海洋溢油生態環境損害因果關系判定方法與模型研究

喬 冰, 蘭 儒, 李 濤, 陳明波, 聶 寧, 石 敬, 任利利, 段君雅, 俞博凡

交通運輸部水運科學研究院, 北京 100088

石油是人類生產和生活中重要的能源和資源,在全球范圍內被廣泛地開采、加工、存儲和運輸,在促進發展的同時,也存在著事故風險隱患。溢油污染事故往往造成巨大的環境經濟損失[1],構成了對海洋環境安全及人體健康的重大威脅。科學地判定海洋溢油對生態環境的污染損害,對于損害賠償的司法仲裁[2]和賠償基金的索賠及理賠[3]均具有重要的科技支撐作用,同時也是及時、充分地開展損害修復的重要依據。鑒于我國在生態環境損害評估范圍的界定、閾值判定、評估方法、環境損害行政調節及監督機制等方面仍嚴重缺失[4- 6],國家重點研發計劃也提出了相關研究內容方向,即：判定生態環境損害基線、因果關系、損害程度,為生態環境損害鑒定評估提供業務化技術支持[7],海洋溢油生態環境損害判定是其中的重要內容。以往的相關研究側重在污染源診斷和損害程度調查的方法與流程[1]、海洋生態系統影響模型[8]以及與之相耦合的溢油漂移模型[9]、溢油風化模型[10]等方面,對于溢油污染損害的因果關系及其判定方法與準則卻鮮有專題研究,難以形成對海洋溢油生態環境損害司法鑒定等業務工作的有效支持,亟待加強相關理論、技術方法和業務化應用的研究,以保證損害鑒定評估工作的科學性、系統性、實用性和可操作性。本文基于對海洋溢油環境歸宿和生態環境損害的機理分析,研究提出了海洋溢油與多生境多營養級海洋生態系統易受損因子所受損害之間的因果關系判定準則及其指標體系,從海洋溢油事故的損害鑒定評估以及生態風險評價等業務化應用角度,提出了服務于海洋溢油生態環境損害因果關系判定的損害評估模型體系及多類型輔助評估模型,包括溢油遙感監視模型、油指紋鑒別分析模型、溢油品種和成分檢索模型、溢油風化模型、溢油源項分析模型、溢油海洋生態影響動力模型、多生境多營養級生態損害評估模型、海洋溢油人體健康風險評估模型的構建方案,介紹了開展黃渤海溢油事故調查和因果關系判定的應用研究進展。

1 基于溢油種類和成分、海洋生態環境損害機理的因果關系判定方法

1.1 溢油種類、組分及含量與損害類型和程度的因果關系

溢油種類繁多,主要包括來自不同產地、組分及性質各異的原油及其煉制產品(成品油)。本文根據國內外不同產地原油餾分及含量文獻數據[11],對原油中各餾分(汽油餾分、柴油餾分、減壓餾分、減壓渣油)的占比、不同餾分的分類組分及其含量進行了統計分析,進而構建了相應的溢油成分統計均值指標體系(圖1),從中可以看出,原油中輕質至重質餾分的占比由小到大,逐級遞增,分別為：汽油餾分8.84%、柴油餾分20.01%、減壓餾分27.93%、減壓渣油43.23%；隨著餾分溫度的上升,餾分組分中難降解、高毒性的正構、異構烷烴、環烷烴、多環芳烴以及膠質、瀝青質等持久性污染物(POPs Persistent Organic Pollutants)的含量逐級明顯增加。鑒于不同種類的溢油組分中污染物及其含量各不相同,其相應造成的海洋生態環境損害的類型和程度也會有所不同。其中,汽油餾分的主要組分為易揮發正構及異構烷烴、單體烴、單環烷烴及芳烴,主要對空氣環境及暴露生物體造成危害[12],汽油已被世界衛生組織所屬的國際癌癥研究中心(WHO/IARC)開展的對化學物質引起人類癌癥危險性的評價確定為“可能人類致癌混合物”[13- 14],其中的苯還被IARC評價為“確定的人類致癌物”[13]；柴油餾分的主要組分為正構及異構烷烴、單環/雙環/三環烷烴及芳烴,其中,乙基苯、船舶用柴油機燃料被IARC評價為“可能人類致癌混合物”[13- 14],甲苯、二甲苯以及蒸餾的輕油型燃料油、噴氣機燃料、高精制礦物油被IARC評價為“對人致癌性不能分類”[15- 16]。原油中的重質組分以及餾分溫度較高的成品油(減壓餾分、減壓渣油)在溢出后對海洋生態環境會造成持久性污染,損害程度尤為嚴重,石油精煉的暴露環境被IARC評價為“很可能是人類的致癌物”[13],萘、殘余燃料油(重油) 均被IARC評價為“可能人類致癌混合物”[14],汽煉、裂化渣油和汽煉的石油瀝青、原油均被IARC評價為“對人致癌性不能分類”[16]。因此,在因果關系判定中,應首先對油品的種類和組分進行必要的定性及定量分析,再根據分析結果、溢出及清除狀況、氣象海況條件,以及借助必要的分析模型及數據庫,判定進入海洋環境的主要成分及數量,并采用本文后續提出的判定方法和模型體系,進一步判定溢油事故對多生境多營養級生態環境的損害類型、時空分布及損害程度。

圖1 原油各餾分占比及其分類組分含量的統計均值指標體系Fig.1 The index system of statistical mean value of crude oil fraction proportion and its classification component content

1.2 基于溢油環境歸宿和POPs毒性理論的損害機理分析方法

溢油在進入多生境多營養級海洋生態環境之后,會發生一系列復雜的遷移轉化過程,并對暴露的環境受體造成相應的污染損害。這些過程包括：溢油在海面及不同水深層漂移擴散,隨自然風化作用部分蒸發于空氣,或溶解及分散于水體(圖2),當接觸到海岸、沉積層或海洋生物時,會發生多介質間的遷移轉化和被生物吸收及累積,有可能經由食物鏈形成生物富集和生物放大,以及進入人體(圖3)。結合POPs對生物細胞分子的損害機理和毒理分析理論[17- 18],我們提出了海洋溢油生態環境損害機理,以及造成人體健康危害的途徑及后果,具體說明如下：

當生物體暴露于油類污染物,其細胞及分子因功能和結構發生紊亂而啟動自修復,一旦污染物暴露濃度達到一定水平,則會出現過度修復或引起修復受阻,進而產生一系列的毒理效應,包括：降低浮游植物分裂率和光合作用速率,引起生物體組織壞死及纖維化,導致后代成活率下降,發生遺傳變異,抑制免疫系統功能,形成細胞增生、腫瘤以及惡性腫瘤等,相應地會損害生態系統的結構、過程和功能,危害人體健康,上述損害機理示意詳見圖2。

圖2 海洋溢油環境歸宿及生態損害機理示意圖Fig.2 Environmental fate and ecological damage mechanism of marine oil spill

溢油進入人體的途徑包括：呼吸攝入,皮膚接觸吸收,通過海洋生物食物鏈進入魚類、肉類、奶乳制品而被食入,以及通過胎盤及哺乳傳入嬰兒體內。油類污染物一旦富集于人體器官、脂肪和纖維,則有可能引起內分泌紊亂、神經行為失常、生殖及免疫系統破壞、癌癥及腫瘤、發育不良等癥狀,進而形成接觸人群中相關疾病發病率較高的危害后果,危害路徑和后果示意詳見圖3。

圖3 海洋溢油生態環境損害造成人體健康危害的途徑及后果示意圖Fig.3 Path and consequence of human health harm caused by marine oil spill ecological environment damage

1.3 海洋溢油生態環境損害因果關系判定方法

依據上述機理分析,筆者認為,海洋溢油事故的發生是造成相應的海洋生態環境損害和人類健康危害的前提條件,兩者之間存在因果關系是毋庸置疑的,因此,首先十分有必要對溢油的源項作出具體判定,包括時間、地點、環境條件、溢出物種類、數量及處置狀況等。其次,溢油的種類、化學成分及含量決定了其在海洋環境中的歸宿、危害程度和持續時間,是進一步判定溢油與損害之間因果關系的重要依據。第三,海洋溢油可造成對多生境多營養級生態環境因子的污染損害,因此需要科學、系統、全面地判定不同類型易受損因子所受損害的后果。第四,海洋溢油造成的生態環境損害及人類健康危害與其空間上的暴露分布和暴露的持續時間密切相關,為此需要在開展進一步的調查取證和分析評估基礎上,作出相應的因果關系判定。綜上所述,本文提出了海洋溢油造成生態環境損害和人類健康危害的因果關系判定方法,其包括具有邏輯遞進關系、分別側重事故發生、成分含量、分類后果和時空分布的4類因果關系判定準則,以及相應的判定指標,基本框架如圖4所示,分類因果關系及判定指標詳見圖5。

圖4 海洋溢油生態環境損害因果關系判定方法基本框架及流程Fig.4 Basic framework and process of causal relationship determination method for marine oil spill ecological environment damage

圖5 基于溢油在海洋環境中狀態分類的因果關系及判定指標示意圖Fig.5 Causal relationship and judgment index diagram based on classification of oil spill state in marine environment

2 海洋溢油生態環境損害評估模型體系

2.1 模型體系組成及總體架構

由于海洋溢油事故源項的地點、時間、油種、規模、應急處置狀況、以及相應的地形、氣象水文及環境條件千變萬化,因此,事故源項、損害后果、因果關系的判定具有較大的科學挑戰性和技術復雜性,需要得到多方面的技術支撐,以及實現在損害鑒定評估業務中的應用。筆者以因果關系判定模型中事故發生、成分含量、分類后果和時空分布這4類因果關系判定準則為主線,提出了與之對應配套的多類型輔助評估模型的具體構成(圖6)。其中,與“判定準則(1)事故發生”相對應的遙感監視監測模型分別針對了損害的因(溢油)和果(影響受體)兩個方面,需要建立污染前后遙感信息數據庫和危害狀況判定準則,油指紋鑒別分析模型及數據庫和溢油溯源分析模型用于判定海洋溢油與可疑源項之間的相關關系；與“判定準則(2)成分含量”相對應的溢油品種和成份檢索模型及數據庫能夠快速檢索出不同類型原油和成品油的主要化學成分及統計平均含量,溢油成分急慢性毒性模型及數據庫能夠快速檢索出主要溢油成分的急性和慢性毒性指標和定量化毒性閾值判定指標；與“判定準則(3)分類后果”相對應的溢油環境風化模型及數據庫能夠提供相應溢油品種蒸發、擴展、乳化、懸浮、溶解、沉降的狀況和比例；與“判定準則(4)時空分布”相對應的是多種用于定量分析溢油生態環境損害影響及其時空分布的模型,包括源項分析模型及數據庫、海洋生態影響動力模型、多生境多營養級生態損害模擬模型、接觸人群健康風險分析模型,其中,海洋生態影響動力模型還要以區域海流模型及數據庫、海面風場診斷模型及海流耦合模型、溢油漂移軌跡及變化分析模型、區域水質基線及影響模型及數據庫、浮游動植物影響動力模型及數據庫為基礎。為了使上述因果關系判定模型和與之相對應的配套多類型輔助評估模型得以業務化、標準化的建設和運行,還需要構建成套的調查試驗診斷分析方法及業務化流程和海洋生態環境損害基線與程度判定準則及指標體系,前者包括已有、將有和應有的相關判定方法及業務化流程,后者包括不同區域、不同類型易受損因子、不同指標項目及等級的定性和/或定量判定指標。上述海洋溢油生態環境損害評估模型體系的組成及總體架構詳見圖6。

圖6 海洋溢油生態環境損害評估模型體系的組成和總體架構Fig.6 Composition and overall framework of marine oil spill ecological environment damage assessment model system

2.2 多類型輔助評估模型構建方案

多類型輔助評估模型由經過驗證的多種類型專業化模型組成,其專業類型主要包括：人工智能辨識模型、數據庫及檢索模型、縮比仿真試驗模型、毒理評估模型、漂移擴散數學模型、風險分析統計模型等[1,8- 10,19- 20],可用于相關因果關系判定的輔助技術支持,分類構建方案詳見表1。

表1 輔助評估模型的分類構建方案一覽表

2.3 損害基線與程度判定準則及指標體系構建方案

從海洋溢油生態環境損害的機理(圖2)和分類后果(圖5)可以看出,溢油在海洋環境中可呈現多種狀態。盡管不同的溢油狀態,其所對應的損害受體、類型及后果有所差異,但卻比較集中于對某些生態環境因子造成損害,本文將此類環境因子簡稱為易受損因子,主要包括：海洋水質、海洋底質、海洋生物質量、海洋生物種類組成及數量、棲息密度和生物量、人類健康等。由于溢油的多種狀態常同時發生,因此,造成海洋生態環境損害的類型及后果具有多生境多營養級廣布的特點,存在易受損因子所受損害的疊加累積效應。為了判定海洋溢油生態環境損害的程度及其時空分布,需要調查和評估溢油事故發生之前相關區域易受損因子的狀態,即：生態環境基線[21],以及事故發生后受到損害的狀態。多生境多營養級易受損因子損害基線和程度判定準則及指標體系的構建方案如表2。

表2 受損因子損害基線和程度判定準則及指標體系構建方案一覽表

3 判定方法與模型的應用研究

3.1 溢油風化水質影響評估模型

根據本文前述的機理分析,海洋水質是溢油造成環境污染損害的代表性易受損因子。在日常監測和發生溢油事故開展應急監測中,常見的水質監測指標包括DO、COD、含油量、BOD5等。以往的溢油模型研究主要集中在溢油漂移擴散的短期預報,預報參量主要為漂移擴散的位置、掃海面積、著岸區域、著岸溢油量、受污岸線長度,用于輔助支持溢油應急行動方案的制定和實施[9],模擬時長一般不超過溢出后一個月。關于溢油事故對水質污染損害的監測調查,也主要集中在事故附近海域[1]。然而,進入水體的溢油隨著風浪流的聯合作用,會漂移擴散到距事發地更遠的連通海域,對水質及相關易受損因子構成更大范圍、更長時間的污染損害。而現有的模型技術和事故調查由于在模擬時長、水質易受損因子模擬功能、專項監測調查范圍等方面存在不足,尚難以輔助支持調查取證與評估溢油事故對水質的較長期影響。為解決這一技術難題,筆者結合溢油風化實驗建立了水質影響評估模型(式(1)—(5)),通過將實驗結果與文獻報道的“塔斯曼海”輪、大連“7.16”溢油事故實測值[1,29]相比較(該兩起溢油事故基本情況的簡要介紹詳見本文第3.2節),對模型中DO、COD、含油量、BOD5濃度的縮比仿真比值作出率定[10]。繼而根據調研的源項資料[30- 31],采用污染面積估算模型(式(4))計算大連“7.16”事故當年及第二年黃海、渤海海域石油類濃度新增超一類海水水質標準的面積。在疊加了大連7.16事故次年發生蓬萊“19- 3”溢油事故的影響面積之后[32],采用式(5)估算的海水水質指標超標面積增加值與海洋環境狀況公報實測增加值[28]能夠相互印證(圖7),其中,水質超標損害的定量化程度判定指標為：不同海域(渤海、黃海)、不同時段(事故后第一年、第二年)、不同水質超標等級(超一類、二類、三類、四類水質標準)的超標面積增加值(即已扣除了可能隱含的超其他等級水質標準的面積)。上述溢油風化水質影響評估模型計算結果與事故海域水質實測結果的相互印證,體現了如下模型構建及應用方法的優勢,一是支持了對該兩起溢油事故造成水質超標損害的因果關系判定,二是充分利用了國家現有的海水水質監測指標和監測成果,三是證明了本研究提出的多類型輔助評估模型中的“溢油環境風化模型及數據庫”能夠有效地輔助支持因果關系判定模型中“判定準則3：分類后果”,具體的模型應用計算參數詳見表3。

圖7 大連“7.16”事故后新增超標準面積估算值與公報實測增加值相互印證圖Fig.7 Mutual confirmation of the estimated value of the new area exceeding the standard after the “7.16” accident in Dalian and the measured value added in the bulletin

表3 大連“7.16”事故當年及次年水質影響評估模型的部分參數取值

APr_slicki=Wr_spilli/A3r/[Tr(C1r+C2r+C3r+C4r)]

(1)

(2)

(3)

(4)

APi,n=AP0,n+APrdspsndi,n

(5)

從式(1)可以看出,在根據油膜面積估算溢油量時,需要將溢油體積轉換為重量,油品密度和不同厚度油膜面積是決定轉換結果的重要參量。從式(2)—(4)可以看出,水中含油量和回收溢油情況是判別水質超標面積的重要指標。上述重要參量和指標對于溢油事故損害程度的定量判定具有敏感性,應作為相關調查取證的重要證據,盡可能減少其不確定性。

3.2 海洋溢油生態環境損害因果關系判定

根據本世紀以來發生于渤海和黃海的溢油及危化品污染事故概況(表4)[1, 20, 29, 33- 37]和原國家海洋局海洋水質超標面積實測公布資料,通過因果關系的判定和與實測資料的相互印證(圖8),證實了所有較大規模及以上溢油事故均造成了大面積的嚴重污染損害,致使事故當年所在海域水質指標超標面積出現峰值。從不同海區損害程度(超標等級和面積)及持續時間(事故后各超標等級超標面積的回落)來看,其與事故位置所處海域及擴散條件、事故發生時間、入海溢油的總量及持久性呈密切相關性。例如：發生于渤海灣內的塔斯曼海油輪破損泄漏和黃海大連灣內的“阿提哥”油輪擱淺事故由于擴散條件所限,主要造成各自所在海域海水水質超標面積明顯增長,并未造成同期周邊海域(分別為黃海和渤海)的水質超標面積明顯增加,而其他事故由于所處位置及擴散條件均造成了所在海域及與之聯通海域的水質超標面積明顯增加；塔斯曼海油輪破損泄漏和黃海大連灣內的“阿提哥”油輪擱淺事故分別泄漏的輕質原油和重質原油,盡管泄漏規模基本相當,但重質原油(“阿提哥”事故)造成的水質超標程度和超標面積卻明顯高于輕質原油(“塔斯曼海”事故)；大連“7·16”和蓬萊“19- 3”溢油事故泄漏量較大,且溢油種類為重質原油,同時造成渤海和黃海海域各類超標水域面積的明顯增加,造成的水質超標程度和超標面積明顯高于其他污染事故。

表4 渤海和黃海溢油及危化品污染事故概況

從圖8可以看出,自2002年以來連續13年,各類溢油及危化品事故對海洋水質及其與之緊密關聯的海洋生態環境及位于食物鏈頂端的人類健康的危害是難以避免和不容忽視的。如表2所述,通過對事故所在海域周邊陸域及海產品主要供應區域人群相關流行發病率(如消化系統、代謝系統、內分泌系統新發癌癥發病率增加值)的調查取證,將能夠作出對人類健康危害相關因果關系的分析判定。

圖8 渤海和黃海溢油及危化品事故對水質影響因果關系印證圖Fig.8 The causal relationship between oil spills and hazardous chemicals accidents in Bohai Sea and Yellow Sea on water quality

4 結論

海洋溢油構成了對生態環境安全及人體健康的重大威脅,對生態環境造成的損害隨事故源項的地點、時間、油種、規模、應急處置狀況、地形、氣象水文及環境條件千變萬化,損害的類型及后果具有多生境多營養級廣布的特點,存在易受損因子所受損害的疊加累積效應。因果關系的判定需要從判定事故的發生、主要成分及含量、溢油狀態及分類后果、溢油源項及損害后果的時空分布依次展開。

海洋溢油生態環境損害評估模型體系以因果關系判定準則及指標體系為主線,由相應的多類型輔助評估模型、調查試驗診斷評估方法及業務化流程、損害基線與程度判定準則及指標體系集合而成,用于為因果關系的判定及其業務化應用提供技術支持。應用研究顯示,經與實測資料相互印證,本世紀以來在黃渤海海域發生的較大規模及以上溢油事故均造成了大面積的嚴重污染損害,其對海洋生態環境及位于食物鏈頂端的人類健康危害令人擔憂。