水文地质条件对地下水封洞库选址的影响研究

水文地质条件对地下水封洞库选址的影响研究
季惠彬;叶文超;胡成
【摘要】地下水封洞库因其安全、环保、建造成本低等优势,已成为石油储备的重要形式,但场地的水文地质条件决定着洞库建设的成败.本文从地下水封洞库建库的适宜性条件分析入手,明确了对洞库选址具有重要影响的水文地质条件,即洞库所处的水文地质单元位置、地下水水位、岩体渗透性、地下水水质,在此基础上建立了地下水封洞库选址适宜性评价指标体系,通过层次分析法确定了各评价指标的权重,并通过黄岛地下水封洞库实例验证了该评价指标体系的可靠性.
【期刊名称】《安全与环境工程》
【年(卷),期】2013(020)002
【总页数】4页(P138-141)
【关键词】地下水封洞库;水文地质条件;适宜性评价
【作者】季惠彬;叶文超;胡成
【作者单位】中国地质大学工程学院,武汉430074;北京东方新星石化工程股份有限公司,北京100070;中国地质大学环境学院,武汉430074;中国地质大学环境学院,武汉430074
【正文语种】中文
【中图分类】X937;TE823;P642.25
0 引言
随着经济的发展和国际环境的变化，以石油为代表的能源储备状况，成为关系国家政治、经济、军事安全的重要因素。

我国对石油的需求量日益增加，石油消费的对外依存度过高，早在1993年我国就已成为石油净进口国，一旦国际形势稍有动荡，将会直接影响我国的经济发展和社会稳定，因此我国已于2003年开始启动国家战略石油储备计划。

石油储备设施形式分为陆上储罐、地下储罐、地下水封洞库等。

地下水封洞库是
20世纪70年代兴起的一种地下储油方式，因其具有安全、环保、建造成本低等
特点，已成为石油储备的一种重要形式。

而地下水封洞库选址区的水文地质条件决定着洞库的水封效果，因此分析洞库选址区的水文地质条件，并确定评价指标，对选址区的建库适宜性进行评价具有重要的意义。

1 地下水封石油洞库的原理
地下水封石油洞库的原理是利用地下水封存的方式，将油(气)品储存在地下水位以下适当深度的坚硬完整岩石中开凿的洞室，这是由于洞室围岩中地下水静水压力始终大于洞室中油(气)压力，且油水互不相融，因此油(气)品能够封闭在由洞室和地
下水组成的封闭空间内而不会泄漏或溢出洞室(见图1)。

简言之，就是通过洞室周
围岩体和裂隙中的地下水来达到储油的目的，其中裂隙中的水体通过形成稳定的渗流场来达到水封的效果[1～3]。

图1 地下水封石油洞库的原理示意图Fig.1 Sketch of the mechanism of underground oil storage in rock caverns1.裂隙状岩体；2.地下水水位；3.地下水降落漏斗；4.库存所贮介质液体；5.垫水层；6.介质注入管；7.抽取介质的潜液泵；8.抽取地下水的潜液泵
2 地下水封洞库选址区水文地质条件评价指标体系的确定
地下水封洞库选址区岩体水文地质条件的评价指标主要包括洞库所处的水文地质单元位置、地下水水位、岩体渗透性、地下水水质4个方面[4,5]。

2.1 水文地质单元位置
洞库所处的水文地质单元位置可分为补给区、径流区、排泄区，根据实际工作和已有的工程经验分析，库区所在的地下水流动系统位置处于补给区对洞库安全稳定性最不利，当处于排泄区时最有利于洞库的安全稳定[6]。

地下水补给区是指含水层
接受大气降水、地表水、回渗(归)水以及其他含水层等人渗补给的地区。

径流区是指地下水从补给区至排泄区的流径范围。

排泄区是指含水层的地下水向外部排泄的范围。

通过收集气象和水文资料，以及进行现场实际水文地质调查和试验，可以查明天然地下水流场，并可采用数值模拟等手段预测地下水封洞库建成后地下水的流动状态。

但洞库位置处于不同的水文地质单元，库区地下水降深漏斗以及洞室涌水量将会明显的不同，这将会直接影响地下水水位的稳定，以及洞库施工、运营过程中的安全稳定和密封效果。

如果将地下水封洞库建在排泄区，不仅可以减小对周围环境的影响，而且由于排泄区水位相对稳定且水量充足，对洞库的安全性和经济性都十分有利；反之，如果将洞库建在补给区，对周围地下水流场的破坏相对较大，地下水水位变化不如排泄区稳定。

2.2 地下水水位
洞库在运行期间有较为稳定的地下水水位，是保证其水封效果及安全运行的重要条件。

通常取区域性地下水排泄基准面作为设计地下水水水位，而且所取区域地下水排泄基准面必须不受天然或人为因素的影响而发生变化，具有长期稳定的条件，如海平面等。

根据地下水封油库的原理，为达到预期的水封效果，地下油库以上的水头必须保持在某一相对稳定的设计地下水水位线以上，以保证地下洞库边墙和底板裂隙岩体中的水头压力大于洞库中的储油压力。

如果洞室上方岩体中地下水的水头不足，油气可能通过岩体中的裂隙进入大气中，污染大气并且危害人体健康，甚至会造成安全
事故。

因此，确定最低地下水设计水位，弄清楚地下水水位的变化规律，对合理设置洞室埋深、保证洞库的密封性和稳定性、准确估计洞库施工期及运营期的涌水量，以及最大限度地降低施工成本和运营成本等都具有重要的意义。

2.3 岩体渗透性
岩体渗透性能够反映岩体内裂隙的透水情况以及岩体内裂隙的连通性，并且对洞库施工期及运营期内地下洞室涌水量具有一定的影响。

根据地下水封石油洞库的水封特征以及保证洞室气密性的需要，在洞库选址过程中，建议地下岩体的渗透系数应小于10-5 cm/s[7]。

2.4 地下水水质
针对封洞库中地下水对监控设施的影响，可选取相应指标进行分析与评价。

地下水对洞库内各建筑物的腐蚀性可选取侵蚀性参数进行腐蚀性评价；洞库建设与运营阶段地下水中微生物作用与水-岩相互作用对水质的影响，可选取耗氧量、氯化物、
氨氮和细菌含量进行分析与评价。

3 评价指标权重的确定
针对上述水文地质条件的4个指标，建立其评价指标体系，并采用层次分析法确
定各指标的权重，具体步骤如下：
(1) 构造判断矩阵。

对4个评价指标通过两两比较后，构造判断矩阵，见表1。

表1 岩体特征权重矩阵表Table 1 Weight matrix of rockmass characteristics
评价指标岩体渗透性地下水水质水文地质单元位置地下水水位岩体渗透性1423地下水水质1/411/21/2水文地质单元位置1/2212地下水水位1/321/21
(2) 求判断矩阵的最大特征值和特征向量。

判断矩阵为
将矩阵A的列归一化后得
对判断矩阵行向量求和后取算术平均值，可得判断矩阵A的特征向量为
w=(0.47 0.11 0.26 0.16)T
则
A·w=(1.91 0.43 1.03 0.67)T
因此，最大特征值为
(3) 一致性检验。

采用如下公式来进行一致性检验，即
式中：Ci为判断矩阵的一般一致性指标，由公式Ci=(λmax-n)/(n-1)给出，其中
λmax为判断矩阵的最大特征值，n为判断矩阵的阶数；Ri为判断矩阵的平均随机一致性指标，其取值见表2。

T.L.Saaty研究认为，当CR=Ci/Ri<0.10时，可以认为判断矩阵具有满意的一致性，说明权值数分配是合理的。

表2 1～9阶矩阵Ri取值表Table 2 Ri value of 1 to 9 order matrixnRinRinRi1040.9071.322051.1281.4130.5861.2491.45
经计算CR=0.01<0.10,表明判断矩阵具有满意的一致性。

(4) 计算各指标的权重。

经计算，岩体渗透性、地下水水质、水文地质单元位置、地下水水位指标的权重分别为0.47、0.11、0.26、0.16。

4 工程实例分析
国家石油储备黄岛地下水封洞库工程建设场地位于青岛市经济技术开发区，该工程是目前国内首批实施的地下原油储备库重点建设项目之一。

根据库址区前期的钻孔水位观测资料以及库址区外围水文地质调查资料显示：钻孔地下中水位标高为93.07～268.48 m，库址区外围水井及地表水体水位标高为39.00～124.35 m，
地下水水位变化幅度一般小于5 m，且地下水水位标高变化与地形变化基本一致(地下水水位标高最小值为39.00 m，为远离洞库的殷家河水库水位，基本属于洞
库影响区域的地形最低处)。

(1) 地下水水位。

黄岛洞库区地面平均标高约100 m，地下水水位平均埋深约70 m，依据建库适宜性理论，可以对该区域地下水水位赋值100分。

(2) 岩体渗透性。

黄岛洞库区在勘察阶段进行了抽水、水位恢复、注水消散、压水等水文地质试验，经试验得到洞库区内岩体平均渗透系数为10-4 m/d左右，据此可以对该区域岩体渗透性赋值80分。

(3) 水文地质单元位置。

根据前期水文地质调查，黄岛洞库库址区地下水的赋存类型主要为松散岩类孔隙水和基岩裂隙水，库址区位于当地地下水的补给区，据此可以对该区域水文地质单元位置赋值60分。

(4) 地下水水质。

勘察资料表明，黄岛洞库区地下水化学类型为SO4·HCO3-Ca·Na型，地下水对混凝土及混凝土中钢筋无腐蚀性，对钢结构具弱腐蚀性，此
外地下水无色、无味、透明，矿化度低，水质很好，可以作为施工及运行期用水。

根据建库适宜性理论，可以对区域内地下水水质赋值60分。

在本研究中，评价因子全部采用评分法进行百分赋值，最终评价结果均在100分
以内。

按最终评价得分值将地下水封洞库建库适宜性分为3类：适宜、基本适宜、不适宜。

其中，评价结果在80分以上为适宜；评价结果在60分至80分之间为
基本适宜；评价结果在60分以下为不适宜。

综上水封条件评价可知，黄岛地下水封洞库库址建库适宜性评价得分为
由评价结果可知，建库区的水文地质条件是基本适宜的。

5 结论
(1) 根据水封洞库的原理，确定地下水水封石油洞库建库适宜性水文地质条件的评
价指标为水文地质单元位置、岩体的渗透性、地下水水位、地下水水质，并通过层次分析法确定了各评价指标的权重值。

(2) 以黄岛地下水封洞库为工程实例，在分析黄岛地下水封洞库的工程地质条件的基础上，对洞库选址进行了水文地质条件的适宜性评价，得出该场地属于基本适宜建库区。

【相关文献】
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