孙爱丽 苏俊涛 王利刚（中国昆仑工程有限公司吉林分公司）

炼化企业在生产运行过程中，易发生“跑、冒、滴、漏”以及突发环境事件，不可避免对周边土壤和地下水造成一定量的环境污染。油田钻井过程中如发生井漏事故也势必会对承压地下水层造成影响[1]。

由于地下水石油类污染的普遍性，因此被列为地下水污染修复中应优先控制污染物。地下水污染具有隐蔽性、滞后性，污染源和污染途径难以查明。地下水一旦发生大面积污染事故，产生的环境负面影响较难估量，对其的修复和治理则需耗费巨大的人力物力。因此，炼化企业面临地下水污染的环保压力巨大[2]。针对地下水污染高风险炼化企业，构建地下水污染智能管控体系，实现地下水污染事故的早发现、应急处理措施的早启动，延长事故应急响应时间的功能尤为重要。地下水污染智能管控体系的建立既是对国家相关环保政策的积极响应，又可切实避免严重地下水污染事故的发生，是企业自身利益的保护措施之一。

1 国内外研究现状

针对地下水监测，发达国家重视地下水污染监测技术主要体现在对地下水监测井的研究上[3]。发达国家将地理信息系统（GIS）引入石油类污染场地的管理过程中[4]。我国部分地下水监测网的构建也引入GIS平台的支撑，但是智能化和自动化程度更高、更可靠的地下水污染管控技术在国内仍处于早期发展摸索阶段。

国内某1 000×104t/a炼油与80×104t/a乙烯炼化一体化企业为保护地下水环境，在厂区建设了159口地下水监测井及应急抽水井等设施，采用在线监测与人工监测相结合的方式。当监测数据发生报警时，需操作人员到现场对具体情况进行核实，并决定是否进行人工取样分析，再根据水质分析结果确定是否开展应急抽水和污染源排查工作，并启动突发环境事件应急预案。该防控体系智能化程度不高，响应时间较长。

综上，关于炼化企业地下水污染的管控技术，很少有将地下水污染在线监测与地下水污染应急控制进行智能化、自动化的组合设计，大部分研究仍然停留在理论分析层面，目前尚未见到相关实际工程应用于炼化企业。

2 地下水污染管控原理

地下水污染管控系统是一套功能完备的地下水污染智能预警及应急控制系统。该系统将地下水动力学原理、水质智能在线监测及数值模型以及自动控制与过程控制原理、组态软件原理及电子计算机技术进行高度集成，形成一整套功能完善的可实现地下水污染智能预警及应急控制功能的体系。

2.1 地下水水力截获原理

水力截获技术是国际上最早发展起来的防止地下水污染扩散的控制技术。通过布置疏干水井或地下水节流渠等构筑物或利用抽注水量以改变地下水流场，有效截获地下水中污染物，防止污染范围的进一步扩大和水质的进一步恶化[5]。

地下水水力截获原理是通过对含水层进行抽或注水，局部改变地下水水场，控制局部地段地下水迁移方向，采用抽出技术控制污染物运移并收集去除地下水中污染物。水力截获的本质是将疏干井形成的降落漏斗相叠加，使水力截获带地下水势能保持最低，保证两侧的地下水进入水力截获带被排出，从而实现污染物不向未污染区扩散的目的[6]。通过抽水井形式对附近区域地下水位降深后，改变地下水流场特性实现对污染物的截获和控制。地下水抽水井形成降落漏斗原理剖面及三维模型见图1；水力截获后地下水等水位线效果见图2，由图2可看出，在水力截获带形成一个椭圆形的降落漏斗，来自污染源的地下水，基本上都流入漏斗内的抽水井，从试运行来看水力截获带是有效的[7]。

图1 地下水抽水井形成降落漏斗原理剖面及三维模型Fig.1 Principle profile and three-dimensional model of groundwater pumping well forming landing funnel

图2 水力截获后地下水等水位线效果Fig.2 Effect of groundwater isopiestic line after hydraulic interception

2.2 地下水在线监测原理

在线监测技术已广泛应用于各行各业，华北油田2019年首次在油田注水系统实施了腐蚀率在线监测[8]。地下水在线监测系统监测水质指标的选择除表征地下水常规水质特性的五参数（pH、DO、电导率、浊度、温度）及地下水水位外，最重要的监测指标为根据企业特点确定的优先控制污染物种类。石油类作为炼化企业优先控制污染物之一，其在线监测较多采用紫外荧光法进行测定，该测定方法综合了紫外法和荧光法，具有测量精度高、灵敏度高、干扰少等优点。该监测系统监测原理是利用光在清水和含油水时光的透射、折射情况不同，通过光电转换元件将光信号转换成电信号，一方面可以测得实时水中油含量，另一方面将测得的结果与基准进行比较。监测结果通过信息传输系统上传至上位机系统进行数据处理。其他优先控制污染物可根据选择具体种类选择监测方法。

地下水在线监测根据监测仪表位置不同分为固定监测站和原位监测站。原位监测站是每1口监测井设立独立的监测设备，监测数据通过信息传输系统将数据以有线传输方式或以无线数据发送单元以GPRS模式上传至上位机系统。固定站是建设一套监测设备，多口监测水井通过取样水泵、管线传输的方式将监测水样送入固定站监测设备中进行监测。固定站地下水在线监测工艺流程见图3。

图3 固定站地下水在线监测工艺流程Fig.3 On-line monitoring process flow of fixed station groundwater

关于地下水监测井的研究，近年来，美国、加拿大等一些发达国家开发了如从式监测井、巢式监测井、连续多通道监测井、Waterloo监测井、WestbayMP监测井等[9]，使得地下水监测的精度大大提高。

2.3 工业组态软件工作原理

组态软件是指同时可以进行数据采集与过程控制的某些专用软件，通过设置多个软件模块，以实现和完成控制系统的各项不同功能，同时可为工业控制过程中提供良好的人机界面及相对简洁的使用方法，以比较灵活的组态方式，而非编程方式来进行数据采集和过程控制。组态软件可支持不同硬件厂家的计算机和I/O设备，提供软、硬件几乎全部的常用接口，并可以与相应的网络系统或工控机结合，将控制效果上传至网络或相应的计算机。总体上，组态软件具有实时多任务、接口开放、使用灵活、功能多样、运行可靠等特点。随着计算机网络的飞速发展，组态软件将进一步提高数据连接速度，同时增强控制精度和稳定性。在未来的软件设计中，组态软件将趋向网络化发展，如组态软件将具有支持Internet远程访问功能[10]。

2.4 地下水污染预警系统及应急控制系统功能实现

针对某一企业，首先通过建立并研究企业所在地块的水文地质概念模型获得地下水等水位线图，掌握企业地块地下水流向、流速的空间分布。根据地下水流场特性，于地下水由企业内部流出企业外部的厂界处设立一级在线监测井。根据地下水流场情况，在监测井所处地下水流场的上游位置处设置二级在线监测井和地下水应急抽水井。根据企业特征污染物种类，确定地下水在线监测因子然后建设在线监测设备；设置监测取样设备、应急抽水设备、铺设管线；编制组态软件建立在线监测分析及联动控制等系统平台。

通过在线监测系统实现对厂界处地下水水质情况实时监测，监测数据发送至系统平台实现对监测数据的处理。根据水质标准及特征污染物随地下水流场的衰减特性设计一级预警值、二级预警值及应急控制联动启动值。当实时监测值达到预警值时，系统平台现场发出警报或通过无线网络向决策者发出预警。当监测值达到应急控制联动启动值时自动启动应急抽水井中的抽水设备，实现地下水的应急抽水工作，通过形成地下水流场局部降落漏斗，改变地下水流场方向，实现污染地下水流出厂界外的控制。

整个管控系统基于组态软件及自动控制原理实现其地下水智能在线监测、数据分析、预警、应急防控功能。

3 示范工程

我国东部沿海地区某炼化公司地下水污染防控示范工程，是我国首个针对炼化企业完成的地下水污染管控示范工程。

3.1 工程简介

示范工程建设在该炼化企业主厂区西南角厂界附近。该地下水污染防控示范工程防控面积约1.8×104m2。由地下水污染物在线监测预警系统与应急防控制系统相互耦合而成。主要工程包括监测井、应急抽水井及抽水设备、取样及监测设备、原位监测站房、在线监测站房以及管线等组成。

在线监测系统监测指标包括总石油烃（TPH）、CODMn、pH、浊度、温度、电导率、DO、监测井液位。其中，TPH为主要控制参数、CODMn为辅助控制参数、其他参数均为辅助分析参数。在线监测井根据项目所在地块地下水等水位线图确定地下水流向后，依厂界线沿线设立。

根据示范工程具体位置情况，设立7口厂界监测井，7口应急抽水防控井，1口上游监测对照井。示范工程平面布置见图4：1Y、2G～7G为厂界监测井、8GF、9F、10GF～14GF为应急抽水井、21Y为对照监测井。

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

系统工作流程如下：正常工况下，系统按照固定站设定取样时间2 h，按照设定顺序依次启动固定站监测井内监测水泵，水泵将井内地下水水样通过管道输送至固定站在线分析仪表对设定监测指标进行测定。测定数据实时上传组态系统，组态系统分析判断数据是否达到预警值或防控值。当监测数据达到预警值时，系统发出一级、二级预警报告。当监测数据达到防控启动值时，系统自动启动应急抽水井内抽水泵。抽水泵将防控区地下水抽至依托污水处理厂内进行处理或依托事故水池内进行暂存。因此，防控区地下水水位下降，“降落漏斗”形成后可确保污染物不再流出场外。

3.2 地下水污染水力截获功能实现

本场地周边有农田等敏感目标，重点防控场地中的污染物经地下水迁移至农田（水作）造成的风险。场地西北侧农田、东南侧农田以《农田灌溉水质标准》（GB 5084—2005）中的水作水质标准值为防控目标限值，西南侧地表河流以《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）中的V类标准为防控目标限值。用以上限值结合敏感目标距离、地下水水力条件等推算场地防控启动值，取其最小值作为本场地的防控启动选取值。防控启动值选取见表1。

表1 防控启动值选取Tab.1 Selection of starting values for prevention and control

防控启动值确定后，根据防控启动值设定一级预警值为18 mg/L和二级预警值20 mg/L。

当任一厂界监测井在线监测数据达到应急防控响应值时，系统自动启动防控区7口应急抽水防控井水泵进行疏干降水。进而在防控区形成地下水“降落漏斗”，防控区地下水势能保持最低，保证周边污染地下水不再流向厂界外造成污染事故。

3.3 组态软件构建

系统采用现代传感技术、自动测量与控制技术、信息通信技术、计算机应用技术及相关水质分析技术，建设地下水污染防控系统。

按照设定程序，系统依次对2G～7G、8GF、10GF～14GF井进行取样，首先开启取样泵，将监测井水样通过管线输送至固定站在线监测设备中依次进行水中油、五参数和CODMn、检测，监测数据上传至工控机，原位站水中油的实时检测数据直接上传至工控机内，通过组态软件对上传数据进行分析。当2G～7G、8GF，10GF～14GF井监测值达到一级预警值时，系统发出一级预警报告；当1Y、2G～7G井监测值达到二级预警值时，系统发出二级预警报告；当1Y、2G～7G井监测值达到应急控制启动值时，系统通过联锁控制自动应急抽水井中的抽水泵，启动应急控制系统。工控机可通过网络交换机与远程监控系统进行实时通讯。

3.4 管控体系构建

3.4.1 监测井及应急抽水井

项目设计包括监测井和应急抽水井在内共计15口井。监测井由井台、井壁管、滤水管、沉淀管、井室等组成。根据需要设立警示柱（或栏）、标识牌等。井内根据需要设置取样水泵、应急抽水泵、水中油在线监测探头等。

3.4.2 原位监测站

针对监测站点不方便铺设取样管线问题，建设了原位监测站井。原位站内设置水中油在线监测仪，液位计等，可实现地下水中石油类及液位的实时监测并将检测结果上传至中心站的工控机上。

原位监测站房尺寸：2.0 m×2.0 m×2.6 m，数量：2座。

3.4.3 监控中心站

示范工程建设1座监控中心站。中心站房内设置固定站水样预处理单元；石油类监测设备、五参数（温度计、pH计、溶解氧监测仪、在线浊度仪和工业电导率）监测设备、COD监测设备等在线监测设备及仪表；上位机监控及集成系统、视频监控系统等。

监控中心站房尺寸：4.0 m×8.0 m×2.6 m，数量：1座。

3.4.4 管控平台

监控计算机采用研华工控机1台，组态软件1套、网络交换机1台。集成系统主要对自动监测站中采水设施、水样预处理及监测系统、现地多路控制单元和应急预警防控单元等部分进行技术集成。现地多路控制单元主要完成水质自动监测系统、数据采集、存储、处理与传输等工作，主要由PLC可编程控制器、工控机及相关软件组成。

3.5 工程调试及试运行情况

工程调试过程中对系统各单元的软件、硬件进行安装调试，对集成后的系统进行联动调试。

系统自试运行以来，一直运行稳定，防控效果良好。试运行过程中系统针对监测井石油类监测数据成功发出一级预警警报、二级预警警报，成功自动启动应急防控系统。

系统某一时刻监测数据见表2。在此监测结果的条件下，系统发出警报同时自动联锁应急抽水井中的抽水泵，实现了8GF～14GF应急抽水井的自动降水功能，防控区地下水“降落漏斗”随之形成。从检测数据分析超过防控启动值至系统自动启动应急抽水泵时间在10 min内完成，从取样开始计时至防控区形成“降落漏斗”，系统应急响应时间为48 h。

表2 系统某一时刻监测数据Tab.2 Monitoring data of the system at a certain time

4 结论

示范工程地下水污染管控系统应用场地为滨海相沉积地质条件环境。由于滨海相沉积环境下，地下水水力梯度小、导水系数低，企业针对地下水污染的相对敏感性低，管控系统发挥效用突出不强。根据防控系统的水文地质学原理，管控系统应用于大流域中上游水位埋深浅、径流强度大，地下水污染敏感强度高的炼化企业厂址内，其发挥的地下水污染防控的效用会更加突出。

针对示范工程所建立的地下水污染管控体系，下一步需要深入研究并完善的内容如下：

1）建立水文地质数值模型与管控平台的链接，实现随时调整地下水位平水期及低水期的管控阈值，并检测管理区域外边界的区域流场变化，提出关注相应。

2）通过植入地理信息（GIS）系统，将多个地块的地下水管控体系统一纳入系统建立远程管控平台。

3）事故状态下应急抽水井抽水后引起的场地岩土条件变化后的不利因素（如地面沉降等）的控制与预防措施。

4）针对炼化企业优先控制污染物的实时在线监测技术，比如特征污染物监测仪表探头的研发等。

通过示范工程验证，企业地下水污染管控体系建立后能够实现地下水污染事故的早发现、应急处理措施的早启动，延长事故应急响应时间的功能。该示范工程是国内首个炼化企业实现地下水污染智能管控的地下水污染的预警与应急控制实际工程，具有较强的示范与影响力。

炼化企业地下水污染管控技术的思路模式得到了理论和示范工程的实践验证。但在工程应用中也存在一些问题需进一步优化和完善。