一套页岩气开发过程中地下水水质监控的智能化系统

王伟 董智鹤

摘 要：本文针对页岩气开发过程对地下水可能引起的水体污染和生态敏感区影响的问题，提出一种建立地下水水质实时监控平台的办法，及时掌握地下水质变化情况，发现和预防污染事件的发生。本文基于.NET的MVC多层架构，采用B/S模式，搭建设计了用户可随时随地使用浏览器查看页岩气开发地下水水质变化的现代化系统。系统实时接入监测数据，实现地下水水质变化的预警以及污染扩散的运移模拟，可为页岩气开发中地下水的水质监控、污染控制和地下水水质变化对生态环境的影响提供有效有力的決策参考。

关键词：页岩气开发;地下水;在线监测

中图分类号：P641.7;TP274 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2020）09-0058-02

0 引言

页岩气开发是有效缓解能源压力、保障能源安全，应对全球变暖和减少大气环境污染的有效手段之一[1]。

目前，我国的页岩气开发普遍存在井位密集的问题，将对地下水呈区域性特征影响。不仅如此，油气钻完井、压裂和地下回注等页岩气开发过程也有可能产生地下水和生态环境污染。因此，建设地下水水质监控平台，对地下水及生态污染进行预警是一种有效处置地下水环境风险的方式。

水力压裂技术在页岩气开发过程中广泛应用，但该技术产生的压裂液和返排水会对地下水水体产生一定的影响。有文献表明[2]，水力压力技术会在水体中产生苯、甲苯、二甲苯等致癌物，且由于开采过程中产生的废液量大，对环境的污染不可小觑。作为页岩气主要产物甲烷，如果存于地下水域中，存在聚集引发爆炸的可能，因此甲烷也被视为潜在污染物[3-4]。

为实时掌握页岩气开发地下水水质变化，及时防控爆炸风险，该地下水监测系统在设计时需充分考虑监测间隔短、污染物种类多等特点。系统不仅需要监测水位、水温等常规参数，还需要监测氯离子、氧化还原点位、电导率、挥发性有机气体等页岩气开发过程特殊参数，系统设计复杂度较高。

1 建设目标

从地下水在线监测预报预警和污染运移扩散的实际需求出发，基于webgis技术，结合地质地层、地下水质监测数据和实验室分析数据，并结合区域内地下水历史水质水位、气象降雨等数据，建立作业区域及周边影响区域的地下水在线监测系统，精准掌握相关区域水质情况和主要污染物的变化趋势，同时根据不同时期卫星影像和航拍影像，评估地下水水质变化对生态环境产生的影响，为页岩气开发过程中的环境保护提供技术支撑和辅助决策支持。

2 系统建设方案

2.1 总体架构

系统基于.net的MVC多层架构，采用B/S模式，用户可随时随地使用浏览器访问系统。系统为五层设计，分别为数据接入层、基础层、服务层、应用层和展示层，系统架构如图1所示。

（1）数据接入层：包括数据在线监测设备、数据采集设备和数据传输设备。数据采集设备实时采集现场监测数据，通过传输设备统一传送至基础层的数据接收服务器，并进行数据的接收、解析和入库操作。

（2）基础层：包括应用服务器、数据库服务器、GIS服务器、数据接收服务器、备份服务器和存储设备，是整个系统运行的基础硬件支撑。

（3）服务层：为系统提供基础的服务支撑，包括报表工具、图表工具、接口服务、污染运移模拟模块、定时任务、组织机构和系统配置。

（4）应用层：系统主体功能，基础配置模块对系统的底层基础数据进行管理，包括监测点管理、监测因子管理、设备管理、实验室管理、厂商管理和采样管理;监测数据管理主要包括实时监测数据、采样数据、钻井数据等;监测报警管理包括水位报警管理、因子报警管理和报警规则配置;统计分析包括统计分析、报表管理和报告管理。应用层一方面为表现层提供业务层抽象，另一方面为应用层提供放置某些不适合放置于业务层或表现层的某些协调逻辑。

（5）展示层：一般也称为UI层，基于GIS地图直观形象展示监测点、实时监测数据、统计信息、报警信息，同时灵活选取不同时间段、不同监测指标和不同站点，单独或合并分析展示等值线、浓度分布等，并支持统计图表和数据报表下载;可自定义生成事件序列图、水化学图、饼图、柱图、堆积图和水文地质剖面图，并可根据实际需要生成统计报表和分析报告[5]。

2.2 数据库设计

数据库是信息资源管理最有效的手段，数据库设计是建立数据库及其应用系统的核心和技术，高效的数据库设计是一个软件项目成功的基石[3]。它要求对于指定的应用环境，构造出较优的数据库模式，建立起数据库应用系统，使系统能有效地存储数据。系统主要涉及的数据包括基础地理信息数据、地下水监测基础数据、地质地层数据、监测数据、统计分析数据等。

2.2.1 基础地理信息库

以天地图电子地图服务为基础，使用地图中包含影像和矢量数据，集成卫星遥感影像和无人机航测影像，形成生态地理信息库，为生态环境的评估提供基础数据。

2.2.2 基础信息库

基础信息库主要包括监测点的相关信息，用于标识监测点的位置、记录建设时间、投用时间，以及名称和序列号标识;监测设备相关信息，用于管理监测设备、传输设备;监测项目信息用于管理各个监测点的监测因子信息，包括因子名称、简称、英文名称、单位、标准限值、报警阈值;地质地层基础信息，主要为钻井数据管理中的地质地层提供基础数据服务。

2.2.3 业务数据库

主要用于管理系统的业务数据，包括实时监测值、手工监测数据、地质地层数据、钻井数据等，同时对数据进行处理和输出，同时包含数据处理的若干中间表，用于存储中间过程的数据和数值，为统计数据的筛选、统计、分析、报表报告输出提供基础数据。

2.2.4 指标数据库

针对不同的统计分析指标，对数据进行预处理，提高统计分析响应时间，同时设置定时任务对实时数据进行处理，及时更新到指标数据库，保证数据的时效性和准确性。