基于水土保持工程生态效益价值的研究<br/>——以洛阳市洛河水土保持工程为例

基于水土保持工程生态效益价值的研究
——以洛阳市洛河水土保持工程为例

2020-05-07吉鹏飞

黑龙江水利科技 2020年2期

吉鹏飞

(洛阳市水土保持监督监测站，河南洛阳 471000)

0 引言

为了能够科学指导水土保持工程建设，全面掌握治理措施改善生态环境、治理水土的效果[1]，针对生态效益评价诸多学者开展了一系列的研究，如张艳军等[2]从生态经济学的角度采用货币价值替代法，对城市化发展水保治理效益进行了综合评价；赖亚飞等[3]以退耕还林工程为例，采用理论和频度分析、专家咨询法构建吴旗县的生态效益评价体系，生态学家HDonald对资源环境与社会经济间的价值关系，采用货币价值替代法进行系统的分析。然而，关于河流水土保持生态效益价值现有研究还存在科学性、系统性不足等，相关研究处于初期阶段，针对生态效益评估的专题研究还鲜有报道。文章结合河流水土保持工程特点、森林和景观效益评价相关研究，从环境恢复、改善气候、自然景观和安全价值等方面建立综合评估体系，然后以洛阳市洛河水生态治理项目为研究对象，科学定量的分析了其生态效益。研究成果可为生态文明城市建设和河流水土保持工程的实施提供科学的指导，系统、客观的反映河流水土保持的效能及运行状况[4-10]。

1 区域概况

洛河流域位于温暖带季风气候区，年降水量500-900mm，无霜期182-245d，年均气温12.1-14.5℃，最大冻土深0.21m，气候特征为夏秋季降雨集中、春季多风干旱。由于径流黄土地区，洛河河水携带较大的泥沙量，汛期能够达到12.9kg/m3。洛阳市地区的水土流失危害较为严重，全区约68%的土地均受到不同程度的水土流失影响，占地面积为1.04万km2。重力和水力侵蚀为洛河两岸水土流失的两类基本途径，且水力侵蚀为造成土壤流失的关键，由于水力侵蚀引起的沟蚀、面蚀广泛分布于研究区域。

2 水土保持生态效益价值评估

2.1 评估体系的建立

洛河水土保持生态治理的主要措施有景观规划、蓄水工程、生态护坡和河流整治等，其生态效益主要体现在提高河道防洪排涝能力、控制洛河生态系统动态平衡、治理周边区域水土流失、降低泥沙淤积和改善景观环境等。因此，文章从环境恢复、改善气候、自然景观和安全4个层面系统分析洛阳市洛河段生态效益价值。在水土保持建设中植被措施为当前普遍采用的方法，因此在评价指标筛选过程中河流生态与森林效益评价具有一些相似的地方，而公共游园的休闲功能和防洪排涝的安全分别为滨河生态工程、河道整治项目的基本要求，在建设过程中二者存在一定的特殊性。为工程建设提供一定的管理依据和科学判别为生态效益价值评价的目的，当前还没有形成普遍适用、系统完善的能够用于水土保持生态效益价值评估的方法和指标体系。生态结构的构成与区域差异性密切相关，文章依据实地调研结果和相关文献资料，从环境恢复、改善气候、自然景观和安全4个方面构建生态效益价值评价体系，生态效益价值评估体系，见表1。由于水保措施效益的发挥存在时间延迟性，所以文中用于生态效益价值评估的核算数据来源于2007年以来的相关资料。

表1 生态效益价值评估体系

2.2 水土保持安全效益评估

2.2.1 防洪效益

当前，用于防洪效益计算的模型较多，其中效益价值树法和支付意愿法为国外较为常用的方法。国内学者吴新等针对工程使用期的防洪效益提出了蒙特卡洛模拟计算法，为工程竣工和设计阶段的防洪效益分析提供切实可行的方法；张达志等通过对防洪效益涉及到的内容和治理目标的深入分析，建立了防洪损失、损失调查以及防洪效益计算的模型。

在有无水土保持措施下依据洪水统计资料拟定出洪水频率，然后结合石春先提出的频率法计算确定有无工程年品骏洪灾损失，其表达式如下：

(1)

式中：I1、Ii，Ii-1为多年平均和频率时洪灾损失，亿元；pi，pi-1为相邻洪水频率值；ΔP为相邻频率差。

生态工程实施后河流的平均防洪效益V1=无水保措施减去有水保措的洪灾损失价值。

统计资料显示洛阳地区洪水频发，近代发生洪水的年份1982、1958、1957、1956和1954年，而暴雨为形成洛河洪水的关键因素，且集中在汛期。暴雨的特性直接决定了洪峰大小形势，具有陡涨陡落、历时短、洪峰高等特征。宜阳、伊川、新安和渑池雨区为洛河洪水的主要来源，有时也来至陕西卢氏县境。7级橡胶坝的修建将洛河市区段的洪水设计标准提高至100a一遇，将洪水流量增大至12000m3/s。根据河道除险加固措施、洛河流域地质勘探成果、历年遭遇的洪水等级和险情资料，拟定出防洪效益、经济损失和洪水频率。河流生态治理项目的防洪效益值，见表2。河道生态治理工程规划阶段的间接经济损失按照10%-20%的直接损失计算。

表2 河流生态治理项目的防洪效益值

根据表2计算值，洛河在有、无水保措施的年均经济损失分别为0.170、0.905亿元，由此可计算确定河道整治工程的年均防洪效益V1的价值为0.735亿元。

2.2.2 减少泥沙淤积效益

河道的拦蓄水能力优于橡胶坝的修建得到显著的提升，同时对河流和下游水库的输沙强度起到一定的减缓作用。所以，文章将生态工程减少泥沙淤积效益的物质量与修建水库蓄水成本之间的货币转化关系采用蓄水价格法确定。根据河流河水的泥沙含量和蓄水工程所增加的需水量，对下游输沙量受修建橡胶坝、加固河堤等蓄水工程的减少程度计算。然后将减少的泥沙淤积价值按照单位体积水库修建成本计算，其中泥沙淤积减少量及其产生的价值计算式为：

R=W0A×10-3

(1)

V2=Rλ1/C1

(2)

式中：W0、R为治理区蓄水工程增加的需水量和减少泥沙淤积的物质量，万m3、万t；A为河流泥沙含量，kg/m3；C1、λ1为库容投资成本和泥沙容重，元/m3、t/m3；V2为泥沙淤积减少的价值，万元。

依据白马寺水文站相关数据资料，确定洛河汛期和非汛期的悬移质泥沙含量分别为12.8、4.33kg/m3，河水泥沙含量取其平均值。根据2012投入运行的七级水面工程，确定洛河蓄水工程的蓄水量为2481万m3，泥沙容重岸全国基建标准确定为1.25t/m3，单位体积水库的修建成本为5.75元。按照以上标准确定工程治理减少泥沙淤积量为：

R=2481××8.61×10-3=21.36(万t)

V2=21.36×5.75/1.25(万元)

按照表1计算结果和上述确定的减少泥沙淤积效益值，河道治理工程能够产生的生态安全效益值为7350+98.26=7448.26万元。

2.3 景观效益评估

植被固碳制氧对于城市游园具有非常重要的作用，且整个城市的形象与城市河道整治状况密切相关。水土保持生态河道作为旅游城市的景观轴线，不仅能够在一定程度上影响城市的潜在旅游动力，而且可大大改善居民的生活环境。

园林品质、景观建筑的合理搭配和植被的运用为河流生态治理措施的关键，旅游城市周边景点的客流量受贯穿城市河流的滨水景观效果的影响。因此，对河流水土保持景观效益的综合评价要考虑景区门票收益、植被固碳制氧2个方面的效益指标。文章对工程景观效应价值的计量按带动相关景区效益价值和河岸绿地产生的固碳制氧价值之和确定。

2.3.1 固碳、制氧价值

按照造林成本法计算确定率定的固碳、制氧效益，将我国造林成本与绿地年产生氧气及固定CO2量相乘，其中年固碳制氧按平均值计算。根据文献资料每年每公顷树木能够放出氧气12t，净吸收CO2量16t，折合成纯碳为4.37t，按照此标准确定植被措施的固碳价值，计算公式如下：

V3=S1×4.37×λ2×10-4

(4)

式中：S1、V3为绿地面积和植被固碳效益，hm2、万元；为年均造林成本C，元/t。

同理，按照以上方法计算确定植被措施的制氧价值，其表达式为：

V4=S1×12×λ3×10-4

(5)

式中：S1、V4为绿地面积和植被制氧效益，hm2、万元；λ3为年均造林成本O2，元/t。

根据植物园、花园和滨河绿地面积之和确定研究区绿地面积，统计结果如表3。

在光合作用下植被的叶片释放氧气、吸收CO2，同时合理搭配植被还能够增强景观度。河流生态建设的固碳价值采用造林法计量确定，造林成本按照平均值确定为278.1元/t，折合成纯碳量为1005.2元，由此确定的制氧成本为369.7元/t，植被固碳价值V3和制氧价值V4的计算结果为：V3=405×4.37×1002.1×10-4=177.4(万元)；V4=405×12×369.7×10-4=179.7(万元)。

2.3.2 景观效应价值

洛阳地区的旅游旺季为每年的4月份，旅游地区存在的部分国花园，洛河治理项目在一定程度上有利于客流量和景区美观度的提升。国花园年均收益按园林局调查统计资料确定为550万元，对研究区内的景观效益价值利用面积加权法计算。景区效益价值计算式为：

V5=S1/S2×λ3

(6)

式中：S1、S2为收费旅游景观面积和绿地面积，km2；λ3、V5为景区年均收入和效益价值，万元。

将相关数据输入以上公式，确定V5=405/130×550=1713(万元)。根据以上计算结果可确定河道治理的景观效益价值为177.4+179.7+1713=2070.1(万元)。

2.4 气候效益评估

研究区林草面积在水土保持生物措施下得到明显的增加，由于蓄水量的增大会在一定程度上降低城市的热岛效应。另外，河堤防护林能够在一定程度上减少风速，同时由于风速的减少空气中的尘粒在重力作用下沉降于地面；大气含产量由于粗糙叶片表面的吸收作用有所下降，所以林草措施还具有阻滞降尘的功能。空气良好、温度适宜为最直接的滨水气候感受，因此文章从阻滞降尘和降低热岛效益两个层面考虑研究区的气候价值。改变下垫面与大气之间的风速、热量、水分等物质平衡关系，将对滨河流域地区的小气候产生影响。目前，一般按照降低温度、保护农田和畜牧业、阻滞降尘效益来确定气候效益价值。考虑到洛阳市洛河城区段不涉及农田和畜牧业的实际情况，河流景观效益以热岛效应和空气尘埃量的减少价值为主。

2.4.1 减弱热岛效应价值

根据国内外相关研究成果和测量数据，夏季全天工作的189台空调制冷效果与1hm2绿地平均每天吸收的热量相等，即81.8MJ。研究区域减弱热岛效应效益按照每年节省空调的成本费与空调降低同样温度的耗电费用之和确定，洛阳地区每年的7-8月份为最高温，所以文中按60d作为空调工作时间参与价格替换法计算。减弱热岛效应价值按一匹空调用电功率和统一居民用电价0.56元/kWh计算，计算公式为：

V6=S1ηt×189×10-4

(7)

式中：S1、V6为研究区域绿地面积和减弱热热岛效应价值，hm2、万元；t、η为空调工作天数及匹空调耗电量，d、kWh/d。

考虑到绿地利用率在旅游期白天较高，匹空调功率耗电量和每天工作时间分别按735W/h、8h确定，由此可折合成20d工作时间，计算确定洛河生态治理工程能够减少热岛效应为：V6=20×24×405×0.735×0.56×189×10-4=1512.2(万元)。

2.4.2 阻滞降尘价值

通过等效替换确定阻滞降尘物质量，其表达式为：

W1=S1β1×10-3

(8)

式中：S1、W1为研究区绿地面积和组织降尘物质量，hm2、t；β为单位面积的植被滞尘能力，kg/(hm2·a)。

按照下式计算确定阻滞降尘价值，即：

V7=W1λ6×10-4

(9)

式中：λ5、V7为消减尘土的平均单位治理成本和阻滞降尘价值，元/t、万元。根据全国针叶林、阔叶林的33.2、10.11kg/(hm2·a)的平均水平确定林木阻滞降尘能力，按照170元/t作为人工消减粉尘成本。按照以上参数确定绿地阻滞降尘价值为：V7=405×0.17×21.66×10-4=0.1791(万元)。根据以上计算结果确定河道治理的气候效益价值为1512.2+0.1791=1512.4(万元)。

2.5 环境恢复效益评估

植被措施为恢复生态环境的有效途径，植被叶片可降低工厂产生的污染和车流尾气，选择的绿化植物可对这些有害物质产生一定的警示和吸收作用。因此，绿化植物存在杀菌降解污染物、吸收氮氧化物和SO2的效益，破坏绿色植被将产生土壤流失和空气质量的下降。所以，文章从保护水源、吸收SO2、土壤侵蚀减少三个方面考虑环境修复效益。

2.5.1 吸收SO2价值

植被吸收的SO2量利用恢复费用法计算，其价值量的核算以SO2人工治理成本替代。根据相关研究报告，针对SO2落叶针叶林、阔叶林、松杉的吸收能力为215.60、88.65、117.60kg/(hm2·a)，洛河流域植被吸收SO2的能力按照三者平均值确定。根据下式确定SO2的吸收价值，即：

V8=S1β2λ6×10-7

(10)

式中：β2、V8为绿地吸收SO2的能力与价值，kg/(hm2·a)、万元；λ5、S1为治理SO2的单位成本和研究区域绿地面积，元/t、万元。

SO2消减的平均治理费主要投运行费和投资额组成，二者分别为100、500元/t。将参数值输入计算式确定吸收SO2的价值：V8=405×600×140.66×10-7=3.4(万元)。

2.5.2 减少土壤侵蚀价值

根据机会成本法计算确定土壤侵蚀量和减少的侵蚀价值，其基本过程为：对发挥工程效益的区域面积进行核算，确定有、无工程措施的土壤侵蚀差异量。采用下式计算土壤侵蚀减少量，即：

W2=S2×(M1-M2)/ρ

(11)

式中：M1、M2为治理项目实施前、后的土壤侵蚀模数，t/(km2·a)；S2、W2为有效面积和土壤侵蚀减少量，hm2、万m3；ρ为土壤密度，km2/m3。

根据洛阳市水土保持实测资料确定生态治理工程实施前、后的土壤侵蚀模数平均值为3700、2200t/(hm2·a)，土壤天然密度平均值按照实验测定结果确定为1.77t/m3，生态治理区的有效面积为1498hm2，将以上参数输入公式得到土壤侵蚀减少量W2=(3600-2200)×1498/1.75×10-4=127.0(万m3)。按照下式计算土壤侵蚀减少效益，即：

Wq=W2G

(12)

式中：W2、Vq为土壤侵蚀减少量及其减少价值，万m3、万元；G为拦截1m3土壤的投资成本，元/m3。

拦截1m3土壤的投资成本按照基建建设投资标准确定为7.72元，根据土壤侵蚀减少量计算式和价值计算是确定：V9=127.0×7.72=980.4(万元)。

2.5.3 保护水源价值

生物措施的实施可提高植被覆盖率和地表植被率，且有利于土壤储存天然降水，减少土壤的暴雨地表径流量和土壤的无效蒸发量。滨河绿地、河岸与河堤绿化建设形成的枯枝落叶、枝叶、疏林草地有利于增大土壤的蓄水能力和孔隙度，可滞留地表径流和有效拦截降水，增强水质净化和植被自身功能。所以，净化水质和涵养水源为洛河水资源保护效益的两部分内容，滨水绿地涵养水源量及其价值考虑利用水量平衡法、替代工程法确定，绿地径流量、蒸发量和涵养水原谅之和为绿地年降水量，计算公式为：

W3=S1(P-P1-P3)C2×10-3

(13)

式中：S1、W3为研究区绿地面积和年涵养水源量；P、P1、P3为年降水量、绿地蒸发量和径流量，mm；C2为水容重，t/m3。

洛阳市属于缺水区域，工程绿地涵养水源可缓解城市地下水压力和减少下游水库的承载能力。所以，可按照居民用水单价和水库修建的投资成本确定净化水质和水源保护价值。采用下式计算确定绿地净化水质和保护水源价值，即：

V10=W3λ1

(14)

V11=W3λ7/C2

(15)

式中：V10、V11为保护水源和净化水质价值，万元；λ1、λ7为库容建设投入成本和污水处理成本，元/m3、元/t；其它字母含义同上。

根据洛阳市气象站观测资料和企业污水处理核算办法，确定研究区年涵养水量为：W3=405×(600.2-600.2×0.004%-600.2×88%)×10-4=28.1(万t)。将其代入以上计算式确定绿地净化水质和保护水源价值V10、V11为165.1、13.02万元。

依据以上计算结果确定河道整治环境恢复效益价值为3.4+980.4+165.1+13.02=1161.92万元。