晋祠泉域岩溶地下水水量稳定、水质良好,是太原市及其周边县市工农业供水的重要水源。近几十年,泉域内的人口密集增长、城市化进程稳步推进和经济社会高速发展,使得水资源供不应求、供需矛盾突出,尤其是人为因素(采煤排水、岩溶水开采、汾河水库的修建等)对岩溶地下水系统的影响愈来愈大,最终导致泉水流量不断减少并断流。泉水断流不仅改变了岩溶水系统的水动力场,对于水化学演化过程也产生了深刻影响。为科学认识晋祠泉域岩溶水水质演化规律,适度开发和利用岩溶水资源以满足生态文明建设的要求,有必要对岩溶水水化学演化特征进行分析。本文在分析晋祠泉域岩溶地下水的赋存条件、补径排特征的基础上,研究岩溶水的水化学特征及演变规律,探讨主要阴阳离子来源,建立水化学逆向模拟模型研究岩溶水水化学场演化规律。主要的研究内容和成果如下:(1)以钻孔数据、地质图、水文地质图等为基础,利用GMS软件构建晋祠泉域岩溶水赋存空间的三维可视化模型。根据地质模型的分层和剖面显示结果,晋祠泉域地势起伏很大,从西北部到东南部,高程呈现减小趋势。第四系地层广泛分布于太原盆地且厚度较大,在山区和河谷地带零星分布且厚度较薄。二叠系和三叠系地层在泉域中部厚度较大,石炭系地层厚度较薄且分布于汾河河谷地带。寒武奥陶系地层出露于泉域北部和西北部,是主要的含水岩组。马兰向斜、岭底向斜、北石槽背斜等褶皱均在模型中可视化表达,但由于GMS软件假定地层连续,断层在模型中不能很好体现。(2)运用箱型图、舒卡列夫分类法、Piper图、SOM神经网络模型、相关性分析和离子散点图等方法,探讨了晋祠泉域岩溶地下水的水化学时空演化特征及成因。结果表明,泉域补给区水化学类型以HCO₃-Ca·Mg、HCO₃-Ca型为主,径流区以HCO₃·SO₄-Ca·Mg、SO₄·HCO₃-Ca·Mg型为主,排泄区为SO₄-Ca、SO₄-Ca·Mg型,且沿渗流路径T、TDS、EC和主要组分离子浓度不断增加。通过对比2001年和2016年水化学场的变化规律,发现2016年的TDS和各主要组分的空间分布特征更加复杂,可能受到酸性老窑水和汾河地表水的渗漏影响。岩溶水中HCO₃^-和Ca²⁺、Mg²⁺主要来源于碳酸盐岩溶解,SO₄^2-源于石膏溶解、黄铁矿氧化或“老窑水”渗漏,Cl^-与Na⁺主要来源于盐岩溶解,Na⁺还可能受阳离子交换作用控制。(3)岩溶水接受汾河渗漏段地表水的渗漏补给,与汾河水发生了混合作用,混合水的水化学组分更接近于占比更大的水样。在矿物饱和度指数分析的基础上,考虑可能存在的矿物相和约束条件,运用PHREEQC软件建立水文地球化学反向模拟模型,研究沿岩溶水主要渗流路径上发生的水化学演化过程。结果表明,在泉域的北部、中部和南部发生了不同的矿物溶解沉淀过程和阳离子交换作用,且水岩相互作用与含水介质类型、地质构造和水动力条件密切相关。泉域北部从补给区到排泄区,主要发生了方解石、白云石和石膏的溶解。由于泉域的灰岩裸露区是开系统,CO₂溶解进入水中,伴随着Ca-Mg交换。从排泄区由北向南,石膏溶解量增大,岩盐、白云石和CO₂可能过饱和,还发生了Ca-Mg和Ca-Na阳离子交换作用。泉域中部汾河地表水渗漏进入岩溶水系统后,发生了石膏和CO₂的溶解,方解石、白云石沉淀和Ca-Mg阳离子交换。中部径流区到排泄区,石膏溶解明显高于方解石,岩盐发生沉淀,Ca-Mg和Ca-Na阳离子交换作用发生。从深埋区至排泄区,岩溶水中石膏溶解量5.54mmol/L,明显高于其他矿物,并发生了Ca-Mg和Ca-Na阳离子交换。