王偉 董智鶴

摘 要：本文針對頁巖氣開發(fā)過程對地下水可能引起的水體污染和生態(tài)敏感區(qū)影響的問題，提出一種建立地下水水質(zhì)實時監(jiān)控平臺的辦法，及時掌握地下水質(zhì)變化情況，發(fā)現(xiàn)和預防污染事件的發(fā)生。本文基于.NET的MVC多層架構(gòu)，采用B/S模式，搭建設計了用戶可隨時隨地使用瀏覽器查看頁巖氣開發(fā)地下水水質(zhì)變化的現(xiàn)代化系統(tǒng)。系統(tǒng)實時接入監(jiān)測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)地下水水質(zhì)變化的預警以及污染擴散的運移模擬，可為頁巖氣開發(fā)中地下水的水質(zhì)監(jiān)控、污染控制和地下水水質(zhì)變化對生態(tài)環(huán)境的影響提供有效有力的決策參考。

關鍵詞：頁巖氣開發(fā);地下水;在線監(jiān)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(fā)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(huán)境污染的有效手段之一[1]。

目前，我國的頁巖氣開發(fā)普遍存在井位密集的問題，將對地下水呈區(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巖氣開發(fā)過程也有可能產(chǎn)生地下水和生態(tài)環(huán)境污染。因此，建設地下水水質(zhì)監(jiān)控平臺，對地下水及生態(tài)污染進行預警是一種有效處置地下水環(huán)境風險的方式。

水力壓裂技術(shù)在頁巖氣開發(fā)過程中廣泛應用，但該技術(shù)產(chǎn)生的壓裂液和返排水會對地下水水體產(chǎn)生一定的影響。有文獻表明[2]，水力壓力技術(shù)會在水體中產(chǎn)生苯、甲苯、二甲苯等致癌物，且由于開采過程中產(chǎn)生的廢液量大，對環(huán)境的污染不可小覷。作為頁巖氣主要產(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]。

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

1 建設目標

從地下水在線監(jiān)測預報預警和污染運移擴散的實際需求出發(fā)，基于webgis技術(shù)，結(jié)合地質(zhì)地層、地下水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)和實驗室分析數(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)測系統(tǒng)，精準掌握相關區(qū)域水質(zhì)情況和主要污染物的變化趨勢，同時根據(jù)不同時期衛(wèi)星影像和航拍影像，評估地下水水質(zhì)變化對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生的影響，為頁巖氣開發(fā)過程中的環(huán)境保護提供技術(shù)支撐和輔助決策支持。

2 系統(tǒng)建設方案

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，用戶可隨時隨地使用瀏覽器訪問系統(tǒng)。系統(tǒng)為五層設計，分別為數(shù)據(jù)接入層、基礎層、服務層、應用層和展示層，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)測設備、數(shù)據(jù)采集設備和數(shù)據(jù)傳輸設備。數(shù)據(jù)采集設備實時采集現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過傳輸設備統(tǒng)一傳送至基礎層的數(shù)據(jù)接收服務器，并進行數(shù)據(jù)的接收、解析和入庫操作。

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

（3）服務層：為系統(tǒng)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(gòu)和系統(tǒng)配置。

（4）應用層：系統(tǒng)主體功能，基礎配置模塊對系統(tǒng)的底層基礎數(shù)據(jù)進行管理，包括監(jiān)測點管理、監(jiān)測因子管理、設備管理、實驗室管理、廠商管理和采樣管理;監(jiān)測數(shù)據(jù)管理主要包括實時監(jiān)測數(shù)據(jù)、采樣數(shù)據(jù)、鉆井數(shù)據(jù)等;監(jiān)測報警管理包括水位報警管理、因子報警管理和報警規(guī)則配置;統(tǒng)計分析包括統(tǒng)計分析、報表管理和報告管理。應用層一方面為表現(xiàn)層提供業(yè)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(yè)務層或表現(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)測點、實時監(jiān)測數(shù)據(jù)、統(tǒng)計信息、報警信息，同時靈活選取不同時間段、不同監(jiān)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(tǒng)計圖表和數(shù)據(jù)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(zhì)剖面圖，并可根據(jù)實際需要生成統(tǒng)計報表和分析報告[5]。

2.2 數(shù)據(jù)庫設計

數(shù)據(jù)庫是信息資源管理最有效的手段，數(shù)據(jù)庫設計是建立數(shù)據(jù)庫及其應用系統(tǒng)的核心和技術(shù)，高效的數(shù)據(jù)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(huán)境，構(gòu)造出較優(yōu)的數(shù)據(jù)庫模式，建立起數(shù)據(jù)庫應用系統(tǒng)，使系統(tǒng)能有效地存儲數(shù)據(jù)。系統(tǒng)主要涉及的數(shù)據(jù)包括基礎地理信息數(shù)據(jù)、地下水監(jiān)測基礎數(shù)據(jù)、地質(zhì)地層數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)、統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，集成衛(wèi)星遙感影像和無人機航測影像，形成生態(tài)地理信息庫，為生態(tài)環(huán)境的評估提供基礎數(shù)據(jù)。

2.2.2 基礎信息庫

基礎信息庫主要包括監(jiān)測點的相關信息，用于標識監(jiān)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(jiān)測設備相關信息，用于管理監(jiān)測設備、傳輸設備;監(jiān)測項目信息用于管理各個監(jiān)測點的監(jiān)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(zhì)地層基礎信息，主要為鉆井數(shù)據(jù)管理中的地質(zhì)地層提供基礎數(shù)據(jù)服務。

2.2.3 業(yè)務數(shù)據(jù)庫

主要用于管理系統(tǒng)的業(yè)務數(shù)據(jù)，包括實時監(jiān)測值、手工監(jiān)測數(shù)據(jù)、地質(zhì)地層數(shù)據(jù)、鉆井數(shù)據(jù)等，同時對數(shù)據(jù)進行處理和輸出，同時包含數(shù)據(jù)處理的若干中間表，用于存儲中間過程的數(shù)據(jù)和數(shù)值，為統(tǒng)計數(shù)據(jù)的篩選、統(tǒng)計、分析、報表報告輸出提供基礎數(shù)據(jù)。

2.2.4 指標數(shù)據(jù)庫

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