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(yè)在生產(chǎn)運行過程中，易發(fā)生“跑、冒、滴、漏”以及突發(fā)環(huán)境事件，不可避免對周邊土壤和地下水造成一定量的環(huán)境污染。油田鉆井過程中如發(fā)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(fù)中應(yīng)優(yōu)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(fā)生大面積污染事故，產(chǎn)生的環(huán)境負面影響較難估量，對其的修復(fù)和治理則需耗費巨大的人力物力。因此，煉化企業(yè)面臨地下水污染的環(huán)保壓力巨大[2]。針對地下水污染高風險煉化企業(yè)，構(gòu)建地下水污染智能管控體系，實現(xiàn)地下水污染事故的早發(fā)現(xiàn)、應(yīng)急處理措施的早啟動，延長事故應(yīng)急響應(yīng)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(guān)環(huán)保政策的積極響應(yīng)，又可切實避免嚴重地下水污染事故的發(fā)生，是企業(yè)自身利益的保護措施之一。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

針對地下水監(jiān)測，發(fā)達國家重視地下水污染監(jiān)測技術(shù)主要體現(xiàn)在對地下水監(jiān)測井的研究上[3]。發(fā)達國家將地理信息系統(tǒng)（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(jiān)測網(wǎng)的構(gòu)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(shù)在國內(nèi)仍處于早期發(fā)展摸索階段。

國內(nèi)某1 000×104t/a煉油與80×104t/a乙烯煉化一體化企業(yè)為保護地下水環(huán)境，在廠區(qū)建設(shè)了159口地下水監(jiān)測井及應(yīng)急抽水井等設(shè)施，采用在線監(jiān)測與人工監(jiān)測相結(jié)合的方式。當監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)生報警時，需操作人員到現(xiàn)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(jù)水質(zhì)分析結(jié)果確定是否開展應(yīng)急抽水和污染源排查工作，并啟動突發(fā)環(huán)境事件應(yīng)急預(yù)案。該防控體系智能化程度不高，響應(yīng)時間較長。

綜上，關(guān)于煉化企業(yè)地下水污染的管控技術(shù)，很少有將地下水污染在線監(jiān)測與地下水污染應(yīng)急控制進行智能化、自動化的組合設(shè)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(guān)實際工程應(yīng)用于煉化企業(yè)。

2 地下水污染管控原理

地下水污染管控系統(tǒng)是一套功能完備的地下水污染智能預(yù)警及應(yīng)急控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)將地下水動力學(xué)原理、水質(zhì)智能在線監(jiān)測及數(shù)值模型以及自動控制與過程控制原理、組態(tài)軟件原理及電子計算機技術(shù)進行高度集成，形成一整套功能完善的可實現(xiàn)地下水污染智能預(yù)警及應(yīng)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(shù)是國際上最早發(fā)展起來的防止地下水污染擴散的控制技術(shù)。通過布置疏干水井或地下水節(jié)流渠等構(gòu)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(zhì)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(shù)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(zhì)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(cè)的地下水進入水力截獲帶被排出，從而實現(xiàn)污染物不向未污染區(qū)擴散的目的[6]。通過抽水井形式對附近區(qū)域地下水位降深后，改變地下水流場特性實現(xiàn)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(nèi)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(jiān)測原理

在線監(jiān)測技術(shù)已廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，華北油田2019年首次在油田注水系統(tǒng)實施了腐蝕率在線監(jiān)測[8]。地下水在線監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測水質(zhì)指標的選擇除表征地下水常規(guī)水質(zhì)特性的五參數(shù)（pH、DO、電導(dǎo)率、濁度、溫度）及地下水水位外，最重要的監(jiān)測指標為根據(jù)企業(yè)特點確定的優(yōu)先控制污染物種類。石油類作為煉化企業(yè)優(yōu)先控制污染物之一，其在線監(jiān)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(yōu)點。該監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)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(zhuǎn)換元件將光信號轉(zhuǎn)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(jié)果與基準進行比較。監(jiān)測結(jié)果通過信息傳輸系統(tǒng)上傳至上位機系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理。其他優(yōu)先控制污染物可根據(jù)選擇具體種類選擇監(jiān)測方法。

地下水在線監(jiān)測根據(jù)監(jiān)測儀表位置不同分為固定監(jiān)測站和原位監(jiān)測站。原位監(jiān)測站是每1口監(jiān)測井設(shè)立獨立的監(jiān)測設(shè)備，監(jiān)測數(shù)據(jù)通過信息傳輸系統(tǒng)將數(shù)據(jù)以有線傳輸方式或以無線數(shù)據(jù)發(fā)送單元以GPRS模式上傳至上位機系統(tǒng)。固定站是建設(shè)一套監(jiān)測設(shè)備，多口監(jiān)測水井通過取樣水泵、管線傳輸?shù)姆绞綄⒈O(jiān)測水樣送入固定站監(jiān)測設(shè)備中進行監(jiān)測。固定站地下水在線監(jiān)測工藝流程見圖3。

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

關(guān)于地下水監(jiān)測井的研究，近年來，美國、加拿大等一些發(fā)達國家開發(fā)了如從式監(jiān)測井、巢式監(jiān)測井、連續(xù)多通道監(jiān)測井、Waterloo監(jiān)測井、WestbayMP監(jiān)測井等[9]，使得地下水監(jiān)測的精度大大提高。

2.3 工業(yè)組態(tài)軟件工作原理

組態(tài)軟件是指同時可以進行數(shù)據(jù)采集與過程控制的某些專用軟件，通過設(shè)置多個軟件模塊，以實現(xiàn)和完成控制系統(tǒng)的各項不同功能，同時可為工業(yè)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(tài)方式，而非編程方式來進行數(shù)據(jù)采集和過程控制。組態(tài)軟件可支持不同硬件廠家的計算機和I/O設(shè)備，提供軟、硬件幾乎全部的常用接口，并可以與相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)或工控機結(jié)合，將控制效果上傳至網(wǎng)絡(luò)或相應(yīng)的計算機。總體上，組態(tài)軟件具有實時多任務(wù)、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(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展，組態(tài)軟件將進一步提高數(shù)據(jù)連接速度，同時增強控制精度和穩(wěn)定性。在未來的軟件設(shè)計中，組態(tài)軟件將趨向網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展，如組態(tài)軟件將具有支持Internet遠程訪問功能[10]。

2.4 地下水污染預(yù)警系統(tǒng)及應(yīng)急控制系統(tǒng)功能實現(xiàn)

針對某一企業(yè)，首先通過建立并研究企業(yè)所在地塊的水文地質(zhì)概念模型獲得地下水等水位線圖，掌握企業(yè)地塊地下水流向、流速的空間分布。根據(jù)地下水流場特性，于地下水由企業(yè)內(nèi)部流出企業(yè)外部的廠界處設(shè)立一級在線監(jiān)測井。根據(jù)地下水流場情況，在監(jiān)測井所處地下水流場的上游位置處設(shè)置二級在線監(jiān)測井和地下水應(yīng)急抽水井。根據(jù)企業(yè)特征污染物種類，確定地下水在線監(jiān)測因子然后建設(shè)在線監(jiān)測設(shè)備；設(shè)置監(jiān)測取樣設(shè)備、應(yīng)急抽水設(shè)備、鋪設(shè)管線；編制組態(tài)軟件建立在線監(jiān)測分析及聯(lián)動控制等系統(tǒng)平臺。

通過在線監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)對廠界處地下水水質(zhì)情況實時監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)送至系統(tǒng)平臺實現(xiàn)對監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理。根據(jù)水質(zhì)標準及特征污染物隨地下水流場的衰減特性設(shè)計一級預(yù)警值、二級預(yù)警值及應(yīng)急控制聯(lián)動啟動值。當實時監(jiān)測值達到預(yù)警值時，系統(tǒng)平臺現(xiàn)場發(fā)出警報或通過無線網(wǎng)絡(luò)向決策者發(fā)出預(yù)警。當監(jiān)測值達到應(yīng)急控制聯(lián)動啟動值時自動啟動應(yīng)急抽水井中的抽水設(shè)備，實現(xiàn)地下水的應(yīng)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(xiàn)污染地下水流出廠界外的控制。

整個管控系統(tǒng)基于組態(tài)軟件及自動控制原理實現(xiàn)其地下水智能在線監(jiān)測、數(shù)據(jù)分析、預(yù)警、應(yīng)急防控功能。

3 示范工程

我國東部沿海地區(qū)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(yè)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(shè)在該煉化企業(yè)主廠區(qū)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(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)與應(yīng)急防控制系統(tǒng)相互耦合而成。主要工程包括監(jiān)測井、應(yīng)急抽水井及抽水設(shè)備、取樣及監(jiān)測設(shè)備、原位監(jiān)測站房、在線監(jiān)測站房以及管線等組成。

在線監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測指標包括總石油烴（TPH）、CODMn、pH、濁度、溫度、電導(dǎo)率、DO、監(jiān)測井液位。其中，TPH為主要控制參數(shù)、CODMn為輔助控制參數(shù)、其他參數(shù)均為輔助分析參數(shù)。在線監(jiān)測井根據(jù)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(shè)立。

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

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

系統(tǒng)工作流程如下：正常工況下，系統(tǒng)按照固定站設(shè)定取樣時間2 h，按照設(shè)定順序依次啟動固定站監(jiān)測井內(nèi)監(jiān)測水泵，水泵將井內(nèi)地下水水樣通過管道輸送至固定站在線分析儀表對設(shè)定監(jiān)測指標進行測定。測定數(shù)據(jù)實時上傳組態(tài)系統(tǒng)，組態(tài)系統(tǒng)分析判斷數(shù)據(jù)是否達到預(yù)警值或防控值。當監(jiān)測數(shù)據(jù)達到預(yù)警值時，系統(tǒng)發(fā)出一級、二級預(yù)警報告。當監(jiān)測數(shù)據(jù)達到防控啟動值時，系統(tǒng)自動啟動應(yīng)急抽水井內(nèi)抽水泵。抽水泵將防控區(qū)地下水抽至依托污水處理廠內(nèi)進行處理或依托事故水池內(nèi)進行暫存。因此，防控區(qū)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(xiàn)

本場地周邊有農(nóng)田等敏感目標，重點防控場地中的污染物經(jīng)地下水遷移至農(nóng)田（水作）造成的風險。場地西北側(cè)農(nóng)田、東南側(cè)農(nóng)田以《農(nóng)田灌溉水質(zhì)標準》（GB 5084—2005）中的水作水質(zhì)標準值為防控目標限值，西南側(cè)地表河流以《地表水環(huán)境質(zhì)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(jié)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(jù)防控啟動值設(shè)定一級預(yù)警值為18 mg/L和二級預(yù)警值20 mg/L。

當任一廠界監(jiān)測井在線監(jiān)測數(shù)據(jù)達到應(yīng)急防控響應(yīng)值時，系統(tǒng)自動啟動防控區(qū)7口應(yīng)急抽水防控井水泵進行疏干降水。進而在防控區(qū)形成地下水“降落漏斗”，防控區(qū)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(tài)軟件構(gòu)建

系統(tǒng)采用現(xiàn)代傳感技術(shù)、自動測量與控制技術(shù)、信息通信技術(shù)、計算機應(yīng)用技術(shù)及相關(guān)水質(zhì)分析技術(shù)，建設(shè)地下水污染防控系統(tǒng)。

按照設(shè)定程序，系統(tǒng)依次對2G～7G、8GF、10GF～14GF井進行取樣，首先開啟取樣泵，將監(jiān)測井水樣通過管線輸送至固定站在線監(jiān)測設(shè)備中依次進行水中油、五參數(shù)和CODMn、檢測，監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳至工控機，原位站水中油的實時檢測數(shù)據(jù)直接上傳至工控機內(nèi)，通過組態(tài)軟件對上傳數(shù)據(jù)進行分析。當2G～7G、8GF，10GF～14GF井監(jiān)測值達到一級預(yù)警值時，系統(tǒng)發(fā)出一級預(yù)警報告；當1Y、2G～7G井監(jiān)測值達到二級預(yù)警值時，系統(tǒng)發(fā)出二級預(yù)警報告；當1Y、2G～7G井監(jiān)測值達到應(yīng)急控制啟動值時，系統(tǒng)通過聯(lián)鎖控制自動應(yīng)急抽水井中的抽水泵，啟動應(yīng)急控制系統(tǒng)。工控機可通過網(wǎng)絡(luò)交換機與遠程監(jiān)控系統(tǒng)進行實時通訊。

3.4 管控體系構(gòu)建

3.4.1 監(jiān)測井及應(yīng)急抽水井

項目設(shè)計包括監(jiān)測井和應(yīng)急抽水井在內(nèi)共計15口井。監(jiān)測井由井臺、井壁管、濾水管、沉淀管、井室等組成。根據(jù)需要設(shè)立警示柱（或欄）、標識牌等。井內(nèi)根據(jù)需要設(shè)置取樣水泵、應(yīng)急抽水泵、水中油在線監(jiān)測探頭等。

3.4.2 原位監(jiān)測站

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

原位監(jiān)測站房尺寸：2.0 m×2.0 m×2.6 m，數(shù)量：2座。

3.4.3 監(jiān)控中心站

示范工程建設(shè)1座監(jiān)控中心站。中心站房內(nèi)設(shè)置固定站水樣預(yù)處理單元；石油類監(jiān)測設(shè)備、五參數(shù)（溫度計、pH計、溶解氧監(jiān)測儀、在線濁度儀和工業(yè)電導(dǎo)率）監(jiān)測設(shè)備、COD監(jiān)測設(shè)備等在線監(jiān)測設(shè)備及儀表；上位機監(jiān)控及集成系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)等。

監(jiān)控中心站房尺寸：4.0 m×8.0 m×2.6 m，數(shù)量：1座。

3.4.4 管控平臺

監(jiān)控計算機采用研華工控機1臺，組態(tài)軟件1套、網(wǎng)絡(luò)交換機1臺。集成系統(tǒng)主要對自動監(jiān)測站中采水設(shè)施、水樣預(yù)處理及監(jiān)測系統(tǒng)、現(xiàn)地多路控制單元和應(yīng)急預(yù)警防控單元等部分進行技術(shù)集成?，F(xiàn)地多路控制單元主要完成水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集、存儲、處理與傳輸?shù)裙ぷ?，主要由PLC可編程控制器、工控機及相關(guān)軟件組成。

3.5 工程調(diào)試及試運行情況

工程調(diào)試過程中對系統(tǒng)各單元的軟件、硬件進行安裝調(diào)試，對集成后的系統(tǒng)進行聯(lián)動調(diào)試。

系統(tǒng)自試運行以來，一直運行穩(wěn)定，防控效果良好。試運行過程中系統(tǒng)針對監(jiān)測井石油類監(jiān)測數(shù)據(jù)成功發(fā)出一級預(yù)警警報、二級預(yù)警警報，成功自動啟動應(yīng)急防控系統(tǒng)。

系統(tǒng)某一時刻監(jiān)測數(shù)據(jù)見表2。在此監(jiān)測結(jié)果的條件下，系統(tǒng)發(fā)出警報同時自動聯(lián)鎖應(yīng)急抽水井中的抽水泵，實現(xiàn)了8GF～14GF應(yīng)急抽水井的自動降水功能，防控區(qū)地下水“降落漏斗”隨之形成。從檢測數(shù)據(jù)分析超過防控啟動值至系統(tǒng)自動啟動應(yīng)急抽水泵時間在10 min內(nèi)完成，從取樣開始計時至防控區(qū)形成“降落漏斗”，系統(tǒng)應(yīng)急響應(yīng)時間為48 h。

表2 系統(tǒng)某一時刻監(jiān)測數(shù)據(jù)Tab.2 Monitoring data of the system at a certain time

4 結(jié)論

示范工程地下水污染管控系統(tǒng)應(yīng)用場地為濱海相沉積地質(zhì)條件環(huán)境。由于濱海相沉積環(huán)境下，地下水水力梯度小、導(dǎo)水系數(shù)低，企業(yè)針對地下水污染的相對敏感性低，管控系統(tǒng)發(fā)揮效用突出不強。根據(jù)防控系統(tǒng)的水文地質(zhì)學(xué)原理，管控系統(tǒng)應(yīng)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(yè)廠址內(nèi)，其發(fā)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(nèi)容如下：

1）建立水文地質(zhì)數(shù)值模型與管控平臺的鏈接，實現(xiàn)隨時調(diào)整地下水位平水期及低水期的管控閾值，并檢測管理區(qū)域外邊界的區(qū)域流場變化，提出關(guān)注相應(yīng)。

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

3）事故狀態(tài)下應(yīng)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(yù)防措施。

4）針對煉化企業(yè)優(yōu)先控制污染物的實時在線監(jiān)測技術(shù)，比如特征污染物監(jiān)測儀表探頭的研發(fā)等。

通過示范工程驗證，企業(yè)地下水污染管控體系建立后能夠?qū)崿F(xiàn)地下水污染事故的早發(fā)現(xiàn)、應(yīng)急處理措施的早啟動，延長事故應(yīng)急響應(yīng)時間的功能。該示范工程是國內(nèi)首個煉化企業(yè)實現(xiàn)地下水污染智能管控的地下水污染的預(yù)警與應(yīng)急控制實際工程，具有較強的示范與影響力。

煉化企業(yè)地下水污染管控技術(shù)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(yīng)用中也存在一些問題需進一步優(yōu)化和完善。