一种页岩气开发区深层地下水环境监测及预警方法及系统技术方案

本发明专利技术提供一种基于原位光谱实时监测的页岩气开发深层地下水环境分层监测及预警方法及系统，系统由多参数水质监测传感器、智能网关、云端服务器、深层地下水信息监测平台和移动端信息监测平台等组成。方法包括：步骤S1，在线监测装置的安装；步骤S2，水质监测数据采集，步骤S3，信号传输，将在线数据、设备运行情况通过网络传输层发送到信息监测平台；步骤S4，数据处理，深层地下水信息监测平台对采集到的地下水水质监测数据进行数据处理；步骤S5，地下水污染现状评价和地下水质量评价。步骤S6，地下水水质污染情况分析及预警。本发明专利技术通过对含水层多层监测，采用物联网进行数据传输，集监控、报警为一体，以实现页岩气开发区的深层地下水环境的在线监测与预警。深层地下水环境的在线监测与预警。深层地下水环境的在线监测与预警。

【技术实现步骤摘要】
一种页岩气开发区深层地下水环境监测及预警方法及系统


[0001]本专利技术属于页岩气开发区深层地下水环境监测领域，具体涉及页岩气开发区深层地下水环境监测及预警方法。

技术介绍

[0002]页岩气资源开发是世界能源革命和我国重大能源战略。页岩气资源开发可能带来的地下水、工程场地、地质灾害等环境影响问题一直存在着争议。目前，页岩气开采过程中需要采用钻井、固井和压裂等工艺，需使用大量的钻井液、压裂液。钻井液、压裂液中含有大量的化学添加剂，包括表面活性剂、高盐分废水、重金属及芳烃类潜在高风险物质。另外，钻井液、压裂返排液和钻井固体废物的污染特征与页岩气藏特征、钻井工艺、钻井深度、钻井液体系等密切相关，导致其成分复杂、多变。这些化学物质可能直接通过断裂、裂缝系统自地下深处缓慢向上运移至地表或浅层，也可能因为固井和采气管道的质量问题或操作不当而泄漏到地下水层中，从而通过污染物在环境中的迁移转化活动对地下水水资源造成污染。因此，页岩气开发对当地地下水的影响一直是各方关注的比较敏感的问题，亟待加强对该行业的地下水资源进行监测及管理。
[0003]目前，页岩气开采区地下水质量的监测主要采用离线方式，通常采用人工手动到现场采集样品进行测量，工作周期长，还未形成页岩气资源开发区下水质量在线监测及预警的体系及方法。另外，目前主要以监测浅层地下水为主，缺乏对深层地下水环境的监测。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种基于原位光谱实时监测的页岩气开发区深层地下水环境监测及预警方法，以微型光谱传感器为核心，同时集成多种传感器，结合智能网关、云端服务器和深层地下水信息监测平台，配置电动升降模组，实现对地下含水层区实施分层监测，获得地下水剖面流，建立页岩气开发区深层地下水环境监测及预警方法，实现水质分析的实时化、智能化和高效化。
[0005]本专利技术的技术方案如下：
[0006]一种基于原位光谱实时监测的页岩气开发区深层地下水环境监测及预警方法，包括如下步骤：
[0007]步骤S1，安装在线监测装置(1)：通过电动升降模组(2)将在线监测装置(1)下放到深层地下水监测井的液面之下。
[0008]所述在线监测装置(1)包括密封舱(3)、传感器舱(4)和底座(5)，所述密封舱(3)内固定安装无线数据传输终端(6)、供电电池(7)和传感器控制板(8)；所述传感器舱(4)内安装具有多项参数监测功能的传感器，包括微型光谱传感器(9)、pH传感器(10)、水温传感器(11)，传感器舱(4)与外部相通，并设有滤网。
[0009]步骤S2，水质监测数据采集：利用微型光谱传感器、pH传感器和水温传感器对深层地下水组分含量、pH和水温进行检测分析，通过控制电动升降模组(2)参数自动控制调整在
线监测装置(1)的深度，对多层水位进行分层监测，获得不同水位层的监测数据。
[0010]步骤S3，数据传输：通过Modbus协议将在线监测装置(1)的在线数据、设备运行情况高速连续不间断传输给智能网关(13)，通过通过2G、3G、4G等网络传输层发送到云端服务器(14)，深层地下水信息监测平台(15)通过无线网络传输接收云端服务器中的数据。
[0011]步骤S4，数据处理：深层地下水信息监测平台(15)对采集到的地下水水质监测数据进行处理，包括将微型光谱传感器采集到的原始谱图进行基线校正、散射校正等光谱预处理；同时，采集监测井内水体样品，利用离子色谱仪、高效液相色谱仪、溶解甲烷含量检测装置等仪器对其污染物进行物质的定性和定量分析，并基于神经网络、多元线性回归、偏最小二乘等算法建立回归模型，建立标准监测物质光谱库和光谱信号与组分含量之间的回归关系。
[0012]优选的，选定的监测指标为pH、水温、F、Cl、Br、NH
4+
‑
N、SO
42
‑
、S2‑
、总硬度(以碳酸钙计)、TDS、Na、K、Ca、Mg、As、Hg、Cr(
Ⅵ
)、Pb、Fe、Mn、Sr、CH4、挥发酚、阴离子合成洗涤剂、有机氯、石油烃等。
[0013]步骤S5，深层地下水信息监测平台根据建立的标准监测物质光谱库和光谱信号与组分含量之间的回归关系确定地下水污染物的含量，并进行地下水污染现状评价、地下水监测敏感性指标筛选和地下水质量评价。
[0014]步骤S6，依据所构建地下水污染现状模拟和地下水污染趋势预测模型对地下水水质污染情况进行分析，在水质参数异常时，输出预警信息。
[0015]具体的，基于页岩气开发区地下水环境质量监测数据，结合页岩气开发作业程序、识别潜在的污染物及污染源、历史污染事件、气象资料、水文地质资料、土壤资料、地形地貌地质等调查结果，通过人工智能AI算法和大数据技术构建地下水污染现状模拟和地下水污染趋势预测模型。
[0016]依据所构建的地下水污染现状模拟，当监测结果显示存在部分或多种检测项目超过设定的地下水污染划分标准阈值时，深层地下水信息监测平台输出警报信息。
[0017]依据所构建的地下水污染趋势预测模型对地下水水质污染情况进行预演分析。当预演结果显示在一定时间内可能存在部分或多种检测项目超过设定的地下水污染划分标准阈值时，深层地下水信息监测平台输出预警信息。
[0018]深层地下水信息监测平台实时显示的信息包括时间、监测井位置、含水层位置、监测指标的实测值、监测指标的标准阈值、超标项目、水污染等级、监测指标的预演趋势状况。
[0019]本专利技术还提供一种基于原位光谱实时监测的页岩气开发深层地下水环境监测及预警系统，该系统包括多参数水质监测传感器、智能网关、云端服务器、深层地下水信息监测平台和移动端信息监测平台；所述系统被配置为执行以上所述的方法。
[0020]本专利技术的有益效果为：能实时、动态地对页岩气开发区深层地下水实施分层监测，获得地下水剖面流，分析地下水污染风险趋势，并对污染行为做出预警。本专利技术能对地下水进行分层监测，对污染事件做出准确的预警，便于管理人员进行管理，从而，保护地下水资源和指导企业安全、绿色开发页岩气资源。
附图说明
[0021]图1为本专利技术的方法流程图。
[0022]图2为本专利技术的方法示意图。
具体实施方式
[0023]下面结合实施例对本专利技术予以进一步说明。
[0024]本专利技术选择我国重庆市某页岩气开发区地下水环境监测为研究对象区域，该区块地形以中低山地和丘陵为主，地形起伏较大，地下水流向主要受岩层产状和构造部位控制，流向主要为顺岩层倾向的东西横向径流和顺构造线方向的南北纵向径流。
[0025]如图1所示，本实施例是一种基于原位光谱实时监测的页岩气开发区深层地下水环境监测及预警方法，采用多参数水质监测传感器、智能网关、云端服务器、深层地下水信息监测平台和移动端信息监测平台等组成系统实现，包括如下步骤：
[0026]步骤S1，在线监测装置的安装：根据区域水文地质调查、水文地质物探，确定页岩气开发区的地下本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种页岩气开发深层地下水环境监测及预警方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤S1，安装在线监测装置(1)：通过电动升降模组(2)将在线监测装置(1)下放到深层地下水监测井的液面之下；所述在线监测装置(1)包括密封舱(3)、传感器舱(4)和底座(5)，所述密封舱(3)内固定安装无线数据传输终端(6)、供电电池(7)和传感器控制板(8)；所述传感器舱(4)内安装具有多项参数监测功能的传感器，包括微型光谱传感器(9)、pH传感器(10)、水温传感器(11)，传感器舱(4)与外部相通，并设有滤网；步骤S2，水质监测数据采集：利用微型光谱传感器、pH传感器和水温传感器对深层地下水组分含量、pH和水温进行检测分析，通过控制电动升降模组(2)参数自动控制调整在线监测装置(1)的深度，对多层水位进行分层监测，获得不同水位层的监测数据；步骤S3，数据传输：将在线监测装置(1)的在线数据、设备运行情况高速连续不间断传输给智能网关(13)，通过网络传输层发送到云端服务器(14)，深层地下水信息监测平台(15)通过无线网络传输接收云端服务器中的数据；步骤S4，数据处理：深层地下水信息监测平台(15)对采集的地下水水质监测数据进行处理，包括将微型光谱传感器采集到的原始谱图进行基线校正、散射校正等光谱预处理；同时，采集监测井内水体样品，对其进行污染物的定性和定量分析，基于神经网络、多元线性回归、偏最小二乘等算法建立回归模型，建立标准监测物质光谱库和光谱信号与组分含量之间的回归关系；步骤S5，深层地下水信息监测平台根据建立的标准监测物质光谱库和光谱信号与组分含量之间的回归关系确定地下水污染物的含量，并进行地下水污染现状评价、地下水监测敏感性指标筛选和地下水质量评价；步骤S6，依据所构建地下水污染现状模拟和地下水污染趋势预测模型对地下水水质污染情况进行分析，在水质参数异常时，输出预警信息。2.根据权利要求1所述的页岩气开发深层地下水环境监测及预警方法，其特征在于，所述微型光谱传感器是基于紫外
‑
远红外吸收光谱分析、水体紫外荧光光谱分析的光谱学原理构建的，根据待测物质的特征光谱对物质进行定性或定量分析，其包括光源发射部、分光原件、光源接收部和数据处理等部分，采用卤素灯作为光源发射部，分光原件采用傅里叶变换，光谱数据处理是把采集的数据经过预处理、建模、回归分析算法等进行物质定性和定量分析，光谱数据处理部分是在深层地下水信息监测平台后台进行。3.根据权利要求1所述的页岩气开发深层地下水环境监测及预警方法，其特征在于，步骤S2中：所述微型光谱传感器对页岩气开发可能引起地下水污染的特征污染物含量进行检测分析，得到地下水的原始谱图；所述pH传感器对页岩气开发区地下水pH进行检测；所述水温传感器对页岩气开发区地下水水温进行检测。4.根据权利要求1、2或3所述的页岩气开发深层地下水环境监测及预警方法，其特征在于，步骤S3中：所示云端服务器(14)设置有数据接收模块、数据存储模块和数据发送模块。5.根据权利要求1、2或3所述的页岩气开发深层地下水环境监测及预警方法，其特征在于，所述步骤S5根据监测数据进行地下水污染现状评价、地下水监测敏感性指标筛选和地下水质量评价，具体是：采用单项污染指数法进行地下水污染评价，再将指标中累计污染负荷比RI＞70％确定
为地下水监测敏感性指标，再采用加附注评分法进行地下水质量综合评价；具体计算公式为:为:为:为:式中：P
i
为监测指标i的污染指数；Ci为监测指标i的测试结果；C0为GB/T 14848中水质量标准中特定项目标准限值；Pi为监测指标i的单项污染指数；R
I
为指标中累计污染负荷比；为Pi的平均值；P
imax
为Pi中最大值,F值评分法参照地下水标准推荐方法划分地下水质量级别：F＜0.80为优良、0.80≤F＜2.50为良好、2.50≤F＜4.25为较好、4.25≤F＜7.20为较差、F≥7.20为极差。6...

【专利技术属性】
技术研发人员：陆朝晖，黄永葵，李大华，许廷发，程礼军，秦庆旺，张健强，张烨，王锦喜，贺培，蒙春，王巧丽，
申请(专利权)人：北京理工大学重庆创新中心，
类型：发明
国别省市：