流域水资源保护补偿标准计算模型

禹雪中，杨桐鹤，骆辉煌

（1．中国水利水电科学研究院，北京 100038；2．中央民族大学，北京 100081）

流域水资源保护补偿标准计算模型

禹雪中1，杨桐鹤2，骆辉煌1

（1．中国水利水电科学研究院，北京 100038；2．中央民族大学，北京 100081）

综合考虑了水量和水质2个方面的因素，首先利用环境水力学方法对上下游水环境影响关系进行描述，然后结合下游地区的引水量，对上游地区水环境保护效果影响下游地区的范围和程度进行量化，反映了水环境影响的自然过程。另一方面，采用环境经济学方法对水环境保护成本进行描述，对上游地区水环境保护的直接成本和间接成本进行量化。最后，将上游地区水环境保护影响的自然过程描述与保护成本的经济量化结合起来，建立了流域水资源保护补偿标准的计算模型。采用建立的计算模型，以新安江水库的生态补偿问题作为实例，进行了生态补偿标准的计算和分析。该模型能够更加客观和精细地反映水环境影响和经济补偿关系，能够为我国流域生态保护机制的完善提供理论技术支撑。

水资源保护；生态补偿；补偿标准；环境水力学

1 概 述

为了对特定地区的水环境质量进行保护，需要对上游地区的污染物排放量进行严格地限制，从而在一定程度上影响上游地区的经济社会发展。为了在水资源保护方面实现公平性的原则，需要建立生态补偿机制，对上游地区的生态保护行为进行经济补偿，这种补偿形式可以称为水资源保护补偿。水资源保护补偿能够促进水资源保护的受益主体对水资源保护主体所投入的成本进行分担，从而保证了不同主体公平共享水资源的权利。

补偿标准的确定是建立补偿机制的关键内容之一，是生态补偿研究领域活跃的研究方向。水资源保护补偿标准包括受益地区对保护地区的补偿总量及其在受益地区之间的分配两个方面的内容。目前的研究工作大多关注补偿总量的确定方法，例如刘玉龙等进行了新安江流域生态保护与建设补偿标准的研究，主要计算了上游地区生态保护和建设的投入，作为下游地区支付补偿量的依据［1］。徐琳瑜等以生态系统服务价值作为水资源保护补偿标准的计算依据，具体考虑了自然价值、社会价值和经济价值3项内容［2］。其他研究者也都是采用各种方法确定上下游之间的补偿总量［3，4］。根据污染物在水体中的输移转化规律，河流污染物的超标排放或减排，其环境影响具有一定的影响范围，并且不同区域受到影响的程度也具有差异［5］。对于水资源保护补偿，从上游地区水资源保护行为中各地区的受益程度是不同的，需要根据受益程度的差异确定各个地区对于补偿总量的分配关系。目前的研究工作基本没有考虑这个因素，大多是确定上下游之间的补偿量作为补偿标准，对于下游地区之间各区域受益差异和补偿总量分配没有涉及。

本文以水资源保护受益地区在水质和水量2个方面的受益程度为依据，对水资源保护的成本进行分摊，研究工作把环境水力学方法与环境经济学方法有效结合起来，对于完善流域水资源生态补偿标准的计算方法具有一定价值。

2 水环境保护补偿标准计算模型

为了对水资源保护的成本进行合理分摊，需要首先基于环境水力学方法对上下游水环境影响关系进行描述，量化上游地区水资源保护对下游地区影响的范围和程度，在此基础上进一步考虑取水量的影响，从而综合反映上游地区水资源保护效果对下游地区影响的自然过程。在此基础上，采用环境经济学方法对水资源保护的成本进行描述，对水资源保护的直接成本和间接成本中的各项内容进行量化。最后，将以上两方面的内容结合起来，建立水资源保护补偿标准的计算模型。

2．1 水资源保护影响的计算方法

2．1．1 计算方法的建立条件

（1）为了保证水源区的水环境质量，上游区域污染物排放量要低于一定水平，使得下游地区获得了更多的环境容量，这是下游水环境受益的基础。

（2）污染物排放低于一定水平的地区是水污染受益补偿的客体（受偿方），下游受到影响的区域是补偿的主体（补偿方），补偿方按照受益的程度确定经济补偿量。

（3）上游地区水资源保护的影响表现在水量和水质2个方面，因此水资源保护补偿方的受益程度需要考虑水量和水质2个方面的因素。

2．1．2 水质影响程度

本研究涉及的水体为水库下游河道，因此可以采用一维数学模型。水质计算采用一维均匀流水质模型的基本方程，假定污染物符合一级衰减反应：

式中：C为污染物浓度（mg／L）；K为污染物综合衰减系数（1／s）；Dx为纵向离散系数（m2／s）；u为流速（m／s）。该方程可以求得解析解：

式中：Q为河流流量（m3／s）；W为单位时间污染物排放量（g／s）；x为到排污口的距离（m）。

水源区现状水污染负荷量为W1，如果不对水源区污染负荷进行特别治理和限制发展，其排放的负荷量为W2，两种负荷条件下对下游水质的影响分别为：

式（3）的两式相减后得到

式（4）表示上游区域低于一定水平的污染物排放量对下游河道水质的响应，下游河段受到的影响程度随着距离增大而降低。如果把下游区域分为n个河段，那么采用以上方法可以计算得到每个河段受到的影响。

对于河流汇流的作用，可以通过考虑汇流前后流量的比例确定汇流后河流受到的影响。设水源区下游河道流量为Q1，水源区污染负荷变化量对汇流前河道水质的影响为ΔC1，入汇河道流量为Q2，那么汇流后河流水质浓度变化值为

通过以上方法计算得到水源保护区下游各个河段受到的影响后，可以进一步得到某个河段所受影响占整体影响的比例为

式中：Ai为第i个河段在水质方面的受益比例；ΔCi为第i个河段污染物浓度的变化值（mg／L）；Li为第i个河段的长度（m）。

2．1．3 水量影响程度

按照下游地区取水量占总取水量的比例，可以确定受益区在水量方面的受益程度为

式中：Bi为第i个河段在水量方面的受益比例；Vi

为第i个河段的取水流量（m3／s）。

2．1．4 综合影响程度

为了综合考虑水量和水质2个因素的影响，可以给两者赋予一定的权重，从而得到下游各个河段的受益程度：

式中：Ei为第i个河段在水量和水质2个方面的受益比例；α为水质比例的权重（α＜1．0）。

在实际应用中，可以把某个行政区范围内的河段作为计算单元，这样就可以得到各个行政区受到影响的程度。在此基础上，结合水资源保护补偿总量的量化结果，就可以得到下游各个地区应该分摊的补偿量。

2．2 水资源保护受益补偿量

流域水环境和水生态保护的成本包括直接成本与间接成本2个方面。直接成本是指进行水源涵养与生态保护所开展的各项措施，包括在林业建设、水土流失治理和污染防治方面的人力、物力、财力的直接投入；间接成本则是为保护水源涵养与生态维护功能，当地限制部分行业发展导致的潜在发展损失，还包括水源涵养与生态保护所涉及的移民安置费用［1］。

2．2．1 水环境保护的直接成本

水环境保护的直接成本计算式为

本次研究的82名手术患者中，共有32名患在心率失常方面出现了不同的状况，其中包括了5名窦性心动过缓、窦性停搏患者，8名Ⅲ°房室传导阻滞患者，10名频发室早、短阵室速患者，9名心室颤动患者。另外还有29名患者出现了血压下降的情况，25名患者出现了恶心呕吐的状况，30名患者出现了胸痛加剧的状况，通过使用药物治疗，电击除颤，临时起搏器安置，主动脉球囊反搏等紧急处理之后，手术成功并且送回病房。

式中：DC为流域水环境保护的直接成本；DC1为水源涵养区提高森林覆盖率的投入；DC2为水土流失治理投入；DC3为污染防治投入。

2．2．2 水环境保护的间接成本

水环境保护的间接成本计算式为

式中：IC为流域水环境保护的间接成本；IC1为水源涵养区发展节水的投入；IC2为生态移民安置投入；IC3为水源涵养区限制产业发展而遭受的经济损失量。

2．3 区域间水资源保护受益补偿模式

按照“谁受益，谁补偿”的原则，下游地区可以按照分配比例分担上游地区水环境生态保护的成本。另一方面，对于上游地区的保护行为而言，下游地区获得的收益一般大于上游地区的成本，如果下游地区仅仅支付上游地区的成本，从经济学的角度难以形成对上游地区保护行为的激励，从而难以保证生态环境保护效果的可持续性。因此，对于基于成本得到的补偿量，可以通过一个修正系数进行调整，该系数可以根据具体情况取一个大于1．0的数值。

式中：Mi为下游某个地区的补偿量；k为修正系数；Ei为水环境模型得到的该地区的补偿比例；DC和IC分别为上游地区进行生态环境保护的直接和间接成本。

3 实例计算及分析

3．1 新安江水库及供水范围

地处钱塘江流域上游的新安江水库集水面积10 441 km2，多年平均入库径流量97．2亿m3，水库设计正常蓄水位108 m，相应库容178．4亿m3。水库具有多年调节性能，供水保证率高，水库水质为Ⅰ类，是下游城乡供水尤其是生活供水的理想水源。

新安江水库的供水区包括水库下游的新安江、富春江和钱塘江的沿线城镇，主要包括建德、桐庐、富阳和杭州市。该区域范围内的水系图见图1，相应的水功能区划见表1。新安江水库下游至钱塘江河段均为开发利用区，水体功能主要包括饮用、景观娱乐、工业、农业和渔业等，新安江水库下泄的优质水源对于这些功能的发挥具有重要作用。

图1 新安江水库下游水系图Fig．1 Sketch map of the downstream river system of the Xinanjiang Reservoir

表1 新安江水库下游水功能区基本信息Table 1 General information of the water function regions of the Xinanjiang Reservoir downstream

水库库区地跨浙江和安徽两省，包括安徽省黄山市的歙县、屯溪区、徽州区、休宁县、祁门县、黟县和宣城地区的绩溪县部分地区，这些地区为新安江水库水环境的保护进行了一定的直接和间接投入，并且在一定程度上限制了经济社会发展。这些地区属于库区水环境保护的承担者，应该从下游受益地区得到经济补偿。下游地区是库区水环境保护的受益者，需要按照受益程度对上游地区的保护成本进行分摊。

3．2 下游地区受益程度

新安江水库下泄水流现状水质为Ⅱ类，如果不进行特殊的水环境保护，下泄水流水质将出现一定程度的降低，本文假定下泄水质为Ⅲ类，并且以CODMn为代表性指标。参照相关研究成果，新安江下游、富春江河段属于山区性河流，CODMn的综合衰减系数为0．2／d，钱塘江河段为感潮河道，CODMn的综合衰减系数为0．1／d［6］。河流流量采用水功能区划中的枯水期设计流量。采用环境水力学模型，可以计算得到建德、桐庐、富阳和杭州市4个行政区河段在上游地区污染物减排作用下水体污染物浓度下降的值，进一步考虑各个区域的河长后，可以得到水环境的受益比例，计算结果见表2。

新安江水库下游的新安江、富春江和钱塘江是沿线区县重要的饮用水水源地，建德、桐庐和富阳生活和生产用水基本取自这些水源地，杭州市市区80%的供水来自钱塘江，根据2008年这些地区的供水量，可以得到各个区县饮用水取水的比例（表2）。

由于饮用水对于社会经济社会发展的作用十分重要，因此在综合考虑水量和水质2个方面的因素确定各个区县的受益比例时，水量的权重系数取为0．6，由此可以得到新安江水库下游受益区的受益比例（表2）。

表2 新安江水库受益区水量、水质和综合受益比例Table 2 Beneficial ratios of the downstream areas of the Xinanjiang Reservoir

3．3 水资源保护成本

刘玉龙等调查了新安江水库上游地区的屯溪、徽州、歙县、休宁、黟县、绩溪6个区县在生态保护与建设方面的投入，调查的内容包括林业建设与保护、水土流失治理、污染防治等直接投入，此外还包括发展节水、移民安置、限制产业发展等间接投入或损失。表3为调查得到的1997－2004年总投入数据［1］。

表3 上游地区1997－2004年生态保护与建设总投入Table 3 Total investment used for ecosystem protection and construction of reservoir upstream areas during 1997－2004

本研究对总投入历史数据的变化趋势进行了分析，结果显示1997－2004年上游地区总投入与时间具有较好的线性相关性（图2），两者的关系可以用计算公式表示为y＝3 256．4x－6 492．2×103，r2＝0．952 7。

图2 上游地区总投入与时间的相关性分析Fig．2 Correlation analysis between the total cost and tim e of the upstream regions

本研究以2008年作为水资源保护补偿标准计算的水平年，根据以上关系式计算得到2008年上游地区生态保护与建设的总投入为46 650万元，以此作为新安江水库水资源保护补偿标准计算的依据。

3．4 受益补偿标准

为了鼓励上游地区的水资源保护行为，新安江水库下游地区的补偿总量取为上游地区保护成本的1．2倍，根据下游区县的受益比例，计算得到建德、桐庐、富阳和杭州市区应该承担的补偿量分别为1．10，0．40，0．90，2．26亿元。

计算结果表明，如果仅仅考虑水质或者水量的因素，都难以得到符合实际的结果。在水质变化方面，靠近水源保护区的建德受益程度明显大于杭州市，但是取水量相对较小；在取水量方面，杭州市取水量明显大于其他地区，但是水质受益程度相对较低。全面考虑水质和水量2个方面的因素后，下游地区对于上游水资源保护成本分摊的方案更加合理。

4 结 论

水资源保护受益区的补偿标准的分析需要考虑水质和水量2个方面的因素，水质模型可以描述各个区域在水质方面的受益程度，在此基础上进一步考虑取水量的比例，从而形成综合受益比例，结合下游受益区补偿的总量，可以得到各个受益区应该支付的经济补偿量。本文提出的水资源保护补偿标准计算模型把环境水力学方法引入生态补偿研究领域，适应了水资源生态补偿标准量化的特点，计算结果有助于提高水资源保护补偿标准制定的客观性与合理性。

［1］ 刘玉龙．生态补偿与流域生态共建共享［M］．北京：中国水利水电出版社，2007．（LIU Yu-long．Ecological In-ter-construction and Sharing of River Basins［M］．Bei-jing：ChinaWater Power Press，2007．（in Chinese））

［2］ 徐琳瑜，杨志峰，帅 磊，等．基于生态服务功能价值的水库工程生态补偿研究［J］．中国人口·资源与环境，2006，16（4）：125－128．（XU Lin-yu，YANG Zhi-feng，SHUAI Lei，et al．Eco-compensation of reservoir project based on ecosystem service function value［J］．China Population Resources and Environment，2006，16（4）：125－128．（in Chinese））

［3］ 沈满洪．在千岛湖引水工程中试行生态补偿机制的建议［J］．杭州科技，2004，（2）：12－15．（SHEN Man-hong．Suggestions to establish the eco-compensation mechanism in the diversion project of the Qiandao Lake［J］．Hangzhou Science and Technology，2004，（2）：12－15．（in Chinese））

［4］ 张春玲，阮本清．水源保护林效益评价与补偿机制［J］．水资源保护，2004，20（2）：27－30．（ZHANG Chun-ling，RUAN Ben-qing．Benefit evaluation of water source protection forest and mechanism of its economic compensation［J］．Water Resources Protection，2004，20（2）：27－30．（in Chinese））

［5］ 禹雪中，李锦秀，骆辉煌，等．河流水污染损失补偿模型研究［J］．长江流域资源与环境，2007，16（1）：57－61．（YU Xue-zhong，LI Jin-xiu，LUO Hui-huang．Theo-retical model for water pollution compensation of rivers［J］．Resources and Environment in the Yangtze Basin，2007，16（1）：57－61．（in Chinese））

［6］ 田旭东，汪 泉．钱塘江流域污染负荷及水环境容量研究［J］．环境污染与防治，2008，30（7）：74－77．（TIAN Xu-dong，WANG Quan．Study of pollution load-ing and water environmental capacity of Qiantang River［J］．Environmental Pollution＆Control，2008，30（7）：74－77．（in Chinese））

［7］ 杭州市统计局，国家统计局杭州调查队．杭州市统计年鉴2009［M］．北京：中国统计出版社，2009．（Hang-zhou Bureau of Statistics，Hangzhou Investigation Team of the National Bureau of Statistics．Statistical Yearbook of Hangzhou［M］．Beijing：China Statistical Press，2009．（in Chinese））

（编辑：周晓雁）

Ecological Compensation Standard M odel of W ater Resources Protection

YU Xue-zhong1，YANG Tong-he2，LUO Hui-huang1
（1．China Institute ofWater Resources and Hydropower Research，Beijing 100038，China；2．Minzu University of China，Beijing 100081，China）

The water pollutant loads of the upstream regions should be strictly controlled in order to protect the wa-ter quality of the water source in the downstream areas．In this way，the economic and social development in up-stream regions will be adversely influenced．So the ecological compensation mechanism should be established to compensate the protection behavior of the upstream regions．The water quality and water quantity are synthetically considered in this paper to develop the ecological compensation standardmodel ofwater resources protection．First-ly，the environmental hydraulicsmethod is employed to describe the influence relationship of the water environment between the upstream and downstream regions．Then thewater quantity factor is also considered to reflect the scope and degree of the water environment protection in the upstream region．On the other hand，the direct and indirect costs of the water environment protection are calculated with themethod of environmental economics．At last，the environmental and economicmethods are combined to establish the compensation standard model ofwater resources protection．Themodel is applied to calculate and analyze the compensation standard of the Xinanjiang River basin as a case study．Themodel developed in this paper can flexibly and objectively describe the environmental and eco-nomic relationship of the ecological compensation，so it is helpful to provide support for the establishment of ecolog-ical compensation mechanism in China．

water resources protection；ecological compensation；compensation standard；environmental hydraulics

TV213．4

A

1001－5485（2010）10－0010－05

2010-08-19

国家自然科学基金资助项目（50779076）

禹雪中（1971-），男，河南开封人，教授级高级工程师，博士，主要从事水环境模拟研究，（电话）010-68781619（电子信箱）xzyu＠iwhr．com。