煉化企業地下水污染管控技術及工程示范*

孫愛麗 蘇俊濤 王利剛（中國昆侖工程有限公司吉林分公司）

煉化企業在生產運行過程中，易發生“跑、冒、滴、漏”以及突發環境事件，不可避免對周邊土壤和地下水造成一定量的環境污染。油田鉆井過程中如發生井漏事故也勢必會對承壓地下水層造成影響[1]。

由于地下水石油類污染的普遍性，因此被列為地下水污染修復中應優先控制污染物。地下水污染具有隱蔽性、滯后性，污染源和污染途徑難以查明。地下水一旦發生大面積污染事故，產生的環境負面影響較難估量，對其的修復和治理則需耗費巨大的人力物力。因此，煉化企業面臨地下水污染的環保壓力巨大[2]。針對地下水污染高風險煉化企業，構建地下水污染智能管控體系，實現地下水污染事故的早發現、應急處理措施的早啟動，延長事故應急響應時間的功能尤為重要。地下水污染智能管控體系的建立既是對國家相關環保政策的積極響應，又可切實避免嚴重地下水污染事故的發生，是企業自身利益的保護措施之一。

1 國內外研究現狀

針對地下水監測，發達國家重視地下水污染監測技術主要體現在對地下水監測井的研究上[3]。發達國家將地理信息系統（GIS）引入石油類污染場地的管理過程中[4]。我國部分地下水監測網的構建也引入GIS平臺的支撐，但是智能化和自動化程度更高、更可靠的地下水污染管控技術在國內仍處于早期發展摸索階段。

國內某1 000×104t/a煉油與80×104t/a乙烯煉化一體化企業為保護地下水環境，在廠區建設了159口地下水監測井及應急抽水井等設施，采用在線監測與人工監測相結合的方式。當監測數據發生報警時，需操作人員到現場對具體情況進行核實，并決定是否進行人工取樣分析，再根據水質分析結果確定是否開展應急抽水和污染源排查工作，并啟動突發環境事件應急預案。該防控體系智能化程度不高，響應時間較長。

綜上，關于煉化企業地下水污染的管控技術，很少有將地下水污染在線監測與地下水污染應急控制進行智能化、自動化的組合設計，大部分研究仍然停留在理論分析層面，目前尚未見到相關實際工程應用于煉化企業。

2 地下水污染管控原理

地下水污染管控系統是一套功能完備的地下水污染智能預警及應急控制系統。該系統將地下水動力學原理、水質智能在線監測及數值模型以及自動控制與過程控制原理、組態軟件原理及電子計算機技術進行高度集成，形成一整套功能完善的可實現地下水污染智能預警及應急控制功能的體系。

2.1 地下水水力截獲原理

水力截獲技術是國際上最早發展起來的防止地下水污染擴散的控制技術。通過布置疏干水井或地下水節流渠等構筑物或利用抽注水量以改變地下水流場，有效截獲地下水中污染物，防止污染范圍的進一步擴大和水質的進一步惡化[5]。

地下水水力截獲原理是通過對含水層進行抽或注水，局部改變地下水水場，控制局部地段地下水遷移方向，采用抽出技術控制污染物運移并收集去除地下水中污染物。水力截獲的本質是將疏干井形成的降落漏斗相疊加，使水力截獲帶地下水勢能保持最低，保證兩側的地下水進入水力截獲帶被排出，從而實現污染物不向未污染區擴散的目的[6]。通過抽水井形式對附近區域地下水位降深后，改變地下水流場特性實現對污染物的截獲和控制。地下水抽水井形成降落漏斗原理剖面及三維模型見圖1；水力截獲后地下水等水位線效果見圖2，由圖2可看出，在水力截獲帶形成一個橢圓形的降落漏斗，來自污染源的地下水，基本上都流入漏斗內的抽水井，從試運行來看水力截獲帶是有效的[7]。

圖1 地下水抽水井形成降落漏斗原理剖面及三維模型Fig.1 Principle profile and three-dimensional model of groundwater pumping well forming landing funnel

圖2 水力截獲后地下水等水位線效果Fig.2 Effect of groundwater isopiestic line after hydraulic interception

2.2 地下水在線監測原理

在線監測技術已廣泛應用于各行各業，華北油田2019年首次在油田注水系統實施了腐蝕率在線監測[8]。地下水在線監測系統監測水質指標的選擇除表征地下水常規水質特性的五參數（pH、DO、電導率、濁度、溫度）及地下水水位外，最重要的監測指標為根據企業特點確定的優先控制污染物種類。石油類作為煉化企業優先控制污染物之一，其在線監測較多采用紫外熒光法進行測定，該測定方法綜合了紫外法和熒光法，具有測量精度高、靈敏度高、干擾少等優點。該監測系統監測原理是利用光在清水和含油水時光的透射、折射情況不同，通過光電轉換元件將光信號轉換成電信號，一方面可以測得實時水中油含量，另一方面將測得的結果與基準進行比較。監測結果通過信息傳輸系統上傳至上位機系統進行數據處理。其他優先控制污染物可根據選擇具體種類選擇監測方法。

地下水在線監測根據監測儀表位置不同分為固定監測站和原位監測站。原位監測站是每1口監測井設立獨立的監測設備，監測數據通過信息傳輸系統將數據以有線傳輸方式或以無線數據發送單元以GPRS模式上傳至上位機系統。固定站是建設一套監測設備，多口監測水井通過取樣水泵、管線傳輸的方式將監測水樣送入固定站監測設備中進行監測。固定站地下水在線監測工藝流程見圖3。

圖3 固定站地下水在線監測工藝流程Fig.3 On-line monitoring process flow of fixed station groundwater

關于地下水監測井的研究，近年來，美國、加拿大等一些發達國家開發了如從式監測井、巢式監測井、連續多通道監測井、Waterloo監測井、WestbayMP監測井等[9]，使得地下水監測的精度大大提高。

2.3 工業組態軟件工作原理

組態軟件是指同時可以進行數據采集與過程控制的某些專用軟件，通過設置多個軟件模塊，以實現和完成控制系統的各項不同功能，同時可為工業控制過程中提供良好的人機界面及相對簡潔的使用方法，以比較靈活的組態方式，而非編程方式來進行數據采集和過程控制。組態軟件可支持不同硬件廠家的計算機和I/O設備，提供軟、硬件幾乎全部的常用接口，并可以與相應的網絡系統或工控機結合，將控制效果上傳至網絡或相應的計算機。總體上，組態軟件具有實時多任務、接口開放、使用靈活、功能多樣、運行可靠等特點。隨著計算機網絡的飛速發展，組態軟件將進一步提高數據連接速度，同時增強控制精度和穩定性。在未來的軟件設計中，組態軟件將趨向網絡化發展，如組態軟件將具有支持Internet遠程訪問功能[10]。

2.4 地下水污染預警系統及應急控制系統功能實現

針對某一企業，首先通過建立并研究企業所在地塊的水文地質概念模型獲得地下水等水位線圖，掌握企業地塊地下水流向、流速的空間分布。根據地下水流場特性，于地下水由企業內部流出企業外部的廠界處設立一級在線監測井。根據地下水流場情況，在監測井所處地下水流場的上游位置處設置二級在線監測井和地下水應急抽水井。根據企業特征污染物種類，確定地下水在線監測因子然后建設在線監測設備；設置監測取樣設備、應急抽水設備、鋪設管線；編制組態軟件建立在線監測分析及聯動控制等系統平臺。

通過在線監測系統實現對廠界處地下水水質情況實時監測，監測數據發送至系統平臺實現對監測數據的處理。根據水質標準及特征污染物隨地下水流場的衰減特性設計一級預警值、二級預警值及應急控制聯動啟動值。當實時監測值達到預警值時，系統平臺現場發出警報或通過無線網絡向決策者發出預警。當監測值達到應急控制聯動啟動值時自動啟動應急抽水井中的抽水設備，實現地下水的應急抽水工作，通過形成地下水流場局部降落漏斗，改變地下水流場方向，實現污染地下水流出廠界外的控制。

整個管控系統基于組態軟件及自動控制原理實現其地下水智能在線監測、數據分析、預警、應急防控功能。

3 示范工程

我國東部沿海地區某煉化公司地下水污染防控示范工程，是我國首個針對煉化企業完成的地下水污染管控示范工程。

3.1 工程簡介

示范工程建設在該煉化企業主廠區西南角廠界附近。該地下水污染防控示范工程防控面積約1.8×104m2。由地下水污染物在線監測預警系統與應急防控制系統相互耦合而成。主要工程包括監測井、應急抽水井及抽水設備、取樣及監測設備、原位監測站房、在線監測站房以及管線等組成。

在線監測系統監測指標包括總石油烴（TPH）、CODMn、pH、濁度、溫度、電導率、DO、監測井液位。其中，TPH為主要控制參數、CODMn為輔助控制參數、其他參數均為輔助分析參數。在線監測井根據項目所在地塊地下水等水位線圖確定地下水流向后，依廠界線沿線設立。

根據示范工程具體位置情況，設立7口廠界監測井，7口應急抽水防控井，1口上游監測對照井。示范工程平面布置見圖4：1Y、2G～7G為廠界監測井、8GF、9F、10GF～14GF為應急抽水井、21Y為對照監測井。

圖4 示范工程平面布置Fig.4 Layout of demonstration project

系統工作流程如下：正常工況下，系統按照固定站設定取樣時間2 h，按照設定順序依次啟動固定站監測井內監測水泵，水泵將井內地下水水樣通過管道輸送至固定站在線分析儀表對設定監測指標進行測定。測定數據實時上傳組態系統，組態系統分析判斷數據是否達到預警值或防控值。當監測數據達到預警值時，系統發出一級、二級預警報告。當監測數據達到防控啟動值時，系統自動啟動應急抽水井內抽水泵。抽水泵將防控區地下水抽至依托污水處理廠內進行處理或依托事故水池內進行暫存。因此，防控區地下水水位下降，“降落漏斗”形成后可確保污染物不再流出場外。

3.2 地下水污染水力截獲功能實現

本場地周邊有農田等敏感目標，重點防控場地中的污染物經地下水遷移至農田（水作）造成的風險。場地西北側農田、東南側農田以《農田灌溉水質標準》（GB 5084—2005）中的水作水質標準值為防控目標限值，西南側地表河流以《地表水環境質量標準》（GB 3838—2002）中的V類標準為防控目標限值。用以上限值結合敏感目標距離、地下水水力條件等推算場地防控啟動值，取其最小值作為本場地的防控啟動選取值。防控啟動值選取見表1。

表1 防控啟動值選取Tab.1 Selection of starting values for prevention and control

防控啟動值確定后，根據防控啟動值設定一級預警值為18 mg/L和二級預警值20 mg/L。

當任一廠界監測井在線監測數據達到應急防控響應值時，系統自動啟動防控區7口應急抽水防控井水泵進行疏干降水。進而在防控區形成地下水“降落漏斗”，防控區地下水勢能保持最低，保證周邊污染地下水不再流向廠界外造成污染事故。

3.3 組態軟件構建

系統采用現代傳感技術、自動測量與控制技術、信息通信技術、計算機應用技術及相關水質分析技術，建設地下水污染防控系統。

按照設定程序，系統依次對2G～7G、8GF、10GF～14GF井進行取樣，首先開啟取樣泵，將監測井水樣通過管線輸送至固定站在線監測設備中依次進行水中油、五參數和CODMn、檢測，監測數據上傳至工控機，原位站水中油的實時檢測數據直接上傳至工控機內，通過組態軟件對上傳數據進行分析。當2G～7G、8GF，10GF～14GF井監測值達到一級預警值時，系統發出一級預警報告；當1Y、2G～7G井監測值達到二級預警值時，系統發出二級預警報告；當1Y、2G～7G井監測值達到應急控制啟動值時，系統通過聯鎖控制自動應急抽水井中的抽水泵，啟動應急控制系統。工控機可通過網絡交換機與遠程監控系統進行實時通訊。

3.4 管控體系構建

3.4.1 監測井及應急抽水井

項目設計包括監測井和應急抽水井在內共計15口井。監測井由井臺、井壁管、濾水管、沉淀管、井室等組成。根據需要設立警示柱（或欄）、標識牌等。井內根據需要設置取樣水泵、應急抽水泵、水中油在線監測探頭等。

3.4.2 原位監測站

針對監測站點不方便鋪設取樣管線問題，建設了原位監測站井。原位站內設置水中油在線監測儀，液位計等，可實現地下水中石油類及液位的實時監測并將檢測結果上傳至中心站的工控機上。

原位監測站房尺寸：2.0 m×2.0 m×2.6 m，數量：2座。

3.4.3 監控中心站

示范工程建設1座監控中心站。中心站房內設置固定站水樣預處理單元；石油類監測設備、五參數（溫度計、pH計、溶解氧監測儀、在線濁度儀和工業電導率）監測設備、COD監測設備等在線監測設備及儀表；上位機監控及集成系統、視頻監控系統等。

監控中心站房尺寸：4.0 m×8.0 m×2.6 m，數量：1座。

3.4.4 管控平臺

監控計算機采用研華工控機1臺，組態軟件1套、網絡交換機1臺。集成系統主要對自動監測站中采水設施、水樣預處理及監測系統、現地多路控制單元和應急預警防控單元等部分進行技術集成。現地多路控制單元主要完成水質自動監測系統、數據采集、存儲、處理與傳輸等工作，主要由PLC可編程控制器、工控機及相關軟件組成。

3.5 工程調試及試運行情況

工程調試過程中對系統各單元的軟件、硬件進行安裝調試，對集成后的系統進行聯動調試。

系統自試運行以來，一直運行穩定，防控效果良好。試運行過程中系統針對監測井石油類監測數據成功發出一級預警警報、二級預警警報，成功自動啟動應急防控系統。

系統某一時刻監測數據見表2。在此監測結果的條件下，系統發出警報同時自動聯鎖應急抽水井中的抽水泵，實現了8GF～14GF應急抽水井的自動降水功能，防控區地下水“降落漏斗”隨之形成。從檢測數據分析超過防控啟動值至系統自動啟動應急抽水泵時間在10 min內完成，從取樣開始計時至防控區形成“降落漏斗”，系統應急響應時間為48 h。

表2 系統某一時刻監測數據Tab.2 Monitoring data of the system at a certain time

4 結論

示范工程地下水污染管控系統應用場地為濱海相沉積地質條件環境。由于濱海相沉積環境下，地下水水力梯度小、導水系數低，企業針對地下水污染的相對敏感性低，管控系統發揮效用突出不強。根據防控系統的水文地質學原理，管控系統應用于大流域中上游水位埋深淺、徑流強度大，地下水污染敏感強度高的煉化企業廠址內，其發揮的地下水污染防控的效用會更加突出。

針對示范工程所建立的地下水污染管控體系，下一步需要深入研究并完善的內容如下：

1）建立水文地質數值模型與管控平臺的鏈接，實現隨時調整地下水位平水期及低水期的管控閾值，并檢測管理區域外邊界的區域流場變化，提出關注相應。

2）通過植入地理信息（GIS）系統，將多個地塊的地下水管控體系統一納入系統建立遠程管控平臺。

3）事故狀態下應急抽水井抽水后引起的場地巖土條件變化后的不利因素（如地面沉降等）的控制與預防措施。

4）針對煉化企業優先控制污染物的實時在線監測技術，比如特征污染物監測儀表探頭的研發等。

通過示范工程驗證，企業地下水污染管控體系建立后能夠實現地下水污染事故的早發現、應急處理措施的早啟動，延長事故應急響應時間的功能。該示范工程是國內首個煉化企業實現地下水污染智能管控的地下水污染的預警與應急控制實際工程，具有較強的示范與影響力。

煉化企業地下水污染管控技術的思路模式得到了理論和示范工程的實踐驗證。但在工程應用中也存在一些問題需進一步優化和完善。