加油站地下水甲基叔丁基醚（MTBE）的迁移模拟研究

王 鹏，周瑞静，宋 炜，周 磊（北京市地质工程勘察院，北京 100048）

加油站地下水甲基叔丁基醚（MTBE）的迁移模拟研究

王 鹏，周瑞静，宋 炜，周 磊
（北京市地质工程勘察院，北京 100048）

本文以北京市某加油站为例，在水文地质调查、地下水水质评价的基础上，采用Visual MODFLOW模型进行地下水流场及溶质运移模拟，预测MTBE在地下水中的迁移及污染趋势。结果表明：监测井水质污染现状为VI级极重污染，主要贡献指标是锰和MTBE；所建立的模型基本达到精度要求，符合工作区水文地质条件，能基本反映该区地下水系统动态特征；利用模型对地下水中MTBE的运移模拟可知，运移100天后，加油站下游约500m处潜水中MTBE将检出，运移800天后，距离加油站最近的水源井一级保护区内潜水将能检出MTBE，1500天后，距离加油站最近的水源井处潜水中的MTBE浓度将远超过0.5µg/L，另外运移2550天后，MTBE将影响至承压水，4015天后，距离加油站最近的承压水水源井中MTBE的浓度将达到0.5µg/L。

甲基叔丁基醚（MTBE）；加油站；地下水；迁移模拟

0　引言

地下水是水资源的重要组成部分。目前，全国657个城市中，有400多个以地下水为饮用水源。在北方地区，65%的生活用水、50%的工业用水和33%的农业灌溉用水依靠于地下水。但是，当前地下水污染状况不断加剧（环境保护部，2011）。

加油站是土壤和地下水污染的潜在最大污染源之一。鉴于其数量日益增加，多分布于人口密集车水马龙的城市，其污染风险性高，危害性大。加油站的地下储罐和管线发生泄漏后，不仅会污染土壤，还会通过土壤淋溶、渗滤作用进入土体深层和地下水，造成地下水污染，且很难被清理整治。近年来，加油站渗漏造成的污染事故时有发生，且随着地下储油罐和输油管线服役年龄的增加，发生渗漏的可能性更大，它有可能成为我国第一大地下有机污染源，对生态环境和人类健康造成巨大威胁（康晓钧等，2013）。

甲基叔丁基醚（MTBE），作为一种新型的无铅汽油添加剂，在汽油无铅化的要求下开始大量推广。它的使用有助于减少汽车尾气中一氧化碳和挥发性有机物的排放，却导致MTBE在地下环境中不断积累（路佳等，2006）。在2013年北京市加油站地下水基础环境调查评估的工作中，对21个重点加油站的地下水污染现状进行了调查，结果有19个加油站检出了MTBE，检出率高达90.5%（宋炜等，2014）。MTBE具有低辛醇/水分配系数及高水溶性，比汽油中的其他组分更容易传递至地下水，而且MTBE在土壤中的延滞作用小，难被生物降解，能形成较大范围的污染羽流，因而MTBE在地下水中的出现往往是汽油泄漏的最好指示（李洪，2007）。再加上MTBE严重威胁着土壤和地下水公共安全与人群健康，有研究表明，人少量吸入MTBE会刺激鼻子和咽喉，引起头痛、恶心和眩晕，饮用含MTBE的水会引发肠胃炎，而且对肝脏、肾脏以及神经系统也有损害，并有致癌可能（刘爱芬等，2005）。因此，分析预测MTBE在地下环境中的迁移过程，把握MTBE在土壤和地下水中的迁移传递规律，对加油站场地的污染防治和监管修复均有非常重大的指导意义。

目前对于有机污染物在地下水环境中迁移的研究多集中考察芳香族化合物或者有机氯溶剂等，MTBE在土壤和地下水中的迁移传递规律少有报道（刘明柱等，2005；曹红，2010；刘俊健，2011）。本研究以北京市某加油站为例，在资料收集、水文地质条件调查、地下水水质调查及污染评价的基础上，采用Visual MODFLOW模型进行地下水流场及溶质运移模拟，预测MTBE在地下水中的迁移规律和污染趋势，旨在为加油站场地的污染预测预报、防治修复提供理论指导和科学依据。

1　加油站基本情况

北京市某加油站地处北京市水源五厂的防护区内，距离下游水源五厂最近水源井的一级保护区约1.4km。该站始建于2003年，占地面积约1500m2，有6个加油机和4个卧式埋地油罐，总容量为100m3，日均销售约29m3。埋地油罐为单层钢材，环氧树脂、混凝土外壁保护，建有防渗池。输油管线为无缝钢管，双层管保护，卸油方式为密闭式。加油站地面采用水泥固化，加油站否认发生过泄漏事故。该站设有地下水监测井，调查时实测水位12.2m，无土壤气监测井，其平面布置图见图1。

图1　加油站平面布置图Fig.1　Layout of a gas station

该加油站场地所在区域第四系含水层性质、埋藏及分布规律受古地形及永定河等河流作用所控制，含水层岩性主要为砂砾石、中粗砂和细砂。西南部第四系含水层以多层砂砾石层及少数砂层为主，其余大部分地区含水层以多层砂层为主。区域第四系地下水的补给来源主要有大气降水补给、地下水侧向径流补给和地表水入渗补给，排泄方式为侧向径流和人工开采，地下水由西向东径流。

2　地下水污染现状评价

2.1采样与分析

利用加油站已有的监测井作为监测点，委托具备计量认证CMA资质的北京华测北方检测技术有限公司进行采样和测试分析工作。测试指标包括19项基本指标（氯化物、硫酸盐、氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮、总硬度、溶解性总固体、氟化物、钴、钡、铁、铜、铅、镉、汞、砷、锰、锌和总石油类）和5项特征指标（苯、甲苯、对/间二甲苯、MTBE、和1，2-二氯乙烷）。

2.2地下水污染现状评价方法

采用污染指数法进行地下水污染评价。污染指数P≤0为I级未污染；0＜P≤0.2为Ⅱ级轻污染；0.2 ＜P≤0.6为Ⅲ级中污染；0.6＜P≤1.0评为Ⅳ级较重污染；1.0＜P≤1.5为Ⅴ级严重污染；P≥1.5即为Ⅵ级极重污染。计算公式

式中：Pki——k水样第i个指标的污染指数。

Cki——k水样第i个指标的测试值。

C0——k水样第i个指标的对应背景值。对本次污染现状评价中的无机指标，其背景值采用《北京市地下水1990年水质监测资料》中朝阳区监测数据，重金属指标、有机组分等地下水中原生含量微弱的组分背景值以实验室检出限计算。

CⅢ——k水样指标i参照的标准限值。对除总石油类以外的其它基本指标，CⅢ值采用《地下水质量标准》（GB/T14848-93）Ⅲ类标准值；对总石油类、苯、甲苯、对/间二甲苯、1，2-二氯乙烷，参考《生活饮用水卫生标准》（GB 5749-2006）中的标准限值进行评价。MTBE参考《美国饮用水水质标准》中的标准限值进行评价。

2.3地下水污染现状评价结果

根据水质监测和评价结果知，监测井水质基本指标现状污染级别为VI级极重污染，基本指标污染的主要贡献指标为锰，其次是铁。硫酸盐、亚硝酸盐、溶解性总固体、总硬度、钴、钡指标也存在中度污染。对5项特征指标，水质污染级别也是VI级极重污染，最主要的污染贡献者为MTBE，其他指标苯、甲苯、对/间二甲苯和1，2-二氯乙烷均为I级未污染。

3　地下水MTBE迁移模拟

3.1地下水系统概念模型

根据区域水文地质条件、钻孔资料、地下水水位动态和抽水试验成果分析，确定模拟区西部、东部、北部和南部边界，其中西部边界和东部边界与地下水等水位线平行，设置为定水头边界；北部和南部边界与地下水等水位线垂直，设置为零通量边界。模拟区概化为非均质各向异性、空间三维结构、非稳定地下水流系统，内部结构为潜水含水层、弱透水层和承压含水层。潜水含水层自由水面为模拟区的上边界，通过该边界，潜水与系统外发生垂向水量交换。模拟区的底界处理为隔水边界，模型底板深150m。考虑地下水流向及环境敏感点分布情况，模拟区范围如图2所示，面积约为3.3km2。

图2　模拟范围图Fig.2　Map of simulation scope

3.2 地下水系统数值模拟模型

（1）模型的建立

对于上述非均质、各向同性、空间三维结构、非稳定地下水流系统，可用地下水流连续性方程及其定解条件来描述。选择地下水模型软件Visual MODFLOW求解该定解问题，建立工作区地下水数值模拟模型。

（2）模型的前期处理

模拟区采用有限差分法进行网格剖分，模型网格大小为100m×100m，并对加油站分布区加密至15m。模拟时期选定为2011年5月至2013年5月。采用2011年5月统测的浅层地下水水位，按照内插法和外推法获得潜水含水层的初始水位，再考虑到整体流场虚拟水位值，通过模拟运算反复推敲得到各层的初始流场。各个流量边界的参数主要考虑模拟初期和模拟末期的流场，拟合边界流入流出量，并通过总补给量、流场等来校正参数。水文地质参数主要通过查阅区域内钻孔勘察历史资料并结合现状水文地质条件获得。

（3）模型的识别与检验

通过反复调整参数和均衡量，识别水文地质条件，确定了模型结构和参数。模拟期末（2013年5月）潜水含水层的模拟流场与实际流场对比见图3。由这些拟合曲线可知，所建模型基本达到精度要求，符合模拟区实际水文地质条件，反映了该地下水系统的动态特征，故可用来进行地下水流场及溶质运移模拟。

图3　模拟期末（2013年5月）水位等值线拟合图Fig. 3 The fitting chart of water level contour by the end of simulation period

3.3MTBE运移模拟预测

位于模拟区下游的水源井距离加油站场区较近，考虑为潜在的污染受体。模拟区主要污染因子为MTBE，它在地下水含水层中的运移符合对流-弥散原理，且弥散作用符合费克定律。由于MTBE在地下水中浓度较低，其吸附符合平衡等温线性吸附。

模拟区MTBE运移模型的垂向、侧向边界处理对应于上述地下水系统模型的边界设定。结合研究区水文地质特点和地下水水质监测结果，确定MTBE运移模型的相关参数和初始浓度，见表1。

表1　模型相关参数赋值Tab.1 The value of several model parameters

使用上述校正过的模型对评估区中MTBE的迁移趋势进行预测分析可知：MTBE运移100天后，加油站下游约500m处潜水中MTBE将被检出，检出和超标范围见图4；MTBE运移800天后，距离加油站最近的水源井一级保护区内潜水将能检出MTBE，即该处浓度达到了0.5µg/L；MTBE运移1500天后，距离加油站最近的水源井处潜水的MTBE浓度将远超过0.5µg/L（图5），该井北侧潜水MTBE浓度将超标。另外，MTBE运移2550天后，MTBE将迁移至承压水；MTBE运移4015天后，距离加油站最近的承压水水源井中MTBE将被检出，即浓度达到0.5µg/L（图6）。

4　结论

（1）通过地下水污染现状评价结果可知：研究区加油站监测井水质基本指标和特征指标的现状污染级别均为VI级极重污染，基本指标污染的主要贡献指标为锰，其次是铁，而特征指标中最明显的污染贡献者为MTBE。

图4　潜水MTBE检出及超标范围图（100d）Fig.4　Diagram of MTBE distribution in the phreatic aquifer after 100 days

（2）采用Visual MODFLOW模型进行地下水流场及溶质运移模拟，结果显示：通过多次模型识别和检验，所建立的模型基本达到精度要求，符合工作区水文地质条件，能基本反映该区地下水系统的动态特征，可用于溶质运移模拟。

（3）MTBE运移模拟结果显示，运移100天后，此加油站下游约500m处潜水中MTBE将检出，运移800天后，距离加油站最近的水源井一级保护区内潜水将能检出MTBE，1500天后，距离加油站最近的水源井处潜水的MTBE浓度将远超过0.5µg/L。另外运移2550天后，MTBE将迁移至承压水，4015天后，距离加油站最近的承压水水源井中MTBE的浓度将达到0.5µg/L。

图5　潜水MTBE检出及超标范围图（1500d）Fig.5 Diagram of MTBE distribution in the phreatic aquifer after 1500 days

图6　承压水MTBE检出范围图（4015d）Fig.6 Diagram of MTBE distribution in the artesian aquifer after 4150 days

［1］环境保护部. 全国地下水污染防治规划（2011—2020年 ）［EB/OL］. 2011. http∶//www.zhb.gov.cn/gkml/ hbb/bwj/201111/t20111109_219754.htm.

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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

王鹏（1985- ），女，工程师，主要从事地下水资源、地下水环境研究。Email∶ wpfighting@163.com