水源地生态补偿标准动态测算模型及其应用

穆贵玲,汪义杰,李 丽,马金龙,王建国,唐红亮 (珠江水利委员会珠江水利科学研究院,广东 广州 510610)

生态补偿是从利用资源所得到的经济收益中提取一部分资金并以物质或能量的方式归还生态系统,以维持生态系统的物质能量在输入输出时的动态平衡[1];广义的生态补偿包括污染环境的补偿和生态功能的补偿,即包括对损害资源环境的行为进行收费或对保护资源环境的行为进行补偿,以提高该行为的成本或收益,达到保护资源的目的[2].

近年来,随着社会经济快速发展和极端气候频发,水源地生态环境更加脆弱,水资源供需矛盾日益突出.一方面,为保证水质,水源地政府必须大力提高水土保持项目、污水处理项目等的投资,这大大增加了水源地地方的财政负担;另一方面,水源区产业发展限制政策的出台,不仅使水源地现有产业受到限制,而且还使水源地的经济发展承受巨大机会成本.生态补偿作为一种水源地保护的环境经济手段,已成为学术研究和水源地管理实践的热点内容,也是水源地环境利益平衡的重要手段.

生态补偿标准是生态补偿机制的核心部分,它关系到生态补偿机制能否建立及其补偿效果如何,补偿标准的数量、等级划分、幅度选择都应综合考虑相关主体的损失量或效益量、补偿时间长度以及道德习惯等因素,也是当前生态补偿工作的重点和难点所在.国外生态补偿标准研究起步较早,且相对成熟,大多建立在市场经济基础上,将生态补偿中的主客体看作交易双方,根据补偿意愿及经济能力,对所需生态系统服务功能进行付费,如水权交易、排污权交易等.国外应用最多的是支付意愿法(WTP),侧重分析支付意愿与社会经济信息变量的相关关系[3-4].国内目前主要从生态保护者提供生态服务的成本,生态受益者的获利,生态破坏的恢复成本,以及生态系统服务价值等4个方面来测算补偿标准,常用方法主要有总成本法、机会成本法、水资源价值法、生态系统服务功能价值法、条件价值评估法等[5].

总体来说,目前国内外生态补偿标准的确定均是采用一种或几种方法计算,选择其中作者认为合适的结果或者是求均值、中位数作为生态补偿标准值,方法原创少,缺乏通用标准.而且,确定的补偿标准是一个固定的值,缺乏根据不同时间段生态补偿目标的差异进行调整的动态演化.本研究在总结现有生态补偿标准计算方法的基础上,创新性的提出水源地生态补偿标准动态测算模型,并应用于鹤地水库水源地生态补偿标准测算中.

1 动态测算模型的建立

图1 生态补偿标准动态测算模型流程Fig.1 Flow chart for the dynamic calculation model for proposing a water source eco-compensation standard

把整个生态补偿过程分为试行、修复、稳定 3个阶段.试行阶段是指水源地政府和受水区政府都有开展水源地生态补偿的意愿,但具体怎么开展、补偿多少、效果如何均不能很好的确定,双方政府尝试开展生态补偿,期限一般为 3a;修复阶段是指水源地政府和受水区政府决定大力开展水源地保护与修复措施,恢复水源地各项功能指标的时段,期限一般为 3a;稳定阶段是指水源地各项功能指标均达到标准要求,并维持稳定的时段,期限为长期.在水源地生态补偿进程中,是否进行试行阶段可由双方政府商议决定,在水源地政府和受水区政府对水源地生态补偿效果很有信心的情况下,试行阶段可直接并入修复阶段.修复阶段生态补偿额包含试行阶段生态补偿额,若采用了试行阶段,则修复阶段的实际补偿额应为扣除试行阶段补偿额后受水区政府应当补偿给水源地政府的金额.

不同阶段根据阶段特点及阶段主要问题,采用不同的测算方法.具体流程见图1.

1.1 试行阶段生态补偿标准测算方法

试行阶段是水源地生态补偿的尝试阶段,不确定性较多,因此多由双方政府直接“拍板”决定生态补偿标准.国内外相关实践表明,“拍板”的依据建立在支付-受偿意愿的综合分析上比较合理.

条件价值评估法(CVM)作为一种重要的价值评估方法,因其灵活性与广泛的适用性,已经得到国内外的普遍认可和广泛应用,在1979年和1986年,CVM相继得到了美国水资源部和内务部的认可,并被作为资源评估的基本方法之一列入法规[6].它是引导个人对非市场环境物品或服务估价的一种相对直接的方法,不需要理论假设,便于应用;另外,它不是基于可观察到的或预设的市场行为,而是基于被调查对象的回答,反应个人偏好及支付-受偿意愿,可行性强.

因此,试行阶段生态补偿标准测算采用 CVM.CVM原理具体参见文献[7].

1.2 修复阶段生态补偿标准测算方法

修复阶段是水源地政府对水源地生态环境大力开展综合保护、治理的时期,当地政府、企业、居民要投入大量的人力、财力与物力,优化水源地生态环境、保护整个流域的水量与水质.

总成本修正模型是对流域水源地地区生态建设的各项投入成本进行汇总,并引入水质修正系数,建立流域生态建设与保护补偿测算模型,对水源地生态建设外部性的补偿量进行计算.总成本修正模型中的成本包括直接成本和机会成本.具体来说,水源地生态保护直接成本是指为所发生的各类支出,包括水利等基础设施建设支出、各项污染治理支出、水土流失治理支出、水土保持成本、退耕还林等林业建设成本、生态移民安置成本及水质水量检测等科研投入成本等.机会成本包括企业因限制发展产生的利润损失和高环境标准下相对同区位企业发生的额外成本、政府的税收损失以及居民个人因退耕、造林、减施农药化肥等措施给农、林、牧、渔业等发展带来的损失[8].总成本修正模型核算过程简洁、容易理解、便于操作.但是需要对水源地保护修复的各项措施投入十分清楚,需要大量的数据资料支撑.放弃产业发展所可能失去的最大经济效益称为机会成本,由此计算出的机会成本往往很高.因此,总成本修正模型的计算结果往往远高于补偿者的支付意愿,甚至超出他们的支付能力.并且水源保护区损失的效益全部被受水区承担也是不公平的,因为水源保护区在保护过程中也获得了一定的生态环境效益.

水资源价值法是把流域生态服务价值直接货币化,基于市场价格实施流域补偿[9].随着流域水资源交易市场的逐步形成和完善,基于市场化的生态补偿研究将成为未来发展方向.这种方法简单易行,可操作性强.但鉴于流域系统的复杂性,把研究对象简单化,没能全面反映流域生态环境保护与建设所投入的人财物等资源价值,及相关机会成本等.

综上,本研究认为修复阶段综合利用总成本修正模型和水资源价值法,两方法优势互补,各取所长.故提出采用博弈模型对总成本修正模型与水资源价值法的计算结果进行博弈,确定出合理且双方政府均能接受的修复阶段生态补偿标准确定方法.

1.2.1 博弈模型的构建 国内外对博弈(协商)形成补偿标准有一定的研究,这种协商交易依赖于市场,通常需要有明确的产权,如排污权交易及水权交易,而且多数采用合作博弈进行协商等[10-12].在国外的研究中,Engel等[13]在印尼的森林资源环境服务付费案例中,运用社区与木材公司相互间的讨价还价,尝试探讨产权模糊下的有效补偿.Niksokhan等[14]基于排污许可证交易对利益相关者利益冲突的协调控制,Tisdell等[15]基于合作博弈对澳大利亚昆兰士兰州农场用水的公平分配,均体现出博弈(协商)在生态补偿机制运行中的重要作用.在国内,水权交易的典型案例是浙江义乌与东阳水权交易,经过两市协商,受水区义乌取得了东阳水资源的永久使用权.同时,在解决污染纠纷时,需要健全协商机制、生态污染补偿机制.但排污权交易及水权交易的补偿协商往往由政府牵头,而且主要针对城市饮用水保护补偿.可见,这还并不是一种完全意义上的市场化补偿.

① 模型符号设定

CL表示水源区愿意接受的最低补偿,CH表示受水区愿意支付的最高补偿;CV、CP分别表示水源区、受水区在博弈过程的要价与出价,且 CV≥CL,CP∈[m,CH],m表示受水区认为水源区愿意接受补偿的下限,m≤CL;σV、σP分别表示水源区、受水区的贴现因子,取值范围为(0,1);EVi、EPi分别表示水源区、受水区在第 i阶段的收益;pvi、qvi分别表示水源区在 i阶段接受、拒绝受水区出价的概率,ppi、qpi分别表示受水区在i阶段接受、拒绝水源区要价的概率.

② 模型建立的基本前提

前提 1:水源区存在不确定性保护治污成本,是不完全信息下的讨价还价博弈,是动态的非合作博弈.受水区虽然不清楚水源区要求的最低补偿,但受水区估计水源区要求的补偿服从[m,CH]上的某一密度函数,由于讨价还价博弈时,区间上每一个取值的概率均等,假定该密度函数服从均匀分布.

前提 2:受水区与水源区都是理性人,都追求自身利益最大化.因此,水源区不愿意接受小于或等于 CL,而受水区也不可能按 CH支付,需要经过一个讨价还价的博弈过程.

前提 3:受水区具有学习与应变能力,即能根据水源区要价CV修正初始估价并认为水源区要求的补偿服从[CV,CH]上的均匀分布.

前提 4:不考虑双方为谈判发生的固定成本,如水源区在前往谈判及谈判过程中发生的差旅费、误工费等费用.

前提 5:水源区为了提高声誉、改善周边环境,会与受水区进行谈判,而受水区为了维护自身利益,取用更高质量的水,愿意承担社会责任并披露对水源区补偿的信息,为此假定博弈以受水区先出价开始.又因为博弈过程中水源区一般处于相对弱势,考虑讨价还价博弈时,受水区具有后动优势,所以又假定博弈以受水区出价结束.

③ 模型构建与求解

图2 三阶段讨价还价博弈流程Fig.2 The schematic of a three-stage bargaining process

由上述基本前提可知讨价还价次数限定在奇数次,运用逆向递归法对模型进行求解.并以三阶段讨价还价博弈为例,具体流程参考图 2.本文主要出于以下两方面考虑:(1)讨价还价谈判过程中存在补偿的时间价值以及不可忽视的固定成本,多进行一轮谈判意味着时间成本和固定成本的增加;(2)模型构建中设定了讨价还价次数为奇数次,为简化模型计算,增加现实操作可行性,若第三阶段,水源区拒绝出价,则博弈终止,双方得益均为0,受害实体采用诉讼等形式维权.

1.2.2 博弈模型策略求解 (1)第三阶段双方的理性策略

在博弈最后一阶段只要满足 σV2(CP3− CL) ＞ 0,即 CL＜CP3,水源区一定会选择接受.对受水区而言,其知道水源区在这一阶段的选择方式,同时,受水区出价会满足自身收益最大化,即:

求导,并令y3'=0,可得:

即受水区在第三阶段的最优出价是(m+CH)/2,此时,水源区的收益为受水区的收益为

(2)第二阶段双方的理性策略

第二阶段受水区选择接受 CV2的条件是第二阶段收益大于等于第三阶段收益,即:

问题转化为在(3)的约束条件下,水源区要使自身获利最大,即:

分析可知:

(3)第一阶段双方的理性策略

水源区接受受水区出价 CP1的条件是其获得收益不小于第二阶段收益,即:

受水区知道水源区在谈判各阶段的决策方式,其第一阶段出价CP1要使期望收益最大化,即:

代入求导,并令y1'为0,可得:

(4)策略综合分析

在第二阶段,水源区为了使自身收益最大,则要求 CV2≥CL.此时,如果满足则水源区第二阶段最优要价为受水区接受此要价,谈判结束;如果受水区该阶段收益小于第三阶段收益,受水区拒绝该要价,并在第三阶段出价.

1.3 稳定阶段生态补偿标准测算方法

稳定阶段是水源地生态环境保护治理修复工程已完成,水源地水质已稳定达到协议规定标准,若无突发污染情况或违法排污情况发生,水源地生态环境能维持较好水平,即实施奖惩分明的长效激励机制.稳定阶段需维持水质标准,因此应该签订水质考核协议:水源区达到协议水质要求,则互不补偿,水源区超过协议水质要求,则受水区补偿水源区,水源区达不到协议水质要求,则水源区补偿受水区.

水质污染赔偿法是按照考核断面水质超标情况扣缴补偿金,补偿金额一般根据考核断面污染物浓度超标倍数或超标通量,处理这些污染物需要的治理成本而定.该方法与《关于全面推行河长制的意见》中各级党政主要负责人担任河长、保证河流水质的思想不谋而合,能很好地体现政府在水质管理中的作用和地位.

水质污染赔偿法满足稳定阶段生态补偿标准核算的要求,故采用该方法计算稳定阶段生态补偿标准值.水质污染赔偿法具体原理参见徐大伟等[16]、徐光丽[17]文献.为体现受水区对水源地提供水量的要求,本研究引入水量修正系数对水质污染赔偿法进行修正.

2 实例应用

2.1 鹤地水库水源地概况

鹤地水库是九洲江流域中游的一座大型水库,位于湛江市廉江河唇镇(21°37'N、110°18'E),库区跨越广西陆川县、博白县和广东廉江、化州4个县市.鹤地水库水面面积共 122km2,约 90%属于广东省;集雨面积共 1491km2,仅 27.4%在广东区域,大部分分布在广西壮族自治区.

鹤地水库为广东省第二大水库,是广东省重要饮用水源保护区.近年来,九州江流域经济社会不断发展,水资源的消耗和污染物的排放导致流域污染严重,流域用水关系日趋紧张,用水矛盾日益突出,由此引发的生态补偿问题成为平衡流域上下游政府间用水关系和用水利益的关键环节.

2.2 数据来源及调查方法

通过实地走访获得调查问卷.在鹤地水库受水区的廉江、遂溪、吴川、雷州、湛江市区、化州等地发放受水区调查问卷425份,回收423份.其余资料、数据由湛江、茂名、玉林三市水务(利)局及环保局提供.

2.3 各阶段生态补偿标准值计算

2.3.1 试行阶段生态补偿标准确定 对受水区调查问卷进行统计分析可知,受水区平均支付意愿为59.31 元/(人·月),即711.72 元/(人·a);最小支付意愿为0元/(人·月);最大支付意愿为 3000 元/(人·月),即 36000元/(人·a),超出绝大多数居民支付能力.统计受水区各支付意愿值出现频次可知,出现频率最高的支付意愿为 10 元/(人·月),即 120 元/(人·a).

本研究认为频率最高的支付意愿代表受水区的整体支付意愿.根据支付意愿补偿标准法,最高频率支付意愿的补偿标准等于实地调查获得的受水区最高频率支付意愿与受水区人口的乘积.鹤地水库惠及粤桂两省区400万人,计算可得鹤地水库最高频率支付意愿生态补偿标准为 4.8亿元/a.试行阶段期限为3a,故试行阶段所需生态补偿标准总额为14.4亿元.

图3 受水区支付意愿频次分布Fig.3 The frequency distribution of willingness to pay for people at water reception basins

2.3.2 修复阶段生态补偿标准确定 (1)总成本修正模型计算

由于修复阶段每年的直接成本不易统计,故用多年计划总投资平均到3a内来代替修复阶段每年的直接成本.根据《九州江-鹤地水库流域(广西段)生态环境保护实施方案》、《粤桂两省区九洲江流域水污染防治规划》、《鹤地水库流域(广东段)水污染防治规划报告》可知,九州江-鹤地水库流域综合整治多年计划总投资约为 49.49亿元,即鹤地水库水源地保护直接成本为49.49亿元,平均到修复阶段3a内,则每年直接成本为16.50亿元.

机会成本计算是主要考虑水源地因发展机会受限的损失,采用间接替代法来计算,即ICt=(人均GDP参-人均GDP源)·水源地总人口.因受水区主要集中在湛江市,故选择湛江市为参考地.分析各县市 2000年以来历年GDP与人均GDP可知,各地区人均GDP年增速差别不大,故均取 7%.以 2016年作为基准年,以2019年水平作为修复阶段平均水平.2016年湛江市人均GDP为3.57万元.水源地人均GDP按照2016年化州市、廉江市、陆川县、博白县的总 GDP与总人口比值来计算,得出水源地人均GDP为2.52万元.据雷州青年运河管理局最新统计,鹤地水库水源区人口为 111.152万人.经计算得修复阶段水源区平均机会成本为145.65亿元/a.

在总成本修正模型计算中,引入机会成本修正系数和水质修正系数.机会成本修正系数一般取参照区财政收入与生产总值的比值.2016年湛江的财政总收入466.19亿元,生产总值2584.78亿元,可得修正系数为 0.18.水质修正系数用石角站水质反映,石角站2016年水质为III类水,达标,由于鹤地水库水源地已实施试行阶段生态补偿,故认为修复阶段内石角站水质均达到地表水Ⅲ类标准,水质修正系数取 1.总成本=(直接成本+机会成本×机会成本修正系数)×水质修正系数,计算可得鹤地水库水源地保护总成本为42.72亿元/a.

(2)水资源价值法计算

水资源价值法计算公式为:水资源价值=供水量·水资源市场价格·水质判定系数.

《根据九州江——鹤地水库流域生态环境保护总体方案(2014-2017)》,鹤地水库年均可供水量为15.5亿m³.根据《湛江市发展和改革局关于调整市区自来水价格的通知(湛发改价格〔2016〕127号)》,市区平均基本水价由现行的 1.50元/m3调整为 1.91元/m3.根据《关于我区环境状况及环境保护目标完成情况的报告》,2016年石角站水质年均值达地表水Ⅲ类标准,由于鹤地水库水源地已实施试行阶段生态补偿,故认为修复阶段内石角站水质均达到地表水Ⅲ类标准,水质判定系数为1.

经计算,鹤地水库水资源价值为29.60亿元/a.(3)博弈均衡分析

用基于水资源价值法计算的生态补偿标准作为水源区愿意接受的最低补偿,即 CL=29.60亿元;用总成本修正模型计算的生态补偿标准作为受水区愿意支付的最高补偿,即 CH=42.72亿元;用总成本中的直接成本表示受水区认为水源区愿意接受补偿的下限,即m=16.50亿元.本研究取水源区和受水区贴现因子相同,即σV=σP=1/(1 + r )T,T取1a,根据央行最新标准r取1.5%,则σ为 0.985.计算得 CP1=29.80亿元,此时,CL＜(m +CH)/2,水源区接受出价,谈判结束.因此,修复阶段鹤地水库生态补偿标准为 29.80亿元/a,共89.4亿元.

2.3.3 稳定阶段生态补偿标准确定 修正的水质污染赔偿法计算公式为:

式中:R为需支付的赔偿金额;Cij测为第 i种主要污染因子第 j月跨界断面实际排放浓度;Cij标为上下游根据合作协议签订的第 i种主要污染因子水质标准浓度;Qj为第j月跨界考核断面过流量;Mi为下游第i种主要污染因子治理成本,单位万元/t;kV表示水量修正系数,若水源地供水量达到受水区对水量的要求kV取1,否则取0.

鹤地水库流域目前尚未进入稳定阶段,应等进入稳定阶段后按该方法进行生态补偿标准核算.本研究以鹤地水库石角站 2016年实测数据为例,对该方法进行示范计算.

跨界断面石角站的水质标准为III类,COD标准为 15～20mg/L,氨氮为 0.5～1mg/L,总磷为 0.025～0.05mg/L.2016年实测水质数据显示,只有2月份水质超标,超标因子为氨氮和总磷,氨氮实测浓度为1.16mg/L,总磷实测浓度为 0.29mg/L.鹤地水库上游文官站1980～2013年2月多年平均月均径流量分别为 0.292亿 m³.

因各污染因子污水处理成本难以确定,故按照广东省污水处理设施“以奖促减” 计划中的标准来计算.该计划按照国家核定的污水处理设施实际减排量:以新增削减1t COD奖励1万元、新增削减1t氨氮奖励3万元的标准.总磷的削减量目前广东省尚未列入污水处理厂主要处理因子之内,但根据上海市标准,削减1t总磷约奖励1万元,本次计算参照上海标准.

2016年鹤地水库供水量达到下游受水区要求,kV为1.

经计算,2016年2月份水质超标,上游应赔偿下游的生态补偿标准值为210万元.

3 结果及讨论

《粤桂九洲江流域跨界水环境保护合作协议》把九洲江流域水环境补偿考核期限定为 2015～2017年.根据协议,广西、广东各出资3亿元,中央财政依据考核目标完成情况将给予广西奖励资金9亿元,共同设立九洲江流域水环境补偿资金,补偿广西玉林市陆川县、博白县.由此可知,鹤地水库生态补偿试行阶段期限为2015～2017年,条件价值评估法计算得到生态补偿标准值为14.4亿元,实际补偿标准为15亿元,两者十分接近,说明用条件价值评估法确定试行阶段生态补偿标准比较准确合理.

鹤地水库水环境治理得到一定成效,跨界考核断面水质得到很大提升.但水源地污染治理压力仍然很大,已落实资金不能满足实际治理需要,需签订新的合作协议,继续实行鹤地水库生态补偿.本研究推荐2018～2020年为鹤地水库生态补偿修复阶段,生态补偿标准值为89.4亿元.扣除试行阶段已投入的15亿元,修复阶段仍需投入74.4亿元.

2021年及之后为鹤地水库生态补偿稳定阶段,需签订新的合作协议,即水质监测值大于标准值时,根据污染付费的原则,水源地因污染需向受水区支付水源污染的补偿金;当水质监测值达到标准值时,上受水区互不补偿;当水质监测值优于标准值时,水源地的水质变更好,根据保护受益的原则,水源的保护者,应该得到对水源保护的补偿,此时,受水区水源的受益地区,需向水源地地区支付水源保护的补偿金.补偿金的具体数额需按稳定阶段水质污染赔偿法计算.

表1 鹤地水库生态补偿标准Table 1 The eco-compensation standard of the Crane reservoir

另外,为简化计算,动态测算模型中修复阶段所采用博弈模型假设受水区认为水源区要求的补偿服从[m,CH]上的均匀分布.而事实上水源区要求的补偿应该在[m,CH]上有一定的偏好,具体符合哪一种分布函数有待下一步研究确定.

4 结论

4.1 水源地要建立动态、稳定、长效的生态补偿机制,首先要建立动态的生态补偿标准.水源地生态补偿标准动态测算模型根据各阶段生态补偿目标的不同,采用不同的生态补偿标准核算方法,实现了生态补偿标准核算的动态化.且该模型采用的具体核算方法认可度高、应用广泛、计算简单,便于推广.

4.2 动态测算模型计算得到:试行阶段(2015年～2017年)鹤地水库生态补偿标准值为14.4亿元,与鹤地水库试行期内实际生态补偿标准15亿元比较接近;修复阶段(2018～2020年)鹤地水库生态补偿标准值为89.4亿元,扣除试行阶段已投入金额,仍需投入74.4亿元,经相关部门咨询会讨论,该结果双方政府均能接受.可见模型计算结果比较准确、合理,有较大的推广价值.