齐莎莎 张敏霞

(中海油研究总院有限责任公司)

0 引 言

党的十八大制定了海洋强国战略目标，要求高度重视提高海洋资源开发能力建设，充分发挥海洋开发对我国海洋经济的带动作用，扩展国家战略资源储备和战略空间。海洋油气资源是我国能源结构的重要组成，其油气资源储量占总储量的近30%[1]。随着陆地能源压力日益紧迫，海洋石油开发已成为人类获取能源的重要途径。现有研究聚焦海上油气开发工程对海洋环境石油类的污染问题，随着生态环境保护形势日益严峻、公众环保意识的不断提高，海上油气开发工程对海洋环境重金属锌的影响越来越受到关注。相关研究表明，适量重金属锌有利于藻类等生物的生长发育，但在超过一定浓度范围时导致生物体的生长发育甚至存活受到影响[2]，并通过食物链富集和传递，最终对人类健康造成影响。目前关于海洋水体和沉积物锌污染研究较多，但针对海洋石油开发周边海域的锌污染时空分布、生态风险和来源特征研究较少，尚缺乏系统的认识。

针对这些问题，本研究以曹妃甸油田群为例，通过分析研究海域重金属锌含量变化、时空分布特征和潜在生态风险，探讨该海域重金属锌的潜在来源，从而为海洋生态环境的保护和管理提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于渤海湾西部海域，平均水深18～30 m，曹妃甸油田群最近离岸距离为19 km。自2004年8月开始滚动开发，目前油田群在生产的海上设施包括：浮式生产储油装置FPSO、1座集输平台、4座井口平台、1座中心平台和油气集输管线。

1.2 数据来源

曹妃甸油田群海域水质和沉积物数据来源于2010—2018年春季海洋环境监测。虽各年份监测站位的数量略有变化，但主要监测站位保持稳定，保证了数据具有可比性。2010年5月、2013年5月、2016年5月和2018年5月水质监测站位数量分别为21个、38个、15个和48个，沉积物监测站位数量分别为10，22，11，29个(图1)。

图1 曹妃甸油田群海域监测站位布设示意

样品的采集、处理及分析方法均参照GB/T 12763.4—2007《海洋调查规范 第4部分：海水化学要素调查》[3]和GB 17378.4—2007《海洋监测规范 第4部分：海水分析》[4]进行，水质锌含量测定采用火焰原子吸收分光光度法，检出限3.1 μg/L，沉积物锌含量测定采用火焰原子吸收分光光度法，检出限6×10-6。

1.3 研究方法

1.3.1 克里金插值法

克里金(Kriging)插值法是基于数学模型与统计模型的一种空间插值法，基本原理是根据相邻变量的值，利用变差函数所揭示的区域化变量的内在联系估计空间变量数值，是非常有用的统计学方法。克里金方法的应用领域不断发展壮大，谢贤胜等[5]运用克里金插值法对广西西江流域1970—2019年气温和降水时空变化趋势和突变情况进行分析。Zhang H等[6]利用克里金法结合风向对新乡市PM2.5空间分布进行分析。韩旭东等[7]采用Arcgis克里金空间插值等方法对黄骅港及其邻近海域水质和营养盐空间分布情况进行研究。

本文采用Arcgis10.3中的克里金插值法对锌时空分布进行空间插值，以获得研究海域锌污染的时空分布特征，计算公式为：

(1)

1.3.2 潜在生态风险指数法

采用Hakanson生态风险指数法对沉积物重金属锌的生态风险进行评价。综合考虑重金属毒性、海域沉积物背景值等因素，定量划分潜在生态风险等级。

(2)

(3)

(4)

表1 重金属元素的背景值

表和RI的分级标准

2 结果与讨论

2.1 锌的含量变化

根据2010，2013，2016和2018年的历史调查数据(表3)，表层和底层海水水质锌含量平均值的变化趋势一致，底层含量均高于表层。2010年5月海水水质中锌含量平均值最高，表层(23.3±15.3)μg/L、底层(23.8±16.6)μg/L；2013年5月和2016年5月锌含量呈现逐渐降低的趋势；2018年5月锌含量平均值较2016年5月增高了表层1.0 μg/L、底层1.5 μg/L，但较2013年5月平均值低。2010年5月沉积物锌含量平均值最高，为(44.9±14.3)×10-6，低于渤海表层沉积物锌含量背景值(67.6±17.0)×10-6；2013年5月沉积物锌含量平均值较2010年5月降低了49.2%；2013—2018年沉积物锌含量平均值逐渐上升，但低于2010年5月平均值。2010年5月各站位调查结果的离散度最高，其次为2018年5月，2013年5月和2016年5月离散度较低。

表3 曹妃甸油田群海域重金属锌含量

2.2 海域重金属锌空间分布特征

从表层水质锌含量空间分布情况(图2)可以看出，2010年呈现北部高、西南部较低、东南部最低的分布趋势；2013年分布特征不明显，总体呈现四周高、中间低的趋势；2016年分布特征与2010年相反，呈现北部低、西南部和东南部高的分布趋势；2018年分布较均匀，大致呈现西低东高的趋势。

图2 2010—2018年表层水质锌含量空间分布情况

从底层水质锌含量空间分布情况(图3)可以看出，2010年呈现北高南低的分布趋势；2013年呈现西南高，向东北逐渐降低的趋势；2016年分布均匀，大体呈西低东高分布；2018年分布趋势与2010年相似，北部高南部低。

图3 2010—2018年底层水质锌含量空间分布情况

从表层沉积物锌含量空间分布情况(图4)可以看出，2010年呈现西北低，东南高的分布趋势；2013年呈现西部低，东北部高的分布趋势；2016年呈现西北低，东南高的分布趋势；2018年呈现东北低，东南高的分布趋势。

图4 2010—2018年表层沉积物锌含量空间分布情况

表层、底层水质和沉积物锌含量2010—2018年分布趋势均未在油田区域形成明显高值区。

2.3 沉积物重金属潜在生态风险

表4 曹妃甸油田群海域表层沉积物重金属潜在生态风险指数

2.4 锌的来源讨论

近海环境重金属污染按其来源可分为人为源(主要包括陆源输入和大气沉降)与自然源(如沉积物地球化学基体)。国内外对近海环境重金属的来源分析已开展过众多研究，杨斌等[11]研究表明工、农、养殖业生产，以及居民生活和海上航运等对钦州湾表层海水重金属存在显著贡献。蔡廷禄等[12]通过主成分分析法得出海南岛典型港湾沉积物 Zn、Cu、Pb、Cd、Cr、As、Hg主要受径流输入携带物质影响的结论。李壮伟等[13]对深圳铜鼓航道表层沉积物中重金属含量进行调查，表层沉积物已受到重金属Pb、Zn、As的污染，所有站位重金属综合污染指数均大于5。

海洋石油开发工程钻井过程排放的钻屑、钻井液沉降到海底，在海底环境中缓慢释放重金属离子。平台导管架和海底管道防腐一般采用牺牲阳极法，海底管道埋设于海底约1.5 m深，其中阳极块单重约70 kg，锌含量为3%～6%，考虑设计寿命一般25年，单个阳极块每年以离子形态缓慢释放到海域中锌约0.08～0.17 kg。生产井的井产物流进入FPSO进行处理，分离出的含油生产水经生产水处理设施处理后排放入海，生产水中盐度较高，可能含有少量金属离子。

钻井期钻屑、钻井液和海底管道牺牲阳极锌离子可能从沉积物中通过解吸或交换释放到海水中，同时它们又在海水中形成络合物或沉淀物，吸附在胶体或颗粒上被载带下来。在含氧条件下，生产水中的重金属在数小时内从溶解态转变为颗粒态，并在几天内聚集成较大的颗粒，迅速沉降[14]。李锦霞等[15]的研究表明沉积物进入海水后，Zn在8 h内释放达最大值，随后海水中Zn浓度逐渐下降略低于背景值。因此，海洋石油开发对海洋环境重金属锌的影响主要为沉积物，而2010年5月沉积物锌含量平均值低于渤海背景值，2010—2018年表层沉积物锌的潜在生态风险均为低水平。同时，研究海域表层、底层水质和沉积物锌含量2010—2018年分布趋势均未在油田区域形成局部高值区，表明海洋石油开发对海洋环境锌的影响较小，海洋石油开发工程不是重金属锌的主要来源。

曹妃甸油田群距离河北曹妃甸循环经济示范区最近约18 km，示范区主要产业为码头、钢铁、化工、电能等，排放工业废水中必然含有重金属，陆源排污可能是该海域重金属锌的来源之一。同时，重金属颗粒物进入大气可能形成气溶胶，随湿沉降进入海洋，影响海洋环境。根据2011—2017年《北海区海洋环境公报》渤海岸基站监测结果，气溶胶中锌含量呈现先下降后升高的变化趋势，与曹妃甸油田群附近海域水质和沉积物锌的调查结果一致。曹妃甸油田群与大清河口最近距离约40 km，根据2015年《北海区海洋环境公报》大清河携带入海重金属为2 t，可能是附近海域锌来源之一。目前船舶压载水舱防腐手段主要为涂料涂装和金属涂覆，以Al及Al-Zn涂层较为常用，还可采用牺牲阳极的方式进行阴极保护[16]，涂层和牺牲阳极中的Zn会逐渐释放到海水中。此外，船舶在作业时污水、废气等排放与海水重金属污染有关[17]。曹妃甸油田群西北距离曹妃甸港约18 km，东北距京唐港50 km，距曹妃甸分道通航制向东主要交通流中线的最近距离约为1.4海里，来往船舶密集，航运是海域重金属锌的重要来源之一。

3 结 论

1)研究海域表层、底层海水水质和沉积物锌平均含量2010年5月最高，表层(23.3±15.3)μg/L、底层(23.8±16.6)μg/L、沉积物(44.9±14.3)×10-6，均呈现先降低后升高的变化趋势。海水水质底层锌含量均高于表层。2010年5月沉积物锌含量最高，但低于渤海表层沉积物锌含量背景值(67.6±17.0)×10-6。

2)表层、底层水质和沉积物锌含量空间差异显著，且时空分布特征存在差异性，但油田区域均未形成局部高值区。研究海域表层沉积物锌的潜在生态风险程度整体为低风险，综合潜在生态风险除2010年整体为较高风险，均处于低风险水平。

3)综合来看，陆源排污、河流入海携带、海上航运、大气湿沉降等是研究海域重金属锌的重要来源，海洋石油开发工程对海洋环境的重金属锌含量的影响较小。建议建设者采取减少含油生产水排放量，使用环保钻井液等措施，并定期开展跟踪监测。