基于非点源污染负荷的流域生态补偿动态计算研究

马蒙越 张潇 夏函 彭虹

摘要：生态补偿定量化计算是建立流域生态补偿机制的重要内容，也是生态补偿机制实施的关键。目前流域生态补偿的核算大多停留在利用年平均数据的粗略估算上，缺乏更加精细准确的核算过程。通过构建分布式流域非点源模型，考虑水文、水质的精细变化过程，创新性地提出基于流域非点源污染负荷核算方法，结合控制断面超标污染物通量治理成本，可精确到日时间尺度的流域生态补偿精细化动态计算方法。以香溪河流域为实例，对所建的模型进行了应用和验证。结果表明：香溪河流域2015年可获得的生态补偿值较2005年增加1 207.14万元;每实现1 km2的退耕还林，因非点源污染负荷减少和生态环境改善可获得约2.60万元的生态补偿。

关 键 词：生态补偿; 非点源污染; 土地利用变化; 分布式水文模型; 香溪河流域

随着我国生态文明建设的快速推进，结合全国流域综合管理的需求，流域生态补偿研究逐渐成为关注热点。流域生态补偿的确定不仅需要基于相关者的损益核算，更离不开对流域水体污染程度及污染负荷的核算[1-3]。目前，国内针对流域生态补偿的研究虽已从政策性宏观研究转入定量化研究阶段和生态补偿试点工作[4]，但作为建立生态补偿机制的核心问题——补偿标准核算研究，大多忽略了水文、水质的过程变化，使核算出的流域生态补偿值停留在粗略估算程度上[5-6]。

目前在流域水环境管理和规划中，点源污染虽逐步得到有效控制，但非点源污染的防治仍然是一个亟待解决的难题。非点源污染空间上的分散性和难收集性、时间上的随机性和滞后性等特征给非点源污染的研究、监测和治理带来了重重阻碍，也对基于水体污染负荷核算的流域生态补偿精细研究造成了困难。应用流域模型是目前研究非点源污染最为有效的技术手段。国内外流域非点源模拟技术的发展主要为4个阶段：历经由“黑箱模型”、概念性模型、单一集总模型到分布式系统模型的演变过程。前3种模型分别在过程机理、应用尺度、空间分析能力上存在不足[7-9]。而分布式系统模型是集空间动态监测与统计、空间信息综合处理、可视化等功能于一体的综合模型体系，从根本上满足模拟计算能力和信息存储能力的需要，能模拟出连续时间内的非点源污染。例如，分布式模型SWAT（Soil and Water Assessment Tool）能以日为步长，具有物理机制，适用于大、中尺度的流域，被广泛用于动态核定非点源污染负荷等研究中[10-12]。

鉴于此，本文尝试以非点源污染负荷核算为基础，对流域生态补偿进行精细化动态研究。以三峡库区典型农林复合型流域——香溪河流域为实例，通过构建分布式流域非点源模型，探求土地利用变化作用下的非点源污染变化规律，模拟计算流域控制断面逐日水质情况，提出基于流域非点源污染负荷核算的流域生态补偿动态计算方法，以期对流域社会经济发展与生态环境保护的规划管理提供科学依据。

1 研究方法

1.1 流域非点源污染负荷核算方法

本文基于分布式系统模型SWAT，构建了分布式流域非点源模型，考虑水文、水质的精细变化过程，科学合理地进行流域非点源污染负荷动态核算。

（1） 模型构架。分布式流域非点源模型集水文模块、土壤侵蚀模块及污染负荷模块于一体。水文模块包括水文循环陆地过程及汇流过程，其中水文循环陆地过程控制着每個子流域径流、泥沙、污染物等向主河道汇入，水文循环汇流过程控制流域河网内的径流、泥沙等向流域总出水口的输移过程;土壤侵蚀模块采用MUSLE方程来计算侵蚀量，应用径流因子提高产沙量的模拟精度;污染负荷模块可模拟土壤剖面和浅层含水层中的氮、磷循环过程。

（2） 基础数据输入。精细化基础数据为模型准确计算提供支撑。空间数据主要包括数字高程模型（DEM）、土壤类型图、土地利用图等，属性数据包括气象数据（降雨、气温等）、水文数据和社会经济管理数据等。基于遥感动态监测记录，获取大尺度流域的空间信息参数，应用GIS空间数据分析功能，提取数字高程模型DEM中高程、坡度和坡向等地形因子、流域河道水系、土地利用、土壤类型空间分布等准确信息。

（3） 空间离散。精细尺度的格网离散是精细化模拟的关键。依据D8数学算法计算各支流流域水流流向、分水线，并基于流域水系及合理集水面积阈值，将流域离散到子流域，实现流域空间单元的精细划分。

（4） 模型参数敏感性分析及率定验证。模型参数敏感性分析采用模型自带的分析模块LH-OAT分析方法，结合全局分析和局部分析，确定主要影响参数，提高调参效率。利用流域控制断面的径流和水质相关实测资料验证模型精准性和广泛适用性，采用模拟值和实测值之间的日总量决定系数（coefficient of determination）R2和纳什效率系数（Nash-Suttcliffe）ENS两种参数来评判模拟结果的准确度。一般以R2大于0.6，ENS大于0.5作为模拟精度的评价标准。

（5） 结果输出。通过分布式流域非点源模型的模拟计算，得到流域控制断面逐日径流量、非点源污染负荷逐日浓度值等，模拟非点源污染负荷时空分布情况，为动态计算流域生态补偿值提供数据支撑。

第7期   马蒙越，等：基于非点源污染负荷的流域生态补偿动态计算研究    人 民 长 江2019年 1.2 流域生态补偿动态计算方法

依据“谁保护谁收益、谁受益谁补偿”的生态补偿原则，对控制断面超标污染物通量（水质浓度监测值-水质浓度控制目标值）×断面水量）的治理成本确定流域生态补偿金的基本计算方法[5]进行改进，考虑日时间尺度水文、水质动态变化过程，融合赔偿和改善双向补偿思路，提出基于非点源污染负荷核算的精细化流域生态补偿动态计算方法，计算公式为：

若此方法的计算结果为正，表明流域控制断面监测浓度低于水质类别标准限值，流域因生态环境改善可获得生态补偿;反之若计算结果为负，表明流域控制断面监测浓度超过水质类别标准限值，流域因未达到规定的水质标准而需支付生态补偿赔偿费用;若计算结果为0，表明控制断面水质刚好达到标，既不得到环境改善金，也不支付环境赔偿金。

2 实例研究

2.1 研究区概况

香溪河流域为三峡库区的典型农林复合型流域，位于湖北省西部，流域面积约为3 100 km2，是坝首的第一大支流流域，地跨东经110°34′～111°05′和北纬31°04′～31°62′。该流域包括被覆盖率极高的神农架林区、城镇化发展迅速的兴山县和秭归县3部分区域，并拥有南阳、古夫、高岚三大水系，流域概况如图1所示。多年平均年降水量约为1 000 mm/a，多年平均气温为15°C，属典型的亚热带季风性气候。香溪河流域农村人口约13万人，土质肥沃，主产玉米、水稻、柑桔等。流域传统“高投入，高产出”的经营模式使得水土和化肥在降雨条件下流失严重，大量的氮、磷等元素进入水体，非点源污染问题在香溪河流域具有代表性。

同时，香溪河流域各区县肩负着重点生态功能区的主体功能，其生态环境备受关注，对重点生态功能区进行生态补偿研究是必要而紧迫的。目前，当地响应绿色发展号召，推进生态文明建设，相关部门积极开展绿色生态创建工作，着手解决流域由非点源污染引起的水环境问题[13-15]，在稳步推进生态城镇化发展的同时，退耕还林等一系列环境保护政策得以开展[16-17]。但还存在着流域非点源污染变化趋势的定性定量结论差异较大[18-19]，流域生态补偿计算的研究尚不深入等问题。

2.2 流域非点源污染负荷核算

分布式流域非点源模型所需输入数据包括空间和属性数据，香溪河流域基础数据类型及来源等详细信息见表1。

依据D8数学算法计算各支流流域水流流向、分水线，基于流域水系及合理集水面积阈值，将香溪河流域离散划分成91个子流域。

利用流域控制断面2012年和2013年连续731 d的径流和水质的模拟值与实测数据来验证模型的精准性和适用性。径流验证结果R2为0.75，ENS为0.65;水质验证结果中总氮和总磷的R2分别为0.68和0.66，ENS分别为0.60和0.57。结果表明，所构建的非点源模型在香溪河流域的适用性良好，可用于非点源污染的模拟研究。

以2005，2010年和2015年3期香溪河流域遥感卫星图像经ENVI监督分类解译处理得到土地利用空间，分析流域土地利用变化情况;运用分布式流域非点源模型，模拟计算香溪河流域非点源污染负荷的总输出量，探讨不同土地利用条件下流域非点源总氮、总磷污染负荷在时空尺度上的变化情况，并将模拟得到的控制断面径流量和总氮、总磷逐日浓度值作为生态补偿计算的技术支撑。

2.2.1 土地利用变化分析

土地利用变化是指研究区内各种土地利用类型面积大小、占比、空间分布等随时间发生的变化，伴随着各种土地利用类型间的转换。结合香溪河流域土地利用的特点，本研究将研究区土地利用类型分为耕地、林地、草地、居民区和水域共5种类型，随后对2005，2010年和2015年3期的TM/ETM遥感影像进行解译，得到1∶30万的土地利用类型图，如图2所示。

从图2中提取3期土地利用数据信息，得到香溪河流域土地利用类型的面积占比和变化趨势（见表2）。分析发现，林地和耕地为香溪河流域最主要的土地利用类型，林地主要分布在流域四周，耕地主要分布在中部及西南部，两者面积总和约占流域总面积的95%。从2005年至2015年，林地和耕地面积变化显著，其中林地的面积增加了463.76 km2，增幅为21.73%;而耕地面积减少了486.08 km2，降幅为57.06%;草地和水域面积10 a间均呈现出先增后减的波动趋势，但2015年较2005年两者面积仅略微分别增加了4.65 km2和2.48 km2;居民区面积虽增幅达到111.36%，但由于其占流域总面积的比例较小，10 a间仅略微增加了15.19 km2。从2005年至2015年，林地增加、耕地减少的显著变化规律与同期退耕还林和封山育林等政策的作用效果相吻合。

2.2.2 流域非点源污染负荷变化分析

基于香溪河分布式流域非点源模型，模拟计算2005，2010年和2015年香溪河流域非点源污染负荷的输出量。从2005年到2015年，总氮和总磷年负荷总量分别减少了513.88 t和134.00 t，降幅分别为30.18%和45.40%。以子流域为统计单元，得到研究区非点源总氮、总磷污染负荷时空变化图（见图3和图4）。结果表明：香溪河流域非点源总氮、总磷污染情况在整个流域上逐年改善。10 a间，总氮和总磷负荷值较高的子流域的数量和规模逐渐减少，高负荷子流域空间变化趋势与耕地分布变化规律接近，而大面积林地所在区域的总氮和总磷污染负荷较低。

通过分布式流域非点源模型的模拟计算，可得到2005，2010年和2015年流域控制断面逐日径流量Q和逐日总氮（C总氮）、总磷（C总磷）负荷值，为精细计算香溪河流域生态补偿动态值提供数据支撑。

2.3 香溪河流域流域生态补偿动态计算

基于分布式流域非点源模型对香溪河流域非点源总氮、总磷污染负荷的模拟结果，结合香溪河流域因退耕还林等政策使流域非点源总氮、总磷污染情况逐年改善的情况，以日时间尺度，动态计算2005，2010年和2015年香溪河流域的生态补偿值。

参考相关文件及研究者所提出的各种污染物补偿标准[20]，确定总氮、总磷污染负荷因子的治理成本m总氮和m总磷分别为1.55万元/t和14.60万元/t。根据《湖北省水功能区划》对香溪河口断面的Ⅲ类水质目标要求，结合GB3838-2002《地表水环境质量标准》的规定，总氮、总磷对应的水质类别标准限值为C0总氮≤1mg/L，C0总磷≤0.2mg/L。

流域控制断面逐日径流量Q和逐日总氮、总磷负荷值C总氮和C总磷过分布式流域非点源模型的模拟计算得到。

將以上数据代入公式（1），精细计算2005，2010年和2015年香溪河流域逐日生态补偿值，再以月为统计单位，分别得到基于总氮和总磷负荷核算的3 a各月份香溪河流域生态补偿值，结果见图5。图中正值表示流域该月因控制断面水生态环境达标而应获得的生态补偿，负值表示流域因未达到规定的水质标准而需支付的生态补偿赔偿费用。

由图5（a）可知，香溪河流域2005，2010年和2015年的2，3月和8月，2005年的4月和9月，以及2010年的9月需要支付考虑总氮考核指标的生态补偿赔偿费用，其余月份均可因控制断面总氮水质指标达标而获得生态补偿费用，且在5，6，7月和10月获得较高的生态补偿，但也存在着生态补偿为负值的月份中出现个别天数生态补偿为正的情况，以及生态补偿为正值月份中出现个别天数生态补偿为负值的情况。考虑总氮指标的生态补偿值在春夏季呈逐年上升趋势，在秋冬季基本保持稳定。整体上，每年因非点源总氮污染情况改善而获得的生态补偿费用显著增加。

由图5（b）可知，香溪河流域除2005年的8月需要支付考虑总磷考核指标的生态补偿赔偿费用，其余各月份均可因控制断面总磷水质指标达标而获得生态补偿费用，且在4，5，7，9，10月和11月获得较高的生态补偿，但也存在着生态补偿为正值的月份中出现个别天数生态补偿为负值的情况。因总磷指标达标而获得的生态补偿值在春夏季逐年呈明显上升趋势，而在秋冬季保持稳定。整体上，每年因非点源总磷污染情况改善而获得的生态补偿费用显著增加。

将2005，2010年和2015年各月份总氮、总磷生态补偿值合计得到香溪河流域各年生态补偿总值，详见图6。由图6可知，2005，2010年和2015年香溪河流域生态补偿值分别为1 485.06万，2 109.18万元和2 692.20万元，香溪河流域因生态环境改善而应获得的生态补偿值逐年增加;从2005年到2015年，香溪河流域由总氮污染负荷核算得到的生态补偿值增加了422.12万元，由总磷污染负荷核算得到的生态补偿值增加了785.02万元，综合考虑总氮和总磷污染负荷核算的生态补偿总值增加了1 207.14万元。同时，经遥感解译得知有463.76 km2的土地利用类型由耕地转为林地，因此，每实现1 km2的退耕还林的土地利用转变，香溪河流域将因非点源污染负荷减少和生态环境改善而获得约2.60万元的生态补偿。

3 结 论

本文以香溪河流域为实例，构建分布式流域非点源模型，探求土地利用变化作用下的非点源污染变化规律，模拟计算流域控制断面逐日水质情况，提出基于流域非点源污染负荷核算的流域生态补偿精细化动态计算方法，得出以下几点结论。

（1） 香溪河流域土地利用方式以林地、耕地为主。2005～2015年，约有464 km2的耕地转为林地。在土地利用变化条件下，10 a间香溪河流域非点源总氮和总磷年负荷总量降幅分别为30.18%和45.40%，流域非点源污染情况整体改善。

（2） 以日时间尺度为最小计算单元对控制断面水质指标达标情况进行核算，精细化动态计算香溪河流域生态补偿值，以月时间尺度为统计单元得知：2005，2010年和2015年均在的5，7月和10月获得较高的生态补偿，并且在春夏季呈逐年上升趋势，在秋冬季逐年保持稳定。

（3） 综合考虑到总氮和总磷非点源污染负荷核算，香溪河流域2015年可获得的生态补偿值较2005年增加1 207.14万元。

（4） 每实现1 km2的退耕还林土地利用转变，香溪河流域将因污染负荷减少和生态环境改善而获得约2.60万元的生态补偿。

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（编辑：常汉生）