歐盟水框架指令中供水成本的能值測算

［美國］M.T.布朗 等

1 概 述

21 世紀伊始，地球與其豐富多樣的生命形式，包括60 億人口，正面臨著嚴峻的水危機。所有跡象表明，除非采取正確措施，否則水危機情況會更糟，并將持續惡化。隨著人口增加，人們生活方式的多樣化，人均用水量也在增加。于是專供人類使用的水資源的百分數正在增加，加上可用水在時空方面的變化，其結果是水越來越少，而在有水地區，可能面臨水質問題。因此，水問題包括水質與水量兩個方面。許多研究表明，水危機是由于水資源管理不善引發的水資源管理問題之一。實際上，全球許多經濟問題的實質是水對貧困人口日常生活的影響，他們經受著與水有關的各種疾病的折磨，生活在惡劣的水環境當中。發達國家的水問題更多的是關于管理、水質與成本分配方面的，而不是供水問題。從這個意義上講，政府已經開始重視立法解決水問題，歐盟水框架指令就是一個很好的范例。

2 水框架指令(WFD)

水框架指令旨在為歐盟成員國提供一個共同的水資源管理方法框架。水不再被人們認為是無限資源，而是維持良好的環境質量(這種環境又能保證水資源)必不可少的。需要把水作為水生態系統的基本要素。這一新觀點的基礎是在一個相互關連的、有效和透明的立法框架內，促進水資源的可持續利用，尤其要關注水資源的使用和退化。水框架指令的最終目標是:到2015 年底全歐洲各類水體達到良好狀態。為此，該指令要求執行一系列措施:首先，對各類水體進行識別和分類;其次，評估發展的壓力和影響，對存在與指令目標不一致的風險地區進行識別;然后，相關機構必須制定觀測計劃(通過修改現有的河流流域管理計劃)，以便使每個流域中水體達到良好狀態。指令認為，除了傳統的物理化學指標和有毒物質或持久污染物質的測量以外，從生物學和水形態學兩方面對水體質量進行綜合診斷也是非常重要的。

總之，水框架指令的基本原則(EU－WFD，2000年)為:地表水和地下水不惡化并達到總體良好狀態;采用污染控制和水資源綜合管理相結合的方法;與水務和水生區利用有關的全部成本回收;水政策的公共參與和透明。

2.1 水框架指令中的水價政策

有專家對水框架指令、指令初稿意圖的分析，以及與全成本回收原則相關的成本所作的解釋進行了很好的總結。指令規定，到2010 年，根據全成本回收原則應對水價政策進行重新調整。按照水框架指令進行經濟分析并考慮污染者付費原則。有關用戶，至少包括產業部門、居民和農業用戶，都應該對供水服務的成本回收作出貢獻。

2.2 供水成本

水框架指令明確說明，成本的概念不僅僅是傳統經濟意義上的成本，還包括與水相關的環境成本和與資源有關的成本。根據歐洲水經濟研究組織(WATECO)指導文件(EU，2004 年)，全成本回收包括如下3 個部分:①財務成本，定義為運行成本、維護成本、新投資的資本成本、資本成本的折舊成本和機會成本、管理成本和供水或處理污水的其他直接成本。②資源成本，定義為由于超過水資源自然補給或恢復速率(例如地下水過量開采和地表水過量使用)引起水資源枯竭而導致放棄以前其他用途的機會所花費的成本。③環境成本，定義為用水對環境、生態系統和環境用戶產生損害的成本，也包括經濟方面的外部事項，例如由于水資源惡化產生的社會影響使得農村地區的服務部門就業損失。

財務成本用傳統的經濟會計方法容易計算，但資源成本與環境成本在現有水管理政策范圍內使用目前的分析工具明顯難以計值，原因在于:①成本分類不清楚，導致環境價值、社會成本和經濟成本相互混淆;②假設水資源市場很完善，水有理想的替代品;③傳統經濟分析不能得到與水體物理和生物方面變化相關的環境成本;④提高飲用水的清潔度是沒有市場的。總之，評價環境成本和資源成本似乎需要應用新的理論和方法進行綜合分析，能夠詳細確定水質與水量的下降，這種方法需要在嚴格定量分析的基礎上給出這些成本的定義和計算程序，并且要求比較容易管理(從歐盟內收集參差不同的可用數據開始)。

3 能值分析

能值定義為以前直接或間接用于完成一項工作或制作一個產品的一種有效能。該方法是從生態能量學領域中發展起來的，其經驗起源于對生態系統和經濟系統在自組織期間發展的能流模式的研究。能值的理論基礎是這樣的觀察結果，即認為所有系統的功能，包括生態系統和人類社會經濟系統，均建立在有效能的轉換基礎上。根本上來講，這些系統均為能量系統，其展現出的特征結構和組織模式強化了能量的使用。而且，能值理論假設環境系統的動力和性能可用能量度量標準進行客觀地測量和比較。

與經濟價值觀(根據效用即得到的某種東西)確定價值，并采用意愿支付值作為唯一的度量相反，能值提出了一種對立的價值觀點，即花費在某種東西上的能量、時間、物質越多，其價值越大。能值常用太陽能的等效值進行量化和表達，單位為太陽能焦耳(sej)。將所有資源輸入量追溯為產生這些資源輸入量所需要的太陽能，能值可以解釋生產一定產品需要的熵損失，因此便于在一個共同的基礎上考慮數量上不同的資源。

能值分析已經應用于評價不同尺度環境系統的可持續性，從地球生物圈內的經濟活動，到國民經濟的可持續性，再到生物燃料的生產、供水替代方案、城市污水處理、水管理和工業與工業出現以前的農業系統的歷史對比等。

4 方 法

要計算某種資源、能流或物質流的能值，首先要用能量單位(例如焦耳)或質量單位(例如克)確定其量值。每單位輸出有效能消耗的輸入能值數量稱為太陽能值轉換率，表示單位產品的能值投資，因此，可認為是一個質量因子，可用來判斷生物圈對研究中的產品的支持強度。利用能值轉換率通過能量乘以轉換率把有效能轉換為能值，如果流量是物質，則用比能值(太陽能值與質量之比;sej/g)來轉換。在用兩種單位分別確定能值時，經常需要計算轉換率和比能，本文采用前人基于全球過程的計算值。

4.1 采用能值方法的成本定義

當根據WFD 指南確定供水成本時，需要用能值術語對這三類成本加以定義、計值并轉換成貨幣等效值。能值會計與財務成本會計的區別是，能值方法不依賴左右價格的市場，但仍然要計算能值的價值，為交流方便，習慣上把能值的價值轉換為貨幣單位，并將成本合并到經濟系統中以便支持全成本回收。能值轉換為貨幣是通過能值除以一個轉換系數來完成的，這個轉換系數有時稱為能值貨幣比率(即支持一個國家經濟的全部能值流量除以該國GDP)。本文中，能值轉換成歐元，采用從西班牙經濟中得出的能值貨幣比率。

三類水成本的能值計算需要一個系統圖。圖1是一個典型流域系統圖，強調了流動和儲存的水體，注明FV(財務價值)、RV(資源價值)和EV(環境價值)，表明在系統哪個點計算水資源的能值價值。由于流域內有許多不同類型的儲存水體，可以分別計算不同水體的能值價值。

財務價值易于理解，指的是與供水相關的成本，包括水本身的成本及供水設施成本，表1 列出幾種不同水源及生產可用水的能值和歐元成本，成本中不包括輸水到終端用戶的部分，這些數據來源于美國水成本。本文假設歐洲水處理系統類似于美國，顯然，要使這些成本數據更加精確，需要對歐洲水處理成本進行詳細分析。

資源價值根據水本身的能值計算，并按用戶使用的水體類別，如雨水、濕地水、湖泊水、河流水和地下水分別計算確定。資源成本根據資源價值計算，取決于用水量和水源。

水有兩項重要的資源價值。一是化學勢能，主要以相對于海水的純度表示，流域內水的化學勢能依據每類水相對于蒸騰植物中鹽水或海洋接收雨水(通常均假設為35 ×10－12)的吉布斯自由能計算得到，降雨的吉布斯自由能為4.94 J/g，假設雨水中溶解的固體物質的濃度為10 ×10－9，計算公式如下:式中G 為吉布斯自由能;R 為通用氣體常數，8.33 J/mol/K;T 為溫度，300 K;W 為水分子重量，18 g/mol;C1為海水中水的濃度，965 000 ×10－6;C2為雨水中水的濃度，999 990 ×10－6。

不同類型的水體溶解的固體物質的濃度不同，因此其化學勢能(Enwater)稍有差異，用公式(1)和相應的鹽度計算可得其化學勢能，每種水體的能值由其能量乘以相應的轉換率而得:

圖1 顯示3 種水成本的典型流域系統

表1 土壤水與飲用水的能值成本

表2 幾種陸地水體的全球平均化學勢能、轉換率、能值和歐元價值

該能值等于資源價值，表2 列出了圖1 中幾種不同水體的全球平均化學勢能的能值和能值歐元價值，采用2008 年西班牙的能值貨幣比率4.8 E12sej/計算貨幣價值。

水的第2 個資源價值是重力勢能，即水從高處流到低處所做的功，計算公式如下:

式中Engeop為重力勢能;Q 為流量;ρ 為水的密度;h為平均海拔高度;g 為重力。

水的重力勢能能值通過重力勢能乘以各海拔高度平均轉換率得到:

表3 列出了不同海拔高度每立方米水的重力勢能、能值和歐元價值，采用2008 年西班牙的能值貨幣比率4.8 E12sej/計算貨幣價值。

表3 不同海拔高度水的全球平均重力勢能、轉換率、能值和歐元價值

由于水有化學勢能和重力勢能兩項單獨的價值，因此，在耗費水的質量或數量時，就可以計算出用去的水的資源價值。例如，如果一個用戶在流域內一定海拔取水，但在同海拔只回歸一半，則用戶應支付失去的重力勢和化學勢的價值。同樣，如果用戶取出的水全部回歸，但失去部分化學勢，因為此時水攜帶較高濃度的溶解固體物質負荷，那么用戶應支付水資源質量差異價值，即化學勢能差異價值，由于取走的水全部回歸，水依然具有重力勢能。

按水框架指令定義的環境成本對其進行計算是一項相當復雜的任務。首先，環境成本定義為用水對環境、生態系統和環境用戶造成的損害。其次，環境成本可能還包括潛在的風險，例如，用水可能增加洪水發生的概率。對于第2 種成本，還暗含著保險成本。本文忽略潛在風險，認為針對用水提供一個綜合的風險系數具有一定的難度。相反，應重點考慮實際的潛在損害。

以圖1 為例，環境成本的假設為，水是任一地區生產過程必要的輸入物。總的生產力，即該地區總能值產值(GEmP)，是水、環境系統和進口能量、商品和勞務各項輸入量的總和。假設總產出與水的可用量以及用水量之間是線性關系，則水的邊際能值價值是GEmP 除以用水量，但線性關系未必準確，尤其是特殊情況，本文分析中假設存在線性關系，則計算水的邊際能值價值公式如下:

式中MEmVwater為水的邊際能值價值，sej/m3;GEmP為區域GDP 的能值價值;Watertataluse為降水量與地下水二者使用量之和。

4.2 能值貨幣價值的計算

研究以西班牙為例，2008 年西班牙的能值貨幣比率(轉換系數)為4.8 E12sej/，轉換系數按如下公式計算:

式中EIMV 為貨幣價值的能值密度;GEmP 為總能值產值(2008 年經濟使用總能值);GDP 為國內生產總值(2008 年)。

5 案例研究

福伊克斯(Foix)流域位于西班牙塔拉戈納(Tarragona)省東北部，面積相對較小(301.3 km2)，河流在巴塞羅納省的庫貝勒斯(Cubelles)海灣入海，形成一個小三角洲。該河全長163.8 km，且有3條主要支流:瑪咩拉(Marmellar)、龐頓(Pontons)和里特拉(Llitra)。福伊克斯流域包括11 個子流域。流域內有4 條主要河流，即福伊克斯河、龐頓河、瑪咩拉河，以及里特拉河。

福伊克斯河大壩主要用于蓄水而非發電，具有和加泰羅尼亞流域內其他許多大壩同樣的特性。攔蓄到的水水質較差，這就導致2009 年水庫中的漁業生產數度中斷。

流域內年均降水量為586 mm，年均河川徑流量僅947 萬m3，相應的河道平均流量為0.3 m3/s。福伊克斯河水流情勢是地中海河流的典型，除了秋季暴雨時期以外，終年流量較小。對于現在的農業和城市需求來說，降水明顯不足，導致常年使用地下水。盡管水資源短缺，但該地區也偶然發生暴雨，而且大部分雨水不易收集。

年均溫度上升，內陸相對濕度逐年下降，在較高海拔地區，蒸發量容易增加，結果導致可用水量用于含水層的補給，總的缺水量每年約為500 萬m3。

流域內人口分布不勻，內陸山區人口逐漸減少，而沿海地區人口增加。流域常駐人口約為10 萬人，在大約15 個重要的村莊中，由于暑假期間游客人數很多，人口變動較大，幾乎翻番。

由于河源地區水的可獲量有限，福伊克斯流域內地下水非常重要。實際上，上述城市化在傳統上由抽取深層地下水供給，抽水的深度和水量已增加到需要量的幾倍，但這種方法不能從根本上解決水問題。

5.1 案例研究方法

5.1.1 地表水資源的估算

水質管理需要跨學科的決策，該決策基于水質對變化控制的響應。用數學模型能很好地描述不同來源產生的污水負荷與接納水體的最終合成水質之間的關系。

由于只有2 個子流域有水質監控站點，4 個子流域有流量監測站，因此需要用模擬方法來描述整個流域。本文用著名的地表水質模型Qua12 kW 來模擬該流域，模型由美國環保局研發。該模型需要該地區的降水量、蒸發量、數字土地模型、監控站數據，以及沿河的入流量和出流量數據，包括點源和發散源，然后運行模型以獲得每個子流域的平均流量。

5.1.2 福伊克斯水資源財務價值的估算

在對供水市場進行成本加權平均基礎上，計算該流域水資源的財務價值，從而求得財務成本。根據報告，供水成本權重分別是城市24%、工業22%、家畜2%、灌溉52%，該文件總結了卡他勞那(Cartalona)各水體的界限、壓力、影響以及與WFD 要求不符的可能風險。

5.1.3 福伊克斯水資源價值的能值計算

分兩部分計算地表水資源價值，首先計算化學勢能(水質)，然后計算重力勢能(水量)，二者共同構成資源價值，進而計算資源成本。由于水資源具有明顯的時空差異，本文采用基于GIS 的方法，按流域和月份計算水資源價值。

資源價值的能值計算所需大多數據(流量、降雨量、蒸發量等)取自不同的報告，為了使用同樣的歐洲數據集進行分析，土地使用的詳細信息取自CORINE 應用。

5.1.4 福伊克斯水資源的環境價值

由于沒有福伊克斯流域的區域生產總值數據，本文以國家尺度計算水的環境價值，并假設流域發展能力與西班牙全國一致。將總可用水量(包括2008 年西班牙降水量和地下水使用量)，以及2008年西班牙GDP，代入公式(5)計算水的環境價值。其合理性在于，區域生產利用了全部降水量，要么直接作為灌溉用水或城市供水，或間接使用如土壤、森林或漁業(人類可從其收獲中受益)，這樣計算的環境價值與水指令中闡述的環境成本的概念相符合。

5.2 案例研究結果

5.2.1 福伊克斯水資源的財務成本

給福伊克斯流域各經濟部門供水的財務成本估計為520 萬/a，總用水量為970 萬m3，計算數據由CWA 提供，平均成本為0.54/m3。

5.2.2 福伊克斯水資源的資源價值

福伊克斯流域各子流域內，水的資源價值按月計算。以1 月份為例，計算列出了流域內水的化學勢和重力勢的資源能值價值，還列出了每立方米水的能值價值和貨幣價值。1 月份水中化學勢能值的貨幣價值在0.62～0.75/m3之間變動，其重力勢能值的貨幣價值在0.01～0.04/m3之間變動。顯然，在福伊克斯流域內，水的化學勢是最重要的，海拔較高的子流域內的水，有較高的重力勢貨幣價值。

冬季月份水的化學勢和重力勢能值最高。此時，降水量最大，夏末水的化學勢能值增加，可能是由于該時期蒸發較高，因此總的徑流量較少。干旱期重力勢最低，化學勢雖然低于冬季月份，但呈增加趨勢。

每立方米水的最高貨幣價值發生在最旱月份，此時水流量最小。低流量月份每單位河流流量的雨水輸入最大，產生最高的能值和貨幣價值。1 a 內大多時候，各子流域間的資源價值相對一致，在干旱期稍有變動。1～4 月，10～12 月平均值約為0.5/m3，5～9 月平均值為1.62/m3。

5.2.3 福伊克斯流域水資源的環境價值

西班牙總用水量為8 500 億m3/a，其中降水量為8 400 億m3，地下水為78 億m3。2008 年，西班牙的GEmP 為4.55×1024sej，用公式(5)計算西班牙水資源的邊際能值價值為:

福伊克斯水資源的能值歐元等效價值(定義為平均環境價值，根據這種環境價值可以計算水的環境成本(EC))，利用水的邊際能值價值MEmVwater除以西班牙經濟的EIMV 得出:

5.2.4 福伊克斯流域水資源的全成本回收

全成本是作為財務、資源和環境三部分的貨幣價值之和計算得出的。水資源的財務成本估算值為0.54/m3。由于時空差異，資源價值在0.21～3.17/m3之間。總之，福伊克斯流域全年各時期各子流域水的平均資源價值為0.87/m3。基于邊際能值價值的環境成本為1.42/m3。因此，總的平均成本為2.83/m3。

雖然每一項成本都會變化，取決于水源、地形、氣候，并在一定程度上取決于經濟系統，但這種先確定價值再根據價值計算成本的方法可應用于任何一個要得出類似結果的流域。

6 結 語

在應用基于水資源平均價值的某一個固定數以前，要考慮以下3 個方面:①要收回每立方米水的全部成本，假設條件是所有的水都是從該系統中取用且沒有回歸，例如灌溉用水和被蒸發的冷卻水。如果有部分水回歸系統，那么只對用掉的那部分水收費。顯然，如果回歸水是被污染的水，不能再用，則收回全部成本是合理的。②采用同樣的推理方法，如果水只是在一定過程中“借用”一段時間，用后全部回歸，且沒有任何改變(幾乎不可能)，則不收費。如果取用的水全部回歸，但受污染的程度較大，則用前面給出的化學勢能公式計算用掉的化學勢能數量。③用平均值容易，但忽略了水的時空差異性。例如福伊克斯流域內，水的資源價值隨時空變化較大(0.21～3.71/m3)。

福伊克斯流域的案例研究只計算了地表水的供水價值。類似的方法可用于地下水。表2 中，地下水的化學勢平均能值是雨水的6 倍。因此，可以假設福伊克斯流域內含水層的水的資源價值比地表水要高得多。要計算福伊克斯流域地下水的真實價值，需要更詳細地研究該流域內地下水動力學特性。

正確執行WFD 確定的概念和規則涉及創建一個復雜的機構，它能為新的水資源管理政策提供必要的工具和合適的標準。這些政策從環境、經濟、水資源保護的角度出發，必須建立在可持續標準基礎上，而且是透明的。另外，能確保全成本回收的稅收需要WFD 明確給出一個計算環境成本的方法，用傳統經濟分析很難計算資源成本。本文提出并證實的方法可能在建立一個全成本計算的程序方面具有價值，這樣的程序可導致回收水的更加真實的成本，而且更重要的是建立一個有鼓勵作用的程序，以維持和保護水資源。