加油站地下水甲基叔丁基醚（MTBE）的遷移模擬研究

王 鵬，周瑞靜，宋 煒，周 磊（北京市地質工程勘察院，北京 100048）

加油站地下水甲基叔丁基醚（MTBE）的遷移模擬研究

王 鵬，周瑞靜，宋 煒，周 磊
（北京市地質工程勘察院，北京 100048）

本文以北京市某加油站為例，在水文地質調查、地下水水質評價的基礎上，采用Visual MODFLOW模型進行地下水流場及溶質運移模擬，預測MTBE在地下水中的遷移及污染趨勢。結果表明：監測井水質污染現狀為VI級極重污染，主要貢獻指標是錳和MTBE；所建立的模型基本達到精度要求，符合工作區水文地質條件，能基本反映該區地下水系統動態特征；利用模型對地下水中MTBE的運移模擬可知，運移100天后，加油站下游約500m處潛水中MTBE將檢出，運移800天后，距離加油站最近的水源井一級保護區內潛水將能檢出MTBE，1500天后，距離加油站最近的水源井處潛水中的MTBE濃度將遠超過0.5μg/L，另外運移2550天后，MTBE將影響至承壓水，4015天后，距離加油站最近的承壓水水源井中MTBE的濃度將達到0.5μg/L。

甲基叔丁基醚（MTBE）；加油站；地下水；遷移模擬

0　引言

地下水是水資源的重要組成部分。目前，全國657個城市中，有400多個以地下水為飲用水源。在北方地區，65%的生活用水、50%的工業用水和33%的農業灌溉用水依靠于地下水。但是，當前地下水污染狀況不斷加劇（環境保護部，2011）。

加油站是土壤和地下水污染的潛在最大污染源之一。鑒于其數量日益增加，多分布于人口密集車水馬龍的城市，其污染風險性高，危害性大。加油站的地下儲罐和管線發生泄漏后，不僅會污染土壤，還會通過土壤淋溶、滲濾作用進入土體深層和地下水，造成地下水污染，且很難被清理整治。近年來，加油站滲漏造成的污染事故時有發生，且隨著地下儲油罐和輸油管線服役年齡的增加，發生滲漏的可能性更大，它有可能成為我國第一大地下有機污染源，對生態環境和人類健康造成巨大威脅（康曉鈞等，2013）。

甲基叔丁基醚（MTBE），作為一種新型的無鉛汽油添加劑，在汽油無鉛化的要求下開始大量推廣。它的使用有助于減少汽車尾氣中一氧化碳和揮發性有機物的排放，卻導致MTBE在地下環境中不斷積累（路佳等，2006）。在2013年北京市加油站地下水基礎環境調查評估的工作中，對21個重點加油站的地下水污染現狀進行了調查，結果有19個加油站檢出了MTBE，檢出率高達90.5%（宋煒等，2014）。MTBE具有低辛醇/水分配系數及高水溶性，比汽油中的其他組分更容易傳遞至地下水，而且MTBE在土壤中的延滯作用小，難被生物降解，能形成較大范圍的污染羽流，因而MTBE在地下水中的出現往往是汽油泄漏的最好指示（李洪，2007）。再加上MTBE嚴重威脅著土壤和地下水公共安全與人群健康，有研究表明，人少量吸入MTBE會刺激鼻子和咽喉，引起頭痛、惡心和眩暈，飲用含MTBE的水會引發腸胃炎，而且對肝臟、腎臟以及神經系統也有損害，并有致癌可能（劉愛芬等，2005）。因此，分析預測MTBE在地下環境中的遷移過程，把握MTBE在土壤和地下水中的遷移傳遞規律，對加油站場地的污染防治和監管修復均有非常重大的指導意義。

目前對于有機污染物在地下水環境中遷移的研究多集中考察芳香族化合物或者有機氯溶劑等，MTBE在土壤和地下水中的遷移傳遞規律少有報道（劉明柱等，2005；曹紅，2010；劉俊健，2011）。本研究以北京市某加油站為例，在資料收集、水文地質條件調查、地下水水質調查及污染評價的基礎上，采用Visual MODFLOW模型進行地下水流場及溶質運移模擬，預測MTBE在地下水中的遷移規律和污染趨勢，旨在為加油站場地的污染預測預報、防治修復提供理論指導和科學依據。

1　加油站基本情況

北京市某加油站地處北京市水源五廠的防護區內，距離下游水源五廠最近水源井的一級保護區約1.4km。該站始建于2003年，占地面積約1500m2，有6個加油機和4個臥式埋地油罐，總容量為100m3，日均銷售約29m3。埋地油罐為單層鋼材，環氧樹脂、混凝土外壁保護，建有防滲池。輸油管線為無縫鋼管，雙層管保護，卸油方式為密閉式。加油站地面采用水泥固化，加油站否認發生過泄漏事故。該站設有地下水監測井，調查時實測水位12.2m，無土壤氣監測井，其平面布置圖見圖1。

圖1　加油站平面布置圖Fig.1　Layout of a gas station

該加油站場地所在區域第四系含水層性質、埋藏及分布規律受古地形及永定河等河流作用所控制，含水層巖性主要為砂礫石、中粗砂和細砂。西南部第四系含水層以多層砂礫石層及少數砂層為主，其余大部分地區含水層以多層砂層為主。區域第四系地下水的補給來源主要有大氣降水補給、地下水側向徑流補給和地表水入滲補給，排泄方式為側向徑流和人工開采，地下水由西向東徑流。

2　地下水污染現狀評價

2.1采樣與分析

利用加油站已有的監測井作為監測點，委托具備計量認證CMA資質的北京華測北方檢測技術有限公司進行采樣和測試分析工作。測試指標包括19項基本指標（氯化物、硫酸鹽、氨氮、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮、總硬度、溶解性總固體、氟化物、鈷、鋇、鐵、銅、鉛、鎘、汞、砷、錳、鋅和總石油類）和5項特征指標（苯、甲苯、對/間二甲苯、MTBE、和1，2-二氯乙烷）。

2.2地下水污染現狀評價方法

采用污染指數法進行地下水污染評價。污染指數P≤0為I級未污染；0＜P≤0.2為Ⅱ級輕污染；0.2 ＜P≤0.6為Ⅲ級中污染；0.6＜P≤1.0評為Ⅳ級較重污染；1.0＜P≤1.5為Ⅴ級嚴重污染；P≥1.5即為Ⅵ級極重污染。計算公式

式中：Pki——k水樣第i個指標的污染指數。

Cki——k水樣第i個指標的測試值。

C0——k水樣第i個指標的對應背景值。對本次污染現狀評價中的無機指標，其背景值采用《北京市地下水1990年水質監測資料》中朝陽區監測數據，重金屬指標、有機組分等地下水中原生含量微弱的組分背景值以實驗室檢出限計算。

CⅢ——k水樣指標i參照的標準限值。對除總石油類以外的其它基本指標，CⅢ值采用《地下水質量標準》（GB/T14848-93）Ⅲ類標準值；對總石油類、苯、甲苯、對/間二甲苯、1，2-二氯乙烷，參考《生活飲用水衛生標準》（GB 5749-2006）中的標準限值進行評價。MTBE參考《美國飲用水水質標準》中的標準限值進行評價。

2.3地下水污染現狀評價結果

根據水質監測和評價結果知，監測井水質基本指標現狀污染級別為VI級極重污染，基本指標污染的主要貢獻指標為錳，其次是鐵。硫酸鹽、亞硝酸鹽、溶解性總固體、總硬度、鈷、鋇指標也存在中度污染。對5項特征指標，水質污染級別也是VI級極重污染，最主要的污染貢獻者為MTBE，其他指標苯、甲苯、對/間二甲苯和1，2-二氯乙烷均為I級未污染。

3　地下水MTBE遷移模擬

3.1地下水系統概念模型

根據區域水文地質條件、鉆孔資料、地下水水位動態和抽水試驗成果分析，確定模擬區西部、東部、北部和南部邊界，其中西部邊界和東部邊界與地下水等水位線平行，設置為定水頭邊界；北部和南部邊界與地下水等水位線垂直，設置為零通量邊界。模擬區概化為非均質各向異性、空間三維結構、非穩定地下水流系統，內部結構為潛水含水層、弱透水層和承壓含水層。潛水含水層自由水面為模擬區的上邊界，通過該邊界，潛水與系統外發生垂向水量交換。模擬區的底界處理為隔水邊界，模型底板深150m。考慮地下水流向及環境敏感點分布情況，模擬區范圍如圖2所示，面積約為3.3km2。

圖2　模擬范圍圖Fig.2　Map of simulation scope

3.2 地下水系統數值模擬模型

（1）模型的建立

對于上述非均質、各向同性、空間三維結構、非穩定地下水流系統，可用地下水流連續性方程及其定解條件來描述。選擇地下水模型軟件Visual MODFLOW求解該定解問題，建立工作區地下水數值模擬模型。

（2）模型的前期處理

模擬區采用有限差分法進行網格剖分，模型網格大小為100m×100m，并對加油站分布區加密至15m。模擬時期選定為2011年5月至2013年5月。采用2011年5月統測的淺層地下水水位，按照內插法和外推法獲得潛水含水層的初始水位，再考慮到整體流場虛擬水位值，通過模擬運算反復推敲得到各層的初始流場。各個流量邊界的參數主要考慮模擬初期和模擬末期的流場，擬合邊界流入流出量，并通過總補給量、流場等來校正參數。水文地質參數主要通過查閱區域內鉆孔勘察歷史資料并結合現狀水文地質條件獲得。

（3）模型的識別與檢驗

通過反復調整參數和均衡量，識別水文地質條件，確定了模型結構和參數。模擬期末（2013年5月）潛水含水層的模擬流場與實際流場對比見圖3。由這些擬合曲線可知，所建模型基本達到精度要求，符合模擬區實際水文地質條件，反映了該地下水系統的動態特征，故可用來進行地下水流場及溶質運移模擬。

圖3　模擬期末（2013年5月）水位等值線擬合圖Fig. 3 The fitting chart of water level contour by the end of simulation period

3.3MTBE運移模擬預測

位于模擬區下游的水源井距離加油站場區較近，考慮為潛在的污染受體。模擬區主要污染因子為MTBE，它在地下水含水層中的運移符合對流-彌散原理，且彌散作用符合費克定律。由于MTBE在地下水中濃度較低，其吸附符合平衡等溫線性吸附。

模擬區MTBE運移模型的垂向、側向邊界處理對應于上述地下水系統模型的邊界設定。結合研究區水文地質特點和地下水水質監測結果，確定MTBE運移模型的相關參數和初始濃度，見表1。

表1　模型相關參數賦值Tab.1 The value of several model parameters

使用上述校正過的模型對評估區中MTBE的遷移趨勢進行預測分析可知：MTBE運移100天后，加油站下游約500m處潛水中MTBE將被檢出，檢出和超標范圍見圖4；MTBE運移800天后，距離加油站最近的水源井一級保護區內潛水將能檢出MTBE，即該處濃度達到了0.5μg/L；MTBE運移1500天后，距離加油站最近的水源井處潛水的MTBE濃度將遠超過0.5μg/L（圖5），該井北側潛水MTBE濃度將超標。另外，MTBE運移2550天后，MTBE將遷移至承壓水；MTBE運移4015天后，距離加油站最近的承壓水水源井中MTBE將被檢出，即濃度達到0.5μg/L（圖6）。

4　結論

（1）通過地下水污染現狀評價結果可知：研究區加油站監測井水質基本指標和特征指標的現狀污染級別均為VI級極重污染，基本指標污染的主要貢獻指標為錳，其次是鐵，而特征指標中最明顯的污染貢獻者為MTBE。

圖4　潛水MTBE檢出及超標范圍圖（100d）Fig.4　Diagram of MTBE distribution in the phreatic aquifer after 100 days

（2）采用Visual MODFLOW模型進行地下水流場及溶質運移模擬，結果顯示：通過多次模型識別和檢驗，所建立的模型基本達到精度要求，符合工作區水文地質條件，能基本反映該區地下水系統的動態特征，可用于溶質運移模擬。

（3）MTBE運移模擬結果顯示，運移100天后，此加油站下游約500m處潛水中MTBE將檢出，運移800天后，距離加油站最近的水源井一級保護區內潛水將能檢出MTBE，1500天后，距離加油站最近的水源井處潛水的MTBE濃度將遠超過0.5μg/L。另外運移2550天后，MTBE將遷移至承壓水，4015天后，距離加油站最近的承壓水水源井中MTBE的濃度將達到0.5μg/L。

圖5　潛水MTBE檢出及超標范圍圖（1500d）Fig.5 Diagram of MTBE distribution in the phreatic aquifer after 1500 days

圖6　承壓水MTBE檢出范圍圖（4015d）Fig.6 Diagram of MTBE distribution in the artesian aquifer after 4150 days

［1］環境保護部. 全國地下水污染防治規劃（2011—2020年 ）［EB/OL］. 2011. http∶//www.zhb.gov.cn/gkml/ hbb/bwj/201111/t20111109_219754.htm.

［2］康曉鈞，姜月華，李云，等. 蘇南某市A1加油站滲漏污染特征及啟示［J］. 地下水，2013，35（3）：65～68.

［3］路佳，徐芳，蔡偉民. 甲基叔丁基醚的污染治理技術研究進展［J］. 環境污染與防治，2006，28（5）：365～368.

［4］宋煒，周瑞靜，周磊，等. 2013年北京市加油站地下水基礎環境狀況調查評估報［R］. 2014.

［5］李洪. 甲基叔丁基醚在地下環境中遷移過程研究［D］. 2007.

［6］劉愛芬，莊德輝，吳振斌. 甲基叔丁基醚（ MTBE）的環境毒理學研究進展［J］. 環境科學與技術，2005，28（5）：108～111.

［7］劉明柱，陳鴻漢，胡麗琴. 北方某城市淺層地下水中有機污染物遷移轉化的數值模擬研究［J］. 中國地質，2005，3∶ 507～511.

［8］曹紅. 污染場地有機污染物遷移轉化規律及其含水層系統天然凈化能力研究［D］. 2010.

［9］劉俊建. 典型持久性有機污染物在城市污水處理過程中的遷移轉化規律研究［D］. 2011.

Study on Transfer Simulation of Methyl Tertiary Butyl Ether （MTBE） in Groundwater around Gas Station

WANG Peng， ZHOU Ruijing， SONG Wei， ZHOU Lei
（Beijing Institute of Geological and Prospecting Engineering， Beijing 100048）

This case study was done at a gas station in Beijing. On the basis of field investigation of hydrogeological condition and groundwater quality， the Visual MODFLOW is utilized to model subsurface flow field and solute transportation， to predict the migration characters and pollution tendency of MTBE in groundwater. The results show that the water pollution level at the monitoring well is up to level-VI （very serious pollution）. The major pollution factors are Mn and MTBE. The established model meets the requirements of simulation precision after model identification and verification， and it fits the hydrogeological conditions of the research area， which can reflect the dynamic characteristics of groundwater flow. By using the model to simulate MTBE migration， it has found out: after 100 days， MTBE can be detected in the phreatic layer at the downstream of the gas station 500m away； after 800 days， MTBE can be detected in the first-grade protection zone of the water supply well which is closest to the gas station； after 1500 days， the concentration of MTBE in the phreatic layer at the water supply well near the gas station is more than 0.5μg/L. In addition， MTBE would migrate to the artesian aquifer after 2550 days. After 4015 days， the concentration of MTBE in the artesian aquifer at the water supply well would amount to 0.5 μg/L.

Methyl tertiary butyl ether （MTBE）； Gas station； Groundwater； Transfer simulation

X523

A

1007-1903（2016）01-0010-06

10.3969/j.issn.1007-1903.2016.01.003

王鵬（1985- ），女，工程師，主要從事地下水資源、地下水環境研究。Email∶ wpfighting@163.com