储油洞库地下水流系统影响因素权重分析

戴云峰， 林 锦*， 韩江波， 周志芳， 刘九夫， 高广利

(1.南京水利科学研究院水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，南京 210029；2.南京水利科学研究院地下水研究中心， 南京 210029；3.河海大学地球科学与工程学院，南京 211100；4. 华北水利水电大学地球科学与工程学院，郑州 450045)

石油作为一种不可再生资源是当前世界经济发展的命脉。国家战略石油储备和商业公司石油储备已是国际惯例，以发达国家为主要成员国的经济合作与发展组织(Organization for Economic Co-operation and Development,OECD)要求其成员国石油储备量需达到90 d消费量的水平。2007年12月18日，中国国家石油储备中心正式成立，旨在加强中国战略石油储备建设，健全石油储备管理体系。石油储备基地主要分为地上油罐储备和地下洞库储备两种，中国战略石油储备多利用地下洞库进行存储。地下洞库储备具有占地少，安全性高、对景观破坏小、维修费低、投资少、适合战备要求的诸多优点。中国地下水封储油洞库的研究难点主要在洞库的选址，洞库开挖以后围岩稳定性分析、水幕系统的设计、地下水流系统控制等。

地下水流系统控制主要是指通过储油洞库周边地下水流运动要素的控制达到洞库内石油安全存储，储油洞库地下水流系统是一个由相互关联、相互制约的众多因素构成的复杂系统。层次分析法为这种复杂系统提供了一种简洁实用的决策方法，是对储油洞库地下水流系统影响因素敏感性非定量分析的一种有效方法。层次分析法在水文地质、工程地质和环境地质领域应用较多。周志芳[1]利用层次分析法结合实例对不同坝址工程地质条件进行了对比和分析。罗汉明等[2]将层次分析法和模糊数学相结合，对某电站导流隧洞的断面进行优选。龚士亮[3]利用层次分析法对上海地面沉降问题进行了分析，为地面沉降系统调控的决策与实施提供了技术支撑。蔡鹤生等[4]利用层次分析法确定地质环境质量评价中多个环境因子的权值。康志强等[5-6]将层次分析法用于确定地下洞室岩体质量评价指标的权系数，并对洞室围岩的稳定性进行了排序。朱自强等[7]将层次分析法应用于边坡岩石质量分级，划分影响边坡岩石质量各因素的层次结构，利用模糊分析法确定了各因素的权重。刘治理等[8]将层次分析法和模糊评价相结合，对大型水库运行方案进行评价排序，最终确定最佳方案。刘健等[9]利用层次分析法确定了隧道工程地下水环境负效应评价指标体系中各指标的相对权重。许建聪等[10]采用层次分析法，结合工程实践经验，分析了影响水下隧道裂隙围岩渗流控制的主要因素，并确定各自的权重，研究结果为海底隧道和地下水封储油洞库的渗流控制及灾害防治提供了依据。韩超等[11]利用层次分析法分析影响含水层富水性的因素，确定了各因素的权重。王志杰等[12]建立了隧道施工条件下地下水环境影响评价指标体系，确定各指标权重，通过模糊层次分析法确定各指标的影响等级。Zhang等[13]建立了地下层状岩盐储能洞库的综合风险概率评价方法和风险分类标准。林放等[14-15]采用模糊c-均值聚类算法提出了储油洞库水幕系统水封性能多参数平均有效性指标系数。沈铭龙等[16]使用三角模糊数结合网络分析法确定了储油洞库施工过程中各风险因素的权重。Joanna等[17]提出利用层次分析法来选择潜在的地下储氢场地。Zhang等[18]采用数值模型对新增储油洞库对已运行储油洞库水封安全性影响进行了定量评价。

为了评价影响储油洞库地下水流系统各因素的权重，提出储油洞库地下水流系统最有效的控制方法，利用层次分析法，结合山东某大型地下水封储油洞库工程实例，对影响储油洞库地下水流系统的水幕系统关键设计参数、储油工况等因素进行多因素综合分析，为大型地下水封储油洞库长期运行过程中地下水流控制提供技术参考。

1 层次分析法基本原理

美国著名运筹学家Saaty于20世纪70年代中期提出层次分析法(analytic hierarchy process，AHP)，该方法先将复杂问题分解为多个组成因素，再将这些因素按支配关系分组形成有序的递阶层次结构，通过两两比较确定层次中各因素的相对重要性，最后综合人的判断确定各因素相对重要性的总排序，方便决策者在面对复杂工程建设时进行定性或定量分析[19-21]。层次分析法的基本计算包括4个方面[10, 21]。

1.1 建立递阶层次结构

决策者在对所面临的具体问题深入研究的基础上，提出各个影响因素的相互关系，将各个控制因素分解形成不同层次。

1.2 构造两两比较判断矩阵

从层次结构的目标控制层出发，对影响上一层的不同控制因素根据其对于控制目标的作用成对比较，然后根据确定标度建立判断矩阵，判断矩阵标度及其含义如表1所示。

表1 判断矩阵标度及其含义

1.3 计算单一准则下元素的相对权重

层次分析法中采用排序权向量计算的特征根方法计算判断矩阵的最大特征值和特征向量，在精度要求不高的情况下，可以用近似方法计算，利用求和法计算最大特征值和特征向量。

第1步，判断矩阵A的元素按列归一化，获得归一化对比矩阵

(1)

(2)

(3)

第4步，最大特征根的近似值为

(4)

1.4 判断矩阵的一致性检验

在判断矩阵的构造中，应该要求判断具备一致性，因此在获得最大特征根后，需要进行一致性检验。对矩阵按下式进行一致性检验：

(5)

(6)

式中：RC为一致性比率，当RC< 0.1时，一般认为判断矩阵的一致性是可以接受的；IC为一致性指标；IR为平均随机一致性指标，其值如表2所示；N为对应层控制因素个数；λmax为最大特征根的近似值。

表2 平均随机一致性指标

2 储油洞库地下水流系统控制因素评价

2.1 地下水封储油洞库简介

地下水封储油洞库一般是选择适宜的场地通过人工在岩体中开挖而成，为避免运行期洞库储备油气可能发生的泄漏造成生态环境破坏，必须保证储油洞库在开挖和运行过程中处于地下水位一定深度以下，以保证洞库边墙和底板岩体裂隙中的水压力大于洞库中相应位置处的储油压力。山东某大型地下水封储油洞库单个罐体如图1所示，储油洞库水封原理如图2所示。

图1 地下水封储油洞室单个罐体示意图Fig.1 Schematic diagram of a single tank of groundwater-sealed oil storage caverns

图2 储油洞室的水封概念示意图Fig.2 Schematic diagram of groundwater-sealed concept of oil storage caverns

2.2 地下水流系统层次计算

通过数值模型对山东某大型地下水封储油洞库水幕系统设计参数影响储油洞室涌水量以及稳定自由面位置进行分析，结果表明：水幕系统覆盖范围越大，对保持地下水位越有利，尤其是两侧主洞室的上部区域，增加的水幕宽度并没有导致储油洞室涌水量大幅增加；水幕钻孔的注水压强越大，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，有利于石油的存贮，但是其过大的注水压强不仅仅使洞室的涌水量大幅增加，而且两侧水力耗散也加大，使得稳定自由面的最高位置要小于水幕系统位置的总水头值；水幕钻孔的间距减小，虽然略微增加了储油洞室的涌水量，但提升了洞室上部自由面位置，同时洞室附近水力梯度也略微增大；水幕系统高程的降低，虽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，同时也使得储油洞室涌水量急剧上升[22-23]。

结合前述不同组合储油洞库地下水流系统数值计算、水幕系统对储油洞库地下水流系统控制作用研究，以及储油洞库注入氮气影响评价等计算结果，建立储油洞库地下水流系统影响因素层次结构模型，如图3所示。

图3 储油洞库地下水流系统影响因素层次结构Fig.3 Hierarchical structure of influencing factors of groundwater flow system around oil storage caverns

根据图3中影响因素层次模型，建立各个层次的判断矩阵，判断矩阵是根据储油洞库数值模拟程序计算结果以及中外学者发表成果总结而成，通过采用Saaty判断矩阵标度比较确定。

(1)对于储油洞库地下水流系统控制目标A构造其下一级准则B1和B2相对重要性的判断矩阵，如表3所示。

(2)分别构造B1和B2下一级准则，并确定C中影响因素的重要性，建立判断矩阵，如表4和表5所示。

(3)根据上述结果计算各影响因素总权重，并且对总权重进行排序，如表6所示。

(4)判断矩阵一致性的检验。由于一阶和二阶矩阵总是一致的，所以只对B1-C判断矩阵和总体矩阵进行检验。

表3 判断矩阵A-B及其特征向量

表4 判断矩阵B1-C及其特征向量

表5 判断矩阵B2-C及其特征向量

表6 储油洞库地下水流系统各影响因素总权重排序

计算B1-C矩阵，可得

故B1-C判断矩阵的不一致程度在容许的范围之内。

因B2-C判断矩阵是二阶矩阵，不一致程度在容许的范围之内，可得

IR2=0。

根据储油洞库地下水流系统各影响因素权重对总权重排序进行检验，可得

故储油洞库地下水流系统各控制因素总权重排序一致性在允许的范围之内。

2.3 地下水流系统控制因素权重排序

根据上述层次分析的计算结果，在储油洞库地下水流系统影响因素敏感性分析评价中，按照权重的大小，可以确定如下排序：① 水幕钻孔注水压强；② 水幕系统高度；③ 储油洞库注入氮气压强；④ 水幕钻孔间距；⑤ 水幕系统宽度；⑥ 洞库储油高度。其中，水幕钻孔注水压强控制因素的权重最大，为0.437 3；水幕系统控制的总权重为0.833 3，对储油洞库地下水流系统的控制占主导地位，注水压强控制因素占水幕系统控制因素权重约52.5%；储油洞库建成运行后，水幕系统高度、水幕钻孔间距以及水幕系统宽度将固定不变，影响储油洞库地下水流系统的主要因素减少为水幕钻孔注水压强、储油洞库注入氮气压强、洞库储油高度，三者的权重之和为0.604，约占全部控制因素的60.4%。

3 结论

(1)利用层次分析法确定储油洞库地下水流系统控制因素对渗流场和涌水量的影响权重排序为水幕钻孔注水压强、水幕系统高度、储油洞库注入氮气压强、水幕钻孔间距、水幕系统宽度、洞库储油高度。

(2)储油洞库运行期注入氮气压强和储油高度不变工况下地下水流系统主要通过水幕钻孔注水压强控制；提高注水压强有利于增加洞室围岩中水压力，增强储油洞库的水封性，但引起储油洞库涌水量的增加也会进一步增加工程运行成本。

(3)采用优化算法全面系统分析储油洞库运行期储油洞库水幕钻孔注水压强、水幕系统高度、储油洞库注入氮气压强、水幕钻孔间距、水幕系统宽度，以及洞库储油高度6个因素，对储油洞库围岩中水力梯度和储油洞库涌水量的动态影响需要进一步研究。