基于污染损失和逐级协商的生态补偿量化研究—以湘江流域为例

刘叶叶, 毛德华, *, 宋平, 廖小红, 刘春腊

基于污染损失和逐级协商的生态补偿量化研究—以湘江流域为例

刘叶叶1, 毛德华1, *, 宋平2, 廖小红2, 刘春腊1

1. 湖南师范大学资源与环境科学学院, 长沙 410081 2. 湖南省水利水电勘测设计研究总院, 长沙 410007

生态补偿是生态文明建设的重要组成部分, 其中确定补偿主体和补偿标准是进行补偿的关键。通过分析生态补偿存在的问题, 建立了基于污染损失和逐级协商的补偿额度测算方法, 并从理论补偿标准入手, 引入修正系数, 以湘江流域为例, 测算了流域污染损失补偿量。考虑到各地区经济发展水平、用水量和用水效率存在差异, 选取各市GDP、用水量、万元GDP用水量、万元工业增加值用水量和农田灌溉水有效利用系数进行调节。结果表明, 2016年湘江流域补偿分配额为: 衡阳补偿永州75.525 万元、衡阳补偿株洲250.800 万元、湘潭补偿株洲257.191 万元、长沙补偿湘潭980.700 万元、长沙补偿岳阳168.120 万元、郴州补偿衡阳476.076 万元、株洲补偿衡阳56.680 万元、娄底补偿湘潭397.375 万元、衡阳补偿邵阳161.025 万元。基于污染损失的补偿标准符合当前我国补偿实例的要求, 可作为补偿标准的下限。研究结果可为量化流域水功能区生态补偿标准提供依据和参考。

污染损失; 一维水质模型; 生态补偿; 湘江流域

0 前言

随着绿色发展和生态文明理念深入人心, 人们对生态环境质量的关注度越来越高[1-3]。近年来, 党中央和国务院对推进流域上下游生态补偿机制做出重要决策部署。因此, 建立生态补偿机制是当前国内环境管理的主要方向之一, 其中科学确定补偿主体和补偿标准既是环境经济领域的研究热点, 也是生态补偿由理论转为实践的核心问题。

随着国内流域生态补偿研究的不断深入, 人们对流域生态补偿模式进行了分类。徐大伟(2008)等[4]等和黄彦臣(2014)[5]分别提出跨省市补偿模式和流域共建共享模式。段艺璇(2018)等[6]提出基于政府和市场主导的补偿模式。郑海霞(2006)[7]认为国内补偿模式主要包括基于大型项目、政府和市场主导、水量、水权交易的补偿模式。刘雨佳(2018)等[8]在现行生态补偿模式的基础上, 提出区际间横向生态补偿模式、异地补偿模式、“产业共建”模式和因地制宜补偿模式四种模式作为补充。然而大多模式很难清晰界定责任主体和利益主体, 多省市之间难以达成协议, 易推高府际间协商谈判成本, 因此本文采用跨界逐级补偿模式, 仅考虑相邻区域间的补偿关系, 最终核算出各区域补偿分配额。

生态补偿主要包括污染赔偿和保护补偿两个方面。“污染赔偿”强调的是破坏者的支付行为, 而“保护补偿”侧重于强调受益者的支付行为。目前研究主要基于污染损失[9]、超标水环境容量[10]和污染物处理成本[11]核算污染赔偿, 基于投入成本[12]和生态服务价值[13]核算保护补偿。虽然目前主要基于投入成本和服务价值法计算, 但是由于二者涉及范围大, 种类复杂, 无统一的核算框架, 很难保证“穷尽性”和“独立性”, 致使计算结果差异较大。因此本研究从损失入手, 将水质改善前后的损失差值作为保护成本, 以此核算保护补偿, 从而为量化补偿额度提供不同的思路。

湘江流域下游比上游经济发达, 是典型的“上游损失, 下游受益”模式(图1)。流域上游加强环境保护和生态建设, 工业企业发展相对缓慢, 致使上下游经济发展水平差距越来越大, 因此完善当前流域生态补偿制度、确定科学的补偿标准尤为重要。目前对于湘江流域生态补偿的研究主要从生态服务价值[14]和博弈视角[15]展开, 且补偿以局部区域为例, 没有对全流域进行综合全面的分析[16]。因此本文通过探讨逐级生态补偿机制, 利用水污染经济损失函数法和一维水质模型, 计算湘江流域市界水功能区水污染损失量及污染贡献, 最终得出流域各行政区补偿额。在总结湘江流域生态补偿经验的基础上, 补偿办法将逐步向资水、沅水、澧水和洞庭湖流域推广, 最终实现湖南省全流域上下游利益平衡、合作共赢。

1 流域生态补偿

1.1 生态补偿理论

水资源是一种准公共物品, 具有非排他性和竞争性。非排他性主要表现为无法明确界定水资源的使用权, 即无法排除任何人对水资源的使用, 这往往使上游产生“搭便车”心理, 不愿意投入成本保护环境。竞争性即由于水资源的稀缺性, 一方过度使用水资源会导致另一方可利用的水量减少, 长期以来造成“公地悲剧”现象。

图1 湘江流域地理位置

Figure 1 Geographical position of the Xiangjiang River

水污染的跨界流动性导致流域上游污染物跨越辖区外溢到其他辖区, 造成污染负荷的负外部性[17]。因此作为一个理性经济人, 在核算污染损失时, 只会考虑排污对本地造成的损失, 寻求本区域最优资源使用量。但是各行政区单独决策时整个流域资源并非处于最优状态, 这导致行政区在各自最优决策下的净收益低于整体最优下的净收益。

产权界定不清晰阻碍了跨界污染有效治理的进程。当前生态产品产权模糊、交易市场不成熟、利益主体协商成本高, 抑制了地方政府供给外溢性公共物品的动机。此外中国式官员晋升与人事制度联系紧密, 使得政府对教育、医疗、环保等周期长的公共物品投入动机小。

我国河流大多跨越多个行政区, 由于流域的自然属性, 上游不可避免地会对下游产生影响, 在核算补偿量时上游区域应该对下游区域逐个进行补偿。这种一对多的补偿方式推高了府际间协商谈判成本, 加大了上游生态保护与建设的压力。基于上述问题, 本文仅考虑相邻两个区域之间的补偿关系。这种补偿方式责任主体和利益主体明确, 可以简化操作, 降低双方交易成本, 便于流域生态补偿机制的实施。

1.2 生态补偿模型

1.2.1 水污染经济损失函数

水体接纳污染物后, 污染物所造成的经济损失与污染物浓度大体呈S型曲线[18]。当污染物浓度过低时, 经济损失较小。随着浓度的增加, 损失急剧增加, 但在一定的发展水平下, 污染损失必然存在一个阈值, 使得水污染造成的经济损失呈现阻尼因子作用下的增长模式(图2)。

经济损失函数表达式为:

式中:γ为分项水污染损失率;K为分项水污染损失系数;为水质经济敏感系数,越大, 曲线越陡, 经济活动对水质状况越敏感;为综合水质类别;TH和M为曲线拐点处水质类别和对应的污染损失率, 上述指标均无量纲; ΔF为分项水污染损失量, 亿元;F为分项经济总量, 亿元。

图2 水污染经济损失函数示意图

Figure 2 Schematic diagram of economic loss from water pollution

其中, 将各水功能区长度占总河长的比例作为判别流域综合水质类别的权重, 然后加权平均得到综合水质类别; 基于已有研究成果和水质标准GB3838-2002, 一个地区水质类别为IV类时, 其对社会经济和人类活动相当关键, 因此将TH定为4; 一个地区水质类别为劣V类时, 水体基本失去使用功能, 污染损失率为0.995K, 当水质类别为II类时, 水质满足大部分使用功能, 污染损失率为0.005K, 通过计算可知为0.54,M为0.5K。水污染经济损失函数可表示为:

1.2.2 一维水质模型

水质模型是通过描述河网中水流及污染物随时间、空间迁移转化的规律, 模拟和预测污染物在水中的变化行为[19]。根据污染物的空间分布特性可将水质模型分为零维、一维、二维和三维模型。湘江流域河长远大于河宽和河深, 因此可以采用一维模型来计算污染贡献率。一维水质模型可表示为:

式中:为纵向离散系数, m2·s-1;为污染物浓度, mg·L-1;为距控制断面的距离, km;为河段平均流速, m·s-1;为综合衰减系数, 1·d-1。

由于湘江流域不受潮汐影响, 其离散、扩散作用相对于移流作用较小, 因此假定=0, 一维模型方程的解析解为:

式中:0为初始断面的浓度, mg·L-1。

1.2.3 修正系数

保护湘江流域生态环境是流域各市共同的责任和义务, 但由于各市经济发展水平、用水量和用水效率存在差异, 若采用统一的补偿标准, 会造成补偿责任的均衡化, 不利于流域上下游公平共享水资源。若补偿额度超过该地区支付能力, 会造成该地通过浪费水资源、逃避污染控制等获取更高利益, 不利于建立科学长效的生态补偿机制。生态补偿是基于生态服务功能及支付意愿的一种调节政策, 补偿时应将各市GDP与水质保持、水量供给等生态服务功能挂钩, 结合使用各市GDP、用水量和用水效率进行调节。因此本文最终选取五个指标, 其中用水效率参考最严格水资源管理制度[20], 选取万元GDP用水量、万元工业增加值用水量和农田灌溉水有效利用系数进行表征。5个指标占总量比例的平均值即为补偿标准系数(表1)。

1.2.4 补偿标准计算

式中:为补偿量;为修正系数;为污染贡献率; ΔF为污染损失。

2 结果与分析

2.1 湘江流域水功能区污染损失量核算

湘江流域流经永州、郴州、衡阳、株洲、湘潭、长沙、邵阳和娄底, 至湘阴县(岳阳)注入洞庭湖, 《暂行办法》规定的补偿考核对象并未包括邵阳市, 因此本文在其基础上将邵阳纳入补偿范围, 最终确定各市之间的补偿额度。研究范围共涉及69个水功能区, 囿于篇幅, 本文只列出衡阳—株洲段补偿额计算过程, 其他各市只列最终结果。

根据湖南省2016年水功能区水质达标率报告, 郴州→衡阳、衡阳→株洲、株洲→衡阳、长沙→岳阳、娄底→湘潭属污染赔偿, 永州←衡阳、株洲←湘潭、湘潭←长沙、邵阳←衡阳属保护补偿。在具体核算污染损失率时, 前者只需依据2016年水质状况, 而后者需要计算水质改善前后的污染损失率。由于湘江流域2014年开始正式实施生态补偿, 因此本文以2013年作为基年, 计算2013年与2016年污染损失率差值。

借鉴李锦秀研究中水污染对各个分项的损失系数K, 将各功能区加权平均得到的综合水质类别和水污染经济损失系数代入式(3), 得到各区域污染损失率。其中湘江流域水功能区水质数据来源于湖南省水文水资源勘测设计研究总院。表2中水功能区1、2、3分别表示湘江株洲县开发利用区、湘江株洲保留区、湘江株洲开发利用区。

2016年株洲市各项指标值见表3, 各水功能区对应的统计值是假定区域内单位河长的GDP指标值相等, 根据各功能区长度占研究区全部功能区总河长的比例求得。通过计算可知株洲市经济损失总量为2.731 亿元, 其中水功能区3最大, 在具体计算分项中农业和工业损失量较大, 占经济损失总量的百分比为84.3%。

2.2 湘江流域水功能区生态补偿量核算

在水环境影响评价中, 通常引入贡献值来说明政策实施或拟建项目对环境的影响程度。湘江流域上下游水污染输移关系明显, 衡阳市位于上游, 株洲市位于下游。衡阳市超标排放污染物, 将对下游株洲市各水功能区产生不同程度的影响。由于COD和NH3-N是污染物总量控制和水功能区水质达标考核的控制因子, 因此本研究以COD和NH3-N作为模型计算因子。各水功能区一维模型参数见表4、表5和表6。

表1 2016年湘江流域补偿标准修正系数

表2 湘江株洲段水功能区经济损失率

根据所得结果, 三个水功能区共损失2.731 亿元, 其中上游衡阳市承担0.176 亿元, 剩余2.555 亿元由株洲自己承担。将各行政区补偿分配额与修正系数相乘即可得到最终补偿分配额。汇总9市之间的补偿额(表7), 其中长沙补偿湘潭最多(980.7万元), 按照水功能区超标考核要求[21], 2016年长沙超标率最大(38.5%)。且湘江流域在岳阳市只流经湘阴县和汨罗市, 污染范围小, 污染损失大部分由长沙自己承担。郴州是享誉世界的“有色金属之乡”, 依托丰富的矿产资源, 市内有色金属等资源型产业在为地方经济发展作出突出贡献的同时, 也造成了郴州市典型的重金属污染特征。对比每月水质类别与水质目标, 发现2016年郴州水功能区超标率为23.1%, 因此郴州补偿分配额也较多。湘江干流河流从衡阳流入株洲, 支流河流从株洲流入衡阳, 但是由于支流段水污染较小, 损失量远低于干流段, 因而支流段补偿额较少。永州和邵阳上游加强环境保护和生态建设, 水质状况较好, 均达到III类标准, 因此衡阳需要对其投入成本进行补偿。此外由于湘江流域流经娄底面积小, 补偿额和修正额差值较大, 因此实际补偿时需综合考虑各地用水比例。

表3 湘江株洲段水功能区经济损失量

表4 株洲县开发利用区一维模型参数及补偿量

表5 株洲保留区一维模型参数及补偿量

表6 湘江株洲开发利用区一维模型参数及补偿量

表7 湘江流域各行政区补偿量

3 讨论

根据污染损失函数法和一维模型计算出各市补偿分配额, 虽然直接补偿分配额提供了各地补偿方向和补偿额度, 但其不能有效的用于实践, 不具有可操作性。相反, 综合考虑各市支付能力、用水量和用水效率使研究结果更可接受和实践, 更便于市级政府开展补偿工作。

依据上述补偿方向, 永州、株洲、湘潭、岳阳和邵阳分别获得补偿额, 郴州、衡阳、长沙和娄底分别支付补偿额。根据2016年水功能区水质达标考核结果, 湘江流域有13 个水功能区超标, 长沙水功能区超标最多, 湘潭全部达标, 因此长沙支付赔偿最多, 湘潭获取补偿最多。同时, 流域流向和相邻区域数量在一定程度上会影响支付/获取额度。湘江干流衡阳流入株洲, 水量较大, 支流株洲流入衡阳, 水量较小, 因而两地补偿相差较大。长沙仅有两个相邻区域, 且下游岳阳市承担比例小, 损失大多由长沙承担。衡阳紧邻4个区域, 各区域间影响范围大, 会分担一部分损失, 从而减少衡阳承担额度。因此之后在衡量补偿额度时需同时考虑交界段面和内部损失, 即综合考虑市级和县级层面补偿, 以防出现市内上中游水质差, 邻近出境区水质变好现象。

由于湘江流域重金属污染突出, 本文仅以COD和NH3-N作为控制因子参与污染贡献的研究与分析, 造成结果存在一定偏差。因此, 需加强流域水功能区重金属污染物数据的收集与分析, 选取更多有代表性的污染物进行更加准确的计算与分析。

4 结论

基于2016年湘江流域水功能区水文水质数据, 构建湘江流域逐级生态补偿机制框架, 采用水污染经济损失函数法和一维水质模型, 对流域内69 个水功能区展开不同类型的生态补偿研究, 最终得出各市补偿分配额, 结论如下:

(1)水污染经济损失函数法表明郴州一衡阳段、衡阳一株洲段、株洲一衡阳段、长沙一岳阳段、娄底一湘潭段损失量分别为5.229亿元、2.731亿元、0.664亿元、0.060亿元、6.709亿元。永州一衡阳段、株洲一湘潭段、湘潭一长沙段、邵阳一衡阳段损失减少量分别为: 3.860亿元、4.129亿元、8.646亿元、2.258亿元。

(2)2016年湘江流域最终补偿分配额为衡阳补偿永州75.525 万元、衡阳补偿株洲250.800 万元、湘潭补偿株洲257.191 万元、长沙补偿湘潭980.700 万元、长沙补偿岳阳168.120 万元、郴州补偿衡阳476.076 万元、株洲补偿衡阳56.680 万元、娄底补偿湘潭397.375 万元、衡阳补偿邵阳161.025 万元。

(3)当前湘江流域生态补偿最为主要的奖惩因素是水质, 具体是以地表水III类水质为标准, 明确界定水质低于III类标准的惩罚措施, 而对于水质达到III类标准的, 则给予适当奖励, 但并未明确界定奖励多少。基于此, 本研究从损失入手, 将水质改善前后的损失差值作为保护成本, 以此核算保护补偿, 该方法比当前正在实行的方法更全面客观, 更易于量化各交界段污损赔偿和保护补偿。

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Quantification of eco-compensation based on pollution loss and gradual negotiation: a case study of Xiangjiang River Basin

LIU Yeye1, MAO Dehua1, *, SONG Ping2, LIAO Xiaohong2, LIU Chunla1

1. College of Resources and Environmental Science, Hunan Normal University, Changsha 410081, China 2. Hydro & Power Design Institute of Hunan Province, Changsha 410007, China

Ecological compensation is an important part of ecological civilization construction, in which the determination of compensation subject and compensation standard is the key to eco-compensation. By analyzing the existing problemson eco-compensation, we designed acalculation method of compensation standard based on pollution loss and gradual negotiation. The correction coefficient was introduced according to the theory of compensation standard. Taking the Xiangjiang River as a case study, the compensation amountbased on pollution loss was measured. Taking into account of differences in economic development level, water consumption and water use efficiency in different administrative regions, the GDP, water consumption, water consumption of 10 thousand CNY GDP and industrial value added, and effective utilization coefficient of irrigated water in farmland were selected to revise the compensation standard. The results showed that the final compensation amount in XiangjiangRiver Basin in 2016 was as follows: Hengyang compensated Yongzhou 0.75525 million yuan, Hengyang compensated Zhuzhou 2.508 million yuan, Xiangtan compensated Zhuzhou 2.57191 million yuan, Changsha compensated Xiangtan 9.807 million yuan, Changsha compensated Yueyang 1.6812 million yuan, Chenzhou compensated Hengyang 4.76076 million yuan, Zhuzhou compensated Hengyang 0.5668 million yuan, Loudi compensated Xiangtan 3.97375 million yuan, Hengyang compensated Shaoyang 1.61025 million yuan. The compensation standard based on pollution lossmeets the requirements of current compensation cases in China and could be used as the lower limit of compensation standard. Our research results provide basis and reference for the quantification of eco-compensation standard in watershed functional zones.

pollution loss; one-dimensional water quality model; ecological compensation; Xiangjiang River Basin

10.14108/j.cnki.1008-8873.2020.04.024

刘叶叶, 毛德华, 宋平,等. 基于污染损失和逐级协商的生态补偿量化研究—以湘江流域为例[J]. 生态科学, 2020, 39(4): 193–199.

LIU Yeye, MAO Dehua, SONG Ping, et al. Quantification of eco-compensation based on pollution loss and gradual negotiation: a case study of Xiangjiang River Basin[J]. Ecological Science, 2020, 39(4): 193–199.

X196

A

1008-8873(2020)04-193-07

2019-10-22;

2019-12-03

湖南省重点研发计划项目(2017SK2301); 湖南省水利科技重大项目(湘水科计[2016] 194-13); 湖南师范大学一流学科建设项目(810006)

刘叶叶(1994—), 女, 山西吕梁人, 硕士研究生, 主要从事水环境与水生态研究, Email: 975331897@qq.com

毛德华(1964—), 男, 博士, 教授, 主要从事水资源与水环境研究, Email: 850276407@qq.com