水循环是联系陆地表层各圈层的纽带与核心，环境同位素作为自然水体中的重要组成部分，尽管其所占比例很小，却非常敏感地响应着环境的变化，并记载着水循环演化的历史信息。氢、氧稳定同位素作为研究水循环的示踪元素，不仅在不同的水体中存在差异，并且依赖于纬度、海拔、距海岸的距离、季节、温度和降水量等因子，因而通过观测同位素丰度的变化会引导我们深入认识地球化学和水循环过程。本研究通过2011年9月～2012年9月在中国天山乌鲁木齐河流域进行的一个完整年观测，重点对湿季（2012年5⁹月）乌鲁木齐河源1号冰川雪冰、中上游地表径流和地下径流以及主要气象站大气降水样品进行了采集，系统地分析了该流域不同水体中δD、δ¹⁸O的组成、分布特征、水汽来源示踪、环境与气候意义以及水体间的水力联系，有助于进一步深刻明晰内陆流域水循环过程。通过研究得到如下主要结论：（1）湿季，乌鲁木齐河流域大气降水中δD、δ¹⁸O值较高，变化范围较大，曲线呈单峰状；大气降水中δD、δ¹⁸O与温度和海拔呈显著正相关关系，反映了干旱内陆地区独特的自然地理气候特征；乌鲁木齐河流域局地大气水线斜率和截距均偏离全球水线，斜率约等于7是干旱区特有气候的表现，流域中上游与下游大气水线的差异表明其上中下游存在不同的同位素过程和影响因素。大气降水中δD、δ¹⁸O作为有力的示踪工具，追踪结果表明流域既受大规模气候条件影响，也受局地气候的影响。（2）乌鲁木齐河源1号冰川湿季表层雪中δD和δ¹⁸O特征显著，东支表层雪中δD和δ¹⁸O与海拔高度存在反高程效应，西支表层雪中δD和δ¹⁸O随高度波动较大，但仍存在高程效应；雪坑剖面中、上部，尤其是表层雪中δ¹⁸O值变化幅度较大，下部δ¹⁸O值变化不大，总体特征基本保持不变；表层雪和雪坑中δ¹⁸O与当地气温变化对应关系很好，能够很好地反映气温的变化，是雪积累时期的综合气象状况的反映。在湿季，冰雪融水受消融和蒸发的影响变化较为明显，东支消融开始较早，并未与西支出现同步性，而在消融期结束时东西支融水中δD、δ¹⁸O变化具有同步性；冰雪融水中δ¹⁸O随海拔高度的升高而略有减小，表现出一定的高程效应，反映了采样点及其以上不同海拔高度上消融的综合状况。（3）乌鲁木齐河流域河水中δD、δ¹⁸O沿流域上游至下游，其值逐渐升高，且其变化趋势与流域大气降水也基本一致；后峡水文点浅层地下水中δD和δ¹⁸O变化范围相对较小，特征显著，5⁸月逐渐富集，在8月达到最大值，之后出现贫化；乌鲁木齐河流域大气降水、地表径流、浅层地下水和冰雪融水之间存在密切的水力联系，即：在湿季，大气降水补给地下水，同时与冰雪融水混合补给河水，后峡浅层地下水同时还接受河水的补给；流域大气降水水线、河水水线、地下水水线以及冰雪融水同位素组成均远离全球大气水线，流域水体中稳定同位素在湿季期间经历了一定程度的蒸发作用，水体中富集同位素。