儲油洞庫地下水流系統(tǒng)影響因素權(quán)重分析

戴云峰， 林 錦*， 韓江波， 周志芳， 劉九夫， 高廣利

(1.南京水利科學(xué)研究院水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室，南京 210029；2.南京水利科學(xué)研究院地下水研究中心， 南京 210029；3.河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，南京 211100；4. 華北水利水電大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，鄭州 450045)

石油作為一種不可再生資源是當(dāng)前世界經(jīng)濟發(fā)展的命脈。國家戰(zhàn)略石油儲備和商業(yè)公司石油儲備已是國際慣例，以發(fā)達國家為主要成員國的經(jīng)濟合作與發(fā)展組織(Organization for Economic Co-operation and Development,OECD)要求其成員國石油儲備量需達到90 d消費量的水平。2007年12月18日，中國國家石油儲備中心正式成立，旨在加強中國戰(zhàn)略石油儲備建設(shè)，健全石油儲備管理體系。石油儲備基地主要分為地上油罐儲備和地下洞庫儲備兩種，中國戰(zhàn)略石油儲備多利用地下洞庫進行存儲。地下洞庫儲備具有占地少，安全性高、對景觀破壞小、維修費低、投資少、適合戰(zhàn)備要求的諸多優(yōu)點。中國地下水封儲油洞庫的研究難點主要在洞庫的選址，洞庫開挖以后圍巖穩(wěn)定性分析、水幕系統(tǒng)的設(shè)計、地下水流系統(tǒng)控制等。

地下水流系統(tǒng)控制主要是指通過儲油洞庫周邊地下水流運動要素的控制達到洞庫內(nèi)石油安全存儲，儲油洞庫地下水流系統(tǒng)是一個由相互關(guān)聯(lián)、相互制約的眾多因素構(gòu)成的復(fù)雜系統(tǒng)。層次分析法為這種復(fù)雜系統(tǒng)提供了一種簡潔實用的決策方法，是對儲油洞庫地下水流系統(tǒng)影響因素敏感性非定量分析的一種有效方法。層次分析法在水文地質(zhì)、工程地質(zhì)和環(huán)境地質(zhì)領(lǐng)域應(yīng)用較多。周志芳[1]利用層次分析法結(jié)合實例對不同壩址工程地質(zhì)條件進行了對比和分析。羅漢明等[2]將層次分析法和模糊數(shù)學(xué)相結(jié)合，對某電站導(dǎo)流隧洞的斷面進行優(yōu)選。龔士亮[3]利用層次分析法對上海地面沉降問題進行了分析，為地面沉降系統(tǒng)調(diào)控的決策與實施提供了技術(shù)支撐。蔡鶴生等[4]利用層次分析法確定地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評價中多個環(huán)境因子的權(quán)值。康志強等[5-6]將層次分析法用于確定地下洞室?guī)r體質(zhì)量評價指標的權(quán)系數(shù)，并對洞室圍巖的穩(wěn)定性進行了排序。朱自強等[7]將層次分析法應(yīng)用于邊坡巖石質(zhì)量分級，劃分影響邊坡巖石質(zhì)量各因素的層次結(jié)構(gòu)，利用模糊分析法確定了各因素的權(quán)重。劉治理等[8]將層次分析法和模糊評價相結(jié)合，對大型水庫運行方案進行評價排序，最終確定最佳方案。劉健等[9]利用層次分析法確定了隧道工程地下水環(huán)境負效應(yīng)評價指標體系中各指標的相對權(quán)重。許建聰?shù)萚10]采用層次分析法，結(jié)合工程實踐經(jīng)驗，分析了影響水下隧道裂隙圍巖滲流控制的主要因素，并確定各自的權(quán)重，研究結(jié)果為海底隧道和地下水封儲油洞庫的滲流控制及災(zāi)害防治提供了依據(jù)。韓超等[11]利用層次分析法分析影響含水層富水性的因素，確定了各因素的權(quán)重。王志杰等[12]建立了隧道施工條件下地下水環(huán)境影響評價指標體系，確定各指標權(quán)重，通過模糊層次分析法確定各指標的影響等級。Zhang等[13]建立了地下層狀巖鹽儲能洞庫的綜合風(fēng)險概率評價方法和風(fēng)險分類標準。林放等[14-15]采用模糊c-均值聚類算法提出了儲油洞庫水幕系統(tǒng)水封性能多參數(shù)平均有效性指標系數(shù)。沈銘龍等[16]使用三角模糊數(shù)結(jié)合網(wǎng)絡(luò)分析法確定了儲油洞庫施工過程中各風(fēng)險因素的權(quán)重。Joanna等[17]提出利用層次分析法來選擇潛在的地下儲氫場地。Zhang等[18]采用數(shù)值模型對新增儲油洞庫對已運行儲油洞庫水封安全性影響進行了定量評價。

為了評價影響儲油洞庫地下水流系統(tǒng)各因素的權(quán)重，提出儲油洞庫地下水流系統(tǒng)最有效的控制方法，利用層次分析法，結(jié)合山東某大型地下水封儲油洞庫工程實例，對影響儲油洞庫地下水流系統(tǒng)的水幕系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)、儲油工況等因素進行多因素綜合分析，為大型地下水封儲油洞庫長期運行過程中地下水流控制提供技術(shù)參考。

1 層次分析法基本原理

美國著名運籌學(xué)家Saaty于20世紀70年代中期提出層次分析法(analytic hierarchy process，AHP)，該方法先將復(fù)雜問題分解為多個組成因素，再將這些因素按支配關(guān)系分組形成有序的遞階層次結(jié)構(gòu)，通過兩兩比較確定層次中各因素的相對重要性，最后綜合人的判斷確定各因素相對重要性的總排序，方便決策者在面對復(fù)雜工程建設(shè)時進行定性或定量分析[19-21]。層次分析法的基本計算包括4個方面[10, 21]。

1.1 建立遞階層次結(jié)構(gòu)

決策者在對所面臨的具體問題深入研究的基礎(chǔ)上，提出各個影響因素的相互關(guān)系，將各個控制因素分解形成不同層次。

1.2 構(gòu)造兩兩比較判斷矩陣

從層次結(jié)構(gòu)的目標控制層出發(fā)，對影響上一層的不同控制因素根據(jù)其對于控制目標的作用成對比較，然后根據(jù)確定標度建立判斷矩陣，判斷矩陣標度及其含義如表1所示。

表1 判斷矩陣標度及其含義

1.3 計算單一準則下元素的相對權(quán)重

層次分析法中采用排序權(quán)向量計算的特征根方法計算判斷矩陣的最大特征值和特征向量，在精度要求不高的情況下，可以用近似方法計算，利用求和法計算最大特征值和特征向量。

第1步，判斷矩陣A的元素按列歸一化，獲得歸一化對比矩陣

(1)

(2)

(3)

第4步，最大特征根的近似值為

(4)

1.4 判斷矩陣的一致性檢驗

在判斷矩陣的構(gòu)造中，應(yīng)該要求判斷具備一致性，因此在獲得最大特征根后，需要進行一致性檢驗。對矩陣按下式進行一致性檢驗：

(5)

(6)

式中：RC為一致性比率，當(dāng)RC< 0.1時，一般認為判斷矩陣的一致性是可以接受的；IC為一致性指標；IR為平均隨機一致性指標，其值如表2所示；N為對應(yīng)層控制因素個數(shù)；λmax為最大特征根的近似值。

表2 平均隨機一致性指標

2 儲油洞庫地下水流系統(tǒng)控制因素評價

2.1 地下水封儲油洞庫簡介

地下水封儲油洞庫一般是選擇適宜的場地通過人工在巖體中開挖而成，為避免運行期洞庫儲備油氣可能發(fā)生的泄漏造成生態(tài)環(huán)境破壞，必須保證儲油洞庫在開挖和運行過程中處于地下水位一定深度以下，以保證洞庫邊墻和底板巖體裂隙中的水壓力大于洞庫中相應(yīng)位置處的儲油壓力。山東某大型地下水封儲油洞庫單個罐體如圖1所示，儲油洞庫水封原理如圖2所示。

圖1 地下水封儲油洞室單個罐體示意圖Fig.1 Schematic diagram of a single tank of groundwater-sealed oil storage caverns

圖2 儲油洞室的水封概念示意圖Fig.2 Schematic diagram of groundwater-sealed concept of oil storage caverns

2.2 地下水流系統(tǒng)層次計算

通過數(shù)值模型對山東某大型地下水封儲油洞庫水幕系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)影響儲油洞室涌水量以及穩(wěn)定自由面位置進行分析，結(jié)果表明：水幕系統(tǒng)覆蓋范圍越大，對保持地下水位越有利，尤其是兩側(cè)主洞室的上部區(qū)域，增加的水幕寬度并沒有導(dǎo)致儲油洞室涌水量大幅增加；水幕鉆孔的注水壓強越大，直接提升了洞室上部地下水位，也增大了洞室附近水力梯度，有利于石油的存貯，但是其過大的注水壓強不僅僅使洞室的涌水量大幅增加，而且兩側(cè)水力耗散也加大，使得穩(wěn)定自由面的最高位置要小于水幕系統(tǒng)位置的總水頭值；水幕鉆孔的間距減小，雖然略微增加了儲油洞室的涌水量，但提升了洞室上部自由面位置，同時洞室附近水力梯度也略微增大；水幕系統(tǒng)高程的降低，雖然降低了洞室上部地下水水位，但使得洞室附近水力梯度升高，同時也使得儲油洞室涌水量急劇上升[22-23]。

結(jié)合前述不同組合儲油洞庫地下水流系統(tǒng)數(shù)值計算、水幕系統(tǒng)對儲油洞庫地下水流系統(tǒng)控制作用研究，以及儲油洞庫注入氮氣影響評價等計算結(jié)果，建立儲油洞庫地下水流系統(tǒng)影響因素層次結(jié)構(gòu)模型，如圖3所示。

圖3 儲油洞庫地下水流系統(tǒng)影響因素層次結(jié)構(gòu)Fig.3 Hierarchical structure of influencing factors of groundwater flow system around oil storage caverns

根據(jù)圖3中影響因素層次模型，建立各個層次的判斷矩陣，判斷矩陣是根據(jù)儲油洞庫數(shù)值模擬程序計算結(jié)果以及中外學(xué)者發(fā)表成果總結(jié)而成，通過采用Saaty判斷矩陣標度比較確定。

(1)對于儲油洞庫地下水流系統(tǒng)控制目標A構(gòu)造其下一級準則B1和B2相對重要性的判斷矩陣，如表3所示。

(2)分別構(gòu)造B1和B2下一級準則，并確定C中影響因素的重要性，建立判斷矩陣，如表4和表5所示。

(3)根據(jù)上述結(jié)果計算各影響因素總權(quán)重，并且對總權(quán)重進行排序，如表6所示。

(4)判斷矩陣一致性的檢驗。由于一階和二階矩陣總是一致的，所以只對B1-C判斷矩陣和總體矩陣進行檢驗。

表3 判斷矩陣A-B及其特征向量

表4 判斷矩陣B1-C及其特征向量

表5 判斷矩陣B2-C及其特征向量

表6 儲油洞庫地下水流系統(tǒng)各影響因素總權(quán)重排序

計算B1-C矩陣，可得

故B1-C判斷矩陣的不一致程度在容許的范圍之內(nèi)。

因B2-C判斷矩陣是二階矩陣，不一致程度在容許的范圍之內(nèi)，可得

IR2=0。

根據(jù)儲油洞庫地下水流系統(tǒng)各影響因素權(quán)重對總權(quán)重排序進行檢驗，可得

故儲油洞庫地下水流系統(tǒng)各控制因素總權(quán)重排序一致性在允許的范圍之內(nèi)。

2.3 地下水流系統(tǒng)控制因素權(quán)重排序

根據(jù)上述層次分析的計算結(jié)果，在儲油洞庫地下水流系統(tǒng)影響因素敏感性分析評價中，按照權(quán)重的大小，可以確定如下排序：① 水幕鉆孔注水壓強；② 水幕系統(tǒng)高度；③ 儲油洞庫注入氮氣壓強；④ 水幕鉆孔間距；⑤ 水幕系統(tǒng)寬度；⑥ 洞庫儲油高度。其中，水幕鉆孔注水壓強控制因素的權(quán)重最大，為0.437 3；水幕系統(tǒng)控制的總權(quán)重為0.833 3，對儲油洞庫地下水流系統(tǒng)的控制占主導(dǎo)地位，注水壓強控制因素占水幕系統(tǒng)控制因素權(quán)重約52.5%；儲油洞庫建成運行后，水幕系統(tǒng)高度、水幕鉆孔間距以及水幕系統(tǒng)寬度將固定不變，影響儲油洞庫地下水流系統(tǒng)的主要因素減少為水幕鉆孔注水壓強、儲油洞庫注入氮氣壓強、洞庫儲油高度，三者的權(quán)重之和為0.604，約占全部控制因素的60.4%。

3 結(jié)論

(1)利用層次分析法確定儲油洞庫地下水流系統(tǒng)控制因素對滲流場和涌水量的影響權(quán)重排序為水幕鉆孔注水壓強、水幕系統(tǒng)高度、儲油洞庫注入氮氣壓強、水幕鉆孔間距、水幕系統(tǒng)寬度、洞庫儲油高度。

(2)儲油洞庫運行期注入氮氣壓強和儲油高度不變工況下地下水流系統(tǒng)主要通過水幕鉆孔注水壓強控制；提高注水壓強有利于增加洞室圍巖中水壓力，增強儲油洞庫的水封性，但引起儲油洞庫涌水量的增加也會進一步增加工程運行成本。

(3)采用優(yōu)化算法全面系統(tǒng)分析儲油洞庫運行期儲油洞庫水幕鉆孔注水壓強、水幕系統(tǒng)高度、儲油洞庫注入氮氣壓強、水幕鉆孔間距、水幕系統(tǒng)寬度，以及洞庫儲油高度6個因素，對儲油洞庫圍巖中水力梯度和儲油洞庫涌水量的動態(tài)影響需要進一步研究。