基于水環境容量的漳衛南流域雙向生態補償標準計算*

龐愛萍 李春暉 劉坤坤 沈 楠

(北京師范大學環境學院，水沙科學教育部重點實驗室，北京 100875)

基于水環境容量的漳衛南流域雙向生態補償標準計算*

龐愛萍 李春暉 劉坤坤 沈 楠

(北京師范大學環境學院，水沙科學教育部重點實驗室，北京 100875)

本文提出一種基于水環境容量的流域雙向生態補償標準計算方法，闡述了補償特征、補償原則、和生態補償標準計算方法。使用一維對流推移方程的段尾控制模型對水環境容量進行計算，結合水功能區內的污染物的排放量，得出水環境容量剩余，以污水處理廠的平均治理成本作為恢復成本，計算出流域生態補償標準。利用該方法對漳衛南流域幾個重要水源區生態補償標準進行計算，為漳衛南運河流域水源保護區的水資源保護和管理提供了依據。

流域生態補償;水環境容量;恢復成本;漳衛南流域

生態補償指“在發展中對生態功能和質量造成損害的一種補償，目的是為了提高受損地區的環境質量，或者創建新的具有相似生態功能和環境質量的區域”［1－9］。針對流域生態保護和修復措施帶來正的外部性的地區和部門補貼行為，有關學者進行了大量的研究，逐漸形成一套完整的理論體系，但是對流域生態補償的雙向行為研究較少。隨著我國水污染控制由目標控制向總量控制這一環保政策的實施，污染源負荷統計及水環境容量核算在在全國迅速開展，計算方法也趨于成熟［10－12］。采用環境容量研究成果，將環境容量整合到生態補償標準的計算的過程，一方面有利于明確生態補償的主客體;另一方面有利于水污染控制由濃度控制和目標總量控制向容量總量控制轉變這一環保政策的推行和實施。本文以恢復成本法和流域雙向補償為依據，提出基于水環境容量的流域生態補償標準的確定方法，并以漳衛南流域為例，計算流域生態補償標準、并確定其生態補償的主體，為漳衛南流域管理提供依據。

1 計算方法

1.1 流域生態補償的特征

如果流域某一區域制定了一定期限的水環境治理目標，為了實現這個目標，應對上游的生態保護和修復等能產生正的外部性的行為進行補償，而不利于或可能延遲目標實現措施應該對下游進行補償，以便于下游進行環境治理等措施的實施。因此，流域生態補償應該是一種雙向行為。

1.2 補償原則

誰保護誰收益、誰受益誰補償:旨在表明流域下游受益群體對上游生態保護和修復行為的一種補償關系;

誰損害誰補償:旨在表明上游排污單位對下游相關群體的一種補償關系;

動態性:根據水質的情況和上游水量的釋放情況每年進行調節，同時，盡可能建立一種長效機制，特別是通過上游的產業轉型和生活方式的改變，逐步實現地區的水資源的可持續發展。

1.3 生態補償標準計算方法

在基于水環境容量的生態補償標準的確定中，需要明確幾個重要的參數及其意義:環境容量(M)是指在人類生存和自然生態不致受害的前提下，某一環境所能容納的污染物的最大負荷量;污染物排放量(M0)是指污染源排入環境或其它設施的某種污染物的數量;恢復成本(P0)是指恢復水質所需的費用，一般用污水處理廠的處理成本來確定水資源污染損失單價。

1.3.1 水環境容量(M)計算

(1)水功能區的劃分。水環境容量計算過程中要對研究河流作計算分區的確定，劃分原則為:保證行政區劃的整體性;充分考慮水污染的空間分布及類型特征;充分考慮污染源類型及排放特征;以功能區劃分為基礎;保證流域的相對獨立性。

(2)流域水環境容量模型。環境容量的計算需要建立水環境容量計量模型，它建立在水質和水體稀釋與自凈的規律的基礎之上的，河流的水環境容量可用函數關系式表達為［8］:

式中:M為水環境容量;起始斷面污染物濃度(mg/ L);Cs為污染物段尾濃度，或者水環境質量標準(mg/L); x、Q、q、t為分別表示距離、河流流量、排放污水量和時間。

水環境容量模型主要包括零維模型、一維水模型和二維模型(見表1)。

表1 主要水環境容量計算模型

本研究中河段長度遠遠大于河段水面寬度，排入水體后橫向混合長度遠小于河段的計算流程長，因此采取水環境容量的一維模型。一維計算方法主要有段首控制法、段尾控制法和功能區段尾控制法［13］，段尾控制的目的在于讓水質在各段末達到功能區段水質標準，就可以反推出該段段首處的環境容量，本文利用段尾控制模型，公式如下:

其中，M為功能區水環境容量，(mg);Cs為污染物段尾濃度(mg/L);C0起始斷面污染物濃度(mg/L);k為污染物綜合自凈系數(1/s);L為河段長度(m);u為設計流量下岸邊污染帶的平均流速(m/s);Qr為設計流量，(L)。

參數確定原則為:

(1)Cs根據地表水環境質量標準GB3838－2002水源區制定水質目標確定;

(2)C0根據上一功能區的水質目標來確定;

(3)K值的確定是河流水環境容量估算的關鍵，計算方法有分析借用法、實測法和經驗公式法。不同的河流降解系數差異較大，用分析借用法來確定降解系數是一種粗略的方法;實測法計算降級系數選擇的研究對象必須有代表性，即幾個測定點污染物濃度應有一個從高到低的降解過程，如整個水質均勻或者監測點之間濃度差很小，計算出的K值很小，甚至是負值，對實際的指導意義不大;本研究采用經驗公式法來估算河段的K值;

(4)Qr的確定方法主要有水文保證率法、最枯月平均流量法、徑流系數法等，本文根據GB3838－2002《地表水環境質量標準》制定地方水污染物排放標準的技術原則和方法，以研究河段采用90%保證率的月均最枯流量為設計流量;

(5)u的主要有以下兩種確定情況，當實測資料比較豐富的地區，能繪制出水位－流量、水位－面積關系曲線，在已知設計流量情況下，即可以推求斷面設計水位和相應面積;無資料時，可采用經驗公式計算斷面流速，也可通過實測確定。

1.3.2 總污染物排放量(M0)的確定

根據實地調查與收集漳衛南流域工業生產廢水、城鎮生活污水等排放數據，計算水環境功能區內排放的總的污染物的量(M0)。

1.3.3 恢復成本(P0)的確定

恢復成本計算公式如下:

其中，P0為恢復成本，單位為億元/t;D為污水治理成本，單位為元/t;CI為進水的COD濃度，單位為mg/L;CO為出水的COD濃度，單位為mg/L。

我國主要城鎮污水處理廠的治理成本為1.29元/t，進水COD濃度為253.79mg/L，出水的COD濃度為22.03 mg/L(根據2006年《中國城鎮污水處理廠匯編》主要城鎮污水處理相關數據平均得到)。

將數據帶入公式得出恢復成本P0為5.57×10－5億元/t。

1.3.4 補償標準的確定

基于水環境容量的水源地生態補償標準的計算公式為:

結果如果是正值，也就是還有環境容量的剩余，下游應該因上游提供優良水質進行補償;如果是環境容量剩余為負值，也就是上游的來水沒有達到規定的水質標準，下游需要進行水生態修復措施，才能達到水質標準，因此上游應該對下游進行相應的補償。

2 實例研究

2.1 案例研究區概況

漳衛南運河水系發源于太行山脈，是海河流域五大水系之一，流經晉、冀、豫、魯、津五省市，流域面積3.8萬km2。其中，上游山區2.5萬km2，中下游平原區1.3萬km2，漳衛南運河由漳河、衛河兩大支流組成，兩河在河北省館陶縣徐萬倉匯合后稱衛運河，經四女寺樞紐又分為南運河(入海河干流)和漳衛新河(入渤海)，漳衛南水系重要的水源保護區有安陽市彰武水庫(AY)、鶴壁市水源區(HB)、清漳河河北水源區(QZ)、岳城水庫(YC)、清漳東源水源區(QZD)。這些水源保護區大多處于流域的上游，肩負著提供優良水質的責任，犧牲了一些發展的機會，在提供優良水質的情況下，下游應該對這些地區進行生態補償，彌補上游地區的損失;但是上游一些用水單位過度利用水資源和污水的無序排放會造成嚴重的水污染事故，犧牲了下游利用水資源的權利，采用基于水環境容量的流域雙向生態補償措施，可以明確生態補償的主體，為生態補償標準的制定提供依據。

2.2 漳衛南水源地生態補償標準確定

2.2.1 環境容量(M)計算

(1)水功能一級區劃的主要原則為:優先保護飲用水水源地，將流域內重要的地表水供水源地、重要河流源頭劃分保護區;

(2)根據地表水環境質量標準GB3838－2002各水源區制定的水質目標確定COD的段尾控制濃度CS;

(3)根據上一個水功能區的水質目標來確定起始斷面COD的濃度C0; (4)根據經驗公式法確定COD的降解系數K; (5)采用水文保證率為90%作為設計流量Qr; (6)采用經驗公式法來確定流速u。

根據以上的確定原則結合實際收集的數據(見表2)將參數CS、C0、K、Qr、L、u帶入公式(2)，計算漳衛南運河子流域主要的飲用水源保護區環境容量，結果見圖1。

2.2.2 污染物排放量(M0)以及生態補償標準的確定

圖1給出了各水源區污染物的COD排放量調查和資料整理后的的排放量(M0)，其中岳城水庫水源地保護區(YC)COD的排放量最小，說明該水源區的水資源得到了很好的保護，而安陽市彰武水庫飲用水源區(AY)COD的排放量最大，達到了1 088.1t/a。

表2 漳衛南流域主要水源區

由前面的計算得出水資源的恢復成本P0為5.57× 10－5億元/t，把數據帶入公式(4)得出各個水源地的生態補償標準(負數表示污染物排放量超過了水環境容量，上游償付相應的費用)。結果見圖3。

圖3 各水源區的生態補償標準

2.2.3 結果分析

鶴壁市飲用水源區、岳城水庫水源區和清漳東源山西保護區內的企業和單位排放的污染物質對水質的影響均在水環境容量范圍之內，并且還有水環境容量剩余，下游向上游償付一定的費用，用于對提供優良水質的補償，鶴壁市飲用水源區、岳城水庫水源區和清漳東源山西保護區下游向上游的生態補償費用分別為282，31和62萬元/a。

根據安陽市2006年水環境監測，由于沿河沿岸大量生活污水和工業廢水的排入，轄區內水質呈現不同程度的惡化趨勢，安陽市市內主要河流和水庫等水域的水質，符合國家標準的Ⅱ－Ⅲ類水的很少，總體質量較差。結合本文研究，安陽市彰武水庫飲用水源區上游需向下游補償453萬元用于下游污水處理、水生態恢復等措施的實施。

清漳河流域的社會經濟發展對水的需求不斷增加，工業廢水和城鎮生活污水不加處理直接排放入河，造成河流水體污染;清漳河上游入境水量大幅度減少，入河污染物大大超過河流的納污能力，致使清漳河水質嚴重惡化，對飲水水質安全造成了極大的隱患，實施生態補償措施，清漳河河北飲用水源區上游需向下游補償388萬元用于水質和水生態恢復。

3 結論與建議

(1)以恢復成本法和流域雙向補償為依據，提出基于水環境容量的流域生態補償標準的確定方法，如果上游來水超過水環境容量，上游排污單位有責任給下游進行補償，用于污水的治理;相反，水環境容量還有剩余的情況下，下游應該向上游償付提供優良水質的費用。這種方法補償主體比較明確，有利于水污染控制由濃度控制和目標總量控制向容量總量控制轉變這一環保政策的推行和實施。

(2)配合我國的污染容量總量控制政策，建立長效的生態補償機制，根據每年的水質情況，對流域上下游動態的進行生態補償標準的核算，確定上下游生態補償關系，根據水質的污染情況和上游水量的釋放情況每年進行調節;同時，盡可能建立一種長效機制，特別是通過上游的產業轉型和生活方式的改變，逐步實現地區的水資源的可持續發展。

(編輯:李琪)

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AbstractA method about ecological compensation computation of the basin’s water source areas is proposed based on water environmental capacity.The expounds compensation characteristics，compensation principles and standard calculation me thod of ecological compensation.By using end paragraph control model based on one-dimensional convection equation to calculate water environmental capacity，and combining pollutant emissions in water function area，the paper comes to the remaining of the water environment capacity.By taking the average treatment costs of the sewage treatment plant as the renewing costs，the calculates the compensation standard of water basin.Using this method，this paper calculates eco-compensation standards for some important sources of Zhangweinan Basin，and provides the basis for the water resources protection and management of Zhangweinan Canal Basin.

Key wordsbasin’s ecological compensation;water environmental capacity;cost renewing;Zhangweinan Basin

Ecological Compensation in the Water Source Areas of Zhangweinan Basin Based on Water Environmental Capacity

PANG Ai-pingLI Chun-huiLIU Kun-kunSHEN nan
(Ministry of Education Key Laboratory of Water-sediment Science，School of Environment，Beijing Normal University，Beijing 100875，China)

X196

A

1002－2104(2010)05專－0100－04

2010-06-16

龐愛萍，博士生，主要研究方向為生態補償。

李春暉，副教授，主要研究方向為水資源管理。

*國家自然科學基金項目(編號:50709002)資助。