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        基于K均值聚類地下水水化學(xué)特征的水文地質(zhì)單元?jiǎng)澐址治?/h1>
        2016-12-03 05:59:46胡建軍
        地球 2016年9期

        ■胡建軍

        (廣東省有色金屬地質(zhì)局九三二隊(duì) 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?jiǎng)澐址治?/p>

        ■胡建軍

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

        從整體高度來看,水文地質(zhì)單元?jiǎng)澐帜転榈叵滤峁┍容^可靠的水文地質(zhì)資料,這樣能清楚掌握這個(gè)地區(qū)水文地質(zhì)條件,要科學(xué)的認(rèn)識(shí)地下水的危害,能為礦井進(jìn)行防治水對(duì)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(duì)水文地質(zhì)單元進(jìn)行劃分,然后采用比較傳統(tǒng)的K均值聚類法對(duì)水文地質(zhì)單元進(jìn)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(dòng)力、補(bǔ)徑排條件和水化學(xué)場(chǎng)等因素考慮,水文地質(zhì)單元?jiǎng)澐址桨缚梢詳M作三級(jí)劃分,首先,一級(jí)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(jí)單元是在一級(jí)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(bǔ)給區(qū),最后,三級(jí)單元同樣是在二級(jí)單元的基礎(chǔ)上松,灰?guī)r補(bǔ)給區(qū)可以分為松散層補(bǔ)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(bǔ)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?jiǎng)澐值囊蛩?/h2>

        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?xiàng)l件和水文地質(zhì)條件來劃分的。

        2.1巖石性質(zhì)

        因?yàn)椴煌膸r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(yùn)行也是不相同的,所以在巖性變化比較大的地方應(yīng)該進(jìn)行分區(qū)處理??墒窃趯?duì)某一含水層的地下水進(jìn)行研究時(shí),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?jiǎng)澐执我囊蛩亍?/p>

        2.2地質(zhì)構(gòu)造

        在地質(zhì)構(gòu)造當(dāng)中斷裂構(gòu)造是對(duì)水文地質(zhì)單元的劃分起主要影響的,但是因?yàn)閿鄬踊蛘呤枪?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(gè)不同的徑流、補(bǔ)給和排泄的區(qū)域,所以可能成為2個(gè)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(gè)水文地質(zhì)單元,但如果斷層是導(dǎo)水的,并且沒有形成錯(cuò)層的連接,這樣的話該構(gòu)造就不能成為水文地質(zhì)單元?jiǎng)澐值囊粋€(gè)依據(jù)。

        2.3地形地貌

        地區(qū)的地形地貌也有可能會(huì)對(duì)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(bǔ)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(duì)水文地質(zhì)單元進(jìn)行劃分是否準(zhǔn)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(duì)水文地質(zhì)單元進(jìn)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(duì)水文地質(zhì)單元進(jìn)行劃分的話,因?yàn)樗暮蜌庀笠蛩卦谛〉姆秶鷥?nèi)是相似或者相同的,就有可能沒有辦法進(jìn)行劃分。

        從以上的4個(gè)影響水文地質(zhì)單元?jiǎng)澐值囊蛩刂心軌蚩闯?,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(jìn)行水文地質(zhì)單元的劃分的合理性是較差的,尤其是對(duì)地下水的水質(zhì)變化與地下水的徑流的變化研究時(shí),這種比較不合理的劃分有可能會(huì)帶來一些區(qū)域分析的錯(cuò)誤。因?yàn)槊恳詡€(gè)水文地質(zhì)單元都是具有統(tǒng)一的徑流、補(bǔ)給、排泄條件,因此每一個(gè)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(duì)含水層進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆謪^(qū),所以用地下水的水化學(xué)特征對(duì)水文地質(zhì)單元來進(jìn)行劃分是可行的。所以說這就相當(dāng)于利用含水層水質(zhì)的指標(biāo)來進(jìn)行聚類的,所以利用已經(jīng)存在的水質(zhì)的資料去進(jìn)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(jì)算出距離系數(shù)矩陣,可對(duì)變量或樣品進(jìn)行第一次聚類,這稱為第一級(jí)聚類。而第一級(jí)聚類一般是沒有辦法滿足分類要求的,所以還要進(jìn)行下一步聚類。下面的介紹是用于進(jìn)一步聚類的相似系數(shù)加權(quán)平均法。這個(gè)方法是把第K級(jí)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(jí)聚類的相似矩陣。就是說,當(dāng)?shù)贙級(jí)聚類的時(shí)候,如果ri,j在相似的矩陣的第i行與第j列都是最大時(shí),就把第K級(jí)聚類相似矩陣的第i行與第j行的元素對(duì)應(yīng)的加權(quán)平均,這樣的話第i列與第j列的元素對(duì)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(jí)聚類相似矩陣。但在加權(quán)平均的時(shí)候,對(duì)應(yīng)元素如果有一個(gè)是對(duì)角線元素,就取對(duì)角線元素為加權(quán)平均值。這個(gè)具體的分類數(shù)目是根據(jù)擬分類的詳細(xì)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(biāo)的確定

        水樣可以分為三大類第一類是絕對(duì)的重碳酸型,第二類是相對(duì)的重碳酸型,第三類是非重的碳酸型,這三個(gè)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(duì)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(dāng)量的百分?jǐn)?shù)要大于60%,而且SO42-和Cl-的毫克當(dāng)量的百分?jǐn)?shù)要小于20%。這一類型的水中,HCO32-的毫克當(dāng)量的百分?jǐn)?shù)在陰離子毫克當(dāng)量的百分?jǐn)?shù)中一定是占了很大的優(yōu)勢(shì),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(duì)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(dāng)量百分?jǐn)?shù)的范圍為30%-60%,而且SO42-和Cl-的毫克當(dāng)量的百分?jǐn)?shù)的范圍為20%-35%。HCO32-的毫克當(dāng)量的百分?jǐn)?shù)在陰離子毫克當(dāng)量百分?jǐn)?shù)中占稍微的優(yōu)勢(shì),這個(gè)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(dāng)量百分?jǐn)?shù)的范圍為要小于30%,而且SO42-和Cl-的毫克當(dāng)量百分?jǐn)?shù)的范圍為要大于35%,這一類型的水中,SO42-和Cl-毫克當(dāng)量百分?jǐn)?shù)是處于主導(dǎo)的地位的,HCO32-毫克當(dāng)量百分?jǐn)?shù)是較低的,這類型水的礦化度是較高的。

        5 算例

        以中國(guó)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(jìn)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(gè)阻水?dāng)鄬樱瑫?huì)造成鍋底山斷層?xùn)|側(cè)和西側(cè)寒武系灰?guī)r水動(dòng)力場(chǎng)差異變得明顯。采取傳統(tǒng)的水文地質(zhì)單元?jiǎng)澐譃橐罁?jù),把平頂山煤田劃分成3個(gè)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(jìn)行水質(zhì)化驗(yàn),得到結(jié)果如表1所示。

        表1 所取水樣水質(zhì)化驗(yàn)結(jié)果/mg·L-1

        對(duì)表1數(shù)據(jù)進(jìn)行K均值聚類分析。

        表2 SPSS K-Means Cluster結(jié)果

        6 結(jié)語(yǔ)

        從整體高度來看,水文地質(zhì)單元?jiǎng)澐帜転榈叵滤峁┍容^可靠的水文地質(zhì)資料,這樣能清楚掌握這個(gè)地區(qū)水文地質(zhì)條件,要科學(xué)的認(rèn)識(shí)地下水的危害,能為礦井進(jìn)行防治水對(duì)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(duì)水文地質(zhì)單元進(jìn)行劃分,然后采用比較傳統(tǒng)的K均值聚類法對(duì)水文地質(zhì)單元進(jìn)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(xiàn)碼]B

        1000-405X(2016)-9-249-2

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