（环境工程专业论文）典型陆地石油开采区土壤污染物识别方法及应用.pdf

摘要 摘要 本文以我国典型污染场地类型之一的陆地石油开采区为研究背景，以区域土 壤污染物为研究对象，通过对石油开采阶段污染物的来源及污染物类型的分析， 结合优先监测原则获取包括石油类、重金属、表面活性剂、高分子处理剂及破乳 剂等多个类型的初步筛选名单；通过一种半定量综合评分法“化学物质评分排序 模式”，考察污染物的生物累积性、环境持久性和生物毒性，对初选名单中1 0 4 种 陆地石油开采区可能存在的污染物进行评分排序，以识别污染场地土壤中的优先 污染物；针对传统评分排序模式中污染物环境持久性得分过多地集中于某个分数 以及毒性数据缺失严重的问题，在所选评分排序模式的基础上，使用线性回归的 方法补充毒性数据，并结合使用系统聚类法、k 均值聚类法和人工合并相似项的 方法对各物质的生物富集系数、在土壤介质中的半衰期值及该物质在土壤介质中 的分布比例、各物质对不同物种的毒性数据等进行聚类分析，确定出适用于研究 场地的评分标准，并使用修正后的评分标准对研究场地优先污染物进行识别。根 据国内外“黑名单”筛选出导致较高健康风险的污染物，评价其经口、吸入和皮 肤接触三种暴露风险，将聚类分析方法应用于暴露风险值的分级中，并引入半定 量评分法的理念，得到污染物的暴露风险值评分原则，将其作为评分排序模式中 指标之一，对污染物进行包括生物累积性、环境持久性、生物毒性和暴露风险等 指标的评分排序，弥补了传统评分排序模式未考虑实际浓度的问题和暴露风险评 价本身数据缺失严重的问题，最终达到优先污染物识别的目的。 关键词：石油开采环境影响；优先污染物；化学物质评分排序模式；聚类分 析；暴露风险 摘要 皇曼鼍量曼曼皇曼曼暑璺曼曼曼苎! 曼曼曼蔓曼曼曼曼舅曼璺曼! 曼寰皇蔓曼! 曼曼! 曼! ! ! 曼! 曼曼曼曼曼曼! 曼! 曼曼曼曼笪曼曼曼曼! 曼曼曼! ! ! 曼! ! 曼曼! ! 曼曼曼 a b s t r a c t t b r r e s t r i a lo 订e x p l o r a t i o nf i e l d ；o n eo ft h et y p i c a lc o n t a l n i n a t e ds i t e si nc h i n a ， w a ss e l e c t e da st h er e s e a r c hb a c k g r o u n di nt h i sp a p e r ，a n dt h es o i lp 0 1 1 u t a n t si nt h es i t e w e r es e l e c t e da st h eo b i e c to ft h es t u dy ap r i m a r yp r i o r i t yc h e c k l i s tc o n s i s t so f p e t r 0 1 e u m ，h e a v ym e t a l s ，s u r f a c t a n t s ，p o l y m e rt r e a t m e n ta g e n t s ，d e m u l s i f i e rw a s s u m m 撕z e db vt h ec o m b i n a t i o no fp 0 1 1 u t i o ns o u r c e p o l l u t a n tc y p e si d e n t i f i c a t i o na n d p r i o r i t ym o n i t o r i n gp r i n c i p l e s a c c o r d i n gt oas e m i q u a n t i t a t i 、，es c o r i n ga n dr a n k i n g m e t h o d ，10 4p o s s i b l ep 0 1 l u t a n t si nt h eo i le x p l o r a t i o nf i e l d ，e r es c o r e da n dr a n k e d b a s e do nt h ee x 锄i n a t i o no fb i o a c c u m u l a t i o n ，e n v i r o n m e n t a lp e r s i s t e n c ea n dt o x i c i t y ， t oi d e n t i 母t h ep r i o r i t yp o l l u t a n t si ns o i l o nt h eb a s i so fs c o r i n ga n dr a n k i n gm e t h o d ， a n do na c c o u n to ft h ep r o b l e mt h a tt h es c o r e so fe n v i r o n m e n t a lp e r s i s t e n c ee x c e s i v e l y c o n c e n t r a t e da n dt h ep r o b l e mo ft o x i c i t yd a t as h o r t a g e ，h i e r a r c h i c a lc l u s t e r i n gm e m o d a n dk m e a nc l u s t e rw e r ea p p l i e di nc l u s t e ra n a l y s i so fb i o c o n c e m r a t i o nf a c t o r ，h a l f - l i f e p e r i o di ns o i l ，d i s t r i b u t i n gp e r c e n t a g ea n dt o x i c i t y ；a n db yt h i sm e m o d ，n e ws c o 打n g p r i n c i p l e sw e r ed e t e n n i n e d a n dt h e n a p p l i e di np r i o r i t yp 1 ) 1 1 u t a n t s i d e n t i f i c a t i o n a c c o r d i n gt ot h eb l a c k l i s ta th o m ea n da b r o a d ，p o l l u t a n t so f h i g he x p o s u r er i s kw e r e s c r e e n e da n de s t i m a t e di nt h r e ee x p o s u r ep a t h w a y s o r a l ，r e s p i r 【t i o n a la n dd e m a l ，t h e n c l u s t e ra n a l y s i sw a sa g a i n 即p l i e di nt h ec l a s s m c a t i o no fe x p o l s u r er i s kv a l u ea n dt h e i d e ao fs e m i - q u a n t i t a t i v ew a si n t r o d u c e dt oa p p r o a c has c o r i n gp r i n c i p l ef - o re x p o s u r e r i s k t h es c o r i n gm e m o di nr i s kw a st h e na d d e di n t ot h em o d i 6 e ds c o d n gs y s t e mt o b u i l dam o d e lm o r es u i t a b l ef o rt h eo i le x p l o r a t i o nf i e l d ，b yt h em e m o da b o v e ，t h e p r o b l e m so fn e g l e c ti na c t u a lc o n c e n t r a t i o na n dd a t es h o r t a g ew e r er e c o v e r e d ，a n dt h e p r i o r i t yp o l l u t a n t si d e n t i f i c a t i o nw a sf i n a u yr e a l i z e d k e y w o r d s ：e n v i r o n m e n t a li n n u o e n c ei n o i le x p l o r a t i o nf i e l d ，p 订o r i t yp o u u t a n t s ，t h e s c o r i n ga n dr a n k i n ga s s e s s m e n tm o d e l ，c l u s t e ra n a l y s i s ，e x p o s u r er i s k 华北电力大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 陆地石油开采污染概述 1 1 1 石油开采概况 早在公元4 世纪，中国人就使用竹竿和固定在其一端的钻头钻井取石油卤制 食盐，1 8 5 2 年波兰人依格纳茨武卡谢维奇( i g n a c yl u k a s i e w i c z ) 发明了从石油 中提取煤油的方法，1 8 5 3 年波兰开辟了第一座现代油矿，1 8 6 1 年巴库建立了第 一座炼油厂，从此开启了现代石油的历史。作为当今全球范围内应用最广泛的能 源之一，石油被称为“黑色的金子”和“工业的血液” 1 ，到。随着工业的发展，世 界各国对石油的需求量不断扩大，石油的安全生产和供应则成为了制约着各国国 民经济持续、稳定发展的重要因素之一。 从1 9 7 9 年到2 0 0 8 年的3 0 年间，全球石油总产量在波动中缓慢发展( 从3 2 3 亿吨增至3 6 4 1 亿吨) 【3 j 。美国油气杂志公布的2 0 0 9 年度数据显示，受全球 金融危机的影响，世界主要产油国石油总产量较2 0 0 8 年减少3 2 ，3 0 个主要的 生产国中，有2 1 个国家的石油产量下滑，其中4 个国家产量跌幅超过1 0 。该 杂志还同时公布了我国石油生产的现状，我国2 0 0 9 年产量为1 8 9 亿吨，占世界 石油总产量的5 4 ，成为继俄罗斯、沙特阿拉伯和美国之后的第四大石油生产国 4 ，5 1 。 中国石油集团于2 0 1 1 年发布的2 0 1 0 年中国国内外油气行业发展报告中 显示，由于工、农业的发展和汽车销售量的增大，国内石油消耗量与2 0 0 9 年相 比上升1 1 4 ，达4 5 5 亿吨，报告经分析预测道，在我国的工业化和城镇化脚步 加快的带动下，石油的需求量在下一年中还将上升4 左右 们。面对上升的需求量， 通过有效途径从更大程度上挖掘油田的产油潜力，以获取更多能源，在一定程度 上成为了制约工业和其他方面经济发展的瓶颈之一，受到各国的长期关注。在石 油探明的可采储量方面，2 0 0 9 年我国的石油剩余探明可采储量达到2 7 9 亿吨， 较上一年增长2 7 2 门j ，这样的上升趋势在该项指标下排名前3 0 位的国家中还较 为罕见，是我国进一步的油田开发和石油开采的有力保障。 无论从我国国内还是全球范围来看，石油资源主要分布在陆地，2 0 0 9 年数据 显示，来自海洋的石油资源量仅占全球石油资源总量的3 4 ，虽然有报道称，到 2 0 1 5 年该比例有可能升高至4 5 瞄j ，但就当前来看，石油的陆地开采仍然是获取 石油资源最主要的手段，尤其对于中国来说，国土范围内石油资源总量约为 华北电力大学硕士学位论文 舅皇曼曼曼曼蔓曼! 皇皇曼曼曼曼寰曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼! 皇曼曼皇! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼舅曼蔓曼曼曼皇舅皇皇曼! ! ! ! 兰曼曼蔓曼曼皇曼曼竺 9 4 1 0 1 0 t ，其中陆地资源总量为6 9 4 1 0 1 0 t ，占据了我国石油资源总量的7 3 8 3 之多 9 1 。 1 1 2 陆地石油开采区污染现状与危害 石油和石油产品在人类社会发展过程中越来越重要的角色，导致了全球石油 需求量和消耗量的不断上升，为满足经济社会发展对石油和石油产品与日俱增的 需求，石油的开采规模也在日益扩大，而石油工业的快速发展，伴随着多种形式 污染物的生成，进而引发了开采场地污染不断加剧以及周边生态环境严重失调的 紧张状况，反过来又对石油资源的环境载体构成了很大的威胁 i 叽 】，全世界每年 有8 1 0 6 t 石油进入环境中，污染土壤、地下水、河流和海洋，构成世界范围内普 遍的污染4 l 。 石油污染的途径多种多样，据统计，仅2 0 0 1 年一年，美国就约有4 5 万个地 下储油罐发生泄漏，占据其总数3 0 的1 5 【l 纠；在英国，严重的石油类污染波及 3 0 以上的加油站、几乎所有的化! 工厂和炼油厂等场所【l6 j ；我国石油开采业每年 产生落地原油约7 1 0 7 t ，每年新增污染土壤约1 1 0 8 t 1 7 。我国生产条件、环保技 术等方面仍相对落后，且在相当长的时期内忽略了资源、环境、生态以及人类的 可持续发展，导致我国石油污染问题的日渐严重。全国共有油井2 1 0 5 口，由此 造成的土壤污染达8 1 0 7 m 2 ，这一数字每年仍在增长中 1 8 。2 0 】。 石油在开采、储运、加工以及最终消费等过程中均会产生一系列的环境问题， 其中石油开采是石油污染最主要的污染节点，长此以往造成相应场地的多介质累 计污染【2 1 l 。陆地石油开采这项系统工程包含了地下、地上等多项生产工艺，主要 包括勘探、钻井、井下作业、油气开采、油气集输和处理、储运以及其他辅助配 套工程等 2 2 1 。其中为对生态环境产生影响较大的主要是开采过程中的钻井、井下 作业、原油集输作业以及配套的地面工程建设等，均对陆地石油开采场地构成严 重的危害，其主要污染物包括含油废水、含油固体废弃物和落地原油三类，均含 有较高浓度的石油类物质盼2 4 。 含油废水的油浓度高达7 0 0 0 m g l ，主要来自洗井、设备清洗和油井大修等 过程，在石油开采程中，油田采出水和注水井洗井水均为含油废水的主要来源。 我国大多采用注水方式开发油田，平均每吨原油的产生需注水2 3 t ，产生的污染 物主要以乳化油的形态存在 2 引。该类废水不仅从地层中带出大量悬浮固体 20 | ，由 于三次采油技术的不断发展和聚合物驱油越来越广泛的应用，含油废水的成分还 日渐复杂，处理也越发困难，这些废水进入开采场地周围的土壤中，导致了严重 的土壤环境污染【2 川。 含油固体废弃物主要来源于石油的开采、生产加工和消费阶段，其中开采过 华北电力大学硕士学位论又 程中的含有固体废物主要在钻井、井下作业和油井大修等过程中产生，包括含油 岩屑、含油泥浆等，一口油井的年产生量可达2 t 【2 5 2 刚，是一类重要的污染物。与 其他工业固体废弃物相似，具有污染土壤、水体和大气以及占用土地等危害【2 ， 还具有污染物成分复杂、处理困难等特点。 落地原油来自石油开采过程中的原油散失。分布于陆地石油开采场地的油 井、集输站、转输站和联合站等生产设施，会由于投产前的试喷、探井试油及试 采、井下作业过程中散落以及井喷和管线断裂等生产事故等原因 3 0 将原油直接或 间接散失于开采场地地面上，使土壤的理化性质发生改变，成为开采场地的点源 污染，与含油废水和含有固体废弃物相比原油浓度更大 2 4 3 1 ，往往更容易形成新 的污染源【3 引，因而受到特别的重视。 以各种形式进入土壤中的石油类物质，水溶性很小，会附着在土壤颗粒上， 破坏土壤结构从而降低其通透性，还会限制土壤中的硝化和脱磷等作用从而降低 有机质含量，、降低土壤肥力3 1 ，33 1 ，对土壤微生物生境形成威胁，所导致的微生物 活动的减少又反作用于土壤本身，降低土壤的活性，从而形成恶性循p 4 j ；不仅如 此，进入土壤中的石油类物质还会破坏土壤一植物一水分之间的平衡，在植物根系 表层形成黏膜从而阻碍根系的正常呼吸 3 5 3 6 ；表层土壤中的污染物还会通过纵向 迁移和横向迁移等方式挥发进入空气中或进入深层土壤甚至通过包气带进入地 下水并破坏大气环境、周围土壤和水体的环境质量及其正常功能，造成恶劣影响 3 7 。3 9 】；石油中有害成分还可能通过口腔摄入、呼吸和皮肤接触等途径进入人体， 影响人体器官功能正常运行甚至引发疾病 40 4 1 ：有研究表明，石油污染物中一些 多环芳烃物质直接影响人体肝、肾和心血管系统等的正常功能运行，甚至引发癌 变。 1 2 国内外研究进展 1 2 1 优先污染物 石油开采和钻井过程产生的污染物成分复杂，主要包括石油类及重金属等 2 8 1 。其中石油类由上千种物质组成【4 3 ，其主要元素是碳和氢，分别占据约8 5 和 1 2 的质量比，石油类中还存在少量的硫、氧和氮等元素，其质量比通常均低于 5 ，此外，微量的钒、镍和汞等金属元素以及部分非金属元素也是石油类中不可 缺少的成分。石油类也可以按烃类化合物和非烃类化合物分为两类，其中烃类化 合物可分为烷烃( 正构烷烃、异构烷烃) 、环烷烃( 单环、双环、多环) 和芳香 烃( 单环、双环、多环) 三类物质 4 4 ；非烃类化合物则包含了含氧、含硫、含氮 化合物以及胶质和沥青质等几类物质【4 5 1 。 在污染物的控制工作中，由于经济和技术条件的限制，对这两干多种有害物 3 华北电力大学帧士学位论文 曼堂皇曼曼曼曼曼皇皇曼曼! 曼曼舅笪曼皇曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼皇蔓曼舅寰曼曼曼曼邕! 曼! 舅! 笪笪曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼曼蔓! 曼量曼曼舅舅舅曼曼兰! ! ! ! 曼 质一一监测是不现实的，而各种污染物由于性质不同，对生态环境和人体健康所 造成的危害程度也不尽相同，因此，为增大效益，在实际：i ：作中需要针对一定的 环境介质相应地筛选出部分污染物进行优先监测，并提出更有针对性的优先控制 和环境管理手段。根据优先监测污染物的筛选原则，选择具有如下特征的污染物 作为优先监测对象 4 6 ，4 7 ： ( 1 ) 生产量或排放量较大、在环境介质中检出频率较高； ( 2 ) 毒性效应( 包括急性毒性、慢性毒性和“三致”毒性等) 较大； ( 3 ) 在环境中难于降解、在生物体中具有累积性； ( 4 ) 当前具备必要的基础条件( 包括具有相应的采样、分析方法，具备分 析仪器等) 进行优先监测； ( 5 ) 存在于先进国家已有优先监测和控制清单中。 目前筛选优先监测控制污染物的方法主要有h a s s e 图解法、暴露风险评价法 以及综合评分法等： ( 1 ) h a s s e 图解法能直观描述复杂的信息，当某些化合物由于部分筛选考察 指标不用而不能进行直接比较时，使用h a s s e 图解法能将筛选过程中出现的这类 矛盾在图中体现，具有独到的优势；然而需要对处在同一层次上的物质进行比较 时，h a s s e 图法又体现出一定的不足，这时又需要借助其他的方法；除此以外， h a s s e 图解法没有涉及到污染物对人的暴露量，使得某些其毒性较小、但暴露性 较大的污染物，相对于度性大、但暴露量小的污染物，虽然存在着潜在危害较大 的可能性，但是在h a s s e 图解法中受到忽视； ( 2 ) 健康风险评价是以风险度为评价指标，针对污染物对人体健康造成损 害的程度及其可能性的定量表征【48 4 9 1 。在健康风险评价中，暴露是指人体对环境 中有害因子的吸收 5 ，是评价化学物质对暴露在其中人体( 或其他生物体) 的实 际及潜在危害的有效手段，是进行人类健康风险评价的定量依据【5 1 | 。化学物质的 暴露风险通常采用风险评估模型计算单一污染物经口摄入：土二壤、吸入土壤颗粒物 和皮肤接触土壤三种暴露途径下的风险值，反映污染物对人类健康的危害效应 ( 包括致癌效应和非致癌效应) ；同时，暴露风险评估的计算中还含了污染物的 实际浓度的贡献，将各污染物在目标环境中的实际状况加入到考虑范围内。但是 该方法的缺点在于其对数据的需求量较大，而部分污染物可获取的指标数据有 限，阻碍了评估工作的正常进行，这就使得暴露风险评估完整性和准确性的实现 出现困难； ( 3 ) 综合评分法主要考察污染物的排放量、检出率、生物降解性、生物累 积性、急慢性毒性以及“三致”性等指标【52 | ，是目前应用最为广泛的评分系统。 污染物优先排序工作中常用的综合评分法有由美国密西根自然资源处( m d n r ) 创建的也ec r i t i c a lm a t e r i a l sr e g i s t e r ( c m r ) 【5 l j 、加拿大安大略环境能源部( m o e e ) 4 华北电力大学硕士学位论又 研究开发的评分系统1 52 | 、由f o r a n 和g 1 e n n 针对五大湖基底创建的化学物质识别 方( c n t i e r i at oi d e n t i f yc h e m i c a lc a n d i d a t e sf o rs u n s e t t i n gi nt h eg r e a tl a k e sba s i n ) 删、由u s e p a 开发的w a s t em i n i m i z a t i o np r i o r i t i z a t i o nt o o l ( w m p t ) 【5 4 j 以及国 内的危险化学物质登记信息管理系统等和化学物质评分排序模式s c r a m ( t h e s c o r i n ga n dr a n k i n ga s s e s s m e n tm o d e l ) 等【孓引。 s c r a m 属于半定量的综合评分系统，也是一种使用较多的评分排序方法， 考察的对象主要是化学物质的持久性、生物累积性和毒性等性质。该模式优点是 可通过使用不确定性赋分系统对指标进行赋分来保证数据项缺乏时评分排序工 作的顺利进行，因此与其他完全定量方式相比对数据的完整性要求较低，即使某 项或多项指标数据不完整也不会影响化学物质评分值的获取【4 7 ，5 3 j 。在s c r a m 系 统中，当某项指标下数据的不确定性越大，其不确定性得分也就越高，这个特点 使得造成环境特征数据不完整、研究成果不完善和存在某些不确定因素的化学物 质在环境监测及其相关研究中得到更多的重视，而不是被忽略【53 5 4 j 。 1 2 2 污染物健康风险评价方法 健康风险评价( h e a l mr i s ka s s e s s m e n t ) 也是一种通过定性与定量实现综合评 价的方法。该方法的实施步骤主要是( 1 ) 收集毒理学及暴露途径、暴露频率以 及暴露剂量等相关资料；( 2 ) 根据现有准则确定模型；( 3 ) 使用模型定量评估 物理或化学因子对暴露在其中的生物构成健康危害的可能性。是环境风险评价的 重要内容55 1 。 健康风险评价最初开展于2 0 世纪3 0 一6 0 年代，以毒性鉴定为其初始时期的主 要评价方法【56 j ；健康风险评价于2 0 世纪7 0 8 0 年代间迅速发展，建立了致癌风 险评价指南【57 j 和暴露风险评价指南 58 】等一系列系统的指南与相关准则；随 着毒理学、医学和环境化学以及计算机等相关学科的快速发展，健康风险评价正 处于一个不断进展和完善的阶段，成为了环境管理和决策的重要的科学依据。 美国是对污染场地开展健康风险评价较早的国家，为解决污染物排放和突发 性污染事件等问题，早在上个世纪八十年代初就颁布了环境响应、补偿与义务 综合法案，也就是常说的超级基金 5 9 1 ，作为补充，美国又相继颁布了超级基 金修正和授权法案、超级基金风险评价指南、暴露风险评价指南、化 学混合物健康风险评价指南和致癌物质风险评价指南等一系列导则、指南 及准则等相术文件，并基本确立为健康风险评价领域中的指导性文件，其内容丰 富、全面，包括场地调查、环境因子监测和评价以及后续环境管理等多个方面 小j 。此外，美国还开发了多个用于污染场地健康风险评价的模型系统，同时还 建立了详尽的风险评价相关数据库系统以为健康风险评价的展开提供足够的数 华北电力大学硕士学位论文 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼蔓蔓曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼蔓曼烹皇舅曼曼曼皇曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼笪曾蔓曼曼曼曼曼量曼曼曼曼曼! 曼曼! ! 邕兰蔓曼曼曼 据支持。美国在污染场地的健康风险评价领域建立的相对完善的体系，为全球的 环境评价与管理提供了大量的理论知识和丰富的实践素材，其经验和技术都受到 世界各国的广泛借鉴。除美国之外，其他发达国家以及一些国际组织也纷纷展开 了健康风险评价的相关研究，相继建立了特定工作场所风险评价和管理的指南和 相关准则，其中加拿大通过借鉴美国的既有方法，根据本国的实际情况，颁布了 污染场地分类、风险评价以及环境管理与修复等方面的相关技术性文件，构建了 颇具该国自身特点的评价体系 6 盱鲫】。在早期采用美国的风险评价体系进行评价的 基础上，澳大利亚经过长期地研发和不断地完善，目前己形成较为完整并适应本 国特色的健康风险评价体系，并于1 9 9 9 年和2 0 0 4 年建立了相关管理标准【7 吣7 6 j 。 新加坡相关研究部门也依据各种化学物质的暴露浓度、暴露频率、暴露时间等计 算出物质的暴露水平并与容许暴露限值相比较，从而划分化学物质的暴露级别， 计算化学物质的风险水平，确定其风险水平和风险等级，以此建立该国的风险评 价指南 7 l 。国际纯化学和应用化学联盟( i u p a c ) 也发布了关于化学物质的暴露 风险评价技术文件【78 j ；联合国环境程序、国际劳工组织( i l o ) 和世界卫生组织 ( w h 0 ) 联合发布了环境健康标准( e h c 2 1 0 、2 1 4 ) ，提出化学物质对暴露于其 中人体的健康风险评价方法【7 9 8 0 j 。 我国健康风险评价起步与发达国家相比较晚，从上个世纪九十年代起到目前 为止，还处于以介绍和应用国外研究成果为主的学习阶段，尚未颁布污染场地健 康风险评价相关技术文件和所对应的法规体系。高继军等 8 1 】应用美国环保局推荐 的健康风险评价模型对北京市及郊县饮水中重金属的健康风险进行了评估；黄奕 龙等人在综合利用美国e p a 发布的公众健康风险评价指南和建安大饮用水健康 风险评价等多种方法的基础上建立了健康风险评价模式，对深圳市主要引用水源 地水质监测资料所提供数据进行了分析和评价峭2 j ；张映映等人在美国e p a 颁布 的暴露风险评价指南的基础上，结合国内学者对地下水健康风险评价的初步探索 83 1 ，进行了一定的修改和补充，对长江口区域水体中半挥发性有机物进行了健康 风险初步评价 8 4 】；江平等人使用了美国e p a 推荐的致癌风险评价指南等对杭州 市公交流动微环境中的苯系物致癌风险进行了评价m 5 i 。 目前常用的评价方法来自美国科学院( n a t i o n a la c a d e m vo f s c i e n c e s ) 于1 9 8 3 年提出的具有里程碑意义的联邦政府的风险评价管理程序，即风险评价四段 法：第一阶段一一危害识别( h a z a r di d e n t m e a t i o n ) 、第二阶段一一剂量效应评价 ( d o s e _ r e s p o n s ea s s e s s m e n t ) 、第三阶段一一暴露评价( e ) 【p o s u r ea s s e s s m e n t ) 、 第四阶段一一风险表征( r i s kc h a r a c t e r i z a t i o n ) 州，该法被广泛应用于不同环境 介质中污染物对暴露于其中人体健康风险的评价工作瞄川。 华北电力大学硕士学位论文 图1 1 化学物质评分排序模式图示 暴露指的是生物体与某化学或物理因子的接触。暴露风险评估是一种定量方 法，通过考察具体场地和暴露人群的具体情况，收集暴露量、暴露途径以及相应 途径所对应的暴露频率和持续时间等相关信息，建立暴露模型来预测化学或物理 因子对暴露于其中人群或其他生物可能造成的风险。暴露风险评估模型实际上是 定量估算暴露量大小、暴露途径、暴露频率高低和暴露持续时间长短的过程【66 i 。 在暴露评估中，评价者要明确以下几个问题：暴露量的大小；即暴露途径； 是连续暴露还是短暂的暴露；暴露时间的长短。暴露评估就是围绕着这些问 题来展开的。 1 2 3 模糊聚类法 模糊聚类分析( i n t e r a c t i v es e l f - o r g a n i z i n gd a t aa n a l y s i st e c h n i q u e ，i s o d a t ) 提出于1 9 6 5 年，于1 9 7 3 年前后得以推广，并在之后的模式识别中法得到广泛而 有效的应用。在监测过程中，由于环境资料的获取、监测点的设定，甚至包括监 测本身，所能捕获的信息都具有一定的模糊性。因此，用模糊聚类法研究处理土 壤分类、环境污染分类等比传统评价方法更符合实际。随着我国对环境监测方法 的研究，近几年来逐渐将模糊聚类分析方法应用于土壤污染程度和分级评价以及 华北电力大学硕士学位论文 曼皇曼篡皇曼蔓曼舅皇曼曼! ! ! ! 曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼! 兰曼兰皇曼曼曼曼蔓! 曼曼曼曼曼蔓笪蔓蔓蔓曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼篁曼曼曼曼曼曼曼曼兰曼! 曼! ! 曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼 地下水动态模型、地下水水化学成分划分等各个领域的研究中。 1 3 研究意义及内容 1 3 1 研究意义 石油工业的发展水平是一个国家综合国力的重要体现，也是支撑国民经济发 展的重要基础产业之一，是国家能源安全的重要保障。目前世界能源消费主要依 靠石油，被称为工业的血液和液体黄金，在美国3 0 的能源由石油提供，这一比 例在英国达到5 0 ，尼日利亚甚至高达9 0 9 4 9 5 。1 9 9 6 年全世界每天要消耗大 约7 1 7 千万桶原油，石油输出国组织( 0 p e c ) 估计到2 0 2 0 年全球每天大约要消耗 1 亿桶原油【9 钔。日趋上升的石油消耗量迫使石油开采的规模日益扩大，而伴随着 开采量的提高，石油开采区的生态环境却正在经受着威胁和摧残。 为实现对环境效应较大的部分污染物有原则的优先监测，本课题通过调研石 油开采及钻井过程相关行业标准中要求控制的污染物名单并借鉴已有筛选程序 得出优先控制污染物名单，并参考相关数据库，从中获取毒性、持久性及累积性 等在优先监测中重点考虑的理化指标，结合事故风险频率( ：即检出频率) 及污染 物对暴露在其中人群的致癌及非致癌风险等数据，经过方法调研与总结并按一定 原则将各指标值量化赋分，并根据分值将筛选出的污染物按优先控制的顺序排 列。 本论文在已有的污染物识别技术的基础上，使用模糊聚类分析的方法，针对 典型陆地石油开采产生的污染物特征对其相关指标评分原则进行修正，为陆地石 油开采场地土壤污染物的优先监测提供了定量依据；基于模糊数学分级，本论文 将评分模式运用到暴露风险评估模式中，解决了该模式下指标数据不完整的问 题，同时将改进后的暴露风险评估与理化性质评分相结合，为污染物的优先控制 提供更为客观的依据。也为石油行业h s e ( 健康( h e a l t h ) 、安全( s a f e t y ) 和环 境( e n v i r o i m l e n t ) ) 管理体系的建立、现代石油企业管理水平的提高、以及清洁 发展的实现提供定量依据。 1 3 2 研究内容 典型陆地石油开采场地污染在我国己经带来了严重的生态环境问题，影响了 土地开发和利用的安全性。本文基于陆地石油开采场地污染土壤中主要污染物的 理化特征，在调研多个污染物黑名单的基础上初步筛选优先监测污染物，对其采 用化学物质评分排序模式( s c r a m ) 进行评分排序；利用模糊数学聚类分析对 评分原则进行针对特征场地的修正；将评分模式运用到暴露风险评估中进行实例 华北电力大学硕士学位论文 研究。 华北电力大学硕士学位论文 堂皇曼曼舅曼曼曼曼曼曼岂曼曼曼曼曼蔓曼曼曼曼蔓蔓! 邕舅舅曼曼曼曼璺曼! 笪璺曼舅曼曼烹曼曼曼曼曼笪曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼舅曼曼曼曼曼舅曼! 曼曼! 曼曼曼 第2 章陆地石油开采区优先污染物识别 2 1 陆地石油开采区土壤污染物初步筛选 陆地石油开采区的污染物主要来源于石油开采过程中拘钻井、井下作业、原 油收集与运输作业以及配套的地面工程建设等环节，对开：采区土壤构成危害的污 染物主要分为含油废水、含油固体废弃物和落地原油三类。其中含油废水主要来 自洗井、设各清洗和油井大修等过程，污染来源主要是油田采出水和注水井洗井； 石油开采阶段的含油固体废弃物主要来自钻井、井下作业：和油井大修等过程，污 染物来源包括含油岩屑、含油泥浆等；落地原油来自石油开采过程中的原油散失， 主要污染物为落地原油。综上所述，总结石油开采主要土：嚷污染物产生情况见表 2 1 。 表2 1 石油开采产污情况 通过污染物来源分析可知，陆地石油开采区土壤中可能存在的污染物主要有 石油烃、多环芳烃、苯系物、重金属以及高分子表面活性剂等，这些类型的污染 物共同构成了陆地石油开采区优先污染物的初选名单，见：表2 2 。 1 0 一n 寸嶂r 、o 。岔2 = 2 = = 2 = = 翌s 蜀高 n 卜价卜o no no n 卜 【 o no n o no no n竹卜 寸 o n _ 【 q n n o no h n n 价口o o岭价n n _ 【 o o o n o o o h o 卜寸 o o o n o o o o o o o o o 卜h n n 6 _ n ii寸_薯【ii。寸n_o”u_略k督 。o。岬。nq厂i堪k文if n卜婚no，一q广i隧，f川w冉怛 。岬。nq广i略k文if。岬。n0广i堪k凶。岬。nq厂i磁k武f口。罱-onq厂i晤k盘ff 婚c9-os口厂i隧k遗ff。6onori暖k遗田n0。”q厂i堪k。丝ff口 。o。a-onq厂i噎k文口 ii一骞。廷0h3骞寸2-oriqh直if 苦cfuiuin。ju厂i m 嘏 蓉 g。0占，i喽f稿鉴 价nnoq厂i蹯k赵f ooo_【_oriqri磁k型罂 n卜n_o”q厂i堪k赵忤伥 艚警懈廿 憎警艚肇 精导憎导艚导艚导憎导黼廿储幄 储警憎怄懈商艚恒储怄 憎 b 憎恒 080一 心- 心矗q 心_ 8 嶝- 8 n 婚 8na文一一 n 。n 寸。n a 价 - o 寸n = 0 0 寸n -n寸心o_【-c-o_【 寸_【寸oo一 - _ 8 0 h n - c 寸h 卜 nno寸寸卜虮_9-6n寸卜ono。o寸寸卜婚口口o寸寸卜岭卜qnt7卜ono寸寸卜仓。n寸o寸寸卜_【naan寸卜n。卜寸。o寸寸卜 将晚n_【 将七n_【_ 缨+ 堡+ 蠼 + 褒o 将 r 二号将 莨 将 旦一 将心将 将 哥昭嫦雅站啖 晤 唔承姆 一p)暴饿汁 山u 过揆柏州 一g一趔艏 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