一套頁巖氣開發過程中地下水水質監控的智能化系統

王偉 董智鶴

摘 要：本文針對頁巖氣開發過程對地下水可能引起的水體污染和生態敏感區影響的問題，提出一種建立地下水水質實時監控平臺的辦法，及時掌握地下水質變化情況，發現和預防污染事件的發生。本文基于.NET的MVC多層架構，采用B/S模式，搭建設計了用戶可隨時隨地使用瀏覽器查看頁巖氣開發地下水水質變化的現代化系統。系統實時接入監測數據，實現地下水水質變化的預警以及污染擴散的運移模擬，可為頁巖氣開發中地下水的水質監控、污染控制和地下水水質變化對生態環境的影響提供有效有力的決策參考。

關鍵詞：頁巖氣開發;地下水;在線監測

中圖分類號：P641.7;TP274 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2020）09-0058-02

0 引言

頁巖氣開發是有效緩解能源壓力、保障能源安全，應對全球變暖和減少大氣環境污染的有效手段之一[1]。

目前，我國的頁巖氣開發普遍存在井位密集的問題，將對地下水呈區域性特征影響。不僅如此，油氣鉆完井、壓裂和地下回注等頁巖氣開發過程也有可能產生地下水和生態環境污染。因此，建設地下水水質監控平臺，對地下水及生態污染進行預警是一種有效處置地下水環境風險的方式。

水力壓裂技術在頁巖氣開發過程中廣泛應用，但該技術產生的壓裂液和返排水會對地下水水體產生一定的影響。有文獻表明[2]，水力壓力技術會在水體中產生苯、甲苯、二甲苯等致癌物，且由于開采過程中產生的廢液量大，對環境的污染不可小覷。作為頁巖氣主要產物甲烷，如果存于地下水域中，存在聚集引發爆炸的可能，因此甲烷也被視為潛在污染物[3-4]。

為實時掌握頁巖氣開發地下水水質變化，及時防控爆炸風險，該地下水監測系統在設計時需充分考慮監測間隔短、污染物種類多等特點。系統不僅需要監測水位、水溫等常規參數，還需要監測氯離子、氧化還原點位、電導率、揮發性有機氣體等頁巖氣開發過程特殊參數，系統設計復雜度較高。

1 建設目標

從地下水在線監測預報預警和污染運移擴散的實際需求出發，基于webgis技術，結合地質地層、地下水質監測數據和實驗室分析數據，并結合區域內地下水歷史水質水位、氣象降雨等數據，建立作業區域及周邊影響區域的地下水在線監測系統，精準掌握相關區域水質情況和主要污染物的變化趨勢，同時根據不同時期衛星影像和航拍影像，評估地下水水質變化對生態環境產生的影響，為頁巖氣開發過程中的環境保護提供技術支撐和輔助決策支持。

2 系統建設方案

2.1 總體架構

系統基于.net的MVC多層架構，采用B/S模式，用戶可隨時隨地使用瀏覽器訪問系統。系統為五層設計，分別為數據接入層、基礎層、服務層、應用層和展示層，系統架構如圖1所示。

（1）數據接入層：包括數據在線監測設備、數據采集設備和數據傳輸設備。數據采集設備實時采集現場監測數據，通過傳輸設備統一傳送至基礎層的數據接收服務器，并進行數據的接收、解析和入庫操作。

（2）基礎層：包括應用服務器、數據庫服務器、GIS服務器、數據接收服務器、備份服務器和存儲設備，是整個系統運行的基礎硬件支撐。

（3）服務層：為系統提供基礎的服務支撐，包括報表工具、圖表工具、接口服務、污染運移模擬模塊、定時任務、組織機構和系統配置。

（4）應用層：系統主體功能，基礎配置模塊對系統的底層基礎數據進行管理，包括監測點管理、監測因子管理、設備管理、實驗室管理、廠商管理和采樣管理;監測數據管理主要包括實時監測數據、采樣數據、鉆井數據等;監測報警管理包括水位報警管理、因子報警管理和報警規則配置;統計分析包括統計分析、報表管理和報告管理。應用層一方面為表現層提供業務層抽象，另一方面為應用層提供放置某些不適合放置于業務層或表現層的某些協調邏輯。

（5）展示層：一般也稱為UI層，基于GIS地圖直觀形象展示監測點、實時監測數據、統計信息、報警信息，同時靈活選取不同時間段、不同監測指標和不同站點，單獨或合并分析展示等值線、濃度分布等，并支持統計圖表和數據報表下載;可自定義生成事件序列圖、水化學圖、餅圖、柱圖、堆積圖和水文地質剖面圖，并可根據實際需要生成統計報表和分析報告[5]。

2.2 數據庫設計

數據庫是信息資源管理最有效的手段，數據庫設計是建立數據庫及其應用系統的核心和技術，高效的數據庫設計是一個軟件項目成功的基石[3]。它要求對于指定的應用環境，構造出較優的數據庫模式，建立起數據庫應用系統，使系統能有效地存儲數據。系統主要涉及的數據包括基礎地理信息數據、地下水監測基礎數據、地質地層數據、監測數據、統計分析數據等。

2.2.1 基礎地理信息庫

以天地圖電子地圖服務為基礎，使用地圖中包含影像和矢量數據，集成衛星遙感影像和無人機航測影像，形成生態地理信息庫，為生態環境的評估提供基礎數據。

2.2.2 基礎信息庫

基礎信息庫主要包括監測點的相關信息，用于標識監測點的位置、記錄建設時間、投用時間，以及名稱和序列號標識;監測設備相關信息，用于管理監測設備、傳輸設備;監測項目信息用于管理各個監測點的監測因子信息，包括因子名稱、簡稱、英文名稱、單位、標準限值、報警閾值;地質地層基礎信息，主要為鉆井數據管理中的地質地層提供基礎數據服務。

2.2.3 業務數據庫

主要用于管理系統的業務數據，包括實時監測值、手工監測數據、地質地層數據、鉆井數據等，同時對數據進行處理和輸出，同時包含數據處理的若干中間表，用于存儲中間過程的數據和數值，為統計數據的篩選、統計、分析、報表報告輸出提供基礎數據。

2.2.4 指標數據庫

針對不同的統計分析指標，對數據進行預處理，提高統計分析響應時間，同時設置定時任務對實時數據進行處理，及時更新到指標數據庫，保證數據的時效性和準確性。