一套頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)過(guò)程中地下水水質(zhì)監(jiān)控的智能化系統(tǒng)

王偉 董智鶴

摘 要：本文針對(duì)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)過(guò)程對(duì)地下水可能引起的水體污染和生態(tài)敏感區(qū)影響的問(wèn)題，提出一種建立地下水水質(zhì)實(shí)時(shí)監(jiān)控平臺(tái)的辦法，及時(shí)掌握地下水質(zhì)變化情況，發(fā)現(xiàn)和預(yù)防污染事件的發(fā)生。本文基于.NET的MVC多層架構(gòu)，采用B/S模式，搭建設(shè)計(jì)了用戶可隨時(shí)隨地使用瀏覽器查看頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)地下水水質(zhì)變化的現(xiàn)代化系統(tǒng)。系統(tǒng)實(shí)時(shí)接入監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)地下水水質(zhì)變化的預(yù)警以及污染擴(kuò)散的運(yùn)移模擬，可為頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)中地下水的水質(zhì)監(jiān)控、污染控制和地下水水質(zhì)變化對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響提供有效有力的決策參考。

關(guān)鍵詞：頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā);地下水;在線監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)：P641.7;TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2020）09-0058-02

0 引言

頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)是有效緩解能源壓力、保障能源安全，應(yīng)對(duì)全球變暖和減少大氣環(huán)境污染的有效手段之一[1]。

目前，我國(guó)的頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)普遍存在井位密集的問(wèn)題，將對(duì)地下水呈區(qū)域性特征影響。不僅如此，油氣鉆完井、壓裂和地下回注等頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)過(guò)程也有可能產(chǎn)生地下水和生態(tài)環(huán)境污染。因此，建設(shè)地下水水質(zhì)監(jiān)控平臺(tái)，對(duì)地下水及生態(tài)污染進(jìn)行預(yù)警是一種有效處置地下水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的方式。

水力壓裂技術(shù)在頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)過(guò)程中廣泛應(yīng)用，但該技術(shù)產(chǎn)生的壓裂液和返排水會(huì)對(duì)地下水水體產(chǎn)生一定的影響。有文獻(xiàn)表明[2]，水力壓力技術(shù)會(huì)在水體中產(chǎn)生苯、甲苯、二甲苯等致癌物，且由于開(kāi)采過(guò)程中產(chǎn)生的廢液量大，對(duì)環(huán)境的污染不可小覷。作為頁(yè)巖氣主要產(chǎn)物甲烷，如果存于地下水域中，存在聚集引發(fā)爆炸的可能，因此甲烷也被視為潛在污染物[3-4]。

為實(shí)時(shí)掌握頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)地下水水質(zhì)變化，及時(shí)防控爆炸風(fēng)險(xiǎn)，該地下水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)需充分考慮監(jiān)測(cè)間隔短、污染物種類多等特點(diǎn)。系統(tǒng)不僅需要監(jiān)測(cè)水位、水溫等常規(guī)參數(shù)，還需要監(jiān)測(cè)氯離子、氧化還原點(diǎn)位、電導(dǎo)率、揮發(fā)性有機(jī)氣體等頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)過(guò)程特殊參數(shù)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜度較高。

1 建設(shè)目標(biāo)

從地下水在線監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)預(yù)警和污染運(yùn)移擴(kuò)散的實(shí)際需求出發(fā)，基于webgis技術(shù)，結(jié)合地質(zhì)地層、地下水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)室分析數(shù)據(jù)，并結(jié)合區(qū)域內(nèi)地下水歷史水質(zhì)水位、氣象降雨等數(shù)據(jù)，建立作業(yè)區(qū)域及周邊影響區(qū)域的地下水在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，精準(zhǔn)掌握相關(guān)區(qū)域水質(zhì)情況和主要污染物的變化趨勢(shì)，同時(shí)根據(jù)不同時(shí)期衛(wèi)星影像和航拍影像，評(píng)估地下水水質(zhì)變化對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生的影響，為頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)過(guò)程中的環(huán)境保護(hù)提供技術(shù)支撐和輔助決策支持。

2 系統(tǒng)建設(shè)方案

2.1 總體架構(gòu)

系統(tǒng)基于.net的MVC多層架構(gòu)，采用B/S模式，用戶可隨時(shí)隨地使用瀏覽器訪問(wèn)系統(tǒng)。系統(tǒng)為五層設(shè)計(jì)，分別為數(shù)據(jù)接入層、基礎(chǔ)層、服務(wù)層、應(yīng)用層和展示層，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

（1）數(shù)據(jù)接入層：包括數(shù)據(jù)在線監(jiān)測(cè)設(shè)備、數(shù)據(jù)采集設(shè)備和數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備。數(shù)據(jù)采集設(shè)備實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)傳輸設(shè)備統(tǒng)一傳送至基礎(chǔ)層的數(shù)據(jù)接收服務(wù)器，并進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收、解析和入庫(kù)操作。

（2）基礎(chǔ)層：包括應(yīng)用服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、GIS服務(wù)器、數(shù)據(jù)接收服務(wù)器、備份服務(wù)器和存儲(chǔ)設(shè)備，是整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)硬件支撐。

（3）服務(wù)層：為系統(tǒng)提供基礎(chǔ)的服務(wù)支撐，包括報(bào)表工具、圖表工具、接口服務(wù)、污染運(yùn)移模擬模塊、定時(shí)任務(wù)、組織機(jī)構(gòu)和系統(tǒng)配置。

（4）應(yīng)用層：系統(tǒng)主體功能，基礎(chǔ)配置模塊對(duì)系統(tǒng)的底層基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，包括監(jiān)測(cè)點(diǎn)管理、監(jiān)測(cè)因子管理、設(shè)備管理、實(shí)驗(yàn)室管理、廠商管理和采樣管理;監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理主要包括實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、采樣數(shù)據(jù)、鉆井?dāng)?shù)據(jù)等;監(jiān)測(cè)報(bào)警管理包括水位報(bào)警管理、因子報(bào)警管理和報(bào)警規(guī)則配置;統(tǒng)計(jì)分析包括統(tǒng)計(jì)分析、報(bào)表管理和報(bào)告管理。應(yīng)用層一方面為表現(xiàn)層提供業(yè)務(wù)層抽象，另一方面為應(yīng)用層提供放置某些不適合放置于業(yè)務(wù)層或表現(xiàn)層的某些協(xié)調(diào)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(jiān)測(cè)點(diǎn)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、統(tǒng)計(jì)信息、報(bào)警信息，同時(shí)靈活選取不同時(shí)間段、不同監(jiān)測(cè)指標(biāo)和不同站點(diǎn)，單獨(dú)或合并分析展示等值線、濃度分布等，并支持統(tǒng)計(jì)圖表和數(shù)據(jù)報(bào)表下載;可自定義生成事件序列圖、水化學(xué)圖、餅圖、柱圖、堆積圖和水文地質(zhì)剖面圖，并可根據(jù)實(shí)際需要生成統(tǒng)計(jì)報(bào)表和分析報(bào)告[5]。

2.2 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫(kù)是信息資源管理最有效的手段，數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)是建立數(shù)據(jù)庫(kù)及其應(yīng)用系統(tǒng)的核心和技術(shù)，高效的數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)是一個(gè)軟件項(xiàng)目成功的基石[3]。它要求對(duì)于指定的應(yīng)用環(huán)境，構(gòu)造出較優(yōu)的數(shù)據(jù)庫(kù)模式，建立起數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用系統(tǒng)，使系統(tǒng)能有效地存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)主要涉及的數(shù)據(jù)包括基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、地下水監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、地質(zhì)地層數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)等。

2.2.1 基礎(chǔ)地理信息庫(kù)

以天地圖電子地圖服務(wù)為基礎(chǔ)，使用地圖中包含影像和矢量數(shù)據(jù)，集成衛(wèi)星遙感影像和無(wú)人機(jī)航測(cè)影像，形成生態(tài)地理信息庫(kù)，為生態(tài)環(huán)境的評(píng)估提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2.2.2 基礎(chǔ)信息庫(kù)

基礎(chǔ)信息庫(kù)主要包括監(jiān)測(cè)點(diǎn)的相關(guān)信息，用于標(biāo)識(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置、記錄建設(shè)時(shí)間、投用時(shí)間，以及名稱和序列號(hào)標(biāo)識(shí);監(jiān)測(cè)設(shè)備相關(guān)信息，用于管理監(jiān)測(cè)設(shè)備、傳輸設(shè)備;監(jiān)測(cè)項(xiàng)目信息用于管理各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)因子信息，包括因子名稱、簡(jiǎn)稱、英文名稱、單位、標(biāo)準(zhǔn)限值、報(bào)警閾值;地質(zhì)地層基礎(chǔ)信息，主要為鉆井?dāng)?shù)據(jù)管理中的地質(zhì)地層提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)服務(wù)。

2.2.3 業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)

主要用于管理系統(tǒng)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，包括實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)值、手工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、地質(zhì)地層數(shù)據(jù)、鉆井?dāng)?shù)據(jù)等，同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和輸出，同時(shí)包含數(shù)據(jù)處理的若干中間表，用于存儲(chǔ)中間過(guò)程的數(shù)據(jù)和數(shù)值，為統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的篩選、統(tǒng)計(jì)、分析、報(bào)表報(bào)告輸出提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2.2.4 指標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù)

針對(duì)不同的統(tǒng)計(jì)分析指標(biāo)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，提高統(tǒng)計(jì)分析響應(yīng)時(shí)間，同時(shí)設(shè)置定時(shí)任務(wù)對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，及時(shí)更新到指標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù)，保證數(shù)據(jù)的時(shí)效性和準(zhǔn)確性。