飛來峽水利樞紐社崗堤加固工程生態效益分析與定量計算

鐘鳴輝, 凌耀忠

(1.廣東省水利水電技術中心， 廣州 510635；2.中水珠江規劃勘測設計有限公司， 廣州 510630)

1 概述

黨的十九大指出建設生態文明是中華民族永續發展的千年大計，必須樹立和踐行綠水青山就是金山銀山的理念，堅持節約資源保護環境基本國策，統籌山水林田湖草系統治理，實行最嚴格生態環境保護制度。水利工程作為山水林田湖草系統治理中重要組成部分，在建設過程中應貫徹生態設計理念，建設生態水利工程。但目前水利工程建設效益分析時，基本沒有對工程生態措施進行定量分析；對工程建設采用的生態建設措施，只進行生態定性描述，沒有定量分析計算。我國現行水利工程經濟評價和水土保持技術規范對工程效益的評價，也沒有對生態建設的生態效益定量計算作出明確規定。本文以飛來峽水利樞紐社崗防護堤除險加固工程為分析對象，對加固建設的各種生態建設措施的生態效益進行定量分析和計算，對堤防加固工程建成后的生態效益定量分析與評價進行探索。

2 工程概況

飛來峽水利樞紐位于廣東省北江干流中游清遠市飛來峽鎮境內，是一宗以防洪為主，兼有航運、發電和水資源配置等多種效益的大(1)型水利工程，是北江中下游防洪體系的重要組成部分，水庫總庫容為19.04億m3，樞紐主要由土壩、泄洪閘、電站、船閘、副壩和社崗堤等組成。社崗堤位于樞紐上游左岸，工程任務為防洪，設計洪水標準100年一遇，堤頂全長為3 610m，保護面積為41.4 km2，是飛來峽水利樞紐重要的組成部分。

社崗堤運行過程中堤后曾發生管涌險情，存在堤后沼澤化，部分堤身沉降及滲漏嚴重，部分堤段抗滑穩定不滿足規范要求等安全隱患[1]，經鑒定，廣東省水利廳審定為“三類堤(壩)”，2014年廣東省發改委批準進行除險加固[2]，主要建設內容為：堤身和堤基防滲處理、加寬堤頂、培厚堤身、加固堤后壓臺、改造堤頂路面、路燈和信息化項目等，總投資1.22億元，工程已于2016年7月全部完成，發揮了良好的社會效益和生態效益。

社崗堤加固工程從2014年立項開始，根據生態文明建設要求，提出了生態設計基本思路，要求在保證安全加固的基礎上，貫徹系統設計、生態優先、節能減排、整體生態、因地制宜、文化融合等建設原則[3-4]，樹立生態理念，建設生態水利工程。

3 生態效益涵義及其計算范圍

3.1 生態效益基本涵義

生態效益是指人們在生產實踐過程中依據生態平衡規律，使區域內的生態系統對人類的生產、生活條件及環境條件產生有益的影響和有利效果。從相關因素關系而言，生態效益指人類各項活動創造的經濟價值與消耗的資源及產生的環境影響的比值。生態效益概念隱含著從生態與經濟兩個維度考慮環境問題，在兩者之間做一個最佳的配置；在進行經濟和其他活動時，在創造經濟價值時，盡量減少資源消耗和對生態環境的沖擊[5-7]。

水利工程生態效益一般是指工程覆蓋區域范圍內實施水利工程后與工程實施前，或者與同時期周邊區域的生態系統相比較，所產生的有益的影響和有利效果。

3.2 工程生態效益計算范圍

3.2.1水利工程主要生態效益指標

根據生態效益涵義和水利工程特性，水利工程生態效益定量計算涵蓋工程覆蓋區域范圍內陸域、水域、水陸交錯帶生態系統。結合本工程加固方案，因社崗堤加固措施僅僅限于陸域生態系統，故本工程生態效益僅限于陸域生態系統。陸域生態系統生態效益指標主要包括的內容有：① 涵養水源：植被與土壤的涵養功能；② 保土防風：降低泥沙淤積、保護農作物與果樹等；③ 調節氣候：降溫、增濕作用；④ 固碳釋氧：固定CO2、釋放O2；⑤ 凈化大氣環境：滯塵、吸收VOC與SO2等；⑥ 消除噪聲：減弱、去除噪聲；⑦ 生物多樣性保護：生產力、物種保育、生態系統保育；⑧ 游憩：生態旅游價值[5-8]。

3.2.2社崗堤工程生態效益計算范圍

社崗堤工程任務是防洪，主要建設內容為防滲加固、加寬堤頂、培厚堤身、堤后壓臺、防汛道路、堤防監測、水土保持等項目，工程建設不涉及水域生態系統、水陸交錯帶生態系統，因此其生態效益僅有陸域生態系統的效益。根據水利工程生態效益的含義，社崗堤工程生態效益計算范圍主要指工程采取各種生態措施實施建設后所產生的生態效益，即本工程陸域生態系統中涵養水源、保土、調節氣候、固碳釋氧、凈化大氣環境等生態效益。由于工程是在原有堤防上加固，生態系統較簡單，建設場址在鄉鎮，為公益性項目，因此對于消除噪聲、生物多樣性保護、游憩等生態效益，可略去不計。

4 社崗堤工程生態效益分析與定量計算

4.1 工程陸域生態系統生態效益分析

本工程陸域生態系統的生態效益主要有：涵養水源價值、保土價值、調節氣候的降溫價值、固碳釋氧的維持碳氧平衡價值、凈化大氣環境價值等。根據工程加固前后相應生態措施的對比，其增量即為社崗堤加固后的生態效益。由于社崗堤加固前基本上只有堤坡部分的植草才具有相應生態價值，沒有其它生態措施，為便于計算，對社崗堤加固后生態效益價值的計算，簡化為工程加固后的生態措施中減去未加固前原有堤后坡的植草面積，其新增生態措施的生態價值基本等于工程加固后的生態效益價值，不再進行加固前后的生態效益計算，進而得出其增量價值。

4.2 生態綠化和水土保持面積計算

根據社崗堤生態綠化和水土保持等生態建設實施情況，將工程綠地面積分布純種草和喬灌草部分，將本工程水土保持與生態綠化范圍和面積即綠地面積計算見表1。

表1 社崗堤加固后水保與生態綠化綠地面積分類計算

4.3 涵養水源效益V1

采用替代工程法來評估社崗堤工程涵養水源的生態價值。假設存在一個蓄水功能與綠地涵養水源物質量相同的工程，而且該工程是可以計算的，那么該工程的價值就可以替代這個綠地的涵養水源價值[9]。

綠地涵養水源價值的計算公式為：

V1=L×V替(Q綠/Q替)

(1)

式中：

V1——綠地涵養水源效益；

Q綠——為某替代工程的水容量；

V替——替代水利工程的價值；

L——發展階段系數，代表經濟發展水平(我國現階段近似為0.15)。

根據我國水庫建設工程成本(0.67元/m3)，在不考慮支付意愿的前提下，上式可簡化為：V1=0.67Q綠。

綠地涵養水源的物質量采用水量平衡法進行計算。綠地年平均降水量等于年均涵養水源總量和綠地年平均蒸發量之和。根據我國資源環境常用數據手冊，我國森林綠地年蒸發量約占全年降水量的30%～80%，全國年平均蒸發量為56%。查本工程當地氣象資料，清遠市清城區多年平均降雨量為2 215 mm，多年平均蒸發量為1 500 mm，則社崗堤工程當地降水的67.7%通過蒸發消耗掉。因此，社崗堤綠地多年平均涵養水源的水量為：

2 215×(1-67.7%)×184 476.18=131 982.6 m3。

以同樣具有蓄水功能的水庫作為替代工程，根據式(1)，可計算出社崗堤綠地的涵養水源價值為：

V3=0.67Q=0.67×131 983=8.84萬元/a。

4.4 保持土壤效益V2

這里主要考慮計算保持表土價值和減輕泥沙淤積價值兩個方面內容。

1) 保持表土價值

采用機會成本法對社崗堤綠地的保持土壤價值進行評估。先計算社崗堤綠地的土壤保持物質量。社崗堤綠地土壤保持量根據工程所在地區的潛在土壤侵蝕量與現實侵蝕量之差進行評估。現實土壤侵蝕量是指當前地表覆蓋情況下的土壤侵蝕量，潛在土壤侵蝕量則是沒有地表土壤覆蓋因素和土壤管理因素條件下可能產生的土壤侵蝕量。

社崗堤工程所在地土壤類型為紅壤，查有關手冊，紅壤坡地上裸露荒地的年平均土壤侵蝕模數為5 193 t/(km2·a),林地、園地的年均土壤侵蝕模數為157 t/(km2·a),則社崗堤工程綠地土壤保持量為：

土壤保持量=(潛在土壤侵蝕模數-現實土壤侵蝕模數)×綠地面積=(5 193-157) ×184 476.18×10-6

=929.02 t/a

(2)

根據土壤保持量和土壤平均厚度0.8 m來計算因土壤侵蝕而造成的廢棄土地面積,再用機會成本法計算因表土損失而失去的年經濟價值。根據當地種植經濟作物的年均收益4.5萬元/hm2作為社崗堤綠地的機會成本。查手冊得紅壤的容重為1.19 t/m3,則可計算得出社崗堤綠地保持表土價值為：

V21=(929.02×4.5)/(0.8×1.19) =0.44萬元/a。

2) 減輕泥沙淤積價值

采用替代工程法計算。根據資料,我國每建設1 m3庫容的水庫工程成本為0.67元。查得紅壤土的容重為1.19 t/m3,根據上面計算社崗堤綠地土壤保持量,可計算得出社崗堤綠地減輕泥沙淤積的價值為:

V22=(929.02/1.19)×0.67=0.05萬元/a。

則社崗堤綠地保持土壤效益為：

V2=0.44+0.05=0.49萬元/a。

4.5 調節氣候效益V3

綠地調節氣候的功能主要表現為能夠改善城鎮的熱島效應，起到降溫增濕的作用[6,10]。社崗堤位于清遠市清城區飛來峽鎮區范圍，可參考城市的角度，采用替代工程法計算社崗堤綠地的降溫增濕價值。

參考國內外研究測定的數值，每1 hm2綠地平均每天在夏季可以從環境中吸收81.8 MJ的熱量[10]，相當于189臺(約1.5匹)空調器全天工作的制冷效果。因此，可利用空調器作為綠地調節溫度功能的替代物，以空調器降低同樣溫度的耗電費用作為綠地調節溫度的價值。

設空調耗電量為0.86 kWh/(臺·h),根據工程當地居民用電價格為0.65元/kWh,則可計算出1 hm2綠地每天調節溫度的價值為：

189×(0.86×0.65)×24=2 535.6元/hm2。

根據當地氣象條件，假設綠地發生調溫效果每年按夏秋季4個月(即6—9月)，每月運行15 d，合計運行60 d計算，則可以算出社崗堤工程綠地調節溫度(即調節氣候)總效益為：

V3=18.45×2 535.6×60=280.7萬元/a。

4.6 固碳釋氧維持碳氧平衡效益V4

根據北京市園林科學研究所陳自新研究成果[11-12]，1 hm2綠地日吸收CO2和釋放O2數量為分別為1.767 t/d，1.23 t/d；根據植物生長與光合作用原理，在下雨天氣中，由于環境中水分達到飽和狀態，植物葉片細胞吸水膨脹，導致葉片上的氣孔關閉，因而光合作用的年總量時間需要扣除植物生長的雨天日數；查清遠市氣象局資料，社崗堤工程所在地多年平均日照時間為1 688 h，轉換為有效日照天數為139 d；根據前面計算社崗堤工程綠地增量數量為18.5 hm2,將本工程綠地吸收二氧化碳CO2和釋放氧氣O2數量計算如下(見表2)。

表2 社崗堤綠地吸收CO2和釋放O2量計算

1) 計算固碳價值V41

采用碳稅法和造林成本法分別計算社崗堤綠地的固碳價值。

根據國際通用的瑞典碳稅率[11-12]為150美元/t(C),按工程建設時2015年美元兌人民幣的年平均匯率6.228，折合人民幣為934.2元/t 。

我國平均造林成本為240.03元/m3,折合CO2價格為260.9元/t,折合C價格為956.63元/t 。

從表2計算可知，社崗堤綠地CO2固定量為4 543.6 t/a，根據CO2分子式容易計算綠地固碳量為：

4 543.6×12/(12+16×2)=1 239.2 t/a 。

① 根據瑞典碳稅法計算的社崗堤綠地固碳價值為：

1 239.2×934.2=115.8萬元/a 。

② 根據造林成本法計算社崗堤綠地固碳價值為：

1 239.2×956.63=118.5萬元/a 。

可見，用上述2種方法計算結果基本相同。將上述2種方法計算值平均，得出社崗堤綠地每年固碳的生態價值V41為:

V41=(115.8+118.5)/2=117.2萬元/a 。

2) 計算釋氧價值V42

氧氣的生態效益參照《中國生物多樣性國情研究報告》[13]中引用的數據，工業生產氧氣價格為400元/t；我國造林成本為240.03元/m3,折合CO2價格為260.9元/t,折合氧O價格358.74元/t。從表2可知，社崗堤多年平均釋放氧氣量為3 163.5 t/a,則：

① 根據工業制氧法可計算出社崗堤釋氧生態價值為：

3 163.5×400=126.5萬元/a 。

② 根據造林成本法計算出社崗堤綠地釋氧生態價值為:

3 163.5×358.74=113.5萬元/a 。

將上述兩種方法計算值算術平均，得出社崗堤綠地釋氧生態價值V42為：

V42=(126.5+113.5)/2=120萬元/a 。

則社崗堤綠地的固碳釋氧的價值為：

V4=V41+V42=117.2+120=237.2萬元/a 。

4.7 凈化大氣環境效益V5

綠地凈化大氣環境功能價值主要體現在吸收有毒氣體和滯塵降塵兩個方面[12]。大氣中有許多有毒氣體，其中SO2有害氣體數量最多、分布最廣，危害也較大，如燃燒火力發電廠和汽車尾氣排放中均有SO2。許多樹木對有毒氣體都具有一定程度的吸收作用，通過樹木的樹頁吸收或樹木體內代謝分解轉化，從而降低大氣有毒氣體濃度。另一方面，綠地能降低大氣中的粉塵量，主要通過綠地的樹木降低風速使大氣中粉塵降落，或通過樹頁吸附大氣中粉塵，樹體吸塵后經降雨淋洗滴落林地，從而形成滯塵能力；當然草地對粉塵也有吸附作用。

采用恢復費用法計算社崗堤綠地吸收SO2的生態價值以及滯塵降塵的生態價值。社崗堤綠地中，能產生這兩種功能的綠地主要是2號副壩跡地改造形成的生態文化園和3號副壩上游岸坡、4處生態小景等具有喬灌林的綠地，其面積約為3.6 hm2。

1) 計算吸收SO2生態價值

根據中國環境出版社出版的《中國生物多樣性國情研究報告》[13](1998年)有關資料，闊頁林對SO2的平均吸收能力值為88.65 kg/(hm2·a)，針頁林對SO2的平均吸收能力值為215.6 kg/(hm2·a)，松杉林對SO2的平均吸收能力值為117.6 kg/(hm2·a)，三者平均值為140.6 kg/(hm2·a)。

社崗堤有林綠地年吸收SO2的量為：

140.6×3.6=0.51 t/a 。

查有關資料，我國消減SO2的平均治理費用為600元/t 。

社崗堤有林綠地凈化SO2的生態價值V51=0.51×600=0.031萬元/a 。

2) 計算滯塵降塵生態價值

采用恢復費用法計算。考慮到樹木和草地均對粉塵具有一定吸附作用，這里將社崗堤全部綠地面積考慮計算在內，從表1可知吸附面積為18.45 hm2。

根據國內有關研究資料，城市綠地每hm2每年的滯塵量平均為10.9 t/(hm2·a)，則可計算社崗堤綠地滯塵量為:10.9×18.45=201.10 t/a。

根據國內有關資料，消減塵土的平均單位治理成本為170元/t,則社崗堤綠地滯塵價值：V52=201.1×170=3.42萬元/a。

社崗堤綠地凈化大氣環境效益：

V5=V51+V52=0.031+3.42=3.45萬元/a。

從上述計算可知，社崗堤綠地對凈化大氣環境的效益不太明顯，這也與社崗堤綠地面積不大，樹林不夠多，地域較空曠的實際相符。

4.8 社崗堤工程生態效益計算

由于水利工程生態效益主要是指工程覆蓋區域范圍內實施水利工程后與工程實施前相比較，所產生的有益的影響和有利效果。從上述分析可知，社崗堤除險加固工程建成后，每年可產生的生態效益主要包括：涵養水源效益V1、保持土壤效益V2、調節氣候效益V3、固碳釋氧維持碳氧平衡效益V4、凈化大氣環境效益V5共五方面，根據上述計算成果，可得社崗堤加固工程產生的生態效益(增量效益)為：

V1+V2+V3+V4+V5=8.84+0.49+280.7+237.5+3.45

=530.98萬元(人民幣)。

即社崗堤工程加固后，每年可產生的生態效益為530.98萬元。

5 結語

本次對社崗堤加固工程生態效益量化分析，是對水利堤防工程生態效益定量化計算的一種嘗試。根據社崗堤加固工程實際情況，本工程建成后的生態效益就是工程陸域生態系統的生態效益。分別采用替代工程法、機會成本法、碳稅法、造林成本法、恢復費用法等對工程所體現的涵養水源、保持土壤、減輕泥沙淤積、固碳釋氧、凈化空氣、滯塵降塵等生態效益進行了定量分析；鑒于本工程為原有堤防防滲和培厚加固等，工程建設沒有涉及水域和水陸交錯帶，因而不必對水域生態系統生態效益和水陸交錯帶生態效益進行定量計算；如果涉及這兩方面的生態效益的水利工程(如新建水庫樞紐等)，那么其生態效益的分析與定量計算將更復雜。

從本工程所包含的各種生態效益量化分析可知，社崗堤工程建成后對調節氣候的生態效益最大，其次是釋氧固碳生態價值，而涵養水源、凈化和保土等價值則較小。

從社崗堤工程加固建成后運行生態效果來看，本工程生態效益計算成果是符合社崗堤實際情況的。建成后的社崗堤工程，綠茵如蓋、空氣清新、環境優美，已成為當地居民休閑的好去處，每天都有附近城鎮大量群眾來社崗堤及其生態文化園休閑運動，是名符其實的生態水利工程、民生水利工程。