遼東灣近岸海域石化產(chǎn)業(yè)環(huán)境風險綜合評價

張曉霞，鄭丙輝，汪星，殷雪妍，程嘉熠

1.湖泊水污染治理與生態(tài)修復技術國家工程實驗室,中國環(huán)境科學研究院

2.國家海洋環(huán)境監(jiān)測中心

隨著我國沿海經(jīng)濟帶的迅速發(fā)展，能源需求量不斷提高，自1993 年我國完成由石油出口國到進口國的轉型后，油氣能源的需求缺口進一步放大，石化產(chǎn)業(yè)項目及能源運輸業(yè)迅速崛起。同時，由于沿海地區(qū)城市化建設步伐的加快，工業(yè)、城鎮(zhèn)開發(fā)用地嚴重不足，迫使陸上眾多工業(yè)向近岸轉移，臨港石化產(chǎn)業(yè)應運而生[1]。星羅棋布的石化產(chǎn)業(yè)項目與繁密穿行的海洋油輪勢必造成海上石油泄漏事故的巨大環(huán)境風險[2-4]。據(jù)統(tǒng)計，1973 年以來，我國沿海累計發(fā)生溢油事故3 100 多起，總溢油量超過43 000 t[5]，其中，特大型或重大溢油事故10 余起，平均每4 年便發(fā)生一起嚴重的溢油事故[6]，對近岸海域的生物資源、海洋環(huán)境、生態(tài)景觀造成嚴重影響，且難以恢復[7-8]。

自2000 年以來，海洋環(huán)境管理部門針對石化產(chǎn)業(yè)及石油污染逐步推行開展近岸海域專項監(jiān)測評價工作。但由于政策上缺少相關標準規(guī)范的有力引導、技術上監(jiān)測評價能力的不足，致使石化產(chǎn)業(yè)對海洋生態(tài)環(huán)境的影響以及環(huán)境風險仍難以明確。因此，如何建立一套行之有效的環(huán)境風險綜合評價模型，掌控臨港石化產(chǎn)業(yè)對海洋生態(tài)環(huán)境的影響[9]，對于海上污染物精準防控，降低環(huán)境風險具有重要意義[10]。

目前，國內外學者在環(huán)境致災體危險性評價[11]、環(huán)境脆弱性評價領域取得了一定的成果[12]。其中，對于致災體危險性評價主要應用于地質災害（如滑坡、泥石流等）的危險評價，評價方法包括多元回歸、聚類分析、神經(jīng)網(wǎng)絡等；對于環(huán)境脆弱性評價則多采用層次分析法、聚類分析法等，通過區(qū)別多元環(huán)境因子對環(huán)境主體的影響程度，建立綜合評價體系[13]。而對于環(huán)境風險評價領域的研究工作尚不充分，多通過分析環(huán)境災害發(fā)生的危害程度與可能性等指標，開展建設項目環(huán)境風險的評價研究[14]，卻忽略了環(huán)境本身的承載能力。海洋作為海水、沉積物、生物多相耦合的復雜生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)，對于環(huán)境風險災害的承載能力不容忽視[15]。因此，對于處在海陸交匯處，持續(xù)入海排污，具有較高環(huán)境污染風險的臨港石化產(chǎn)業(yè)項目的環(huán)境風險評價研究工作應結合環(huán)境災害承載力、災害危險性等多種因素開展系統(tǒng)評價[16-18]。

筆者選取海洋油氣開發(fā)與石化產(chǎn)業(yè)分布相對密集的遼東灣近岸海域為研究區(qū)域，借助環(huán)境災害學理論體系[19]與數(shù)理統(tǒng)計主成分分析法[20]，結合石化產(chǎn)業(yè)特征污染物指標及要素[21-23]，開展近岸海域石化產(chǎn)業(yè)環(huán)境風險綜合評價研究，旨在為近岸海域石化產(chǎn)業(yè)污染評價標準方法的確立與溢油風險防控提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源與研究范圍

2014—2018 年共開展5 個航次的調查，在遼東灣近岸海域共采集4 個監(jiān)測斷面合計24 個監(jiān)測點位的水質、沉積物和生物樣品。依據(jù)《遼寧省海洋功能區(qū)劃(2011—2020)》中界定的近岸海域范圍確定研究區(qū)域[24]。敏感目標和風險源數(shù)據(jù)來自遼寧省海洋生態(tài)功能區(qū)劃、海域使用現(xiàn)狀和文獻調研數(shù)據(jù)[25-26]。研究區(qū)域及監(jiān)測點位布設如圖1 所示。

圖1 研究區(qū)域及監(jiān)測點位Fig.1 Study area and sampling locations

樣品的采集、運輸、存儲和預處理均按照海洋監(jiān)測調查相關標準規(guī)范開展。水質、沉積物樣品檢測方法嚴格依據(jù)GB 17378.4—2007《海洋監(jiān)測規(guī)范第4 部分：海水分析》、GB 17378.5—2007《海洋監(jiān)測規(guī)范 第5 部分：沉積物分析》執(zhí)行；根據(jù)GB 17378.7—2007《海洋監(jiān)測規(guī)范 第7 部分：近海污染生態(tài)調查和生物監(jiān)測》，浮游生物多樣性采用拖網(wǎng)法采集樣品，采用目視法進行分析（表1）。

表1 樣品分析檢測方法Table 1 Sample analysis and testing methods

采用Z-Score 數(shù)據(jù)標準化法[27-28]對2014—2018年遼東灣近岸海域水質、沉積物和生物生態(tài)數(shù)據(jù)進行標準化處理，以消除量綱與數(shù)量級不同的影響，分析檢測結果見圖2。從圖2 可以看出，2014—2018 年，遼東灣近岸海域生態(tài)環(huán)境狀況有向不利方向發(fā)展的趨勢，其中水質石油類、汞和鎘濃度上升趨勢明顯，沉積物重金屬濃度顯著上升，生物生態(tài)狀況基本穩(wěn)定，浮游生物多樣性指數(shù)略有降低。為進一步探究遼東灣近岸海域石化產(chǎn)業(yè)項目環(huán)境風險狀況，就遼東灣近岸海域環(huán)境脆弱性、石化產(chǎn)業(yè)致災體危險性等方面建立環(huán)境風險評價模型，開展環(huán)境風險評價研究。

圖2 樣品分析檢測結果Fig.2 Sample analysis and test results

1.2 環(huán)境風險綜合評價方法

1.2.1指標體系的構建

指標體系的構建是環(huán)境風險評價的核心部分，關系到評價結果的可信度。構建指標體系在遵循科學性、系統(tǒng)性、簡單性的原則上，充分考慮研究對象的特點、資料的詳盡程度以及可獲得性。

為揭示遼東灣近岸海域石化產(chǎn)業(yè)項目環(huán)境風險狀況，基于環(huán)境災害風險評價的研究[29-30]，從致災因子危險性、承災體脆弱性2 個方面建立近岸海域石化產(chǎn)業(yè)基地環(huán)境風險評價指標體系。致災因子危險性是評價研究區(qū)域內石油化工產(chǎn)業(yè)環(huán)境災害發(fā)生的可能性及強度，石油化工產(chǎn)業(yè)環(huán)境風險源越多或者規(guī)模/密度越大，危險性越高，因此，選取遼東灣近岸海域溢油事故發(fā)生頻次、臨港石化產(chǎn)業(yè)區(qū)離岸距離和輸油航路通航頻率作為致災因子危險性評價指標。承災體脆弱性是評價致災因子對承災體的破壞程度，承災體易損度越大，環(huán)境災害造成的損失越大[31]。環(huán)境災害對近海海域承災體的影響可以歸結為水質、沉積物、生物資源的損失以及對區(qū)域內敏感目標的影響，將遼東灣近岸海域生態(tài)環(huán)境狀況及功能區(qū)劃、生態(tài)紅線管控要求作為承災體脆弱性評價指標。具體風險評價指標體系見表2。

1.2.2指標權重計算方法

為了進一步提高評價結果的科學性與有效性，考慮到本次評價所涵蓋的指標眾多，采用專家打分法和主成分分析法定性與定量相結合的方法，求解各變量的相對權重。以面對面咨詢的方式分5 次征詢5 位不同海洋科學領域專家的意見，對因素層承災體脆弱性和致災體危險性的權重進行打分，得到統(tǒng)一的權重結果。主成分分析法是將眾多評價指標轉化為相對較少，且互相線性無關的多元統(tǒng)計分析法，本研究中用于定量計算指標層各指標的權重[32]。假設有n個評價對象，且每個評價對象包含p個評價指標(x1,x2,···,xp)，構建數(shù)據(jù)矩陣：

常用新的綜合指標yi為來代替原始評價指標，即：

由于總方差之和不發(fā)生變化，即：

新構成的綜合指標（y1,y2,···,yp），依次稱為原始評價指標的第1、第2,···，第p個主因子。當?shù)趐個方差很小時，即前p-1 個向量方差占主體p個向量方差總和的90%以上，則y1,y2,···,yk(k＜p)可以基本反映p個指標所包含的全部信息量。由于y1,y2,···,yk彼此相互線性無關，并且評價指標向量數(shù)k＜p，因而實現(xiàn)了減少評價指標個數(shù)的目的（由原來的p個評價指標減少至k個），并且充分的保留了原始全體指標的信息量，同時避免了信息的交叉和重疊[33]。

設X=（x1,x2,···,xp）生成的協(xié)方差矩陣S，λ1≥λ2≥···≥λp≥0 是協(xié)方差矩陣S從大到小排列的p個特征根，a1,a2,···,ap是特征根依次所對應的標準化正交特征向量，求解特征值：

指標權重即為：

1.2.3指標分級方法

按各指標所依據(jù)的規(guī)程標準，劃定合理閾值，以輕度、中度、高度和極度進行分級[29]。承災體脆弱性指標中，海水水質、沉積物與生物指標的分級標準分別參照GB 3097—1997《海水水質標準》、GB 18668—2002《海洋沉積物質量標準》、HY 087—2005《近岸海洋生態(tài)健康評價指南》與HY/T 215—2017《近岸海域海洋生物多樣性評價技術指南》的閾值進行脆弱性等級劃分（表3）；敏感目標及致災因子指標標準參考HY 169—2018《建設項目環(huán)境風險評價技術導則》中的不同的緩沖距離進行等級劃分（表4）。

表3 承災體脆弱性指標等級劃分Table 3 Classification of vulnerability index of disasterbearing bodies

表4 致災因子危險性指標等級劃分Table 4 Classification of risk index of hazard-inducing factors

1.2.4綜合評價模型的建立

研究認為環(huán)境風險是承災體脆弱性和致災因子危險性二者共同作用的結果，因而選取2004 年聯(lián)合國提出的風險評價模型：環(huán)境風險=承災體脆弱性×致災因子危險性，即R=F×D。

利用拉格朗日（Lagrange）插值公式﹝式（7）、式（8）﹞對研究區(qū)域進行網(wǎng)格化處理，形成各海域單元[34]。

式中：xi與yj分別為各監(jiān)測點位的經(jīng)緯度坐標；pk(x)為多項式系數(shù)；Ln(x)為各海域單元插值后的計算結果。

式中：R為環(huán)境風險綜合評價結果；F為承災體脆弱性指數(shù)；D為致災體危險性指數(shù)；E、H分別為承災體脆弱性和致災體危險性各指標的評價賦值結果；i為海域單元（網(wǎng)格）；(x,y)=(0,0)→(n,n)，為整個研究區(qū)域。

1.2.5等級表征

參考《海洋生態(tài)系統(tǒng)健康評價技術規(guī)程第一部分：海灣生態(tài)系統(tǒng)》涉及的分級標準，對各指標的脆弱性和危險性進行賦值，并進行承災體脆弱性、致災因子危險性和環(huán)境風險綜合評價結果等級劃分，結果見表5。依據(jù)式(9)～式(11)，借助ArcGIS 的空間矢量疊加技術，對各海域單元的脆弱性指數(shù)、危險性指數(shù)以及環(huán)境風險評價結果進行空間矢量集成。

表5 指標賦值與評價指數(shù)等級劃分Table 5 Index value and classification of assessment index

2 結果與討論

2.1 承災體脆弱性評價結果

遼東灣近岸海域承災體脆弱性評價結果分布見圖3。從圖3 可以看出，遼東灣近岸海域整體脆弱性為中度脆弱，脆弱性從灣口至灣頂逐漸增強，承災能力逐步降低，至雙臺子河口附近海域脆弱性最為嚴重。根據(jù)矢量計算結果，遼東灣近岸海域高度脆弱性海域面積占總面積的19%以上。

圖3 遼東灣近岸海域承載體脆弱性評價結果Fig.3 Vulnerability assessment results in Liaodong Bay coastal waters

分析其原因，主要受3 個方面因素影響：1）雙臺子河口周邊海域分布有雙臺子河口生態(tài)紅線區(qū)、海洋保護區(qū)、水產(chǎn)種質資源保護區(qū)等重要環(huán)境敏感目標，對于環(huán)境災害風險極其敏感；2）雙臺子河口周邊海域本身就處于遼東灣頂部，水動力交換極差，自凈能力薄弱，且處于偌大的陸海交匯處，受雙臺子河、大小凌河以及遼河上游徑流污染物入海影響，勢必導致其環(huán)境質量下降[35]、污染承載力減弱[36]；3）該區(qū)域處在遼東灣油氣開發(fā)規(guī)模最大的區(qū)域，持續(xù)的石化產(chǎn)業(yè)活動與污染物排放勢必對其生態(tài)系統(tǒng)造成較大的影響[37]，最終導致其生態(tài)系統(tǒng)的高度脆弱。

2.2 致災體危險性評價結果

遼東灣近岸海域致災體危險性評價結果分布見圖4。從圖4 可以看出，遼東灣近岸海域整體致災體危險性為中度～高度危險。高度危險區(qū)域分布基本與石化產(chǎn)業(yè)區(qū)、油港碼頭以及油輪航路位置相重合。遼東灣近岸海域致災體高度危險區(qū)域約占總面積的24%，主要分布于遼河口至雙臺子河口沿岸海域及錦州近岸的部分海域。

圖4 遼東灣近岸海域致災體危險性評價結果Fig.4 Hazard assessment results of disaster causing bodies in Liaodong Bay coastal waters

2.3 環(huán)境風險綜合評價結果

遼東灣近岸海域環(huán)境風險評價結果見圖5。從圖5 可以看出，遼東灣近岸海域整體環(huán)境風險等級為中度風險，高度風險區(qū)域占總面積約17.6%，主要分布于雙臺子河口與遼河口連線海域以及錦州近岸海域。

圖5 遼東灣近岸海域環(huán)境風險評價結果Fig.5 Environmental risk assessment results in Liaodong Bay coastal waters

分析其原因，主要包括以3 個方面：1）石化行業(yè)本身就是高風險行業(yè)，生產(chǎn)加工過程中使用、排放的多數(shù)物料以及中間和最終產(chǎn)品多具有易燃易爆、有毒有害的性質，對于毗鄰環(huán)境造成巨大威脅；2）油港碼頭泊位附近海域環(huán)境監(jiān)管職責存在管理職責交叉的情況，容易促使油港碼頭水域成為環(huán)境污染風險防控的灰色地帶；3）隨著能源需求的不斷提高，能源運輸業(yè)發(fā)展迅猛，油輪通航繁密，但由于遼東灣近岸海域獨特的自然地理條件[38]致使其近岸海域水深狀況不利于船舶的航行，航路窄、線路蜿蜒、乘潮出行是遼東灣海上航路的最大困境，海上油輪碰撞溢油事故成為近些年來石油泄漏污染事故的重要原因之一[39]。可見，臨港石化產(chǎn)業(yè)、油港碼頭和輸油航路具有海洋災害的高度危險性，一旦發(fā)生污染事故將對周邊生態(tài)環(huán)境造成巨大損害[40]。

3 結論

（1）遼東灣近岸海域生態(tài)系統(tǒng)較為脆弱，從灣口至灣頂脆弱性狀況愈發(fā)嚴重。整體上，遼東灣近岸海域環(huán)境風險處于中度風險等級，而雙臺子河口至遼河口海域以及錦州近岸海域具有較高環(huán)境風險。從計算結果來看，高度風險區(qū)域面積約占遼東灣近岸海域總面積的17.6%，其余海域環(huán)境風險較低。

（2）隨著臨港石化產(chǎn)業(yè)發(fā)展，項目規(guī)模逐漸的擴大，能源運輸?shù)倪M一步繁密，油氣加工設施及其配套設備的老化，其對于海洋生態(tài)環(huán)境的威脅只會愈發(fā)嚴重。屆時，遼東灣近岸海域重點石化產(chǎn)業(yè)區(qū)毗鄰海域將會面臨更大的環(huán)境風險。一旦發(fā)生污染事故，將造成巨大的生境損害。因此，主管部門應當重視生態(tài)高風險區(qū)域，通過采取重點區(qū)域監(jiān)測點位加密布設、提高專項監(jiān)測頻次、優(yōu)化溢油應急資源調配及布局方案等方式，以最大程度降低臨港石化產(chǎn)業(yè)對生境的損害風險，保護海洋生態(tài)環(huán)境的健康。