欧盟水框架指令中供水成本的能值测算

［美国］M.T.布朗 等

1 概 述

21 世纪伊始，地球与其丰富多样的生命形式，包括60 亿人口，正面临着严峻的水危机。所有迹象表明，除非采取正确措施，否则水危机情况会更糟，并将持续恶化。随着人口增加，人们生活方式的多样化，人均用水量也在增加。于是专供人类使用的水资源的百分数正在增加，加上可用水在时空方面的变化，其结果是水越来越少，而在有水地区，可能面临水质问题。因此，水问题包括水质与水量两个方面。许多研究表明，水危机是由于水资源管理不善引发的水资源管理问题之一。实际上，全球许多经济问题的实质是水对贫困人口日常生活的影响，他们经受着与水有关的各种疾病的折磨，生活在恶劣的水环境当中。发达国家的水问题更多的是关于管理、水质与成本分配方面的，而不是供水问题。从这个意义上讲，政府已经开始重视立法解决水问题，欧盟水框架指令就是一个很好的范例。

2 水框架指令(WFD)

水框架指令旨在为欧盟成员国提供一个共同的水资源管理方法框架。水不再被人们认为是无限资源，而是维持良好的环境质量(这种环境又能保证水资源)必不可少的。需要把水作为水生态系统的基本要素。这一新观点的基础是在一个相互关连的、有效和透明的立法框架内，促进水资源的可持续利用，尤其要关注水资源的使用和退化。水框架指令的最终目标是:到2015 年底全欧洲各类水体达到良好状态。为此，该指令要求执行一系列措施:首先，对各类水体进行识别和分类;其次，评估发展的压力和影响，对存在与指令目标不一致的风险地区进行识别;然后，相关机构必须制定观测计划(通过修改现有的河流流域管理计划)，以便使每个流域中水体达到良好状态。指令认为，除了传统的物理化学指标和有毒物质或持久污染物质的测量以外，从生物学和水形态学两方面对水体质量进行综合诊断也是非常重要的。

总之，水框架指令的基本原则(EU－WFD，2000年)为:地表水和地下水不恶化并达到总体良好状态;采用污染控制和水资源综合管理相结合的方法;与水务和水生区利用有关的全部成本回收;水政策的公共参与和透明。

2.1 水框架指令中的水价政策

有专家对水框架指令、指令初稿意图的分析，以及与全成本回收原则相关的成本所作的解释进行了很好的总结。指令规定，到2010 年，根据全成本回收原则应对水价政策进行重新调整。按照水框架指令进行经济分析并考虑污染者付费原则。有关用户，至少包括产业部门、居民和农业用户，都应该对供水服务的成本回收作出贡献。

2.2 供水成本

水框架指令明确说明，成本的概念不仅仅是传统经济意义上的成本，还包括与水相关的环境成本和与资源有关的成本。根据欧洲水经济研究组织(WATECO)指导文件(EU，2004 年)，全成本回收包括如下3 个部分:①财务成本，定义为运行成本、维护成本、新投资的资本成本、资本成本的折旧成本和机会成本、管理成本和供水或处理污水的其他直接成本。②资源成本，定义为由于超过水资源自然补给或恢复速率(例如地下水过量开采和地表水过量使用)引起水资源枯竭而导致放弃以前其他用途的机会所花费的成本。③环境成本，定义为用水对环境、生态系统和环境用户产生损害的成本，也包括经济方面的外部事项，例如由于水资源恶化产生的社会影响使得农村地区的服务部门就业损失。

财务成本用传统的经济会计方法容易计算，但资源成本与环境成本在现有水管理政策范围内使用目前的分析工具明显难以计值，原因在于:①成本分类不清楚，导致环境价值、社会成本和经济成本相互混淆;②假设水资源市场很完善，水有理想的替代品;③传统经济分析不能得到与水体物理和生物方面变化相关的环境成本;④提高饮用水的清洁度是没有市场的。总之，评价环境成本和资源成本似乎需要应用新的理论和方法进行综合分析，能够详细确定水质与水量的下降，这种方法需要在严格定量分析的基础上给出这些成本的定义和计算程序，并且要求比较容易管理(从欧盟内收集参差不同的可用数据开始)。

3 能值分析

能值定义为以前直接或间接用于完成一项工作或制作一个产品的一种有效能。该方法是从生态能量学领域中发展起来的，其经验起源于对生态系统和经济系统在自组织期间发展的能流模式的研究。能值的理论基础是这样的观察结果，即认为所有系统的功能，包括生态系统和人类社会经济系统，均建立在有效能的转换基础上。根本上来讲，这些系统均为能量系统，其展现出的特征结构和组织模式强化了能量的使用。而且，能值理论假设环境系统的动力和性能可用能量度量标准进行客观地测量和比较。

与经济价值观(根据效用即得到的某种东西)确定价值，并采用意愿支付值作为唯一的度量相反，能值提出了一种对立的价值观点，即花费在某种东西上的能量、时间、物质越多，其价值越大。能值常用太阳能的等效值进行量化和表达，单位为太阳能焦耳(sej)。将所有资源输入量追溯为产生这些资源输入量所需要的太阳能，能值可以解释生产一定产品需要的熵损失，因此便于在一个共同的基础上考虑数量上不同的资源。

能值分析已经应用于评价不同尺度环境系统的可持续性，从地球生物圈内的经济活动，到国民经济的可持续性，再到生物燃料的生产、供水替代方案、城市污水处理、水管理和工业与工业出现以前的农业系统的历史对比等。

4 方 法

要计算某种资源、能流或物质流的能值，首先要用能量单位(例如焦耳)或质量单位(例如克)确定其量值。每单位输出有效能消耗的输入能值数量称为太阳能值转换率，表示单位产品的能值投资，因此，可认为是一个质量因子，可用来判断生物圈对研究中的产品的支持强度。利用能值转换率通过能量乘以转换率把有效能转换为能值，如果流量是物质，则用比能值(太阳能值与质量之比;sej/g)来转换。在用两种单位分别确定能值时，经常需要计算转换率和比能，本文采用前人基于全球过程的计算值。

4.1 采用能值方法的成本定义

当根据WFD 指南确定供水成本时，需要用能值术语对这三类成本加以定义、计值并转换成货币等效值。能值会计与财务成本会计的区别是，能值方法不依赖左右价格的市场，但仍然要计算能值的价值，为交流方便，习惯上把能值的价值转换为货币单位，并将成本合并到经济系统中以便支持全成本回收。能值转换为货币是通过能值除以一个转换系数来完成的，这个转换系数有时称为能值货币比率(即支持一个国家经济的全部能值流量除以该国GDP)。本文中，能值转换成欧元，采用从西班牙经济中得出的能值货币比率。

三类水成本的能值计算需要一个系统图。图1是一个典型流域系统图，强调了流动和储存的水体，注明FV(财务价值)、RV(资源价值)和EV(环境价值)，表明在系统哪个点计算水资源的能值价值。由于流域内有许多不同类型的储存水体，可以分别计算不同水体的能值价值。

财务价值易于理解，指的是与供水相关的成本，包括水本身的成本及供水设施成本，表1 列出几种不同水源及生产可用水的能值和欧元成本，成本中不包括输水到终端用户的部分，这些数据来源于美国水成本。本文假设欧洲水处理系统类似于美国，显然，要使这些成本数据更加精确，需要对欧洲水处理成本进行详细分析。

资源价值根据水本身的能值计算，并按用户使用的水体类别，如雨水、湿地水、湖泊水、河流水和地下水分别计算确定。资源成本根据资源价值计算，取决于用水量和水源。

水有两项重要的资源价值。一是化学势能，主要以相对于海水的纯度表示，流域内水的化学势能依据每类水相对于蒸腾植物中盐水或海洋接收雨水(通常均假设为35 ×10－12)的吉布斯自由能计算得到，降雨的吉布斯自由能为4.94 J/g，假设雨水中溶解的固体物质的浓度为10 ×10－9，计算公式如下:式中G 为吉布斯自由能;R 为通用气体常数，8.33 J/mol/K;T 为温度，300 K;W 为水分子重量，18 g/mol;C1为海水中水的浓度，965 000 ×10－6;C2为雨水中水的浓度，999 990 ×10－6。

不同类型的水体溶解的固体物质的浓度不同，因此其化学势能(Enwater)稍有差异，用公式(1)和相应的盐度计算可得其化学势能，每种水体的能值由其能量乘以相应的转换率而得:

图1 显示3 种水成本的典型流域系统

表1 土壤水与饮用水的能值成本

表2 几种陆地水体的全球平均化学势能、转换率、能值和欧元价值

该能值等于资源价值，表2 列出了图1 中几种不同水体的全球平均化学势能的能值和能值欧元价值，采用2008 年西班牙的能值货币比率4.8 E12sej/计算货币价值。

水的第2 个资源价值是重力势能，即水从高处流到低处所做的功，计算公式如下:

式中Engeop为重力势能;Q 为流量;ρ 为水的密度;h为平均海拔高度;g 为重力。

水的重力势能能值通过重力势能乘以各海拔高度平均转换率得到:

表3 列出了不同海拔高度每立方米水的重力势能、能值和欧元价值，采用2008 年西班牙的能值货币比率4.8 E12sej/计算货币价值。

表3 不同海拔高度水的全球平均重力势能、转换率、能值和欧元价值

由于水有化学势能和重力势能两项单独的价值，因此，在耗费水的质量或数量时，就可以计算出用去的水的资源价值。例如，如果一个用户在流域内一定海拔取水，但在同海拔只回归一半，则用户应支付失去的重力势和化学势的价值。同样，如果用户取出的水全部回归，但失去部分化学势，因为此时水携带较高浓度的溶解固体物质负荷，那么用户应支付水资源质量差异价值，即化学势能差异价值，由于取走的水全部回归，水依然具有重力势能。

按水框架指令定义的环境成本对其进行计算是一项相当复杂的任务。首先，环境成本定义为用水对环境、生态系统和环境用户造成的损害。其次，环境成本可能还包括潜在的风险，例如，用水可能增加洪水发生的概率。对于第2 种成本，还暗含着保险成本。本文忽略潜在风险，认为针对用水提供一个综合的风险系数具有一定的难度。相反，应重点考虑实际的潜在损害。

以图1 为例，环境成本的假设为，水是任一地区生产过程必要的输入物。总的生产力，即该地区总能值产值(GEmP)，是水、环境系统和进口能量、商品和劳务各项输入量的总和。假设总产出与水的可用量以及用水量之间是线性关系，则水的边际能值价值是GEmP 除以用水量，但线性关系未必准确，尤其是特殊情况，本文分析中假设存在线性关系，则计算水的边际能值价值公式如下:

式中MEmVwater为水的边际能值价值，sej/m3;GEmP为区域GDP 的能值价值;Watertataluse为降水量与地下水二者使用量之和。

4.2 能值货币价值的计算

研究以西班牙为例，2008 年西班牙的能值货币比率(转换系数)为4.8 E12sej/，转换系数按如下公式计算:

式中EIMV 为货币价值的能值密度;GEmP 为总能值产值(2008 年经济使用总能值);GDP 为国内生产总值(2008 年)。

5 案例研究

福伊克斯(Foix)流域位于西班牙塔拉戈纳(Tarragona)省东北部，面积相对较小(301.3 km2)，河流在巴塞罗纳省的库贝勒斯(Cubelles)海湾入海，形成一个小三角洲。该河全长163.8 km，且有3条主要支流:玛咩拉(Marmellar)、庞顿(Pontons)和里特拉(Llitra)。福伊克斯流域包括11 个子流域。流域内有4 条主要河流，即福伊克斯河、庞顿河、玛咩拉河，以及里特拉河。

福伊克斯河大坝主要用于蓄水而非发电，具有和加泰罗尼亚流域内其他许多大坝同样的特性。拦蓄到的水水质较差，这就导致2009 年水库中的渔业生产数度中断。

流域内年均降水量为586 mm，年均河川径流量仅947 万m3，相应的河道平均流量为0.3 m3/s。福伊克斯河水流情势是地中海河流的典型，除了秋季暴雨时期以外，终年流量较小。对于现在的农业和城市需求来说，降水明显不足，导致常年使用地下水。尽管水资源短缺，但该地区也偶然发生暴雨，而且大部分雨水不易收集。

年均温度上升，内陆相对湿度逐年下降，在较高海拔地区，蒸发量容易增加，结果导致可用水量用于含水层的补给，总的缺水量每年约为500 万m3。

流域内人口分布不匀，内陆山区人口逐渐减少，而沿海地区人口增加。流域常驻人口约为10 万人，在大约15 个重要的村庄中，由于暑假期间游客人数很多，人口变动较大，几乎翻番。

由于河源地区水的可获量有限，福伊克斯流域内地下水非常重要。实际上，上述城市化在传统上由抽取深层地下水供给，抽水的深度和水量已增加到需要量的几倍，但这种方法不能从根本上解决水问题。

5.1 案例研究方法

5.1.1 地表水资源的估算

水质管理需要跨学科的决策，该决策基于水质对变化控制的响应。用数学模型能很好地描述不同来源产生的污水负荷与接纳水体的最终合成水质之间的关系。

由于只有2 个子流域有水质监控站点，4 个子流域有流量监测站，因此需要用模拟方法来描述整个流域。本文用著名的地表水质模型Qua12 kW 来模拟该流域，模型由美国环保局研发。该模型需要该地区的降水量、蒸发量、数字土地模型、监控站数据，以及沿河的入流量和出流量数据，包括点源和发散源，然后运行模型以获得每个子流域的平均流量。

5.1.2 福伊克斯水资源财务价值的估算

在对供水市场进行成本加权平均基础上，计算该流域水资源的财务价值，从而求得财务成本。根据报告，供水成本权重分别是城市24%、工业22%、家畜2%、灌溉52%，该文件总结了卡他劳那(Cartalona)各水体的界限、压力、影响以及与WFD 要求不符的可能风险。

5.1.3 福伊克斯水资源价值的能值计算

分两部分计算地表水资源价值，首先计算化学势能(水质)，然后计算重力势能(水量)，二者共同构成资源价值，进而计算资源成本。由于水资源具有明显的时空差异，本文采用基于GIS 的方法，按流域和月份计算水资源价值。

资源价值的能值计算所需大多数据(流量、降雨量、蒸发量等)取自不同的报告，为了使用同样的欧洲数据集进行分析，土地使用的详细信息取自CORINE 应用。

5.1.4 福伊克斯水资源的环境价值

由于没有福伊克斯流域的区域生产总值数据，本文以国家尺度计算水的环境价值，并假设流域发展能力与西班牙全国一致。将总可用水量(包括2008 年西班牙降水量和地下水使用量)，以及2008年西班牙GDP，代入公式(5)计算水的环境价值。其合理性在于，区域生产利用了全部降水量，要么直接作为灌溉用水或城市供水，或间接使用如土壤、森林或渔业(人类可从其收获中受益)，这样计算的环境价值与水指令中阐述的环境成本的概念相符合。

5.2 案例研究结果

5.2.1 福伊克斯水资源的财务成本

给福伊克斯流域各经济部门供水的财务成本估计为520 万/a，总用水量为970 万m3，计算数据由CWA 提供，平均成本为0.54/m3。

5.2.2 福伊克斯水资源的资源价值

福伊克斯流域各子流域内，水的资源价值按月计算。以1 月份为例，计算列出了流域内水的化学势和重力势的资源能值价值，还列出了每立方米水的能值价值和货币价值。1 月份水中化学势能值的货币价值在0.62～0.75/m3之间变动，其重力势能值的货币价值在0.01～0.04/m3之间变动。显然，在福伊克斯流域内，水的化学势是最重要的，海拔较高的子流域内的水，有较高的重力势货币价值。

冬季月份水的化学势和重力势能值最高。此时，降水量最大，夏末水的化学势能值增加，可能是由于该时期蒸发较高，因此总的径流量较少。干旱期重力势最低，化学势虽然低于冬季月份，但呈增加趋势。

每立方米水的最高货币价值发生在最旱月份，此时水流量最小。低流量月份每单位河流流量的雨水输入最大，产生最高的能值和货币价值。1 a 内大多时候，各子流域间的资源价值相对一致，在干旱期稍有变动。1～4 月，10～12 月平均值约为0.5/m3，5～9 月平均值为1.62/m3。

5.2.3 福伊克斯流域水资源的环境价值

西班牙总用水量为8 500 亿m3/a，其中降水量为8 400 亿m3，地下水为78 亿m3。2008 年，西班牙的GEmP 为4.55×1024sej，用公式(5)计算西班牙水资源的边际能值价值为:

福伊克斯水资源的能值欧元等效价值(定义为平均环境价值，根据这种环境价值可以计算水的环境成本(EC))，利用水的边际能值价值MEmVwater除以西班牙经济的EIMV 得出:

5.2.4 福伊克斯流域水资源的全成本回收

全成本是作为财务、资源和环境三部分的货币价值之和计算得出的。水资源的财务成本估算值为0.54/m3。由于时空差异，资源价值在0.21～3.17/m3之间。总之，福伊克斯流域全年各时期各子流域水的平均资源价值为0.87/m3。基于边际能值价值的环境成本为1.42/m3。因此，总的平均成本为2.83/m3。

虽然每一项成本都会变化，取决于水源、地形、气候，并在一定程度上取决于经济系统，但这种先确定价值再根据价值计算成本的方法可应用于任何一个要得出类似结果的流域。

6 结 语

在应用基于水资源平均价值的某一个固定数以前，要考虑以下3 个方面:①要收回每立方米水的全部成本，假设条件是所有的水都是从该系统中取用且没有回归，例如灌溉用水和被蒸发的冷却水。如果有部分水回归系统，那么只对用掉的那部分水收费。显然，如果回归水是被污染的水，不能再用，则收回全部成本是合理的。②采用同样的推理方法，如果水只是在一定过程中“借用”一段时间，用后全部回归，且没有任何改变(几乎不可能)，则不收费。如果取用的水全部回归，但受污染的程度较大，则用前面给出的化学势能公式计算用掉的化学势能数量。③用平均值容易，但忽略了水的时空差异性。例如福伊克斯流域内，水的资源价值随时空变化较大(0.21～3.71/m3)。

福伊克斯流域的案例研究只计算了地表水的供水价值。类似的方法可用于地下水。表2 中，地下水的化学势平均能值是雨水的6 倍。因此，可以假设福伊克斯流域内含水层的水的资源价值比地表水要高得多。要计算福伊克斯流域地下水的真实价值，需要更详细地研究该流域内地下水动力学特性。

正确执行WFD 确定的概念和规则涉及创建一个复杂的机构，它能为新的水资源管理政策提供必要的工具和合适的标准。这些政策从环境、经济、水资源保护的角度出发，必须建立在可持续标准基础上，而且是透明的。另外，能确保全成本回收的税收需要WFD 明确给出一个计算环境成本的方法，用传统经济分析很难计算资源成本。本文提出并证实的方法可能在建立一个全成本计算的程序方面具有价值，这样的程序可导致回收水的更加真实的成本，而且更重要的是建立一个有鼓励作用的程序，以维持和保护水资源。