基于非點源污染負荷的流域生態(tài)補償動態(tài)計算研究

馬蒙越 張瀟 夏函 彭虹

摘要：生態(tài)補償定量化計算是建立流域生態(tài)補償機制的重要內(nèi)容，也是生態(tài)補償機制實施的關(guān)鍵。目前流域生態(tài)補償?shù)暮怂愦蠖嗤Ａ粼诶媚昶骄鶖?shù)據(jù)的粗略估算上，缺乏更加精細準確的核算過程。通過構(gòu)建分布式流域非點源模型，考慮水文、水質(zhì)的精細變化過程，創(chuàng)新性地提出基于流域非點源污染負荷核算方法，結(jié)合控制斷面超標污染物通量治理成本，可精確到日時間尺度的流域生態(tài)補償精細化動態(tài)計算方法。以香溪河流域為實例，對所建的模型進行了應(yīng)用和驗證。結(jié)果表明：香溪河流域2015年可獲得的生態(tài)補償值較2005年增加1 207.14萬元;每實現(xiàn)1 km2的退耕還林，因非點源污染負荷減少和生態(tài)環(huán)境改善可獲得約2.60萬元的生態(tài)補償。

關(guān) 鍵 詞：生態(tài)補償; 非點源污染; 土地利用變化; 分布式水文模型; 香溪河流域

隨著我國生態(tài)文明建設(shè)的快速推進，結(jié)合全國流域綜合管理的需求，流域生態(tài)補償研究逐漸成為關(guān)注熱點。流域生態(tài)補償?shù)拇_定不僅需要基于相關(guān)者的損益核算，更離不開對流域水體污染程度及污染負荷的核算[1-3]。目前，國內(nèi)針對流域生態(tài)補償?shù)难芯侩m已從政策性宏觀研究轉(zhuǎn)入定量化研究階段和生態(tài)補償試點工作[4]，但作為建立生態(tài)補償機制的核心問題——補償標準核算研究，大多忽略了水文、水質(zhì)的過程變化，使核算出的流域生態(tài)補償值停留在粗略估算程度上[5-6]。

目前在流域水環(huán)境管理和規(guī)劃中，點源污染雖逐步得到有效控制，但非點源污染的防治仍然是一個亟待解決的難題。非點源污染空間上的分散性和難收集性、時間上的隨機性和滯后性等特征給非點源污染的研究、監(jiān)測和治理帶來了重重阻礙，也對基于水體污染負荷核算的流域生態(tài)補償精細研究造成了困難。應(yīng)用流域模型是目前研究非點源污染最為有效的技術(shù)手段。國內(nèi)外流域非點源模擬技術(shù)的發(fā)展主要為4個階段：歷經(jīng)由“黑箱模型”、概念性模型、單一集總模型到分布式系統(tǒng)模型的演變過程。前3種模型分別在過程機理、應(yīng)用尺度、空間分析能力上存在不足[7-9]。而分布式系統(tǒng)模型是集空間動態(tài)監(jiān)測與統(tǒng)計、空間信息綜合處理、可視化等功能于一體的綜合模型體系，從根本上滿足模擬計算能力和信息存儲能力的需要，能模擬出連續(xù)時間內(nèi)的非點源污染。例如，分布式模型SWAT（Soil and Water Assessment Tool）能以日為步長，具有物理機制，適用于大、中尺度的流域，被廣泛用于動態(tài)核定非點源污染負荷等研究中[10-12]。

鑒于此，本文嘗試以非點源污染負荷核算為基礎(chǔ)，對流域生態(tài)補償進行精細化動態(tài)研究。以三峽庫區(qū)典型農(nóng)林復(fù)合型流域——香溪河流域為實例，通過構(gòu)建分布式流域非點源模型，探求土地利用變化作用下的非點源污染變化規(guī)律，模擬計算流域控制斷面逐日水質(zhì)情況，提出基于流域非點源污染負荷核算的流域生態(tài)補償動態(tài)計算方法，以期對流域社會經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護的規(guī)劃管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究方法

1.1 流域非點源污染負荷核算方法

本文基于分布式系統(tǒng)模型SWAT，構(gòu)建了分布式流域非點源模型，考慮水文、水質(zhì)的精細變化過程，科學(xué)合理地進行流域非點源污染負荷動態(tài)核算。

（1） 模型構(gòu)架。分布式流域非點源模型集水文模塊、土壤侵蝕模塊及污染負荷模塊于一體。水文模塊包括水文循環(huán)陸地過程及匯流過程，其中水文循環(huán)陸地過程控制著每個子流域徑流、泥沙、污染物等向主河道匯入，水文循環(huán)匯流過程控制流域河網(wǎng)內(nèi)的徑流、泥沙等向流域總出水口的輸移過程;土壤侵蝕模塊采用MUSLE方程來計算侵蝕量，應(yīng)用徑流因子提高產(chǎn)沙量的模擬精度;污染負荷模塊可模擬土壤剖面和淺層含水層中的氮、磷循環(huán)過程。

（2） 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)輸入。精細化基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為模型準確計算提供支撐。空間數(shù)據(jù)主要包括數(shù)字高程模型（DEM）、土壤類型圖、土地利用圖等，屬性數(shù)據(jù)包括氣象數(shù)據(jù)（降雨、氣溫等）、水文數(shù)據(jù)和社會經(jīng)濟管理數(shù)據(jù)等。基于遙感動態(tài)監(jiān)測記錄，獲取大尺度流域的空間信息參數(shù)，應(yīng)用GIS空間數(shù)據(jù)分析功能，提取數(shù)字高程模型DEM中高程、坡度和坡向等地形因子、流域河道水系、土地利用、土壤類型空間分布等準確信息。

（3） 空間離散。精細尺度的格網(wǎng)離散是精細化模擬的關(guān)鍵。依據(jù)D8數(shù)學(xué)算法計算各支流流域水流流向、分水線，并基于流域水系及合理集水面積閾值，將流域離散到子流域，實現(xiàn)流域空間單元的精細劃分。

（4） 模型參數(shù)敏感性分析及率定驗證。模型參數(shù)敏感性分析采用模型自帶的分析模塊LH-OAT分析方法，結(jié)合全局分析和局部分析，確定主要影響參數(shù)，提高調(diào)參效率。利用流域控制斷面的徑流和水質(zhì)相關(guān)實測資料驗證模型精準性和廣泛適用性，采用模擬值和實測值之間的日總量決定系數(shù)（coefficient of determination）R2和納什效率系數(shù)（Nash-Suttcliffe）ENS兩種參數(shù)來評判模擬結(jié)果的準確度。一般以R2大于0.6，ENS大于0.5作為模擬精度的評價標準。

（5） 結(jié)果輸出。通過分布式流域非點源模型的模擬計算，得到流域控制斷面逐日徑流量、非點源污染負荷逐日濃度值等，模擬非點源污染負荷時空分布情況，為動態(tài)計算流域生態(tài)補償值提供數(shù)據(jù)支撐。

第7期? ?馬蒙越，等：基于非點源污染負荷的流域生態(tài)補償動態(tài)計算研究? ? 人 民 長 江2019年 1.2 流域生態(tài)補償動態(tài)計算方法

依據(jù)“誰保護誰收益、誰受益誰補償”的生態(tài)補償原則，對控制斷面超標污染物通量（水質(zhì)濃度監(jiān)測值-水質(zhì)濃度控制目標值）×斷面水量）的治理成本確定流域生態(tài)補償金的基本計算方法[5]進行改進，考慮日時間尺度水文、水質(zhì)動態(tài)變化過程，融合賠償和改善雙向補償思路，提出基于非點源污染負荷核算的精細化流域生態(tài)補償動態(tài)計算方法，計算公式為：

若此方法的計算結(jié)果為正，表明流域控制斷面監(jiān)測濃度低于水質(zhì)類別標準限值，流域因生態(tài)環(huán)境改善可獲得生態(tài)補償;反之若計算結(jié)果為負，表明流域控制斷面監(jiān)測濃度超過水質(zhì)類別標準限值，流域因未達到規(guī)定的水質(zhì)標準而需支付生態(tài)補償賠償費用;若計算結(jié)果為0，表明控制斷面水質(zhì)剛好達到標，既不得到環(huán)境改善金，也不支付環(huán)境賠償金。

2 實例研究

2.1 研究區(qū)概況

香溪河流域為三峽庫區(qū)的典型農(nóng)林復(fù)合型流域，位于湖北省西部，流域面積約為3 100 km2，是壩首的第一大支流流域，地跨東經(jīng)110°34′～111°05′和北緯31°04′～31°62′。該流域包括被覆蓋率極高的神農(nóng)架林區(qū)、城鎮(zhèn)化發(fā)展迅速的興山縣和秭歸縣3部分區(qū)域，并擁有南陽、古夫、高嵐三大水系，流域概況如圖1所示。多年平均年降水量約為1 000 mm/a，多年平均氣溫為15°C，屬典型的亞熱帶季風(fēng)性氣候。香溪河流域農(nóng)村人口約13萬人，土質(zhì)肥沃，主產(chǎn)玉米、水稻、柑桔等。流域傳統(tǒng)“高投入，高產(chǎn)出”的經(jīng)營模式使得水土和化肥在降雨條件下流失嚴重，大量的氮、磷等元素進入水體，非點源污染問題在香溪河流域具有代表性。

同時，香溪河流域各區(qū)縣肩負著重點生態(tài)功能區(qū)的主體功能，其生態(tài)環(huán)境備受關(guān)注，對重點生態(tài)功能區(qū)進行生態(tài)補償研究是必要而緊迫的。目前，當(dāng)?shù)仨憫?yīng)綠色發(fā)展號召，推進生態(tài)文明建設(shè)，相關(guān)部門積極開展綠色生態(tài)創(chuàng)建工作，著手解決流域由非點源污染引起的水環(huán)境問題[13-15]，在穩(wěn)步推進生態(tài)城鎮(zhèn)化發(fā)展的同時，退耕還林等一系列環(huán)境保護政策得以開展[16-17]。但還存在著流域非點源污染變化趨勢的定性定量結(jié)論差異較大[18-19]，流域生態(tài)補償計算的研究尚不深入等問題。

2.2 流域非點源污染負荷核算

分布式流域非點源模型所需輸入數(shù)據(jù)包括空間和屬性數(shù)據(jù)，香溪河流域基礎(chǔ)數(shù)據(jù)類型及來源等詳細信息見表1。

依據(jù)D8數(shù)學(xué)算法計算各支流流域水流流向、分水線，基于流域水系及合理集水面積閾值，將香溪河流域離散劃分成91個子流域。

利用流域控制斷面2012年和2013年連續(xù)731 d的徑流和水質(zhì)的模擬值與實測數(shù)據(jù)來驗證模型的精準性和適用性。徑流驗證結(jié)果R2為0.75，ENS為0.65;水質(zhì)驗證結(jié)果中總氮和總磷的R2分別為0.68和0.66，ENS分別為0.60和0.57。結(jié)果表明，所構(gòu)建的非點源模型在香溪河流域的適用性良好，可用于非點源污染的模擬研究。

以2005，2010年和2015年3期香溪河流域遙感衛(wèi)星圖像經(jīng)ENVI監(jiān)督分類解譯處理得到土地利用空間，分析流域土地利用變化情況;運用分布式流域非點源模型，模擬計算香溪河流域非點源污染負荷的總輸出量，探討不同土地利用條件下流域非點源總氮、總磷污染負荷在時空尺度上的變化情況，并將模擬得到的控制斷面徑流量和總氮、總磷逐日濃度值作為生態(tài)補償計算的技術(shù)支撐。

2.2.1 土地利用變化分析

土地利用變化是指研究區(qū)內(nèi)各種土地利用類型面積大小、占比、空間分布等隨時間發(fā)生的變化，伴隨著各種土地利用類型間的轉(zhuǎn)換。結(jié)合香溪河流域土地利用的特點，本研究將研究區(qū)土地利用類型分為耕地、林地、草地、居民區(qū)和水域共5種類型，隨后對2005，2010年和2015年3期的TM/ETM遙感影像進行解譯，得到1∶30萬的土地利用類型圖，如圖2所示。

從圖2中提取3期土地利用數(shù)據(jù)信息，得到香溪河流域土地利用類型的面積占比和變化趨勢（見表2）。分析發(fā)現(xiàn)，林地和耕地為香溪河流域最主要的土地利用類型，林地主要分布在流域四周，耕地主要分布在中部及西南部，兩者面積總和約占流域總面積的95%。從2005年至2015年，林地和耕地面積變化顯著，其中林地的面積增加了463.76 km2，增幅為21.73%;而耕地面積減少了486.08 km2，降幅為57.06%;草地和水域面積10 a間均呈現(xiàn)出先增后減的波動趨勢，但2015年較2005年兩者面積僅略微分別增加了4.65 km2和2.48 km2;居民區(qū)面積雖增幅達到111.36%，但由于其占流域總面積的比例較小，10 a間僅略微增加了15.19 km2。從2005年至2015年，林地增加、耕地減少的顯著變化規(guī)律與同期退耕還林和封山育林等政策的作用效果相吻合。

2.2.2 流域非點源污染負荷變化分析

基于香溪河分布式流域非點源模型，模擬計算2005，2010年和2015年香溪河流域非點源污染負荷的輸出量。從2005年到2015年，總氮和總磷年負荷總量分別減少了513.88 t和134.00 t，降幅分別為30.18%和45.40%。以子流域為統(tǒng)計單元，得到研究區(qū)非點源總氮、總磷污染負荷時空變化圖（見圖3和圖4）。結(jié)果表明：香溪河流域非點源總氮、總磷污染情況在整個流域上逐年改善。10 a間，總氮和總磷負荷值較高的子流域的數(shù)量和規(guī)模逐漸減少，高負荷子流域空間變化趨勢與耕地分布變化規(guī)律接近，而大面積林地所在區(qū)域的總氮和總磷污染負荷較低。

通過分布式流域非點源模型的模擬計算，可得到2005，2010年和2015年流域控制斷面逐日徑流量Q和逐日總氮（C總氮）、總磷（C總磷）負荷值，為精細計算香溪河流域生態(tài)補償動態(tài)值提供數(shù)據(jù)支撐。

2.3 香溪河流域流域生態(tài)補償動態(tài)計算

基于分布式流域非點源模型對香溪河流域非點源總氮、總磷污染負荷的模擬結(jié)果，結(jié)合香溪河流域因退耕還林等政策使流域非點源總氮、總磷污染情況逐年改善的情況，以日時間尺度，動態(tài)計算2005，2010年和2015年香溪河流域的生態(tài)補償值。

參考相關(guān)文件及研究者所提出的各種污染物補償標準[20]，確定總氮、總磷污染負荷因子的治理成本m總氮和m總磷分別為1.55萬元/t和14.60萬元/t。根據(jù)《湖北省水功能區(qū)劃》對香溪河口斷面的Ⅲ類水質(zhì)目標要求，結(jié)合GB3838-2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》的規(guī)定，總氮、總磷對應(yīng)的水質(zhì)類別標準限值為C0總氮≤1mg/L，C0總磷≤0.2mg/L。

流域控制斷面逐日徑流量Q和逐日總氮、總磷負荷值C總氮和C總磷過分布式流域非點源模型的模擬計算得到。

將以上數(shù)據(jù)代入公式（1），精細計算2005，2010年和2015年香溪河流域逐日生態(tài)補償值，再以月為統(tǒng)計單位，分別得到基于總氮和總磷負荷核算的3 a各月份香溪河流域生態(tài)補償值，結(jié)果見圖5。圖中正值表示流域該月因控制斷面水生態(tài)環(huán)境達標而應(yīng)獲得的生態(tài)補償，負值表示流域因未達到規(guī)定的水質(zhì)標準而需支付的生態(tài)補償賠償費用。

由圖5（a）可知，香溪河流域2005，2010年和2015年的2，3月和8月，2005年的4月和9月，以及2010年的9月需要支付考慮總氮考核指標的生態(tài)補償賠償費用，其余月份均可因控制斷面總氮水質(zhì)指標達標而獲得生態(tài)補償費用，且在5，6，7月和10月獲得較高的生態(tài)補償，但也存在著生態(tài)補償為負值的月份中出現(xiàn)個別天數(shù)生態(tài)補償為正的情況，以及生態(tài)補償為正值月份中出現(xiàn)個別天數(shù)生態(tài)補償為負值的情況。考慮總氮指標的生態(tài)補償值在春夏季呈逐年上升趨勢，在秋冬季基本保持穩(wěn)定。整體上，每年因非點源總氮污染情況改善而獲得的生態(tài)補償費用顯著增加。

由圖5（b）可知，香溪河流域除2005年的8月需要支付考慮總磷考核指標的生態(tài)補償賠償費用，其余各月份均可因控制斷面總磷水質(zhì)指標達標而獲得生態(tài)補償費用，且在4，5，7，9，10月和11月獲得較高的生態(tài)補償，但也存在著生態(tài)補償為正值的月份中出現(xiàn)個別天數(shù)生態(tài)補償為負值的情況。因總磷指標達標而獲得的生態(tài)補償值在春夏季逐年呈明顯上升趨勢，而在秋冬季保持穩(wěn)定。整體上，每年因非點源總磷污染情況改善而獲得的生態(tài)補償費用顯著增加。

將2005，2010年和2015年各月份總氮、總磷生態(tài)補償值合計得到香溪河流域各年生態(tài)補償總值，詳見圖6。由圖6可知，2005，2010年和2015年香溪河流域生態(tài)補償值分別為1 485.06萬，2 109.18萬元和2 692.20萬元，香溪河流域因生態(tài)環(huán)境改善而應(yīng)獲得的生態(tài)補償值逐年增加;從2005年到2015年，香溪河流域由總氮污染負荷核算得到的生態(tài)補償值增加了422.12萬元，由總磷污染負荷核算得到的生態(tài)補償值增加了785.02萬元，綜合考慮總氮和總磷污染負荷核算的生態(tài)補償總值增加了1 207.14萬元。同時，經(jīng)遙感解譯得知有463.76 km2的土地利用類型由耕地轉(zhuǎn)為林地，因此，每實現(xiàn)1 km2的退耕還林的土地利用轉(zhuǎn)變，香溪河流域?qū)⒁蚍屈c源污染負荷減少和生態(tài)環(huán)境改善而獲得約2.60萬元的生態(tài)補償。

3 結(jié) 論

本文以香溪河流域為實例，構(gòu)建分布式流域非點源模型，探求土地利用變化作用下的非點源污染變化規(guī)律，模擬計算流域控制斷面逐日水質(zhì)情況，提出基于流域非點源污染負荷核算的流域生態(tài)補償精細化動態(tài)計算方法，得出以下幾點結(jié)論。

（1） 香溪河流域土地利用方式以林地、耕地為主。2005～2015年，約有464 km2的耕地轉(zhuǎn)為林地。在土地利用變化條件下，10 a間香溪河流域非點源總氮和總磷年負荷總量降幅分別為30.18%和45.40%，流域非點源污染情況整體改善。

（2） 以日時間尺度為最小計算單元對控制斷面水質(zhì)指標達標情況進行核算，精細化動態(tài)計算香溪河流域生態(tài)補償值，以月時間尺度為統(tǒng)計單元得知：2005，2010年和2015年均在的5，7月和10月獲得較高的生態(tài)補償，并且在春夏季呈逐年上升趨勢，在秋冬季逐年保持穩(wěn)定。

（3） 綜合考慮到總氮和總磷非點源污染負荷核算，香溪河流域2015年可獲得的生態(tài)補償值較2005年增加1 207.14萬元。

（4） 每實現(xiàn)1 km2的退耕還林土地利用轉(zhuǎn)變，香溪河流域?qū)⒁蛭廴矩摵蓽p少和生態(tài)環(huán)境改善而獲得約2.60萬元的生態(tài)補償。

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（編輯：常漢生）