基于K均值聚類地下水水化學(xué)特征的水文地質(zhì)單元劃分分析

■胡建軍

（廣東省有色金屬地質(zhì)局九三二隊　廣東　韶關(guān)　512026）

基于K均值聚類地下水水化學(xué)特征的水文地質(zhì)單元劃分分析

■胡建軍

（廣東省有色金屬地質(zhì)局九三二隊廣東韶關(guān)512026）

從整體高度來看，水文地質(zhì)單元劃分能為地下水提供比較可靠的水文地質(zhì)資料，這樣能清楚掌握這個地區(qū)水文地質(zhì)條件,要科學(xué)的認識地下水的危害，能為礦井進行防治水對策的制定提供相關(guān)的地質(zhì)依據(jù)。由于傳統(tǒng)的水文地質(zhì)劃分方法是有缺陷的，所以本文以地下水水化學(xué)特征來對水文地質(zhì)單元進行劃分，然后采用比較傳統(tǒng)的K均值聚類法對水文地質(zhì)單元進行劃分，這種劃分方法不但取得了比較良好的效果，而且為水文地質(zhì)單元的劃分提供了比較新的理論方法。

水文地質(zhì)

1　前言

綜合地層條件、地質(zhì)構(gòu)造、水動力、補徑排條件和水化學(xué)場等因素考慮，水文地質(zhì)單元劃分方案可以擬作三級劃分，首先，一級單元是以區(qū)域性的控水構(gòu)造為劃分依據(jù)的，分別分為南區(qū)、北區(qū)和中區(qū)；然后，二級單元是在一級單元的基礎(chǔ)上分為推覆體區(qū)、松散層覆蓋區(qū)和灰?guī)r補給區(qū)，最后，三級單元同樣是在二級單元的基礎(chǔ)上松，灰?guī)r補給區(qū)可以分為松散層補給灰?guī)r區(qū)和灰?guī)r裸露區(qū)，散層覆蓋區(qū)可以分為四含補給區(qū)與‘‘紅層”覆蓋區(qū)，推覆體區(qū)可以分為推覆體灰?guī)r區(qū)和片麻巖區(qū)。

2　影響傳統(tǒng)的水文地質(zhì)單元劃分的因素

水文地質(zhì)單元的劃分最主要是根據(jù)地質(zhì)條件、自然地理條件和水文地質(zhì)條件來劃分的。

2.1巖石性質(zhì)

因為不同的巖性裂隙發(fā)育程度是由差異的，所以富水性也是不同的，由于考慮到不同巖性的連通和滲透的情況，地下水在其中的運行也是不相同的，所以在巖性變化比較大的地方應(yīng)該進行分區(qū)處理?？墒窃趯δ骋缓畬拥牡叵滤M行研究時，其巖石的性質(zhì)是比較相似的，所以說巖石性質(zhì)為水文地質(zhì)單元劃分次要的因素。

2.2地質(zhì)構(gòu)造

在地質(zhì)構(gòu)造當中斷裂構(gòu)造是對水文地質(zhì)單元的劃分起主要影響的，但是因為斷層或者是節(jié)理的存在，所以使斷層或者節(jié)理兩端地層的徑流通道堵塞或暢通，從而形成了2個不同的徑流、補給和排泄的區(qū)域，所以可能成為2個水文地質(zhì)單元。如果斷層是不導(dǎo)水的，這樣的話可以劃分為2個水文地質(zhì)單元，但如果斷層是導(dǎo)水的，并且沒有形成錯層的連接，這樣的話該構(gòu)造就不能成為水文地質(zhì)單元劃分的一個依據(jù)。

2.3地形地貌

地區(qū)的地形地貌也有可能會對水文地質(zhì)單元的劃分有影響。湖泊、河流等地表水都有可能成為地下某一含水層的補給水源，地表水和地下水的溝通情況卻不是那么不容易能確定的，所以用地形地貌等等對水文地質(zhì)單元進行劃分是否準確是有待考證的。

2.4水文和氣象因素

如果在較大的范圍內(nèi)對水文地質(zhì)單元進行劃分的話，水文與氣象條件的影響是比較大的，但是如果只是在某一地區(qū)內(nèi)對水文地質(zhì)單元進行劃分的話，因為水文和氣象因素在小的范圍內(nèi)是相似或者相同的，就有可能沒有辦法進行劃分。

從以上的4個影響水文地質(zhì)單元劃分的因素中能夠看出，之上的各劃分因素中都存在難以獲得或者不確定性，因此說進行水文地質(zhì)單元的劃分的合理性是較差的，尤其是對地下水的水質(zhì)變化與地下水的徑流的變化研究時，這種比較不合理的劃分有可能會帶來一些區(qū)域分析的錯誤。因為每以個水文地質(zhì)單元都是具有統(tǒng)一的徑流、補給、排泄條件，因此每一個水文地質(zhì)單元的含水層水質(zhì)的條件大致是相類似的。如果可以找到不同的區(qū)域但是是同一含水層的水化學(xué)特征是具有差異的話，就能用這種差異來對含水層進行適當?shù)姆謪^(qū)，所以用地下水的水化學(xué)特征對水文地質(zhì)單元來進行劃分是可行的。所以說這就相當于利用含水層水質(zhì)的指標來進行聚類的，所以利用已經(jīng)存在的水質(zhì)的資料去進行聚類分析就可以了。

3　聚類方法的介紹

可以由原始的數(shù)據(jù)矩陣計算出距離系數(shù)矩陣，可對變量或樣品進行第一次聚類，這稱為第一級聚類。而第一級聚類一般是沒有辦法滿足分類要求的，所以還要進行下一步聚類。下面的介紹是用于進一步聚類的相似系數(shù)加權(quán)平均法。這個方法是把第K級聚為一類的樣品的相似系數(shù)加權(quán)平均，這是作第K+1級聚類的相似矩陣。就是說，當?shù)贙級聚類的時候，如果ri,j在相似的矩陣的第i行與第j列都是最大時，就把第K級聚類相似矩陣的第i行與第j行的元素對應(yīng)的加權(quán)平均，這樣的話第i列與第j列的元素對應(yīng)加權(quán)平均值可以作為新樣品相似的系數(shù)，這樣就得到了第K+1級聚類相似矩陣。但在加權(quán)平均的時候，對應(yīng)元素如果有一個是對角線元素，就取對角線元素為加權(quán)平均值。這個具體的分類數(shù)目是根據(jù)擬分類的詳細程度所定的，是分類分析服務(wù)。

4　地下水水化學(xué)分類指標的確定

水樣可以分為三大類第一類是絕對的重碳酸型，第二類是相對的重碳酸型，第三類是非重的碳酸型，這三個類型的水樣為淡水這種可能性是依次下降的，非重的碳酸型礦化度要大于19/L這種可能性是最大的。

4.1絕對的重碳酸型

這種類型的地下水要符合這種條件，這種條件是HCO32-的毫克當量的百分數(shù)要大于60%，而且SO42-和Cl-的毫克當量的百分數(shù)要小于20%。這一類型的水中，HCO32-的毫克當量的百分數(shù)在陰離子毫克當量的百分數(shù)中一定是占了很大的優(yōu)勢，這是處于主導(dǎo)的地位的，這一類型水礦化度較低。

4.2相對的重碳酸型

這種類型地下水要符合這樣的條件，這種條件為HCO32-的毫克的當量百分數(shù)的范圍為30%-60%，而且SO42-和Cl-的毫克當量的百分數(shù)的范圍為20%-35%。HCO32-的毫克當量的百分數(shù)在陰離子毫克當量百分數(shù)中占稍微的優(yōu)勢，這個類型水的礦化度也是較低的。

4.3非重碳酸型:

這種類型的地下水要符合的條件為HCO32-的毫克當量百分數(shù)的范圍為要小于30%，而且SO42-和Cl-的毫克當量百分數(shù)的范圍為要大于35%，這一類型的水中，SO42-和Cl-毫克當量百分數(shù)是處于主導(dǎo)的地位的，HCO32-毫克當量百分數(shù)是較低的，這類型水的礦化度是較高的。

5　算例

以中國的平頂山礦區(qū)平頂山煤田寒武系灰?guī)r的水文地質(zhì)單元的劃分為例子來進行說明。在平頂山煤田中，李口向斜是主要地質(zhì)的構(gòu)造，它的軸向是呈N60W延伸的。但位于煤田西南部的鍋底山斷層它是個阻水斷層，會造成鍋底山斷層?xùn)|側(cè)和西側(cè)寒武系灰?guī)r水動力場差異變得明顯。采取傳統(tǒng)的水文地質(zhì)單元劃分為依據(jù)，把平頂山煤田劃分成3個水文地質(zhì)單元，分別為鍋底山斷層以西Ⅱ1水文地質(zhì)單元、鍋底山斷層以東至李口向斜ⅡⅡ水文地質(zhì)單元和李口向斜以東Ⅲ文地質(zhì)單元。五礦、七礦、九礦、香山礦、十一礦屬Ⅰ水文地質(zhì)單元，一礦、二礦、三礦、四礦、六礦、八礦、十礦和十二礦屬Ⅱ水文地質(zhì)單元，首山礦、十三礦屬Ⅲ水文地質(zhì)單元采集到礦區(qū)內(nèi)非常具有代表性的礦井的寒武系灰?guī)r的水樣來進行水質(zhì)化驗，得到結(jié)果如表1所示。

表1　所取水樣水質(zhì)化驗結(jié)果/mg·L-1

對表1數(shù)據(jù)進行K均值聚類分析。

表2　SPSS K-Means Cluster結(jié)果

6　結(jié)語

從整體高度來看，水文地質(zhì)單元劃分能為地下水提供比較可靠的水文地質(zhì)資料，這樣能清楚掌握這個地區(qū)水文地質(zhì)條件,要科學(xué)的認識地下水的危害，能為礦井進行防治水對策的制定提供相關(guān)的地質(zhì)依據(jù)。由于傳統(tǒng)的水文地質(zhì)劃分方法是有缺陷的，本文以地下水水化學(xué)特征來對水文地質(zhì)單元進行劃分，然后采用比較傳統(tǒng)的K均值聚類法對水文地質(zhì)單元進行劃分，這種劃分方法不但取得了比較良好的效果，而且為水文地質(zhì)單元的劃分提供了比較新的理論方法。

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P641.4+3[文獻碼]B

1000-405X（2016）-9-249-2