山西省是我国北方岩溶分布面积最广的省份之一,岩溶地下水以其水量集中、流量稳定和水质良好等特点一直是山西省城市与工农业最重要的供水水源。晋祠泉是山西省著名的岩溶大泉,属太原西山岩溶裂隙水系统。晋祠泉不仅承载着晋祠风景区旅游景观的功能,而且担负着晋祠地区的工农业供水重任。上世纪80年代以来,岩溶水的大量开采等人类活动致使晋祠泉流量大幅衰减,采煤的矿坑水以及古交地区的废污水渗入地下严重污染了泉域岩溶水。水动力及环境条件的改变直接影响到泉域内岩溶地下水的水化学场及其演化特征。本文在分析晋祠泉域地质及水文地质条件的基础上,综合利用水化学分析、多元统计分析和水文地球化学模拟相结合的方法,对泉域岩溶地下水水化学特征及水化学成分的形成原因进行了系统分析研究。结果表明:(1)泉域内由补给区到排泄区水化学指标具有如下变化规律:水温呈逐渐升高的趋势;pH值呈下降趋势,岩溶水由偏碱性向中性过度;TDS总体上呈升高趋势,水中主要阴阳离子呈升高趋势,但变幅有所差别,Ca2+、SO42-分别增大了7.39和17.47倍。水化学类型由最初的HCO3-Ca?Mg型转化为HCO3?SO4-Ca型、HCO3?SO4-Ca?Mg型,过渡为SO4?HCO3-Ca?Mg型,最终演变为so4-ca?mg型和so4?ca型。地下水质量评价结果显示,从泉域北部补给区向南部排泄区水质由Ⅱ类水向Ⅳ类水渐变,Ⅱ类水基本分布在泉域补给区和径流区,排泄区各点均为Ⅳ类水,水质较差。(2)利用eof分解法对水化学场进行了时空变化特征分析。在空间分布特征上,由补给区到排泄区ph逐渐降低,tds、ca2+、mg2+、hco3-和so42-逐渐升高。从时间演化特征上来看,从2001年到2014年,ph、mg2+、k++na+、hco3-和cl-基本在平均值上下波动;ca2+、so42-分别在2008年和2009年之后呈明显的下降趋势。(3)通过聚类分析将泉域内各水样点的水化学特征亲疏关系分为三组,其中第一组又进一步分为两类。第一组位于泉域的补给径流区;第二组位于边山排泄区;第三组局部分布于边山排泄区东北部。同在一组的水样点间水化学特征的关联性较强,水力联系密切。利用因子分析方法进一步分析了岩溶水中各水化学成分的形成作用,不同组、同一组不同区样点水化学成分的主要形成作用各异。相关性分析法与化学计量学相结合的分析结果表明,岩溶地下水中各主要离子主要来自矿物溶解,但na+和so42-还有着其它来源。(4)饱和指数计算反映了水岩相互作用过程中各主要矿物的溶解沉淀平衡状态:方解石(所有样点)、白云石(大部分样点)在地下水中呈过饱和状态,沿着渗流路径的变化无明显的趋势性规律;石膏和硬石膏均处于溶解状态向饱和状态过度阶段,且沿着渗流路径呈明显的增大趋势;co2在岩溶水中的分压高于空气而低于土壤。通过溶蚀模量的计算,石膏的溶蚀量明显较大,方解石处于过饱和状态,并伴随有去白云岩化作用;方解石的沉淀量大于石膏的溶解量,但地下水对岩石的改造作用仍会形成少量的新空隙。(5)对泉域内7条典型路径的质量平衡和反应路径模拟结果表明:从补给区到排泄区,泉域的东北部、中部、西南部以及山前排泄带发生的水文地球化学作用差异较大,水动力场和地质构造对泉域岩溶地下水的水文地球化学反应起着明显的控制作用。