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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(jì)發(fā)展的命脈。國(guó)家戰(zhàn)略石油儲(chǔ)備和商業(yè)公司石油儲(chǔ)備已是國(guó)際慣例，以發(fā)達(dá)國(guó)家為主要成員國(guó)的經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織(Organization for Economic Co-operation and Development,OECD)要求其成員國(guó)石油儲(chǔ)備量需達(dá)到90 d消費(fèi)量的水平。2007年12月18日，中國(guó)國(guó)家石油儲(chǔ)備中心正式成立，旨在加強(qiáng)中國(guó)戰(zhàn)略石油儲(chǔ)備建設(shè)，健全石油儲(chǔ)備管理體系。石油儲(chǔ)備基地主要分為地上油罐儲(chǔ)備和地下洞庫(kù)儲(chǔ)備兩種，中國(guó)戰(zhàn)略石油儲(chǔ)備多利用地下洞庫(kù)進(jìn)行存儲(chǔ)。地下洞庫(kù)儲(chǔ)備具有占地少，安全性高、對(duì)景觀破壞小、維修費(fèi)低、投資少、適合戰(zhàn)備要求的諸多優(yōu)點(diǎn)。中國(guó)地下水封儲(chǔ)油洞庫(kù)的研究難點(diǎn)主要在洞庫(kù)的選址，洞庫(kù)開(kāi)挖以后圍巖穩(wěn)定性分析、水幕系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、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(guò)儲(chǔ)油洞庫(kù)周邊地下水流運(yùn)動(dòng)要素的控制達(dá)到洞庫(kù)內(nèi)石油安全存儲(chǔ)，儲(chǔ)油洞庫(kù)地下水流系統(tǒng)是一個(gè)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(jiǎn)潔實(shí)用的決策方法，是對(duì)儲(chǔ)油洞庫(kù)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(shí)例對(duì)不同壩址工程地質(zhì)條件進(jìn)行了對(duì)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(duì)某電站導(dǎo)流隧洞的斷面進(jìn)行優(yōu)選。龔士亮[3]利用層次分析法對(duì)上海地面沉降問(wèn)題進(jìn)行了分析，為地面沉降系統(tǒng)調(diào)控的決策與實(shí)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(píng)價(jià)中多個(gè)環(huán)境因子的權(quán)值?？抵緩?qiáng)等[5-6]將層次分析法用于確定地下洞室?guī)r體質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)系數(shù)，并對(duì)洞室圍巖的穩(wěn)定性進(jìn)行了排序。朱自強(qiáng)等[7]將層次分析法應(yīng)用于邊坡巖石質(zhì)量分級(jí)，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(píng)價(jià)相結(jié)合，對(duì)大型水庫(kù)運(yùn)行方案進(jìn)行評(píng)價(jià)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(fù)效應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中各指標(biāo)的相對(duì)權(quán)重。許建聰?shù)萚10]采用層次分析法，結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，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(chǔ)油洞庫(kù)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(píng)價(jià)指標(biāo)體系，確定各指標(biāo)權(quán)重，通過(guò)模糊層次分析法確定各指標(biāo)的影響等級(jí)。Zhang等[13]建立了地下層狀巖鹽儲(chǔ)能洞庫(kù)的綜合風(fēng)險(xiǎn)概率評(píng)價(jià)方法和風(fēng)險(xiǎn)分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)。林放等[14-15]采用模糊c-均值聚類(lèi)算法提出了儲(chǔ)油洞庫(kù)水幕系統(tǒng)水封性能多參數(shù)平均有效性指標(biāo)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(chǔ)油洞庫(kù)施工過(guò)程中各風(fēng)險(xiǎn)因素的權(quán)重。Joanna等[17]提出利用層次分析法來(lái)選擇潛在的地下儲(chǔ)氫場(chǎng)地。Zhang等[18]采用數(shù)值模型對(duì)新增儲(chǔ)油洞庫(kù)對(duì)已運(yùn)行儲(chǔ)油洞庫(kù)水封安全性影響進(jìn)行了定量評(píng)價(jià)。

為了評(píng)價(jià)影響儲(chǔ)油洞庫(kù)地下水流系統(tǒng)各因素的權(quán)重，提出儲(chǔ)油洞庫(kù)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(chǔ)油洞庫(kù)工程實(shí)例，對(duì)影響儲(chǔ)油洞庫(kù)地下水流系統(tǒng)的水幕系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)、儲(chǔ)油工況等因素進(jìn)行多因素綜合分析，為大型地下水封儲(chǔ)油洞庫(kù)長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)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(guó)著名運(yùn)籌學(xué)家Saaty于20世紀(jì)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(wèn)題分解為多個(gè)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(guò)兩兩比較確定層次中各因素的相對(duì)重要性，最后綜合人的判斷確定各因素相對(duì)重要性的總排序，方便決策者在面對(duì)復(fù)雜工程建設(shè)時(shí)進(jìn)行定性或定量分析[19-21]。層次分析法的基本計(jì)算包括4個(gè)方面[10, 21]。

1.1 建立遞階層次結(jié)構(gòu)

決策者在對(duì)所面臨的具體問(wèn)題深入研究的基礎(chǔ)上，提出各個(gè)影響因素的相互關(guān)系，將各個(gè)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(biāo)控制層出發(fā)，對(duì)影響上一層的不同控制因素根據(jù)其對(duì)于控制目標(biāo)的作用成對(duì)比較，然后根據(jù)確定標(biāo)度建立判斷矩陣，判斷矩陣標(biāo)度及其含義如表1所示。

表1 判斷矩陣標(biāo)度及其含義

1.3 計(jì)算單一準(zhǔn)則下元素的相對(duì)權(quán)重

層次分析法中采用排序權(quán)向量計(jì)算的特征根方法計(jì)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(jì)算，利用求和法計(jì)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(duì)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(yàn)

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(jìn)行一致性檢驗(yàn)。對(duì)矩陣按下式進(jìn)行一致性檢驗(yàn)：

(5)

(6)

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

表2 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)

2 儲(chǔ)油洞庫(kù)地下水流系統(tǒng)控制因素評(píng)價(jià)

2.1 地下水封儲(chǔ)油洞庫(kù)簡(jiǎn)介

地下水封儲(chǔ)油洞庫(kù)一般是選擇適宜的場(chǎng)地通過(guò)人工在巖體中開(kāi)挖而成，為避免運(yùn)行期洞庫(kù)儲(chǔ)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(chǔ)油洞庫(kù)在開(kāi)挖和運(yùn)行過(guò)程中處于地下水位一定深度以下，以保證洞庫(kù)邊墻和底板巖體裂隙中的水壓力大于洞庫(kù)中相應(yīng)位置處的儲(chǔ)油壓力。山東某大型地下水封儲(chǔ)油洞庫(kù)單個(gè)罐體如圖1所示，儲(chǔ)油洞庫(kù)水封原理如圖2所示。

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

圖2 儲(chǔ)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(jì)算

通過(guò)數(shù)值模型對(duì)山東某大型地下水封儲(chǔ)油洞庫(kù)水幕系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)影響儲(chǔ)油洞室涌水量以及穩(wěn)定自由面位置進(jìn)行分析，結(jié)果表明：水幕系統(tǒng)覆蓋范圍越大，對(duì)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(méi)有導(dǎo)致儲(chǔ)油洞室涌水量大幅增加；水幕鉆孔的注水壓強(qiáng)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(guò)大的注水壓強(qiáng)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(chǔ)油洞室的涌水量，但提升了洞室上部自由面位置，同時(shí)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(shí)也使得儲(chǔ)油洞室涌水量急劇上升[22-23]。

結(jié)合前述不同組合儲(chǔ)油洞庫(kù)地下水流系統(tǒng)數(shù)值計(jì)算、水幕系統(tǒng)對(duì)儲(chǔ)油洞庫(kù)地下水流系統(tǒng)控制作用研究，以及儲(chǔ)油洞庫(kù)注入氮?dú)庥绊懺u(píng)價(jià)等計(jì)算結(jié)果，建立儲(chǔ)油洞庫(kù)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(chǔ)油洞庫(kù)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(gè)層次的判斷矩陣，判斷矩陣是根據(jù)儲(chǔ)油洞庫(kù)數(shù)值模擬程序計(jì)算結(jié)果以及中外學(xué)者發(fā)表成果總結(jié)而成，通過(guò)采用Saaty判斷矩陣標(biāo)度比較確定。

(1)對(duì)于儲(chǔ)油洞庫(kù)地下水流系統(tǒng)控制目標(biāo)A構(gòu)造其下一級(jí)準(zhǔn)則B1和B2相對(duì)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(jí)準(zhǔn)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(jì)算各影響因素總權(quán)重，并且對(duì)總權(quán)重進(jìn)行排序，如表6所示。

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

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(chǔ)油洞庫(kù)地下水流系統(tǒng)各影響因素總權(quán)重排序

計(jì)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(chǔ)油洞庫(kù)地下水流系統(tǒng)各影響因素權(quán)重對(duì)總權(quán)重排序進(jìn)行檢驗(yàn)，可得

故儲(chǔ)油洞庫(kù)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(jì)算結(jié)果，在儲(chǔ)油洞庫(kù)地下水流系統(tǒng)影響因素敏感性分析評(píng)價(jià)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(qiáng)；② 水幕系統(tǒng)高度；③ 儲(chǔ)油洞庫(kù)注入氮?dú)鈮簭?qiáng)；④ 水幕鉆孔間距；⑤ 水幕系統(tǒng)寬度；⑥ 洞庫(kù)儲(chǔ)油高度。其中，水幕鉆孔注水壓強(qiáng)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(duì)儲(chǔ)油洞庫(kù)地下水流系統(tǒng)的控制占主導(dǎo)地位，注水壓強(qiáng)控制因素占水幕系統(tǒng)控制因素權(quán)重約52.5%；儲(chǔ)油洞庫(kù)建成運(yùn)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(chǔ)油洞庫(kù)地下水流系統(tǒng)的主要因素減少為水幕鉆孔注水壓強(qiáng)、儲(chǔ)油洞庫(kù)注入氮?dú)鈮簭?qiáng)、洞庫(kù)儲(chǔ)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(chǔ)油洞庫(kù)地下水流系統(tǒng)控制因素對(duì)滲流場(chǎng)和涌水量的影響權(quán)重排序?yàn)樗汇@孔注水壓強(qiáng)、水幕系統(tǒng)高度、儲(chǔ)油洞庫(kù)注入氮?dú)鈮簭?qiáng)、水幕鉆孔間距、水幕系統(tǒng)寬度、洞庫(kù)儲(chǔ)油高度。

(2)儲(chǔ)油洞庫(kù)運(yùn)行期注入氮?dú)鈮簭?qiáng)和儲(chǔ)油高度不變工況下地下水流系統(tǒng)主要通過(guò)水幕鉆孔注水壓強(qiáng)控制；提高注水壓強(qiáng)有利于增加洞室圍巖中水壓力，增強(qiáng)儲(chǔ)油洞庫(kù)的水封性，但引起儲(chǔ)油洞庫(kù)涌水量的增加也會(huì)進(jìn)一步增加工程運(yùn)行成本。

(3)采用優(yōu)化算法全面系統(tǒng)分析儲(chǔ)油洞庫(kù)運(yùn)行期儲(chǔ)油洞庫(kù)水幕鉆孔注水壓強(qiáng)、水幕系統(tǒng)高度、儲(chǔ)油洞庫(kù)注入氮?dú)鈮簭?qiáng)、水幕鉆孔間距、水幕系統(tǒng)寬度，以及洞庫(kù)儲(chǔ)油高度6個(gè)因素，對(duì)儲(chǔ)油洞庫(kù)圍巖中水力梯度和儲(chǔ)油洞庫(kù)涌水量的動(dòng)態(tài)影響需要進(jìn)一步研究。