田桂桂，劉洪波，王宏濤

（1.黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 開(kāi)封 475004； 2.開(kāi)封市水生態(tài)修復(fù)工程技術(shù)研究中心，河南 開(kāi)封 475004）

0 引言

生態(tài)用水是指維持全球生態(tài)系統(tǒng)水分平衡所必需的水量［1］。長(zhǎng)期以來(lái)，一些地方由于忽視生態(tài)用水而導(dǎo)致了河湖污染、水生態(tài)惡化等問(wèn)題。水生態(tài)文明建設(shè)是國(guó)家重要的發(fā)展戰(zhàn)略，中共十九大報(bào)告指出，建設(shè)生態(tài)文明是中華民族永續(xù)發(fā)展的千年大計(jì)，必須樹(shù)立和踐行“綠水青山就是金山銀山”的理念［2］。因此，在水資源開(kāi)發(fā)利用中，必須重視生態(tài)用水。 定量分析生態(tài)用水價(jià)值， 可以直觀評(píng)價(jià)生態(tài)系統(tǒng)的功能，為水生態(tài)保護(hù)提供決策建議。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能及價(jià)值的定量評(píng)估始于20 世紀(jì)90 年代， 大多偏向于河道內(nèi)生態(tài)用水價(jià)值的研究［3-5］，并側(cè)重采用外部效果內(nèi)部化的替代思路［6-8］，尚缺乏以生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)為主體，對(duì)河道外生態(tài)用水價(jià)值進(jìn)行統(tǒng)一的量化評(píng)估。筆者在前期研究的基礎(chǔ)上， 以生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)為主體，研究河道外生態(tài)用水價(jià)值的構(gòu)成，提出其能值計(jì)算方法，以期填補(bǔ)生態(tài)用水價(jià)值研究領(lǐng)域的“短板”［9-10］。

1 河道外生態(tài)用水價(jià)值分析

河道外生態(tài)用水是指非通河濕地、 湖泊等的生態(tài)環(huán)境用水， 該過(guò)程所體現(xiàn)的生態(tài)環(huán)境效益即河道外生態(tài)用水價(jià)值?；谏鷳B(tài)經(jīng)濟(jì)學(xué)思想，以水資源生態(tài)-社會(huì)復(fù)合系統(tǒng)為研究對(duì)象， 從物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)的角度分析系統(tǒng)內(nèi)部各要素的流動(dòng)、轉(zhuǎn)化、遷移過(guò)程對(duì)生態(tài)環(huán)境的正面響應(yīng)， 探索河道外生態(tài)用水價(jià)值的表現(xiàn)形式及量綱表達(dá)。

1.1 河道外生態(tài)用水價(jià)值的表現(xiàn)形式

1.1.1 稀釋凈化價(jià)值

非通河湖泊、濕地等生態(tài)系統(tǒng)可以滯留沉積物、有毒物和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，對(duì)改善環(huán)境、凈化水質(zhì)、防治污染、調(diào)節(jié)生態(tài)平衡有重要作用［11］。 然而，隨著全球氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)影響的加劇，湖泊富營(yíng)養(yǎng)化、濕地萎縮等現(xiàn)象日益嚴(yán)重。 通過(guò)引水、調(diào)水等工程措施，對(duì)非通河湖泊、濕地等進(jìn)行人工補(bǔ)水，可以緩解生態(tài)系統(tǒng)“蒸發(fā)多補(bǔ)給少”的現(xiàn)象，有效稀釋和凈化水體，改善生態(tài)環(huán)境。

1.1.2 降溫增濕價(jià)值

用于城市道路噴灑、河湖濕地補(bǔ)水的生態(tài)用水，在蒸散發(fā)過(guò)程中，會(huì)吸收大量熱量，導(dǎo)致局部氣溫下降。另一方面，蒸發(fā)到空氣中的水汽可以增加空氣濕度。 這些功能和作用體現(xiàn)了河道外生態(tài)用水的降溫增濕價(jià)值。

1.1.3 除塵價(jià)值

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的迅猛發(fā)展，城市化進(jìn)程的加速，城市揚(yáng)塵愈發(fā)嚴(yán)重，塵埃顆粒物已成為城市的一大污染源［12］。 通過(guò)對(duì)道路進(jìn)行噴灑，可以增加空氣中的水分子，水分子可以吸附塵埃顆粒物，減少空氣污染物，改善空氣質(zhì)量。該環(huán)節(jié)體現(xiàn)了河道外生態(tài)用水的除塵價(jià)值。

1.1.4 固碳釋氧價(jià)值

水資源生態(tài)-社會(huì)復(fù)合系統(tǒng)的有機(jī)質(zhì)主要來(lái)源于綠色植物的光合作用。用于城市綠化、人工河湖濕地等的生態(tài)用水以介質(zhì)形式參與植物體光合作用， 使大氣中的CO2進(jìn)入植物體內(nèi)，以有機(jī)物的形式貯存，并釋放O2。其合成的有機(jī)物質(zhì)經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的貯存和轉(zhuǎn)換，最終被微生物分解，重新以CO2形式釋放到大氣中。

1.1.5 凈初級(jí)生產(chǎn)力

水資源生態(tài)-社會(huì)復(fù)合系統(tǒng)中蘊(yùn)藏著豐富的淡水、水生動(dòng)植物、礦物質(zhì)等自然資源，具有較高的生物生產(chǎn)力，尤其表現(xiàn)在凈初級(jí)生產(chǎn)力上。凈初級(jí)生產(chǎn)力是指植物通過(guò)光合作用儲(chǔ)存于自身體內(nèi)的有機(jī)碳量，它是判斷系統(tǒng)碳源或碳匯的重要指標(biāo)之一［13］。

1.1.6 生物量

生物量是人工生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的綜合體現(xiàn)，其大小反映了人工措施對(duì)生態(tài)環(huán)境的修復(fù)效果。生物量越大，表明系統(tǒng)的生產(chǎn)能力越大，生態(tài)修復(fù)效果越好；反之，則表明生態(tài)修復(fù)效果較差。

1.1.7 生物多樣性保護(hù)價(jià)值

水資源生態(tài)-社會(huì)復(fù)合系統(tǒng)具備優(yōu)越的基因庫(kù)和獨(dú)特的生物生存環(huán)境［14］，其氮元素的流動(dòng)和轉(zhuǎn)化過(guò)程非?；钴S，而氮元素是動(dòng)植物蛋白的重要組成元素，保證了物種的生長(zhǎng)和繁衍，保護(hù)了生物物種的多樣性。

1.1.8 中水回用價(jià)值

中水是指將收集到的污水或雨水進(jìn)行生物化學(xué)處理，使其達(dá)到一定的水質(zhì)指標(biāo)，可以進(jìn)行有益使用的水［15］。 在水資源生態(tài)-社會(huì)復(fù)合系統(tǒng)中，中水可作為非通河湖泊補(bǔ)源、濕地補(bǔ)水、灑水除塵等生態(tài)環(huán)境用水，從而發(fā)揮相應(yīng)的生態(tài)環(huán)境價(jià)值。

1.2 河道外生態(tài)用水價(jià)值的量綱分析

根據(jù)河道外生態(tài)用水價(jià)值的構(gòu)成和表現(xiàn)形式，對(duì)各組分價(jià)值的量綱進(jìn)行分析和表達(dá)，結(jié)果如表1 所示。

表1 河道外生態(tài)用水價(jià)值的組成及量綱分析Tab.1 Composition and dimensional analysis of ecological water use value outside river channel

2 河道外生態(tài)用水價(jià)值能值計(jì)算方法

由表1 可以看出， 河道外生態(tài)用水價(jià)值各組分價(jià)值的量綱不同，采用一般的評(píng)價(jià)方法，很難對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)一度量?！澳苤怠币辉~由H.T.Odum 提出［16］，其分析技術(shù)可以將系統(tǒng)中的能流、物流等轉(zhuǎn)換成同一的能值單位，從而進(jìn)行量化比較和分析［11］。根據(jù)上述各組分價(jià)值的表現(xiàn)形式和量綱分析，確定各項(xiàng)組分價(jià)值的能值計(jì)算方法。

2.1 稀釋凈化價(jià)值計(jì)算方法

稀釋凈化價(jià)值可以用湖泊、 濕地的人工補(bǔ)水量乘以該部分水體的能值轉(zhuǎn)換率來(lái)估算， 計(jì)算公式如式（1）所示。

式中：EMx為稀釋凈化價(jià)值，sej；Wr為非通河湖泊、 濕地的人工補(bǔ)水量，m3；τw為人工補(bǔ)水的能值轉(zhuǎn)換率，sej／m3，根據(jù)補(bǔ)水來(lái)源而定。

2.2 降溫增濕價(jià)值計(jì)算方法

用于城市道路噴灑、 綠化等的生態(tài)用水在蒸發(fā)過(guò)程中，會(huì)吸收大量熱量，導(dǎo)致局部氣溫下降。 蒸發(fā)到空氣中的水汽可以增加空氣濕度。 這種生態(tài)用水的降溫增濕價(jià)值可采用式（2）計(jì)算。

式中：EMw為降溫增濕價(jià)值，sej；L 為蒸發(fā)潛熱，J／g；T 為計(jì)算區(qū)域平均氣溫，℃；E 為水的蒸發(fā)能量，J；Ww為計(jì)算區(qū)域道路噴灑、綠化等生態(tài)用水量，g；τq為蒸汽能值轉(zhuǎn)換率，取12.20 sej／J［9］。

2.3 除塵價(jià)值計(jì)算方法

粉塵是影響城市環(huán)境、造成霧霾的重要因素，其主要成分是水泥、 沙子等。 水泥等細(xì)小粉塵是引起PM10 增加的主要成分。 灑水對(duì)粉塵的控制效率為48.62%［17］。 除塵價(jià)值可采用式（3）計(jì)算。

式中：EMc為除塵價(jià)值，sej；ΔPM10為計(jì)算時(shí)段內(nèi)PM10變化量，μg／m3；A 為研究區(qū)域面積，m2；h 為灑水高度，取5m；τn為水泥的能值轉(zhuǎn)換率，為1.98×103sej／μg［18］。

2.4 固碳釋氧價(jià)值

綠色植物通過(guò)人工補(bǔ)給水量的方式所固定的CO2量和釋放的O2量即為固碳釋氧價(jià)值，其計(jì)算公式如式（4）所示。

式中：EMg為固碳釋氧價(jià)值，sej； GCO2和GO2分別為人工水生態(tài)系統(tǒng)綠色植被年固碳量和年釋氧量，kg；τCO2為CO2能值轉(zhuǎn)換率，取3.78×1010sej／kg［18］；τO2為O2能值轉(zhuǎn)換率，取5.11×1010sej／kg［18］；r 為人工補(bǔ)給率；Wl為人工補(bǔ)給水量，m3；Wp為天然降水補(bǔ)給量，m3。

2.5 凈初級(jí)生產(chǎn)力和生物量計(jì)算方法

凈初級(jí)生產(chǎn)力（NPP）和生物量（B）的能值轉(zhuǎn)換率分別為τNPP＝5.78×107sej／g、τB＝5.11×106sej／g［19］。表2 為全球各種水生態(tài)系統(tǒng)的單位面積凈初級(jí)生產(chǎn)力和生物量［19］。計(jì)算時(shí)，需收集研究區(qū)域人工水生態(tài)系統(tǒng)（人工濕地、河湖等）的面積資料。

表2 水生態(tài)系統(tǒng)凈初級(jí)生產(chǎn)力、生物量情況Tab.2 Net primary productivity and biomass of water ecosystem

2.6 生物多樣性保護(hù)價(jià)值計(jì)算方法

水資源生態(tài)-社會(huì)復(fù)合系統(tǒng)的物種種類(lèi)反映了系統(tǒng)對(duì)生物多樣性的保護(hù)程度，其計(jì)算公式如式（5）所示。

式中：EMs為生物多樣性保護(hù)價(jià)值，sej；τs為物種能值轉(zhuǎn)換率，sej／種；N 為系統(tǒng)中水生生物種類(lèi)，種；R 為系統(tǒng)面積占全球面積的比例，%。

2.7 中水回用價(jià)值計(jì)算方法

中水處理過(guò)程對(duì)水體做功，改變了水體的能值，即水體能值轉(zhuǎn)換率的改變?cè)黾恿怂w自身的能值。中水處理后，水體能值與污染水體能值之差，即為中水回用價(jià)值，其計(jì)算公式如式（6）所示。

式中：EMz為中水回用價(jià)值，sej；Wz為中水回用量，m3；τb為污水的能值轉(zhuǎn)換率，sej／m3；τz為中水能值轉(zhuǎn)換率，sej／m3。

3 案例分析

3.1 研究區(qū)域概況

鄭州市位于河南省中部偏北，地處東經(jīng)112°42′～114°14′， 北緯34°16′～34°58′。 該區(qū)年平均氣溫為15.6 ℃，年平均降雨量為542.15 mm。 鄭州市境內(nèi)共有大小河流35 條， 其中黃河流經(jīng)鄭州段150.4 km。近些年，隨著人口增長(zhǎng)和工業(yè)化進(jìn)程的加快，鄭州市境內(nèi)某些區(qū)域出現(xiàn)了水質(zhì)污染嚴(yán)重、 水生態(tài)惡化等問(wèn)題。

3.2 能值評(píng)估

3.2.1 繪制能量系統(tǒng)圖

為便于對(duì)鄭州市水生態(tài)狀況進(jìn)行宏觀把握，我們繪制了鄭州市水資源生態(tài)-社會(huì)復(fù)合系統(tǒng)能量系統(tǒng)圖，如圖1 所示。

圖1 鄭州市水資源生態(tài)-社會(huì)復(fù)合系統(tǒng)能量系統(tǒng)圖Fig.1 Water resource ecology-society complex system energy in Zhengzhou city

從圖1 可以看出： 系統(tǒng)由生態(tài)系統(tǒng)和經(jīng)濟(jì)社會(huì)系統(tǒng)兩個(gè)亞系統(tǒng)構(gòu)成。 生態(tài)亞系統(tǒng)的投入項(xiàng)主要是太陽(yáng)能、風(fēng)、雨水等可更新環(huán)境資源，及底泥、水體等不可再生能源； 經(jīng)濟(jì)社會(huì)亞系統(tǒng)的投入項(xiàng)主要是水生態(tài)治理、修復(fù)、規(guī)劃、管理等所需要的勞務(wù)、資金、原材料等不可更新資源。 系統(tǒng)的生物資源主要是水生動(dòng)植物、藻類(lèi)、濕地植被等。 系統(tǒng)的產(chǎn)出項(xiàng)是生態(tài)環(huán)境價(jià)值。

3.2.2 能值分析與計(jì)算

根據(jù)《鄭州市水資源公報(bào)》《鄭州都市區(qū)生態(tài)水系規(guī)劃》《鄭州市統(tǒng)計(jì)年鑒》《鄭州市環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)報(bào)告》等數(shù)據(jù)，應(yīng)用式（1）～式（7），計(jì)算鄭州市河道外生態(tài)用水能值。 通過(guò)能值／貨幣比率，可將能值價(jià)值換算成貨幣價(jià)值，從而使評(píng)估結(jié)果更為直觀，其結(jié)果如表3 所示。 此時(shí)的貨幣價(jià)值僅指能值“相當(dāng)于”的貨幣量，并非是經(jīng)過(guò)市場(chǎng)流通的貨幣價(jià)值。

表3 鄭州市河道外生態(tài)用水價(jià)值計(jì)算結(jié)果Tab.3 Calculation of ecological water use value outside river channel in Zhengzhou city

3.3 結(jié)果分析

從表3 中可以得出以下結(jié)論：

（1）鄭州市2014～2018 年河道外生態(tài)用水價(jià)值呈穩(wěn)步上升趨勢(shì)。結(jié)合區(qū)域水系規(guī)劃的治理目標(biāo)，說(shuō)明水系規(guī)劃、 水生態(tài)修復(fù)等可以明顯提高生態(tài)用水價(jià)值，改善生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。

（2）河道外生態(tài)用水價(jià)值所“相當(dāng)于”的貨幣價(jià)值十分可觀，2014～2018 年的貨幣價(jià)值分別為2.93億元、3.37 億元、3.40 億元、3.46 億元、3.64 億元。 這一結(jié)果驗(yàn)證了“綠水青山就是金山銀山”理念的科學(xué)性。因此，人們?cè)陂_(kāi)發(fā)利用水資源的過(guò)程中必須重視生態(tài)用水，在追求水資源經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，必須注重保護(hù)生態(tài)環(huán)境，以期實(shí)現(xiàn)水資源經(jīng)濟(jì)-社會(huì)-生態(tài)環(huán)境綜合效益最大化。

（3）歷年平均稀釋凈化價(jià)值＞凈初級(jí)生產(chǎn)力＞中水回用價(jià)值＞調(diào)節(jié)氣候價(jià)值＞生物量＞固碳釋氧價(jià)值＞生物多樣性保護(hù)＞除塵價(jià)值。 由此可以看出，評(píng)價(jià)系統(tǒng)功能的優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)在稀釋凈化、 凈初級(jí)生產(chǎn)力等方面，不足表現(xiàn)在除塵方面。 受原始數(shù)據(jù)所限，凈初級(jí)生產(chǎn)力、生物量、生物多樣性保護(hù)等價(jià)值的計(jì)算結(jié)果為研究區(qū)域的多年平均值。

（4）除塵價(jià)值歷年相對(duì)最小，與其余價(jià)值相差四個(gè)數(shù)量級(jí)，說(shuō)明灑水對(duì)于霧霾治理、空氣凈化的效果較之于其他價(jià)值不顯著。 改善空氣質(zhì)量還應(yīng)該從污染源治理出發(fā)，比如通過(guò)開(kāi)發(fā)綠色能源、削減主要污染物的排放量等節(jié)能減排的方式來(lái)提高環(huán)境質(zhì)量。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述， 本文以水資源生態(tài)-社會(huì)復(fù)合系統(tǒng)為研究對(duì)象， 探索河道外生態(tài)用水價(jià)值的表現(xiàn)形式及量綱，構(gòu)建能值指標(biāo)體系，提出能值評(píng)估方法，統(tǒng)一量化評(píng)估河道外生態(tài)用水價(jià)值， 從而了解水生態(tài)環(huán)境保護(hù)、水生態(tài)文明建設(shè)的優(yōu)勢(shì)和薄弱環(huán)節(jié)。評(píng)估結(jié)果可為水生態(tài)環(huán)境保護(hù)、 水生態(tài)文明建設(shè)提供科學(xué)的建議。 不過(guò)，由于研究能力和基礎(chǔ)所限，本文只考慮了河道外生態(tài)用水的正效益，人工引水、調(diào)水、排水等活動(dòng)對(duì)生態(tài)環(huán)境帶來(lái)的負(fù)效益還需要進(jìn)一步加強(qiáng)研究。