CN108427657B - 一种地下水封油库水幕***有效性分析与调控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地下水封油库水幕***有效性分析与调控方法，通过分析不同区域水样与水幕***供水水化学特征相似性来判断水幕***有效性，并通过调节水幕供水水质对水幕***进行调控的方法。本方法在油库建设前、建设中和建成后不同位置处采集地下水水样并进行水化学特征分析，结合聚类分析和主成分分析的方法对水样的水化学特征进行分类，获得库址区水幕***供水和不同位置处的地下水之间的水力联系情况，进而能够准确判断出地下水封油库的水幕***是否能有效的运行，并依据分析结果通过调整水幕供水成分对水幕***进行调控。该发明提出了一种基于地下水化学特征的地下水封油库水幕***有效性分析与调控方法。

Description

一种地下水封油库水幕***有效性分析与调控方法

技术领域

本发明涉及一种分析与调控地下水封油库水幕***有效性的方法，具体的说是一种以地下水封油库库址区不同部位的地下水水化学特征为基础，通过分析不同部位地下水水化学特征相似性来判断水幕***供水是否能够覆盖整个库区，并根据发生的化学反应对水幕***性能进行调控的方法。本发明属于地下工程领域。

背景技术

随着经济和社会发展，石油的需求量日益增大，进行石油储备意义重大。在石油的储备各种方式中，地下水封油库具有占地小、储量大和安全性高等特点，因此得到了越来越广泛的应用。地下水封油库储油功能建立在以下3个基础条件之上：1)石油相对密度小于水；2)石油遇水不分解，不溶解；3)油库周围水压大于储压。在储油时，地下水封油库依靠水幕***防止石油泄露。因此，评价水幕***有效性对于油库的安全稳定运行具有至关重要的作用。但目前还缺少有效的技术手段。

发明内容

为解决现有技术的问题，本发明的主要目的在于构建一种具有极高应用价值的地下水封油库水幕***有效性分析与调控方法。

本方法在油库建设前、建设中和建成后不同位置处采集地下水水样并进行水化学特征分析，结合聚类分析和主成分分析的方法对水样的水化学特征进行分类，获得库址区水幕***供水和不同位置处的地下水之间的水力联系情况，进而能够准确判断出地下水封油库的水幕***是否能有效的运行，并依据分析结果通过调整水幕供水成分对水幕***进行调控。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

一种地下水封油库水幕***有效性分析方法，具体包括以下步骤：

(1)样品采集：根据确定好的取样时间和取样点分别采集岩石试样和地下水水样，能够反映油库库址区地质特征。

(2)样品检测：对采集的岩石试样进行XRD(X射线衍射)分析，以获得库址区岩石的矿物组成，根据岩石的矿物组成成分和区域水文地质条件判断可能发生的水化学反应，来选取相适应的水样检测指标。

(3)数据分析：采用聚类分析和主成分分析两种数理统计方法相结合，将相关性很高的水样检测指标转换为彼此相互独立或不相关的新变量，得到水样主成分，绘出各地下水样主成分的散点图，并获得主要影响因素，分别是岩石的溶解和地下水的渗流。对主成分散点图上的取样点进行分组，将主成分散点图上位置较近的点归为一组。

(4)水幕有效性讨论：分析水幕供水水化学特征，通过分析与水幕供水水化学特征相似的取样点分布情况判断水幕***有效性。

根据上文技术方案，优选的情况下，所述岩石试样采集在油库建设前，所述水样采集应分别在油库建设前、建设中和投入运行后进行，能够反映全过程地下水化学变化特征。

根据上文技术方案，优选的情况下，所述取样时间应避免在暴雨期和干旱期等气候异常时段取样。所述水样采集过程应在1～3天内完成，以避免失去时效性从而对分析结果产生不利的影响。

根据上文技术方案，优选的情况下，所述取样点为水文地质单元、不良断层体、工程建设影响区、油气污染区这些关键区域，使得所取得试样具有代表性。

根据上文技术方案，更为优选的情况下，对油气污染区包括通风竖井、污水口这些关键区域应加密采集点的布置，重点评估油库建设对环境产生的影响。

所述水文地质单元即含水层、相对隔水层、补给区和***区而组成的一个地下水流***，所述不良断层体即岩层或岩体顺破裂面发生明显位移的部位，所述工程建设影响区即结构施工可能影响到周边地质条件的区域，所述油气污染区即储油过程中因油气泄露可能对周边环境产生污染的区域。

所述水化学反应类型主要包括岩石的溶解反应，氧化还原反应，水解反应。硅酸盐矿物包括长石、辉石、角闪石、云母、橄榄石主要发生水解反应。含低价铁的硅酸盐及其他矿物都可以被氧化破坏变成高价铁。岩石的溶解一直发生，其中方解石和白云石易发生溶解反应。

所述水样检测指标为：K⁺、Cl^-、Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、HCO₃ ^-、Al³⁺、SO₄ ^2-、CO₃ ^2-、NO₃ ^-、矿化度、全硬度和pH值等指标。其中岩石的溶解反应主要应检测K⁺、Cl^-、Na⁺、SO₄ ^2-、CO₃ ^2-，水解反应应主要检测Ca²⁺、Mg²⁺、K⁺、Na⁺、Al³⁺和pH值等指标。矿化度、NO₃ ^-、全硬度对检测水质污染程度有较大作用。

根据上文技术方案，优选的情况下，所述将相关性很高的水样检测指标转换为彼此相互独立或不相关的新变量，即设水样样本数为n，选取的水样检测指标数为p，则由水样的原始数据可得矩阵X＝(x_ij)_n×p，其中x_ij表示第i个取样点的第j项指标数据，指标数据进行标准化，得到标准化矩阵，根据标准化数据矩阵建立协方差矩阵R，R_ij(i，j＝1，2，…，p)为原始变量X_i与X_j的相关系数，其计算公式为：

其中

表示第i个取样点不同指标的平均值，

表示j指标的平均值，x_kj表示第k个取样点j指标的值，根据协方差矩阵R求出特征值、主成分贡献率和累计方差贡献率，确定主成分个数。

根据上文技术方案，更为优选的情况下，解特征方程|λE-R|＝0，其中E表示单位矩阵，求出特征值λi(i＝1，2，…，p)，将其按大小顺序排列，即λ1≥λ2≥…≥λi≥0，主成分Zi的贡献率

其中λ_j表示指标的特征值，得累计贡献率为

选取累计贡献率大的作为主成分，累计贡献率达78％-95％的特征值λ1，λ2，…，λm所对应的1，2，…，m(m≤p)，其中整数m即为主成分的个数。

根据上文技术方案，优选的情况下，若归为一组内取样点的水样和水幕供水水化学成分相似，说明水幕***与该部位存在水力联系，水幕***的水封效果良好，水幕***能有效运行；反之则说明水幕***有待改善。

若库址区取样点的地下水水样可和水幕供水水样水化学特征相似，说明水幕供水可充分渗入取样点处，该处在水幕孔的供水范围内，这种情况下即可说明水幕***的水封效果良好，能够有效的防止石油泄露，这种情况下即可说明水幕***的水封效果良好。

本发明还提供一种地下水封油库水幕***有效性调控方法，基于上述水幕***的有效性分析结果，根据判断的主要水化学反应类型，通过改变水幕***供水的化学成分调节水岩反应过程，对水幕***进行调控。

本发明的有益效果是：

本发明以地下水封油库库址区地下水的水化学特征相似性为判断依据，在不同建设时期采取能代表地质条件的岩样水样，并根据岩体矿物组成和水文地质条件选择合适的水化学数据指标；利用另种数理统计方法相结合的方法对取样点进行分组，获得与水幕***供水水化学特征相似取样点分布范围，从而判断水幕***有效性；结合库址区主要水岩反应类型，通过调节水幕***供水水质进行水幕***有效性调控。该方法能够全面、准确的判断出地下水封油库水幕***是否能有效的运行，并可依据分析结果对水幕***有效性进行调控。

1、建立了一种基于地下水化学原理的地下水封油库水幕***有效性分析方法；

2、本发明可根据得到的油库库址区地下水样水化学特征，判断可能发生的水化学反应类型，通过调节水幕供水成分对水幕***进行调控。

相较于之前的判断方法，本发明可以有效的避免各种干扰因素，得到的结论也更为可靠，对判断复合条件下地下工程安全性有着重大意义。同时，本发明应用范围广泛，除了地下水封油库之外，对于核废料储置、二氧化碳地下封存、垃圾地下填埋、天然气储存等地下工程也适用。

附图说明

图1为地下水封油库地下工程结构图；

图2为地下水封油库库址区地下水取样点位置分布情况；

图3为监测时间段内地下水中主要阳离子浓度变化情况；

图4为监测时间段内地下水中阴离子浓度的变化情况；

图5为监测时间段内Cl^-的浓度变化情况；

图6为监测时间段内NO₃ ^-的浓度变化情况；

图7为监测时间段内pH值变化情况；

图8为2015年7月所取水样的Piper图；

图9为2016年1月所取水样的Piper图；

图10为2016年7月所取水样的Piper图；

图11为***聚类分析的树状图；

图12为主成分分析的碎石图；

图13为2016年7月在不同取样点所取地下水样的主成分得分散点图，主成分1(PCA1)表示岩石溶解，主成分2(PCA2)表示渗流。

具体实施方式

下述非限定性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。

实施例

1工程背景

1.1工程概况

以我国首个大型地下水封油库工程为背景，储库洞室区呈北偏西5°方向展布，东西宽约600m，南北长约838m，设计库容300×104m³，设计使用年限为50a。该地下水封油库工程主要包括地下工程和地上辅助设施两部分，其中，地下工程主要由主洞室、施工巷道和水幕巷道组成，其工程结构图如图1所示。9个主洞室按南北偏西平行设置，每3个主洞室之间通过4条支洞相连组成1个罐体，共分为3个洞罐组。洞室设计底板面标高为-50m，长度为500～600m不等，两个洞室之间的设计距离为30m。洞室壁与相邻施工巷道壁之间的设计距离为25m。该工程于2010年11月份开工，2014年4月竣工，并于2015年6月投入运行。

1.2气象、地貌概况

该库址区所处地区的气候类型为华北温暖带季风型大陆气候，空气湿润，气候温和，年平均气温是12.2℃。多年平均降水量介于711.2～798.6mm，6～9月份降水量占全年的70～76％，多集中于几次暴雨。年均陆地蒸发量为1410mm，月平均最高值出现在5月，为175mm。

该库址区属低山丘陵地貌，洞库山体近东西走向，山脊标高280～350m，山脊北侧为陡崖，南侧为陡坡，地形坡度一般为35～55°，山脊南北两侧发育近南北向及北东向冲沟。洞库主***于山体南侧，地面平均标高约220m，最高处标高为350.9m，最低处标高为97.5m，相对高差253.4m。

1.3地质条件

库址所在区域显示造山带主要发育韧性剪切带及脆性断裂构造，褶皱构造不甚发育。根据地质时代、成因岩性及工程性质的不同，库址区内的地层岩性可分为4大类：第四系残坡积、洪积层，早白垩世二长花岗岩，晚元古界花岗片麻岩，早白垩世中煌斑岩脉、闪长岩脉。其中，主要地层为晚元古界花岗片麻岩，占洞库岩体80％以上，呈浅肉红色～浅青灰色，主要矿物为：石英、钾长石、钠长石、钙长石、角闪石、黑云母等，细粒花岗片麻结构，块状构造，岩体较破碎～较完整，属坚硬岩。

为了查明库址区的水文地质条件，对库址区及周围共约50km²区域进行了水文地质调查，调查结果显示，库址区含水介质为晚元古界花岗片麻岩，主要的地下水存在类型为基岩裂隙水和松散岩类孔隙水，其中岩裂隙水又可分为浅层的网状裂隙水和深层的脉状裂隙水。库址区为低山丘陵区，地下水以大气降水为主要补给来源。由于花岗岩裂隙发育，地形较陡，地面坡度大，使大气降水多以地表径流形式***，渗入量很小，补给较贫乏，据该地下水封洞库工程水资源论证报告，该地区1980～2000年期间平均降水入渗补给量为53.8mm，该区多年年平均降水量736.2mm，该区的降水入渗系数仅为0.073。

根据设计阶段对该地下水封油库的岩土工程勘测调查，洞库建成前库址区地下水的水化学类型均为SO₄+HCO₃–Ca+Na型水，且地下水无色、无味、透明、矿化度低，水质很好，可作生活用水和施工及运行期间用水。

2研究方法

2.1水样采集与检测

为研究该地下水封油库库址区地下水水化学特征及演化规律，分别于2015年7月、2016年1月、2016年7月至该油库库址区采集地下水样，共采集水样37份。采集水样时严格按照《DD2008-01》和《GB12999-91》中的相关规定执行，取样点的位置分布情况如图2所示，分别包括工程建设影响区包括取永久水位监测孔5个(OF1～OF5)；水文地质单元选取临时钻孔ZK009；不良断层体取选取临时钻孔ZK013；油气污染区包括通风竖井3个(VT1～VT3)、污水口3个(SF3、SF6、SF7)和水幕供水，在这些取样点所取的水样能反应出油库运行过程中库址区地下水的水质变化情况。水样采集完毕后，及时将水样送至山东省地质环境监测总站进行检测。检测指标为地下水中常见离子的浓度，包括K⁺、Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、Al³⁺、Cl^-、SO₄ ^2-、HCO₃ ^-、CO₃ ^2-、NO₃ ^-等，这些离子在地下水中含量多且分布广，基本可以决定地下水的化学类型和特征。其中，阳离子(K⁺、Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺)的浓度均用火焰院子吸收分光光度计来检测，NO₃ ^-浓度用紫外分光光度计来检测，HCO₃ ^-、CO₃ ^2-浓度均采用HCl滴定法来检测。此外检测指标还包括矿化度、全硬度和pH值等，它们是地下水化学成分中体现水质的重要指标，对地下水的化学性质有着重要的影响。

2.2岩石矿物成分分析

为研究库址区岩石的矿物组成，在地下水封油库的取样点取回岩芯试样，然后在所取的不同岩芯试样上各切一薄片，共取岩石薄片5块，所取岩石薄片的矿物成分能代表库址区的岩石矿物组成。随后将干燥处理完后的岩石薄片进行XRD实验，以获得岩石矿物组成。

2.3数理统计

为判定该地下水封油库的水幕***的水封效果和库址区取样点之间的水力联系情况，利用SPSS软件对2016年7月所取的水样进行聚类分析和主成分分析，公式如上所述。聚类分析的基本思想是依据事物的数值特性来观测各样品之间的亲疏关系，而样品之间的亲疏关系则由样本之间的距离来衡量，距离近则表示样本之间的差异程度小，故进行聚类分析时把距离近的样品归为一类。此次分析的样本数据不多，故采用***聚类分析。而主成分分析的基本思想是用较少变量去解释原来资料中的大部分变量，将数据中相关性很高的原始变量转换为彼此相互独立或不相关的新变量，这些彼此独立或不相关的新变量就是主成分。在将相关性高的原始变量转换成不相关的新变量时，变量的总方差保持不变，且转换得到的第一变量具有最大的方差，称为第一主成分；第二变量的方差次大，并且和第一变量不相关，称为第二主成分；依次类推，1个变量就有1个主成分。

3水化学特征分析

3.1地下水水化学特征

不同监测时间段所取水样的水质检测结果如表1所示，由表1可知，地下水中的主要离子包括Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、Al³⁺、Cl^-、SO₄ ^2-和HCO₃ ^-，在阳离子中，Na⁺、Ca²⁺含量较多，其中Na⁺是最主要的阳离子；在阴离子中，Cl^-和HCO₃ ^-含量较多，其中HCO₃ ^-是最主要的阴离子。油库在运行过程中，地下水的水化学特征会发生一定程度上的改变，根据表1所述结果分别绘制出监测时间段内地下水中主要阴阳离子浓度的变化情况如图3和图4所示，由图可知，在监测时间段内，地下水中的K⁺、Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、HCO₃ ^-离子浓度总体呈上升趋势，SO₄ ^2-离子浓度总体呈下降趋势。

表1检测时间段内所取水样的水质检测结果

如图5所示，油库在运行期间地下水中Cl^-的浓度均未超过100mg/L(2016年1月的水幕供水除外)，根据《岩土工程勘察规范》GB50021-2001中水对钢筋混凝土中钢筋腐蚀性评价指标，属于弱腐蚀，因此地下水对洞库支护采用的锚杆、钢拱肋、钢筋网等无明显腐蚀作用。

油库在运行期间地下水中NO₃ ^-的浓度如图6所示。由图6可知，在监测时间段内NO₃ ^-离子浓度总体呈先增后降的趋势，即2016年1月所取水样的NO₃ ^-离子浓度较高，在其他监测时间段较低。由于库址区的水文地质情况受人类影响很小，且大气降水是该地区地下水的主要来源，故该地区地下水中的NO₃ ^-离子浓度主要与降水有关。该地区每年的6月～9月是丰水期，降水量足，雨水渗入地下会导致NO₃ ^-离子浓度降低。此外，每年的冬季是该地区的枯水期，2015年下半年该地区降水量不足，故NO₃ ^-离子浓度处于较高水平。根据《生活饮用水卫生标准GB5749-2006》，饮用水中的NO₃ ^-离子浓度需低于10mg/L。故2015年7月在OF2、SF6中取的水样的NO₃ ^-离子浓度超过标准；2016年1月水幕供水和OF2、VT1～3中取的水样的NO₃ ^-离子浓度超过标准。

在该地下水封油库投产后的运行初期，库址区地下水的矿化度不高，矿化度的大小主要集中在200mg/L～400mg/L之间，在油库的运行过程中，地下水的矿化度主要呈上升趋势，但均未超过1000mg/L，仍属于淡水。同时库址区的地下水多呈弱碱性，如图7所示，监测时间段内所取水样的pH值多数介于7～8.5之间，随着油库的运行，地下水中的pH值总体呈下降趋势。此外2016年1月VT3、ZK009和2016年7月VT1中取得水样的pH值不符合标准。

3.2地下水化学类型演化特征

为了直观的表达出库址区地下水的水化学特征及主要离子的相对含量，利用AquaChem分别绘制出不同的时间里该水封石油洞库库址区地下水的Piper三线图。2015年7月所取的地下水样的Piper图如图8所示，在2015年7月所取的9份水样中，地下水中的阳离子主要以Na⁺、Ca²⁺为主，地下水中的阴离子则主要以HCO₃ ^-为主，主要的地下水水化学类型为HCO₃–Ca+Na型水。2016年1月所取的地下水样的Piper图如图9所示，此时地下水中的阳离子主要以Na⁺、Ca²⁺为主，阴离子则主要以HCO₃ ^-和Cl^-为主。地下水中K⁺、Na⁺的相对丰度较2015年7月有所提高，说明库址区地下水***中发生的溶滤作用会使得K⁺、Na⁺的浓度升高。这阶段主要的地下水水化学类型为HCO₃–Ca+Na型水和SO₄+Cl–Na型水。

2016年7月所取的地下水样的Piper图如图10所示，地下水中的阳离子以Na⁺、Ca²⁺为主，阴离子则以HCO₃ ^-和Cl^-为主。在2016年1月到2016年7月间，地下水中的SO₄ ^2-的相对丰度有所下降，说明库址区地下水***中发生的溶滤作用会消耗掉SO₄ ^2-，此外地下水中的蒸发浓缩作用则会导致Cl^-的相对丰度升高。这阶段主要的地下水化学类型为HCO₃–Ca型水和SO₄+Cl–Na型水。

综合各阶段地下水水质检测结果以及所取水样的Piper图，可知，在该地下水封油库运行初期，地下水的水化学类型以HCO₃–Na+Ca型水和SO₄+Cl–Na型水为主，其中最主要的是HCO₃–Na+Ca型水。地下水化学成分的形成作用主要以溶滤作用和蒸发浓缩作用为主，其中，溶滤作用会导致K⁺、Na⁺、Ca²⁺和HCO₃ ^-的相对丰度均有所提高，SO₄ ^2-的相对丰度则呈下降趋势；蒸发浓缩作用则会导致Cl-的相对丰度升高。

3.3水-岩相互作用特征

对取得的岩石试样薄片进行XRD实验，根据XRD实验结果计算出各各岩石试样薄片的化学元素组成如表2所示。由表2可知，库址区岩石中Si、O、Al、K、Na和C等原子的数量百分比均比较大，符合典型花岗岩的特征，结合设计阶段对该地下水封油库的岩土工程勘测调查，可知该地区的岩石矿物主要是钾长石、钠长石和钙长石，当岩石矿物中的钾长石和钠长石和钙长石与地下水接触时会发生部分溶解，其反应方程式如下：

2KAlSi₃O₈+2H₂CO₃+9H₂O→Al₂Si₂O₅(OH)₄+2K⁺+2HCO₃ ^-+4H₂SiO₄ ^2- (钾长石)

2NaAlSi₃O₈+2H₂CO₃+9H₂O→Al₂Si₂O₅(OH)₄+2Na⁺+2HCO₃ ^-+4H₂SiO₄ ^2- (钠长石)

2Ca_0.5AlSi₃O₈+2H₂CO₃+9H₂O→Al₂Si₂O₅(OH)₄+Ca⁺+2HCO₃ ^-+4H₂SiO₄ ^2- (钙长石)

由以上反应方程式可知，地下水在溶解周围岩石中的钾长石、钠长石和钙长石时，会生成K⁺、Na⁺、Ca²⁺、HCO₃ ^-使得这些离子浓度升高，并且会使得地下水中的pH值降低，同时会伴随着高岭石的生成。此外，当地下水中的Ca²⁺浓度比较高时，部分Ca²⁺会和SO₄ ^2-反应生成微溶于水的CaSO₄，从而使得地下水中的SO₄ ^2-浓度呈下降趋势，其反应方程式如下：Ca⁺+SO₄ ^2-→CaSO₄↓

表2各岩石试样薄片的化学元素组成

4水幕***有效性分析

地下水封油库能否正常运行与它的水幕***的水封效果存在直接联系。当水幕***能有效运行时，水幕巷道里面的水能充分渗入到地下，由于水的密度比石油密度大，且石油不溶于水，故当水幕***能有效运行时，库址区地下水形成的水幕能防止石油泄漏，保证油库的正常运行。为判断出水幕***是否能有效运行，本发明利用统计学的方法，根据地下水水质检测结果，进行统计分析，以此来判定水幕***的有效性。为判定该地下水封油库水幕***的实时水封效果，取2016年7月所取水样数据进行聚类分析和主成分分析。

4.1聚类分析

对2016年7月所取水样的水质检测结果进行***聚类分析，得到***聚类分析的树状图如图11所示。根据***聚类所得的树状图，可以把2016年7月所取的地下水分为5组，分组结果如表3所示。其中，水幕供水、OF1、OF2、OF3、OF4、OF5、ZK013为一组，SF3、SF6、SF7为一组，VT1单独一组，VT2、VT3为一组，ZK009单独一组。同一组内的地下水水样水化学成分类似，因此可以判断取样点之间存在水力联系。

表3***聚类分析分组结果

4.2主成分分析

对2016年7月所取水样的水质检测结果进行主成分分析，得到碎石图如图12所示。根据成分图和旋转成分矩阵可知经主成分分析后有2个主成分因子，它们累计的方差贡献率达到了79.4％，能代表出原始变量的绝大部分信息。成分得分系数矩阵如表4所示。

表4主成分分析的成分得分系数矩阵

根据主成分分析的结果，可以得出各水样的因子得分，然后各水样的因子得分乘以对应主成分的特征值的平方根即是该水样的主成分得分。根据计算结果绘出各地下水样主成分得分的散点图如图13所示。在地下水样主成分得分的散点图中，如果表述水样的点的位置距离较近，则说明它们之间的水化学性质接近，即水样之间存在水力联系。故由图13可知，我们可以把2016年7月所取的地下水分为4组。其中，水幕供水口、OF1、OF2、OF3、OF4、OF5、ZK013内取得水样为一组，SF3、SF6、SF7内取得水样为一组，VT1、VT2、VT3内取得水样为一组，ZK009内取得水样单独一组。同一组内的地下水的水化学特征具有较高的相似性，即存在水力联系。

4.3水幕有效性讨论

综合聚类分析和主成分分析的结果，将水幕供水、OF1、OF2、OF3、OF4、OF5、ZK013内的地下水归纳为一组，SF3、SF6、SF7内取的水样归纳为一组，VT1、VT2、VT3内取的地下水归纳为一组，ZK009处取得的地下水单独为一组，分组结果如表5所示。

根据表5所示分组结果，可知分布在该地下水封油库四周的永久水位监测孔OF1～OF5和临时钻孔ZK013孔中的地下水均与水幕供水的水化学特征相似，即它们彼此间存在水力联系。这说明水幕***中的水分能充分渗入到地下形成水幕，可有效防止石油的泄漏，水封效果良好，水幕***能有效运行。此外，第2组均为竖井内水样，彼此间水化学成分类似；第3组为污水水样，由于三个洞罐储存油品性质一致，因此三个水样水化学成分类似；第4组为库址远场地下水水样，不受洞库运营影响。

表5各取样点的地下水的统计分析分类结果与取样点的类型

综上所述，以国内首个大型地下水封油库为背景，根据确定好的取样时间和取样点分别采集岩石试样和地下水水样，对采集的岩石试样进行XRD分析，得到库址区岩石的矿物组成为石英(9.5％)，钠长石(18.1％)，钙长石(59.3％)，钾长石(8.1％)，黑云母(5％)。根据岩石的矿物组成，结合设计阶段对该地下水封油库的岩土工程勘测调查，判断出库址区地下水***中发生的主要的水化学反应为长石(钾长石、钠长石和钙长石)的水解反应，，进而判断出进行统计分析时采用的水化学数据指标，包括K⁺、Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、Al³⁺、Cl^-、SO₄ ^2-、HCO₃ ^-、CO₃ ^2-、NO₃ ^-等)浓度、矿化度、全硬度和pH值等。检测水样，得到所取水样的水质检测分析结果如表1所示；对相关水化学指标选取主成分，主成分1表示岩石的溶解，主成分2表示地下水的渗流。结合聚类分析将水化学成分相似归为一组如图12所示。根据聚类分析结果，将水样分布情况进行列举如表5所示，由表5可知，分布在该地下水封油库四周的永久水位监测孔OF1～OF5和临时钻孔ZK013孔中的地下水均与水幕供水的水化学特征相似，即它们彼此间存在水力联系。这说明水幕***中的水分能充分渗入到地下形成水幕，可有效防止石油的泄漏，水封效果良好，水幕***能有效运行。

Claims (9)

1.一种地下水封油库水幕***有效性分析方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

(1)样品采集：根据确定好的取样时间和取样点分别采集岩石试样和地下水水样；

(2)样品检测：对采集的岩石试样进行XRD分析，以获得库址区岩石的矿物组成，根据岩石的矿物组成成分和区域水文地质条件判断发生的水化学反应，来选取相适应的水样检测指标；

(3)数据分析：采用聚类分析和主成分分析两种数理统计方法相结合，将水样检测指标转换为彼此相互独立或不相关的新变量，得到水样主成分，绘出各地下水样主成分的散点图，并获得影响因素，分别是岩石的溶解和地下水的渗流，对主成分散点图上的取样点进行分组，将主成分散点图上位置较近的点归为一组；

(4)水幕有效性讨论：分析水幕供水水化学特征，通过分析与水幕供水水化学特征相似的取样点分布情况判断水幕***有效性。

2.根据权利要求1所述的地下水封油库水幕***有效性分析方法，其特征在于，所述岩石试样采集在油库建设前，所述水样采集应分别在油库建设前、建设中和投入运行后进行，能够反映全过程地下水化学变化特征。

3.根据权利要求1所述的地下水封油库水幕***有效性分析方法，其特征在于，所述取样时间应避免在暴雨期和干旱期气候异常时段取样，所述水样采集过程应在1～3天内完成。

4.根据权利要求1所述的地下水封油库水幕***有效性分析方法，其特征在于，所述取样点为水文地质单元、不良断层体、工程建设影响区、油气污染区这些关键区域。

5.根据权利要求4所述的地下水封油库水幕***有效性分析方法，其特征在于，对油气污染区的通风竖井、污水口这些关键区域应加密采集点的布置。

6.根据权利要求1所述的地下水封油库水幕***有效性分析方法，其特征在于，所述将水样检测指标转换为彼此相互独立或不相关的新变量，即设水样样本数为n，选取的水样检测指标数为p，则由水样的原始数据可得矩阵X＝(x_ij)_n.p，其中x_ij表示第i个取样点的第j项指标数据，i，j＝1，2，…，p，建立协方差矩阵R，R_ij为原始变量X_i与X_j的相关系数，其计算公式为：

其中

表示第i个取样点不同指标的平均值，

表示j指标的平均值，x_kj表示第k个取样点j指标的值，根据协方差矩阵R求出特征值、主成分贡献率和累计方差贡献率，确定主成分个数。

7.根据权利要求6所述的地下水封油库水幕***有效性分析方法，其特征在于，解特征方程|λE-R|＝0，其中E表示单位矩阵，求出特征值λi，其中i＝1，2，…，p，将其按大小顺序排列，即λ1≥λ2≥…≥λi≥0，主成分Zi的贡献率

其中λ_j表示指标的特征值，得累计贡献率为

选取累计贡献率大的作为主成分，累计贡献率达78％-95％的特征值λ1，λ2，…，λm所对应的1，2，…，m，其中m≤p，整数m即为主成分的个数。

8.根据权利要求1所述的地下水封油库水幕***有效性分析方法，其特征在于，若归为一组内取样点的水样和水幕供水水化学成分相似，说明水幕***与该部位存在水力联系，水幕***的水封效果良好，水幕***能有效运行；反之则说明水幕***有待改善。

9.一种地下水封油库水幕***有效调控方法，其特征在于，基于上述权利要求1-8所述的方法进行水幕***的有效性分析结果，根据判断的水化学反应类型，通过改变水幕***供水的化学成分调节水岩反应过程，进而对水幕***进行调控。

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