王 鵬,周瑞靜,宋 煒,周 磊,張志林
(北京市地質(zhì)工程勘察院,北京 100048)
地下水是水資源的重要組成部分。目前,全國(guó)657個(gè)城市中,有400多個(gè)以地下水為飲用水源。在我國(guó)北方地區(qū),65%的生活用水、50%的工業(yè)用水和33%的農(nóng)業(yè)灌溉用水依靠于地下水(環(huán)保部,2011)。然而,當(dāng)前地下水污染狀況不斷加劇,地下水環(huán)境壓力逐步增大(羅蘭,2008;高存榮等,2011)。由于地下水交替程度較弱,自凈能力較低,一旦受到污染難以有效恢復(fù),因此地下水污染防控顯得尤為重要。
加油站是土壤和地下水污染的重要潛在污染源之一。鑒于其數(shù)量龐大,多分布于人口密集車(chē)水馬龍的城市,其污染風(fēng)險(xiǎn)性高,危害性大。加油站的地下儲(chǔ)罐和管線發(fā)生泄漏后,石油類(lèi)污染物質(zhì)不僅會(huì)污染土壤,還會(huì)在淋溶、滲濾的作用下通過(guò)包氣帶進(jìn)入地下含水層,造成地下水污染。土壤包氣帶的治理不僅要耗費(fèi)龐大的資金和工程量,地下含水層的修復(fù)往往也需要十幾年以上的時(shí)間。近年來(lái),我國(guó)加油站漏油污染問(wèn)題開(kāi)始顯現(xiàn),且隨著地下儲(chǔ)油罐和輸油管線服役年齡的增加,發(fā)生滲漏的可能性更大,它有可能成為我國(guó)城市地下首要有機(jī)污染源,對(duì)人居環(huán)境和人類(lèi)健康造成巨大威脅(康曉鈞等,2013;何煒等,2012)。
發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)加油站滲漏污染問(wèn)題的調(diào)查研究已有30多年歷史,已紛紛建立針對(duì)石油類(lèi)污染場(chǎng)地的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法,并制定了基于風(fēng)險(xiǎn)的政策和法規(guī)進(jìn)行管理。相比之下,我國(guó)在加油站污染防治方面的研究才剛起步,現(xiàn)有的《場(chǎng)地環(huán)境調(diào)查技術(shù)導(dǎo)則》和《污染場(chǎng)地風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)導(dǎo)則》對(duì)加油站場(chǎng)地污染調(diào)查評(píng)價(jià)的針對(duì)性和指導(dǎo)性不強(qiáng)(曹云者等,2007;張加雙等,2010;劉玉蘭等,2011);有必要專(zhuān)門(mén)針對(duì)加油站滲漏污染問(wèn)題開(kāi)展場(chǎng)地環(huán)境調(diào)查和健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究,為我國(guó)今后石油類(lèi)污染場(chǎng)地的評(píng)價(jià)與管理提供參考方法與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
甲基叔丁基醚(MTBE),作為一種新型的無(wú)鉛汽油添加劑,在汽油無(wú)鉛化的要求下開(kāi)始大量推廣,它的使用有助于減少汽車(chē)尾氣中CO和揮發(fā)性有機(jī)物(VOC)的排放,卻導(dǎo)致MTBE因地下儲(chǔ)油設(shè)施泄漏溢油等問(wèn)題在地下環(huán)境中不斷積累,嚴(yán)重威脅土壤和地下水公共安全(路佳等,2006)。在北京市2013年加油站地下水基礎(chǔ)環(huán)境調(diào)查評(píng)估的工作中,對(duì)該市21個(gè)重點(diǎn)加油站的地下水污染現(xiàn)狀進(jìn)行了調(diào)查,結(jié)果有19個(gè)加油站的監(jiān)測(cè)井中檢出了MTBE,檢出率高達(dá)90.5%(北京市地質(zhì)工程勘察院,2014)。MTBE具有低辛醇/水分配系數(shù)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(xiàn)往往是汽油泄漏的最好指示(李洪,2007)。再加上MTBE嚴(yán)重威脅著人群健康與公共安全,有研究表明,人少量吸入MTBE會(huì)刺激鼻子和咽喉,引起頭痛、惡心和眩暈,飲用含MTBE的水會(huì)引發(fā)腸胃炎,而且對(duì)肝臟、腎臟以及神經(jīng)系統(tǒng)也有損害,并有致癌可能(劉愛(ài)芬等,2005)。因此,分析預(yù)測(cè)MTBE在地下環(huán)境中的遷移過(guò)程,評(píng)估MTBE可能產(chǎn)生的健康風(fēng)險(xiǎn)影響,對(duì)加油站場(chǎng)地的污染防治及監(jiān)管修復(fù)有重大的指導(dǎo)意義。
本研究以某地下水源保護(hù)區(qū)內(nèi)的一加油站場(chǎng)地為典型案例,通過(guò)資料收集、水文地質(zhì)調(diào)查、地下水污染調(diào)查,分析確定該場(chǎng)地的特征污染物及其污染狀況,并通過(guò)模型對(duì)其特征污染物MTBE的污染趨勢(shì)進(jìn)行模擬,然后采用地下水健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型對(duì)MTBE產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估,研究結(jié)果為加油站地下水污染防控提供了理論依據(jù)和經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)。
該典型加油站建站于2003年,已運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng),存在較高的油品泄漏風(fēng)險(xiǎn),且它位于某地下水源保護(hù)區(qū)內(nèi),距離下游水源最近的水源井一級(jí)保護(hù)區(qū)僅約1.4km(圖1)。另外,該站已有的地下水監(jiān)測(cè)井在加油站場(chǎng)址地下水下游方向處,且在距離埋地油罐5m外30m內(nèi)的范圍內(nèi),符合可選為場(chǎng)地污染源擴(kuò)散監(jiān)測(cè)井的要求,便于進(jìn)行地下水水樣的采集和檢測(cè)。因此,選擇該加油站作為典型加油站。
圖1 典型加油站及周邊水源井分布Fig.1 Location of the typical gasoline station and surrounding water wells
該加油站占地面積約1500m2,有6個(gè)臥式埋地油罐和4個(gè)加油機(jī),總?cè)萘繛?00m3(圖2)。通過(guò)對(duì)加油站及周邊進(jìn)行走訪調(diào)查和填表調(diào)查,主要了解加油站的基本信息、管理狀況、周邊敏感目標(biāo)、是否發(fā)生過(guò)滲漏污染事故及對(duì)周邊居民的污染影響等內(nèi)容。調(diào)查主要結(jié)果有:該加油站埋地油罐為單層鋼材,有環(huán)氧樹(shù)脂、混凝土外壁保護(hù),建有防滲池。輸油管線為無(wú)縫鋼管,雙層管保護(hù),卸油方式為密閉式。加油站地面采用水泥固化。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查詢問(wèn),加油站過(guò)去未發(fā)生過(guò)泄漏事故。加油站建有地下水監(jiān)測(cè)井,調(diào)查時(shí)實(shí)測(cè)地下水埋深12.2m,無(wú)土壤氣監(jiān)測(cè)井。
圖2 典型加油站平面布置圖Fig.2 Layout of the typical gasoline station
該加油站場(chǎng)地所在區(qū)域第四系含水層性質(zhì)、埋藏及分布規(guī)律受古地形及永定河等河流作用所控制,其區(qū)域水文地質(zhì)圖和水文地質(zhì)剖面圖分別見(jiàn)圖3a和圖3b。本區(qū)域含水層巖性主要為砂礫石、中粗砂和細(xì)砂。場(chǎng)地所在區(qū)域西南部第四系含水層以多層砂礫石層及少數(shù)砂層為主,其余大部分地區(qū)含水層以多層砂層為主,東北部地區(qū)約有5~6層砂層,單層最大厚度可達(dá)20m左右,降深5m時(shí)單井涌水量為500~1500m3/d;西北及西南部分地區(qū)可達(dá)1500~3000m3/d甚至以上。
圖3a 區(qū)域水文地質(zhì)圖Fig.3a Regional hydrogeological map
圖3b 區(qū)域水文地質(zhì)剖面圖Fig.3b Regional hydrogeological pro file map
本區(qū)域地下水位埋深一般在14~20m。區(qū)域第四系地下水的補(bǔ)給來(lái)源主要有:大氣降水補(bǔ)給、地下水側(cè)向徑流補(bǔ)給和地表水入滲補(bǔ)給。排泄方式主要有側(cè)向徑流和人工開(kāi)采兩種。區(qū)內(nèi)地下水是由西向東流出本區(qū)。
利用加油站已有的監(jiān)測(cè)井作為監(jiān)測(cè)點(diǎn),進(jìn)行采樣和測(cè)試分析工作。測(cè)試指標(biāo)包括下列47項(xiàng)基本指標(biāo)(鉀、鈣、鈉、鎂、硫酸鹽、氯化物、碳酸根、碳酸氫根、色度、嗅和味、渾濁度、肉眼可見(jiàn)物、pH、總硬度、溶解性總固體、硫酸鹽、氯化物、鐵、錳、銅、鋅、鉬、鈷、揮發(fā)性酚類(lèi)、陰離子合成洗滌劑、高錳酸鹽指數(shù)、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮、氨氮、氟化物、碘化物、氰化物、汞、砷、硒、鎘、六價(jià)鉻、鉛、鈹、鋇、鎳、滴滴涕、六六六、總大腸菌群、細(xì)菌總數(shù)、總α放射性、總β放射性)和下列有機(jī)特征指標(biāo):苯、甲苯、乙苯、鄰二甲苯、對(duì)/間二甲苯、甲基叔丁基醚(MTBE)、萘、總石油類(lèi)(TPH、C5-C9、C10-C40)、二溴化乙烯(EDB)、1,2-二氯乙烷(DCA)。
分析結(jié)果顯示,基本指標(biāo)中,除嗅和味、揮發(fā)性酚類(lèi)、氰化物、六價(jià)鉻、鉬、鈹、硒、鎳、陰離子合成洗滌劑、六六六和滴滴涕11項(xiàng)指標(biāo)未檢出外,其余指標(biāo)均有檢出,以《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T14848-93)中Ⅲ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)限值作為評(píng)價(jià)依據(jù),檢出超標(biāo)的共計(jì)4項(xiàng),分別為渾濁度、肉眼可見(jiàn)物、錳、總大腸菌群,其中渾濁度、錳和總大腸菌群的超標(biāo)倍數(shù)分別為0.33、0.88和92.33,加油站監(jiān)測(cè)井地下水質(zhì)量劃至Ⅴ類(lèi)。特征指標(biāo)中,僅檢出MTBE,兩次檢出結(jié)果為1.16mg/L和0.94mg/L,參考《美國(guó)飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》中MTBE的標(biāo)準(zhǔn)限值0.04mg/L進(jìn)行評(píng)價(jià),發(fā)現(xiàn)MTBE的超標(biāo)倍數(shù)達(dá)20多倍,因此將MTBE列為該加油站場(chǎng)地的主要特征污染物進(jìn)行污染趨勢(shì)預(yù)測(cè)和健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。
首先根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)條件、地下水水位動(dòng)態(tài)和地下水開(kāi)發(fā)利用特點(diǎn),建立地下水系統(tǒng)概念模型,將工作區(qū)地下水系統(tǒng)概化為非均質(zhì)各向同性、空間三維結(jié)構(gòu)、非穩(wěn)定地下水流系統(tǒng)。該加油站距離下游最近的水源井一級(jí)保護(hù)區(qū)約1400m,水源井處地下水埋深約20m。根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)條件、鉆孔資料等分析,潛水含水層深度20~40m,巖性主要為中粗砂和細(xì)砂;潛水含水層以下為第一弱透水層,厚度為15~20m,主要為粘砂和砂粘;弱透水層以下為承壓含水層,大部分地區(qū)以多層砂層為主,單層最大厚度可達(dá)20m左右,底板深150m。在垂向上可將上述水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)概化為3層: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(qū)的上邊界,通過(guò)該邊界,潛水與系統(tǒng)外發(fā)生垂向水量交換。模擬區(qū)的底界處理為隔水邊界。區(qū)內(nèi)地下水是由西向東流出,根據(jù)地下水水位動(dòng)態(tài)特征確定模擬區(qū)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(shè)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(shè)置為零通量邊界。
對(duì)于上述非均質(zhì)各向同性、空間三維結(jié)構(gòu)、非穩(wěn)定地下水流系統(tǒng),可用地下水流連續(xù)性方程及其定解條件來(lái)描述,以建立工作區(qū)地下水?dāng)?shù)值模擬模型,選擇地下水模型軟件Visual MODFLOW求解該定解問(wèn)題,再根據(jù)實(shí)測(cè)流場(chǎng)情況結(jié)合現(xiàn)狀水文地質(zhì)條件,通過(guò)模擬擬合反復(fù)調(diào)整參數(shù)和均衡量,識(shí)別水文地質(zhì)參數(shù)、邊界值及其它均衡項(xiàng),使建立的模型更加符合工作區(qū)實(shí)際水文地質(zhì)條件,能夠反映該地下水系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特征,可用來(lái)進(jìn)行地下水流場(chǎng)及溶質(zhì)運(yùn)移模擬。
模擬區(qū)為三維非穩(wěn)定地下水流系統(tǒng),污染源考慮為加油站站點(diǎn),位于下游的水源井距離加油站較近,考慮為潛在的污染受體。模擬區(qū)特征污染因子MTBE在地下水含水層中的運(yùn)移符合對(duì)流—彌散原理,且彌散作用符合費(fèi)克定律。模擬區(qū)地下水中MTBE濃度較低,其吸附符合平衡等溫線性吸附。溶質(zhì)運(yùn)移模型考慮MTBE對(duì)流和彌散作用,在水流模型邊界條件及源匯項(xiàng)的基礎(chǔ)上,根據(jù)污染源、地下水水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果,確定地下水中MTBE運(yùn)移模型的初始濃度和參數(shù)。
通過(guò)上述三維水流模型及溶質(zhì)運(yùn)移模擬預(yù)測(cè)可知:運(yùn)移800d后,距離加油站最近的水源井一級(jí)保護(hù)區(qū)內(nèi)潛水中MTBE將能檢出,該處濃度水平達(dá)到了0.5μg/L;運(yùn)移1500d后,距離加油站最近的水源井處潛水的MTBE濃度將遠(yuǎn)超過(guò)0.5μg/L,該井北側(cè)潛水MTBE濃度將達(dá)到0.04mg/L的標(biāo)準(zhǔn)限值水平;2550d后,MTBE將遷移至下層承壓水。這說(shuō)明在污染發(fā)生后的一段時(shí)間內(nèi)若能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并進(jìn)行污染源削減或污染羽截流處理,此加油站下游地下水MTBE的污染將極有可能得到有效控制。
根據(jù)模擬結(jié)果,若加油站下游最近的水源井1500d后潛水中MTBE的濃度達(dá)到0.04mg/L,以住宅區(qū)作為保守估計(jì),受體為水源井周?chē)用?,暴露情景考慮6種暴露途徑,進(jìn)行健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。即飲用受污染的地下水經(jīng)由口服吸收;使用受污染的地下水作為日常洗澡或清洗用途,水中關(guān)切污染物經(jīng)皮膚接觸吸收;使用受污染的地下水作為洗澡用途,水中關(guān)切污染物汽化后經(jīng)呼吸吸入;使用受污染的地下水作為日常清洗用途,水中關(guān)切污染物汽化后經(jīng)呼吸吸入;受污染地下水中的關(guān)切污染物經(jīng)汽化后蒸散至室外空氣中被受體呼吸吸入;受污染地下水中的關(guān)切污染物經(jīng)汽化后蒸散至室內(nèi)空氣中被受體呼吸吸入。
暴露量計(jì)算按照《污染場(chǎng)地風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)導(dǎo)則》和《地下水健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工作指南》中推薦的暴露評(píng)估模型進(jìn)行計(jì)算。模型中所用到的公共參數(shù)取值參照上述導(dǎo)則和指南中的推薦值,所需的場(chǎng)地特征參數(shù)值(土壤性質(zhì)及水文地質(zhì)參數(shù)等)主要來(lái)自資料收集和水文地質(zhì)調(diào)查的結(jié)果;另外,MTBE理化性質(zhì)參數(shù)的取值主要參考國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究(李洪,2007;Baehr等,1999;Lahvis等,1999;Schmidt等,2001)。毒性評(píng)估時(shí)所涉及的MTBE毒性數(shù)據(jù),包括各暴露途徑下的致癌斜率因子和非致癌參考劑量,通過(guò)查詢美國(guó)EPA數(shù)據(jù)庫(kù)獲得。具體賦值情況見(jiàn)表1。
表1 MTBE理化性質(zhì)和毒性參數(shù)表Tab.1 The physicochemical characteristics and toxicity data of MTBE
風(fēng)險(xiǎn)表征分為致癌風(fēng)險(xiǎn)與非致癌風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算。致癌風(fēng)險(xiǎn)的計(jì)算基于劑量-效應(yīng)關(guān)系,每個(gè)暴露途徑下的致癌風(fēng)險(xiǎn)是通過(guò)相應(yīng)吸收途徑下的暴露量與其致癌斜率因子相乘獲得,然后, 將各不同吸收途徑的致癌風(fēng)險(xiǎn)相加, 得到該污染物的各暴露途徑的總致癌風(fēng)險(xiǎn)。我國(guó)通常以1.0E-06作為可接受致癌風(fēng)險(xiǎn)的上限,如果致癌風(fēng)險(xiǎn)大于1.0E-06,則認(rèn)為致癌風(fēng)險(xiǎn)是不可接受的。非致癌風(fēng)險(xiǎn)的計(jì)算將各暴露途徑下的暴露量除以相應(yīng)吸收途徑的參考劑量進(jìn)行對(duì)比,若危害商大于1,則認(rèn)為非致癌危害是不可接受的。
本情景下,各暴露途徑的致癌風(fēng)險(xiǎn)和非致癌風(fēng)險(xiǎn)的計(jì)算結(jié)果如表2所示。其結(jié)果表明,該加油站對(duì)下游水源井MTBE的污染所引發(fā)的致癌風(fēng)險(xiǎn)會(huì)達(dá)到1.2E-06,超過(guò)了1.0E-06人體可接受致癌風(fēng)險(xiǎn)的水平上限,對(duì)人體健康存在風(fēng)險(xiǎn)。另外,還可得知,受體接受風(fēng)險(xiǎn)的最大暴露途徑為經(jīng)口攝入。此外,呼吸吸入途徑的致癌風(fēng)險(xiǎn)貢獻(xiàn)率和非致癌風(fēng)險(xiǎn)貢獻(xiàn)率較皮膚接觸途徑的高,但呼吸吸入和皮膚接觸都不是主要的暴露途徑。
表2 健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果Tab.2 Results of health risk assessment
風(fēng)險(xiǎn)表征的結(jié)果表明,單一污染物的致癌風(fēng)險(xiǎn)超過(guò)1.0E-06或危害商值超過(guò)1時(shí),應(yīng)根據(jù)場(chǎng)地具體情況計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)控制值。由于污染物的非致癌風(fēng)險(xiǎn)在可接受范圍內(nèi),故主要考慮污染物的致癌風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)《污染場(chǎng)地風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)導(dǎo)則》,利用暴露評(píng)估模型反算出該場(chǎng)地關(guān)注污染物MTBE的地下水風(fēng)險(xiǎn)控制值應(yīng)在0.033mg/L以下。
不確定性來(lái)源于風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的各個(gè)階段,野外取樣、實(shí)驗(yàn)分析、模型參數(shù)獲取、模型的適用性和假設(shè)、毒理學(xué)數(shù)據(jù)等均存在客觀和主觀的不確定因素。綜合各種因素分析,本次風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的不確定性主要源于本研究所得數(shù)據(jù)的有限性,在評(píng)價(jià)MTBE 對(duì)人體健康風(fēng)險(xiǎn)時(shí)存在一些參數(shù)不確定性,主要體現(xiàn)在:(1)目前我國(guó)有關(guān)暴露參數(shù)的研究有限,國(guó)內(nèi)沒(méi)有自己的暴露參數(shù)手冊(cè),沒(méi)有建立完善的暴露參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù),故本研究的暴露參數(shù)主要來(lái)源于國(guó)外文獻(xiàn),未考慮到不同人種間的差異,可能導(dǎo)致結(jié)果有一定誤差;(2)本研究中MTBE的濃度水平主要通過(guò)短期監(jiān)測(cè)和模擬預(yù)測(cè)分析獲得,MTBE 的暴露水平可能有誤差,對(duì)所得結(jié)果產(chǎn)生較大影響。建議今后在地下水健康暴露研究中加強(qiáng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的調(diào)查,將對(duì)風(fēng)險(xiǎn)影響較大的參數(shù)—暴露參數(shù)及污染物濃度等參數(shù)作為后續(xù)模擬預(yù)測(cè)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估調(diào)查或風(fēng)險(xiǎn)管理時(shí)應(yīng)重視的方向。
通過(guò)對(duì)某典型加油站地下水基礎(chǔ)環(huán)境狀況進(jìn)行調(diào)查研究及健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估,主要得到以下結(jié)論及建議:(1)該加油站已對(duì)地下水造成有機(jī)污染,主要特征污染物為MTBE;(2)MTBE運(yùn)移800d后,下游距加油站最近的水源井一級(jí)保護(hù)區(qū)內(nèi)潛水中MTBE將能檢出,1500d后,距加油站最近的下游水源井北側(cè)潛水MTBE濃度將達(dá)到0.04mg/L水平;(3)該加油站對(duì)下游水源井MTBE的污染所引發(fā)的致癌風(fēng)險(xiǎn)會(huì)達(dá)到1.2E-06,超過(guò)了人體健康致癌風(fēng)險(xiǎn)可接受水平;(4) 該場(chǎng)地關(guān)注污染物MTBE的地下水風(fēng)險(xiǎn)控制值應(yīng)在0.033mg/L以下;(5)建議加強(qiáng)對(duì)加油站場(chǎng)地污染的監(jiān)測(cè)以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)污染源并采取有效措施控制污染。
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