庞爱萍 李春晖 刘坤坤 沈 楠

(北京师范大学环境学院，水沙科学教育部重点实验室，北京 100875)

基于水环境容量的漳卫南流域双向生态补偿标准计算*

庞爱萍 李春晖 刘坤坤 沈 楠

(北京师范大学环境学院，水沙科学教育部重点实验室，北京 100875)

本文提出一种基于水环境容量的流域双向生态补偿标准计算方法，阐述了补偿特征、补偿原则、和生态补偿标准计算方法。使用一维对流推移方程的段尾控制模型对水环境容量进行计算，结合水功能区内的污染物的排放量，得出水环境容量剩余，以污水处理厂的平均治理成本作为恢复成本，计算出流域生态补偿标准。利用该方法对漳卫南流域几个重要水源区生态补偿标准进行计算，为漳卫南运河流域水源保护区的水资源保护和管理提供了依据。

流域生态补偿;水环境容量;恢复成本;漳卫南流域

生态补偿指“在发展中对生态功能和质量造成损害的一种补偿，目的是为了提高受损地区的环境质量，或者创建新的具有相似生态功能和环境质量的区域”［1－9］。针对流域生态保护和修复措施带来正的外部性的地区和部门补贴行为，有关学者进行了大量的研究，逐渐形成一套完整的理论体系，但是对流域生态补偿的双向行为研究较少。随着我国水污染控制由目标控制向总量控制这一环保政策的实施，污染源负荷统计及水环境容量核算在在全国迅速开展，计算方法也趋于成熟［10－12］。采用环境容量研究成果，将环境容量整合到生态补偿标准的计算的过程，一方面有利于明确生态补偿的主客体;另一方面有利于水污染控制由浓度控制和目标总量控制向容量总量控制转变这一环保政策的推行和实施。本文以恢复成本法和流域双向补偿为依据，提出基于水环境容量的流域生态补偿标准的确定方法，并以漳卫南流域为例，计算流域生态补偿标准、并确定其生态补偿的主体，为漳卫南流域管理提供依据。

1 计算方法

1.1 流域生态补偿的特征

如果流域某一区域制定了一定期限的水环境治理目标，为了实现这个目标，应对上游的生态保护和修复等能产生正的外部性的行为进行补偿，而不利于或可能延迟目标实现措施应该对下游进行补偿，以便于下游进行环境治理等措施的实施。因此，流域生态补偿应该是一种双向行为。

1.2 补偿原则

谁保护谁收益、谁受益谁补偿:旨在表明流域下游受益群体对上游生态保护和修复行为的一种补偿关系;

谁损害谁补偿:旨在表明上游排污单位对下游相关群体的一种补偿关系;

动态性:根据水质的情况和上游水量的释放情况每年进行调节，同时，尽可能建立一种长效机制，特别是通过上游的产业转型和生活方式的改变，逐步实现地区的水资源的可持续发展。

1.3 生态补偿标准计算方法

在基于水环境容量的生态补偿标准的确定中，需要明确几个重要的参数及其意义:环境容量(M)是指在人类生存和自然生态不致受害的前提下，某一环境所能容纳的污染物的最大负荷量;污染物排放量(M0)是指污染源排入环境或其它设施的某种污染物的数量;恢复成本(P0)是指恢复水质所需的费用，一般用污水处理厂的处理成本来确定水资源污染损失单价。

1.3.1 水环境容量(M)计算

(1)水功能区的划分。水环境容量计算过程中要对研究河流作计算分区的确定，划分原则为:保证行政区划的整体性;充分考虑水污染的空间分布及类型特征;充分考虑污染源类型及排放特征;以功能区划分为基础;保证流域的相对独立性。

(2)流域水环境容量模型。环境容量的计算需要建立水环境容量计量模型，它建立在水质和水体稀释与自净的规律的基础之上的，河流的水环境容量可用函数关系式表达为［8］:

式中:M为水环境容量;起始断面污染物浓度(mg/ L);Cs为污染物段尾浓度，或者水环境质量标准(mg/L); x、Q、q、t为分别表示距离、河流流量、排放污水量和时间。

水环境容量模型主要包括零维模型、一维水模型和二维模型(见表1)。

表1 主要水环境容量计算模型

本研究中河段长度远远大于河段水面宽度，排入水体后横向混合长度远小于河段的计算流程长，因此采取水环境容量的一维模型。一维计算方法主要有段首控制法、段尾控制法和功能区段尾控制法［13］，段尾控制的目的在于让水质在各段末达到功能区段水质标准，就可以反推出该段段首处的环境容量，本文利用段尾控制模型，公式如下:

其中，M为功能区水环境容量，(mg);Cs为污染物段尾浓度(mg/L);C0起始断面污染物浓度(mg/L);k为污染物综合自净系数(1/s);L为河段长度(m);u为设计流量下岸边污染带的平均流速(m/s);Qr为设计流量，(L)。

参数确定原则为:

(1)Cs根据地表水环境质量标准GB3838－2002水源区制定水质目标确定;

(2)C0根据上一功能区的水质目标来确定;

(3)K值的确定是河流水环境容量估算的关键，计算方法有分析借用法、实测法和经验公式法。不同的河流降解系数差异较大，用分析借用法来确定降解系数是一种粗略的方法;实测法计算降级系数选择的研究对象必须有代表性，即几个测定点污染物浓度应有一个从高到低的降解过程，如整个水质均匀或者监测点之间浓度差很小，计算出的K值很小，甚至是负值，对实际的指导意义不大;本研究采用经验公式法来估算河段的K值;

(4)Qr的确定方法主要有水文保证率法、最枯月平均流量法、径流系数法等，本文根据GB3838－2002《地表水环境质量标准》制定地方水污染物排放标准的技术原则和方法，以研究河段采用90%保证率的月均最枯流量为设计流量;

(5)u的主要有以下两种确定情况，当实测资料比较丰富的地区，能绘制出水位－流量、水位－面积关系曲线，在已知设计流量情况下，即可以推求断面设计水位和相应面积;无资料时，可采用经验公式计算断面流速，也可通过实测确定。

1.3.2 总污染物排放量(M0)的确定

根据实地调查与收集漳卫南流域工业生产废水、城镇生活污水等排放数据，计算水环境功能区内排放的总的污染物的量(M0)。

1.3.3 恢复成本(P0)的确定

恢复成本计算公式如下:

其中，P0为恢复成本，单位为亿元/t;D为污水治理成本，单位为元/t;CI为进水的COD浓度，单位为mg/L;CO为出水的COD浓度，单位为mg/L。

我国主要城镇污水处理厂的治理成本为1.29元/t，进水COD浓度为253.79mg/L，出水的COD浓度为22.03 mg/L(根据2006年《中国城镇污水处理厂汇编》主要城镇污水处理相关数据平均得到)。

将数据带入公式得出恢复成本P0为5.57×10－5亿元/t。

1.3.4 补偿标准的确定

基于水环境容量的水源地生态补偿标准的计算公式为:

结果如果是正值，也就是还有环境容量的剩余，下游应该因上游提供优良水质进行补偿;如果是环境容量剩余为负值，也就是上游的来水没有达到规定的水质标准，下游需要进行水生态修复措施，才能达到水质标准，因此上游应该对下游进行相应的补偿。

2 实例研究

2.1 案例研究区概况

漳卫南运河水系发源于太行山脉，是海河流域五大水系之一，流经晋、冀、豫、鲁、津五省市，流域面积3.8万km2。其中，上游山区2.5万km2，中下游平原区1.3万km2，漳卫南运河由漳河、卫河两大支流组成，两河在河北省馆陶县徐万仓汇合后称卫运河，经四女寺枢纽又分为南运河(入海河干流)和漳卫新河(入渤海)，漳卫南水系重要的水源保护区有安阳市彰武水库(AY)、鹤壁市水源区(HB)、清漳河河北水源区(QZ)、岳城水库(YC)、清漳东源水源区(QZD)。这些水源保护区大多处于流域的上游，肩负着提供优良水质的责任，牺牲了一些发展的机会，在提供优良水质的情况下，下游应该对这些地区进行生态补偿，弥补上游地区的损失;但是上游一些用水单位过度利用水资源和污水的无序排放会造成严重的水污染事故，牺牲了下游利用水资源的权利，采用基于水环境容量的流域双向生态补偿措施，可以明确生态补偿的主体，为生态补偿标准的制定提供依据。

2.2 漳卫南水源地生态补偿标准确定

2.2.1 环境容量(M)计算

(1)水功能一级区划的主要原则为:优先保护饮用水水源地，将流域内重要的地表水供水源地、重要河流源头划分保护区;

(2)根据地表水环境质量标准GB3838－2002各水源区制定的水质目标确定COD的段尾控制浓度CS;

(3)根据上一个水功能区的水质目标来确定起始断面COD的浓度C0; (4)根据经验公式法确定COD的降解系数K; (5)采用水文保证率为90%作为设计流量Qr; (6)采用经验公式法来确定流速u。

根据以上的确定原则结合实际收集的数据(见表2)将参数CS、C0、K、Qr、L、u带入公式(2)，计算漳卫南运河子流域主要的饮用水源保护区环境容量，结果见图1。

2.2.2 污染物排放量(M0)以及生态补偿标准的确定

图1给出了各水源区污染物的COD排放量调查和资料整理后的的排放量(M0)，其中岳城水库水源地保护区(YC)COD的排放量最小，说明该水源区的水资源得到了很好的保护，而安阳市彰武水库饮用水源区(AY)COD的排放量最大，达到了1 088.1t/a。

表2 漳卫南流域主要水源区

由前面的计算得出水资源的恢复成本P0为5.57× 10－5亿元/t，把数据带入公式(4)得出各个水源地的生态补偿标准(负数表示污染物排放量超过了水环境容量，上游偿付相应的费用)。结果见图3。

图3 各水源区的生态补偿标准

2.2.3 结果分析

鹤壁市饮用水源区、岳城水库水源区和清漳东源山西保护区内的企业和单位排放的污染物质对水质的影响均在水环境容量范围之内，并且还有水环境容量剩余，下游向上游偿付一定的费用，用于对提供优良水质的补偿，鹤壁市饮用水源区、岳城水库水源区和清漳东源山西保护区下游向上游的生态补偿费用分别为282，31和62万元/a。

根据安阳市2006年水环境监测，由于沿河沿岸大量生活污水和工业废水的排入，辖区内水质呈现不同程度的恶化趋势，安阳市市内主要河流和水库等水域的水质，符合国家标准的Ⅱ－Ⅲ类水的很少，总体质量较差。结合本文研究，安阳市彰武水库饮用水源区上游需向下游补偿453万元用于下游污水处理、水生态恢复等措施的实施。

清漳河流域的社会经济发展对水的需求不断增加，工业废水和城镇生活污水不加处理直接排放入河，造成河流水体污染;清漳河上游入境水量大幅度减少，入河污染物大大超过河流的纳污能力，致使清漳河水质严重恶化，对饮水水质安全造成了极大的隐患，实施生态补偿措施，清漳河河北饮用水源区上游需向下游补偿388万元用于水质和水生态恢复。

3 结论与建议

(1)以恢复成本法和流域双向补偿为依据，提出基于水环境容量的流域生态补偿标准的确定方法，如果上游来水超过水环境容量，上游排污单位有责任给下游进行补偿，用于污水的治理;相反，水环境容量还有剩余的情况下，下游应该向上游偿付提供优良水质的费用。这种方法补偿主体比较明确，有利于水污染控制由浓度控制和目标总量控制向容量总量控制转变这一环保政策的推行和实施。

(2)配合我国的污染容量总量控制政策，建立长效的生态补偿机制，根据每年的水质情况，对流域上下游动态的进行生态补偿标准的核算，确定上下游生态补偿关系，根据水质的污染情况和上游水量的释放情况每年进行调节;同时，尽可能建立一种长效机制，特别是通过上游的产业转型和生活方式的改变，逐步实现地区的水资源的可持续发展。

(编辑:李琪)

［1］Engel S，Pagiola S，Wunder S.Designing Payments for Environmental Services in Theory and Practice:An Overview of the Issues［J］.Ecological Economics，2008，22:663－674.

［2］刘玉龙，许凤冉，张春玲，阮本清，罗尧增.流域生态补偿标准计算模型研究［J］.中国水利，2006，(22):35－40.

［3］耿勇，戚瑞，张攀.基于水足迹的流域生态补偿标准模型研究［J］.中国人口·资源与环境，2009，19(6):11－15.

［4］赵来军，李怀祖.流域跨界水污染纠纷对策研究［J］.中国人口·资源与环境，2003，13(6):49－53.

［5］王艳，王倩，赵旭丽，等.山东省水环境污染的经济损失研究［J］.中国人口·资源与环境，2006，16(2):83－87.

［6］欧阳志云，王如松，赵景柱.生态系统服务功能及其生态经济价值评价［J］.应用生态学报，1999，10(5):635－640.

［7］张志强，徐中民.黑河流域张掖地区生态系统服务恢复的条件价值评估［J］.生态学报，2002，22(6):885－893.

［8］郑海霞，张陆彪.流域生态服务补偿定量标准研究［J］.环境保护，2006，(1):42－46.

［9］刘晓红，虞锡君.基于流域水生态保护的跨界水污染补偿标准研究—关于太湖流域的实证分析［J］.生态经济，2007，(8):130－135.

［10］王霞，吕宪国.基于富营养化阀值的松花江水环境容量分析［J］.湖泊科学，2006，18(5):500－508.

［11］陈丁江，吕军，沈晔娜，金树权，史一鸣.三峡水库水环境容量计算［J］.环境科学，2008，29(9):2438－2445.

［12］杨杰军，王琳，王成见，黄绪达.中国北方河流环境容量核算方法研究［J］.水利学报，2009，40(2):50－56.

［13］苏保林，贾海峰.基于排污口权重的一维河流水环境容量计算［J］.水资源保护，2006，22(2):16－18.

［14］张春玲，杨小柳，阮本清.水资源恢复的经济补偿初探［J］.中国水利，2004(9):9－11.

［15］许振成，叶玉香，彭晓春，等.流域水质资源有偿使用机制的思考—以东江为例［J］.长江流域资源与环境，2007，16(5):599－602.

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专－0100－04

2010-06-16

庞爱萍，博士生，主要研究方向为生态补偿。

李春晖，副教授，主要研究方向为水资源管理。

*国家自然科学基金项目(编号:50709002)资助。