地下水系统的复杂性、隐蔽性给全面认识地下水系统特征带来困难。长期以来，人们试图用多种手段来认识地下水系统，也只能够获取地下水系统的部分信息。地下水是环境变化的受体和信息载体。基于地下水系统理论，提取、融合孤立零散的信息，可以降低不确定性，帮助我们正确认识地下水系统的本来面目。本文以忻州盆地第四系孔隙地下水系统为例，用多种技术手段和常规水文地质分析相结合，定量提取和融合零散信息，以综合的、系统的观点研究地下水流动系统。忻州盆地为山西省境内汾河地堑的最北部的新生代断陷盆地，地处干旱半干旱地区，地下水是其最重要的供水水源。上世纪80年代以来，随着社会经济的快速发展，人口的增长，水资源需求剧增，强烈的工农业活动和采矿改变着地下水天然赋存环境和区域水循环条件。盆地第四系地下水水位不断下降，地下水水质不断恶化，可利用地下水资源日趋减少，引发了一系列相关的水资源—环境问题，严重影响了城市工农业的发展。由于水资源管理方法不当，缺乏环境保护意识，水资源的开发利用与生产实践之间的矛盾日益突出。因此，有必要对人为活动和天然条件相互作用的地下水环境演化进行系统研究。以往忻州盆地的调查研究多停留在对盆地地下水系统定性的描述，主要使用传统水文地质分析方法进行地下水系统描述分析，对系统的级次划分还有着不同认识。从系统分析的角度重新认识忻州盆地地下水流动系统，有助于正确认识三维空间的水化学场和正确解释区域水化学特征所呈现的复杂现象，对于深入揭示相关地下水环境问题的根源、推动地下水流动理论的发展有着积极意义。此外，对明确地下水资源的时空演变和水循环演化规律，水资源开发利用规划方案论证、决策以及水资源的可持续利用具有现实意义。本次研究以系统理论为指导，将整个忻州盆地第四系孔隙地下水作为研究对象进行系统分析；利用多种技术手段提取忻州盆地第四系孔隙含水系统的介质组成及其结构、边界条件、补给径流排泄与动态均衡等信息，构建地下水流模型；系统分析了盆地地下水渗流场、水化学场（包括水化学组分和同位素组成）的定性或半定量的特征；揭示了水化学特征对盆地地下水流动系统的指示作用及地下水渗流场的空间演变规律；利用水位动态、同位素和水文地球化学模拟等多信息结合地下水渗流数值模拟模型进行识别和验证，定量或半定量地分析了地下水补给来源、补给方式、径流速度、径流途径、排泄方式及水化学演化的主要地球化学作用等。研究取得以下认识和结论：（1）忻州盆地第四系地下水系统外部相对独立，内部结构相对复杂。根据盆地构造底界势差可划分为繁峙断陷、代县凹陷、原平凹陷、奇村断阶、金银山隆起，忻定凹陷六个次级构造单元。区域上将其划分为三级地下水系统。（2）忻州盆地第四系孔隙水系统含水介质主要为冲洪积物，包括砂砾石、中粗砂、粉细砂、黄土、亚砂土、亚粘土、粘土。采用GMS5.0软件中的TINs模块和Solid模块构建了忻州盆地第四系地层和岩性三维可视化结构模型。（3）盆地内孔隙含水系统接受周边岩溶水系统、裂隙含水系统的侧向补给。忻州盆地地下水总体表现为由盆地周边山前倾斜平原区向中部冲积平原区汇集，并沿滹沱河现代河谷区由上游向下游径流。地下水的补给来源包括大气降水渗入补给、盆地周边地下水侧向径流补给、河渠渗漏补给、灌溉渗入补给和水库渗漏补给。地下水排泄途径主要有蒸发排泄、地表水、以泉的形式排泄和人工开采。（4）盆地系统地下水水位埋深由滹沱河谷两侧山前向盆地中心，变化范围由山前丘陵地区＞20m到河谷地带＜5m。浅层地下水位动态类型在山前倾斜平原上部属于入渗—径流型，在山前倾斜平原及冲湖积平原的大部分地区属于入渗—径流—开采型，在滹沱河现代河床两侧冲积平原区及冲洪积交接地带局部地段属于综合型；而中层地下水位动态类型在盆地周边山前倾斜平原上部属于入渗—径流—开采型，盆地的大部分地区属于径流型。（5）对忻州盆地进行了地下水均衡分析计算。2004年整个研究区内的水均衡分析计算结果表明，区内地下水总补给量为44104.35×10⁴m³／a，主要以降雨入渗和侧向流入为主，二者分别占总补给量的52.06％和26.52％，河道水库渗漏量、渠道渗漏和灌溉回渗分别占12.36％、3.92％和5.15％。总排泄量为44918.37×10⁴m³／a，其中地下水开采占总排泄量的56.01％，其次是地表基流量和潜水蒸发，分别占总排泄量的25.12％和18.85％。总体均衡误差为-1.78％，多年平均排泄量略大于多年平均补给量。（6）根据研究区的地下水流数值模拟模型，得到了典型地下水流动系统剖面渗流场特征。按照输出不同模拟层的地下水流速矢量，将流速范围＞0.7m／d、0.5～0.7m／d、0.2～0.5m／d、0.05～0.2m／d和＜0.05m／d分别划分为极强径流带、强径流带、一般径流带、弱径流带和极弱径流带。中层地下水平均水流速度较浅层地下水平均水流速度小。对浅层地下水而言，地下水在单元格（1×1km²）内穿过其中心节点地下水流径上的平均滞留时间变化范围是1.87～1361.95a；而中层地下水中地下水平均滞留时间变化范围是3.44～1440.94a。总体上，中层地下水比浅层地下水的平均滞留时间要长1.57～78.99a。（7）结合渗流场和水化学场特征，对忻州盆地典型地下水流动系统进行了系统划分。典型剖面流动系统研究表明，孔隙地下水流动系统在空间上存在着明显的级次性，即在阳武河洪积扇一带存在局部流动系统和中间流动系统，在原平大营断陷、奇村宽谷地带存在着局部流动系统、中间流动系统和区域流动系统。（8）对忻州盆地不同水体的主要水化学指标进行统计，分析了盆地内不同地下水流动系统的水化学分布特征，即地下水型、矿化度、宏量水化学组分Ca²⁺、Mg²⁺、Na²⁺、SO₄^2-、HCO₃^-、Cl^-、NO₃^-等离子含量的空间分布。探讨了地下水渗流场与水化学组分的关系。利用地下水中特殊离子成分（如Cl^-）和各类离子比值（如rCa／rNa、rMg／rNa、rCa／rCl、rNa／rCl、rSO₄／rCl、rHCO₃／rCl等）的标志作用，判断了盆地不同地下水流动系统中的水化学成分，总体上不仅受水动力条件、地下水位埋深以及地下水在径流途径上的沿程累积作用影响，存在有规律的变化，还受含水层介质矿物组成影响发生着不同程度的水文地球化学作用。在地下水流速缓慢的下游，地下水化学特征往往表现为局部流动系统或中间流动系统的排泄带特征，甚至可以代表区域流动系统的排泄带特征。（9）忻州盆地常温地下水、地下热水和地表水的稳定同位素δD和δ¹⁸O基本落在太原大气降水线上，标志着忻州盆地地下水以大气降水补给为主。本次研究建立了研究区降水高程方程，并计算所有水样的补给高程域。在补给高度为1300m以上时，补给高度与水中Na⁺和Cl^-离子成正比，与HCO₃^-离子成反比，表现为由地下热水的渗流途径要比冷水长的变化规律；而地下水中Ca²⁺、SO₄^2-、TDS含量随补给高程变化呈不同斜率增长，表现为由地下冷水到热水的所代表的地下水流动系统不同。大营断陷地下水系统与奇村宽谷地下水系统中，热水的水化学特征可以指示区域地下水流动系统的存在。（10）忻州盆地地表水样⁸⁷Sr／⁸⁶Sr比值比较低，为0.7125～0.7165；浅层水变化较小，⁸⁷Sr／⁸⁶Sr也低，为0.7171～0.7219；中层地下水含量变化较大，为0.7097～0.7307。热水的⁸⁷Sr／⁸⁶Sr比值可达0.7495，指示其参与区域地下水循环并在深大断裂裂隙热储中滞留时间长。通过⁸⁷Sr／⁸⁶Sr比值与Cl^-离子含量的相关分析表明，盆地（中间）地下水中SO₄^2-与⁸⁷Sr／⁸⁶Sr值都表现出良好的地下水流程信息，即与Cl^-呈正相关。此外，对不同水体与不同岩性的⁸⁷Sr／⁸⁶Sr比值变化范围对比研究，表明地表水和地下水中的溶质主要来源于硅酸盐岩和铝硅酸盐岩的风化或溶解，而碳酸盐矿物溶解对地下水化学组成的影响很小。（11）基于大营剖面地下水流动系统和阳武河洪积扇剖面流动系统，结合代表性水样点的水化学分析资料和地下水流数值模拟结果，如用流程→流速→滞留时间等确定反应路径，确定研究区的“可能矿物相”，利用PHREEQC2.11进行一维恒定流的情况下正向水文地球化学模拟。模拟结果表明，阳武河洪积扇地下水的流动速度比大营倾斜平原流动系统要快；揭示了不同系统不同层位的水化学作用机理；浅层地下水受到蒸发浓缩作用影响，可以采用土壤盐类综合体的溶解来表征；水化学模拟结果和实测分析结果基本一致，说明控制水流路径上水化学演化的主要地球化学作用有，CO₂的逸出，石膏、方解石、白云石、钠长石、斜长石、岩盐、萤石等的溶解，高岭石的沉淀、阳离子交换等。本文的主要特色体现在，（1）对整个忻州盆地地下水进行系统分析，确定第四系地下水系统的边界，然后将第四系孔隙地下水作为一个相对完整的地下水流动系统进行系统划分；（2）基于地下水系统理论框架，提取和分析含水介质结构、水动力场、水化学场（同位素）和温度场等信息，构建盆地地下水流模型；（3）综合运用多种方法校核地下水流数值模拟模型，包括平面上等水位线对比、点上动态曲线拟合、¹⁴C年龄推求地下水平均实际流速、Cl^-、⁸⁷Sr／⁸⁶Sr流程指示剂等；（4）通过典型剖面地下水系统渗流场和水化学物质反应—迁移模拟，探讨渗流场与化学场的耦合演变规律。