基于生態服務價值的中國分區域潰壩環境風險標準研究

李巍　衣建妮　張賀祥　焦余鐵

摘 要：潰壩風險標準是大壩管理者進行風險決策的基礎，然而潰壩環境風險作為潰壩風險標準的重要內容之一，目前尚沒有統一的標準。借鑒生態經濟學中關于生態系統服務價值和當量因子法的研究思路，對環境價值進行量化；利用ＡＬＡＲＰ 準則和Ｆ－Ｎ 曲線將潰壩環境風險標準與現有標準進行有效銜接；考慮我國不同區域環境和經濟的差異，構建風險偏好矩陣以確定各區域風險偏好情況，進而提出了我國潰壩環境風險標準，并以河南省陸渾水庫為例進行了應用說明。

關鍵詞：潰壩；環境風險標準；當量因子法；風險偏好

中圖分類號： ＴＶ６９８ 文獻標志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２４．０４．０２３

引用格式：李巍，衣建妮，張賀祥，等．基于生態服務價值的中國分區域潰壩環境風險標準研究［Ｊ］．人民黃河，２０２４，４６（４）：１３５－１４１．

近年來極端氣象事件頻發，超標準洪水發生頻率不斷提高，我國部分水庫大壩設計存在缺陷、建設質量差和運行管理不善等導致潰壩時有發生［１］ 。潰壩環境風險標準是進行環境風險評估和決策的依據，制定合理的生態環境風險標準不僅有利于幫助決策者全面認識大壩的風險水平，做出更科學的風險決策，完善潰壩風險后果評價體系及大壩風險管理理論，而且對于建設生態美好中國具有重要的意義［２－３］ 。

目前尚沒有統一的潰壩環境風險標準［４］ 。因為潰壩環境涉及范圍廣，具有影響因素繁多和量綱不統一等特點，所以難以對環境價值進行量化。相較于潰壩造成的生命損失和經濟損失，以往研究對潰壩環境影響的關注度較低，因此導致目前多數研究成果集中于潰壩環境指標體系的構建及數學方法分析上。如：王仁鐘等［５］ 認為常見的環境影響是指開發行為可能引起的環境條件的改變或新的環境條件的形成，影響主要體現在河道形態的變化、生物及其棲息地的喪失、人文景觀的破壞，以及易受影響、造成重大環境影響或污染的工業影響等，并定義了一個影響指數來評價風險大??；何曉燕等［６］ 認為環境影響是指由水庫潰壩引發的區域環境條件的變化，具體體現在水、土、生態和人居環境等方面，并應用層次分析法和模糊數學法來評價風險大??；ＭＥＮＤＯＺＡ Ｆ 等［７］ 認為環境風險主要與大壩下墊面的侵蝕、滲濾液量以及污染負荷等有關，并定義了大壩環境安全指數來計算環境風險；程莉等［８］ 認為環境影響是指人類活動包括經濟活動和社會活動對環境的作用和導致的環境變化，以及由此引起的對人類社會和經濟的效應，并基于現有研究成果選擇河道形態、水環境、土壤環境、植被覆蓋、生物多樣性、人文環境及污染工業等７ 個潰壩環境影響因素，應用模糊數學理論進行了環境風險評價；Ｘｕ 等［９］ 考慮土地承載力、水質、水庫淤積、下游河床侵蝕及地震地質災害等因素對環境影響進行分析；李宗坤等［１０］ 基于集對分析－可變模糊集耦合模型，構建并細化了潰壩環境影響評價指標體系和評價等級標準。這類方法可有效用于潰壩環境影響嚴重程度排序，但是并不能給出評價結果具體表示什么后果（通常將評價結果分為一般、嚴重、極其嚴重等３～５ 個等級，僅能表示風險的相對大?。瑢儆诎攵吭u價，評價結果往往不具有通用性［１］ ，因此不適合用來制定風險標準。為了實現潰壩環境風險的定量表征，張瑩［１１］ 將能值足跡法引入潰壩環境影響風險評估中。能值足跡法是生態環評領域常用方法之一，然而該方法的能量折算系數和能值轉換率取值科學性和準確性還有待進一步提高［１１］ ?；诋斄恳蜃臃炕纳鷳B服務價值（Ｅｃｏｓｙｓｔｅｍ ＳｅｒｖｉｃｅＶａｌｕｅ，ＥＳＶ）應用廣泛，直觀易用，數據需求少，特別適用于區域或全球尺度環境價值評估［１２］ 。因此，本文在采用當量因子法量化環境價值的基礎上，借助ＡＬＡＲＰ準則、Ｆ－Ｎ 曲線法和風險矩陣，初步探究構建我國分區域潰壩環境風險標準，為后續研究提供借鑒。

１ 潰壩環境影響的定義及環境價值的估算

１．１ 潰壩環境影響的定義

雖然各個學者對潰壩環境影響的具體定義有所差異，尚沒有形成統一的定義［１］ ，但是其實質是水庫潰壩引發水庫附近自然環境和生態環境條件的變化［１３－１４］ 。而自然環境和生態環境均屬由生物和非生物組成的自然生態系統。人類生存所需要的水、土、空氣、食物、藥材、木材和煤炭等原料都是自然生態系統直接提供的。自然生態系統具有很多重要的功能來保證人類的健康發展，如調節氣候、凈化水體和空氣、分解廢物、涵養水土、緩解旱澇災害、保護生物多樣性等［１５－１６］ 。自然生態系統通過其功能不斷為人類提供環境條件和物質基礎，創造著服務價值（類似由人類勞動創造的價值ＧＤＰ），因此從人類角度來看，可以將廣義的潰壩造成的環境影響定義為：潰壩破壞使得自然生態服務供給稀缺，導致ＥＳＶ 產出減少。

１．２ 環境價值的估算

當量因子法是謝高地等［１７］ 在Ｃｏｓｔａｎｚａ 等研究的基礎上構建的一種基于專家知識的ＥＳＶ 量化方法，其將１ 個標準單位生態系統服務價值當量因子（以下簡稱標準當量）定義為１ ｈｍ２ 全國平均產量的農田每年自然糧食產量的經濟價值，以衡量生態系統對生態服務貢獻相對大小的潛在能力。農田生態系統的服務價值體現在糧食生產，糧食產量價值主要依據稻谷、小麥和玉米三大糧食作物計算，其計算公式為

Ｄ ＝ ＳｒＦｒ ＋ ＳｗＦｗ ＋ ＳｃＦｃ （１）

式中：Ｄ 為１ 個標準當量的生態環境價值量；Ｓｒ、Ｓｗ、Ｓｃ分別為２０１９ 年稻谷、小麥和玉米的播種面積占３ 種作物播種總面積的比例；Ｆｒ、Ｆｗ、Ｆｃ 分別為全國稻谷、小麥和玉米的單位面積平均凈利潤。

參考２０１７ 年、２０１８ 年和２０１９ 年《中國統計年鑒》［１８－２０］ 及《全國農產品成本收益資料匯編》［２１－２３］ ，確定一個標準當量（Ｄ）大小為１ ４８２．６７ 元／ ｈｍ２。謝高地［１７］ 等基于已有研究成果，參考相關統計年鑒及各類統計文獻資料，使用基于改進的ＣＡＳＡ 模型、ＮＰＰ 數據，結合專家經驗，確定了不同類型生態系統單位面積各類服務功能年均價值當量（以下簡稱基礎當量），見表１。

本文使用土地利用遙感數據，以耕地對應農田生態系統、沼澤對應濕地生態系統。取森林、草地、水域和荒漠的生態系統二級分類的基礎當量平均值分別作為遙感數據中林地、草地、水域和未利用土地（除沼澤地以外）的計算因子，根據表１ 計算得到２０２０ 年全國各地區ＥＳＶ，如圖１ 所示。

２ 潰壩環境風險標準構建方法

２．１ 風險標準構建原則

由于不同國家的政治、經濟、文化等可能存在較大差異［２４－２５］ ，因此不能將國外風險標準直接套用于我國［２６－２７］ 。一些發達國家開展大壩風險管理研究較早，其成果在實際應用中得到不斷發展與完善。因此，可參考借鑒他們在制定大壩風險標準的過程中所考慮的主要因素及處理關鍵問題的方法，來制定適用于我國的水庫大壩環境風險標準。結合國內外相關成果和我國國情， 根據以下原則構建我國大壩的風險標準［２８－２９］ ：

１）符合我國大壩的安全狀況。我國現役水庫大壩很多修建于２０ 世紀５０—７０ 年代，受限于當時的經濟和技術水平，大量大壩存在安全隱患。若將標準定得太嚴格，會導致許多水庫被劃歸為“病險”狀態。在當前除險加固資金相對緊缺的情況下，會造成很多水庫得不到及時的除險加固，被迫改變運行條件或者停止運行，惡化當地經濟發展環境，也不利于對“病險”水庫的病險程度進行有效區分。

２）與當前的安全標準有效銜接。我國水庫大壩目前處于從安全管理向風險管理轉變的過渡期，為了避免安全標準與風險標準之間的差距太大，導致不能發揮有效作用，可將基于風險分析的大壩安全決策作為安全標準的補充，實現與當前安全標準有效銜接。

３）符合社會對于風險的接受意愿。隨著人民對美好生活需要的日益增長、風險意識的不斷提高，發生同樣嚴重的事故，群眾對于事故會更加關注。因此，在制定風險標準時，不僅要針對工程本身，而且應考慮群眾對風險的接受意愿。

２．２ ＡＬＡＲＰ 準則

任何事物都不可能徹底消除風險，只能通過預防措施來降低風險。雖然風險越低意味著越安全，但是隨著風險水平的不斷降低，要進一步降低風險的難度就越大，甚至需要花費的成本和努力呈指數曲線上升。結合我國經濟、社會發展水平及群眾對于風險接受意愿的實際情況，可在系統的風險水平和成本之間進行折中，因此選擇ＡＬＡＲＰ（Ａｓ Ｌｏｗ Ａｓ Ｒｅａｓｏｎａｂｌｙ Ｐｒａｃｔｉ?ｃａｂｌｅ）準則來構建我國的風險標準。

ＡＬＡＲＰ 準則即最低合理可行準則，它將風險劃分為不可容忍區域、最低合理可行區域以及廣泛可接受區域。當風險位于不同區域時，采取的措施不同。在不可容忍區域，必須采取措施降低風險；在最低合理可行區域，決策者根據獲得的收益與降低風險的成本來決定是否采取措施；在廣泛可接受區域，可不采取風險控制措施。ＡＬＡＲＰ 準則如圖２ 所示［３０］ 。

２．３ Ｆ －Ｎ 曲線法

目前對于可接受風險的定量研究方法主要有成本效益法、生活質量指數法、問卷調查法和Ｆ－Ｎ 曲線法等。成本效益法認為風險由一個最大值和最小值組成，位于兩者之間的區域，風險管理者須對成本與效益進行決策分析，一般以實現凈效益（收益－成本）最大為決策依據；生活質量指數法用人均年國民生產總值、延續人的壽命以及人們能享受到的健康生活的有效時間來刻畫生活質量，是符合倫理和道德標準的風險管理指標；問卷調查法是通過了解公眾面對災害風險時的避災意愿，讓群眾真正參與到風險決策中，進而制定行之有效的管理措施；Ｆ－Ｎ 曲線是基于概率論提出的允許各種事故發生的限制曲線，它考慮了當前所處的風險狀態以及人們對風險的厭惡程度。

在以上方法中，成本效益法很難量化投入成本與從環境獲得收益之間的關系；生活質量指數法不適用于環境風險標準制定；問卷調查法受地域范圍的影響，涉及每個區域的難度大，不適合大區域范圍的環境風險標準制定；而Ｆ－Ｎ 曲線法以概率分析和期望效益為基礎，科學性和通用性強。因此，本研究選擇Ｆ－Ｎ 曲線法來定量刻畫環境風險標準。

Ｆ－Ｎ 曲線由Ｆａｒｍｅｒ 在１９６７ 年建立，其先在核電站的風險管理領域得到了應用，而后被廣泛應用在大壩風險管理領域社會生命風險標準的制定中［３１］ ，其表達式如下：

１ － ＦＮ（ｘ） ＜ Ｃ ／ ｘｎ （２）

式中：ＦＮ（ｘ）為年死亡率分布函數，表示死亡人數為ｘ的概率；１－ＦＮ（ｘ）為死亡人數不大于Ｎ 的概率；Ｃ 為常數，決定了風險控制線的起始位置；ｎ 為斜率，ｎ 越大意味著對風險越厭惡，風險越不能被接受。

文獻［４］根據國務院《生產安全事故報告和調查處理條例》，按照１ 人對應４００ 萬元的比例，將生命損失的風險標準轉換為經濟損失風險標準，還提出了對于社會和環境的影響，為了避免標準過于復雜，可將其簡化為彌補上述風險而需要投入的資金，從經濟角度進行分析。因此，可在生命風險和經濟風險標準的基礎上構建潰壩環境風險標準，以Ｆ－Ｎ 曲線表示環境價值損失與其超過概率之間的關系，對此可將式（２）中ＦＮ（ｘ）理解為彌補生態環境風險而需要投入的資金小于ｘ 的概率分布函數，Ｃ 為常數，ｎ 為標準線的斜率。

３ 潰壩環境風險標準的構建

３．１ Ｃ 值的確定

Ｃ 決定了標準線的起始位置。部分國家或機構對可容忍風險Ｃ 的取值見表２［其中包括了核電站、危險化學品、工廠、各類房屋（醫院、學校和住宅等）、邊坡和大壩等多種應用類別］。由表２ 可知，Ｃ 多采用１０－３?？紤]到危險化學品、工廠和房屋等發生事故主要是人為因素引起的，而水庫大壩施工、運行過程中不受人為控制的自然因素（如暴雨洪水等）是事故發生的重要因素，因此根據李宗坤等［４］ 的建議適當降低其標準，取Ｃ ＝１０－２，可接受風險標準可取比其低一個數量級，即Ｃ ＝１０－３。

３．２ ｎ 值的確定

ｎ 值代表著風險偏好程度?？紤]到我國疆土遼闊，不同地區之間經濟發展水平、生態環境質量、社會和文化背景等存在較大差異，因此不同地區對風險偏好程度理應是不一樣的，進而引入風險偏好矩陣判斷各地區的風險偏好。風險偏好矩陣方法于２０ 世紀９０年代提出，最早被應用于美國軍方武器系統研制項目中，經過幾十年的應用和發展，目前已成為判斷項目風險重要性的一種結構性方法，被廣泛應用于風險評定和管理研究領域［３２］ 。

在一般情況下，一個區域人均ＧＤＰ 越高，人們對生活質量要求越高，越注重周圍的生態環境，越厭惡風險；生態環境質量越高，災害發生時造成的環境損失越高，越厭惡風險。單位面積平均生態環境價值和人均生態環境價值從不同角度反映了區域生態環境情況。人均ＥＳＶ 越高，區域可持續發展能力越強，但是并不能說明災害發生后造成的生態環境損失越嚴重。例如在一些貧瘠的土地上發生洪災，雖然并不會造成很嚴重的生態環境損失，但是由于人口稀少，人均ＥＳＶ 反而不低，因此使用人均ＥＳＶ 并不合適。單位面積平均ＥＳＶ 則可以很好反映出該區域內生態環境的重要程度，單位面積平均ＥＳＶ 越高，發生洪災造成的損失往往越大。因此，本文選擇人均ＧＤＰ 和單位面積平均ＥＳＶ 來構建風險偏好矩陣。根據國家統計局發布的統計數據，２０２０ 年各省（區）人均ＧＤＰ 和單位面積平均ＥＳＶ 見表３。

根據２０２０ 年世界銀行對收入的分類標準［３３］ ，我國大部分省份每年人均收入位于中高收入區間（４ ０４６～１２ ５３５ 美元），少數省份人均收入位于高收入區間（＞１２ ５３５ 美元）。為了更細致區分各?。?區） 人均ＧＤＰ 收入，將中高收入區間平均劃分為２ 個區間，則人均ＧＤＰ 劃分標準為［２．５８，５．２９］萬元、（５．２９，８．００］萬元和＞８．００ 萬元。將各省份單位面積平均ＥＳＶ 最高值和最低值分別設為區間上下限，將區間劃分為［０．８８，１．４６］元、（１．４６，２．０５］元和（２．０５，２．６３］元。最終構建的風險矩陣見表４。

當風險偏好為Ｚ 時，可?。?＝ ２．０，為風險厭惡型；當風險偏好為Ｙ 時，可取ｎ ＝ １．５，為風險輕微厭惡型；當風險偏好為Ｘ 時，可?。?＝１．０，為風險中立型。由此根據２０２０ 年各?。▍^） 人均ＧＤＰ 和單位面積平均ＥＳＶ，依據風險偏好矩陣判斷各省（區）風險偏好，如圖３ 所示。

由圖３ 可知，風險偏好為Ｘ 的地區主要包括我國西部省份和中部省份以及吉林省。西部地區如新疆、西藏、青海、甘肅和寧夏，經濟發展比較落后，較生態環境而言，人們會更注重經濟的發展，因此風險偏好為Ｘ。中部省份如河北、河南、山西、山東，雖然經濟總量較大，但是人口眾多，人均ＧＤＰ 偏小，因此風險偏好也為Ｘ。東北三省中只有吉林省的風險偏好為Ｘ，經對比發現，雖然吉林省的人均ＧＤＰ 高于黑龍江省的，但是黑龍江省有大興安嶺和小興安嶺等重要的生態保護區，其生態價值較高，對風險容忍度較低，因此東北三省中僅吉林省風險偏好為Ｘ。

我國大多數省（區）的風險偏好為Ｙ，其中一些省份雖然經濟比較落后，但是生態環境質量較高（如黑龍江、遼寧、云南、廣西和江西等）；一些省份經濟較發達，然而生態環境質量一般（如北京、天津、澳門和江蘇等）；還有一些省份經濟總體發展不錯，生態環境質量也較好（如湖南、湖北、四川和重慶等），然而人口較多導致人均ＧＤＰ 沒有邁入高收入區間，因而風險偏好為Ｙ。

我國僅有上海、香港、廣東、福建、浙江和臺灣風險偏好為Ｚ。這些區域集中在我國東南部沿海，特點是經濟發達，生態環境質量較高，因此對風險的容忍程度較低。以上風險偏好的分布劃分較為科學客觀地反映了我國各?。▍^）的實際情況。

３．３ 極值線的確定

大部分國家或地區的風險標準設定了極值線，極值線有概率極值線和事故極值線兩種類型。澳大利亞等國家或地區認為事故概率小于某值則無須考慮事故后果，這種類型的極值線稱為概率極值線；我國香港和一些國家認為事故損失大于某值則無須考慮事故概率，這種類型稱為事故極值線。考慮到我國大壩安全狀況、管理水平及經濟、社會發展水平，設置事故極值線在當前并不可行［４］ ，因此根據以下兩點，可考慮設置概率極值線。

１）我國大壩事故概率。根據文獻［３４－３５］，可容忍風險的極值可取年均潰壩概率的１０％，可接受風險一般比可容忍風險低一個數量級，因此可接受風險的極值可取年均潰壩概率的１％。１９５４—２０１８ 年，我國發生了３ ５４１ 起潰壩事件，其中大中型水庫潰壩１３２座，年均潰壩率２．３４×１０－５，因此可容忍和可接受的極值分別為２．３４×１０－５和２．３４×１０－６；小型水庫潰壩３ ４０９座，年均潰壩率６．０５×１０－４，因此可容忍和可接受的極值分別為６．０５×１０－４和６．０５×１０－５。

２）我國的可靠度標準。假設可靠度功能函數Ｚ符合正態分布，則失事概率Ｐｆ ＝ １ － Φ（β） 。文獻［３６］規定了我國可靠指標β 的取值：大（１）型水庫可?。矗?，大（２）型和中型水庫可?。常?，小型水庫可?。常?。

我國當前的可靠度標準與大壩安全情況較為一致，因此也可取Ｐｆ 的１０％和１％分別作為可容忍風險和可接受風險的極值。考慮到人們對于潰壩造成的環境損失（生態環境受到損害、服務功能喪失導致的損失）關注程度明顯低于生命損失和經濟損失，且在１９８１—２０１８ 年共計５６４ 座潰壩中，無大型水庫，有１３座中型水庫，其余為小型水庫［３７］ ，因此可適當降低要求，大型水庫和中型水庫采用一樣的標準，以避免標準過于復雜。對于大中型水庫，其可容忍和可接受的風險概率極值分別為１．０８×１０－５ 和１．０８×１０－６，小型水庫可容忍和可接受的風險概率極值分別為７．００×１０－５ 和７．００×１０－６。

為同時滿足根據大壩安全水平和當前可靠度標準確定的極值線，取其較小值作為風險標準。最終確定大中型水庫的可容忍和可接受風險概率極值分別為１．０８×１０－５ 和１．０８×１０－６，小型水庫的可容忍和可接受風險概率極值分別為６．０５×１０－５和６．０５×１０－６。

綜上所述，我國水庫大壩環境風險標準如圖４ 和圖５ 所示。

４ 實例分析

根據風險標準判斷具體水庫的環境損失是否可接受或容忍，需要對其失事概率和環境損失進行定量計算。一般失事概率可通過事故樹等方法進行分析；環境損失量化可結合潰壩洪水演進模擬，分析不同類型土地在潰壩洪水下的損失率，進而確定ＥＳＶ 的損失大小。受限于具體資料的缺乏，本文以陸渾水庫為例僅進行大致計算。

陸渾水庫位于河南省洛陽市嵩縣境內，是一座以防洪為主，兼具灌溉、發電、養殖、供水和旅游功能的大（１）型水庫。參考文獻［３８］取該水庫的事故超過概率為１．７９×１０－４。根據洪水演進模擬結果得到下游潛在淹沒范圍的土地利用情況，如圖６ 所示；文獻［３９］給出了各類型土地在不同淹沒水深下的損失率，見表５；基于ＧＩＳ 統計得到各類型土地在不同淹沒水深下的面積，見表６；最終計算得到ＥＳＶ 的損失大小，見表７。

陸渾水庫位于河南省，河南省對環境的風險偏好為中立型，因此?。?＝１。當ＥＳＶ 損失為３４ １１０ 萬元、事故超過概率為１．７９×１０－４時，其潰壩環境損失風險如圖７ 所示?？梢?，其位于最低合理可行區域，管理決策者可根據降低風險的成本與所獲得的收益來決定是否采取風險控制措施。

５ 結論

合理的潰壩風險標準是準確進行風險評價與管理的基礎與關鍵。本文引入ＥＳＶ 且針對我國不同省（區）的差異，分區域分特點進行了劃分，對環境風險標準的確定提出了實際且具有可操作性的方法。利用風險矩陣確定了不同區域的風險標準，建立了更有針對性的環境風險標準，并以河南省陸渾水庫為例進行了分析。研究成果可幫助決策者全面認識大壩風險管理水平，為后續潰壩環境風險研究提供參考和借鑒。

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［３８］ ＺＨＡＮＧ Ｊ，ＹＡＮＧ Ｚ，ＪＩＡＮＧ Ｊ．Ａｎ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ Ｌａｗｓ ｏｆ Ｒｅｓ?ｅｒｖｏｉｒ Ｄａｍ Ｄｅｆｅｃｔｓ ａｎｄ Ｂｒｅａｃｈｅｓ ｉｎ Ｃｈｉｎａ ［ Ｊ］． ＳｃｉｅｎｔｉａＳｉｎｉｃａ（Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａ），２０１７，７（１２）：１３１３－１３２０．

［３９］ 王健．基于生態系統服務價值分析的潰壩洪水生態風險評價［Ｄ］．鄭州：鄭州大學，２０２１：６．

【責任編輯 張華巖】

基金項目： 國家自然科學基金資助項目（５２０７９１２７，５２１７９１４４，Ｕ２０４０２２４，５１２３４５６７）； 國家重點基礎研究發展計劃項目（２０１６ＣＢ００００００）；河南省科技攻關項目（２０２１０２３１０３９４）；河南省高?？萍紕撔氯瞬庞媱濏椖浚ǎ玻玻龋粒樱裕桑裕埃保保?；河南省青年人才支持項目（２０２１ＨＹＴＰ０２４）；國家大壩安全工程技術研究中心２０２１ 年開放研究基金項目（ＣＸ２０２１Ｂ０１）；河南省教委科技發展計劃項目（２０２１０２３１０３９４）