渤海灣港口生態(tài)風險評估

彭士濤，覃雪波，周 然，王心海，石洪華

(1.交通運輸部天津水運工程科學研究所，天津 300456;2.國家海洋局第一海洋研究所，青島 266061;3.天津自然博物館，天津 300074)

港口是國家對外經濟聯(lián)系的門戶和樞紐，在國民經濟中具有重要作用。港口建設發(fā)展不僅帶來巨大的經濟效益，同時也帶來環(huán)境問題［1－2］，如影響海岸自然進程、破壞海洋生物棲息地，造成環(huán)境污染等［3］。這些影響表明港口具有潛在的生態(tài)風險。為了使港口和環(huán)境保護協(xié)調發(fā)展，就必須對其生態(tài)風險進行評估，根據評估結果采取有效的風險管理措施。

在生態(tài)風險評估過程中，風險值量化是重中之重［4］。由于港口生態(tài)風險涉及風險源多、暴露途徑繁雜、指標不易量化，使得其風險評估存在一定難度。1997年，Landis和 Wiegers提出相對風險模型(Relative Risk Model，RRM)，該模型有 4 個基本假設:(1)對任意風險小區(qū)，風險源密度越大，與生態(tài)終點相聯(lián)系的生境的密度越大，其暴露于風險的可能性就越高;(2)生態(tài)終點的類型、種群密度與其相聯(lián)系的生境密切相關;(3)風險受體對風險源的敏感程度與生境類型相關，受體對風險源越敏感，則對風險的響應程度就越高;(4)作用于生態(tài)終點的多個風險可以按其相對風險等級進行累加［5］。由于RRM采用分級系統(tǒng)對評價單元內的各種風險源及生境進行評定，通過分析風險源、生境和生態(tài)受體的相互關系，給出區(qū)域風險評價綜合方法，從而實現(xiàn)區(qū)域風險的定量化［6］。在國外，RRM已被成功地運用到水域、海域和陸地等評價［7－10］。在國內，該模型的應用和研究較少，僅見于海島生態(tài)系統(tǒng)［11］、土地利用［12］、土地整理風險評價［13］。本文以天津港為例，首次嘗試將RRM模型應用于渤海灣港口生態(tài)風險評價，為其環(huán)境保護規(guī)劃和生態(tài)風險管理決策提供理論和技術支持。

1 研究區(qū)域

天津港是世界等級最高的人工深水港，地處京津城市帶和環(huán)渤海經濟圈的交匯點上，是北京和天津的海上門戶，是我國沿海主樞紐港和綜合運輸體系的重要樞紐，是京津冀現(xiàn)代化綜合交通網絡的重要節(jié)點和對外貿易的主要口岸，是華北、西北地區(qū)能源物資和原材料運輸的主要中轉港，是北方地區(qū)的集裝箱干線港和發(fā)展現(xiàn)代物流的重要港口。2001年11月天津港率先成為北方第一個億噸大港;2010年吞吐量突破4億t，其中集裝箱吞吐量突破1000萬箱，躋身世界一流大港行列。

2 研究方法

2.1 風險小區(qū)劃分

風險小區(qū)劃分可采用某些自然存在或人為劃定的邊界，如山脈、河流、溝谷以及某些保護區(qū)的界線等;對于有水域，可采用水體的等深線進行劃分［11］。本研究結合行政區(qū)域和地理位置對天津港進行風險小區(qū)劃分，將其分為北疆、南疆、東疆和臨港(圖1)。

圖1 天津港風險小區(qū)劃分Fig.1 The risk units in Tianjin port

2.2 生態(tài)終點、生境、風險源選擇

根據RRM要求，生態(tài)終點要求能反映評價區(qū)域生態(tài)意義的區(qū)域標志性物種。就渤海灣而言，在該區(qū)域分布有浮游植物、浮游動物、底棲動物、魚類等海洋生物。浮游植物和浮游動物由于對環(huán)境變化敏感，常被作為環(huán)境指示種［14－15］。底棲生物因其活動能力弱，生活相對穩(wěn)定、對海洋環(huán)境反應敏感，長期以來一直作為監(jiān)測人為擾動造成對生態(tài)系統(tǒng)變化的主要研究對象［16－18］。此外，浮游植物、浮游動物和底棲動物對于本區(qū)的生境具有明顯依賴性，各類災害壓力引起的生境退化或惡化對其也有間接影響，這些影響可從它們的種類和數量的變化得以體現(xiàn)。因此，本研究選擇浮游植物、浮游動物和底棲動物作為評估的生態(tài)終點。

生態(tài)終點是底棲動物、浮游植物和浮游動物，它們的生境在港口有兩種:灘涂和近海水體。兩種生境的風險源各不同，灘涂來自港口碼頭的土地利用;水域來自岸上排污以及海上船舶運輸污染和物理擾動。上述風險源可歸納為兩大類:港口碼頭和船舶運輸。港口碼頭主要是建設占用了岸線資源，而船舶運輸最主要的影響是油污的排放［19－20］。因此，港口碼頭和船舶運輸的風險分別可用岸線長度和石油排放量表征。

2.3 暴露途徑

天津港風險源對其生態(tài)終點的影響通過以下暴露算途徑實現(xiàn)(圖2)。

圖2 天津港風險接觸暴露途徑Fig.2 The risk exposure of route in Tianjin Port

2.4 概念模型構建

概念模型是對風險源、壓力、生境和生態(tài)終點之間的關系的一系列假設，以此來說明風險評估各組份之間關系。根據圖2所示的天津港風險暴露途徑，構建一個描述風險源、壓力、生境和生態(tài)終點間的相互作用關系模型(表1)。

表1 天津港風險源、壓力、生境、生態(tài)終點間關系Table 1 Exposure-hazard relationship of risk resource，compressive force，ecological receptors in Tianjin Port

2.5 風險值計算

利用RRM，根據壓力密度、生境豐度、暴露系數、響應系數等值進行綜合計算，獲得不同風險源、生境類型、生態(tài)終點、風險小區(qū)的生態(tài)風險值，確定區(qū)域生態(tài)風險等級。相對風險值是壓力密度、生境豐度損失、暴露系數和響應系數之積［5］，公式如下:式中，RS為相對風險值;n代表不同主體，包風險源、生境、生態(tài)終點和風險小區(qū);i為風險小區(qū);j為壓力源;l為生境;m為生態(tài)終點;Sij為風險小區(qū)內風險源壓力密度;Hil為風險小區(qū)內生境豐度損失;Xjl為風險源－生境暴露途徑的暴露系數;Elm為生境－生態(tài)終點響應途徑的響應系數。Sij、Hil、Xjl和 Elm依據文獻［11］的方法計算和確定。

3 結果與分析

3.1 風險源

通過實地調查，天津港4個風險小區(qū)的風險源見表2。可以看出，在港口碼頭風險源，東疆最高，與其所占岸線最長相關;而在船舶運輸風險源，北疆最高，與其污染程度相對較高相關。

表2 天津港不同風險源Table 2 The different risk sources in Tianjin Port

3.2 壓力密度、暴露系數和響應系數

根據風險源數據，可以計算天津港不同港區(qū)的壓力密度(表3)。壓力密度的空間分布和風險源分布特征相同，在港口碼頭風險源中，東疆最高，而在船舶運輸風險源中，北疆最高。由于RRM評估得到的生態(tài)風險值反映的是生態(tài)風險在不同區(qū)域間的空間差異，因此，在表3中，不同風險源的壓力密度值是一個相對的數值，壓力密度值高并非代表風險源在生態(tài)系統(tǒng)中的釋放或引起的絕對暴露量就大［12］。

表3 天津港不同小區(qū)壓力密度Table 3 The density of each risk district in Tianjin Port

暴露系數大小對于衡量不同風險源之間的相對暴露程度具有至關重要的作用，而響應系數是生境中的生態(tài)終點對風險源的響應［12］。通常以低、較低、中、較高、高等5種程度來描述暴露和響應的相對強度，并量化為相應的暴露系數或響應系數，0，0.30，0.50，0.70 和 1［11］。對天津港兩種風險源在兩種生境內的暴露程度進行實地調研發(fā)現(xiàn)，港口碼頭在兩種生境中均有暴露，從較低到中等水平，而船舶運輸僅在近海水體中有暴露且均較高，據此確定它們的暴露系數(表4)。

表4 天津港風險暴露系數Table 4 The exposure coefficient in Tianjin Port

生態(tài)終點與生境類型有密切的聯(lián)系，生態(tài)終點會隨生境類型的利用程度而有不同的響應系數［12］。在本研究中，生境利用程度主要取決于港區(qū)運營時間長短及吞吐量。總體而言，東疆運營時間較短，其各種生態(tài)終點的響應系數較低，而對于北疆，是天津港最老的港區(qū)，多年的運營，其各種生態(tài)終點響應系數都較高(表5)。

表5 天津港風險響應系數Table 5 The response coefficient in Tianjin Port

3.3 風險源、生境和生態(tài)終點的相對風險值

利用RRM計算天津港各個風險小區(qū)的風險源、生境和生態(tài)終點的相對風險值，結果見圖3。由圖3可見，在兩種風險源中，船舶運輸風險相對較大，這可能與運輸產生的壓力較多相關。在船舶運輸中，產生包括物理擾動、污染和改變沉積3種壓力，而在港口碼頭產生的壓力只有物理擾動和污染(圖2)。同時，近海水體的風險值遠大于灘涂(圖3)，這是由于水體一方面受到船舶運輸的影響，另一方面也受到港口碼頭影響(排放污染物)。在3種生態(tài)終點中，風險值大小排序為底棲動物＞浮游植物＞浮游動物，這是因為在港口建設中，底棲動物受到影響最大，特別是在港區(qū)吹填、航道疏浚等工程中，直接造成大量的底棲動物死亡［21］;另外一些對浮游植物和浮游動物影響的環(huán)境因子，如污染、物理擾動等也對底棲動物產生影響［22］;浮游植物由于對環(huán)境變化敏感，因而其相對風險值要高于浮游動物。

圖3 天津港各風險小區(qū)風險源、生境和生態(tài)終點的相對風險值Fig.3 The relative risk values of risk source，habitat and ecological receptors in Tianjin Port

3.4 綜合風險值

利用RRM可以得到天津港4個風險小區(qū)的綜合風險值，大小為北疆＞南疆＞臨港＞東疆(圖4)。在綜合各小區(qū)的風險值的基礎上，通過分析比較，按綜合風險值的相對高低，可以將生態(tài)風險劃分為5個等級:0—2，弱風險區(qū);2—4，低風險區(qū);4—6，中等風險區(qū)，6—8，較高風險區(qū);8以上，高風險區(qū)。可以看出，天津港4個風險小區(qū)中，高風險區(qū)1個，即北疆;較高風險區(qū)1個，即南疆;中等風險區(qū)2個(東疆和臨港)，低、弱風險區(qū)沒有(圖4)。

圖4 天津港各風險小區(qū)綜合風險值Fig.4 The risk in Tianjin Port

生態(tài)風險的高低主要取決于風險源大小。在本研究中，風險源的大小由于占用岸線長度和石油排放量決定。北疆的風險值最高，與其風險源的風險值最高相關。北疆盡管占用的岸線并非最大(僅次于東疆)，但由于是天津港最早建成投入使用的港區(qū)，多年的運營，往來船舶多、港區(qū)水體石油烴含量較高［23］。其次，生態(tài)終點對風險源的響應系數也影響其生態(tài)風險。從表5可以看出，北疆的響應系數也明顯高于東疆，如底棲動物達到最高值的1。造成響應系數較高的原因與其長期污染，底棲動物種群數量大量減少相關。先前在天津港北疆港區(qū)的底棲動物調查表明，在該區(qū)域沒有采到底棲動物［21］，就說明了這一點。再有，作為老港區(qū)，各種基礎設置可能較老，影響其污染處理能力，從而增加生態(tài)風險。相反，作為新建的港區(qū)，盡管東疆港區(qū)占用岸線最長，但無論是運營時間還是基礎設置都比老港區(qū)占有絕對優(yōu)勢了，污染處理能力也較高，因而風險較低。此外，港區(qū)的業(yè)務經營也可能影響其風險源風險值大小。如北疆以集裝箱和件雜貨作業(yè)為主;東疆以集裝箱碼頭裝卸及國際航運、國際物流、國際貿易和離岸金融等現(xiàn)代服務業(yè)為主，這些服務業(yè)屬于低污染業(yè)務，也降低了生態(tài)風險。

4 結論與管理對策

4.1 結論

(1)天津港的船舶運輸相對風險值高于港口碼頭，近海水體的風險值遠大于灘涂，3種生態(tài)終點所受到的壓力高低為底棲動物 ＞浮游植物 ＞浮游動物。

(2)天津港綜合生態(tài)風險值可以分為3個等級:北疆屬于高風險區(qū)，南疆屬于較高風險區(qū)，東疆和臨港屬于中等風險區(qū)。

4.2 管理對策

在本研究中，天津港4個港區(qū)，風險值均在中等水平之上(圖4)，表明具有潛在的生態(tài)風險。因此，天津港的建設發(fā)展要從自然、環(huán)境、資源、空間等各個角度考慮海域及海岸線的開發(fā)利用，重視開發(fā)與保護的協(xié)調，力求在發(fā)展港口的同時，防治環(huán)境污染、保持生態(tài)平衡、保護海洋環(huán)境，實現(xiàn)海洋經濟的健康和可持續(xù)發(fā)展。

(1)構建環(huán)境管理體系

以國家環(huán)境保護、海洋保護等相關法律、法規(guī)、標準為指導，遵循ISO14000環(huán)境管理體系的原則，以“建設生態(tài)港口，共享碧海藍天”為港口環(huán)境保護為理念［4］，利用計算機信息系統(tǒng)構建完善的現(xiàn)代環(huán)境管理體系，包括環(huán)境管理的機構、制度和文件等主要體系，同時配以健全的環(huán)境管理信息系統(tǒng)以及強大的資金、技術、管理和人才等資源保證。在環(huán)境管理制度建設中，要重點制定一套符合天津港發(fā)展的環(huán)境標準體系，主要包括污染物排放標準和環(huán)境檢測方法標準等。

(2)加強環(huán)境保護基礎設置建設

基礎設置包括硬件和軟件兩部分。在硬件基礎設置建設中，首先對天津港現(xiàn)有基礎設施污染處理能力、處理效果、地理位置分布等進行調查和評估，根據評估結果對布局、工藝選擇進行優(yōu)化，充分發(fā)揮基礎設施的效用。其次，完善污水處理體系，加強廢水處理，包括集裝箱洗箱水、生活污水、化學品污水、船舶含油污水和其它生產含油污水處理和排放;對于新建設的港區(qū)，如東疆，要加快港區(qū)污水處理設施建設。再次，加強污水處理廠及污水管網建設，優(yōu)化污水處理工藝，使各類廢水能夠得到有效的處理。在軟件基礎設置中，主要是提高環(huán)境管理人員業(yè)務水平，確保各項制度得到嚴格執(zhí)行。

(3)強化環(huán)境污染防治

對污染物排放總量和污染源進行控制，降低污染物排放強度。由于船舶運輸是最大風險源，因此，要采取有效措施，控制船舶廢水直接排放，同時加強控制陸源污染排放，形成海陸污染控制聯(lián)動，改善港池海域水質。此外，要推廣應用新型環(huán)保設備，逐步淘汰技術落后、污染嚴重、效能低下的老舊設備，引進符合國際標準、技術先進、經濟安全、節(jié)能環(huán)保的新型港口機械，減少環(huán)境污染。

(4)提高溢油事故的應急防范能力建設

溢油事故是造成港口油污染的重要原因，有可能對海洋生態(tài)環(huán)境造成災難性的影響。因此，在碼頭附近海域配備必要的導助航等安全保障設施，建立和完善船舶交通管理系統(tǒng)，加強碼頭裝卸作業(yè)的安全管理并制定相應的防護對策，完善港口溢油應急設備設施，加強應急能力建設。

(5)合理規(guī)劃和加強對受損海岸帶實施生態(tài)修復

對于新建、改建及擴建港區(qū)，要預測和分析實施后可能造成的環(huán)境影響，提出預防、降低環(huán)境污染的對策和措施，預防規(guī)劃實施后可能造成的不良環(huán)境影響，協(xié)調港口經濟生產與環(huán)境保護之間的關系。對于老港區(qū)，主要是對已受損的海岸帶進行生態(tài)修復。一方面，改良水工基本斷面形狀或在原有斷面構造基礎上增加生物繁殖基質或改良水工構筑物的材料，以使繁殖基質滿足保護生物的繁殖水生帶，補充其生存因子，促進生物種群恢復。另一方面，采用增殖放流的方法，加快恢復受損的生物種群。

［1］Gupta A K，Gupta S K，Patil RS.Environmental management plan for ports and harbors projects. Clean Technology Environmental Policy，2005，7(2):133－141.

［2］Zhao F M，Wang D Z，Wei X.Strategic Environment Assessment of General Layout Planning of Port.Environmental Science＆Technology，2007，30(7):64－66.

［3］Shao C F，Ju M T，Chu C L，Hu C J.The construction strategy and countermeasures of ecological ports in China，Acta Ecologica Sinica，2008，28(11):5601－5609.

［4］Chen H，Liu J S，Cao Y，Li S C，Ouyang H.Progresses of ecological risk assessment.Acta Ecologica Sinica，2006，26(5):1558－1566.

［5］Landis W G，Wiegers JA.Design considerations and a suggested approach for regional and comparative ecological risk assessment.Human and Ecological Risk Assessment，1997，3(3):287－297.

［6］Suter G，Vermier T，Munns W，Sekizawa J.Framework for the integration of health and ecological risk assessment.Human and Ecological Risk Assessment，2003，9(1):281－301.

［7］O'Brien G C， Wepener V.Regional－scale risk assessment methodology using the Relative Risk Model(RRM)for surface freshwater aquatic ecosystems in South Africa.Water SA，2012，38(2):153－166.

［8］Whelan M J，Davenport E J，Smith B G.A globally applicable location－specific screening model for assessing the relative risk of pesticide leaching.Science of the Total Environment，2007，377(2):192－206.

［9］La Ndis W G，Wiegers J K.Ten years of the relative risk model and regional scale ecological risk assessment. Human and ecological risk assessment，2007，13(1):25－38.

［10］Wiegers J K，F(xiàn)eder H M，Mortensen L S，Shaw D G，Wilsona V J，Landisa WG.A regional multipl－stressor rank－based ecological risk assessment for the fjord of port Valdez，Alaska.Human and ecological risk assessment，1998，4(5):1125－1173.

［11］Wang X L.The method and application in island ecosystem risk assessment［D］.Qingdao:Institute of Oceanology，Chinese Academy Sciences，2006.

［12］Liu X，Su W C，Wang Z，Huang Y M，Deng J X.Regional ecological risk assessment of land use in the flooding zone of the Three Gorges Reservoir area based on relative risk model.Acta Scientiae Circumstantiae，2012，32(1):248－256.

［13］Fu GH.Study on Ecological risk assessment of land consolidation［D］.Nanjing:Nanjing Agricultural University，2007.

［14］Costa L S，Huszar V L M，Ovalle A R.Phytoplankton functional groups in a tropical estuary:hydrological control and nutrient limitation.Estuaries Coasts，2009，32(3):508－521.

［15］Crossetti L O，de Bicudo C E M.Phytoplankton as a monitoring tool in a tropical urban shallow reservoir(Gar?as Pond):the assemblage index application.Hydrobiologia，2008，610(1):161－173.

［16］Bilkovic D M，Roggero M，Hershner C H，Havens K H.Influence of land use on macrobenthic communities in nearshore estuarine habitats. Estuaries and Coasts， 2006， 29(6):1185－1195.

［17］Nordhaus I，Hadipudjana F A，Janssen R，Pamungkas J.Spatiotemporal variation of macrobenthic communities in the mangrovefringed Segara Anakan lagoon， Indonesia， affected by anthropogenic activities.Regional Environmental Change，2009，9(4):291－313.

［18］Carvalho S，Pereira P，Pereira F，de Pablo H，Vale C，Gaspar M B. Factors structuring temporal and spatial dynamics of macrobenthic communities in a eutrophic coastal lagoon(óbidos lagoon，Portugal).Marine Environmental Research，2011，71(2):97－110

［19］Adamo P，Arienzo M，Imperato M，Naimo D，Nardi G，Stanzione D.Distribution and partition of heavy metals in surface and subsurface sediments of Naples city port.Chemosphere，2005，61(6):800－809.

［20］Hallegraeff G M，Bolch C J.Transport of dinoflagellate cysts in ship s ballast water:implications for plankton biogeography and aquaculture.Journal of Plankton Research，1992，14(2):1067－1084.

［21］Peng ST，Zhou R，Qin X B，Shi H H，Ding D W.Application of macrobenthos functional groups to estimate the ecosystem health in a semi－enclosed bay.Marine Pollution Bulletin，2013，74(1):302－310.

［22］Subashchandrabose S R，Megharaj M，Venkateswarlu K，Naidu R.Interaction effects of polycyclic aromatic hydrocarbons and heavy metals on a soil microalga，Chlorococcum sp.MM11.Environmental Science and Pollution Research，2013，74(1):302－310.

［23］Li Y，Zhao Y J，Peng ST，Zhou Q X，Ma L Q.Temporal and spatial trends of total petroleum hydrocarbons in the seawater of Bohai Bay，China from 1996 to 2005.Marine Pollution Bulletin，2010，60(2):238－243.

參考文獻:

［2］趙芳敏，王大志，巍欣.港口總體規(guī)劃環(huán)境影響評價研究.環(huán)境科學與技術，2007，30(7):64－66.

［3］邵超峰，鞠美庭，楚春禮，胡翠娟.我國生態(tài)港口的建設思路與發(fā)展對策.生態(tài)學報，2008，28(11):5601－5609.

［4］陳輝，劉勁松，曹宇，李雙成，歐陽華.生態(tài)風險評價研究進展.生態(tài)學報，2006，26(5):1558－1566.

［11］王小龍.海島生態(tài)系統(tǒng)風險評價方法及應用研究［D］.青島:中國科學院海洋研究所，2006.

［12］劉曉，蘇維詞，王錚，黃一民，鄧吉祥.基于RRM模型的三峽庫區(qū)重慶開縣消落區(qū)土地利用生態(tài)風險評價.環(huán)境科學學報，2012，32(1):248－256.

［13］付光輝.土地整理生態(tài)風險評價研究［D］.南京:南京農業(yè)大學，2007.