岩溶地下水是柳林泉域内六县(区)生活和工农业用水的主要供水水源。随着经济社会的快速发展,泉域内水资源供需矛盾日益突出,人类活动(如滞流区未封闭勘探孔的自流、岩溶水的开采、地表水库的修建等)对岩溶水系统的影响越来越凸显,系统的边界、结构、循环条件、水动力特征、水化学特征等也随之发生改变,严重威胁到区域供水安全和经济社会的可持续发展。因此,在分析岩溶地下水储存条件、水动力特征的基础上,研究控制岩溶地下水水文地球化学特征的主要地球化学作用机理、岩溶水中环境同位素特征及其在水循环中的意义,探讨岩溶水中主要阴、阳离子的来源,对于进一步深化对柳林泉域岩溶地下水系统及其演化规律的认识具有理论意义,对于合理开发利用和保护岩溶地下水资源等具有实用价值。在分析区域地形地貌、地质和水文地质条件的基础上,综合运用地下水系统理论、水文地球化学分析和模拟、同位素示踪技术相结合的理论和方法,研究了岩溶地下水形成、循环和水化学演化规律。主要成果如下:(1)柳林泉岩溶水系统属于典型的干旱-半干旱区岩溶水系统,含水介质以溶蚀孔隙和溶蚀裂隙为主,水流形态以扩散流为主。根据岩溶水系统的循环条件,平面上可将其划分为补给区、径流区、排泄区和滞流区,垂向上可分为浅部循环系统和深部循环系统。浅部循环系统的岩溶水主要通过柳林泉排泄;深部循环系统的岩溶水天然状态下以增加自身压能的形式储存在滞流区,横沟自流井开凿后,深部循环系统袭夺部分柳林泉水,加大了岩溶水循环深度。(2)沿地下水渗流路径,岩溶水温度、Ca2+、Mg2+、Na+、SO42-和Cl-浓度逐渐升高,ph值和pe逐渐降低,氧化还原环境由氧化状态逐渐过渡为还原状态。岩溶水的物理、化学组分在泉域中东部地区变化较小,在西部变幅增大。与1995年相比,2011年含水系统东部岩溶水以离子含量升高为主要特征,在开采量较为集中的离石向斜盆地尤为突出;西部以离子含量降低为主要特征。(3)岩溶地下水中δd和δ18o值均位于当地大气降水线的两侧,说明岩溶水最根本的补给来源为现代的大气降水。2h盈余在泉域的补给区和滞流区较大,径流区和排泄区较小,说明形成补给区和滞流区岩溶水的水汽来源于一个相对干燥的海洋环境。补给区岩溶水中3h浓度最大,排泄区次之,滞流区最小,说明其径流条件由好到差依次为补给区、排泄区、径流区和滞流区。泉口上游水样中土壤co2来源的hco3-占优,而滞流区以碳酸盐岩来源的hco3-为主。在含水系统的补给、径流和排泄区,校核后的岩溶水14c年龄均为现代水,与3h含量分析结果一致。滞流区岩溶水14c年龄增长较快,至横沟1#井附近已达13000年左右,增长梯度达1990年/km。(4)在泉域岩溶水系统中,方解石、白云石和文石处于过饱和状态,石膏、硬石膏、岩盐及co2(g)处于不饱和状态。水文地球化学逆向模拟结果表明,方解石的溶解主要发生在大气降雨入渗补给岩溶水的非饱和带,在岩溶水的径流和排泄过程中处于沉淀状态;石膏、岩盐均处于溶解状态;沿地下水渗流路径发生了ca-na或mg-na离子交换反应;尽管白云石的饱和指数大于0,但受去白云石化作用的影响,白云石仍处于溶解状态。岩溶水从补给区向径流区及从径流区向排泄区运移过程中与地表水发生了混合作用。正向模拟结果表明,在地表水补给量减小以后,泉源区的tds将逐渐趋于升高;随着横沟自流井的持续排放,滞流区岩溶水将向着tds逐渐降低的方向演化。(5)不同区域水化学成分的形成作用不同。补给区和排泄区主要以溶滤作用、混合作用和阳离子交换作用为主;径流区和滞流区除受溶滤作用和阳离子交换作用影响外,还受氧化还原作用的影响;横沟自流井开凿以后,滞流区叠加了滞流水与袭夺岩溶水的混合作用。岩溶水中的Ca2+主要来源于方解石、白云石和石膏的溶解;Mg2+来自于白云石的溶解;HCO3-来自于方解石、白云石和土壤CO2的溶解。SO42-主要来源于石膏的溶解和黄铁矿的氧化,两种来源的SO42-所占的平均比例分别占81%和19%。滞流区约9%-15%的SO42-被脱硫细菌还原为H2S气体,且越靠近西部边界,还原反应所消耗的SO42-越多。在泉域的补给区、径流区和排泄区的上青龙、龙门会、杨家港和寨东泉组,岩溶水中的Na++K+主要来源于岩盐的溶解和阳离子交换吸附作用,Cl-主要来源与岩盐的溶解;在泉域的滞流区和排泄区的刘家疙瘩泉组,Na++K+和Cl-主要来自于岩盐的溶解。滞流区岩溶水中热量的来源主要包括地温梯度增热、当地正常地温、岩石中放射性元素产热和石膏的溶解放热,其贡献率分别占45%、30%、19%和6%。