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黄河口埕岛油田周边海域的生态环境特征及变化趋势

2015-01-05王尽文张乃星张绍萍陶卉卉

海洋学研究 2015年3期
关键词:油类沉积物海域

张 亮,叶 芳,王尽文,张乃星,宿 凯,张绍萍,孙 滨,屈 文,陶卉卉

(1.山东省海洋生态环境与防灾减灾重点实验室,山东 青岛 266061;2.国家海洋局 北海预报中心,山东 青岛 266061;3.国家海洋局 青岛海洋环境监测中心站,山东 青岛 266061;4.华仁药业股份有限公司,山东 青岛 266100)

黄河口埕岛油田周边海域的生态环境特征及变化趋势

张 亮1,2,3,叶 芳4,王尽文1,2,3,张乃星1,2,3,宿 凯1,2,3,张绍萍1,2,3,孙 滨1,2,3,屈 文1,2,3,陶卉卉1,2,3

(1.山东省海洋生态环境与防灾减灾重点实验室,山东 青岛 266061;2.国家海洋局 北海预报中心,山东 青岛 266061;3.国家海洋局 青岛海洋环境监测中心站,山东 青岛 266061;4.华仁药业股份有限公司,山东 青岛 266100)

为了了解黄河口埕岛油田周边海域的生态环境特征及变化趋势,采用单因子质量指数法和综合指数法对该油田周边海域海水和沉积物历年跟踪监测结果进行了评价,并对该油田周边海域海洋生物的变化情况进行了分析。结果表明:除2009—2011年无机氮,2011年磷酸盐外,埕岛油田周边海域历年监测水质要素均符合《海水水质标准》中第二类水质标准;历年监测沉积物要素均符合《海洋沉积物质量》中的一类标准。2006—2011年调查海域水质和沉积物油类含量的变化趋势与埕岛油田年产油量具有良好的对应关系。调查海域生物环境状况整体水平有所下降,海洋石油开发对埕岛油田周边海域的海洋环境造成了一定的负面影响。

黄河口;埕岛油田;水质;沉积物;海洋生物

0 引言

在全球经济迅速发展和人口激增的情况下,石油在全球范围内的供求不断增长,海洋石油勘探开发规模也在不断扩大,海洋油气开发已成为我国油气战略资源的主要来源之一。海上油田开发在给人们带来重要能源和化工原料的同时,在勘探开发生产过程中不可避免会产生各种污染物,往往对海洋环境造成一定的影响。随着油气资源的不断开发,石油平台勘探与生产活动对周围海洋环境的影响越来越受到关注。

黄河口埕岛油田是中国石化胜利油田分公司在莱州湾西北部,渤海湾南部海域发现的大型整装油田,是典型的复式油气聚集区。埕岛油田于1993年投入开发,根据2012年统计资料*张亮. 中国石化股份胜利油田分公司海洋采油厂CB4E平台工程海域使用论证报告书[R]. 青岛:国家海洋局北海预报中心, 2013.,海洋采油厂探明含油面积171 km2,探明地质储量39 883×104t,可采储量7 807×104t,动用含油面积117.4 km2,动用石油地质储量26 318.6×104t,动用可采储量5 546.1×104t,历年开采原油产量3 461.4×104t,核定日原油生产能力7 000 t。截止目前,埕岛油田建成各类平台104座,其中中心平台2座(中心一号和中心二号),埕岛油田自投入开发已经20余年,多年的勘探和开发是否对其周边海域的生态环境造成了影响?针对埕岛油田海域环境进行的研究报道较少,尚未有对该海域海洋环境连续变化趋势的系统研究,李永霞 等[1]根据2009年埕岛油田海域环境调查资料,分析了海域内海水和表层沉积物中重金属的含量分布,并对其生态环境进行了质量评价和生态风险评价;马媛 等[2]根据1996年8月和2003年8月对埕北油田邻近海域的调查资料,对海水中溶解氧、化学耗氧量、油类和重金属的含量,沉积物中重金属、油类、有机物、硫化物的含量以及海水与底床中生物种类、数量和密度,进行了历史变化趋势分析与现状评价。卢芳[3]利用2009年在胜利埕岛油田海域的监测资料,对该海域的生态环境进行了评价,并整理了1989年开发初期至2009年共4次的监测资料,对该海域的环境变化趋势进行分析。但这些研究都具有片面性,不系统,李永霞 等[1]的研究仅以2009年1次调查资料进行生态环境的质量和风险评价,且仅对重金属指标进行了分析;而马媛 等[2]的研究2次调查时间间隔超过7 a;卢芳[3]的4次调查资料也间隔时间过长,缺乏连续性,这些研究都不能较好反映该海域环境的变化情况。针对以上问题,我们统计分析了埕岛油田周边海域连续5 a(2006年、2007年、2009年、2010年和2011年)的监测数据,对埕岛油田周边海域水质、沉积物和海洋生物的变化情况进行分析,本次调查时间连续,能较好地反映该海域海洋环境质量的连续变化趋势,研究结果可为海洋油田环保工作提供数据支持,为海上油田的环境污染控制和海洋生态环境保护提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 采样与分析

水质、沉积物和生物样品为2006年8月、2007年11月、2009年7月、2010年10月以及2011年11月在埕岛油田及邻近海域监测站所采集的样品。2006年8月设16个水质监测站;2007年11月设28个水质监测站,其中有14个沉积物和生物监测站;2009年7月设28个水质监测站,其中有16个沉积物和生物监测站;2010年10月设36个水质监测站,其中有22个沉积物和生物监测站;2011年11月设37个水质监测站,其中有20个沉积物和生物监测站。2007年11月和2010年10月设置的监测站有部分重叠。监测站位见图1,样品的采集、保存、运输和分析均按照《海洋监测规范》[4]中的相关规定执行。

图1 采样站位图Fig.1 Sampling stations

1.2 监测要素

水质监测要素为:pH、溶解氧(DO)、化学需氧量(COD)、无机氮、磷酸盐、汞、铜、铅、锌、镉和油类。

沉积物监测要素为:有机碳、硫化物、油类、汞、铜、铅、锌、镉和铬。

海洋生物监测要素为:浮游植物、浮游动物和底栖生物。

1.3 评价方法和标准

1.3.1 海水水质和沉积物质量评价方法和标准

根据《山东省海洋功能区划(2011—2020年)》(国务院,国函[2012]165号),调查监测站位所在海域海洋功能区包括埕北矿产与能源区、滨州-东营北近海农渔业区、东营利津海洋保护区、黄河三角洲北部海洋保护区和东营港航运区,其中绝大部分站位位于埕北矿产与能源区和滨州-东营北近海农渔业区,小部分站位位于东营利津海洋保护区、黄河三角洲北部海洋保护区和东营港航运区。根据各功能区的环境保护要求,并兼顾就高不就低的评价原则,确定海水水质评价标准采用国家《海水水质标准》[5]中第二类水质标准,沉积物质量评价标准执行《海洋沉积物质量》[6]中的一类评价标准。

海水水质评价采用单因子质量指数(Sij)法[7]和内梅罗水质综合评价法[8]。根据综合指数值的大小将海域水质污染等级划分为4级,即综合指数值小于或等于0.75为清洁级(1级);0.76~1.00为轻污染级(2级);1.01~1.25为中污染级(3级);超过1.25为重污染级(4级)[9]。

沉积物质量评价采用单因子质量指数法[7]和综合污染指数法[10]。沉积物污染等级根据综合指数值的大小划分为5级,即综合指数值低于或等于0.40为清洁级(1级);0.41~0.70为微污染级(2级);0.71~1.00为轻污染级(3级);1.01~2.00为中污染级(4级);超过2.00为重污染级(5级)[11]。

1.3.2 海洋生物评价方法和标准

根据各站生物的密度,对生物样品的香农-威纳指数进行统计学评价分析,本研究采用种类和数量信息函数表示的香农-威纳指数(Shannon-Weaver)H′[12],计算公式为:

(1)

一般认为,正常环境下,香农-威纳指数值高;反之环境受到污染,该指数值降低。蔡立哲 等[13]认为香农-威纳指数是个较好的指示沉积环境污染的指数,将污染评价范围分为5类,即:无生物为严重污染;H′值小于1,重污染;H′值在1~2之间,中等污染;H′值在2~3之间,轻度污染;H′值大于3,清洁。

2 结果与讨论

2.1 海水水质评价及变化趋势分析

根据历年水质监测结果,采用国家《海水水质标准》[5]二类海水水质标准进行评价,埕岛油田周边海域水质评价因子质量指数变化范围、平均值及含量统计情况见表1。除2009—2011年无机氮,2011年磷酸盐质量指数大于1.00外,埕岛油田周边海域历年各监测要素的质量指数均小于1.00,均符合第二类水质标准。利用内梅罗水质综合评价指数判断,平均值显示该海域2006—2011年水质均为清洁,最大值显示该海域2006年-2011年水质均为清洁。影响埕岛油田周边海域的主要因子为油类、无机氮、磷酸盐、锌、铜和COD。水体的污染除了与油田的开发活动有关外,沿岸各城市排入近海的工业废水、生活污水、入海河流携带的污染物,海水养殖过程中产生的废水、残留饵料、排泄物等及沿海港口码头的作业船舶和海上航行作业的机动船等的泄露、倾废也是不可忽视的因素,它们共同导致了水体质量的下降[14]。

表1 黄河口埕岛油田周边海域历年水质评价因子质量指数和特征值表Tab.1 The seawater quality indexes and characteristic values around Chengdao Oilfield sea areas in the Yellow River Estuary

续表

为了更好地了解多年石油开发对埕岛油田周边海域环境造成的影响,对该海域历年监测要素的平均变化趋势进行分析,见图2和图3。2006—2011年调查海域pH和DO的变化不大,在小幅范围内波动;COD呈先增大后减小再增大的趋势,总体呈逐年上升的趋势,最高值出现在2011年;无机氮呈先增大后减小的趋势,最高值出现在2009年,且2009-2011年超标海水二类标准;磷酸盐呈先减小再增大的趋势,最高值出现在2011年,且超海水二类标准;油类呈先增大再减小的趋势,最高值出现在2009年。

根据国家海洋局《2009年中国海洋环境质量公报》(2010),无机氮依然是渤海区乃至中国全海域海水中的主要污染物,陆源污染物排海仍然是造成海域污染的主要原因,近年各海区无机氮一直呈现上升趋势,已经成为主要污染物,河流携带入海的污染物总量较2008年有较大的增长[15]。根据国家海洋局北海分局《2009年渤海海洋环境公报》(2010),2009年渤海油田钻屑和生活污水排放量比2008年增加[16]。埕岛油田周边海域无机氮含量超标,可能是受到陆源污染物排放量不断增加的海区大环境影响造成的。同时,目前海上钻井使用的是水基泥浆,水基泥浆中含有磷酸盐和其他泥浆处理剂[17],钻井过程中跑、冒、滴、漏的泥浆同样对水体中磷酸盐含量的上升有一定程度的贡献。另外,海洋石油在勘探开发生产过程中产生的生产废水,不但含油量大,且排放时间长,成为油田污染的最大污染源,生产水中除主要成分石油烃外,还含有一些非烃类有机物(大部份为羧酸盐)和溶解性芳香烃类,以及氨氮等无机物,其中的主要成分石油在排海前多通过撇油、水力旋流等污水处理工艺,使含量降至国家规定的一级排放标准(月平均30 mg/L,一次容许值45 mg/L),但由于是持久大量的排放,数量可观[18]。油类含量除了与海洋石油在勘探开发生产过程中产生的生产废水有关,另外沿岸入海河流携带的排污物、海上航行船舶排污、溢油事件等对海水中油类含量的影响也不可忽视[2]。

海水中Hg、Zn和Cd的变化趋势一致,呈先增大再减小的趋势,最高值均出现在2009年;Pb呈先增大后减小再增大的趋势,总体呈逐年上升的趋势,最高值出现在2011年;Cu的变化趋势为先增大后减小,再增大再减小的趋势,最高值出现在2010年。李永霞 等[1]根据2009年埕岛油田海域环境调查资料,分析了海域内海水中重金属的含量分布,结果表明海水中重金属含量总体水平较低,最高值均低于国家海水质量二类标准;按含量由大到小依次为Zn>Cu>As>Cr>Pb>Cd>Hg,Zn含量远高于其它金属含量,Hg含量最低。本文的调查结果与李永霞 等[1]研究结果一致,2006—2011年调查海域海水重金属最高值符合国家《海水水质标准》[5]二类海水水质标准,按含量分析,Zn含量远高于其它金属含量,Hg含量最低。

图2 黄河口埕岛油田周边海域海水监测要素含量年际变化Fig.2 Inter-annual variation of the concentrations of monitoring factors in seawater around Chengdao Oilfield sea areas in the Yellow River Estuary

2.2 海洋沉积物评价及变化趋势分析

海洋沉积物是海洋生态系统的重要组成部分,是各种污染物时空迁移的归宿,其质量直接关系到海域环境状况的优劣。大量油田采出水的排放,不仅对海水水质造成影响,还会影响底质环境[2]。开采油田产生的钻探泥浆将大量的油类和重金属带入沉积物中,它们成为慢性污染源[19],导致沉积物中的油类、重金属等污染物含量上升。

对2007—2011年期间埕岛油田周边海域的沉积物监测结果进行统计分析,采用《海洋沉积物质量》[6]中的一类标准进行评价,得到埕岛油田周边海域历年沉积物质量指数的变化情况,见表2。由表2可知,2007—2011年埕岛油田周边海域历年各监测要素的质量指数均小于1.0,符合《海洋沉积物质量》[6]中的一类标准。李永霞 等[1]根据2009年埕岛油田海域环境调查资料,分析了海域内表层沉积物中重金属的含量分布,表层沉积物中重金属含量均低于国家海洋沉积物质量一类标准。马媛 等[2]根据2003年8月对埕北油田邻近海域的调查资料,对沉积物中重金属、油类、有机物、硫化物的含量进行分析,结果表明,该海域沉积物中所测除铜外,油类、有机碳、硫化物、铅、锌、镉、砷和总汞等8个项目质量指数范围为0.037~0.680,均符合沉积物第一类质量标准。除铜外,本文的研究结果与李永霞 等[1]、马媛 等[2]的研究结果一致。综合污染指数法评价显示除2009年最大值评价结果为微污染外,2007—2011年其余年份监测沉积物综合指数表明埕岛油田周边海域为清洁海域。

2007—2011年埕岛油田周边海域沉积物重金属铅、锌、镉和铬与沉积物硫化物、有机碳和油类变化趋势一致,呈先增大后减小,再增大的变化趋势,含量最高值均出现在2009年(图4),这是由于水体中重金属易与有机物、硫化物通过形成金属有机络合物与金属

图3 黄河口埕岛油田周边海域海水重金属含量年际变化Fig.3 Inter-annual variation of the concentrations of heavy metals in seawater around Chengdao Oilfield sea areas in the Yellow River Estuary

图4 黄河口埕岛油田周边海域沉积物监测要素含量年际变化Fig.4 Inter-annual variation of the concentrations of monitoring factors in the sediments around Chengdao Oilfield sea areas in the Yellow River Estuary

表2 黄河口埕岛油田周边海域历年沉积物质量指数和特征值表Tab.2 The sedimentary quality indexes and characteristic values around Chengdao Oilfield sea areas in the Yellow River Estuary

硫化物沉淀而从水体中移出,因此沉积物中重金属的含量与分布往往同有机物、硫化物等密切相关[20]。沉积物中重金属汞含量在2007—2009年呈减小的趋势,该结果与卢芳[3]在胜利埕岛油田海域的监测结果一致,2009年后沉积物重金属汞含量有所增加。沉积物中重金属铜呈先增大后减小的趋势;沉积物重金属铅、锌、镉和铬变化趋势一致,呈先增大后减小,再增大的变化趋势。总体上看2007—2011年沉积物中除汞、锌和油类外,其余各监测因子含量均在小范围内波动(图5)。

图5 黄河口埕岛油田周边海域沉积物重金属含量年际变化Fig.5 Inter-annual variation of the concentrations of heavy metals in the sediments around Chengdao Oilfield sea areas in the Yellow River Estuary

2.3 油类含量与埕岛油田年产油量的关系

油类作为油田开发海域的特征污染物,是重要的监测指标,2006—2011年调查海域水质和沉积物中油类含量(无2006年监测数据)均呈先增大再减小的趋势,油类含量最高值均出现在2009年。水质油类含量2010年与2011年监测结果持平,说明在埕岛油田石油开发存在情况下,随着排海生产废水的稳定,油类污染程度趋于稳定;沉积物油类含量2011年比2010年有所升高。结合埕岛油田历年产油情况(图6),埕岛油田2006—2009年产油量逐年增加,2009年后产油量略有降低,最高产量在2009年。可见,2006—2011年调查海域油类含量的变化趋势与产油量具有良好的对应关系,从一定程度上反映了该海域油类污染对油田开发的响应,埕岛油田周边海域油类监测结果与人为的海洋石油开发活动影响有一定的关系,且海水中的油类含量接近《海水水质标准》第二类水质标准,因此必须通过进一步控制采油平台排海污水的石油含量来控制入海石油通量。

2.4 海洋生物评价及变化趋势分析

本研究主要对埕岛油田周边海域浮游植物、浮游动物和底栖生物进行监测,从生物种类、生物密度、生物量以及香农-威纳指数四个方面进行比较和评价,见表3。

2006—2011年埕岛油田周边海域浮游植物种类数呈逐年减少的趋势,密度和香农-威纳指数略有变化。浮游动物种类数和密度呈先增多后减少的趋势,生物量呈逐年增加的趋势,香农-威纳指数变化很小。底栖生物种类数波动较大,密度、生物量和香农-威纳指数呈逐年减少的趋势。但由于海洋生物种类及数量与多因素有关,如历年调查的时间有所差异,另外调查时的水文条件等也不尽相同,因此海洋生物种类、数量等的变化,不能完全反映海洋油田开发对其产生的影响,海洋生物种类的减少是否是由于海洋石油开发引起的,还需要进行更深入和持久的研究。

王立俊 等[21]认为生物种群的基础结构尤其是香农-威纳指数是评价环境质量的重要指标之一,从浮游植物香农-威纳指数来看,埕岛油田周边海域环境质量为轻微污染;从浮游动物香农-威纳指数来看,埕岛油田周边海域环境质量为中等污染;但从底栖生物香农-威纳指数来看,埕岛油田周边海域2007—2009年环境质量为清洁,2010年为轻微污染,2011年为中等污染。有研究者认为底栖生物栖息在水体的底部,对环境变化反应敏感,是沉积物环境污染最直接的响应群体,当水体受到污染时,底栖动物群落结构及多样性会发生改变[22],因此底栖动物香农-威纳指数能够更好地反应其海域环境质量状况,综合来看,目前该海域环境质量为中等污染。

表3 黄河口埕岛油田周边海域历年海洋生物指数表Tab.3 The marine biological indexes around Chengdao Oilfield sea areas in the Yellow River Estuary

以上分析显示,2006—2011年埕岛油田周边海域生物环境状况整体水平有所下降,主要体现在浮游植物、底栖生物种类减少,底栖生物密度和生物量均有所下降,群落香农-威纳指数降低。马媛 等[2]根据1996年8月和2003年8月对埕北油田邻近海域的调查资料,对海水与底床中生物种类、数量和密度进行历史变化趋势分析与现状评价,结果表明,该海域2003年的浮游动物和浮游植物及底栖生物的物种数、浮游动物生物量和生物密度与1996年的调查资料相比,均有所下降[2]。马媛 等[2]的研究与本研究结果趋势基本一致,海洋石油开发对埕岛油田周边海域的海洋生物造成了一定的负面影响。

3 结论

2006—2011年监测结果表明,黄河口埕岛油田周边海域无机氮(2009—2011年)和磷酸盐(2011年)超《海水水质标准》第二类水质标准;历年沉积物监测因子均符合《海洋沉积物质量》一类标准,沉积物质量良好,该海域水质和沉积物监测要素含量均在一定范围内波动;多年海洋石油开发造成该海域浮游植物、底栖生物种类减少,底栖生物密度、生物量、群落香农-威纳指数均下降。海洋石油开发对埕岛油田周边海域的生态环境造成了一定的负面影响。

建议相关部门及时采取有效的措施保护海洋环境,油田开发部门应采用先进、环保的开采工艺,最大限度地减少海洋环境污染物的排放;海洋环保部门一方面应实时监控陆源排污情况,另一方面应密切关注油田海域海洋环境的质量和变化情况,发现异常情况及时采取措施,并与高校和科研单位积极合作,对受污染的海水和沉积物环境进行生态修复。

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The eco-environmental characteristics and variation trends around Chengdao Oilfield sea areas in the Yellow River Estuary

ZHANG Liang1,2,3, YE Fang4, WANG Jin-wen1,2,3, ZHANG Nai-xing1,2,3, SU Kai1,2,3, ZHANG Shao-ping1,2,3, SUN bin1,2,3, QU Wen1,2,3, TAO Hui-hui1,2,3

(1.ShandongProvincialKeyLaboratoryofMarineEcologyandEnvironment&DisasterPreventionandMitigation,Qingdao266061,China; 2.NorthChinaSeaMarineForecastingCenterofSOA,Qingdao266061,China; 3.QingdaoOceanicEnvironmentalMonitoringCentralStationofSOA,Qingdao266061,China; 4.HuarenPharmaceuticalCo.,LTD,Qingdao266100,China)

In order to find out the eco-environmental characteristics and variation trends around the Chengdao Oilfield sea areas in the Yellow River Estuary, using the methods of single factor index and comprehensive index, the monitoring data of the seawater and sedimentary quality over years were evaluated, and the changes of marine biology around the Chengdao Oilfield sea areas were also analyzed. The results showed that except for inorganic nitrogen in 2009, 2010, 2011, and phosphate in 2011, the water quality of the investigated areas reached the second-class water quality according as The Chinese National Standard of Seawater Quality. The sedimentary quality of the investigated areas reached the first-class sedimental quality according as The Chinese National Standard of Sediment Quality. The oil contents of sea water and sediment in 2006-2011 had a good corresponding relation with the annual oil production of Chengdao Oilfield. Offshore oil development caused a reduction in the total number of phytoplankton and benthic species, and the total density, biomass and community diversity index of benthos also declined. The offshore oil development caused some negative impacts on the environment around Chengdao Oilfield sea areas.

The Yellow River Estuary; Chengdao Oilfield; seawater quality; sediments; marine biology

10.3969/j.issn.1001-909X.2015.03.011.ZHANG Liang, YE Fang, WANG Jin-wen, et al. The eco-environmental characteristics and variation trends around Chengdao Oilfield sea areas in the Yellow River Estuary[J]. Journal of Marine Sciences, 2015,33(3):75-83, doi:10.3969/j.issn.1001-909X.2015.03.011.

2014-06-25

2015-03-30

国家海洋公益性行业科研专项项目资助(201205036-07)

张亮(1982-),男,山东淄博市人,工程师,主要从事海洋环境监测和评价方面的研究。E-mail:36302162@qq.com

X834

A

1001-909X(2015)03-0075-09

10.3969/j.issn.1001-909X.2015.03.011

张亮,叶芳,王尽文,等. 黄河口埕岛油田周边海域的生态环境特征及变化趋势[J]. 海洋学研究,2015,33(3):75-83,

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