以宿南矿区四含水、煤系砂岩水和太原组灰岩水为研究对象，系统搜集了研究区钻孔及水文地质资料，测试了各含水层常规离子、微量元素（含稀土）和同位素含量，利用GMS建立了矿区三维水文地质结构模型，分析了地下水迳流特征及水位水量变化规律；研究了各含水层常规水化学、微量元素和同位素特征，约束了地下水年龄，探讨了地下水空间及时间演化规律，模拟了地下水迳流场地球化学过程，揭示了宏观组分和微量元素、同位素的关系，构建了水源识别模型。主要研究成果如下：（1）矿区地下水三维结构模型对于地质构造有一定的响应，能够正确认识地下水含（隔）水层厚度、深度及分布特征。四含水主体迳流方向由南向北、由西向东；砂岩水以静储量为主，横向迳流特征不明显；太灰水整体表现自矿区周边向矿井附近流动的趋势。随着煤矿开采，矿区地下水水位明显下降。四含水流动过程中以CO2参与的长石类矿物溶解作用为主；砂岩水缺少明显的迳流和补给痕迹；灰岩水迳流以CO2参与的少量方解石和白云石溶蚀作用为主。（2）宿南矿区地下水多是时间较为久远的亚现代水。TDS、Ca2++Mg2+、D、18O显示四含水主体由北向南流动，太灰水则恰好相反，由南向北流动。四含水主要受到CO2引起的碳酸化作用影响，砂岩水主要受硫酸化作用的影响，灰岩水主要受碳酸盐岩溶解的影响；此外阳离子交替吸附反应在砂岩水和灰岩水中作用明显。地下水演化过程中明显受地质构造及人类工程活动的影响，水文地球化学特征及离子含量变化在空间和时间均呈现一定规律。（3）矿区三个含水层具有各自不同的水化学过程及影响因素，三个含水层中均含过高的TDS而不能直接饮用，但灌溉适用性普遍较好，砂岩水水质最差。含水层中常规组分、微量元素和同位素（D、18O、13Cdic、18Odic、87Sr/86Sr）都有不同特征。Sr和Zr可以作为灰岩水和砂岩水中特征微量元素，且与其他常规元素、微量元素和同位素具有较好的相关性。根据不同特征离子建立了水源识别图形，基于祁东矿常规水化学参数和宿南矿区微量元素参数，建立了水源识别模型。丰富了稀土元素和同位素方法在水源识别中应用中的成果。本论文丰富了矿区地下水渗流场与化学场、宏观组分与微观组分的研究成果，对于矿区地下水开采及水源识别具有指导意义。