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自20世紀50年代以來，各種同位素技術被引入水文研究領域，為研究水循環特征提供了非常快速有效的途徑，從而在獲取地下水年齡、估算地下水滯留時間、不同水體間的混合比例以及水力聯系等方面發揮了不可替代的作用。
為了解決研究區開發利用中的各種問題和挑戰，更全面地研究和探索研究區的水循環特征，可以利用同位素技術對研究區的地表-地下水系統進行調查和分析，了解系統中不同水體的起源、消耗、補給、循環速度、水力聯系和相互轉化，為更好地開展水循環研究提供更好、更準確的信息。
20世紀50年代初，同位素技術被引入水科學領域。此時以人工同位素示蹤技術為主要同位素技術，成功解決了水文和水文地質中存在的壹些問題[1]，如利用單孔同位素示蹤法測量地下水滲流場中水的流速和方向。然而，人工示蹤法的操作受到場地條件、設備和儀器的限制，並可能造成水汙染，從而破壞生態環境。另壹方面，人工示蹤法成本較高，難以實現連續動態監測[2]，因此應用範圍非常有限，尚未大規模應用。
20世紀60年代以後，主要利用人工同位素的方法逐漸轉向利用環境同位素技術的方法。環境同位素方法的出現改變了傳統水文研究方法的模式，使水文過程的研究有了新的方向。這種方法是基於測量自然界中穩定同位素的變化來研究水文過程，從而獲得壹些傳統方法無法獲得的關鍵數據[3]，進而成為水科學領域壹種重要的研究方法，有別於傳統方法[4]。壹般來說，氫和氧的兩種同位素氘(D)和18O是穩定環境最常用的同位素，主要是因為它們是自然界水分子的成分，在自然界中具有良好的化學穩定性。正是這些優點使得這兩種同位素成為理想的示蹤劑[5]。自1961年以來，國際原子能機構和世界氣象組織
組織(WMO)建立了全球精密同位素網絡(GNIP)，氫氧同位素研究發展迅速，應用領域不斷拓寬和擴大。比如根據大氣降水中所包含的同位素信息，預測和發現河流、湖泊和各種地下水的轉化關系和補給源區[6]。
20世紀七八十年代以後，由於同位素技術的迅速發展，同位素技術逐漸應用於流量過程線和降雨徑流過程的劃分。隨著這兩項技術的應用，同位素技術正式成為建立水文模型的重要方法。同位素技術在降水徑流過程中的應用，主要是利用氘(D)和18O作為示蹤劑，重新分析研究降水徑流中降水與基流的比例。在流量過程線的劃分中，同位素技術主要提供了壹個物理基礎，這個物理基礎非常完善。Pearce等於1986，將流量過程線分為降水和地下水兩部分。同時，根據水量質量守恒原理，建立了兩項水流混合模型。之後，Dewalle等於1988。利用與上述相同的原理和方法，將壤土流從地下水中分離出來作為壹項，然後根據質量守恒劃分流量過程線，從而建立三項流混合模型。隨後，基於同位素技術的各種應用和模型層出不窮，從穩定同位素到放射性同位素，發展極為迅速[7]。
隨著同位素分析技術的提高和分析成本的降低，同位素在水文中的應用越來越廣泛。與此同時，國內越來越多的人將同位素技術應用於水文研究。在中國，同位素技術的應用主要集中在研究徑流分段、不同水體(或含水層)之間的水力聯系和補給關系以及混合比例，地下水的起源和形成，包括地下水的循環深度、補給來源和補給高程，以及許多研究集中在鹹水和地熱水的成因，以及地下水汙染的示蹤，水中汙染源的儲存和運輸過程，通過環境同位素研究庫區或大壩的滲漏以及古氣候和古環境。
基於質量守恒定律和瑞利分餾定律，可以分別導出靜止水體中隨時間動態變化的穩定同位素組成的微分方程模型和運動水體中隨時間和空間變化的待定同位素組成的偏微分方程模型。通過數學方法，從理論上論證上述模型之間的內在聯系，進而得出穩定同位素組成與河道運動水體中各種因素的定量關系，主要包括流量、流速、分流系數、蒸發率等。，為水體中穩定同位素組成信息的數值模擬提供了良好的數學基礎。
在中國，靠近太平洋的東南地區常年受季風水汽影響。近年來，通過測量降水等水體中氫、氧的穩定同位素信息來追蹤大氣水循環路徑已經成為壹種非常常用的方法。在降水過程中，蒸發和凝結會導致降水的同位素組成發生變化。