一种土壤和地下水挥发性有机物连续监测系统及预警方法与流程

本发明涉及环保领域，具体的说，本发明涉及一种土壤和地下水挥发性有机物连续监测系统及预警方法，更具体的说，本发明涉及一种针对炼化企业土壤和地下水挥发性有机物连续监测系统及预警方法。

背景技术：

石油生产行业工艺复杂，产品链长，中间产物和产品种类多，污染物成分复杂、毒性大，可生化性差，被认为是容易导致土壤和地下水的高风险行业。面对日益严峻的土壤和地下水污染风险防控形势严峻，开展企业用地土壤和地下水环境监测即是土壤和地下水污染环境风险防控的首要环节。

目前土壤与地下水的监测研究成为当前石油炼制行业污染防控技术研究的一个热点。其中，作为石油炼制行业特征污染物的挥发性有机物因种类多，危害性大、影响范围广成为了土壤和地下水监测的一个难点及重点。在对中国石油的24家炼化企业调研后发现企业土壤和地下水中污染物监测主要存在以下问题：

(1)企业土壤和地下水监测主要依托人工采样监测。完成一个水体断面的全项监测往往需要一个礼拜甚至更长的时间。因此，现有的人工采样监测方法无法满足全天候监测预警众多污染物能力的要求。

(2)原始数据采集频率在用于地下水渗漏预警时存在一定的滞后性。一个月或者一个季度监测一次，管理者很难通过原始数据对突发事故作出及时判断。

(3)传统的挥发性有机物检测的气相色谱仪器价格昂贵，对实验环境要求较高，多用于实验室定量分析，无法携带到现场使用，且无法同时监测土壤和地下水中的有机污染物。

技术实现要素：

本发明的一个目的在于提供一种土壤和地下水挥发性有机物连续监测系统。

本发明的另一目的在于提供一种对土壤和地下水挥发性有机物连续监测方法。

本发明的再一目的在于提供一种土壤和地下水挥发性有机物进行预警的方法。

为达上述目的，一方面，本发明提供了一种土壤和地下水挥发性有机物连续监测系统，其中，所述系统包括传感器集成单元1、数据传输单元2、和数据处理单元3，所述传感器集成单元1通过数据传输单元2与数据处理单元3电连接，所述传感器集成单元1包括浮标5、设置在浮标顶部的挥发性气体检测传感器6和设置在浮标底部的水质参数传感器7。

根据本发明一些具体实施方案，其中，所述浮标上部设置通孔8以及滑轨，挥发性气体检测传感器6可在滑轨上下移动。

该滑轨可以为本领域常规的滑轨，譬如，滑轨包括第一轨道51和第二轨道52，第一轨道51固定设置在浮标5顶部，第二轨道52固定设置在气体传感器6上，第一滑轨51和第二滑轨52可相对滑动的相互连接。

通过在浮标上设置通孔，监测井中的挥发性有机物通过通孔进入到浮标中，气体传感器用于监测土壤气和水中挥发的挥发性有机物。

通过在浮标上设置弧形顶盖，根据空气动力学原理设置了沟槽，使监测井中的挥发性有机物在上升过程中，形成涡流，聚集在浮标中心。优点在于利用挥发性有机物的自然扩散，而不使用泵。

通过在实验室的模拟测试，弧形顶盖可使挥发性有机物的检出限达到0.5ppm。

根据本发明一些具体实施方案，其中，浮标内还设置了溶氧电极711、电导电极712、ph电极713、orp电极714、浊度电极715、和温度传感器716中的一种或多种；所述溶氧电极711、电导电极712、ph电极713、orp电极714、浊度电极715、和温度传感器716中的一种或多种设置在浮标内的底端，以使得浮标在工作状态时，上述电极和传感器中的一种或多种没入水面1m以内。

根据地下水环境监测标准和炼化企业污染特点，地下水中低密度非水相液体(lightnon-aqueousphaseliquids，lnapl)主要存在于地下水面(0～1)米处。根据浮力计算公式f浮＝ρ液v排g…………………………①

为了控制水质水质传感器位于水面之下(0～1)米处，即

v排＝πr²h中h<1…………………………②

根据f浮＝g物＝mg…………………………③

得出：ρ液v排g＝mg…………………………④

进一步的：ρ液πr²hg＝mg…………………⑤

进一步的：h＝m/ρ液πr²…………………⑥

即：

即：m＜ρ液πr²……………………………⑧

其中：ρ液取水的密度：1×10³kg/m³，根据打井规范，r取0.045m；则整个传感器集成系统的质量m<6kg；

进一步的，为了控制浮标的重心，减轻系统重量，优选的整个系统重量m<1.5kg；使传感器尽量贴近lnapl，取浮标材料为pvc，优选的为pvc管材；

优选的，浮标直径为90mm；浮标高度为380mm；使浮标的浮力恰好满足水质传感器位于水面之下(0～1)米处。

根据本发明一些具体实施方案，其中，所述系统还包括太阳能供电系统4，所述太阳能供电系统4与所述传感器集成单元1、数据传输单元2和数据处理单元3电连接。

根据本发明一些具体实施方案，其中，所述水质参数传感器7的探头71上设置电动清洁刷72。

本发明在每次测量之前可以启动电动清洁刷清理传感器探头。

另一方面，本发明还提供了一种应用本发明任意一项所述的监测系统对土壤和地下水挥发性有机物连续监测方法，其中，所述方法包括：

(1)在待监测区域钻探成地下水监测井，将浮标(5)置于地下水监测井内水中，并确保水质参数传感器7没入水面1m以内；挥发性气体检测传感器6位于水面之上2m以内；

(2)通过水质参数传感器7对地下水监测井内水的水温、溶氧、电导、ph、orp、和浊度进行检测；并利用挥发性气体检测传感器6对土壤和地下水中挥发性有机物进行同时检测；

(3)通过步骤(2)得到的数据，数据处理单元3对数据建模和拟合，计算出轻质非水相液体厚度；并根据气液平衡系数，计算水中挥发性有机物含量；

(4)通过系统标定的计算模型，将步骤(3)测得的水中挥发性有机物含量，代入模型，计算监测井中的总挥发性有机物浓度。

根据本发明一些具体实施方案，其中，所述挥发性有机物选自轻质非水相液体、苯系物、卤代烃类、和石油烃化合物中的一种或多种的混合。

根据本发明一些具体实施方案，其中，步骤(3)的计算模型为：

cbtex2＝δcbtex1，其中：δ为气液平衡系数；cbtex2为地下水监测井中气态挥发性有机物总含量；cbtex1为地下水监测井中水中挥发性有机物的含量。

根据本发明一些具体实施方案，其中，包括按照下面公式计算δ：

其中：t为水温，单位为开尔文；hlnapl为轻质非水相液体(lnapl)厚度，单位为mm；g测为待测监测井中电导；g背为背景监测井中的电导。

根据本发明一些具体实施方案，其中，步骤(3)是利用下面公式计算出轻质非水相液体厚度hlnapl：

其中：t为水温，单位为开尔文；hlnapl为轻质非水相液体(lnapl)厚度，单位为mm；g测为待测监测井中电导；g背为背景监测井中的电导。

根据本发明一些具体实施方案，其中，步骤(1)包括根据炼化企业的特征污染因子，对背景监测井和地下水监测井中的水和气进行采样，对样品进行分析，以检测得到初始的cbtex1和cbtex2，然后再计算得到气液平衡系数δ。

根据本发明一些具体实施方案，其中，步骤(1)包括根据炼化企业的特征污染因子，对背景监测井和地下水监测井中的水和气进行采样，对样品进行分析，以检测得到初始的cbtex1和cbtex2，然后再根据公式cbtex2＝δcbtex1计算得到气液平衡系数δ。

根据本发明一些具体实施方案，本发明的方法可以具体包括：

(1)根据炼化企业的特征污染因子，对背景监测井和待测监测井中的水和气进行采样，将样品送到实验室进行分析，检测项目为：地下水和土壤气苯系物浓度(cbtex1)、地下水监测井中气态挥发性有机物总含量(cbtex2)。

(2)将浮标5置于背景监测井和待测监测井内水中，并确保水质参数传感器7没入水面(0～1)m以内，优选的没入水面(0～0.25)m以内；沿导轨上下移动挥发性气体检测传感器6，使之位于土壤气中挥发性有机物浓度最高处；

(3)读取挥发性气体检测传感器6的浓度值(cbtex2)；读取水质参数传感器7的水温(t)、溶氧(d)、电导(g)、ph(p)、orp(o)、和浊度(t)。

(4)建立模型：cbtex2＝δcbtex1，其中：δ为气液平衡系数；

(5)其中：t为水温，单位为开尔文；hlnapl为轻质非水相液体(lnapl)厚度，单位为mm；g测为待测监测井中电导；g背为背景监测井中的电导；

(6)进一步的，

(7)通过步骤(1)～(4)，可以算出每个监测井的地下水和土壤气苯系物浓度(cbtex1)；

(8)通过步骤(1)～(6)，得到每个监测井中的轻质非水相液体(lnapl)厚度。

根据本发明一些具体实施方案，其中，所述挥发性有机物选自轻质非水相液体(lnapl)、苯系物、卤代烃类、和石油烃化合物中的一种或多种的混合。

在重点监测的位置进行钻探成井，钻井须遵守《dz/t0270-2014地下水监测井建设规范》，建设可以同时监测土壤气和地下水的监测井。

再一方面，本发明还提供了一种应用本发明任意一项所述的监测系统对土壤和地下水挥发性有机物进行预警的方法，所述方法包括如下步骤：

(1)在待监测区域钻探成地下水监测井，将浮标5置于地下水监测井内水中，并确保水质参数传感器7没入水面1m以内；挥发性气体检测传感器6位于水面之上2m以内；

(2)通过水质参数传感器7对地下水监测井内水的水温、溶氧、电导、ph、orp、和浊度进行检测；并利用挥发性气体检测传感器6对土壤和地下水中挥发性有机物进行同时检测；

(3)通过步骤(2)得到的数据，数据处理单元(3)对数据建模和拟合，计算出轻质非水相液体厚度；并根据气液平衡系数，计算水中挥发性有机物含量；

(4)通过系统标定的计算模型，将步骤(3)测得的水中挥发性有机物含量，代入模型，计算监测井中的总挥发性有机物浓度；

(5)根据步骤(3)得到的轻质非水相液体厚度以及步骤(4)得到的监测井中的总挥发性有机物浓度，当数值超过报警阈值时，发出预警信息，实现预警功能。

根据本发明一些具体实施方案，其中，步骤(3)的计算模型为：

cbtex2＝δcbtex1，其中：δ为气液平衡系数；cbtex2为地下水监测井中气态挥发性有机物总含量；cbtex1为地下水监测井中水中挥发性有机物的含量。

根据本发明一些具体实施方案，其中，包括按照下面公式计算δ：

其中：t为水温，单位为开尔文；hlnapl为轻质非水相液体(lnapl)厚度，单位为mm；g测为待测监测井中电导；g背为背景监测井中的电导。

根据本发明一些具体实施方案，其中，步骤(3)是利用下面公式计算出轻质非水相液体厚度hlnapl：

其中：t为水温，单位为开尔文；hlnapl为轻质非水相液体(lnapl)厚度，单位为mm；g测为待测监测井中电导；g背为背景监测井中的电导。

根据本发明一些具体实施方案，其中，步骤(1)包括根据炼化企业的特征污染因子，对背景监测井和地下水监测井中的水和气进行采样，对样品进行分析，以检测得到初始的cbtex1和cbtex2，然后再计算得到气液平衡系数δ。

根据本发明一些具体实施方案，其中，步骤(1)包括根据炼化企业的特征污染因子，对背景监测井和地下水监测井中的水和气进行采样，对样品进行分析，以检测得到初始的cbtex1和cbtex2，然后再根据公式cbtex2＝δcbtex1计算得到气液平衡系数δ。

根据本发明一些具体实施方案，本发明的方法可以具体包括：

(1)根据炼化企业的特征污染因子，对背景监测井和待测监测井中的水和气进行采样，将样品送到实验室进行分析，检测项目为：地下水和土壤气苯系物浓度(cbtex1)、地下水监测井中气态挥发性有机物总含量(cbtex2)；

(2)将浮标5置于背景监测井和待测监测井内水中，并确保水质参数传感器7没入水面(0～1)m以内，优选的没入水面(0～0.25)m以内；沿导轨上下移动挥发性气体检测传感器6，使之位于土壤气中挥发性有机物浓度最高处；

(3)读取挥发性气体检测传感器6的浓度值(cbtex2)；读取水质参数传感器7的水温(t)、溶氧(d)、电导(g)、ph(p)、orp(o)、和浊度(t)。

(4)建立模型：cbtex2＝δcbtex1，其中：δ为气液平衡系数；

(5)其中：t为水温，单位为开尔文；hlnapl为轻质非水相液体(lnapl)厚度，单位为mm；g测为待测监测井中电导；g背为背景监测井中的电导；

(6)进一步的，

(7)通过步骤(1)～(4)，可以算出每个监测井的地下水和土壤气苯系物浓度(cbtex1)；

(8)通过步骤(1)～(6)，得到每个监测井中的轻质非水相液体(lnapl)厚度；

(9)通过步骤(1)～(6)得到的数值，当数值超过报警阈值时，发出预警信息，实现预警功能。

根据本发明一些具体实施方案，其中，所述挥发性有机物选自轻质非水相液体(lnapl)、苯系物、卤代烃类、和石油烃化合物中的一种或多种的混合。

根据本发明一些具体实施方案，其中，步骤(1)还包括钻探背景监测井。

本发明所述背景监测井为本领域所熟知，一般而言，所述背景监测井设置在监测井上游没有受到污染的区域。

本发明可以通过长期在线监测某个监测井的土壤和地下水，比如半个月，绘制水质六参数、土壤气参数的数据曲线，取中位数为背景值；背景值的2倍为预警值(可调)；当监测数据出现异常，高于预警值时，数据中心通过平台下发预警信息，实现在线预警。

本发明通过实验室模拟，可以建立水质六参数与挥发性有机物浓度相关性参数，从而通过仅测定水质六参数间接实现对水中挥发性有机物的监测和预警。

综上所述，本发明提供了一种土壤和地下水挥发性有机物连续监测系统及方法。本发明的方法具有如下优点：

1、同时对炼化企业监测井中的地下水中挥发性有机物和土壤气中挥发性有机物进行监测；

2、能长时间在线监测，提高采样监测效率；

3、超过阈值能及时预警，预防污染发生；

4、实现监测数据实时跟踪，无线传输，减少人工工作量。

附图说明

图1为实施例1的监测系统示意图；

图2为实施例1的传感器集成单元示意图。

图3为实施例1的水质传感器单元排列示意图；

图4为实施例1的挥发性气体检测传感器设置示意图。

具体实施方式

以下通过具体实施例详细说明本发明的实施过程和产生的有益效果，旨在帮助阅读者更好地理解本发明的实质和特点，不作为对本案可实施范围的限定。

实施例1

本发明所述的炼化企业土壤和地下水挥发性有机物连续在线监测预警方法，如图1、图2所示。

该方法包括硬件系统：传感器集成单元1，即水质参数传感器7和挥发性气体检测传感器6(一套)，太阳能供电系统4(一套)，数据采集、传输单元(一套)(图1中的2)，以及数据处理单元3。其中，浮标5中包含溶氧电极(图3中711)、电导电极(图3中712)、ph电极(图3中713)、0rp电极(图3中714)、浊度电极(图3中715)、温度传感器(图3中716)，以及气体传感器(图2中6)，挥发性气体检测传感器6可通过滑轨(51、52)上下移动(如图4所示，其中滑轨的第一轨道51固定设置在浮标5顶部，第二轨道52固定设置在气体传感器6上，第一滑轨51和第二滑轨52可相对滑动的连接)。浮标(图2中5)靠水的浮力，实现浮标的动态平衡，随着地下水的水位变化动态变化，确保水质传感器始终浸没在水中。

溶氧电极、电导电极、ph电极、orp电极、浊度电极、温度传感器、气体传感器通过系统的数据采集电路板实现数据采集，采集单元将数据通过导线发送到系统的传输单元。传输单元再通过无线网络将数据上传到监测平台。

监测过程：

1.在背景点和重点监测区域选好点位，按规范《dz/t0270-2014地下水监测井建设规范》打监测井。对背景监测井和地下水监测井中的水和气进行采样，对样品进行分析，以检测得到初始的cbtex1和cbtex2，然后再根据公式cbtex2＝δcbtex1计算得到气液平衡系数δ。

2.将本发明中的浮标放入背景点监测井中，按说明将本发明所述系统按接线图联通，实现数据上传。

3.在监测平台记录1周的监测数据，绘制溶氧、电导、ph、orp、浊度、挥发性有机物等污染因子的趋势线，进行拟合，取中位数为背景值；3倍背景值为报警阈值。其中按照如下计算模型来计算监测井中的挥发性有机物浓度：

cbtex2＝δcbtex1，其中：δ为气液平衡系数；

其中：t为水温，单位为开尔文；hlnapl为轻质非水相液体(lnapl)厚度，单位为mm；g测为待测监测井中电导；g背为背景监测井中的电导；

4.在重点监测区域的监测井中重复上述步骤1-3。

5.当重点监测区域的监测井中监测数据达到报警阈值时，监测平台下发报警信息。

本发明监测测量范围及精度：

温度：(-5～+50)℃，±0.1℃；

电导率：(0～350000)μs/cm；±1％示值；

ph：(0～14)ph；±0.1ph；

orp：±1400mv；±5mv；

do：(0～50)mg/l；±0.2mg/l；

浊度：(0～4000)ntu；±2ntu；

挥发性有机物：(0～1000)ppm。