水土保持生态补偿标准的计算

作者:杜丽娟 王…    文章来源:水利学报    点击数:3875    更新时间:2010/12/16

摘要:水土保持生态补偿是指对水土保持生态服务功能价值的补偿。本文以滦河流域潘家口水库上游地区为例,就潘家口水库与上游地区之间水土保持林草措施的涵养水源和保持土壤功能价值补偿进行研究,将分布式水文模型SWAT应用于水土保持生态补偿标准的核算中,模拟了2种情景下的水土保持林草措施涵养水源和保持土壤量,最后引入效益分摊系数计算不同情景潘家口水库对上游地区的补偿标准,为研究水库通过市场来实现水土保持生态补偿提供参考。

关键词:水土保持生态补偿;SWAT模拟;效益分摊;标准计算

中图分类号:X196 文献标识码:A 文章编号:0559-9350201011-1346-07

Ecological compensate standard accounting of soil and water conservation

DU Li-juanWANG Xiu-ruLIU Yu

AbstractThe compensation of soil and water conservation in fact is compensation of the value of ecological services function of soil and conservation. In this paper the upstream area of the Panjiakou Reservoir in the Luanhe Basin was selected to study the compensation standard. The SWAT model is applied to compensation standard accounting of soil and water conversation for 2 senorios to analyze the amount of water and soil conservation of forests and grasses measure under different cases. The benefit apportion coefficient was utilized to account the compensation standard of the upstream area of the reservoir. The results provide reference to the research of ecological compensation of soil and water conservation through market.

Key wordsecological compensation of soil and water conservationSWAT modelbenefit apportioncompensation standard accounting

1 研究背景

水土流失是我国重大的生态安全问题,加快水土流失治理进程,改善生态环境,是我国21世纪面临的重大而紧迫的战略任务。《中华人民共和国国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要》等重要文件中提出要完善生态补偿政策,尽快建立生态补偿机制,防止水土流失。因此,研究水土保持生态补偿具有重要的现实意义和理论价值。近年来,不少学者对生态补偿进行了探索性的研究,水利部也开展了与水有关的生态补偿的相关研究,但研究内容主要集中在生态补偿的框架、要素、标准和途径等宏观领域,对具体的补偿标准尚缺少深入地研究,如何科学、合理地确定补偿标准是目前亟待解决的问题。本文以潘家口水库对上游地区的水土保持生态补偿为例进行研究。

目前水土保持生态补偿尚未形成统一的定义。笔者认为,水土保持生态补偿是指由造成水土保持生态服务功能降低或丧失和消费水土保持生态效益的活动对从事水土保持生态建设活动进行的各种补偿的统称。水土保持生态补偿实际上就是对水土保持生态服务功能价值的补偿。

水土保持生态服务功能按自然属性可归纳为涵养水源功能、保持土壤功能、固碳制氧功能、净化空气功能、防风固沙功能、生物多样性功能以及环境景观功能等7个方面;按价值实现形式可将其分为通过市场直接实现(如环境景观功能)、通过市场间接实现(如涵养水源、保持土壤功能)、价值过于巨大而无法为经济系统所包纳(如净化空气功能)和独立于经济系统之外(如生物多样性功能)生态服务价值4类[1-2]。

水土保持措施的生态服务功能由全流域受益,具有“公共物品”的特性,但对水库而言受益的主要是涵养水源和保持土壤功能,表现为入库流量和泥沙,而入库流量和泥沙具有排他性,具有“私人物品”的属性,因此,这两种功能在水库与上游地区之间可通过市场来实现,从而可通过市场来实现水库对上游地区的水土保持生态补偿。因此,本文研究的潘家口水库对其上游地区的水土保持生态补偿只包括涵养水源和保持土壤功能价值的补偿。

2 研究区概况

研究区为滦河流域潘家口水库上游地区,位于河北省东北部,涉及河北省、内蒙古自治区2个省区的15个县(市、旗)。土地总面积为33 700km2。土地利用类型主要分为耕地、林地、牧草地和沙漠。地貌主要由中山、低山、丘陵和谷地构成。内蒙古高原属寒温气候带,冀北山地属凉温气候带,年均气温自北向南递增,为0~10,日照时数2 700~3 200h,无霜期高原地区80~100d,南部达160~180d,多年平均年降雨量498mm,多年平均年径流深自南向北由280mm降至40mm。主要土壤有13 类,内蒙古高原以栗钙土、草甸土、风沙土和沼泽土为主体,冀北山地以棕壤和褐土分布最广。植被类型属于我国东部湿润森林区暖温带半旱生落叶阔叶林和灌丛草原亚带[3]。

滦河流域土壤侵蚀主要是风蚀和水蚀。根据全国第2次土壤侵蚀遥感调查成果,滦河流域水土流失面积14 491.69km2,占流域总面积的61,每年的土壤侵蚀量达4 168.81 t。严重的水土流失,不仅直接危害当地的生产生活,导致贫困落后,也给下游地区带来严重的影响。最近,滦河流域潘家口水库上游已被列入国家水土保持重点治理区,水土保持生态环境建设与保护逐步得到加强[4]。

3 模型应用

3.1 模型简介

SWAT 模型(Soil and Water Assessment Tool)是由美国农业部(USDA)农业研究中心(ARS)开发的一种分布式水文模型,有较强的物理基础,能够利用GISRS提供的空间信息,模拟复杂大流域中多种不同的水文物理过程。模型可采用多种方法将流域离散化(一般基于栅格DEM),能够响应降水、蒸发等气候因素和下垫面因素的空间变化、以及人类活动对流域水文循环的影响。SWAT模型对陆面部分的模拟基于水量平衡方程,对水面模拟部分(河道汇流部分)为变动存储系数模型和Muskingum法两种,可以计算洪水、泥沙及污染物质的传输[5]。

3.2 模型建立

模型输入包括DEM、水系、土壤图、土地利用图和气象、水文等数据。气象站包括秦皇岛、丰宁、围场、唐山、多伦、承德、遵化和青龙站8个基准站。选择潘家口站和滦县站2个水文站进行参数率定。

19701979年的数据对模型参数进行率定,用Nash-Suttcliffe效率系数(ENS)和决定系数(R2)控制率定的精度。参数率定包括时间、空间与水文观测要素等参数的率定。率定期潘家口站模拟值与实测值对比月流量结果见图1,月泥沙结果见图2

1 率定期月径流量模拟结果

2 率定期月泥沙模拟结果

3 检验期月径流量模拟结果

4 检验期月泥沙模拟结果

19601969年的流量资料和19631970年的泥沙资料对模型进行检验,检验期潘家口站模拟值与实测值对比月流量结果见图3,月泥沙结果见图4。经计算,两个水文站在率定期ENSR2都大于0.6,流量的模拟值约为实测值的1.00~1.01,泥沙模拟结果约为实测值的0.99,模拟结果较好,说明模型可应用于研究区域。

3.3 情景设置

以潘家口水库以上的流域(水库作为流域出口断面)的土地利用现状为基准,设置2种情景,采用SWAT模型模拟采取不同水土保持措施下的入库流量和泥沙量。情景1假设研究区林地、草地开垦为耕地,模拟研究区林草措施涵养水源、保持土壤的功能;与情景1相反,情景2假设研究区耕地退耕还林,模拟如果退耕还林,森林涵养水源、保持土壤对水库的影响,见表1

1 情景设置方案

3.4 模拟结果与分析

本文模拟了19702000年潘家口站的年和月的流量和泥沙,其中模拟结果选取2000年为研究年份,见表2。研究区2000年各情景下林草涵养水源、保持土壤量见表3。计算时,由于汛期(79月)水库泄洪,无法利用,因此汛期流量、泥沙不计算在内。图5、图6分别为月径流和月泥沙模拟结果。

2 各月模拟结果

3 各情景涵养水源和保持土壤量

从图5可知,情景1即林草地开垦为耕地后,在汛期(79月)径流量明显增大,在枯水期径流量减少,尤其在汛期过后的几个月减少量尤为明显。情景2即退耕还林后,在汛期(79月)径流量明显减小,在枯水期径流量增大。说明林草措施在汛期可以消减洪峰,枯水期增加径流,从而起到涵养水源、消减洪峰的作用,这对水库的良性运行非常有利。

从图6 可以看出,在汛期(79 月),情景1 的泥沙量明显大于情景0,说明林草地开垦为耕地后,河道洪峰增大,土壤侵蚀加重,河流含泥沙量增大。情景2即退耕还林后,河流携带的泥沙大大降低,证明水土保持林草措施保持土壤的功能非常显著。由此可知,林草措施有较强的保持土壤免受径流冲刷的作用,这对保持水库的寿命及实现良性运行起到积极作用[6]。

5 2000年月径流模拟结果

6 2000年月泥沙模拟结果

4 效益评估

4.1 研究区水土保持生态功能成本-效益评估

4.1.1水土保持生态功能提供方的成本核算

水土保持生态功能提供方的成本核算方法,根据前述的2种情景,可以分为两种类型,一种是假设林草措施砍伐,运用边际机会成本法计算,即抚育养护林草措施从而放弃了砍伐林木的收益以及砍伐后耕作所获得的收益,因此砍伐林木的收益和砍伐后耕作所获得的收益之和就是林草措施的机会成本;另一种是假设现有的耕地退耕还林,运用市场价值法计算,即用造林的定额来计算。

1)情景1用边际机会成本法计算。根据国家林业局2006年全国林业统计主要指标中的全国森林资源情况,森林蓄积19.80m3/hm2,立木平均出材率取60%。根据中国建材在线,原木平均售价取140/m3。根据《中国农业统计年鉴2001》,2000年我国稻谷、小麦、玉米平均净利润为2 947.5/hm2。经计算,情景1机会成本为89.50亿元。

2)情景2 用市场价值法计算。根据《水土保持工程概算定额》,100 株林木的造林成本为318.15元,按照每hm2 造林1 665株计算,则每hm2 造林成本为5 297.20元。研究区耕地面积(假设的退耕还林面积)为54.85hm2,则研究区2000年耕地全部退耕还林需投入成本29.06亿元。各情景条件下提供方的成本计算结果见表4

4 各情景条件下提供方的成本计算结果汇总

4.1.2水土保持生态功能受益方的效益评估

根据周冰冰等[7]对北京市森林资源价值的研究结果,北京市森林环境总价值为190.23亿元/年,单位面积环境价值为3.36万元/hm2·a)。根据柳碧晗等[8]的研究,吉林省西部草地生态系统环境总价值为98.94亿元/年,单位面积环境价值为1.02万元/hm2·a)。参照以上研究结果,估算研究区20002种情景下林草资源环境总价值,结果见表5

5 研究区2种情景的林草资源环境总价值

4.2 特定受益方—潘家口水库的成本-效益评估

4.2.1潘家口水库效益评估

对潘家口水库而言,其受益的水土保持生态功能主要包括涵养水源和保持土壤,根据定量模拟结果来进行计算。涵养水源价值用市场价值法和影子工程法两种方法计算,保持土壤价值用市场价值法和机会成本法两种方法计算,最后计算结果均取算术平均值。总效益计算结果见表6

表6 潘家口水库2000年各情景的效益计算结果(单位:万元)

4.2.2潘家口水库分摊成本核算

根据研究区20002种情景的林草资源环境总价值(表5)和潘家口水库总效益(表6),可以得到水库获得效益在研究区水土保持措施环境总价值中所占的比例,依此来计算潘家口水库应分摊的生态投入成本,结果见表7

7 各情景的环境价值(效益)与成本费用对比

5 基于效益分摊的水土保持补偿标准模型建立

5.1 补偿计算模型

上游地区和潘家口水库为本文的两个参与者,上游地区为抚育养护水土保持措施所付出的机会成本为C,潘家口水库从水土保持措施涵养水源和保持土壤功能所获得的效益为B。只有在上游地区对水土保持措施进行维护养护的情况下,水库才能得到额外的一部分收益,反之,水库就会受到一定的损失。因此潘家口水库对上游地区水土保持补偿的最低限值应该就是上游地区付出的机会成本C,则水库得到的净收益NB=B-C。而净收益NB 的获得是基于上游地区抚育养护水土保持措施和水库及配套工程运营管理共同的作用,因此净收益NB 应该由水库和上游地区共同分享,这就需要引入两个分摊系数,通过水库的分摊系数Kr 和上游地区的分摊系数Ku 对净收益NB 进行分配,分别计算出水库应获得的净收益NBr 和上游地区应获得的净收益NBu 。机会成本C 和上游地区应获得的净收益NBu 之和即为水库对上游地区的水土保持补偿标准Cs ,计算模型的基本公式如下:

Cs = C + Ku × NB = C + NBu 1

5.2 分摊系数确定

分摊系数KrKu的确定是计算保持补偿标准Cs的关键。上游地区为抚育养护水土保持措施所付出的机会成本为C,可以理解为上游地区不进行抚育养护水土保持措施时获得的收益。而水库由于上游地区抚育养护水土保持措施的这个行为,其收益为B。因此,可以认为,水库获得收益的能力指数为B (B + C ) ,上游地区获得收益的能力指数为C (B + C ) ,也即分别为分摊系数KrKu,表示如下:

5.3 水土保持补偿标准计算结果

根据潘家口水库20002种情景下水土保持生态功能分摊的成本核算和享受的效益评估结果。采用效益分摊计算模型,计算出2种情景下,潘家口水库对研究区的补偿标准,结果见表8

8 水土保持补偿标准(单位:万元)

6 结论

本文以滦河流域潘家口水库上游地区为实例进行应用研究,建立了水土保持涵养水源、保持土壤生态功能模型,在此基础上从水土保持生态功能的提供方和受益方两个方面核算成本和收益,并构建了水土保持补偿标准计算模型,实现了水土保持补偿标准计算与水文模型体系的有机结合。主要结论如下:(1)用SWAT 模型对水土保持措施涵养水源和保持土壤生态服务功能进行定量模拟。2000年,研究区现有林草措施涵养水源量为1.02亿m3,保持土壤量为4.07t;假如研究区2000年退耕还林,潘家口水库将能增加0.21亿m3水量,减少4.06t入库泥沙;(2)从水土保持生态功能的提供方、受益方以及特定受益方(潘家口水库)3个方面,采用市场价值法、机会成本法和影子工程法,对研究区水土保持生态功能进行成本核算和效益评估。2000 年,研究区林草措施总价值为415.65亿元,其中潘家口水库受益为1 952.76万元;研究区保护林草总成本费用为89.50亿元,其中潘家口水库分摊成本为420.48万元。假如研究区2000年退耕还林,还林面积的环境总价值为184.30亿元,其中潘家口水库受益为415.33万元;研究区退耕还林总成本费用为29.06亿元,其中潘家口水库分摊成本为65.49万元;(3)建立了效益分摊系数计算模型,得出水库对上游地区的水土保持补偿标准应以机会成本为基数、合理分享净效益的原则核定。计算得潘家口水库2000年对上游地区的水土保持补偿标准为:对林草措施生态功能的补偿为691.96万元(2.56/ hm2);对“退耕还林”的补偿为113.14万元(2.06/ hm2)。

参考文献:

1 戴星翼,俞厚未,董梅. 生态服务的价值实现[M. 北京: 科学出版社,2005 .

2 陈丹,陈菁,罗朝晖. 天然水资源价值评估的能值方法及应用[J. 水利学报,20063710: 1188-1192 .

3 海河志第二卷[M. 北京:中国水利水电出版社,1998 .

4 孙玉兰,胡燕. 滦河潘家口水库上游重点治理区水土流失及其防治对策[J. 海河水利,20034):41-42.

5 王中根,刘昌明,黄友波. SWAT模型的原理、结构与应用研究[J. 地理科学进展,2003221):79-86 .

6 刘孝盈,汪岗,范昭,等. 美国田纳西河水土保持减沙效果分析[J. 水利学报,2005367: 840-845 .

7 周冰冰,李忠魁,等. 北京市森林资源价值[M. 北京:中国林业出版社,2000 .

8 柳碧晗,郭继勋. 吉林省西部草地生态系统服务价值评估[J. 中国草地,20051421):12-15 .

作者简介:杜丽娟(1977-),女,工程师,博士,主要从事水土保持研究。

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