基于能值分析的跨流域引調(diào)水工程生態(tài)效益計算

宋子奇，方國華，聞 昕，陳學義

(河海大學 水利水電學院，江蘇 南京 210098)

1 研究背景

水是生命之源，水資源維系著生態(tài)系統(tǒng)功能、支撐著社會經(jīng)濟系統(tǒng)發(fā)展，是一個國家至關(guān)重要的基礎(chǔ)性戰(zhàn)略資源。隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，人們的物質(zhì)生活水平不斷提高，人類社會對水資源需求量急劇上升，區(qū)域水資源量與需水量愈發(fā)難以平衡，水資源的短缺已成為制約經(jīng)濟社會發(fā)展的主要因素。為解決水資源供需矛盾問題，跨流域引調(diào)水的規(guī)劃應運而生。經(jīng)過多年的研究與建設(shè)，我國成功修建了南水北調(diào)中線和東線、引灤入津、引黃濟青、引大入秦、引江濟太、引漢濟渭等多個大型跨流域引調(diào)水工程[1]，跨流域引調(diào)水工程已成為解決水資源時空分布不均的最科學、最有效的途徑之一[2]。為了能夠更好地發(fā)揮跨流域引調(diào)水工程在解決水資源分布不均、優(yōu)化地區(qū)水資源配置上的巨大優(yōu)勢，必須對跨流域引調(diào)水工程產(chǎn)生的效益進行研究分析、合理量化，為跨流域引調(diào)水工程的建設(shè)管理、合理規(guī)劃提供參考依據(jù)。

而跨流域引調(diào)水工程特點突出，與普通引水工程、水電工程的效益計算不盡相同，特別需要側(cè)重對工程生態(tài)效益的分析量化[3]。跨流域引調(diào)水工程涉及兩個或兩個以上流域及地區(qū)，由于各地水資源情況、自然環(huán)境條件、社會經(jīng)濟發(fā)展形勢都不相同，因而工程的不確定性、風險性更大[4]；跨流域引調(diào)水工程功能綜合，輸水距離長，引水渠道與各流域地區(qū)的蓄水水庫、湖泊、天然河道及當?shù)剌斉渌O(shè)施存在多種串、并聯(lián)及混聯(lián)的關(guān)系，規(guī)劃設(shè)計和運行管理難度較大，具有高度的復雜性[5]；跨流域引調(diào)水工程較一般水利工程影響范圍更大，會造成更大程度的生態(tài)環(huán)境變化，因此在規(guī)劃設(shè)計、運行管理過程中都需不斷研究工程對沿線地區(qū)生態(tài)環(huán)境的影響以對工程運行調(diào)度管理進行及時地調(diào)整與修正[6]。

但目前水利工程供水效益計算主要是針對生活、"三產(chǎn)"供水效益的計算，對生態(tài)效益的量化較少，多為定性評價。由于生態(tài)系統(tǒng)中的諸物質(zhì)要素并非市場商品，很難以價格對生態(tài)效益做出評價，只能采取間接的方法進行量化[7]。常用的水利工程生態(tài)效益間接量化方法主要以市場價值法[8]、機會成本法[9]、影子價格法[10]、替代價值法[11]、恢復費用法[12]、補償價值法[13]、碳稅法[8]為主。這些方法普遍引入偏好、效用等主觀性標準進行評價，評價標準片面化，缺乏綜合性；亦或是以滿足某一標準的替代方案來計算效益，而替代方案設(shè)計的合理性與最優(yōu)性往往存在爭議，難以明確，且替代方案的費用與所求效益并無必然聯(lián)系。以上方法均無法全面分析自然資源的生態(tài)價值，得到的結(jié)果大都存在較大偏差，難以客觀真實地反映系統(tǒng)中的生態(tài)效益[14-15 ]。因此，應考慮使用能夠綜合分析自然生態(tài)與經(jīng)濟相互作用的方法對水資源價值進行核算，對生態(tài)效益進行量化，如利用能值理論分析方法[16]、生態(tài)經(jīng)濟學相關(guān)方法等[17]。其中能值分析的理論及方法經(jīng)過多年的發(fā)展已相對成熟，應用范圍廣泛，但鮮見有在水利工程生態(tài)效益方面的應用研究。

綜上所述，本文考慮針對跨流域引調(diào)水工程功能綜合、涉及不同流域、水系交叉、實際情況復雜、生態(tài)影響范圍大的特性，將自然生態(tài)與經(jīng)濟有機綜合為一個整體，結(jié)合跨流域引調(diào)水工程實際運行情況，應用能值分析法全面綜合分析跨流域引調(diào)水工程產(chǎn)生的生態(tài)效益并對其進行量化。

2 能值分析理論及方法

能值分析法以自然價值論為基礎(chǔ)，將生態(tài)系統(tǒng)中形式各異、無法比較的各類能量統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為太陽能值進行分析評價，是一種由傳統(tǒng)能量分析發(fā)展出的新的生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)研究方法?；谝恢碌暮饬繕藴剩苤捣治隹蓪崿F(xiàn)對系統(tǒng)內(nèi)部能量流、物質(zhì)流、貨幣流的綜合的全面分析，定量描述各能量組分的大小，并如實反映系統(tǒng)的能量利用效率、生態(tài)環(huán)境的經(jīng)濟貢獻及系統(tǒng)所在區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展能力。

能值分析理論及方法由美國著名生態(tài)學家Odum于上世紀80年代末發(fā)展創(chuàng)立，該方法源于對生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部能量流動的研究。最初Odum嘗試以有機質(zhì)干重或化石燃料質(zhì)量為基準對生態(tài)系統(tǒng)中自然資源的能量進行度量，并創(chuàng)造性地提出了能量轉(zhuǎn)換率的概念，后來隨著能量領(lǐng)域研究的突破、全球能量等級逐漸明確及體系的日益完整，他由能量發(fā)展延伸出“能值”的概念，建立了基于能值的能量分析理論體系。能值即內(nèi)含能，與經(jīng)濟學中常用的度量單位——資金不同，資金只能體現(xiàn)人的勞動價值，而內(nèi)含能可以反映人和自然界對一個區(qū)域或國家的經(jīng)濟社會貢獻。由于太陽能是地球上一切生命活動的物質(zhì)基礎(chǔ)，所以在能值分析法應用實踐中均以太陽能值來衡量其他能量的大小以便綜合分析，且生態(tài)系統(tǒng)中的能量流活動遵循熱力學第一(能量守恒)、第二(熵增)定律。

作為生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)的研究理論和方法，能值分析法以生態(tài)為中心對自然資源進行科學全面的分析評價，彌補了無法用貨幣衡量自然對人類經(jīng)濟社會發(fā)展貢獻的缺陷，為經(jīng)濟與生態(tài)系統(tǒng)的溝通提供了連接的橋梁。能值分析法自發(fā)展創(chuàng)立以來，已廣泛應用于農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)評估[18]、城市及流域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值評價[19-20]、可持續(xù)發(fā)展評價[21-22]等與生態(tài)經(jīng)濟相關(guān)的各個方面。

但目前能值分析理論在水利工程領(lǐng)域的應用研究很少，只在工程經(jīng)濟效益成本比研究及水資源對經(jīng)濟生產(chǎn)的貢獻分析等方面進行了部分嘗試。而關(guān)于生態(tài)效益定量評價的研究更是處于初步探索階段，僅見有文獻[23]嘗試將其應用于南水北調(diào)東線工程京津冀段應急生態(tài)供水效益的量化上。

3 跨流域引調(diào)水工程生態(tài)效益計算

3.1 跨流域引調(diào)水工程生態(tài)效益

跨流域引調(diào)水工程在滿足生活生產(chǎn)的需要而產(chǎn)生客觀經(jīng)濟效益的同時，也對工程沿線流域、地區(qū)的生態(tài)環(huán)境造成了很大的影響，實現(xiàn)了工程的生態(tài)價值。跨流域引調(diào)水工程生態(tài)效益主要包括以下幾方面內(nèi)容：

(1)改善生態(tài)環(huán)境?？缌饔蛞{(diào)水工程向受水區(qū)輸送大量水資源，對沿線地區(qū)河網(wǎng)進行水量補充，改變了河湖水動力條件，提高了水體自凈能力，能夠有效地緩解沿線水域污染壓力，改善地區(qū)水生態(tài)環(huán)境，維護生態(tài)系統(tǒng)平衡。

(2)保護地下水資源。引調(diào)水提高了沿線地區(qū)的供水保障能力，優(yōu)化了地區(qū)水資源配置格局，進而使受水區(qū)減少地下水的開采，有利于保證地下水安全，減小地下水埋深。

(3)改善水土保持，提升防洪能力。保證河道水量充足，為兩岸的植物生長提供了有利條件，有助于提高自然植被覆蓋率，涵養(yǎng)水源，減少水土流失，保持土壤養(yǎng)分，緩沖洪水壓力，有效降低河岸沖刷、侵蝕作用帶來的破壞。

(4)調(diào)節(jié)氣候。引水后受水區(qū)水文條件發(fā)生變化，水氣資源愈發(fā)豐富，進而影響區(qū)域大氣活動，對局部地區(qū)氣候進行微調(diào)節(jié)，從而可改善氣候條件、調(diào)節(jié)局部流域水文過程。

(5)減少碳排放。河道水位上升，通航等級提高，沿岸地區(qū)貨運物流轉(zhuǎn)向水上運輸而減少陸路運輸，可顯著降低陸運帶來的碳硫和粉塵的排放量，從而減少空氣污染，改善當?shù)乜諝赓|(zhì)量。

(6)促進旅游發(fā)展。通過生態(tài)供水，原本荒蕪、污染的水域的生機得以恢復，成為各類水生生物的聚集地，從而吸引大量游客前往參觀、游玩，有利于實現(xiàn)人水和諧、建立綠色經(jīng)濟模式、推動生態(tài)與經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。

利用能值分析法可針對跨流域引調(diào)水工程的生態(tài)效益組成，建立包含水、太陽光、風、土壤等自然資源，及與水土保持、環(huán)境改善、生態(tài)平衡相關(guān)的經(jīng)濟要素(農(nóng)林牧漁業(yè)產(chǎn)值、旅游收入等)的跨流域引調(diào)水工程生態(tài)-經(jīng)濟系統(tǒng)，全面分析引調(diào)水在整個跨流域引調(diào)水工程生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)中的作用，合理量化其對系統(tǒng)效益的貢獻，切實反映生態(tài)效益與系統(tǒng)總效益的相互關(guān)系，對跨流域引調(diào)水工程的生態(tài)效益進行科學的定量評價。

3.2 能值分析法生態(tài)效益計算步驟

(1)繪制生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)能量圖。利用能值分析方法，對跨流域引調(diào)水工程生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)進行分析研究，劃定生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)研究邊界，確定生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)的主要能源組分，明確各組分之間的關(guān)系及能量流動方向，繪制生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)能量圖。

(2)建立生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)投入產(chǎn)出表。在生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)能量圖的基礎(chǔ)上匯總生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)的能值投入和產(chǎn)出，并根據(jù)各數(shù)據(jù)流的能值轉(zhuǎn)換率將各種不同數(shù)據(jù)流統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為太陽能值單位——太陽能焦耳(sej)進行衡量比較，建立生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)投入產(chǎn)出表。能值轉(zhuǎn)換計算公式如下：

Ei=Di·τ

(1)

式中：Ei為第i個數(shù)據(jù)流的太陽能值，sej；Di為第i個數(shù)據(jù)流在系統(tǒng)中的含量，單位為J、m3、元等；τ為能值轉(zhuǎn)換率，sej/單位。

其中跨流域引調(diào)水工程生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)投入包括生產(chǎn)所需的風能、雨水勢能、雨水化學能、太陽能、地球旋轉(zhuǎn)能、固有水體以及生態(tài)供水等環(huán)境資源；生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)產(chǎn)出則由農(nóng)林牧漁業(yè)的全部產(chǎn)品及旅游業(yè)收入構(gòu)成。具體應用時可根據(jù)實際情況適當增減投入和產(chǎn)出能量組分。本文參考農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的能值分析[24]提出，宜在生態(tài)系統(tǒng)投入中加入表層土有機質(zhì)損耗能和土壤流失能，以更全面完整地分析跨流域引調(diào)水工程生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的自然資源投入。

另外，關(guān)于生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)產(chǎn)出中農(nóng)林牧漁業(yè)產(chǎn)出的計量表達方式，目前在已有的大多數(shù)流域、城市的能值分析中多采用各產(chǎn)業(yè)產(chǎn)品價值或產(chǎn)量對其進行描述，而實際上這些各類產(chǎn)品的產(chǎn)值(產(chǎn)量乘以商品價格)最終共同構(gòu)成了農(nóng)、林、牧、漁業(yè)產(chǎn)值，直接以產(chǎn)值換算比較可簡化產(chǎn)品價格的中間計算。且產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值數(shù)據(jù)可直接參考當?shù)亍督y(tǒng)計年鑒》或《國民經(jīng)濟與社會發(fā)展公報》，數(shù)據(jù)公信力更強、可靠度更高。因此本文認為可以用農(nóng)林牧漁業(yè)的產(chǎn)值來代替農(nóng)林牧漁業(yè)的各類產(chǎn)品價值或產(chǎn)量進行產(chǎn)出描述。

(3)對系統(tǒng)能值進行分析，確定生態(tài)效益分攤系數(shù)，計算生態(tài)效益。綜合考慮引調(diào)水工程實際運行情況及沿線地區(qū)生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀，將工程年引調(diào)水總能值與系統(tǒng)投入總能值之比作為生態(tài)效益分攤系數(shù)計算生態(tài)效益，具體計算公式如下：

fs=Esg/Et

(2)

Bs=fsEc

(3)

式中：fs為生態(tài)效益分攤系數(shù)；Esg為工程年引調(diào)水的總能值，sej；Bs為生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)投入的總能值，sej；Bs為生態(tài)效益，sej；Et為生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)產(chǎn)出的總能值，sej。

4 實例分析

浙東引水工程是浙江省有史以來跨流域最多、跨區(qū)域最廣、引調(diào)水線路最長和投資最大的水資源戰(zhàn)略配置重大工程。其沿線主要控制工程包括蕭山樞紐、曹娥江大閘樞紐、曹娥江至慈溪引水、曹娥江至寧波引水、舟山大陸引水二期和新昌欽村水庫等6項工程，總投資超100×108元。浙東引水工程跨越錢塘江流域、曹娥江流域、甬江流域和舟山本島，引富春江水，經(jīng)蕭紹平原的杭州市蕭山區(qū)、紹興市區(qū)，姚江平原內(nèi)的紹興市上虞區(qū)、寧波市余姚市，北線至寧波市慈溪市，南線至寧波市區(qū)、舟山市，共涉及4個地市及19個縣(市、區(qū))，引水線路總長294 km。自2014年6月浙東引水工程北線蕭山樞紐至慈溪段實現(xiàn)常態(tài)化引水以來，至2017年的3年間累計引水14.7×108m3，大幅度提升了沿線地區(qū)的供水保障能力，顯著改善了浙東地區(qū)平原河網(wǎng)的水生態(tài)環(huán)境，為浙東地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展、社會進步及生態(tài)環(huán)境保護做出了重要貢獻。

本文在進行生態(tài)效益量化時，整體考慮浙東引水工程沿線區(qū)域，以沿線地區(qū)行政區(qū)域為邊界，對浙東引水工程生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)進行分析研究，繪制生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)能量圖，如圖1所示。生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)主要能值分為可更新環(huán)境資源、不可更新環(huán)境資源以及系統(tǒng)總能值產(chǎn)出3類?？筛颅h(huán)境資源包括風能、雨水勢能、雨水化學能、太陽能、地球旋轉(zhuǎn)能、固有水體。不可更新環(huán)境資源包括表層土有機質(zhì)損耗能、土壤流失能和生態(tài)供水。系統(tǒng)總能值產(chǎn)出可分為社會環(huán)境產(chǎn)出(糧食蔬菜、林產(chǎn)品、牛羊豬肉、禽蛋、乳制產(chǎn)品、水產(chǎn)品)和生態(tài)產(chǎn)出(旅游收入)兩大類。

圖1 浙東引水工程生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)能量圖

在上述基礎(chǔ)上，以能值為量綱，匯總生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)的能值投入和產(chǎn)出，將各項能量流、物質(zhì)流和貨幣流轉(zhuǎn)換為太陽能值單位，建立2017年浙東引水工程生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)投入產(chǎn)出表，如表1所示。表1中將浙東引水工程2017年蕭山樞紐過流量作為工程年引調(diào)水量計算。

表1 2017年浙東引水工程生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)投入產(chǎn)出表

根據(jù)基于能值分析法的生態(tài)效益分攤計算公式，可得2017年浙東引水工程生態(tài)效益分攤系數(shù)為0.489%，生態(tài)效益為7.56×108元，見表2。

之后，再分別應用替代工程法和能值分析法對2016年浙東引水工程生態(tài)效益進行量化，并使用替代工程法計算2017年浙東引水工程生態(tài)效益，計算結(jié)果如表3所示。

對表3中兩種方法的計算結(jié)果進行對比分析如下：替代工程法以地區(qū)過流量為計算水量，將達到相同水質(zhì)改善效果的情況下污水治理工程的費用作為工程的生態(tài)效益，然而，由于替代工程并非實際存在，是否達到“等效”尚有疑問，計算結(jié)果的合理性易受質(zhì)疑、難以令人信服。從計算方法本身來看，替代工程法忽略了生態(tài)系統(tǒng)循環(huán)、人與自然以及生態(tài)與經(jīng)濟的相互作用等重要因素，只計算了生態(tài)效益中的水質(zhì)改善作用，使得該方法計算結(jié)果偏小。相比較而言，本文中使用的能值分析法能夠全面綜合地分析生態(tài)-經(jīng)濟系統(tǒng)，考慮水質(zhì)改善、水土保持、環(huán)境變化、平衡水資源配置等多種生態(tài)效益，更適用于浙東引水工程的實際運行情況，計算結(jié)果更為合理有效、更具說服力。

表2 2017年浙東引水工程生態(tài)效益計算表

表3 2016、2017年浙東引水工程生態(tài)效益計算對比表

由表3的計算結(jié)果還可看出，隨著引調(diào)水量的增加，跨流域引調(diào)水工程的生態(tài)效益也不斷增加，在同樣的水質(zhì)條件下，引調(diào)水量是衡量跨流域引調(diào)水工程生態(tài)效益大小的決定性因素。而生態(tài)效益的單方水價值由2016年的1.15元/m3提高到2017年的1.48元/m3，則說明在經(jīng)濟社會高速發(fā)展的今天，人們對于水的需求不斷增長，將有限的水資源盡可能地用來保證生活生產(chǎn)的需求，而忽略生態(tài)環(huán)境的需要，導致生態(tài)環(huán)境對水的依賴愈發(fā)強烈，水資源環(huán)境價值日益提升。

5 結(jié) 論

(1)本文基于能值分析的理論對跨流域引調(diào)水工程生態(tài)效益進行分析量化，建立了跨流域引調(diào)水工程生態(tài)-經(jīng)濟體系，提出了跨流域引調(diào)水工程生態(tài)效益定量評價的方法，并對2017年浙東引水工程生態(tài)效益進行了量化，計算結(jié)果表明，本文提出的跨流域引調(diào)水工程的生態(tài)效益計算方法能夠較好地應用于實際，可對工程的生態(tài)效益做出基本合理的量化計算。此方法打破了傳統(tǒng)間接效益計算方法在考慮生態(tài)環(huán)境與經(jīng)濟發(fā)展相互作用上的局限，可將自然生態(tài)與社會經(jīng)濟有機結(jié)合起來對工程所產(chǎn)生的生態(tài)效益進行全面評價，客觀真實地反映工程建設(shè)帶來的水環(huán)境改善效果，為今后工程的建設(shè)管理提供決策依據(jù)。

(2)本文的計算結(jié)果總體是合理的，但在本次生態(tài)效益能值分析中未考慮相關(guān)產(chǎn)業(yè)勞務(wù)等資本投入的資金流，且未能在系統(tǒng)的投入產(chǎn)出中體現(xiàn)出供水后航運條件變化節(jié)能減排對大氣環(huán)境的改善作用。在后續(xù)的生態(tài)生產(chǎn)系統(tǒng)能值分析中，可考慮結(jié)合其他生態(tài)經(jīng)濟學理論方法(如生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)投入產(chǎn)出分析)及生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)評價概念(如DPSIR概念框架)等，進一步完善系統(tǒng)內(nèi)部組分及各組分之間的邏輯關(guān)系，以便能夠更好更全面地繪制生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)能量圖，使能值分析法能在水利工程綜合評價中得到更廣泛的應用。