辽河保护区水资源供给服务及价值评估

孙倩莹，高艳妮，杨春艳，王世曦*

1.国家环境保护区域生态过程与功能评估重点实验室，中国环境科学研究院 2.环境基准与风险评估国家重点实验室，中国环境科学研究院

辽河流域是我国重工业企业集中区域，其沿途接纳了铁岭、康平等市县废污水，各支流水体中携带的营养物质相对较多，同时由于干流河道两侧有大量农作物种植，且人工化现象加剧，湿地植被面积减少，河道自然条件下的净化功能受到严重影响，导致辽河干流水污染严重[1-3]。2010年5月，为恢复和保护辽河主要生态功能，同时兼顾区域经济发展，辽宁省政府划定了辽河保护区，旨在通过对保护区的长期保护与建设，达到河流水体自然生态功能恢复，水体净化能力提高，全年水质不低于GB 3838—2002《地表水环境质量标准》Ⅳ类的目标[4]。辽河保护区划定后，实施了退耕还河、自然封育、污染源头控制、流域垃圾治理、干流生态蓄水和支流河口水环境综合整治等工程措施，辽河干流水环境得到有效改善，基本消除了劣Ⅴ类水质[5-6]。近年来，不少学者从生态系统结构、植被覆盖度、河岸缓冲带等方面分析了辽河保护区的管理成效和相关保护与恢复措施的作用[3,7-9]。

水资源供给服务是生态系统服务的重要内容，国内外学者针对水资源供给量、水资源价值评估开展了大量研究。然而，在生态系统服务研究领域，有关水资源供给服务及价值的研究大多只考虑了水资源量，未考虑水环境质量。如采用SWAT模型、Invest模型等方法核算区域产水量作为水资源供给服务表征指标，并基于监测数据验证核算结果的合理性，然后基于水资源费核算水资源供给服务价值[10-15]。在水资源价值核算研究领域，不少学者将水质核算纳入其中[16-18]，如许振成等[19]提出“环境质量资本”和“以质定价，以量计质”“优质水优质价”原则；王俊能等[20]在水环境质量资源的价格分析中，引入“级差地租”理论，建立了水环境质量资源定价模型。笔者借鉴水资源价值核算思路，从水资源量和水环境质量2个方面分析辽河保护区划定后(2013—2016年)水资源供给服务及价值变化，评估其水资源供给服务及价值的时空变化特征。

1 研究区域与研究方法

1.1 研究区域

辽河保护区位于我国东北地区的西南部(121°41′E～123°55.5′E，40°47′N～43°02′N)，是由辽宁省委、省政府于2010年3月批准，依辽河干流划定的狭长区域。始于东西辽河交汇处(福德店)，穿越铁岭、沈阳、鞍山、盘锦4市，终于盘锦入海口，占地面积为1 869.2 km2。辽河保护区地处中高纬度，属于暖温带半湿润大陆性季风气候，年内温差大，四季分明。降水量自西北向东南递增，且降水量年际变化较大；蒸发量的地域变化与降水量相反，自东南向西北递增；辽河干流各水文站点径流量年际变化较大，其中下游六间房多年平均径流量为28.05亿m3a(1987—2018年)，年径流量极值比高达24。

1.2 数据及来源

辽河保护区逐月水质和水量数据来源于辽河流域管理局和中国河流泥沙公报。数据的选取遵循以下原则：1)有水质和水量数据的监测断面，直接选取该监测断面；2)仅有水文站点的水量数据，但未设置水质监测断面时，采用距离此站点最近的水质监测断面的水质数据；3)对于无水量数据的水质监测断面，舍弃该断面，不对其进行分析。基于此，选取辽河干流福德店、三合屯、朱尔山、马虎山、红庙子5个水质监测断面和六间房水文站(表1)开展评估分析，辽河保护区水文站点和水质监测断面分布如图1所示。

表1 辽河保护区水文站点和水质监测断面选取情况

图1 辽河保护区水文站点和水质监测断面分布Fig.1 Distribution of hydrological stations and water quality monitoring sections in Liaohe Conservation Area

1.3 研究方法

辽河保护区水资源供给服务核算对象为满足一定水质标准的河流水资源，包括河流水资源量和水环境质量核算两部分内容。河流水资源量基于辽河干流各监测断面的水量监测数据确定；水环境质量评估采用监测断面污染物的实际浓度相对于目标浓度的超标污染当量作为表征指标，其中污染物指标为化学需氧量、生化需氧量、氨氮3项，水质目标浓度的选取依据辽河保护区各断面的水质考核目标(监督目标)，最终确定以Ⅳ类水质对应的污染物浓度作为目标浓度。各监测断面污染物超标污染当量计算公式[21]为：

(1)

式中：Di为第i个监测断面的污染物超标污染当量(简称超标污染当量)，无量纲；C0(r)为第r项污染物的目标浓度，mg/L；Ci(r)为第i个监测断面第r项污染物浓度，mg/L；Wi为流经第i个监测断面的河流水资源量，m3；Lr为第r项污染物污染当量，kg，数值见表2。D为正，表明各项污染物浓度均低于目标浓度，水环境质量符合Ⅳ类水质的目标要求；D为负，表明至少1项污染物浓度高于目标浓度，未达到Ⅳ类水质的目标要求。

表2 水体污染物污染当量

水资源供给服务价值评估采用市场价值法和环境恢复成本法[22-23]。其中，单位水资源量价格取值依据：《辽宁省人民政府关于调整水资源费征收标准的通知》中地表水取水征收标准，非居民取水费用为0.5元/m3；水环境质量价值采用实际水质相对于目标水质节省的污染当量处理成本核算，即按照现行的治理技术和水平去除水体中的超标污染物所需的费用[24]，本研究取值依据为2017年《辽宁省人民代表大会常务委员会关于批准辽宁省应税大气污染物和水污染物环境保护税适用税额方案的决议》中，2018—2019年辽宁省应税水污染物的集体适用税额为每污染当量1.4元。

2 结果与分析

2.1 年水资源供给服务价值

2013—2016年辽河保护区各监测断面水资源量平均值分别为43.84亿、14.48亿、7.89亿和18.52亿m3，超标污染当量分别为0.71×108、0.18×108、0.08×108和0.29×108(表3)。各监测断面的水资源量和超标污染当量整体呈先降低后升高的变化趋势，但各监测断面之间差别较大。2013—2016年辽河入河口的福德店水资源量和超标污染当量最低，其水资源量分别为14.43亿、4.73亿、2.87亿和6.26亿m3，超标污染当量分别为0.19×108、0.05×108、0.02×108、0.08×108；马虎山断面的水资源量和超标污染当量最高，其水资源量分别为65.91亿、15.31亿、10.53亿和24.53亿m3，超标污染当量分别为1.05×108、0.21×108、0.11×108、0.38×108。

表3 2013—2016年辽河保护区各监测断面水资源量和超标污染当量

单位水资源量超标污染当量反映了水体水环境质量，2013—2016年各监测断面的单位水资源量超标污染当量见图2。

图2 2013—2016年辽河保护区各监测断面的单位水资源量超标污染当量Fig.2 Excessive pollution equivalent per unit water quantity of each monitoring section in Liaohe Conservation Area during 2013-2016

由图2可以看到，三合屯和福德度断面的单位水资源量超标污染当量较低，即断面水环境质量优于考核目标要求的程度较低，实际水环境质量较差；朱尔山、红庙子和六间房断面单位水资源量超标污染当量较高，实际水环境质量较好。从各监测断面的单位水资源量超标污染当量的年际变化来看，2013—2015年整体呈降低趋势，即水环境质量呈逐年变差趋势；2016年明显升高，表明2015—2016年辽河保护区水环境质量明显变好。

2013—2016年各监测断面水资源供给服务价值平均值分别为22.92亿、7.49亿、4.05亿和9.61亿元，单位水资源量供给服务价值平均值分别为0.523、0.517、0.514和0.522元/m3(表4)。从表4和图3可以看出，2013—2016年马虎山的水资源供给服务价值最高，水资源量价值和水环境质量价值分别为14.54亿和0.614亿元。福德店的水资源供给服务价值最低，水资源量价值和水环境质量价值分别为3.54亿和0.116亿元。六间房单位水资源量供给服务价值最高，2013—2016年平均值为0.520元/m3；三合屯最低，2013—2016年平均值为0.512元/m3。从图3可以看出，各监测断面水资源量价值是水资源供给服务价值的重要部分，约是水资源供给服务价值的96.0%。

表4 2013—2016年辽河保护区各监测断面水资源供给服务价值

图3 2013—2016年辽河保护区各监测断面平均水资源量价值和水环境质量价值Fig.3 Annual average values of water quantity and water environmental quality of each monitoring section in Liaohe Conservation Area during 2013-2016

2.2 月水资源供给服务价值

基于2013—2016年逐月水质、水量监测数据，核算了辽河保护区年内各月水资源供给服务价值，以更好地描述水资源供给服务及价值的时空差异，结果如图4和图5所示。

由图4可见，辽河保护区水资源供给服务价值年内波动较大。2013—2016年，各监测断面各月水资源供给服务价值平均值为0.24亿～2.04亿元，7月最高，2月最低。由图5结合图4可见，单位水资源量供给服务价值与水资源供给服务价值年内分布差异较大。各监测断面各月单位水资源量供给服务价值为0.510～0.526元/m3，1月最高，6月最低。

图4 2013—2016年各月平均水资源供给服务价值Fig.4 Monthly averaged water supply service values during 2013-2016

图5 2013—2016年各月平均单位水资源量供给服务价值Fig.5 Monthly averaged water supply service values per unit water resource quantity during 2013-2016

以辽河保护区入河口福德店断面和辽河干流下游六间房断面为例，分析辽河保护区水资源供给服务的月尺度时空变化特征，结果如图6和图7所示。由图6可见，2013—2016年间福德店和六间房各月水资源量变化基本一致，年内水资源量主要集中在6—9月，分别占全年水资源量的55.41%和57.43%。

图6 2013—2016年福德店和六间房逐月水资源量Fig.6 Monthly variation of water quantity of the Fudedian and Liujianfang sections during 2013-2016

图7 2013—2016年福德店和六间房逐月超标污染当量Fig.7 Monthly variation of excessive pollution equivalent of the Fudedian and Liujianfang sections during 2013-2016

由图7可见，福德店和六间房的逐月超标污染当量和水资源量变化过程基本一致。2013—2016年间， 福德店的超标污染当量仅在2015年7月和2016年6月为负值，其他月份均为正值，表明除这2个月外，该监测断面的污染物浓度均达Ⅳ类水质目标考核要求；2013—2016年间，六间房的超标污染当量在2014年9月及2016年的5月和6月为负值，其他月份均为正值，表明除此3个月外，该监测断面的污染物浓度均达到目标考核要求。

福德店和六间房各月水资源供给服务价值变化如图8和图9所示。由图8可见，二者各月平均水资源供给服务价值变化整体一致，但略有不同。福德店7月水资源供给服务价值最高，平均为0.87亿元，2月最低，平均为0.10亿元；六间房8月水资源供给服务价值最高，平均为3.10亿元，同样是2月最低，平均为0.33亿元。

图8 2013—2016年福德店和六间房各月平均水资源供给服务价值Fig.8 Monthly averaged water supply service values of the Fudedian and Liujianfang sections during 2013-2016

由图9可见，福德店和六间房各月平均单位水资源量供给服务价值差别较大。除9月外，六间房在其他月份的平均单位水资源量供给服务价值均高于福德店，水环境质量优于福德店。福德店在年内的单位水资源量供给服务价值变化波动较为明显，整体在0.502～0.528元/m3，其中6月最低，刚达到断面水质考核目标要求。六间房年内的单位水资源量供给服务价值变化较小，整体在0.512～0.529元/m3，5月最低，1月最高。

图9 2013—2016年福德店和六间房各月平均单位水资源量供给服务价值Fig.9 Monthly averaged water supply service values per unit water resource quantity of the Fudedian and Liujianfang sections during 2013-2016

2.3 讨论

基于实际监测数据评估了辽河保护区2013—2016年水资源供给服务及价值的时空动态变化。综合考虑水资源量和水环境质量2项指标，能够较好地反映辽河保护区水资源量和水环境质量变化对水资源供给服务的影响；以各监测断面的水质考核目标作为水环境质量评估基准，充分考虑了辽河保护区水环境质量的管理要求。评估结果表明，2013—2016年辽河保护区各监测断面水资源量、超标污染当量和水资源供给服务价值整体呈先降低后升高的趋势。其中水资源量是影响水资源供给服务价值的主导因素，水资源量价值平均占水资源供给服务价值的96.0%。但是由于未收集到河道取水和支流入水量数据，未能定量区分气候变化和人类活动对辽河保护区水资源供给服务的影响。此外，由于未收集到辽河保护区入海口处监测断面的水量数据，该研究仅对六间房及上游5个监测断面的水资源供给服务价值进行了评估。在后期的研究中需要基于更详细、更全面的数据开展评估，从而更好地为辽河保护区管理决策提供技术支持。

3 结论

(1)2013—2016年辽河保护区各监测断面水资源量平均值分别为43.84亿、14.48亿、7.89亿和18.52亿m3，超标污染当量分别为0.71×108、0.18×108、0.08×108和0.29×108。水资源供给服务价值平均值分别为22.92亿、7.49亿、4.05亿和9.61亿元。年际尺度上，均呈现先降低后增加的趋势，水资源量变化是影响其他要素变化的主要原因。

(2)2013—2016年辽河保护区各监测断面的各年超标污染当量均为正值，表明从年平均污染物浓度来看，各监测断面水环境质量均达到Ⅳ类水质的目标考核要求。整体而言，三合屯和福德店断面的单位水资源量超标污染当量较低，实际水环境质量较差；朱尔山、红庙子和六间房断面单位水资源量超标污染当量较高，实际水环境质量较好。

(3)2013—2016年辽河保护区水资源供给服务价值年内波动较大，7月水资源供给服务价值最高，为2.04亿元；2月最低，为0.24亿元。单位水资源量供给服务价值与水资源供给服务价值年内分布差异较大：1月单位水资源量供给服务价值最高，为0.526元/m3；6月最低，为0.510元/m3。

(4)福德店和六间房月水资源供给服务价值评估结果表明，2个监测断面的逐月水资源量和超标污染当量变化基本一致，水资源供给服务价值变化略有不同。此外，福德店和六间房各月单位水资源量供给服务价值差别较大。除9月外，六间房在其他月份的平均单位水资源量供给服务价值均高于福德店。福德店月单位水资源量供给服务价值变化波动较为明显，六间房则年内变化较小。