包木太， 孫曉軍， 王鑫平， 孫培艷， 李一鳴， 陸金仁， 李 陽

(1. 中國海洋大學(xué)海洋理論與工程技術(shù)教育部重點實驗室 海洋高等研究院，山東 青島 266100；2. 中國海洋大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，山東 青島 266100； 3. 國家海洋局海洋溢油鑒別與損害評估技術(shù)重點實驗室，國家海洋局北海環(huán)境監(jiān)測中心，山東 青島 266033； 4.中國石油化工集團公司, 北京 100728)

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，人類活動對海洋造成的影響范圍和程度不斷擴大。近岸海洋生態(tài)系統(tǒng)，地理位置特殊，易發(fā)環(huán)境污染問題[1]。20世紀(jì)以來人類對于石油的需求激增，海上石油的開采、運輸行業(yè)規(guī)模不斷發(fā)展和擴大，溢油事故常有發(fā)生。根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，1970—2011年全球發(fā)生溢油事故1 797起，其中大型溢油事故達454起，損失的石油約570萬t[2]。溢油會對受污海域內(nèi)的生物產(chǎn)生毒害作用，嚴(yán)重時將危害人類健康，對社會經(jīng)濟活動產(chǎn)生深遠影響[3]。海上溢油對自然資源和社會經(jīng)濟的損害甚至有些已經(jīng)達到了經(jīng)濟和生態(tài)災(zāi)難的規(guī)模[4]。1989年，“?？松ね郀柕掀潯?Exxon Valdez)溢油事故中，由于缺乏有效的資源配置和清理措施，溢油24 h內(nèi)沒有得到及時有效地處理，導(dǎo)致生態(tài)破壞情況進一步惡化[5]。為了預(yù)防和減小石油污染的影響，必須采取有效的預(yù)防和處理措施。而且，生態(tài)環(huán)境問題在高敏感性地區(qū)出現(xiàn)后，會造成更大的損害且難以恢復(fù)。因此，對敏感性較高的區(qū)域進行優(yōu)先保護是必要的。生態(tài)環(huán)境敏感性是指生態(tài)系統(tǒng)對區(qū)域內(nèi)自然和人類活動干擾的敏感程度，能夠表示區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)遭受干擾時，出現(xiàn)生態(tài)環(huán)境問題的難易程度和可能性大小，用以表示外界干擾所產(chǎn)生的可能后果[6]。生態(tài)環(huán)境敏感性評價可以確定各類環(huán)境問題的敏感區(qū)域，有利于實現(xiàn)區(qū)域生態(tài)環(huán)境科學(xué)性、針對性地保護。因此，對區(qū)域的各類環(huán)境問題進行有針對性生態(tài)敏感性評價是必要的。沿海溢油敏感性評價是溢油應(yīng)急規(guī)劃的基礎(chǔ)，通過對海域的溢油敏感性評價分析，確定沿海區(qū)域的溢油敏感性保護次序和等級，正確地配置海上溢油應(yīng)急資源和應(yīng)急措施，有利于溢油事故的快速響應(yīng)和處理。本文將梳理主要的評價分析方法，匯總主要的溢油敏感性評價指標(biāo)因子，論述國內(nèi)外溢油敏感性評價的研究進展，同時總結(jié)了溢油敏感性研究存在的部分問題并進行了研究展望。

1 溢油敏感性評價常用方法

溢油敏感性評價方法同其他敏感性評價分析方法類似，常用的評價分析方法包含定性和定量分析[7]。定性分析是以人的主觀判斷為基礎(chǔ)的評價分析方法，如專家評價法等；定量分析則是在實驗或調(diào)研的基礎(chǔ)上，利用建立的數(shù)學(xué)公式或模型進行分析評價。常用的溢油敏感性評價分析方法主要有以下幾種。

1.1 指數(shù)法

指數(shù)分析法是通過對各指標(biāo)賦分的計算得到綜合指標(biāo)得分的方法。其中，最常見的是綜合指數(shù)法，它根據(jù)各級評價指標(biāo)中的各因子的指數(shù)得分，然后利用加權(quán)方法進行綜合指數(shù)計算。由于其計算過程簡潔，綜合指數(shù)法是敏感性評價中較為廣泛利用的方法，能夠一定程度的體現(xiàn)評價工作的整體性和層次性。Depellegrin[8]在研究立陶宛段波羅的海沿岸溢油敏感性時，將海岸線特征、社會經(jīng)濟、生物、漁業(yè)資源四個方面進行加權(quán)計算得到總海岸線敏感指數(shù)。Castanedo[9]利用海岸線物理參數(shù)(IP)、生物參數(shù)(IB)和社會經(jīng)濟參數(shù)(IE)三個中間指標(biāo)構(gòu)建了綜合敏感性指數(shù)V1公式，見公式(1),(2):

V1=IPV0。

(1)

(2)

其中r，b1，b2由德爾菲法調(diào)查確定。

1.2 層次分析法

層次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)是1970年代由美國運籌學(xué)家T. L. Saaty提出，是一種定性與定量相結(jié)合的決策分析方法[10]。層次分析法旨在對復(fù)雜的決策問題進行深入分析，利用較少的定量信息使決策的思維過程數(shù)學(xué)化，從而提供簡便的決策方法[11]，已成為應(yīng)用最廣泛的多準(zhǔn)則決策(Multiple Criteria Decision Making, MCDM)方法之一[12]。

層次分析法方法主要有以下幾個步驟：(1)建立層次結(jié)構(gòu)模型；(2)構(gòu)造判斷矩陣；(3)層次單排序及其一致性檢驗；(4)層次總排序及其一致性檢驗。Vafai等[13]使用了模糊層次分析法有效地評價了海岸線對溢油敏感性。層次分析法與模糊集理論的有機結(jié)合，為確定溢油敏感岸線提供了一種新穎、全面的方法。

1.3 德爾菲法

德爾菲法是一種匿名專家評分或?qū)＜易稍兎╗14]。以匿名的方式通過幾輪咨詢，征求專家們的意見，直到專家組成員的意見趨于一致，以達到預(yù)測目的。德爾菲法具有專業(yè)性強、匿名性、反饋性和統(tǒng)計推斷性等優(yōu)點，但存在周期長、主觀偏向性等缺點[15-16]。

在溢油敏感性評價研究中，德爾菲法常被作為一種輔助方法和其他評價方法相結(jié)合使用。Castanedo等[9]在使用德爾菲法確定了溢油敏感指數(shù)計算公式中的常量的值。Ling等[17]研究溢油生態(tài)脆弱性時，利用德爾菲法確定了AHP中指標(biāo)兩兩比較得到比較矩陣。

1.4 模糊評價法

模糊評價法是一種運用模糊變換原理分析和評價模糊系統(tǒng)的方法，是以模糊推理為主的定性和定量相結(jié)合、精確與非精確相統(tǒng)一的分析評判方法，常用的是模糊綜合評價法。模糊綜合評價法利用模糊數(shù)學(xué)中的隸屬度理論，將定性評價轉(zhuǎn)化為定量評價[18]。

Tran等[19]提出了一種利用模糊集概念生成各類環(huán)境綜合指標(biāo)并分析其敏感性的方法。其結(jié)果表明，綜合指數(shù)的敏感性分析可以揭示研究地區(qū)的環(huán)境狀況。此外，有研究人員將模糊評價法同層次分析法結(jié)合進行溢油敏感性評價[13]。

上述溢油敏感性評價方法是目前的研究工作中最為常用的幾種方法。其中，綜合指數(shù)法的應(yīng)用最為廣泛。隨著研究工作的深入，溢油環(huán)境敏感性指標(biāo)的選取更具全面性、層次性，層次分析法便逐漸在該領(lǐng)域得到應(yīng)用。在評價過程中，不可避免地存在定性或半定性的描述，德爾菲法的采用增加了結(jié)果的科學(xué)性。此外，目前的溢油敏感性研究多是以上述幾種方法為基礎(chǔ)并以GIS為技術(shù)支撐，不僅可利用GIS中的海岸線數(shù)據(jù)庫，還可在GIS內(nèi)完成ESI地圖的制作。在評價時最重要的是，不論采用哪種方法，只有在充分調(diào)研和可靠數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，同時保證指標(biāo)的科學(xué)性，才能夠較為準(zhǔn)確的評價海域的溢油敏感性。

2 溢油敏感性評價指標(biāo)的構(gòu)成

需要說明的是，在國外的研究中對于溢油敏感性評價的叫法有Oil spill vulnerability assessment和Oil spill sensitivity assessment兩種，對于脆弱性(Vulnerability)和敏感性(Sensitivity)的概念和內(nèi)容沒有進行明確的區(qū)分，二者含義相同。在溢油敏感性評價的起初，敏感性的確定主要是以海岸線的類型為判斷標(biāo)準(zhǔn)，對海岸線進行簡單地劃分和敏感性指數(shù)賦分。

Gundlach和Hayes[20]所構(gòu)建的溢油脆弱性指數(shù)就是基于不同特征的海岸線對溢油的影響進等級賦值的。沿海環(huán)境被分為了1～10個溢油脆弱性等級，但只考慮了海岸線的物理參數(shù)。具體指標(biāo)分類情況如表1所示，研究人員從波浪強度、海灘的基質(zhì)組成等方面綜合考慮了沿岸的溢油脆弱性，定性地進行了描述和解釋。美國海洋和大氣環(huán)保署2002年發(fā)布的《環(huán)境敏感指數(shù)指南 第三版》(Environmental sensitivity index guidelines version 3.0)中，ESI地圖中包含了海岸線類型、生物資源和人類利用資源三個層面[21]。其中，根據(jù)海岸環(huán)境的物理特征，對于各海岸線類型進行了敏感性10個等級的分類。NOAA所劃分的10個脆弱性指數(shù)與Gundlach和Hayes[20]的劃分情況基本一致。其次雖然對生物資源和人類利用資源在地圖上進行了標(biāo)繪，但未形成量化的表述。

此后的研究中，NOAA指南中海岸線類型的敏感性指數(shù)劃分方式，得到了眾多研究者的采納。Pincinato等[22]采用了類似于NOAA和Gundlach的海岸線敏感性等級分類方法對海岸線敏感性指數(shù)(Littoral Sensitivity Indices, LSI)進行了規(guī)定，并結(jié)合GIS和決策樹對巴西某海岸線的LSI進行了研究。

隨著溢油敏感性研究的不斷深入，由于各評價海域的自然和社會條件的特異性，出于綜合考量，評價指標(biāo)也逐漸從單一的海岸線物理特征指標(biāo)發(fā)展為融入了物理、生物、社會經(jīng)濟、管理要求等方面在內(nèi)的多層次、全方位的指標(biāo)體系，更加客觀準(zhǔn)確地對研究區(qū)域進行分析評價。雖然，各研究中的評價指標(biāo)都隸屬于物理、生物、社會經(jīng)濟、管理幾項中之一，但是在初級指標(biāo)和次級指標(biāo)的選取上一致性較差。當(dāng)前，國內(nèi)外主要的溢油敏感性評價研究中指標(biāo)的分類狀況見表2。

表1 不同海岸線類型的溢油脆弱性概述[20]

表2 溢油敏感性評價指標(biāo)分類

Nansingh[23]認為溢油敏感性指數(shù)的基礎(chǔ)是沿海環(huán)境的物理和生物特征之間的關(guān)系，故基于干濕兩季海岸環(huán)境的物理和生物因素對特立尼達拉島的溢油敏感性開展了研究。其中，物理特征是根據(jù)對沿海海域的波高、波周期、風(fēng)速、沿岸流的監(jiān)測數(shù)據(jù)的大小賦分；生物特征通過計算生物多樣性、生物量和豐度確定生物特征得分的高低。相對于前述半定量的賦分方法，該作者所采用的方法更具有數(shù)據(jù)支撐性。

Andrade等[24]在研究巴西馬拉尼昂海岸脆弱性時，將社會經(jīng)濟因素加入到評價中?？偞嗳踔笖?shù)(Total vulnerability index)分為自然脆弱性(Natural vulnerability)、社會經(jīng)濟脆弱性(Socioeconomic vulnerability)兩項。按照地貌單元將海岸線分為了河口、沿岸平原、沿岸高原三種類型并進行了脆弱性指數(shù)賦值，將三者的算術(shù)和作為自然脆弱性(Natural vulnerability)。經(jīng)濟收入、漁業(yè)、教育水平的脆弱指數(shù)的和稱為社會經(jīng)濟脆弱性(Socioeconomic vulnerability)。經(jīng)濟脆弱性的概念認為家庭收入水平是其承受物質(zhì)和心理損害能力的決定因素，即收入越低，脆弱性越高；人和漁業(yè)的關(guān)系更顯而易見，越依賴于漁業(yè)的區(qū)域，其脆弱性越高；教育水平較低的地區(qū)更容易受到災(zāi)害的影響，因此教育水平越低，脆弱性越高[25]。

Vafai等[13]在進行海岸溢油敏感性評價時劃分為了物理參數(shù)、生物資源參數(shù)、人類資源參數(shù)一級指標(biāo)。其中，物理參數(shù)包含地形、海岸線基質(zhì)、水動力：風(fēng)和波浪；人類資源參數(shù)包含海岸線可用資源、旅游設(shè)施及基礎(chǔ)設(shè)施、重要歷史文化區(qū)域、人類聚集區(qū)。生物資源參數(shù)沒有具體化參數(shù)，但賦值時綜合考慮了棲息地、鳥類、水生動物、保護區(qū)等因素。

Castanedo等[9]將海岸的溢油敏感性指標(biāo)劃分時，同樣包含了物理、生物、社會-經(jīng)濟指標(biāo)，但其相應(yīng)的內(nèi)容卻更具專業(yè)性和科學(xué)性。物理指標(biāo)是由波暴露(Wave exposure)和海岸線斜度(Shoreline slope)計算得到，其中波暴露是方向(Orientation)和彎曲度(Sinuosity)的算數(shù)和。波暴露代表著海浪對海岸沖擊的能量的高低，波浪垂直和水平方向的力使海面溢油反復(fù)經(jīng)歷遷移、碰撞、破碎、聚集等過程作用，使油滴粒徑減小，易溶解的輕質(zhì)油組分溶解在水中并逐漸被生物降解[26]。海岸線的坡度是影響溢油持久性的關(guān)鍵因素，坡度較小的地區(qū)相較于坡度大的地區(qū)更容易保存油。實驗研究發(fā)現(xiàn)擾動深度和海灘斜度(以角度正切值表示)是具有線性關(guān)系[27]。生物指標(biāo)包含著狀態(tài)保持、稀有價值保護和恢復(fù)能力三個因素。該研究在對社會-經(jīng)濟因素計算時，值得借鑒的是將溢油損失預(yù)算和清理費用包含在內(nèi)，并采用Jenks自然分類法進行分類賦值；溢油損失的計算有漁業(yè)、旅游業(yè)、港口運輸?shù)确矫妗?/p>

Depellegrin等[28]在對波羅的海東南部的立陶宛-俄羅斯海岸的溢油敏感性研究時，為更好地了解在開放、未遮蔽、高能量的沿海環(huán)境潛在的石油泄漏影響，在典型的ESI分析外，還引入了海岸線敏感性指數(shù)(Shoreline sensitivity index)、海底敏感性指數(shù)(Seafloor sensitivity index)等。其中，海岸線敏感性指數(shù)參照了Castanedo[9]研究中的計算方法；海底敏感性指數(shù)由海底斜度(Seafloor slope)、水深(Bathymetry)、沉積物類型(Substrate type)和波暴露(Wave exposure)構(gòu)成。從海底狀況評價敏感性角度較新穎，在溢油敏感性研究中較為少見。

在調(diào)研國內(nèi)外文獻中溢油敏感性評價指標(biāo)的基礎(chǔ)上，綜合可能的實際海域范圍情況，本文提出了更全面、更系統(tǒng)的溢油敏感性評價指標(biāo)體系，詳細情況見表3。評價體系由三個級別指標(biāo)構(gòu)成，一級指標(biāo)包含自然屬性因素、生物資源因素、社會-經(jīng)濟因素和管理因素四項。

3 海洋溢油敏感性研究進展

3.1 國外研究進展

國外溢油敏感性評價的研究工作始于19世紀(jì)70年代。1976年，美國國家海洋和大氣管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration, NOAA)和美國RPI公司合作發(fā)展了“環(huán)境敏感性指標(biāo)地圖”(Environmental Sensitivity Index Map)[21]。1978年，Gundlach和Hayes作為最早開展海岸溢油敏感性研究人員，根據(jù)海岸線的物理和地質(zhì)特征構(gòu)建了溢油脆弱性指數(shù)，以評估其對石油泄漏損害的潛在脆弱性[20]。此后，在對該指數(shù)持續(xù)的研究和完善工作中，促進了環(huán)境敏感性指數(shù)(Environmental Sensitivity Index, ESI)的發(fā)展，并已成為美國和其他國家溢油應(yīng)急計劃和響應(yīng)的一個組成部分。

在進行近岸海域溢油環(huán)境敏感性評價時，最后的評價結(jié)果以EIS地圖的形式呈現(xiàn)，可以清晰直觀地說明敏感性狀況。第一張ESI地圖制作于墨西哥灣IXTOC 1號井井噴事件后，并在此后美國一直使用環(huán)境敏感性指數(shù)方法來繪制沿海地區(qū)的地圖，包括大型河口、湖泊和河流[21]。逐漸地，ESI地圖成為溢油應(yīng)急響應(yīng)的一部分，通過說明海岸線的敏感性狀況來確定早期的清理策略(見圖1)。傳統(tǒng)的環(huán)境敏感性地圖通常以紙質(zhì)印發(fā)，制作費昂貴、難以更新，妨礙了敏感性地圖的進一步發(fā)展[31]。20世紀(jì)90年代，隨著地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System, GIS)的不斷發(fā)展，GIS被用于制作高質(zhì)量和易更新的電子ESI地圖[32]，其廣泛地應(yīng)用促進了ESI地圖的發(fā)展[33]。利用GIS對溢油環(huán)境敏感度進行系統(tǒng)化處理，可以通過從內(nèi)部數(shù)據(jù)庫中迅速獲取準(zhǔn)確的最新信息來響應(yīng)特定的查詢，同時還提供空間分析[34-35]。Lawal等[36]研究開發(fā)了一個基于地理信息系統(tǒng)(GIS)的專家系統(tǒng)(ES)，用于測量海岸線對油的敏感性。以尼日利亞河流州為例，重點研究了其海岸線的生物、物理屬性。對高程、土壤、相對波暴露和衛(wèi)星圖像數(shù)據(jù)進行整理，用于GIS中ES決策規(guī)則的制定。

表3 溢油敏感性評價指標(biāo)體系[9,28-30]

在NOAA發(fā)布環(huán)境敏感性指數(shù)指南后，被世界其他國家所采用或作為操作手冊的框架。法國的意外水污染檔案、研究和試驗中心(Centre of Documentation, Research and Experimentation on Accidental Water Pollution, CEDRE)領(lǐng)導(dǎo)了Finisterre地區(qū)的溢油敏感性圖集的發(fā)展和制定，其敏感性評價指標(biāo)主要由海岸的物理、生物和經(jīng)濟三個因素組成[9]。Wieczorek等[37]采用基于GIS技術(shù)的ESI地圖，研究了巴西Cardoso島國家公園及周邊地區(qū)對溢油的敏感性情況。Sowmya等[38]以GIS和遙感技術(shù)為支撐，采用NOAA指南的方法，識別了卡納塔克海岸的溢油環(huán)境敏感性，發(fā)現(xiàn)了多種海岸ESI級別類型，并在ESI地圖中進行了生物資源繪制。Adler等[39]、Santos等[40]、Bello Smith等[41]、Tri等[42]分別對地中海沿岸、葡萄牙海岸、直布羅陀海峽北岸、越南吉婆島進行了溢油敏感性的研究。

圖1 ESI地圖和數(shù)據(jù)協(xié)助應(yīng)急和規(guī)劃人員確定保護優(yōu)先級[31]

3.2 國內(nèi)研究進展

相對于國外，國內(nèi)溢油敏感性研究工作起步較晚，內(nèi)容較少且不夠全面。2001年，喬冰等[43]在研制的深圳溢油應(yīng)急智能信息系統(tǒng)中引入了岸線ESI，但未作具體描述。2009年，張衛(wèi)[44]研究探討了模糊C均值聚類法和GIS的溢油敏感資源分級和環(huán)境溢油敏感性指數(shù)的計算方法，并指出溢油敏感資源的分級研究工作目前尚停留在理論探討階段。2011年，中華人民共和國海事局印發(fā)的《船舶污染海洋環(huán)境風(fēng)險評價技術(shù)規(guī)范》》(試行)中要求在繪制區(qū)域環(huán)境敏感類別網(wǎng)格圖時，從自然與生態(tài)、經(jīng)濟與社會兩大方面對敏感性指數(shù)進行了簡單的分類[45]。2014年，陳榮昌等[46]論述了岸線環(huán)境敏感指數(shù)的分類及簡要的應(yīng)用情況，并對膠州灣進行了調(diào)研，利用溢油敏感資源及應(yīng)急資源管理系統(tǒng)進行了研究，但沒有描述具體的研究方法和過程，研究較為粗略。2015年，王會蒙等[47]以渤海區(qū)域為例，通過開發(fā)基于GIS的海洋敏感區(qū)溢油敏感度分析系統(tǒng)，并根據(jù)NOAA的ESI指標(biāo)的海岸線特征賦值方法，利用實時繪制的規(guī)則網(wǎng)格和敏感區(qū)圖層疊加分析方法，計算并生成海洋敏感區(qū)專題圖。同年，楊朋金[29]利用層次分析法確定海洋溢油敏感區(qū)綜合等級評價體系層級結(jié)構(gòu)，體系具有較強的綜合性和層次性，一級指標(biāo)包含自然屬性、社會人文價值和管理需求，同時借鑒美國海洋與大氣管理局ESI賦值原則為二級指標(biāo)賦分。2017年，曹可[48]簡單選取了海岸資源、生物資源及人類利用資源三個方面探索建立了溢油敏感性評價體系，揭示出遼東灣海岸帶生態(tài)環(huán)境敏感性空間分布。

由上述可見，中國的溢油敏感性評價的研究工作近年來得到了一定的發(fā)展，但并沒有對評價過程的細節(jié)進行充分研究，深度較淺。

4 存在問題與展望

沿岸海域的溢油敏感性評價作為溢油應(yīng)急計劃的基礎(chǔ)，受到了越來越多的研究和關(guān)注。目前，針對溢油敏感性評價工作，眾多評價方法得到采用，并建立了一系列評價指標(biāo)體系。但評價工作仍處于理論探索階段，還存在較多的值得深入探究的問題。溢油對于沿岸環(huán)境的影響應(yīng)該綜合考慮沿岸生態(tài)環(huán)境、社會經(jīng)濟和人類因素，選擇適宜的評價指標(biāo)，盡量實現(xiàn)評價指標(biāo)的定量化，同時選擇操作性較好的客觀評價方法。

總的來說目前溢油環(huán)境敏感性的研究中，主要存在以下幾個問題：

(1)未形成較為完整統(tǒng)一的評價體系，系統(tǒng)性和層次性較低。

(2)評價指標(biāo)的選取缺乏科學(xué)性、代表性，且指標(biāo)不夠全面，有待進一步分析各指標(biāo)的相對重要性。

(3)選定指標(biāo)的賦分缺乏數(shù)據(jù)支撐或缺乏可靠的數(shù)據(jù)，量化度不夠。

(4)評價過程中存在一定的主觀性因素，應(yīng)盡可能采用能夠定量的評價方法，以消除主觀性的影響。

(5)應(yīng)注重指標(biāo)支撐數(shù)據(jù)的時效性，海岸不能完全作為靜態(tài)系統(tǒng)來處理，應(yīng)充分必須考慮到海岸動態(tài)狀況。

綜上，溢油敏感性評價的后續(xù)發(fā)展應(yīng)當(dāng)在緊密結(jié)合GIS等新技術(shù)，對上述問題進行深入探討的同時，加強其他學(xué)科的交叉滲透，得到更加綜合全面的評價結(jié)果，使溢油敏感性評價工作對溢油資源配置和應(yīng)急處理更具有指導(dǎo)性，從而減少對近岸海洋生態(tài)系統(tǒng)和人類健康的危害。