شناخت شیمی و کیفیت آب‌های زیرزمینی در آبخوان‌های کارستی، به دلیل ناهمگنی‌های زمین‌شناسی و هیدروژئوشیمیایی برای مدیریت پایدار منابع آب ضروری است. این پژوهش با هدف بررسی هیدروژئوشیمی و شناسایی فرآیندهای کنترل‌کننده شیمی آب در آبخوان‌های کارستی استان لرستان انجام شد. بدین منظور، نمونه‌های آب از ده چشمه و سه چاه در سه دوره نمونه‌برداری ۱۴۰۰ تا ۱۴۰۲ برداشت و از نظر پارامترهای فیزیکوشیمیایی، یون‌های اصلی، عناصر فرعی و فلزات بررسی شدند. برای تفسیر داده‌ها از نمودارهای هیدروژئوشیمی، نسبت‌های یونی، نمایه‌های اشباع و تحلیل‌های آماری چندمتغیره شامل تحلیل خوشه‌ای سلسله‌مراتبی، خوشه‌بندی فازی، تحلیل مؤلفه‌های اصلی و تحلیل مؤلفه‌های اصلی مبتنی بر تبدیل لگاریتم نسبت مرکزی استفاده شد. نتایج نشان داد که آب‌های زیرزمینی به چهار گروه هیدروشیمیایی A، B، C و D تفکیک می‌شوند. گروه‌های B و C الگوی کلسیم–منیزیم‌دار با غلبه بی‌کربنات نشان دادند که بیانگر کنترل کربناته و برهم‌کنش آب–سنگ است. گروه A ترکیب مختلط‌تری با افزایش نسبی سولفات و کلراید داشت و تحت تأثیر انحلال کانی‌ها، اختلاط محدود و شرایط ژئوشیمیایی موضعی قرار گرفت. در مقابل، گروه D با رخساره Na–Cl، EC بالا، ترکیب یونی متفاوت و نسبت‌های پایین Br/Cl، Li/Cl، Sr/Cl و Ba/Cl از سایر گروه‌ها جدا شد و اثر واحدهای تبخیری، به‌ویژه سازند گچساران را نشان داد. نمونه‌های S2 و S3 با افزایش SO₄، Cl و Na نقش ژیپس، هالیت و مؤلفه‌های تبخیری را برجسته کردند، درحالی‌که S1، S6، S7 و P3 رفتارهای حدواسط یا مختلط داشتند. نتایج تحلیل‌های آماری نشان داد که مرزهای هیدروشیمیایی میان برخی گروه‌ها تدریجی است و همه نمونه‌ها کاملاً مجزا تفکیک نمی‌شوند. نسبت‌های عناصر فرعی نیز برای تفسیر تفاوت‌های ژئوشیمیایی موضعی و تشخیص نمونه‌های متفاوت مفید بودند. در مجموع، تلفیق یون‌های اصلی، نسبت‌های عناصر فرعی، نمایه‌های اشباع و تحلیل‌های آماری، چارچوبی فرآیندمحور برای تفکیک الگوهای هیدروشیمیایی و تفسیر تغییرات شیمی آب در آبخوان کارستی–ساختاری استان لرستان فراهم کرد.