本研究选取人类活动强烈的黄土高原丘陵沟壑区岔巴沟流域，基于氢氧环境同位素、水文实验和水化学方法，通过在岔巴沟流域(187km2)和曹坪西沟实验流域(0.1km2)上对大气降水、地表水、地下水进行定期、瞬时相结合的系统采样，并观测天然降雨及人工降雨下坡面的土壤水分变化，研究岔巴沟流域“三水”转化关系。　　 通过分析降水及其氢氧同位素的时空变化，以及地表水、地下水的氢氧同位素-水化学特征，探讨了岔巴沟流域大气降水对地表水、地下水的补给过程以及流域不同区段的地表水-地下水转化关系。地下水主要是少数大雨或暴雨过程经过缓慢入渗形成，到达地下水面前经历了强烈蒸发，地下水更新能力有限；土地利用方式及耕作措施明显减少流域地表径流；研究区洪水过程短暂，地表水对地下水的补给区域及时间有限，仅主河道部分区段可以补给地下水，非洪水期主要接受河道两侧的基岩裂隙泉水补给。基于此，对丘陵沟壑区的生态与环境恢复问题提出了一些建议。　　 本研究主要创新之处是基于环境同位素，结合水文实验、水化学、气象观测等方法，选取点、面不同尺度的流域，对大气降水、地表水和地下水进行系统采样，结合天然降雨及人工降雨条件下的降雨-径流-土壤水入渗规律，系统研究流域“三水”转化关系。　　 全球变化及土地利用、覆被变化等人类活动对流域水循环状况形成了深远影响，同时也给水文研究及水资源合理开发提出了挑战。近年来，黄河流域径流量急剧减少，河道断流频繁，位于黄土高原地区的黄河支流的入黄水量也迅速减少。上世纪六七十年代以来，黄土高原地区修建了大量梯田、淤地坝等水保工程，土地利用方式和覆被也发生了明显改变；而人类活动及全球变化对水循环要素间关系的影响及程度，还缺乏系统观测和科学依据，因此有必要对变化环境下该区的水循环机理进行深入研究。　　 本研究着重选取岔巴沟流域(187 km2)和曹坪西沟实验流域(0.1km2)，基于氢氧环境同位素、水化学、水文实验及水文气象信息开展研究。2004年8月以来，在岔巴沟流域，观测12个雨量站每年5-10月的降雨信息，并于每月末采集降水及地下水，通过降水与地下水同位素组分的对比，研究降水对地下水的补给过程；在流域出口曹坪水文站观测地表径流，定期采集地表水样并在典型洪水过程中加密取样；2005年6月和8月，两次对流域地表水、地下水进行瞬时采样，结合现场测定的电导率、pH值、水温等信息，研究流域内各支沟附近的地表水-地下水转化关系。　　 在曹坪西沟实验流域，设有标准气象场、实验小流域和人工径流小区。在气象场观测气温、气压、风速、风向、降雨量以及土壤温度等常规水文气象要素；在实验小流域内观测五个雨量站的降水过程，采集大于5mm的降水，并观测小流域的降雨产汇流过程；为研究荒草和耕地坡面的降雨入渗规律，采用中国农业大学TSC型土壤水分观测仪(SWR型传感器)观测5-10月间10cm、20cm、30cm、50cm层的土壤含水量，观测间隔10min；还采用张力计于每日早8时、晚5时人工观测10cm、20cm、30cm、50cm、70cm、100cm层的土壤水势，抽取土壤水，结合频度为10min的降雨信息，研究不同类型降雨的入渗规律。为弥补天然降雨下观测资料的不足，2005年9月在荒草和裸地径流小区进行了模拟降雨实验。　　 基于以上室内外实验及观测结果，目前，研究得出以下主要结论：　　 一、岔巴沟流域降水年内分配极度不均，5-9月降水量占全年90％以上，目集中在几场大雨强的暴雨过程中，最大日降雨量60～100mm，历时多在2～4小时；最大月降雨量一般出现在8月，150～200mm之间；降雨的空间变异性很大，以8月最突出，观测到的最大点降雨量可达最小点降雨量的2倍以上，但在丰水年空间变异减小。　　 流域次降水与月降水氢氧同位素组分都具有一定的时空变化，季节变化明显，具有一定的高程效应、雨量效应，且在不同季节表现不一，可以初步反映降水水汽来源；岔巴沟流域定期采集降水的同位素组分，按照降雨量加权平均后，具有高程效应，为-3.35‰/100m。通过对2004～2005年曹坪西沟实验流域次降水及岔巴沟流域月降水的系统采样与分析，首次得出了曹坪西沟实验流域(简称西沟流域)不同季节降水的δD-δ18O关系以及两个流域的当地大气降水线：δD-δ18O关系 R2水样数目┏━━━━━━━━━━━━━━━━━┳━━━━━━━━━━━━━┳━━━━━━┳━━━━┓┃西沟流域2004.7月后降水┃δD=5.91δ18O-11.9┃0.929┃61┃┣━━━━━━━━━━━━━━━━━╋━━━━━━━━━━━━━╋━━━━━━╋━━━━┫┃西沟流域2005年降水┃δD=8.06δ18O+10.3┃0.963┃110┃┣━━━━━━━━━━━━━━━━━╋━━━━━━━━━━━━━╋━━━━━━╋━━━━┫┃西沟流域2005.7月中旬前降水┃δD=7.42δ18O+9.3┃0.846┃55┃┣━━━━━━━━━━━━━━━━━╋━━━━━━━━━━━━━╋━━━━━━╋━━━━┫┃西沟流域2005.7月中旬后降水┃δD=7.72δ18O+5.8┃0.965┃55┃┣━━━━━━━━━━━━━━━━━╋━━━━━━━━━━━━━╋━━━━━━╋━━━━┫┃西沟流域的大气降水线┃δD=7.46δ18O+3.5┃0.925┃171┃┣━━━━━━━━━━━━━━━━━╋━━━━━━━━━━━━━╋━━━━━━╋━━━━┫┃岔巴沟流域月降水┃δD=7.25δ18O+1.4┃0.923┃108┃┣━━━━━━━━━━━━━━━━━╋━━━━━━━━━━━━━╋━━━━━━╋━━━━┫┃大气降水线(LMWL)┃δD=7.41δ18O+2.9┃0.925┃279┃┗━━━━━━━━━━━━━━━━━┻━━━━━━━━━━━━━┻━━━━━━┻━━━━┛　　 大气降水线的斜率S与氘盈余d之间存在着较稳定的关系9.81*S-d=70.1，亦即大气降水线中斜率与氘盈余基本同时变化，各降水线大致相交于(-10，-70)点；该关系可能反映了当地水文气象以及自然地理特征等综合信息。　　 二、曹坪西沟实验流域单场降雨的径流系数最大7.78％，最小0.12％，其中一半产流过程在2％以下，90％以上的降水以蒸敌发形式消耗；流域主要产流区集中在陡坡及低覆盖度的裸露黄土层。岔巴沟流域的洪水过程在少数大雨或暴雨后目涨落过程迅速，历时多在12～24小时之间，之后迅速回落到0.05m3/s以下，年径流系数在10％左右。　　 降雨强度、降雨量及前期土壤含水量是影响径流的最重要自然因素，土地利用方式及耕作措施是重要的人为影响因素。植被能够使土壤水分活跃层下移10cm、减少地表径流；耕地坡面表层50cm土壤蓄水40mm左右，比荒坡多蓄水36％；土壤翻耕对地表产流量的影响明显大于植被覆盖度变化的影响，能显著推迟稳定产流时间，且可使土壤水转化量提高50％～150％。　　 三、20°坡面上，40mm以上的降雨或连续暴雨可以入渗到50cm层以下，但由于补给场次少、历时短，年均补给量仅10mm左右；广阔的半整黄土层或耕地是降水补给地下水的重要界面。定期采集地下水的同位素组分变化小，对降雨明显的季节变化响应微弱，δD-δ18O关系为δD=3.41δ18O-36.3；地下水是δ值贫化的大雨或暴雨与地表层经过强烈蒸发的土壤水充分混合后到达地下水面；其中，马虎墕站地下水是高海拔地区的降水缓慢入渗后通过地下输水通道补给，而万家墕、曹坪站和姬家岑的地下水存在多个补给源。整体上，地下水更新能力不容乐观。　　 四、地表水环境同位素和水化学组分的变化模式不同，据此分析了流域上、中、下游地表水、地下水的转化关系。　　 6月、8月地表水的δD-δ18O关系分别为δD=3.76δ18O-33.2、δD=3.40δ18O-37.2，δD沿河道变化率分别为0.731‰/Km、0.535‰/Km；6月电导率沿程变化率122μs/cm/Km，8月则呈以流域中心最小，向上下游逐渐增大。流域中泉水的排泄条件较好，更新速度快于井水；基岩裂隙泉是地表基流的主要来源。　　 6月份地表水-地下水转化不频繁，地下水以小流量的基岩裂隙泉或黄土泉的形式排泄形成地表水，地表水以蒸发为主；主河道附近仅有两处地表水可以补给地下水，其中流域上游西庄处的潜水接受了18天前降雨所形成地表径流50％的补给量，驼耳巷附近的井水受河道地表水的补给较大；在流域中下游，泉水排泄量减小，地表水以蒸发作用为主。8月的非洪水期间，流域上游各支沟中地表水受地下水排泄补给及前期降水的综合影响；流域上游及中游，主河道两侧的基岩裂隙泉对地表水补给增加；流域下游，各支沟泉水露头减少且径流量占主河道地表水量的比重减少，水体混合作用不明显，地表水以蒸发为主，δ值富集。　　 本研究主要创新之处是以环境同位素方法为主，结合水化学及水文实验等信息，选取点、面不同尺度的流域，研究了黄土高原丘陵沟壑区岔巴沟流域的大气降水-地表水-地下水“三水”转化关系；同时，研究获得了大量第一手实验观测数据，得到了系统的降水-地表水-地下水氢氧同位素及水化学信息，为进一步研究岔巴沟流域的水循环问题提供了丰富的资料。