某地下水封石油洞庫地下水滲流場及涌水量模擬

李雅靜 郭迎濤 劉立才 張訓玉

摘 要：地下水封石油洞庫是通過人工開挖建于地下，利用穩定地下水的水封作用密封儲存在洞室內的石油。具有占地少、投資少、損耗少等優點，但對地下水環境影響相對較大。為評價地下水封石油洞庫施工期和運營期對地下水環境的影響，以某大型地下水封石油儲庫為研究對象，結合現場試驗數據，利用GMS軟件，建立了非均質、各向異性、三維非穩定地下水流模型和溶質運移模型。研究結果表明：有水幕系統時預測水位高于設計水位3 m以上，可以保證洞庫的水封效果，且石油局限于洞室周圍不外泄，為后期制定地下水污染防治措施及長期監測計劃提供了依據。

關鍵詞：地下水封石油洞庫；滲流場；涌水量；模擬計算

Groundwater seepage field and water inflow simulation calculation for an underground water sealing petroleum storage cavern

LI Yajing1， GUO Yingtao1， LIU Licai1， ZHANG Xunyu2

（1.Beijing Z.D.H.K Environmental Science & Technology Co.， Ltd.， Beijing 100028， China；

2.Beijing Institute of Ecological Geology， Beijing100011， China）

Abstract： The underground water sealing petroleum storage cavern is built underground by manual excavation， which stores oil by using stable groundwater water sealing effect. It has the advantages of less land occupation， less investment and less loss， but has relatively greater influence on the groundwater environment. In order to assess the groundwater environmental impact of an underground water sealing petroleum storage cavern during the construction period and the operation period， the heterogeneity， anisotropy and three-dimensional unsteady groundwater flow model is established by using GMS software and in-situ test data in the engineering background of a large water sealing petroleum storage caverns in China. The results show that the predicted water level is over 3 meters above the design water level with the water curtain system， which ensures the water sealing effect of the cavern， and oil is limited to the surrounding area of the cave and does not leak out. The study provides a basis for the development of groundwater pollution prevention measures and long-term monitoring plans in the later period.

Keywords： an underground water sealing petroleum storage cavern; seepage field; pouring quantity; groundwater numerical simulation

石油是國家的經濟命脈，現代工業的“血液”，是國家生存和發展的重要戰略資源。我國從1993年開始成為石油凈進口國，截至2020年，我國石油對外依存度高達72%，投入運營的大型地下水封洞庫僅3座（李印等，2022）。建設國家石油儲備是保證我國能源安全的重要舉措，在石油儲備體系建設中，地下洞庫儲備與地上油罐儲備相比，具有占地少、投資少、損耗少、污染小、運營管理費用低、安全性能較高、裝卸速度較快等優點，更有利于儲備。世界上地質條件適宜的國家均趨向于建造地下水封石油洞庫（王婷婷，2019；王者超等，2022）。

在地下水封洞庫建設方面，中國尚處于起步階段。地下水封石油洞庫的建設對洞庫區域的工程地質條件和水文地質條件要求較高（郭書太等，2006；彭振華等，2011；蔡紅飚等，2000；時洪斌，2010），尤其是掌握地下水滲流場，對洞庫地下水環境影響評價和后期運營管理起到至關重要的作用。地下水環境影響評價是環境影響評價中的難點與重點，近年來眾多學者采用地下水數值模擬技術分析建設項目對地下水環境的影響（梁斌等，2017；洪淑娜，2023；胡成等，2022；韓曼，2007；李術才等，2013）。

目前，在世界范圍內被廣泛應用的地下水數值模擬軟件有Visual MODFLOW、Groundwater Modeling System（簡稱GMS）、FEFLOW等。GMS是目前國際上先進的、綜合性的地下水模擬軟件包，由MODFLOW、MODPATH、MT3D、FEMWATER、PEST、MAP、SUBSUR-FACE CHARACTERIZATION、Borehole Data、Triangulated Irregular Nets、Solid、GEO-STATISTICS等模塊組成的可視化三維地下水模擬軟件包，可進行水流模擬、溶質運移模擬、反應運移模擬，建立三維地層實體，進行鉆孔數據管理、二維（三維）地質統計，可視化和打印二維（三維）模擬結果。它是唯一支持TIN、立體圖、鉆孔數據、2D和3D地質統計、2D和3D有限差的集成系統。

本文以某地下水封石油洞庫為研究對象，利用GMS軟件建立了地下水模型，模擬了地下水封石油洞庫的滲流場、涌水量和溶質運移變化情況，驗證了地下水封石油洞庫的儲油原理，為地下水封石油洞庫的建設提供了理論保證。

1 ?地下水封石油洞庫儲油原理

地下水封石油洞庫是通過人工在地下巖石中開挖形成的。通過水幕巷道向巖體內注水使水壓高于內部油氣壓力，從而形成密封的存儲設施。通過氣密性試驗成果設定安全運營水位，當監測到水幕系統水位低于此水位時，從注水井向水幕中補水直至水位到達要求（夏喜林等，2004）。

運營期圍巖裂隙水不斷涌入洞內，在主洞室底層形成水墊層。為調節水墊層的高度，防止儲油空間被地下水壓縮，每個洞罐設置一個泵坑定期抽水到地面，處理達標后排放。

地下水封石油洞庫儲油原理見圖1。

2 ?模擬區水文地質條件

根據項目前期水文地質勘察成果，模擬區地下水類型從上到下分別為第四系松散巖類孔隙水、基巖裂隙水，基巖裂隙水又可分為淺層風化裂隙水及深層脈狀裂隙水。地下工程所在層位的地下水類型為基巖裂隙水（圖2）。

第四系松散巖類孔隙水主要賦存于第四系松散覆蓋層中，巖性主要為沖積物夾雜淤泥質、粉砂質、黏土混合物，富水性較強，含水層單井涌水量小于50 m3·d-1，主要分布于庫址區的東部和東南部，厚度0.5～7 m不等。

基巖裂隙水主要賦存在中粒二長花崗巖強風化帶及中風化帶淺部。強風化帶中的基巖裂隙水與上部松散層孔隙水聯系較為密切，主要接受大氣降水的補給，富水性等級為中—弱；中風化帶中深部及其以下巖體中，含水層富水性弱。壓水試驗滲透系數為10-3～10-5 m·d-1，滲透系數總體隨深度有減小的趨勢，且洞庫深部滲透系數變化范圍較小，無大的導水裂隙。

第四系松散巖類孔隙水接受大氣降水入滲補給和淺層風化裂隙水側向補給；受地形控制，地下水向溝谷方向徑流，或垂向補給淺層風化裂隙水；以側向補給河水或出露成泉的形式排泄。

淺層風化裂隙水的補給來源主要為大氣降水入滲，其次為上層松散巖類孔隙水垂向補給；其排泄主要為蒸發、側向排入溪流；其徑流方向是沿著地勢流向較低處的含水層或地表水系。深層脈狀裂隙水埋度變化不一，主要受構造運動和結構面發育的影響，與地表水的水力聯系相對較小。

3 ?地下水數值模型

3.1 ?水文地質概念模型

洞庫地下工程主要包括地下水封洞庫及水幕系統2部分工程，水幕系統主要按平行主洞室軸線水平水幕孔的方式布置（圖3）。

結合水文地質條件及工程垂向上的分布特征，將第四系松散巖類孔隙水及基巖裂隙水作為模擬含水層?？紤]到工程垂向上的分布深度、巖性風化及裂隙發育程度、現有壓水試驗數據的支撐性，將模擬的含水層系統概化為非均質、各向異性、三維非穩定地下水流系統，模擬區面積18.32 km2。

側向邊界：模擬范圍以擬建庫區為中心，西側、東側以地表分水嶺為界，北側以北部山前花崗巖體出露線為界，南側以河流為界；東、西兩邊界垂直于地下水等水位線，均設定為零流量邊界，南、北兩側設定為流量邊界（圖4）。

垂向邊界：上邊界為潛水面，存在大氣降水入滲、地表水入滲補給及潛水蒸發排泄等垂向水量交換；模擬區底部均為新鮮基巖，概化為隔水底板。

3.2 ?地下水水流模型

3.2.1 ?數學模型

根據水文地質概念模型，建立模擬區的數學模型。

（x，y，z）∈S_2，t>0））┤

式中：Ω表示地下水滲流區域；S1為模型的第一類邊界；S2為模型的第二類邊界；k_xx，k_yy，k_zz分別表示x，y，z主方向的滲透系數（m·d-1）；w表示源匯項，包括降水入滲補給、蒸發、井抽水量和泉排泄量（1/d）；μ_s第一層表示給水度與含水層厚度的比值，第二層至第十層表示彈性貯水率；H_0 （x，y，z）表示初始含水層水位標高（m）；H_1 （x，y，z）為第一類邊界已知的含水層水位標高（m）；q（x，y，z，t）為第二類邊界單位寬度流量（m2·d-1）。

3.2.2 ?模型設計

1）網格剖分

根據洞室、水幕系統結構特點，本次模擬將洞庫所在區加密為10 m × 10 m矩形網格，外部區域剖分為30 m × 30 m矩形網格。網格剖分見表1和圖5。

2）源匯項處理

評價區內地下水補給項主要為降水入滲及地下水側向流入，地下水排泄項主要為地下水側向流出、蒸發排泄及溝渠排泄。

降雨入滲補給：根據模擬區各月份平均降雨量數據，結合降雨入滲系數，換算成降水入滲補給強度給定到第一層的每個單元格當中。降水入滲分區見圖6，其中：1、3、4、5區降水入滲系數為0.2，2區為0.1，6、7區為0.25。

潛水蒸發：根據模擬區內多年平均蒸發量，利用軟件自帶蒸發程序包，按照水面蒸發強度、極限蒸發深度、地面標高三者之間的關系，自動進行計算。極限蒸發深度設定為4 m，水面蒸發強度為6.62×10-4 m·d-1。

溝渠：對于模擬區內的小型支溝、溪流，本次模擬采用DRAIN程序包進行給定，各溝渠底部標高參照溝渠與地下水的排泄關系，并最終通過調參進行給定。

側向邊界：流量邊界根據該位置處的水力梯度、含水層厚度、滲透系數，利用達西定律估算進行給定；水頭邊界根據邊界處的水位標高進行給定。

3）初始流場

本次模型的初始流場是依據2019年11月調查工作實測水位標高及工程勘查鉆孔水位標高進行刻畫，最終給定的地下水水位初始流場見圖4。

4）含水層參數

本次含水層參數分區，以區域地形地貌、地質構造為基礎，結合庫區鉆探工作中的節理裂隙發育、巖心、提水試驗、壓水試驗相關成果，保守給定各層位含水層橫向滲透系數（Kxx）、垂向滲透系數（Kyy）、縱向滲透系數（Kzz）、給水度、彈性貯水率參數初始值。第一層為潛水含水層，給定了給水度；其他層位為微承壓水，給定了彈性貯水率。各層取值見表2。

3.2.3 ?模型的校正與檢驗

本次模擬計算步長為1 d，1年內應力期為90 d，1 年后間隔為1 a。計算水位數據與2020年4月（識別驗證期）實測的水位數據，從區域流場形態、鉆孔水位擬合情況、模型地下水均衡項3個方面進行檢驗。從擬合結果來看，地下水流場基本符合區域地下水滲流趨勢，流場擬合結果較好。同時根據模型地下水均衡結果（表3）可以看出，模擬區識別期內地下水總體呈負均衡狀態，與區域地下水水位變動情況基本相符，因此，本模型的可靠性是有保障的，可進行下一步流場及溶質預測。區域地下水水位擬合結果及鉆孔水位擬合結果見圖7～9。

3.3 ?地下水溶質運移模型

本次污染物模擬預測過程不考慮污染物在含水層中的吸附、揮發、生物化學反應，模型中各項參數予以保守性考慮。這樣選擇的理由有3點：1）有機污染物在地下水中的運移非常復雜，影響因素除對流、彌散作用以外，還存在物理、化學、微生物等作用，這些作用常常會使污染物總量減少，運移擴散速度減慢。目前國際上對這些作用參數的準確獲取還存在一定困難；2）從保守性角度考慮，假設污染物在運移中不與含水層介質發生反應，可以被認為是保守型污染物，只按保守型污染物計算，即只考慮運移過程中的對流、彌散作用。在國際上有很多用保守型污染物作為模擬因子的環境影響評價成功實例；3）保守型考慮符合環境影響評價風險最大的原則。

3.3.1 ?數學模型

地下水中溶質運移的數學模型可表示為：

n_e ??C/?t=?/（?X_i ） （nD_ij ??C/（?X_j ））-?/（?x_i ） （nCV_i ）±C^' ?W

C（x，y，0）=C_0 （x，y）（x，y）∈Ω，t=0

（C ν ?-D_gradc）?n ?|┤_（Γ_2 ）=φ（x，y，t） （x，y）∈Γ_2，t≥0

式中：D_ij=α_ijmn ?（V_m V_n）/|V| ；αijmn為含水層的彌散度；Vm，Vn分別為m和n方向上的速度分量；|V|為速度模；C為模擬污染質的濃度（mg·L-1）；t為時間（d）；ne為有效孔隙度；n為介質孔隙度；W為源匯單位面積上的通量；Vi為滲流速度（m·d-1）；C＇為源匯的污染質濃度（mg·L-1）；C0（x，y，z）為已知濃度分布，Ω為模型模擬區；Γ2為通量邊界，Dgradc為濃度梯度。

3.3.2 ?源匯項和邊界條件

模擬區內的自然條件相對穩定，主要表現在降雨量、蒸發量等氣象要素年際變化不大，模擬區內地下水未來開采量變化不大，可近似等于現狀開采量。由于洞庫布置在水幕系統之下，因此按照水幕位置及底板高程確定水位高程。

本次模型將污染源以面源形式設定濃度邊界，污染源位置按實際設計概化。在模擬污染物擴散時，不考慮吸附作用、化學反應等因素，重點考慮對流、彌散作用。

為了分析運營期洞庫內石油類隨地下水運移對周邊地下水環境造成的影響，利用經過校正檢驗的水流模型進行溶質運移預測。

3.3.3 ?彌散度的確定

由于水動力彌散尺度效應的存在，難以通過野外或室內彌散試驗獲得真實的彌散度。因此，本次參考蘇玉娟等（2019）裂隙承壓含水層彌散試驗的研究成果，取縱向彌散度值為4.8×10-3 m，橫向彌散度值為4.4×10-4 m。

4 ?預測情景確定與結果分析

4.1 ?建設期地下水環境影響預測與評價

1）建設期預測情景確定及賦值

根據工程內容分析，地下水封洞庫區地下工程施工建設主要是對地下水水位產生影響，對地下水水質的影響較小。洞室開挖時水平水幕系統已經投入使用，地下水模型將水平水幕概化為定水頭邊界，其位置、厚度和范圍按水幕系統實際設計概化，洞室層按頂板、底板平均標高給定，水幕系統水頭值取設計水頭標高。

2）建設期預測結果分析

施工期洞室涌水量逐年減小，第3年（1 095 d）涌水量為789 m3·d-1，第4年（1 460 d）為673 m3·d-1，趨于穩定。施工期洞庫涌水量變化見圖10。

洞室開挖4年后，洞室紅線范圍內潛水水位最大降深值為2.8 m，洞室紅線外潛水水位降深最大值為0.1 m，最大影響半徑為396 m。洞室開挖4年后洞室層地下水水位最大降深值為85 m，位于洞室正上方，最大影響半徑為210 m。洞室開挖4年后地下水水位下降值見圖11、圖12，與洞室開挖1年后相比，洞室開挖4 年后地下水漏斗有所擴展。

4.2 ?運營期地下水環境影響預測與評價

1）運營期預測情景確定及賦值

在運營期，考慮地下洞室和水幕系統條件，其形狀和深度等按實際設計概化，水幕設置為定水頭邊界，覆蓋整個洞庫上方范圍。洞室層按運行壓力給定水位標高值，水幕系統頂板水頭值取設計標高值。洞室設為定濃度邊界，預測石油類持續擴散對地下水水質的影響。

2）運營期預測結果分析

運營期前3年涌水量變化較大，從第4年至運營期結束涌水量較穩定，約為420 m3·d-1。運營期洞庫涌水量變化見圖13。

洞室運行30年后影響范圍趨于穩定，達到最大范圍。洞室紅線范圍內潛水水位最大降深值為20 m，降深值大于20 m的范圍占整個洞庫面積的0.1%；洞室紅線外潛水水位降深最大值為5 m，最大影響半徑為883 m。洞室層地下水水位最大降深值100 m，位于洞室正上方，下降后預測水位比水幕系統設計水位高3 m，最大影響半徑600 m。水位影響范圍見圖14。

在運營期內，石油類污染范圍局限于洞室周圍19 m內，其影響范圍很小。由于洞庫為排水邊界，洞內石油不會向外泄露，而且巖層滲透系數和彌散系數都很小，洞庫對地下水水質影響局限在建筑界線附近。水質影響范圍見圖15。

5 ?結論

本次利用地下水數值模擬有效刻畫出了水文地質模型，反映了洞庫施工期和運營期地下水滲流場變化情況，提前預判了洞庫涌水量和對周圍地下水環境的影響，了解了洞庫的水封效果，為洞庫的設計和建設提供必要的技術支持。

1）在有水幕條件下：洞庫上方潛水水位最大降深值為20 m，洞庫四周最大降深值為5 m；洞室層地下水水位最大降深值為100 m，下降后水位比水幕系統的設計水位高3 m，能夠保證洞庫的水封條件，減小了原油泄漏的風險，對地下水環境影響較小。

2）洞庫建設引起地下水位的下降主要影響山體中上部基巖裂隙水，可能會導致部分泉流量減少甚至干枯，但影響范圍有限，對山腰以下松散巖的孔隙潛水基本不產生影響。

3）由于水幕系統補水，洞內石油不會向外泄露，而且巖層滲透系數和彌散系數都很小，洞庫對地下水水質影響局限在建筑界線附近。

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收稿日期：2023-10-23；修回日期：2023-12-22

第一作者簡介：李雅靜（1987- ），女，碩士，工程師，主要從事水文地質與環境地質工作。E-mail：616225682@qq.com

引用格式：李雅靜，郭迎濤，劉立才，張訓玉，2024.某地下水封石油洞庫地下水滲流場及涌水量模擬［J］.城市地質，19（1）：70-79