润湿地带的地下水，除受到湖泊水或其他地表水体渗漏补给外，它们的稳定同位素组成都非常接近补给地区的大气降水。但是，在大多数半干旱或干旱地带，蒸发作用常常导致这些地区的地下水比降水更富重同位素。在δD－δ18O图上，地下水的同位素组成常常偏离降水线向蒸发线漂移。对于以灌溉为目的的水，经重复使用和反复蒸发，结果是盐度和重同位素富集程度都将提高。
在特别干旱的沙漠地带，如Sahara和Kalahari沙漠，蒸发作用对天然水氚含量的影响不大，一些浅部地下水由于现代降水的补给氚含量常常接近当地的降水值，这是干旱地带地下水同位素组成的特有特征。
沙漠地区少雨，降水通常也没有规律，常以高强度的局部暴雨的形式出现，因而调查洪水对河床以下的地下含水层或区域性含水层的补给影响很重要。许多研究者认为，洪水是沙漠地带的主要补给源。这一结论主要是依据洪水及其附近的地下水中的高氚含量得出的。IAEA在阿尔及利亚Hodna北部的研究中发现，水井中水的氚含量与洪水一致。叙利亚北部的Wadi－el－ArIsh也与上述情况相似(Gat，1975)。对Feiran大绿洲的水井中的氚含量的研究还发现，水井的水是从一条干涸河中的洪水得到频繁补给的。
Levin(1980)发现，在Negevi沙漠冲积层浅部的地下水比当地的降水平均值和洪水都富重同位素，也比直接由降水渗滤的地下水高。他们认为，这是洪水滞留在池中经蒸发作用后，再补给浅部的地下水。
沙漠暴雨的同位素组成变化很大。Levin等(1980)在Negevi高地测得:长期降水的δ18O平均值大约为－6‰，而最低可达－12‰。Tongiorigi在沙特阿拉伯的个别暴雨地区也测到过类似低的δ18O值。这些贫重同位素的降雨偶尔补给当地的地下水，会模糊降水和古水同位素组成的差异，因此，在没有定年资料时，一定不能轻率地下结论。另外，这种过贫重同位素的降水，不存在任何高度效应的意义，在使用时应注意。
由于沙漠地区少雨，因而，沙漠地带的地下水，很可能包含有来源于偏远山区的水(包括古水或古卤水)，故常常引起淡水源水质的畸变。
王志祥等(1986)对我国新疆罗布泊地区天然水的同位素组成的研究提供了最好的例证:罗布泊地区位于新疆塔里木盆地最东部，地处欧亚大陆腹地，是一个气温变化剧烈、极端干旱的内陆封闭区域。尽管罗布泊极端干旱，但蒸发作用对天然水的氚含量影响不大。经测定:孔雀河和东尔臣河水氚含量为100～150TU，代表采样期间该地区的大气降水的氚含量。花岗岩地区出露的下降泉水的氚含量为127TU，与当地的大气降水一致，证明属当时的近期雨水补给;孔雀河下游冲积平原水井的地下水的氚含量为448TU，比地表水高得多，很可能是当时前几年孔雀河水补给的;罗布泊湖盆地下水氚含量最低值为2.8TU，古湖边、干涸的河床底及古河床和河谷地区氚含量在10～50TU之间，比这一地区的大气降水氚含量小得多。这些采样点地处低洼，地表水都已断流，地表一般都有盐壳，而且蒸发量大，大气降水下渗补给地下含水层的量极少，所以，地下水没有或很少受到热核试验大量释放的人工氚的影响。
