地下水中同位素信息記載了過去凈補給歷史過程，從中可識別地下水形成過程中主要補給期。地下水的形成與當時大氣圈、巖石圈、生物圈有著密切互動關系，地下水中同位素及其水化學組成與其形成時期的氣候條件存在壹定的關聯性。例如在北半球中高緯度地區，大氣降水的δ18O與年均氣溫之間存在相關關系，使其在全球環境變化研究中得到更廣泛的應用，並成為在深海沈積、黃土、冰心及湖泊沈積等氣候記錄研究的重要識別手段。
壹、地下水中古氣候記錄
華北平原地下水同位素變化有如下特征：第四系淺層地下水氫氧穩定同位素值較高，且差別較大；深層承壓水氫氧同位素的δ值多落在大氣降水線附近。山前沖積扇頂部區的δ值高於東部平原，與同位素的大陸效應不符，δD變化由山前至濱海呈高—低—高的變化，中部平原區為低值區。14C校正年齡表現為由山前至濱海呈年輕—年老—年輕的變化，中部平原區地下水年齡較老，垂向上14C校正年齡則隨深度增加而變老，14C 校正年齡為0～24000a（B.P.）。基巖地下水中第三系地下水δ值變化較小，巖溶水的同位素在冀中坳陷變化較大，總體特征是從山前向冀中坳陷有增加的趨勢，14C 校正年齡為11000～33000a（B.P.），沿徑流方向變老，年齡最大在牛駝鎮凸起（Liu Cunfu and Wang Peiyi，1992；李桂如等，1988）。
根據同位素數據，建立地下水的18O和2H的曲線，如圖3-7所示。
圖3-7 華北平原地下水同位素特征
（據張光輝等，2004）
（a）格陵蘭冰心同位素曲線；（b）華北平原地下水同位素曲線
圖3-7中δ18O曲線表明：35000a（B.P）以來，δ18O值明顯分為不同的兩個階段，以平均值-9‰為界限，10000a（B.P.）之前低於平均值，而10000a（B.P.）以來高於平均值，相同的研究結果也曾報道過（張宗祜等，1997）。低δ18O 值階段相當於深海氧同位素的第Ⅱ階段，高δ18O值階段相當於深海氧同位素的第Ⅰ階段，反映全新世氣溫明顯高於晚更新世末期。在33000～25000a（B.P.），δ18O 趨於減小，氣候趨冷。在25000a（B.P.）達到最低點，間冰期結束，冰期開始；25000～15000a（B.P.），δ18O值較低，說明冰期氣候寒冷，反映冰期氣候特點，其中在18000a（B.P.）左右δ18O值降到最低點，δ18O=-11.07‰，δD=-78.2‰。對應於末次冰期盛冰期，據京廣沿線降水同位素與年均溫度的關系（δD=2.8 t-94.0，δ18O=0.35 t-13.0），計算得盛冰期年均氣溫5.5℃，按華北平原年均氣溫10～14℃計，冰盛期氣溫比現在低4.5～8.5℃，與孢粉等研究結果相符（吳忱，1992）。18000a（B.P.）之後，δ18O 值振蕩上升，並在15000～13000a（B.P.）達到冰期的最高值。末次冰期在15000a（B.P.）後趨於緩和。在12000a（B.P.），δ18O又減小，是向全新世過渡前的壹次短暫冷期。隨後，δ18O值快速上升，表明冰期即將結束，並在10600a（B.P.）左右倒轉下降，對應於新仙女木顫動，而後向全新世快速轉變。
10000a（B.P.）以來，氣候明顯變暖，但相對於整個全新世而言，δ18O 在8000～6000a（B.P.）期間較低。如果δ18O值作為溫度變化的標記，顯然與其他地質記錄所表明的全新世氣候適宜期不壹致。陳宗宇博士認為，10000a（B.P.）以來δ18O反映的是夏季風帶來的降雨和濕度的變化。夏季風帶來的降水對地下水產生重要影響，因此，地下水的δ18O主要記錄了夏季風的盛衰。從這個意義上講，全新世以來地下水形成和演化與夏季風有著密切的關系。
華北平原季風的興起，開始於10000～9000a（B.P.），8000～5000a（B.P.）期間盛行，在5500a（B.P.）前後稍減弱。5000a（B.P.）之後，季風開始減弱。在2000～1000a（B.P.）期間有所增強。1000a（B.P.）以來，進入衰弱期，氣候偏幹。
在冰期，地下水的δ18O值反映了氣溫的變化，而在全新世期地下水的δ18O值則反映了季風帶來降水所引起的濕度變化。因此，山前平原地下水的δ18O和δD值明顯低於中東部平原，反映了夏季風相對強盛期間降水對地下水的補給特征。
二、古氣候條件下地下水補給
華北平原地下水多形成於數千年，甚至萬年之前（圖3-8），是地質歷史時期的產物。華北平原地下水形成與氣候之間通過溫度效應、降水效應和大陸效應等壹系列反饋過程相互制約，並通過同位素信息記錄在地下水中。降水的變化影響徑流出現的時間及幹濕交替頻率和強度，溫度的變化直接影響水面蒸發、陸面蒸發和潛水蒸發，改變土壤濕度和入滲條件。所有這些作用，都在地下水的形成和演化過程中留下永恒的記錄。因此，通過研究古氣候對地下水形成的影響，使我們了解其在地下水本身的特征，反過來，利用古氣候研究成果認證了地下水形成、演化規律與區域水文循環變化的壹致性。
華北平原地下水14C校正年齡分布具有如下規律，自晚更新世末期以來，區域地下水主要補給期具有周期性，每壹主要補給期約1000～2000a（圖3-9）。在冰盛期，地下水的補給較少。全新世以來，地下水主要補給期與氣候演變歷史中的多雨期和少雨期相應或交替出現。以地下水年齡統計頻數分布（圖3-10）初步確定，晚更新世末期以來，華北平原主要補給期為15000～13000a（B.P.）、12500～11500a（B.P.）、11000～9000a（B.P.）、8500～7500a（B.P.）、7000～5500a（B.P.）、5000～3900a（B.P.）、2500～1500a（B.P.）和1000a（B.P.）以來，其他時段地下水獲得的凈補給較少。
圖3-8 華北平原地下水14C校正年齡［ka（B.P.）］
（據張光輝等，2004）
從現今區域地下水資源實際分布情況考慮，6000a（B.P.）前後和4000a（B.P.）前後的補給，具有奠基意義。4000a（B.P.）前後，曾發生被稱為第二次大洪水期（楊懷仁，1996），孢粉及古籍資料記錄均表明 5000～4000a（B.P.）降水量增大，4000a（B.P.）的海平面較今高1.0m左右，北京地區在5000～4000a（B.P.）期間形成了泥炭層。這壹時期的洪水對華北平原地下水形成影響較大。在2700a（B.P.）前後因連年幹旱，大面積沼澤地幹涸。黃河下遊地區，在5000～3900a（B.P.）期間因夏季風高峰向北方推進而高溫多雨，人類遷移到了地勢較高地區。在邯鄲發現兩口深度7m左右的龍山期水井及槁城發現的兩口深3.7～5m的商代木結構井，都表明那時人類開始在地勢較高的地方就地提取地下水生活。
圖3-9 地下水的主要補給期與其他地質信息的對比
（據張光輝等，2004）
①華北平原地下水補給期主要期；②華北平原地下水14C校正年齡頻數分布；③黃河中上遊地區多雨期與少雨期；④華北平原古洪水期；⑤全新世鄂爾多斯高原降雨量（郭永海等，1996）；⑥岱海水位；⑦華北和西北地區湖面歷時百分數；⑧黃河源區全新世濕度半定量曲線；⑨祁連山敦德冰心氧同位素曲線（關秉鈞等，1985）
圖3-10 華北平原地下水14C年齡統計頻數分布
（據張光輝等，2004）
從圖3-9可見，地下水主要補給期與區內其他研究成果具有較好的對應性。其中，吳祥定等（1994）根據北大池剖面恢復出全新世以來的降水量，並由此確定出多雨期和少雨期。多雨期與本區地下水的主要補給期基本吻合，反映出多雨期與地下水主要補給期的對應性。古湖面波動是區域水文、氣候，尤其是有效濕度變化的反映，可視為天然雨量計。通過對黃河流域及其以北地區內陸封閉湖泊水位的變化研究發現（吳錫浩等，1994），在9000～5500a（B.P.）期間曾出現高湖面，5000～3000a（B.P.）轉為中低湖面波動為主，3000a（B.P.）以來則以低中湖面居多。高湖面為主的時期，反映夏季風帶來的降水增加，低湖面則相反，降水量減少。黃河源區幹濕半定量曲線顯示7500～5500a（B.P.）是最濕潤階段，5500～5000a（B.P.）是相對涼幹階段，5000～3900a（B.P.）為全新世第二溫暖濕潤階段，大約在3200a（B.P.）突發降溫之後，幹濕波動頻繁。
三、地史時期地下水補給演化過程
根據前幾節的降水量和氣溫重建資料，應用區域水量均衡原理，並借用表3-3中公式，采用200、100、50、20、10和5a的時間尺度多年平均，並彼此嵌套，估算出12400a（B.P.）以來華北平原不同時段的多年平均年地下水儲變量演化過程，如圖3-11所示。
圖3-11 12400a（B.P.）以來華北平原不同時段多年平均年地下水凈補給量
（據張光輝等，2004）
（註：在天然狀態下，凈補給量=總補給量-總排泄量=儲變量，開采量=0）
表3-3 華北平原主要研究分區年天然地表徑流模式與水文-環境特點
續表
從百年時間尺度的平均意義來講，12400a（B.P.）以來華北平原不同時段多年平均地下水儲變量最大值為57.75mm/a（6000a（B.P.）前後），極小值為-15.3mm/a（2900a（B.P.）前後）、-16.4mm/a（3800a（B.P.）前後）。在8000～4000a（B.P.）期間，華北平原出現 3個區域地下水的主要補給期，分別為4500～3900、6800～5700a（B.P.）和7800～7200a（B.P.），這壹規律與地下水同位素水文學研究結果相壹致。
從千年時間尺度的平均意義來看，在8000～4000a（B.P.）期間，華北平原出現兩個區域地下水主要補給期，分別為5000～4000a（B.P.）和7900～5600a（B.P.），凈補給量為16.5mm/a和20.1mm/a。
在9300～8700、5600～5200、3200～2700、2200～1400和900～700a（B.P.）期間，區域地下水獲取的補給較少。