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user: 3. 应用实例 3.1. 潘谢矿区井田地质与水文地质特征 潘谢矿区主体位于淮河中游北岸，矿区为石炭–二叠系煤田，上覆巨厚松散层，局部古近系砂砾岩发育，下伏太原组灰岩和奥陶系灰岩。自上而下淮南煤田主要发育新生界松散砂层孔隙含水层、二叠系砂岩裂隙含水层、石炭系太原组石灰岩岩溶裂隙含水层、奥陶系石灰岩岩溶裂隙含水层。 1) 新生界含水层 上部含水层层厚1.10~45.0 m，平均厚度为27.11 m。全区发育完全，本组以土黄–灰黄色粉、细砂为主，夹薄层粘土和砂质粘土。砂层颗粒较细、松散，接受大气降水和地表水补给，水位随季节变化，属于潜水–弱承压水。据抽水试验资料，含水层单位涌水量q = 0.781~1.429 L/(s·m)，矿化度TDS范围为0.207~1.0 g/L，水质类型为HCO 3 -Na + K、HCO 3 -Na + K·Mg、HCO 3 -Mg·Ca·Na + K、HCO 3 -Ca·Mg。中部含水层层厚0~331.76 m，平均厚度为76.68 m。含水层单位涌水量q = 0.00185~1.866 L/(s·m)，富水性弱–中等，局部富水较强，矿化度TDS范围为1.07~2.439 g/L，水质类型以Cl-Na + K、Cl·HCO 3 -Na + K、SO 4 ·Cl-Na + K为主。 下部含水层层厚0~228.75 m，平均35.80 m，煤田内整体自西向东增厚，东南部缺失。含水层(组)由上部灰白、灰黄色中、细砂层(西部)和下部棕红色砂砾层、砾石层、粘土砾石构成，砾石层间有棕红色粘土，砂质粘土分布。据区域抽水试验资料，含水层单位涌水量q = 0.000101~1.915 L/(s·m)，矿化度TDS范围为0.522~2.81 g/L，水质类型以Cl-Na + K、HCO 3 -Na + K、Cl·SO 4 -Na + K为主。 2) 二叠系煤系砂岩裂隙水 淮南潘谢矿区主要煤层分布在山西组与上、下石盒子组。煤系砂岩分布于煤层、粉砂岩和泥岩之间，岩性、厚度变化均较大，是煤层开采的直接充水含水层，一般裂隙不发育。各主要可采煤层顶、底板砂岩含水层之间均有泥岩、砂质泥岩、粉砂岩和煤层等隔水层，阻隔砂岩含水层之间的水力联系。煤系砂岩含水层富水性弱，一般具有储存量消耗型特征。矿化度范围为0.711~3.128 g/L，水质类型以Cl·HCO 3 -Na + K、Cl·SO 4 -Na + K、HCO 3 -Na + K·Mg为主。 3) 太原组灰岩含水层 淮南煤田太原组整合或假整合于本溪组之上，整合于山西组之下的一套由海陆交互相的页岩夹砂岩、煤、石灰岩构成的旋回层。本组的C 3 1 灰岩、C 3 2 灰岩、C 3 3 上 灰岩、C 3 3 下 ~C 3 11 灰岩，在空间分布上基本连续，层位稳定。其中C 3 1 ~C 3 3 下 (太原组第I组灰岩)为淮南煤田A组煤开采直接充水含水层，故为本区重要含水层。钻孔揭露资料显示，淮南煤田石炭系太原组C 3 I组灰岩厚度在13.52~31.87 m，平均厚度为22.58 m。潘谢矿区内的太原组C 3 I组含水层单位涌水量q = 0.00045~0.107 L/(s·m)，渗透系数k = 0.0013~0.609 m/d，矿化度TDS范围为0.509~2.987 g/L，水质类型以Cl-Na + K、Cl·HCO 3 -Na + K为主，富水性弱–中等。 4) 奥陶系灰岩含水层 灰岩含水层平均厚约180 m。以灰色隐晶质及细晶、厚层状白云质灰岩为主，局部夹角砾状灰岩或夹紫红色、灰绿色泥质条带。岩溶裂隙发育极不均一，且在中下部比较发育，具水蚀现象，以网状裂隙为主，局部岩溶裂隙发育，具方解石脉充填，富水性一般弱–中等，其水文地质参数：单位涌水量q = 0.000119~13.732 L/(s·m)，渗透系数k = 0.00014~9.233 m/d，水质类型以Cl-Na + K、Cl·SO 4 -Na + K为主，富水性弱–极强，具有不均一性特点。 3.2. 水质检验结果 本文以淮南潘谢矿区某矿为例，总共选取了20组水化学数据，分别来自第四系松散层水(I表示)、二叠系煤系砂岩水(II表示)、太原组灰岩水(III表示)，所选数据如表1所示。通过独立性权分析，得到加权水样离子浓度表，如表2所示。 Table 1 Ion concentration table of water sample (mg/L 序号 Ca 2+ Mg 2+ K + + Na + HCO 3 − Cl − SO 4 2 − 类型 1 36.79 11.16 450.11 64.84 559.79 645.00 I 2 16.35 13.64 892.63 89.54 727.72 634.67 I 3 23.42 10.67 451.98 444.07 341.48 201.73 I 4 62.46 78.58 974.08 287.71 993.50 896.35 I 5 29.28 34.38 160.64 243.93 77.80 205.47 I 6 65.41 45.89 908.32 280.97 985.62 670.68 I 7 53.15 7.44 890.05 243.92 1045.60 398.56 I 8 24.85 13.74 878.68 502.19 964.59 247.37 II 9 55.91 24.68 673.84 374.05 978.42 19.14 II 10 16.83 8.39 835.46 389.31 985.51 148.18 II 11 44.09 29.18 754.30 462.53 982.32 102.08 II 12 49.65 34.06 975.35 302.66 1037.00 299.70 II 13 70.14 49.73 714.30 314.25 1029.11 195.10 II 14 81.68 33.10 1100.58 351.48 1052.95 737.74 III 15 76.08 42.82 1063.34 390.53 1029.91 691.63 III 16 38.44 25.30 962.83 663.90 1019.27 138.33 III 17 85.69 22.41 995.33 351.48 1100.82 438.03 III 18 87.29 22.41 975.83 351.48 1076.00 438.03 III 19 86.49 21.44 932.08 380.77 1063.60 341.97 III 20 84.89 24.35 981.58 390.53 1088.41 403.45 III 表1. 水样离子浓度表(mg/L) Table 2 Weighted water sample ion concentration table (mg/L 权值 0.178114 0.212779 0.136871 0.176847 0.1378094 0.157579 序号 Ca 2+ Mg 2+ K + + Na + HCO 3 − Cl − SO 4 2 − 1 6.6222 2.3436 63.0154 11.6712 78.3706 103.2 2 2.943 2.8644 124.9682 16.1172 101.8808 101.5472 3 4.2156 2.2407 63.2772 79.9326 47.8072 32.2768 4 11.2428 16.5018 136.3712 51.7878 139.09 143.416 5 5.2704 7.2198 22.4896 43.9074 10.892 32.8752 6 11.7738 9.6369 127.1648 50.5746 137.9868 107.3088 7 9.567 1.5624 124.607 43.9056 146.384 63.7696 8 4.473 2.8854 123.0152 90.3942 135.0426 39.5792 9 10.0638 5.1828 94.3376 67.329 136.9788 3.0624 10 3.0294 1.7619 116.9644 70.0758 137.9714 23.7088 11 7.9362 6.1278 105.602 83.2554 137.5248 16.3328 12 8.937 7.1526 136.549 54.4788 145.18 47.952 13 12.6252 10.4433 100.002 56.565 144.0754 31.216 14 14.70276 6.95142 154.0815 63.2655 147.41356 118.0386 15 13.6944 8.9922 148.8676 70.2954 144.1874 110.6608 16 6.9192 5.313 134.7962 119.502 142.6978 22.1328 17 15.4242 4.7061 139.3462 63.2664 154.1148 70.0848 18 15.7122 4.7061 136.6162 63.2664 150.64 70.0848 19 15.5682 4.5024 130.4912 68.5386 148.904 54.7152 20 15.2802 5.1135 137.4212 70.2954 152.3774 64.552 表2. 加权水样离子浓度表(mg/L) 3.3. 突水水源识别 1) 确定事件集及目标集 待判水样共20个，如表1所示，则其构成事件A，则： A = { A 1 ， A 2 ， ⋯ ， A 20 } 。 根据表1中的水样的各离子成分特征，将训练样本各指标的Huber的M估计量作为最优值，则对策集 B = { b 1 ， b 2 ， b 3 } 的分级标准表如表3所示。 Table 3 The grading standard table of the countermeasure se 突水水源 Ca 2+ Mg 2+ K + + Na + HCO 3 − Cl − SO 4 2 − I 41.20 22.73 657.10 241.74 705.57 445.48 II 43.65 25.44 795.46 388.04 986.36 173.08 III 83.05 24.73 994.44 375.95 1060.48 436.75 表3. 对策集的分级标准表 2) 目标效果测度计算 采用线性降半阶含水作为目标测度计算公式，以Ca 2+ 指标隶属度函数为例，表示如图1所示。 图1. Ca 2+ 指标隶属度函数图 根据图1可得Ca 2+ 指标的隶属度函数如下： f I = { 1                                                                                   0 ≤ x < 41.2 − 0.40816 x + 17.81633                     41.2 ≤ x ≤ 43.65 0                                                                                     x > 43.65 (8) f ΙΙ = { 0                                                                               0 ≤ x ≤ 41.2 0.408163 x − 16.8163                       41.2 ≤ x ≤ 43.65 − 0.02538 x + 2.107868                 43.65 ≤ x ≤ 83.05 0                                                                                 x > 83.05 (9) f ΙΙΙ = { 0                                                                     0 ≤ x < 43.65 0.025381 x − 1.10787           43.65 ≤ x ≤ 83.05 0                                                                       x > 83.05 (10) 用同样的方法建立Mg 2+ 、K + + Na + 、 HCO 3 − 、Cl − 、 SO 4 2 − 指标分别对三类水源的隶属度函数。将表2代入方程得到各目标效果测度矩阵 r i j ( Ca 2 + ) 、 r i j ( Mg 2 + ) 、 r i j ( K + + Na + ) 、 r i j ( HCO 3 − ) 、 r i j ( Cl − ) 、 r i j ( SO 4 2 − ) 。 3) 计算综合测度矩阵 根据各目标效果的测度矩阵 r i j ( p ) 计算综合效果测度，即， r 总 = 1 n ∑ p = 1 n r i j ( p ) ， n = 3 。得到的综合矩阵为式(11)。 r i j ( Ca 2 + ) = [ 1 1 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0.522633 0 0.447762 0.758921 0 0.688872 0 0.988864 0.847751 0.327715 0.034779 0.176958 0 0 0 0 0 0 0.477427 0 0.552301 0.24113 0 0.311182 0 0.011178 0.152297 0.672353 0.965301 0.823116 0 0 0 0 0 ]                                                                                                     ( 11 ) 4) 突水水源识别 从综合效果测度矩阵 c i j ( Σ ) 的行分析中得出各行的最优局势为： c 11 ( Σ ) 、 c 11 ( Σ ) 、 c 31 ( Σ ) 、 c 42 ( Σ ) 、 c 51 ( Σ ) 、 c 62 ( Σ ) 、 c 71 ( Σ ) 、 c 82 ( Σ ) 、 c 93 ( Σ ) 、 c 102 ( Σ ) 、 c 112 ( Σ ) 、 c 122 ( Σ ) 、 c 132 ( Σ ) 、 c 143 ( Σ ) 、 c 152 ( Σ ) 、 c 162 ( Σ ) 、 c 173 ( Σ ) 、 c 183 ( Σ ) 、 c 193 ( Σ ) 、 c 203 ( Σ ) 。如表4所知，第四系孔隙水、二叠系裂隙水及太原组灰岩水判别准确率为75%、83%，71%。 Table 4 Discrimination results of water samples to be judge 待判水样编号 实际类型 判别类型 1 I I 2 I I 3 I I 4 I II 5 I I 6 I II 7 I I 8 II II 9 II III 10 II II 11 II II 12 II II 13 II II 14 III III 15 III II 16 III II 17 III III 18 III III 19 III III 20 III III 表4. 待判水样的判别结果