基于生態系統服務價值的水電開發生態補償研究

摘要：水電作為一種清潔的可再生能源形式，在實現“雙碳”目標中發揮關鍵作用。然而，如何在促進經濟效益的同時減輕其環境影響，特別是通過優化生態補償機制來協調這一關系，仍需深入探討。以黃河上游瑪爾擋水電站為案例，采用生態價值當量法核算該水電站影響區2015年和2021年的生態系統服務價值，并結合土地利用遙感數據預測蓄水后（2025年）的生態系統服務價值變化趨勢，提出合理的生態補償參考方案。結果表明：2015年至蓄水后，由于草地、林地和耕地轉變為水域，水文調節與水資源供給等生態系統服務價值顯著提升；而氣候調節、土壤保持及生物多樣性等其他服務略有下降。總體來看，生態系統服務價值呈現溫和上升趨勢。2021年的生態補償額度為112.91億元，預計蓄水后的生態補償額度將增加至113.67億元，其中瑪沁縣區域的生態補償優先級相對較高。研究成果可為黃河上流高寒海拔地區的生態補償機制提供理論依據和實踐參考。

關 鍵 詞：生態系統服務價值；生態補償；水電開發；生態價值當量法；瑪爾擋水電站

中圖法分類號：TV213.4

文獻標志碼：ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.12.016

0 引 言

水力發電作為一種清潔能源，在全球范圍內持續增長，成為應對氣候變化和能源危機的關鍵手段之一^［1-3］。黃河流域上游水資源豐富，水位落差大，是中國主要的水力發電基地^［4］。黃河上游水電站裝機容量達到1 496萬kW，占國內水電開發量的3.9%，占黃河流域可開發量的44.7%^［5-6］。其中，瑪爾擋水電站作為黃河上游的重要樞紐工程，不僅在能源供應方面具有重要作用，還為黃河上游地區的經濟發展提供了支持。

水電開發在帶來顯著的經濟效益的同時，也對當地生態系統產生了影響，如移民搬遷、河流生態、生物多樣性和水資源安全等^［7］。水電站的環境影響通常與建設地點、工程規模及運行方式等密切相關^［8］。通過對近20 a的相關文獻回顧分析，發現水電站主要對河流水文、氣候變化、植物群落、動物群落、自然景觀及歷史遺跡產生等產生影響。針對這些生態環境外部性問題，科學合理的生態補償越來越受到學術界和政策制定者的關注^［9-11］。

生態補償是國際社會廣泛認可的應對水電工程環境外部性問題的有效策略^［12-13］，旨在通過建設、運營及場地恢復過程中采取緩解措施，最大限度減少環境影響并對殘余影響進行補償^［14］。生態補償涵蓋直接或間接生態損失補償，還重點關注了運營階段的生物多樣性保護、庫區管理、水質控制及土壤保持等。補償機制的核心原則是“污染者支付”和“受益者支付”，確保開發者與使用者承擔相應的責任。生態補償機制問題的關鍵還在于明確支付者與受益者的權利和義務，通常涉及政府、開發者、保護者、受益者和利益相關者之間的多方協商^［15-16］。當前研究在補償標準量化上有多個方法^［17］，如機會成本法^［18-19］、費用分析法^［20］和生態系統服務價值法。

瑪爾擋水電站位于青海省三江源國家級自然保護區內黃河干流上，為一等大（1）型工程，采用堤壩式開發，最大壩高211 m，水庫正常蓄水位為3 275 m，總裝機容量為2 200 MW，是目前黃河流域在建海拔最高的水電工程。電站建成后，對促進藏區地方經濟發展具有積極作用。

本研究旨在通過生態價值當量法，量化瑪爾擋水電站蓄水前后區域內生態系統服務價值的變化，探討水電開發對生態系統的具體影響，并據此設計合理的生態補償機制。具體而言，研究評估水電站對水文調節、生物多樣性保護等生態服務的影響，提出基于生態系統服務價值的補償標準，并綜合考慮區域社會經濟狀況，制定科學的補償方案，以期為黃河上游高寒高海拔地區的生態補償機制提供理論依據和實踐參考。

1 研究區概況與數據處理

1.1 研究區概況

瑪爾擋水電站位于三江源國家級自然保護區內的黃河干流上，其建設區和蓄水區跨越青海省果洛藏族自治州瑪沁縣、海南藏族自治州同德縣和河南蒙古族自治縣，以及甘肅省甘南藏族自治州瑪曲縣，影響4個縣（圖1）。區域氣候屬于典型的大陸性氣候，冬季寒冷干燥，夏季涼爽濕潤，雨量集中，日溫差和年溫差顯著，無霜期較短。多年平均氣溫在1.8～3.6 ℃之間，1月平均氣溫達到最低-12.3 ℃，而7月平均氣溫最高為10.2 ℃（圖2）。多年平均年降水量為675.3 mm，年蒸發量1 304.5 mm，最大風速達到31 m/s，最大凍土深度為177 cm。主要植被類型包括針闊混交林、寒溫性針葉林、高寒灌叢、高寒草甸和高寒草原等。

1.2 數據來源

（1）生態系統類型數據。1990～2021年的中國土地覆蓋數據集（Annual China Land Cover Dataset，CLCD）（https：∥zenodo.org/record/4417810）^［21］由武漢大學提供，分辨率為30 m，基于Google Earth Engine平臺處理的335 709景Landsat影像生成。CLCD數據集具有較高的精度和可靠性，總體精度達到79.31%。

（2）統計數據。2015～2021年農業數據來自《中國統計年鑒》《青海省統計年鑒》《全國農產品成本收益資料匯編（2016）》《全國農產品成本收益資料匯編（2022）》和《全國農產品成本收益資料匯編（2023）》。從中選取了2015、2022年和2023年青海省5種主要糧食作物（小麥、青稞、玉米、大豆和馬鈴薯）的種植面積、平均價格和單位面積產量等數據。

1.3 數據處理方法

1.3.1 生態系統服務價值核算

本研究采用生態價值當量法^［22］評估瑪爾擋水電站影響區的生態系統服務價值，該方法通過將生態系統服務功能的經濟價值等量化為可衡量的貨幣單位，評估各類生態系統對服務價值的貢獻。

當量因子法將生態系統服務功能歸納為供給、調節、文化和支持服務四類^［22］。以生態系統為單元，基于生態價值當量表^［23］，乘以相應生態系統面積，計算各生態系統的價值（表1）。區域生態系統服務功能總價值V通過各生態系統類型服務功能價值和面積累加得到，計算公式為

V=∑n/i=1∑m/j=1e_ij×E_a×A_j（1）

式中：V為研究區生態系統服務總價值，元；i為生態系統服務功能類型；j為生態系統類型；e_ij為第j種生態系統的第i種生態服務功能相對于農田生態系統提供生態服務單價的當量因子；E_a為單位面積農田生態系統食物生產服務功能的經濟價值，元/hm²；A_j為第j類生態系統面積，hm²。

標準單位生態系統服務價值當量因子等同于1 hm²全國平均產量的農田每年自然糧食產量的經濟價值^［23］。單位農田生態系統的糧食產量價值的計算公式為

E_a=1/7∑n/i=1r_iS_iv_i/M （2）

式中：E_a為1個標準當量的生態系統服務價值量，元/hm²；i代表糧食作物種類，i=1，2，…，n；r_i代表第i種糧食作物的平均價格，元/kg；S_i代表第i種糧食作物單位面積產量，kg/hm²；v_i為第i種糧食作物播種總面積，hm²；M為研究區域所有糧食作物的播種總面積，hm²；n為研究區域主要糧食作物的總類別數量，馬爾擋水電站影響區主要糧食作物為小麥、青稞、玉米、大豆和馬鈴薯^［24-25］。基于統計數據得到瑪爾擋水電站影響區的E_a值為3 065.20元/hm²。

1.3.2 生態補償計算方法

水電站生態補償計算時考慮了無法直接商品化的調節功能和支持功能的非市場價值。區域的生態補償價值總量的核算方法為

R=V_s×k×α（3）

α=2arctan V_a/G_a /π（4）

式中：R是區域的生態補償額度，元；V_s是區域納入生態補償范圍的生態系統服務功能的非市場價值總量，元；k是生態系統服務價值折算系數，考慮到社會經濟發展水平對理論生態補償額度的調整，同時參考已有研究成果和研究區實際情況，本影響區的k值取10%，更好平衡生態價值與實際補償需求；α表示生態補償需求強度系數，通過反正切函數平衡生態服務價值與區域GDP之間的差異，避免生態補償的資金集中于個別縣域；V_a為納入生態補償范圍的單位面積生態系統服務價值，元/km²；G_a為區域單位面積GDP，元/km²。

生態補償優先級的計算公式為

E=V_a/G_a（5）

式中：E為地區生態補償優先級。E值越大，說明生態補償對區域經濟發展影響越大，應優先得到生態補償。

2 結果分析

2.1 水電站影響區生態系統類型變化

2015～2021年期間因水電站建設，森林、草地和耕地面積呈不同程度減少趨勢，而水域和未利用土地面積則有所增加。瑪爾擋水電站影響區的生態系統類型以草地為主，占總面積的90%以上，其次是占約4%的林地，而耕地和建設用地的面積占比不足0.1%（表2）。數據分析結果顯示，蓄水導致林地和草地面積減少，水域面積顯著增加。

2.2 水電站影響區生態系統服務價值變化

評估顯示，2015年和2021年，瑪爾擋水電站影響區的生態系統服務總價值分別為1 309.22億元和1 325.96億元（表3）。一類服務中調節服務價值最高，2015年和2021年占總價值的65.28%和65.79%，分別達到854.61億元和872.32億元。二類服務中氣候調節價值最大，其后依次為水文調節、保持土壤、生物多樣性保護等。

從不同生態系統類型來看，草地價值最高，其次是森林和水域，未利用土地和耕地的價值較低，建設用地的服務價值為負。2015年耕地、森林、草地、水域、建設用地和未利用地價值占總價值的比例分別為0.02%，6.54%，90.75%，2.47%，0.01%和0.21%，2021年耕地、森林、草地、水域、建設用地和未利用地價值占總價值的比例分別為0.02%，6.30%，88.75%，4.65%，0和0.28%。草地是瑪爾擋水電站影響區價值的主要貢獻者，其他生態系統類型的服務價值相對較少。

隨著草地、林地和耕地等生態系統類型在水電站蓄水后（預測至2025年）被淹沒而被轉化為水域，瑪爾擋水電站影響區的生態系統服務總價值預計將達到1 333.80億元。生態系統服務價值呈增加趨勢，相較于2015年，服務價值預計將增加24.59億元，因蓄水導致水資源增加水電站蓄水對生態系統服務價值具有正面影響。

2015～2021年期間，氣候調節、土壤保持、氣體調節和維持生物多樣性服務價值呈減少趨勢，分別減少了2.99億、1.30億、1.07億元和0.78億元。其他生態系統服務價值均有不同程度的增加，其中水文調節、水資源供給的服務價值顯著增加，分別增加了21.37億、1.74億元。預測蓄水后，水文調節、水資源供給和凈化環境的服務價值比2015年分別增加了28.40億、2.31億元和0.70億元。其他生態系統服務價值均呈不同程度減少趨勢（圖3）。

2.3 瑪爾擋水電站影響區生態補償額度

2015、2021年以及預測蓄水后（2025年），瑪爾擋水電站影響區納入生態補償的生態系統服務價值分別為1 164.03億、1 179.55億元和1 186.72億元。此服務價值主要集中在草地和水域生態系統，構成了生態補償的核心。預測顯示，蓄水后生態系統服務價值相較于2015年增加22.69億元，較2021年增加7.17億元，水文調節服務價值顯著提升。引入區域生態補償需求強度系數與生態價值折算系數后，本研究估算瑪爾擋水電站影響區在各年份的實際生態補償額度，分別為112.92億、112.77億元和113.49億元。生態補償優先級排序為瑪沁縣＞瑪曲縣＞河南蒙古族自治縣＞同德縣（表4）。

3 討 論

3.1 水電站蓄水后生態系統服務價值的變化

草地、林地和耕地因水庫蓄水而被淹沒轉化為水域，這種轉變在一定程度上增加了水域相關的生態系統服務價值。水域面積的增加顯著提升了水文調節和水資源供給等生態系統服務價值，是整體價值變化的主要驅動因素。與此同時，草地和林地面積的減少導致了氣候調節、土壤保持和生物多樣性保護等服務價值的下降。這主要由于植被減少對區域氣候、土壤結構穩定性及生物棲息地產生了負面影響^［26］。瑪爾擋水電站建設和運營直接影響了河流的水文過程，并通過改變土地利用方式間接影響了生態系統服務。雖然水文調節和水資源供給功能顯著增強，但植被減少導致的生物多樣性損失和土壤流失需要引起重視。研究結果與賈建輝等在武江干流水電開發的研究結果一致^［27］，表明水電開發對河流生態系統的服務價值具有一定的正向作用，服務價值的正效應可能大于負效應，尤其在水文調節和氣體調節方面的正向效應顯著，但同時也帶來了支持服務（如生物多樣性保護和土壤保持等）價值的下降。

氣候變化、政策調整以及人類活動等對未來生態系統服務價值預測帶來了一定的不確定性。氣候變化可能影響區域降水模式、蒸發量及植被生長，進而影響生態系統服務功能。政策變化，如生態保護政策的加強或弱化，也可能導致補償需求和資金分配的動態調整。土地利用方式改變或基礎設施的擴展等人類活動的增加也可能進一步影響區域生態系統的服務價值。因此，在制定生態補償機制時，需要考慮這些不確定因素的影響，確保補償策略的適應性和靈活性。

綜合來看，水電站蓄水對生態系統服務價值的影響是多層次的。不同生態系統類型之間的服務功能相互權衡，需要在未來的補償機制設計中綜合考慮水電開發對各類生態系統服務的多重影響，并通過長期監測和多學科方法來優化生態補償策略。

3.2 不同時期補償方式的選擇

水利水電工程的整個周期通常包括準備期、建設期和運營期，生態補償機制應貫穿始終（圖4）。前期準備階段，水電工程占地、移民安置及建筑材料的使用（如生產水泥和鋼材等）等對環境產生直接影響，需詳細規劃施工占地、移民補償辦法及采用環保建筑材料等生態保護措施。

在建設階段，準備階段的負面影響持續存在。隨著施工活動的增加，能源消耗、廢污水、廢氣、噪聲和固體廢物的排放對環境造成進一步影響，需持續投入生態補償資金進行生態修復。建設期補償對象主要是因水電站建設而直接或間接受到影響的移民和生態系統，補償方式包括資金補償和生態修復措施的實施。

運營期生態補償則需涵蓋生物多樣性保護、庫區消落帶治理、水污染控制及土壤保持等生態功能的維持與修復。瑪爾擋水電站通過庫區植被恢復、河流生態系統修復、野生動物救助等措施，確保生態系統服務功能的補償需求得到滿足。此外，運營期還可通過開展庫區養殖和生態旅游等活動，促進當地經濟發展的同時，增強公眾的環保意識，帶來正向的環境效益。其中，保護珍稀動植物與自然景觀是生態補償的重要組成部分，需要在環境影響評估中制定相應的政策，如建立自然保護區、救助站和博物館等。

水利水電工程的整個周期，補償重點是移民安置、魚類及動植物棲息地恢復以及自然景觀修復。在運營期，隨著水資源供給和水文調節功能顯著提升，生態系統服務功能的補償需求也隨之增加。補償機制的設計應結合社會經濟因素，確保移民的長期生活保障和就業機會的創造。通過補償資金的投入，促進當地基礎設施的改善，同時推動綠色就業，如在生態修復項目中的工作崗位創造。

利益相關者的參與在整個補償機制的設計和實施過程中至關重要。通過公眾參與和協商對話，充分考慮各方利益，使補償機制更具合理性和可接受性。補償資金的來源應多樣化，不僅來自水電企業，還可通過政策引導，吸納電力消費者、用水企業、航運業者、防洪區和旅游受益者等多方參與，以確保補償措施的長期可持續性。

4 展 望

4.1 跨學科方法在生態補償研究中的應用

本研究揭示了水電開發對生態系統服務的多層次影響。生態補償研究涉及復雜的生態、經濟和社會問題，需要采用跨學科的方法加以解決。未來研究應融合生態學、經濟學、社會學及工程學等學科的理論與實踐，綜合評估水電開發對生態系統服務和社會經濟的影響。為提高社會經濟數據的時效性和空間精度，應引入多源數據，如遙感技術、地方政府報告及實地調查數據。通過跨學科合作，開發創新的評估模型和決策支持工具，減少假設帶來的不確定性，為政策制定提供更加科學的依據。

4.2 生態補償在不同周期階段的應用

由于水電工程在不同周期階段對生態系統服務的影響存在差異，生態補償的實施應貫穿整個項目周期。為確保生態補償的公平性和有效性，補償資金應根據各縣域的生態服務價值與GDP的差異進行優化分配。評估時應考慮當前的生態影響，并結合氣候變化、人口增長和經濟發展對生態系統服務的長期影響，通過更高精度的數據和生命周期評估，提高補償機制應對動態變化的能力，進而提升補償機制的合理性和可操作性。

4.3 長期監測與評估

為深入理解水電開發對生態系統服務的長期影響，有必要在水電站區域建立長期監測與評估機制。通過定期收集生物多樣性、水質、氣候、土壤等方面的數據，全面評估生態補償的效果。基于監測結果及時調整補償措施和管理策略，確保生態補償的有效性和適應性。加強利益相關者的參與，促進生態補償的透明度和公正性，為未來的水電開發和生態保護提供經驗和參考。

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（編輯：黃文晉）

Ecological compensation system for hydropower development based on

ecosystem service value：case study of Maerdang Hydropower Station

SONG Jia¹，HAO Zhenzhen²，MA Junyong²

（1.POWERCHINA Northwest Engineering Corporation Limited，Xi′an 710065，China； 2.China Institute of Geo-Environment Monitoring，Beijing 100081，China）

Abstract： Hydropower，as a clean and renewable energy source，plays a crucial role in achieving carbon neutrality goals.However，balancing the economic benefits of hydropower development with its environmental impacts necessitates a thorough exploration of ecological compensation mechanisms.We took the Maerdang Hydropower Station in the upper Yellow River as the case，analyzed its ecosystem service values in 2015 and 2021 by using the ecological value equivalent method.Then we predicted its ecosystem service values after water impoundment in 2025，in combination with the prediction of the land use change by remote sensing data.Then we put forward a reasonable ecological compensation reference scheme.The results indicate that from 2015 to post-reservoir filling，ecosystem service values such as hydrological regulation and water resource provision have increased significantly due to the conversion of grassland，forestland，and cropland to water bodies.However，other services like climate regulation，soil conservation，and biodiversity have shown slight declines.Overall，ecosystem service value exhibits a moderate upward trend.Specifically，the ecological compensation amount for 2021 was RMB 11.291 billion，with an anticipated increase to RMB 11.367 billion post-reservoir filling，with the Maqin County area prioritized for compensation.Given uncertainties related to climate change and other factors，this study emphasizes the importance of interdisciplinary approaches and long-term monitoring，and it provides an initial exploration of applying ecological compensation mechanisms across the entire lifecycle of hydropower projects.

Key words： ecosystem service value; ecological compensation；hydropower project construction；ecological value equivalence method; Maerdang Hydropower Station