辽东湾近岸海域石化产业环境风险综合评价

张晓霞，郑丙辉，汪星，殷雪妍，程嘉熠

1.湖泊水污染治理与生态修复技术国家工程实验室,中国环境科学研究院

2.国家海洋环境监测中心

随着我国沿海经济带的迅速发展，能源需求量不断提高，自1993 年我国完成由石油出口国到进口国的转型后，油气能源的需求缺口进一步放大，石化产业项目及能源运输业迅速崛起。同时，由于沿海地区城市化建设步伐的加快，工业、城镇开发用地严重不足，迫使陆上众多工业向近岸转移，临港石化产业应运而生[1]。星罗棋布的石化产业项目与繁密穿行的海洋油轮势必造成海上石油泄漏事故的巨大环境风险[2-4]。据统计，1973 年以来，我国沿海累计发生溢油事故3 100 多起，总溢油量超过43 000 t[5]，其中，特大型或重大溢油事故10 余起，平均每4 年便发生一起严重的溢油事故[6]，对近岸海域的生物资源、海洋环境、生态景观造成严重影响，且难以恢复[7-8]。

自2000 年以来，海洋环境管理部门针对石化产业及石油污染逐步推行开展近岸海域专项监测评价工作。但由于政策上缺少相关标准规范的有力引导、技术上监测评价能力的不足，致使石化产业对海洋生态环境的影响以及环境风险仍难以明确。因此，如何建立一套行之有效的环境风险综合评价模型，掌控临港石化产业对海洋生态环境的影响[9]，对于海上污染物精准防控，降低环境风险具有重要意义[10]。

目前，国内外学者在环境致灾体危险性评价[11]、环境脆弱性评价领域取得了一定的成果[12]。其中，对于致灾体危险性评价主要应用于地质灾害（如滑坡、泥石流等）的危险评价，评价方法包括多元回归、聚类分析、神经网络等；对于环境脆弱性评价则多采用层次分析法、聚类分析法等，通过区别多元环境因子对环境主体的影响程度，建立综合评价体系[13]。而对于环境风险评价领域的研究工作尚不充分，多通过分析环境灾害发生的危害程度与可能性等指标，开展建设项目环境风险的评价研究[14]，却忽略了环境本身的承载能力。海洋作为海水、沉积物、生物多相耦合的复杂生态环境系统，对于环境风险灾害的承载能力不容忽视[15]。因此，对于处在海陆交汇处，持续入海排污，具有较高环境污染风险的临港石化产业项目的环境风险评价研究工作应结合环境灾害承载力、灾害危险性等多种因素开展系统评价[16-18]。

笔者选取海洋油气开发与石化产业分布相对密集的辽东湾近岸海域为研究区域，借助环境灾害学理论体系[19]与数理统计主成分分析法[20]，结合石化产业特征污染物指标及要素[21-23]，开展近岸海域石化产业环境风险综合评价研究，旨在为近岸海域石化产业污染评价标准方法的确立与溢油风险防控提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 数据来源与研究范围

2014—2018 年共开展5 个航次的调查，在辽东湾近岸海域共采集4 个监测断面合计24 个监测点位的水质、沉积物和生物样品。依据《辽宁省海洋功能区划(2011—2020)》中界定的近岸海域范围确定研究区域[24]。敏感目标和风险源数据来自辽宁省海洋生态功能区划、海域使用现状和文献调研数据[25-26]。研究区域及监测点位布设如图1 所示。

图1 研究区域及监测点位Fig.1 Study area and sampling locations

样品的采集、运输、存储和预处理均按照海洋监测调查相关标准规范开展。水质、沉积物样品检测方法严格依据GB 17378.4—2007《海洋监测规范第4 部分：海水分析》、GB 17378.5—2007《海洋监测规范 第5 部分：沉积物分析》执行；根据GB 17378.7—2007《海洋监测规范 第7 部分：近海污染生态调查和生物监测》，浮游生物多样性采用拖网法采集样品，采用目视法进行分析（表1）。

表1 样品分析检测方法Table 1 Sample analysis and testing methods

采用Z-Score 数据标准化法[27-28]对2014—2018年辽东湾近岸海域水质、沉积物和生物生态数据进行标准化处理，以消除量纲与数量级不同的影响，分析检测结果见图2。从图2 可以看出，2014—2018 年，辽东湾近岸海域生态环境状况有向不利方向发展的趋势，其中水质石油类、汞和镉浓度上升趋势明显，沉积物重金属浓度显著上升，生物生态状况基本稳定，浮游生物多样性指数略有降低。为进一步探究辽东湾近岸海域石化产业项目环境风险状况，就辽东湾近岸海域环境脆弱性、石化产业致灾体危险性等方面建立环境风险评价模型，开展环境风险评价研究。

图2 样品分析检测结果Fig.2 Sample analysis and test results

1.2 环境风险综合评价方法

1.2.1指标体系的构建

指标体系的构建是环境风险评价的核心部分，关系到评价结果的可信度。构建指标体系在遵循科学性、系统性、简单性的原则上，充分考虑研究对象的特点、资料的详尽程度以及可获得性。

为揭示辽东湾近岸海域石化产业项目环境风险状况，基于环境灾害风险评价的研究[29-30]，从致灾因子危险性、承灾体脆弱性2 个方面建立近岸海域石化产业基地环境风险评价指标体系。致灾因子危险性是评价研究区域内石油化工产业环境灾害发生的可能性及强度，石油化工产业环境风险源越多或者规模/密度越大，危险性越高，因此，选取辽东湾近岸海域溢油事故发生频次、临港石化产业区离岸距离和输油航路通航频率作为致灾因子危险性评价指标。承灾体脆弱性是评价致灾因子对承灾体的破坏程度，承灾体易损度越大，环境灾害造成的损失越大[31]。环境灾害对近海海域承灾体的影响可以归结为水质、沉积物、生物资源的损失以及对区域内敏感目标的影响，将辽东湾近岸海域生态环境状况及功能区划、生态红线管控要求作为承灾体脆弱性评价指标。具体风险评价指标体系见表2。

1.2.2指标权重计算方法

为了进一步提高评价结果的科学性与有效性，考虑到本次评价所涵盖的指标众多，采用专家打分法和主成分分析法定性与定量相结合的方法，求解各变量的相对权重。以面对面咨询的方式分5 次征询5 位不同海洋科学领域专家的意见，对因素层承灾体脆弱性和致灾体危险性的权重进行打分，得到统一的权重结果。主成分分析法是将众多评价指标转化为相对较少，且互相线性无关的多元统计分析法，本研究中用于定量计算指标层各指标的权重[32]。假设有n个评价对象，且每个评价对象包含p个评价指标(x1,x2,···,xp)，构建数据矩阵：

常用新的综合指标yi为来代替原始评价指标，即：

由于总方差之和不发生变化，即：

新构成的综合指标（y1,y2,···,yp），依次称为原始评价指标的第1、第2,···，第p个主因子。当第p个方差很小时，即前p-1 个向量方差占主体p个向量方差总和的90%以上，则y1,y2,···,yk(k＜p)可以基本反映p个指标所包含的全部信息量。由于y1,y2,···,yk彼此相互线性无关，并且评价指标向量数k＜p，因而实现了减少评价指标个数的目的（由原来的p个评价指标减少至k个），并且充分的保留了原始全体指标的信息量，同时避免了信息的交叉和重叠[33]。

设X=（x1,x2,···,xp）生成的协方差矩阵S，λ1≥λ2≥···≥λp≥0 是协方差矩阵S从大到小排列的p个特征根，a1,a2,···,ap是特征根依次所对应的标准化正交特征向量，求解特征值：

指标权重即为：

1.2.3指标分级方法

按各指标所依据的规程标准，划定合理阈值，以轻度、中度、高度和极度进行分级[29]。承灾体脆弱性指标中，海水水质、沉积物与生物指标的分级标准分别参照GB 3097—1997《海水水质标准》、GB 18668—2002《海洋沉积物质量标准》、HY 087—2005《近岸海洋生态健康评价指南》与HY/T 215—2017《近岸海域海洋生物多样性评价技术指南》的阈值进行脆弱性等级划分（表3）；敏感目标及致灾因子指标标准参考HY 169—2018《建设项目环境风险评价技术导则》中的不同的缓冲距离进行等级划分（表4）。

表3 承灾体脆弱性指标等级划分Table 3 Classification of vulnerability index of disasterbearing bodies

表4 致灾因子危险性指标等级划分Table 4 Classification of risk index of hazard-inducing factors

1.2.4综合评价模型的建立

研究认为环境风险是承灾体脆弱性和致灾因子危险性二者共同作用的结果，因而选取2004 年联合国提出的风险评价模型：环境风险=承灾体脆弱性×致灾因子危险性，即R=F×D。

利用拉格朗日（Lagrange）插值公式﹝式（7）、式（8）﹞对研究区域进行网格化处理，形成各海域单元[34]。

式中：xi与yj分别为各监测点位的经纬度坐标；pk(x)为多项式系数；Ln(x)为各海域单元插值后的计算结果。

式中：R为环境风险综合评价结果；F为承灾体脆弱性指数；D为致灾体危险性指数；E、H分别为承灾体脆弱性和致灾体危险性各指标的评价赋值结果；i为海域单元（网格）；(x,y)=(0,0)→(n,n)，为整个研究区域。

1.2.5等级表征

参考《海洋生态系统健康评价技术规程第一部分：海湾生态系统》涉及的分级标准，对各指标的脆弱性和危险性进行赋值，并进行承灾体脆弱性、致灾因子危险性和环境风险综合评价结果等级划分，结果见表5。依据式(9)～式(11)，借助ArcGIS 的空间矢量叠加技术，对各海域单元的脆弱性指数、危险性指数以及环境风险评价结果进行空间矢量集成。

表5 指标赋值与评价指数等级划分Table 5 Index value and classification of assessment index

2 结果与讨论

2.1 承灾体脆弱性评价结果

辽东湾近岸海域承灾体脆弱性评价结果分布见图3。从图3 可以看出，辽东湾近岸海域整体脆弱性为中度脆弱，脆弱性从湾口至湾顶逐渐增强，承灾能力逐步降低，至双台子河口附近海域脆弱性最为严重。根据矢量计算结果，辽东湾近岸海域高度脆弱性海域面积占总面积的19%以上。

图3 辽东湾近岸海域承载体脆弱性评价结果Fig.3 Vulnerability assessment results in Liaodong Bay coastal waters

分析其原因，主要受3 个方面因素影响：1）双台子河口周边海域分布有双台子河口生态红线区、海洋保护区、水产种质资源保护区等重要环境敏感目标，对于环境灾害风险极其敏感；2）双台子河口周边海域本身就处于辽东湾顶部，水动力交换极差，自净能力薄弱，且处于偌大的陆海交汇处，受双台子河、大小凌河以及辽河上游径流污染物入海影响，势必导致其环境质量下降[35]、污染承载力减弱[36]；3）该区域处在辽东湾油气开发规模最大的区域，持续的石化产业活动与污染物排放势必对其生态系统造成较大的影响[37]，最终导致其生态系统的高度脆弱。

2.2 致灾体危险性评价结果

辽东湾近岸海域致灾体危险性评价结果分布见图4。从图4 可以看出，辽东湾近岸海域整体致灾体危险性为中度～高度危险。高度危险区域分布基本与石化产业区、油港码头以及油轮航路位置相重合。辽东湾近岸海域致灾体高度危险区域约占总面积的24%，主要分布于辽河口至双台子河口沿岸海域及锦州近岸的部分海域。

图4 辽东湾近岸海域致灾体危险性评价结果Fig.4 Hazard assessment results of disaster causing bodies in Liaodong Bay coastal waters

2.3 环境风险综合评价结果

辽东湾近岸海域环境风险评价结果见图5。从图5 可以看出，辽东湾近岸海域整体环境风险等级为中度风险，高度风险区域占总面积约17.6%，主要分布于双台子河口与辽河口连线海域以及锦州近岸海域。

图5 辽东湾近岸海域环境风险评价结果Fig.5 Environmental risk assessment results in Liaodong Bay coastal waters

分析其原因，主要包括以3 个方面：1）石化行业本身就是高风险行业，生产加工过程中使用、排放的多数物料以及中间和最终产品多具有易燃易爆、有毒有害的性质，对于毗邻环境造成巨大威胁；2）油港码头泊位附近海域环境监管职责存在管理职责交叉的情况，容易促使油港码头水域成为环境污染风险防控的灰色地带；3）随着能源需求的不断提高，能源运输业发展迅猛，油轮通航繁密，但由于辽东湾近岸海域独特的自然地理条件[38]致使其近岸海域水深状况不利于船舶的航行，航路窄、线路蜿蜒、乘潮出行是辽东湾海上航路的最大困境，海上油轮碰撞溢油事故成为近些年来石油泄漏污染事故的重要原因之一[39]。可见，临港石化产业、油港码头和输油航路具有海洋灾害的高度危险性，一旦发生污染事故将对周边生态环境造成巨大损害[40]。

3 结论

（1）辽东湾近岸海域生态系统较为脆弱，从湾口至湾顶脆弱性状况愈发严重。整体上，辽东湾近岸海域环境风险处于中度风险等级，而双台子河口至辽河口海域以及锦州近岸海域具有较高环境风险。从计算结果来看，高度风险区域面积约占辽东湾近岸海域总面积的17.6%，其余海域环境风险较低。

（2）随着临港石化产业发展，项目规模逐渐的扩大，能源运输的进一步繁密，油气加工设施及其配套设备的老化，其对于海洋生态环境的威胁只会愈发严重。届时，辽东湾近岸海域重点石化产业区毗邻海域将会面临更大的环境风险。一旦发生污染事故，将造成巨大的生境损害。因此，主管部门应当重视生态高风险区域，通过采取重点区域监测点位加密布设、提高专项监测频次、优化溢油应急资源调配及布局方案等方式，以最大程度降低临港石化产业对生境的损害风险，保护海洋生态环境的健康。