南水北调中线工程沿线水库生态系统服务价值演变解析

2023-02-14张先起路晓斌

海河水利 2023年1期

张先起，路晓斌

（1.华北水利水电大学水利学院，河南郑州 450046；2.黄河流域水资源高效利用省部共建协同创新中心，河南郑州 450046）

南水北调中线工程通水以来，先后向沿线40多条河流进行补水，补水总量达69亿m3，缓解了受水区水资源短缺问题，恢复了部分河湖的健康生命，使其生态环境得到改善[1]。生态系统服务是指生态系统与生态过程中所形成及维持人类赖以生存的自然环境条件与效用[2-4]。受人类活动的干预和破坏，生态系统服务常常受到威胁，地球上的自然生态系统中，接近60%的生态系统服务发生了退化或者不可持续利用[5]。因而，运用生态系统服务价值（ESV）科学评估、评价南水北调中线相关水库生态系统服务价值，分析人类活动对自然环境、生态系统的影响，对于南水北调中线工程水资源调配、生态补水和生态环境保护等工作十分重要。

1970年，《人类活动对全球环境的影响》研究报告中首次使用了生态系统服务的概念，列举了自然生态系统对人类的服务[6]。自此概念提出以来，相关方面的研究不断加深。有些学者致力于指标体系的构建，具有代表性的有Costanza等构建的指标体系[7]、千年生态系统服务的指标体系[8]和傅伯杰等[9]构建的指标体系，其中MA理论应用最为广泛。

评价方法主要包括能值分析法[10]、物质量评价法[11]以及价值量评价法[12]，国际上研究较多的方法是价值量评价法。而今，对价值评估方法可以大致分为两类，一是基于单位服务功能价格的方法即功能价值法[13-15]，二是基于单位面积价值当量因子的方法即当量因子法[16-19]。灰色关联分析适应性强，适用于时间序列演变趋势的研究，将其与功能价值法相结合，可充分体现水库生态系统的复杂性与动态性[20]。

本文基于MA理论，针对水库生态系统的结构和特征，构建了更为精准的指标体系，同时通过功能价值法估算了南水北调中线17个水库2008—2019年的水库生态系统服务价值，运用灰色关联分析计算了各指标的重要程度，选择对水库生态系统影响较为显著的生态系统服务，以期为南水北调中线工程水资源调配、生态补水和生态环境保护等工作提供理论依据。

1 研究对象与方法

1.1 研究范围

湖泊/水库研究范围选取湖泊/水库划定的保护区范围，包括水面面积以及保护区面积。

1.2 研究对象

湖泊/水库研究对象为南水北调中线干线补水或调蓄的湖泊/水库，包括补偿调节和充蓄调节水库，南水北调中线一期工程涉及相关湖泊/水库（17座）详见表1。

表1 南水北调中线涉及水库

1.3 水库生态系统服务价值评价指标体系

本文主要通过重点评估水库生态系统中的淡水资源、水土保持、降解污染物、休闲娱乐等各类具有实际市场价值且易以货币量化的生态系统服务价值，结合水库生态系统的服务功能特征，选取了供给、调节、支持、文化4个方面、11个指标构建指标体系计算生态系统服务价值[21-24]，指标体系如图1所示。

图1 指标体系

1.4 指标计算方法

本文通过费用-效益分析方法，利用实际市场法、替代市场法以及假想市场法3种评估技术[25]，对11个指标进行计算，指标计算方法和公式详见表2。

表2 指标计算方法

对具有实际市场价值的生态系统产品或功能，如供水、水产品、水力发电，以市场价格作为其生态系统服务经济价值，使用直接市场法进行计算。

对不能在市场上直接获得其价值货币表现的生态系统产品和服务，包括水资源贮存、水质净化、洪水调蓄、气候调节、生物多样性、旅游休闲、科研教育，寻找等效替代物，利用替代物的市场价格或其影子价格，作为生态系统服务的经济价值，评估方法有替代市场法、影子价格法、替代工程法、机会成本法和旅行费用法等。

对于不可以商品形式出现在市场的生态系统服务，如文化传承，采取直接询问人们对生态系统服务的支付意愿，以此作为生态系统服务的经济价值，评估方法为支付意愿法。

1.5 灰色关联分析（GRA）

灰色关联分析的具体步骤为：使用初值化方法或均值化方法无量纲化处理原始数据，计算关联系数、关联度并根据关联度的大小对各指标进行排序，数值越大相关程度越高[26]。

2 南水北调中线工程沿线水库生态系统服务价值计算

2.1 研究区域概况

南水北调中线工程（见图2）自丹江口水库陶岔渠首开始，经过长江、淮河、黄河、海河四大流域，最终输水至北京和天津。至2020年6月3日，南水北调中线工程已安全运行2 000 d，累计向北调水300亿m3，惠及沿线6 000万人口。

图2 区域概况

2.2 生态系统服务价值估算

2.2.1 数据来源

选取2008—2019年数据进行研究，水面面积的相关数据来源于中国地理空间数据云Landsat系列中Landsat5 TM遥感数据图提取分析成果，社会经济数据来源于各省市统计年鉴和问卷调查，水文气象数据来源于各省市水资源公报。

2.2.2 生态系统服务价值评估

利用2008—2019年河南、河北、北京、天津四省市的统计资料并采取问卷调查、考察等方法，收集整理数据，通过费用-效益分析方法，估算2008—2019年历年生态系统服务价值，历年总生态系统服务价值变化趋势如图3所示。由图3可知，2008—2014年，南水北调中线工程沿线库区总生态系统服务价值在940.74亿～1 076.56亿元之间波动，较为稳定；2015—2019年总价值呈上升趋势，由1 033.41亿元上升至1 415.72亿元，年均增长率为9.25%；2008—2019年年均总价值为1 130.92亿元。

图3 总生态系统服务价值变化趋势

供给、调节、支持、文化4个方面指标变化，如图4所示。由图4可以看出，供水、气候调节、水资源贮存、生物多样性上升趋势明显，且在2014年南水北调中线工程通水后上升趋势明显增强，而水产品、水力发电、洪水调蓄、旅游休闲、文化传承在2008—2019年间无突变，整体呈稳定上升趋势，水质净化、教育科研2个指标波动较大、不稳定。

图4 2008—2019年指标变化趋势

供给方面的多年平均价值为90.67亿元，调节方面的多年平均价值为928.14亿元，生物多样性的多年平均价值为1.42亿元，文化方面的多年平均价值为110.69亿元。

各项指标按多年平均价值量从大到小的排序为：气候调节（467.35亿元）、水资源贮存（301.13亿元）、洪水调蓄（144.16亿元）、文化传承（85.33亿元）、供水（76.46亿元）、旅游休闲（25.25亿元）、水质净化（15.50亿元）、水产品（9.63亿元）、水力发电（4.58亿元）、生物多样性（1.42亿元）、科研教育（0.12亿元）。

2.2.3 灰色关联分析

将2008—2019年的总价值序列作为参考序列、各指标序列作为比较序列，使用初值化方法对各项数据进行标准化处理，计算各指标的关联系数与关联度。各指标关联度计算结果，如图5所示。