黑龙洞泉域位于太行山与华北平原过渡带,是我国华北平原地下水重要补给区,地下水循环过程和水质的变化直接关系到上游水源区和下游平原地区的水资源安全。长期以来,黑龙洞泉域面临着地下水位下降、泉流量减少、水质不断恶化等一系列生态环境问题。为恢复和保护华北平原地下水,国家于2014开始实施地下水压采方案。然而,关于地下水减采后的天然水循环模式和水化学演变过程尚不清楚。因此,本文开展黑龙洞泉域地下水循环和水化学形成机理研究,具有重要的理论意义和现实需求。本研究于2017年12月和2018年8月,共采集了39个地下水样品,12个地表水样品进行了主要离子和稳定同位素测试分析。在摸清区域水循环过程的基础上,进而结合水文地球化学方法揭示了地下水水化学的演化过程,并最终建立了黑龙洞泉域地下水循环及水化学演化概念模型。取得的主要成果如下:（1）氢、氧稳定同位素研究结果表明,大气降水是地下水的主要补给来源,地表水与地下水均受到了较强的蒸发作用。地下水的平均蒸发比例约为12%,河水平均蒸发比例约为39%。西部山区地下水通过扩散流沿着岩溶裂隙补给河水,补给高程约为1220¹280 m,对滏阳河的补给比例约占河流径流量的70.6%,对漳河的补给比例约占河流径流量的50%。同位素的空间演化特征表明,地下水同位素组成自西向东逐渐富集,降水高程效应可能是造成西部山区地下水同位素相对贫化的原因之一。（2）研究区地下水水化学类型主要有Ca-HCO₃、Ca-HCO₃-SO₄、Ca-SO₄-HCO₃和Ca-SO₄型,地表水水化学类型主要为Ca-Mg-HCO₃-SO₄型。地下水水化学类型自西向东从Ca-HCO₃型,逐渐演变为Ca-SO₄-HCO₃型。局部停滞区的水化学类型主要为Ca-SO₄-Cl型。在水-岩相互作用过程中,岩盐、石膏等矿物发生了溶解作用,方解石、白云石等矿物发生了沉淀作用。山区地下水主要受岩石溶滤作用和阳离子交换作用控制,水质良好;平原区地下水则主要受蒸发浓缩作用、反向阳离子交换作用和农业化肥影响,硝酸盐污染比较严重;局部停滞区地下水硝酸盐污染极为严重,农业化肥大量使用是硝酸盐的主要来源。地下水饮用和灌溉适宜性评价结果表明:约77%的地下水为Ⅴ类水,7.7%的地下水不适宜饮用。地下水不存在碱害风险,但存在较大的盐害风险。（3）根据地下水循环及水化学演化概念模型:地下水从西部山区到东部平原区径流过程中,水动力条件逐渐变差,蒸发作用逐渐增强,并发生了相反的阳离子交换作用。此外,地下水沿渗流路径发生了脱白云石化作用使白云石逐渐转变为方解石而沉淀。地下水NO₃^-污染与土地利用模式密切相关,山区人类活动较少,地下水水质较好;而在平原区和停滞区,农业化肥不合理施用和生活污水肆意排放是地下水NO₃^-污染的主要来源。停滞区地下水在自然因素（阻水断层）和人类活动（农业化肥滥用、矿坑排水和工业污水等）的共同影响下,形成了异常高矿化度的地下水。