逐年增加，并且主要发生在每年的3月份冬小麦返青期以及6月份玉米播种和出苗期;(2)自1970年以来，地下水位持续下降，2000年之后由于当地大力发展引黄补源工程，地下水位变化趋势整体上由降转升;补源效益区水位变动幅度较大，马颊河以东区域地下水位明显回升，近年来(1995-2013)地下水位平均上升速率从0.103m/年增加至0.232m/年;濮清南漏斗区面积没有进一步扩大，且埋深在15～20m范围的面积有所缩小，但漏斗中心由于补源灌溉不足地下水位仍在持续下降;(3)氢氧同位素分析结果表明地表水同位素最为富集，其次为浅层地下水，深层地下水氢氧同位素较为贫化，说明浅层和深层地下水补给来源不同，且二者之间水力联系较弱;空间分布上，黄河流域灌溉效益区氢氧同位素较为贫化，海河流域补源效益区较为富集;(4)分别采用区域水量平衡法、地下水位波动法以及氯离子质量平衡法对补源区地下水补给量进行了估算，结果表明水均衡法和地下水位波动法估算结果较为接近，平均补给量估算结果分别为327.4mm和389.5mm，而氯离子质量平衡法估算结果较小，丰水期和枯水期氯离子估算结果分别为163.1mm和143.2mm;不同区域估算结果表现为濮阳县＞市区＞清丰县＞南乐县，即自南向北补给量及补给比例均逐渐减小。三种方法对比结果表明，在降水量不足较为干旱的年型，地下水位容易受到人为开采的影响，不宜采用水位波动法估算地下水补给量;而在地表水资源丰富地下水埋藏较浅区域，地下水氯离子容易受到其他来源的影响，不宜采用氯离子质量平衡法;区域水均衡法不受上述因子影响，其估算精度主要取决于实际蒸散发量和灌溉量等输入量精度;5）浅层地下水化学类型复杂，随地下水流向，优势阳离子由Na和Na+Mg向Na+Ca+Mg和Na+Mg+Ca逐渐演化，在局域区域优势阳离子为Ca+Mg;而优势阴离子则有南至北逐渐由HCO3向HCO3+SO4和HCO3+SO4+Cl逐渐演化，局部区域优势阴离子为HCO3+Cl和SO4。浅层地下水化学类型由距离黄河较较近区域的HCO3-Na和HCO3-Na·Mg型逐渐向HCO3·SO4-Na·Ca·Mg，HCO3·SO4·Cl-Na·Ca·Mg以及HCO3·SO4·Cl-Na·Ca型演化。对地下水水化学的形成作用分析结果表明，阳离子交换作用是导致地下水中过量Na+的主要地球化学过程;本研究采用(Na+-Cl-)/Ca2+作为阳离子交换作用的指示指标，其空间分布特征表明补源灌区阳离子交换作用较为强烈的区域主要集中水位等值线较为稀疏水力条件较好的区域，这也是近年来地下水位回升较快的区域，说明补源灌溉促进了地下水中阳离子交换作用，使得水体硬度下降，因此(Na+-Cl-)/Ca2+可以作为评估补源效果的参考指标;(6)高浓度硝酸盐集中在补源区地下水位相对较低且距离河流较近的区域。本研究采用硝酸盐氮氧同位素示踪技术结合Cl-和NO3-浓度识别水体硝酸盐来源，结果表明大部分区域地下水硝酸盐来源于生活污水和粪肥，位于潴龙河和马颊河之间硝酸盐浓度较高的地下水硝酸盐来源与马颊河河水一致，主要来源为人工化肥。