基于K均值聚類地下水水化學特征的水文地質(zhì)單元劃分分析

李明

[摘要]文章結(jié)合自身工作經(jīng)歷，首先介紹了傳統(tǒng)水文地質(zhì)單元劃分的主要影響因素。接著分析了k均值聚類的基本概念和計算方法及步驟。最后聯(lián)系平頂山煤田水文地質(zhì)單元劃分的實際情況，探討基于k均值聚類地下水水化學特征的水文地質(zhì)單元劃分應用效果。以期為水文地質(zhì)單元劃分提供新的理論計算依據(jù)。

[關(guān)鍵詞]k均值聚類 水化學特征 水文地質(zhì)單元

[中圖分類號] P332.7 [文獻碼] B [文章編號] 1000-405X（2015）-3-225-2

1引言

水文地質(zhì)單元劃分是根據(jù)水文地質(zhì)條件的差異性將所要研究的對象分成若干個小的區(qū)域，然后將研究對象進行分類，以期找到研究對象的某些規(guī)律的手段。一般而言，水文地質(zhì)條件的差異性主要體現(xiàn)在研究對象的地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、地層條件以及氣象和水文等方面。然而，在實際操作中，由于地下條件的復雜性，我們根本無法準確了解整個區(qū)域的地質(zhì)和水文條件。如局部區(qū)域可能存在小斷層和小溶洞等可以大大改變整個區(qū)域地下水的補給、徑流以及排泄條件的類外因素。但是從另一個角度來講，由于每個水文地質(zhì)單元一般都具有統(tǒng)一的徑流、補給、排泄條件。

2傳統(tǒng)水文地質(zhì)單元劃分方法的主要影響因素

2.1地形地貌的影響

所要研究區(qū)域的地形地貌雖不是影響水文地質(zhì)單元劃分的主要因素。但是由于該區(qū)域的湖泊、河流等地表水可能成為地下含水層的補給水源，因此也可以將其作為水文地質(zhì)單元劃分的依據(jù)。然而，依靠現(xiàn)有的科技水平，我們還無法將地下水和地表水的溝通情況準確確定，所以區(qū)域的地形地貌等只能作為進行水文地質(zhì)單元的輔助劃分因素。

2.2地層條件的影響

地層條件必須首先考慮地層巖性。由于不同巖性的裂隙發(fā)育程度會有明顯差異，因此其富水性也會有所不同。所以在巖性變化較大的地區(qū)應進行分區(qū)處理。但如果是要研究某一含水層的地下水時情況時，由于其巖石的性質(zhì)較為相似，故此時巖石性質(zhì)應作為水文地質(zhì)單元的輔助劃分因素。其次，還要考慮不同巖性的連通及滲透情況。一般而言，地下水在其中的運行情況會大大影響地下水水害的程度。最后，我們還要考慮隔水層和含水層的分布、產(chǎn)狀及其在地表的出露情況。如圖1所示為潛水、承水以及滯水含水層的產(chǎn)狀及分布情況，這些都會在一定程度上影響到水文地質(zhì)單元的劃分。但在實際考察中發(fā)現(xiàn)，由于隔水層和含水層的產(chǎn)狀及分布特性可以很容易地在大范圍內(nèi)被掌握。而局部小范圍的缺失或是厚度變薄，則無法精確判斷，因此可能會造成含水層的溝通，進而影響到整個區(qū)域的局部徑流、補水和排泄條件。 此時如果還是按照原來的隔水層及含水層的性質(zhì)來劃分水文地質(zhì)單元，則會造成較大誤差。

2.3地質(zhì)構(gòu)造的影響

地質(zhì)構(gòu)造是影響水文地質(zhì)單元劃分的主要因素。我們既要考慮研究區(qū)域的斷裂帶、區(qū)域性斷層的分布情況，還要掌握該區(qū)域的斷層破碎帶以及節(jié)理密集帶的顯著特點。一般來說，斷層分布區(qū)的規(guī)模越大，該區(qū)域表現(xiàn)為巖溶水強徑流帶的概率就越大。但是，如果該斷層是不導水的，那么就可以劃分為2個水文地質(zhì)單元。另外，由于斷裂或節(jié)理的存在，使得斷裂或節(jié)理兩端的地層徑流通道堵塞或暢通，從而形成2個不同的徑流、補給和排泄的區(qū)域，導致該區(qū)域可能成為2個水文地質(zhì)單元。

2.4氣象及水文因素的影響

若在較大區(qū)域范圍內(nèi)進行水文地質(zhì)單元的劃分，那么氣象及水文因素的影響較大。此時我們必須將其列為主要依據(jù)對象。但是若在特定的規(guī)模不大的地區(qū)內(nèi)劃分水文地質(zhì)單元，由于此時氣象和水文因素在此范圍內(nèi)相似甚至相同，所以不能將其作為主要的參考因素。

3 K均值聚類

3.1基本概念

k均值聚類是目前最著名的區(qū)域劃分聚類算法，而且由于該方法簡潔、效率高，逐漸成為所有聚類算法中應用最廣泛的一個。它的基本原理是首先通過給定數(shù)據(jù)點集合以及需要的聚類數(shù)目k（k值由用戶指定），然后再根據(jù)某個特定的距離函數(shù)反復地把數(shù)據(jù)分入k個聚類中直至結(jié)束。

3.2計算方法及步驟

首先，隨機選取K個對象作為開始的聚類中心。然后，計算每個所要劃分的對象與子聚類中心之間的距離。并將其分配給距離自己最近的聚類中心。聚類中心以及分配到其中的對象就代表一個聚類。一旦所有對象都被分配完畢，每個聚類的聚類中心就會被重新計算。該過程將不斷重復，直至滿足相關(guān)終止條件為止。（如圖1所示）一般而言，終止條件既可以設(shè)定為沒有對象被重新分配給不同的聚類，也可以設(shè)定為沒有聚類中心再發(fā)生變化，還可以設(shè)定為誤差平方和局部最小。

4實際案例分析

4.1基本資料

以中國平頂山煤田寒武系灰?guī)r的水文地質(zhì)單元劃分為例，該區(qū)域的自然地理條件、構(gòu)造條件如下：

（1）自然地理條件：東起洛崗一號正斷層，南起庚組煤（一煤）層露頭，西北至郟縣斷層，東北至襄郟斷層。含煤面積為650km2。平頂山煤田的中部和北部為低山，而西南部為丘陵。區(qū)內(nèi)較大的河流為汝河和沙河，且區(qū)內(nèi)在沙河上建有白龜山水庫和昭平臺水庫。

（2）構(gòu)造條件：主體構(gòu)造為寬緩復式向斜以及李口向斜。整個復式向斜呈現(xiàn)東部封閉、西部開放的狀態(tài)。如圖2所示。由于李口向斜的軸部寒武系灰?guī)r常年深埋于煤系地層之下，使得來自西南豁口補給區(qū)的巖溶水很難越過李口向斜的軸部，造成向斜兩翼的巖溶水系統(tǒng)之間水力聯(lián)系極其微弱。

4.2計算分析結(jié)果

根據(jù)礦區(qū)地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、地層條件以及水文地質(zhì)特征和區(qū)域地下水的徑流、補給與排泄條件，可將平頂山煤田劃分為3個一級水文地質(zhì)單元。即寶豐巖溶水系統(tǒng)（I單元）、平頂山巖溶水系統(tǒng)（II單元）以及襄縣巖溶水系統(tǒng)（III單元）。如圖3所示。

下面利用k均值聚類地下水水化學特征進行礦區(qū)水文地質(zhì)單元劃分。首先采集礦區(qū)內(nèi)具有代表性的寒武系灰?guī)r水樣進行水質(zhì)化驗，并將得到的數(shù)據(jù)進行k均值聚類分析。k均值聚類分析步驟如下：

（1）確定聚類個數(shù)。為了提高數(shù)據(jù)處理效率和準確率，這里k=3；

（2）選擇3個初始聚類中心。根據(jù)歐氏距離最小原則將所有的其他樣本分給各個聚類中心；

（3）求各聚類中所包含的樣本均值向量，并確定新的聚類中心；

（4）判斷聚類中心是否變化。如果沒有變化則表明聚類完畢，如果有變化則繼續(xù)進行聚類，直至聚類中心不發(fā)生變化。

本次計算過程需要多次迭代，所以使用SPSS統(tǒng)計軟件的K-Means Cluster，經(jīng)過2次迭代，得到如表1結(jié)果。

由表1可知，平頂山煤礦被劃分為四個一級水文地質(zhì)單元和四個二級水文地質(zhì)單元。即五礦、九礦、七礦以及十一礦為一個水文地質(zhì)單元，十二礦、十礦、十三礦以及首山一礦為一個水文地質(zhì)單元。聚類劃分結(jié)果與傳統(tǒng)方法結(jié)果較接近。這些表明，鍋底山斷層的阻水效果比較明顯，而李口向斜影響較小。8號水樣被劃為第3類，最可能的原因是在8號水樣的取樣點有隔水層和構(gòu)造局部缺失，導致水樣混入了其他含水層。

5結(jié)束語

綜上所述，我們可以得出傳統(tǒng)的依據(jù)研究對象的地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、地形條件、地層條件以及氣象和水文等因素劃分水文地質(zhì)單元的方法具有不確定性以及參數(shù)的不可知性。而基于k均值聚類地下水水化學特征的水文地質(zhì)單元劃分可在一定程度上克服參數(shù)的不可知性，具有較好的效果。

參考文獻

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