基于K均值聚类地下水水化学特征的水文地质单元划分分析

■胡建军

（广东省有色金属地质局九三二队　广东　韶关　512026）

基于K均值聚类地下水水化学特征的水文地质单元划分分析

■胡建军

（广东省有色金属地质局九三二队广东韶关512026）

从整体高度来看，水文地质单元划分能为地下水提供比较可靠的水文地质资料，这样能清楚掌握这个地区水文地质条件,要科学的认识地下水的危害，能为矿井进行防治水对策的制定提供相关的地质依据。由于传统的水文地质划分方法是有缺陷的，所以本文以地下水水化学特征来对水文地质单元进行划分，然后采用比较传统的K均值聚类法对水文地质单元进行划分，这种划分方法不但取得了比较良好的效果，而且为水文地质单元的划分提供了比较新的理论方法。

水文地质

1　前言

综合地层条件、地质构造、水动力、补径排条件和水化学场等因素考虑，水文地质单元划分方案可以拟作三级划分，首先，一级单元是以区域性的控水构造为划分依据的，分别分为南区、北区和中区；然后，二级单元是在一级单元的基础上分为推覆体区、松散层覆盖区和灰岩补给区，最后，三级单元同样是在二级单元的基础上松，灰岩补给区可以分为松散层补给灰岩区和灰岩裸露区，散层覆盖区可以分为四含补给区与‘‘红层”覆盖区，推覆体区可以分为推覆体灰岩区和片麻岩区。

2　影响传统的水文地质单元划分的因素

水文地质单元的划分最主要是根据地质条件、自然地理条件和水文地质条件来划分的。

2.1岩石性质

因为不同的岩性裂隙发育程度是由差异的，所以富水性也是不同的，由于考虑到不同岩性的连通和渗透的情况，地下水在其中的运行也是不相同的，所以在岩性变化比较大的地方应该进行分区处理。可是在对某一含水层的地下水进行研究时，其岩石的性质是比较相似的，所以说岩石性质为水文地质单元划分次要的因素。

2.2地质构造

在地质构造当中断裂构造是对水文地质单元的划分起主要影响的，但是因为断层或者是节理的存在，所以使断层或者节理两端地层的径流通道堵塞或畅通，从而形成了2个不同的径流、补给和排泄的区域，所以可能成为2个水文地质单元。如果断层是不导水的，这样的话可以划分为2个水文地质单元，但如果断层是导水的，并且没有形成错层的连接，这样的话该构造就不能成为水文地质单元划分的一个依据。

2.3地形地貌

地区的地形地貌也有可能会对水文地质单元的划分有影响。湖泊、河流等地表水都有可能成为地下某一含水层的补给水源，地表水和地下水的沟通情况却不是那么不容易能确定的，所以用地形地貌等等对水文地质单元进行划分是否准确是有待考证的。

2.4水文和气象因素

如果在较大的范围内对水文地质单元进行划分的话，水文与气象条件的影响是比较大的，但是如果只是在某一地区内对水文地质单元进行划分的话，因为水文和气象因素在小的范围内是相似或者相同的，就有可能没有办法进行划分。

从以上的4个影响水文地质单元划分的因素中能够看出，之上的各划分因素中都存在难以获得或者不确定性，因此说进行水文地质单元的划分的合理性是较差的，尤其是对地下水的水质变化与地下水的径流的变化研究时，这种比较不合理的划分有可能会带来一些区域分析的错误。因为每以个水文地质单元都是具有统一的径流、补给、排泄条件，因此每一个水文地质单元的含水层水质的条件大致是相类似的。如果可以找到不同的区域但是是同一含水层的水化学特征是具有差异的话，就能用这种差异来对含水层进行适当的分区，所以用地下水的水化学特征对水文地质单元来进行划分是可行的。所以说这就相当于利用含水层水质的指标来进行聚类的，所以利用已经存在的水质的资料去进行聚类分析就可以了。

3　聚类方法的介绍

可以由原始的数据矩阵计算出距离系数矩阵，可对变量或样品进行第一次聚类，这称为第一级聚类。而第一级聚类一般是没有办法满足分类要求的，所以还要进行下一步聚类。下面的介绍是用于进一步聚类的相似系数加权平均法。这个方法是把第K级聚为一类的样品的相似系数加权平均，这是作第K+1级聚类的相似矩阵。就是说，当第K级聚类的时候，如果ri,j在相似的矩阵的第i行与第j列都是最大时，就把第K级聚类相似矩阵的第i行与第j行的元素对应的加权平均，这样的话第i列与第j列的元素对应加权平均值可以作为新样品相似的系数，这样就得到了第K+1级聚类相似矩阵。但在加权平均的时候，对应元素如果有一个是对角线元素，就取对角线元素为加权平均值。这个具体的分类数目是根据拟分类的详细程度所定的，是分类分析服务。

4　地下水水化学分类指标的确定

水样可以分为三大类第一类是绝对的重碳酸型，第二类是相对的重碳酸型，第三类是非重的碳酸型，这三个类型的水样为淡水这种可能性是依次下降的，非重的碳酸型矿化度要大于19/L这种可能性是最大的。

4.1绝对的重碳酸型

这种类型的地下水要符合这种条件，这种条件是HCO32-的毫克当量的百分数要大于60%，而且SO42-和Cl-的毫克当量的百分数要小于20%。这一类型的水中，HCO32-的毫克当量的百分数在阴离子毫克当量的百分数中一定是占了很大的优势，这是处于主导的地位的，这一类型水矿化度较低。

4.2相对的重碳酸型

这种类型地下水要符合这样的条件，这种条件为HCO32-的毫克的当量百分数的范围为30%-60%，而且SO42-和Cl-的毫克当量的百分数的范围为20%-35%。HCO32-的毫克当量的百分数在阴离子毫克当量百分数中占稍微的优势，这个类型水的矿化度也是较低的。

4.3非重碳酸型:

这种类型的地下水要符合的条件为HCO32-的毫克当量百分数的范围为要小于30%，而且SO42-和Cl-的毫克当量百分数的范围为要大于35%，这一类型的水中，SO42-和Cl-毫克当量百分数是处于主导的地位的，HCO32-毫克当量百分数是较低的，这类型水的矿化度是较高的。

5　算例

以中国的平顶山矿区平顶山煤田寒武系灰岩的水文地质单元的划分为例子来进行说明。在平顶山煤田中，李口向斜是主要地质的构造，它的轴向是呈N60W延伸的。但位于煤田西南部的锅底山断层它是个阻水断层，会造成锅底山断层东侧和西侧寒武系灰岩水动力场差异变得明显。采取传统的水文地质单元划分为依据，把平顶山煤田划分成3个水文地质单元，分别为锅底山断层以西Ⅱ1水文地质单元、锅底山断层以东至李口向斜ⅡⅡ水文地质单元和李口向斜以东Ⅲ文地质单元。五矿、七矿、九矿、香山矿、十一矿属Ⅰ水文地质单元，一矿、二矿、三矿、四矿、六矿、八矿、十矿和十二矿属Ⅱ水文地质单元，首山矿、十三矿属Ⅲ水文地质单元采集到矿区内非常具有代表性的矿井的寒武系灰岩的水样来进行水质化验，得到结果如表1所示。

表1　所取水样水质化验结果/mg·L-1

对表1数据进行K均值聚类分析。

表2　SPSS K-Means Cluster结果

6　结语

从整体高度来看，水文地质单元划分能为地下水提供比较可靠的水文地质资料，这样能清楚掌握这个地区水文地质条件,要科学的认识地下水的危害，能为矿井进行防治水对策的制定提供相关的地质依据。由于传统的水文地质划分方法是有缺陷的，本文以地下水水化学特征来对水文地质单元进行划分，然后采用比较传统的K均值聚类法对水文地质单元进行划分，这种划分方法不但取得了比较良好的效果，而且为水文地质单元的划分提供了比较新的理论方法。

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P641.4+3[文献码]B

1000-405X（2016）-9-249-2