基于污染損失和逐級協商的生態補償量化研究—以湘江流域為例

劉葉葉, 毛德華, *, 宋平, 廖小紅, 劉春臘

基于污染損失和逐級協商的生態補償量化研究—以湘江流域為例

劉葉葉1, 毛德華1, *, 宋平2, 廖小紅2, 劉春臘1

1. 湖南師范大學資源與環境科學學院, 長沙 410081 2. 湖南省水利水電勘測設計研究總院, 長沙 410007

生態補償是生態文明建設的重要組成部分, 其中確定補償主體和補償標準是進行補償的關鍵。通過分析生態補償存在的問題, 建立了基于污染損失和逐級協商的補償額度測算方法, 并從理論補償標準入手, 引入修正系數, 以湘江流域為例, 測算了流域污染損失補償量。考慮到各地區經濟發展水平、用水量和用水效率存在差異, 選取各市GDP、用水量、萬元GDP用水量、萬元工業增加值用水量和農田灌溉水有效利用系數進行調節。結果表明, 2016年湘江流域補償分配額為: 衡陽補償永州75.525 萬元、衡陽補償株洲250.800 萬元、湘潭補償株洲257.191 萬元、長沙補償湘潭980.700 萬元、長沙補償岳陽168.120 萬元、郴州補償衡陽476.076 萬元、株洲補償衡陽56.680 萬元、婁底補償湘潭397.375 萬元、衡陽補償邵陽161.025 萬元。基于污染損失的補償標準符合當前我國補償實例的要求, 可作為補償標準的下限。研究結果可為量化流域水功能區生態補償標準提供依據和參考。

污染損失; 一維水質模型; 生態補償; 湘江流域

0 前言

隨著綠色發展和生態文明理念深入人心, 人們對生態環境質量的關注度越來越高[1-3]。近年來, 黨中央和國務院對推進流域上下游生態補償機制做出重要決策部署。因此, 建立生態補償機制是當前國內環境管理的主要方向之一, 其中科學確定補償主體和補償標準既是環境經濟領域的研究熱點, 也是生態補償由理論轉為實踐的核心問題。

隨著國內流域生態補償研究的不斷深入, 人們對流域生態補償模式進行了分類。徐大偉(2008)等[4]等和黃彥臣(2014)[5]分別提出跨省市補償模式和流域共建共享模式。段藝璇(2018)等[6]提出基于政府和市場主導的補償模式。鄭海霞(2006)[7]認為國內補償模式主要包括基于大型項目、政府和市場主導、水量、水權交易的補償模式。劉雨佳(2018)等[8]在現行生態補償模式的基礎上, 提出區際間橫向生態補償模式、異地補償模式、“產業共建”模式和因地制宜補償模式四種模式作為補充。然而大多模式很難清晰界定責任主體和利益主體, 多省市之間難以達成協議, 易推高府際間協商談判成本, 因此本文采用跨界逐級補償模式, 僅考慮相鄰區域間的補償關系, 最終核算出各區域補償分配額。

生態補償主要包括污染賠償和保護補償兩個方面。“污染賠償”強調的是破壞者的支付行為, 而“保護補償”側重于強調受益者的支付行為。目前研究主要基于污染損失[9]、超標水環境容量[10]和污染物處理成本[11]核算污染賠償, 基于投入成本[12]和生態服務價值[13]核算保護補償。雖然目前主要基于投入成本和服務價值法計算, 但是由于二者涉及范圍大, 種類復雜, 無統一的核算框架, 很難保證“窮盡性”和“獨立性”, 致使計算結果差異較大。因此本研究從損失入手, 將水質改善前后的損失差值作為保護成本, 以此核算保護補償, 從而為量化補償額度提供不同的思路。

湘江流域下游比上游經濟發達, 是典型的“上游損失, 下游受益”模式(圖1)。流域上游加強環境保護和生態建設, 工業企業發展相對緩慢, 致使上下游經濟發展水平差距越來越大, 因此完善當前流域生態補償制度、確定科學的補償標準尤為重要。目前對于湘江流域生態補償的研究主要從生態服務價值[14]和博弈視角[15]展開, 且補償以局部區域為例, 沒有對全流域進行綜合全面的分析[16]。因此本文通過探討逐級生態補償機制, 利用水污染經濟損失函數法和一維水質模型, 計算湘江流域市界水功能區水污染損失量及污染貢獻, 最終得出流域各行政區補償額。在總結湘江流域生態補償經驗的基礎上, 補償辦法將逐步向資水、沅水、澧水和洞庭湖流域推廣, 最終實現湖南省全流域上下游利益平衡、合作共贏。

1 流域生態補償

1.1 生態補償理論

水資源是一種準公共物品, 具有非排他性和競爭性。非排他性主要表現為無法明確界定水資源的使用權, 即無法排除任何人對水資源的使用, 這往往使上游產生“搭便車”心理, 不愿意投入成本保護環境。競爭性即由于水資源的稀缺性, 一方過度使用水資源會導致另一方可利用的水量減少, 長期以來造成“公地悲劇”現象。

圖1 湘江流域地理位置

Figure 1 Geographical position of the Xiangjiang River

水污染的跨界流動性導致流域上游污染物跨越轄區外溢到其他轄區, 造成污染負荷的負外部性[17]。因此作為一個理性經濟人, 在核算污染損失時, 只會考慮排污對本地造成的損失, 尋求本區域最優資源使用量。但是各行政區單獨決策時整個流域資源并非處于最優狀態, 這導致行政區在各自最優決策下的凈收益低于整體最優下的凈收益。

產權界定不清晰阻礙了跨界污染有效治理的進程。當前生態產品產權模糊、交易市場不成熟、利益主體協商成本高, 抑制了地方政府供給外溢性公共物品的動機。此外中國式官員晉升與人事制度聯系緊密, 使得政府對教育、醫療、環保等周期長的公共物品投入動機小。

我國河流大多跨越多個行政區, 由于流域的自然屬性, 上游不可避免地會對下游產生影響, 在核算補償量時上游區域應該對下游區域逐個進行補償。這種一對多的補償方式推高了府際間協商談判成本, 加大了上游生態保護與建設的壓力。基于上述問題, 本文僅考慮相鄰兩個區域之間的補償關系。這種補償方式責任主體和利益主體明確, 可以簡化操作, 降低雙方交易成本, 便于流域生態補償機制的實施。

1.2 生態補償模型

1.2.1 水污染經濟損失函數

水體接納污染物后, 污染物所造成的經濟損失與污染物濃度大體呈S型曲線[18]。當污染物濃度過低時, 經濟損失較小。隨著濃度的增加, 損失急劇增加, 但在一定的發展水平下, 污染損失必然存在一個閾值, 使得水污染造成的經濟損失呈現阻尼因子作用下的增長模式(圖2)。

經濟損失函數表達式為:

式中:γ為分項水污染損失率;K為分項水污染損失系數;為水質經濟敏感系數,越大, 曲線越陡, 經濟活動對水質狀況越敏感;為綜合水質類別;TH和M為曲線拐點處水質類別和對應的污染損失率, 上述指標均無量綱; ΔF為分項水污染損失量, 億元;F為分項經濟總量, 億元。

圖2 水污染經濟損失函數示意圖

Figure 2 Schematic diagram of economic loss from water pollution

其中, 將各水功能區長度占總河長的比例作為判別流域綜合水質類別的權重, 然后加權平均得到綜合水質類別; 基于已有研究成果和水質標準GB3838-2002, 一個地區水質類別為IV類時, 其對社會經濟和人類活動相當關鍵, 因此將TH定為4; 一個地區水質類別為劣V類時, 水體基本失去使用功能, 污染損失率為0.995K, 當水質類別為II類時, 水質滿足大部分使用功能, 污染損失率為0.005K, 通過計算可知為0.54,M為0.5K。水污染經濟損失函數可表示為:

1.2.2 一維水質模型

水質模型是通過描述河網中水流及污染物隨時間、空間遷移轉化的規律, 模擬和預測污染物在水中的變化行為[19]。根據污染物的空間分布特性可將水質模型分為零維、一維、二維和三維模型。湘江流域河長遠大于河寬和河深, 因此可以采用一維模型來計算污染貢獻率。一維水質模型可表示為:

式中:為縱向離散系數, m2·s-1;為污染物濃度, mg·L-1;為距控制斷面的距離, km;為河段平均流速, m·s-1;為綜合衰減系數, 1·d-1。

由于湘江流域不受潮汐影響, 其離散、擴散作用相對于移流作用較小, 因此假定=0, 一維模型方程的解析解為:

式中:0為初始斷面的濃度, mg·L-1。

1.2.3 修正系數

保護湘江流域生態環境是流域各市共同的責任和義務, 但由于各市經濟發展水平、用水量和用水效率存在差異, 若采用統一的補償標準, 會造成補償責任的均衡化, 不利于流域上下游公平共享水資源。若補償額度超過該地區支付能力, 會造成該地通過浪費水資源、逃避污染控制等獲取更高利益, 不利于建立科學長效的生態補償機制。生態補償是基于生態服務功能及支付意愿的一種調節政策, 補償時應將各市GDP與水質保持、水量供給等生態服務功能掛鉤, 結合使用各市GDP、用水量和用水效率進行調節。因此本文最終選取五個指標, 其中用水效率參考最嚴格水資源管理制度[20], 選取萬元GDP用水量、萬元工業增加值用水量和農田灌溉水有效利用系數進行表征。5個指標占總量比例的平均值即為補償標準系數(表1)。

1.2.4 補償標準計算

式中:為補償量;為修正系數;為污染貢獻率; ΔF為污染損失。

2 結果與分析

2.1 湘江流域水功能區污染損失量核算

湘江流域流經永州、郴州、衡陽、株洲、湘潭、長沙、邵陽和婁底, 至湘陰縣(岳陽)注入洞庭湖, 《暫行辦法》規定的補償考核對象并未包括邵陽市, 因此本文在其基礎上將邵陽納入補償范圍, 最終確定各市之間的補償額度。研究范圍共涉及69個水功能區, 囿于篇幅, 本文只列出衡陽—株洲段補償額計算過程, 其他各市只列最終結果。

根據湖南省2016年水功能區水質達標率報告, 郴州→衡陽、衡陽→株洲、株洲→衡陽、長沙→岳陽、婁底→湘潭屬污染賠償, 永州←衡陽、株洲←湘潭、湘潭←長沙、邵陽←衡陽屬保護補償。在具體核算污染損失率時, 前者只需依據2016年水質狀況, 而后者需要計算水質改善前后的污染損失率。由于湘江流域2014年開始正式實施生態補償, 因此本文以2013年作為基年, 計算2013年與2016年污染損失率差值。

借鑒李錦秀研究中水污染對各個分項的損失系數K, 將各功能區加權平均得到的綜合水質類別和水污染經濟損失系數代入式(3), 得到各區域污染損失率。其中湘江流域水功能區水質數據來源于湖南省水文水資源勘測設計研究總院。表2中水功能區1、2、3分別表示湘江株洲縣開發利用區、湘江株洲保留區、湘江株洲開發利用區。

2016年株洲市各項指標值見表3, 各水功能區對應的統計值是假定區域內單位河長的GDP指標值相等, 根據各功能區長度占研究區全部功能區總河長的比例求得。通過計算可知株洲市經濟損失總量為2.731 億元, 其中水功能區3最大, 在具體計算分項中農業和工業損失量較大, 占經濟損失總量的百分比為84.3%。

2.2 湘江流域水功能區生態補償量核算

在水環境影響評價中, 通常引入貢獻值來說明政策實施或擬建項目對環境的影響程度。湘江流域上下游水污染輸移關系明顯, 衡陽市位于上游, 株洲市位于下游。衡陽市超標排放污染物, 將對下游株洲市各水功能區產生不同程度的影響。由于COD和NH3-N是污染物總量控制和水功能區水質達標考核的控制因子, 因此本研究以COD和NH3-N作為模型計算因子。各水功能區一維模型參數見表4、表5和表6。

表1 2016年湘江流域補償標準修正系數

表2 湘江株洲段水功能區經濟損失率

根據所得結果, 三個水功能區共損失2.731 億元, 其中上游衡陽市承擔0.176 億元, 剩余2.555 億元由株洲自己承擔。將各行政區補償分配額與修正系數相乘即可得到最終補償分配額。匯總9市之間的補償額(表7), 其中長沙補償湘潭最多(980.7萬元), 按照水功能區超標考核要求[21], 2016年長沙超標率最大(38.5%)。且湘江流域在岳陽市只流經湘陰縣和汨羅市, 污染范圍小, 污染損失大部分由長沙自己承擔。郴州是享譽世界的“有色金屬之鄉”, 依托豐富的礦產資源, 市內有色金屬等資源型產業在為地方經濟發展作出突出貢獻的同時, 也造成了郴州市典型的重金屬污染特征。對比每月水質類別與水質目標, 發現2016年郴州水功能區超標率為23.1%, 因此郴州補償分配額也較多。湘江干流河流從衡陽流入株洲, 支流河流從株洲流入衡陽, 但是由于支流段水污染較小, 損失量遠低于干流段, 因而支流段補償額較少。永州和邵陽上游加強環境保護和生態建設, 水質狀況較好, 均達到III類標準, 因此衡陽需要對其投入成本進行補償。此外由于湘江流域流經婁底面積小, 補償額和修正額差值較大, 因此實際補償時需綜合考慮各地用水比例。

表3 湘江株洲段水功能區經濟損失量

表4 株洲縣開發利用區一維模型參數及補償量

表5 株洲保留區一維模型參數及補償量

表6 湘江株洲開發利用區一維模型參數及補償量

表7 湘江流域各行政區補償量

3 討論

根據污染損失函數法和一維模型計算出各市補償分配額, 雖然直接補償分配額提供了各地補償方向和補償額度, 但其不能有效的用于實踐, 不具有可操作性。相反, 綜合考慮各市支付能力、用水量和用水效率使研究結果更可接受和實踐, 更便于市級政府開展補償工作。

依據上述補償方向, 永州、株洲、湘潭、岳陽和邵陽分別獲得補償額, 郴州、衡陽、長沙和婁底分別支付補償額。根據2016年水功能區水質達標考核結果, 湘江流域有13 個水功能區超標, 長沙水功能區超標最多, 湘潭全部達標, 因此長沙支付賠償最多, 湘潭獲取補償最多。同時, 流域流向和相鄰區域數量在一定程度上會影響支付/獲取額度。湘江干流衡陽流入株洲, 水量較大, 支流株洲流入衡陽, 水量較小, 因而兩地補償相差較大。長沙僅有兩個相鄰區域, 且下游岳陽市承擔比例小, 損失大多由長沙承擔。衡陽緊鄰4個區域, 各區域間影響范圍大, 會分擔一部分損失, 從而減少衡陽承擔額度。因此之后在衡量補償額度時需同時考慮交界段面和內部損失, 即綜合考慮市級和縣級層面補償, 以防出現市內上中游水質差, 鄰近出境區水質變好現象。

由于湘江流域重金屬污染突出, 本文僅以COD和NH3-N作為控制因子參與污染貢獻的研究與分析, 造成結果存在一定偏差。因此, 需加強流域水功能區重金屬污染物數據的收集與分析, 選取更多有代表性的污染物進行更加準確的計算與分析。

4 結論

基于2016年湘江流域水功能區水文水質數據, 構建湘江流域逐級生態補償機制框架, 采用水污染經濟損失函數法和一維水質模型, 對流域內69 個水功能區展開不同類型的生態補償研究, 最終得出各市補償分配額, 結論如下:

(1)水污染經濟損失函數法表明郴州一衡陽段、衡陽一株洲段、株洲一衡陽段、長沙一岳陽段、婁底一湘潭段損失量分別為5.229億元、2.731億元、0.664億元、0.060億元、6.709億元。永州一衡陽段、株洲一湘潭段、湘潭一長沙段、邵陽一衡陽段損失減少量分別為: 3.860億元、4.129億元、8.646億元、2.258億元。

(2)2016年湘江流域最終補償分配額為衡陽補償永州75.525 萬元、衡陽補償株洲250.800 萬元、湘潭補償株洲257.191 萬元、長沙補償湘潭980.700 萬元、長沙補償岳陽168.120 萬元、郴州補償衡陽476.076 萬元、株洲補償衡陽56.680 萬元、婁底補償湘潭397.375 萬元、衡陽補償邵陽161.025 萬元。

(3)當前湘江流域生態補償最為主要的獎懲因素是水質, 具體是以地表水III類水質為標準, 明確界定水質低于III類標準的懲罰措施, 而對于水質達到III類標準的, 則給予適當獎勵, 但并未明確界定獎勵多少。基于此, 本研究從損失入手, 將水質改善前后的損失差值作為保護成本, 以此核算保護補償, 該方法比當前正在實行的方法更全面客觀, 更易于量化各交界段污損賠償和保護補償。

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Quantification of eco-compensation based on pollution loss and gradual negotiation: a case study of Xiangjiang River Basin

LIU Yeye1, MAO Dehua1, *, SONG Ping2, LIAO Xiaohong2, LIU Chunla1

1. College of Resources and Environmental Science, Hunan Normal University, Changsha 410081, China 2. Hydro & Power Design Institute of Hunan Province, Changsha 410007, China

Ecological compensation is an important part of ecological civilization construction, in which the determination of compensation subject and compensation standard is the key to eco-compensation. By analyzing the existing problemson eco-compensation, we designed acalculation method of compensation standard based on pollution loss and gradual negotiation. The correction coefficient was introduced according to the theory of compensation standard. Taking the Xiangjiang River as a case study, the compensation amountbased on pollution loss was measured. Taking into account of differences in economic development level, water consumption and water use efficiency in different administrative regions, the GDP, water consumption, water consumption of 10 thousand CNY GDP and industrial value added, and effective utilization coefficient of irrigated water in farmland were selected to revise the compensation standard. The results showed that the final compensation amount in XiangjiangRiver Basin in 2016 was as follows: Hengyang compensated Yongzhou 0.75525 million yuan, Hengyang compensated Zhuzhou 2.508 million yuan, Xiangtan compensated Zhuzhou 2.57191 million yuan, Changsha compensated Xiangtan 9.807 million yuan, Changsha compensated Yueyang 1.6812 million yuan, Chenzhou compensated Hengyang 4.76076 million yuan, Zhuzhou compensated Hengyang 0.5668 million yuan, Loudi compensated Xiangtan 3.97375 million yuan, Hengyang compensated Shaoyang 1.61025 million yuan. The compensation standard based on pollution lossmeets the requirements of current compensation cases in China and could be used as the lower limit of compensation standard. Our research results provide basis and reference for the quantification of eco-compensation standard in watershed functional zones.

pollution loss; one-dimensional water quality model; ecological compensation; Xiangjiang River Basin

10.14108/j.cnki.1008-8873.2020.04.024

劉葉葉, 毛德華, 宋平,等. 基于污染損失和逐級協商的生態補償量化研究—以湘江流域為例[J]. 生態科學, 2020, 39(4): 193–199.

LIU Yeye, MAO Dehua, SONG Ping, et al. Quantification of eco-compensation based on pollution loss and gradual negotiation: a case study of Xiangjiang River Basin[J]. Ecological Science, 2020, 39(4): 193–199.

X196

A

1008-8873(2020)04-193-07

2019-10-22;

2019-12-03

湖南省重點研發計劃項目(2017SK2301); 湖南省水利科技重大項目(湘水科計[2016] 194-13); 湖南師范大學一流學科建設項目(810006)

劉葉葉(1994—), 女, 山西呂梁人, 碩士研究生, 主要從事水環境與水生態研究, Email: 975331897@qq.com

毛德華(1964—), 男, 博士, 教授, 主要從事水資源與水環境研究, Email: 850276407@qq.com