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同位体水文学[ 1 ]は、地球化学と水文学の一分野で、自然界に存在する安定同位体と放射性同位体の技術を用いて、地表水と地下水の年代と起源、および大気水循環内のプロセスを評価する。[ 2 ]同位体水文学の応用範囲は非常に広く、水利用政策の 策定、帯水層のマッピング 、水資源の保全、水質汚染源の評価、地表水と地下水の相互作用の調査、地下水流モデルの改良などに用いられており、生態水文学では、水循環と生態系サービスのあらゆる側面に対する人間の影響を研究するために、ますます活用されている。
水分子は、水分子を構成する酸素と水素の同位体の比率の違いに基づいて、固有の同位体「指紋」を持っています。同位体とは、原子核中のニュートロンの数が異なる、同じ元素の原子のことです。
空気、淡水、海水には主に酸素16（¹⁶O）が含まれています。酸素18（¹⁸O）は、約500個の酸素原子に1個の割合で存在し、中性子が2個多いため、酸素16よりもわずかに質量が大きくなっています。単純なエネルギーと結合切断の観点から、このため、より軽い ¹⁶Oを含む水 が蒸発しやすくなり、 ¹⁸Oを含む水が液体の状態でより多く残る傾向があります（これを同位体分別といいます）。したがって、海水は雨や雪よりも¹⁸Oを多く含む傾向があります。
地表水や地下水に溶解しているイオンには、水文学的調査に役立つ同位体も含まれています。硫酸塩や硝酸塩などの溶解種は、34-Sと32-S、または15-Nと14-Nの比率が異なり、汚染源の特定に用いられることがよくあります。トリチウム（3-H）や放射性炭素（14-C）などの天然放射性同位体は、帯水層、河川、海洋における水の滞留時間を測定する天然時計としても利用されています。
水文学で最も一般的に使用されている同位体アプリケーションは、水素および酸素同位体を使用して、水、氷、または雪の起源または年代を評価します。氷床コアの同位体は、過去の気候条件を明らかにするのに役立ちます。地球の平均気温が高いと、より多くのエネルギーが供給され、雨や雪の大気中の18 O 含有量が増加します。したがって、地下水や氷層の18 Oの量が現代よりも少ない場合は、その水や氷がより寒冷な気候時代、あるいは氷河期の期間を表していることを示唆します。[ 3 ]
別の応用例として、流域水文学の分野における河川流量からの地下水流と基底流量の分離（すなわち、ハイドログラフ分離法）が挙げられます。降雨や降雪の各イベントにおける降水には固有の同位体シグネチャがあり、地下水は井戸サンプリングによって識別できるため、河川における複合シグネチャは、河川流量のうち地表流由来のものと地下流由来のものの割合を示す指標となります。[ 4 ] [ 5 ]
水分子中の安定同位体は、植物が利用する水の供給源（または供給源の割合）を追跡するのにも役立ちます。[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]
国際原子力機関の同位体水文学プログラムは、発展途上国が地球の水資源の詳細な状況を把握できるよう支援している。[ 9 ]
エチオピア、リビア、チャド、エジプト、スーダンでは、国際原子力機関が放射性同位元素技術を用いて、現地の水政策において化石水の特定と保全を支援した。
国際原子力機関は、地球の降雨と河川に関する一般公開されているグローバルネットワークと同位体データベースを維持している。[ 10 ]