某地下水封石油洞库地下水渗流场及涌水量模拟

李雅静 郭迎涛 刘立才 张训玉

摘 要：地下水封石油洞库是通过人工开挖建于地下，利用稳定地下水的水封作用密封储存在洞室内的石油。具有占地少、投资少、损耗少等优点，但对地下水环境影响相对较大。为评价地下水封石油洞库施工期和运营期对地下水环境的影响，以某大型地下水封石油储库为研究对象，结合现场试验数据，利用GMS软件，建立了非均质、各向异性、三维非稳定地下水流模型和溶质运移模型。研究结果表明：有水幕系统时预测水位高于设计水位3 m以上，可以保证洞库的水封效果，且石油局限于洞室周围不外泄，为后期制定地下水污染防治措施及长期监测计划提供了依据。

关键词：地下水封石油洞库；渗流场；涌水量；模拟计算

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

石油是国家的经济命脉，现代工业的“血液”，是国家生存和发展的重要战略资源。我国从1993年开始成为石油净进口国，截至2020年，我国石油对外依存度高达72%，投入运营的大型地下水封洞库仅3座（李印等，2022）。建设国家石油储备是保证我国能源安全的重要举措，在石油储备体系建设中，地下洞库储备与地上油罐储备相比，具有占地少、投资少、损耗少、污染小、运营管理费用低、安全性能较高、装卸速度较快等优点，更有利于储备。世界上地质条件适宜的国家均趋向于建造地下水封石油洞庫（王婷婷，2019；王者超等，2022）。

在地下水封洞库建设方面，中国尚处于起步阶段。地下水封石油洞库的建设对洞库区域的工程地质条件和水文地质条件要求较高（郭书太等，2006；彭振华等，2011；蔡红飚等，2000；时洪斌，2010），尤其是掌握地下水渗流场，对洞库地下水环境影响评价和后期运营管理起到至关重要的作用。地下水环境影响评价是环境影响评价中的难点与重点，近年来众多学者采用地下水数值模拟技术分析建设项目对地下水环境的影响（梁斌等，2017；洪淑娜，2023；胡成等，2022；韩曼，2007；李术才等，2013）。

目前，在世界范围内被广泛应用的地下水数值模拟软件有Visual MODFLOW、Groundwater Modeling System（简称GMS）、FEFLOW等。GMS是目前国际上先进的、综合性的地下水模拟软件包，由MODFLOW、MODPATH、MT3D、FEMWATER、PEST、MAP、SUBSUR-FACE CHARACTERIZATION、Borehole Data、Triangulated Irregular Nets、Solid、GEO-STATISTICS等模块组成的可视化三维地下水模拟软件包，可进行水流模拟、溶质运移模拟、反应运移模拟，建立三维地层实体，进行钻孔数据管理、二维（三维）地质统计，可视化和打印二维（三维）模拟结果。它是唯一支持TIN、立体图、钻孔数据、2D和3D地质统计、2D和3D有限差的集成系统。

本文以某地下水封石油洞库为研究对象，利用GMS软件建立了地下水模型，模拟了地下水封石油洞库的渗流场、涌水量和溶质运移变化情况，验证了地下水封石油洞库的储油原理，为地下水封石油洞库的建设提供了理论保证。

1  地下水封石油洞库储油原理

地下水封石油洞库是通过人工在地下岩石中开挖形成的。通过水幕巷道向岩体内注水使水压高于内部油气压力，从而形成密封的存储设施。通过气密性试验成果设定安全运营水位，当监测到水幕系统水位低于此水位时，从注水井向水幕中补水直至水位到达要求（夏喜林等，2004）。

运营期围岩裂隙水不断涌入洞内，在主洞室底层形成水垫层。为调节水垫层的高度，防止储油空间被地下水压缩，每个洞罐设置一个泵坑定期抽水到地面，处理达标后排放。

地下水封石油洞库储油原理见图1。

2  模拟区水文地质条件

根据项目前期水文地质勘察成果，模拟区地下水类型从上到下分别为第四系松散岩类孔隙水、基岩裂隙水，基岩裂隙水又可分为浅层风化裂隙水及深层脉状裂隙水。地下工程所在层位的地下水类型为基岩裂隙水（图2）。

第四系松散岩类孔隙水主要赋存于第四系松散覆蓋层中，岩性主要为冲积物夹杂淤泥质、粉砂质、黏土混合物，富水性较强，含水层单井涌水量小于50 m3·d-1，主要分布于库址区的东部和东南部，厚度0.5～7 m不等。

基岩裂隙水主要赋存在中粒二长花岗岩强风化带及中风化带浅部。强风化带中的基岩裂隙水与上部松散层孔隙水联系较为密切，主要接受大气降水的补给，富水性等级为中—弱；中风化带中深部及其以下岩体中，含水层富水性弱。压水试验渗透系数为10-3～10-5 m·d-1，渗透系数总体随深度有减小的趋势，且洞库深部渗透系数变化范围较小，无大的导水裂隙。

第四系松散岩类孔隙水接受大气降水入渗补给和浅层风化裂隙水侧向补给；受地形控制，地下水向沟谷方向径流，或垂向补给浅层风化裂隙水；以侧向补给河水或出露成泉的形式排泄。

浅层风化裂隙水的补给来源主要为大气降水入渗，其次为上层松散岩类孔隙水垂向补给；其排泄主要为蒸发、侧向排入溪流；其径流方向是沿着地势流向较低处的含水层或地表水系。深层脉状裂隙水埋度变化不一，主要受构造运动和结构面发育的影响，与地表水的水力联系相对较小。

3  地下水数值模型

3.1  水文地质概念模型

洞库地下工程主要包括地下水封洞库及水幕系统2部分工程，水幕系统主要按平行主洞室轴线水平水幕孔的方式布置（图3）。

结合水文地质条件及工程垂向上的分布特征，将第四系松散岩类孔隙水及基岩裂隙水作为模拟含水层。考虑到工程垂向上的分布深度、岩性风化及裂隙发育程度、现有压水试验数据的支撑性，将模拟的含水层系统概化为非均质、各向异性、三维非稳定地下水流系统，模拟区面积18.32 km2。

侧向边界：模拟范围以拟建库区为中心，西侧、东侧以地表分水岭为界，北侧以北部山前花岗岩体出露线为界，南侧以河流为界；东、西两边界垂直于地下水等水位线，均设定为零流量边界，南、北两侧设定为流量边界（图4）。

垂向边界：上边界为潜水面，存在大气降水入渗、地表水入渗补给及潜水蒸发排泄等垂向水量交换；模拟区底部均为新鲜基岩，概化为隔水底板。

3.2  地下水水流模型

3.2.1  数学模型

根据水文地质概念模型，建立模拟区的数学模型。

（x，y，z）∈S_2，t>0））┤

式中：Ω表示地下水渗流区域；S1为模型的第一类边界；S2为模型的第二类边界；k_xx，k_yy，k_zz分别表示x，y，z主方向的渗透系数（m·d-1）；w表示源汇项，包括降水入渗补给、蒸发、井抽水量和泉排泄量（1/d）；μ_s第一层表示给水度与含水层厚度的比值，第二层至第十层表示弹性贮水率；H_0 （x，y，z）表示初始含水层水位标高（m）；H_1 （x，y，z）为第一类边界已知的含水层水位标高（m）；q（x，y，z，t）为第二类边界单位宽度流量（m2·d-1）。

3.2.2  模型设计

1）网格剖分

根据洞室、水幕系统结构特点，本次模拟将洞库所在区加密为10 m × 10 m矩形网格，外部区域剖分为30 m × 30 m矩形网格。网格剖分见表1和图5。

2）源汇项处理

评价区内地下水补给项主要为降水入渗及地下水侧向流入，地下水排泄项主要为地下水侧向流出、蒸发排泄及沟渠排泄。

降雨入渗补给：根据模拟区各月份平均降雨量数据，结合降雨入渗系数，换算成降水入渗补给强度给定到第一层的每个单元格当中。降水入渗分区见图6，其中：1、3、4、5区降水入渗系数为0.2，2区为0.1，6、7区为0.25。

潜水蒸发：根据模拟区内多年平均蒸发量，利用软件自带蒸发程序包，按照水面蒸发强度、极限蒸发深度、地面标高三者之间的关系，自动进行计算。极限蒸发深度设定为4 m，水面蒸发强度为6.62×10-4 m·d-1。

沟渠：对于模拟区内的小型支沟、溪流，本次模拟采用DRAIN程序包进行给定，各沟渠底部标高参照沟渠与地下水的排泄关系，并最终通过调参进行给定。

侧向边界：流量边界根据该位置处的水力梯度、含水层厚度、渗透系数，利用达西定律估算进行给定；水头边界根据边界处的水位标高进行给定。

3）初始流场

本次模型的初始流场是依据2019年11月调查工作实测水位标高及工程勘查钻孔水位标高进行刻画，最终给定的地下水水位初始流场见图4。

4）含水层参数

本次含水层参数分区，以区域地形地貌、地质构造为基础，结合库区钻探工作中的节理裂隙发育、巖心、提水试验、压水试验相关成果，保守给定各层位含水层横向渗透系数（Kxx）、垂向渗透系数（Kyy）、纵向渗透系数（Kzz）、给水度、弹性贮水率参数初始值。第一层为潜水含水层，给定了给水度；其他层位为微承压水，给定了弹性贮水率。各层取值见表2。

3.2.3  模型的校正与检验

本次模拟计算步长为1 d，1年内应力期为90 d，1 年后间隔为1 a。计算水位数据与2020年4月（识别验证期）实测的水位数据，从区域流场形态、钻孔水位拟合情况、模型地下水均衡项3个方面进行检验。从拟合结果来看，地下水流场基本符合区域地下水渗流趋势，流场拟合结果较好。同时根据模型地下水均衡结果（表3）可以看出，模拟区识别期内地下水总体呈负均衡状态，与区域地下水水位变动情况基本相符，因此，本模型的可靠性是有保障的，可进行下一步流场及溶质预测。区域地下水水位拟合结果及钻孔水位拟合结果见图7～9。

3.3  地下水溶质运移模型

本次污染物模拟预测过程不考虑污染物在含水层中的吸附、挥发、生物化学反应，模型中各项参数予以保守性考虑。这样选择的理由有3点：1）有机污染物在地下水中的运移非常复杂，影响因素除对流、弥散作用以外，还存在物理、化学、微生物等作用，这些作用常常会使污染物总量减少，运移扩散速度减慢。目前国际上对这些作用参数的准确获取还存在一定困难；2）从保守性角度考虑，假设污染物在运移中不与含水层介质发生反应，可以被认为是保守型污染物，只按保守型污染物计算，即只考虑运移过程中的对流、弥散作用。在国际上有很多用保守型污染物作为模拟因子的环境影响评价成功实例；3）保守型考虑符合环境影响评价风险最大的原则。

3.3.1  数学模型

地下水中溶质运移的数学模型可表示为：

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为含水层的弥散度；Vm，Vn分别为m和n方向上的速度分量；|V|为速度模；C为模拟污染质的浓度（mg·L-1）；t为时间（d）；ne为有效孔隙度；n为介质孔隙度；W为源汇单位面积上的通量；Vi为渗流速度（m·d-1）；C＇为源汇的污染质浓度（mg·L-1）；C0（x，y，z）为已知浓度分布，Ω为模型模拟区；Γ2为通量边界，Dgradc为浓度梯度。

3.3.2  源汇项和边界条件

模拟区内的自然条件相对稳定，主要表现在降雨量、蒸发量等气象要素年际变化不大，模拟区内地下水未来开采量变化不大，可近似等于现状开采量。由于洞库布置在水幕系统之下，因此按照水幕位置及底板高程确定水位高程。

本次模型将污染源以面源形式设定浓度边界，污染源位置按实际设计概化。在模拟污染物扩散时，不考虑吸附作用、化学反应等因素，重点考虑对流、弥散作用。

为了分析运营期洞库内石油类随地下水运移对周边地下水环境造成的影响，利用经过校正检验的水流模型进行溶质运移预测。

3.3.3  弥散度的确定

由于水动力弥散尺度效应的存在，难以通过野外或室内弥散试验获得真实的弥散度。因此，本次参考苏玉娟等（2019）裂隙承压含水层弥散试验的研究成果，取纵向弥散度值为4.8×10-3 m，横向弥散度值为4.4×10-4 m。

4  预测情景确定与结果分析

4.1  建设期地下水环境影响预测与评价

1）建设期预测情景确定及赋值

根据工程内容分析，地下水封洞库区地下工程施工建设主要是对地下水水位产生影响，对地下水水质的影响较小。洞室开挖时水平水幕系统已经投入使用，地下水模型将水平水幕概化为定水头边界，其位置、厚度和范围按水幕系统实际设计概化，洞室层按顶板、底板平均标高给定，水幕系统水头值取设计水头标高。

2）建设期预测结果分析

施工期洞室涌水量逐年减小，第3年（1 095 d）涌水量为789 m3·d-1，第4年（1 460 d）为673 m3·d-1，趋于稳定。施工期洞库涌水量变化见图10。

洞室开挖4年后，洞室红线范围内潜水水位最大降深值为2.8 m，洞室红线外潜水水位降深最大值为0.1 m，最大影响半径为396 m。洞室开挖4年后洞室层地下水水位最大降深值为85 m，位于洞室正上方，最大影响半径为210 m。洞室开挖4年后地下水水位下降值见图11、图12，与洞室开挖1年后相比，洞室开挖4 年后地下水漏斗有所扩展。

4.2  运营期地下水环境影响预测与评价

1）运营期预测情景确定及赋值

在运营期，考虑地下洞室和水幕系统条件，其形状和深度等按实际设计概化，水幕设置为定水头边界，覆盖整个洞库上方范围。洞室层按运行压力给定水位标高值，水幕系统顶板水头值取设计标高值。洞室设为定浓度边界，预测石油类持续扩散对地下水水质的影响。

2）运营期预测结果分析

运营期前3年涌水量变化较大，从第4年至运营期结束涌水量较稳定，约为420 m3·d-1。运营期洞库涌水量变化见图13。

洞室运行30年后影响范围趋于稳定，达到最大范围。洞室红线范围内潜水水位最大降深值为20 m，降深值大于20 m的范围占整个洞库面积的0.1%；洞室红线外潜水水位降深最大值为5 m，最大影响半径为883 m。洞室层地下水水位最大降深值100 m，位于洞室正上方，下降后预测水位比水幕系统设计水位高3 m，最大影响半径600 m。水位影响范围见图14。

在运营期内，石油类污染范围局限于洞室周围19 m内，其影响范围很小。由于洞库为排水边界，洞内石油不会向外泄露，而且岩层渗透系数和弥散系数都很小，洞库对地下水水质影响局限在建筑界线附近。水质影响范围见图15。

5  结论

本次利用地下水数值模拟有效刻画出了水文地质模型，反映了洞库施工期和运营期地下水渗流场变化情况，提前预判了洞库涌水量和对周围地下水环境的影响，了解了洞库的水封效果，为洞库的设计和建设提供必要的技术支持。

1）在有水幕条件下：洞库上方潜水水位最大降深值为20 m，洞库四周最大降深值为5 m；洞室层地下水水位最大降深值为100 m，下降后水位比水幕系统的设计水位高3 m，能够保证洞库的水封条件，减小了原油泄漏的风险，对地下水环境影响较小。

2）洞库建设引起地下水位的下降主要影响山体中上部基岩裂隙水，可能会导致部分泉流量减少甚至干枯，但影响范围有限，对山腰以下松散岩的孔隙潜水基本不产生影响。

3）由于水幕系统补水，洞内石油不会向外泄露，而且岩层渗透系数和弥散系数都很小，洞库对地下水水质影响局限在建筑界线附近。

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收稿日期：2023-10-23；修回日期：2023-12-22

第一作者简介：李雅静（1987- ），女，硕士，工程师，主要从事水文地质与环境地质工作。E-mail：616225682@qq.com

引用格式：李雅静，郭迎涛，刘立才，张训玉，2024.某地下水封石油洞库地下水渗流场及涌水量模拟［J］.城市地质，19（1）：70-79