宋子奇，方國華，聞 昕，陳學(xué)義

(河海大學(xué) 水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098)

1 研究背景

水是生命之源，水資源維系著生態(tài)系統(tǒng)功能、支撐著社會經(jīng)濟系統(tǒng)發(fā)展，是一個國家至關(guān)重要的基礎(chǔ)性戰(zhàn)略資源。隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，人們的物質(zhì)生活水平不斷提高，人類社會對水資源需求量急劇上升，區(qū)域水資源量與需水量愈發(fā)難以平衡，水資源的短缺已成為制約經(jīng)濟社會發(fā)展的主要因素。為解決水資源供需矛盾問題，跨流域引調(diào)水的規(guī)劃應(yīng)運而生。經(jīng)過多年的研究與建設(shè)，我國成功修建了南水北調(diào)中線和東線、引灤入津、引黃濟青、引大入秦、引江濟太、引漢濟渭等多個大型跨流域引調(diào)水工程[1]，跨流域引調(diào)水工程已成為解決水資源時空分布不均的最科學(xué)、最有效的途徑之一[2]。為了能夠更好地發(fā)揮跨流域引調(diào)水工程在解決水資源分布不均、優(yōu)化地區(qū)水資源配置上的巨大優(yōu)勢，必須對跨流域引調(diào)水工程產(chǎn)生的效益進行研究分析、合理量化，為跨流域引調(diào)水工程的建設(shè)管理、合理規(guī)劃提供參考依據(jù)。

而跨流域引調(diào)水工程特點突出，與普通引水工程、水電工程的效益計算不盡相同，特別需要側(cè)重對工程生態(tài)效益的分析量化[3]。跨流域引調(diào)水工程涉及兩個或兩個以上流域及地區(qū)，由于各地水資源情況、自然環(huán)境條件、社會經(jīng)濟發(fā)展形勢都不相同，因而工程的不確定性、風(fēng)險性更大[4]；跨流域引調(diào)水工程功能綜合，輸水距離長，引水渠道與各流域地區(qū)的蓄水水庫、湖泊、天然河道及當(dāng)?shù)剌斉渌O(shè)施存在多種串、并聯(lián)及混聯(lián)的關(guān)系，規(guī)劃設(shè)計和運行管理難度較大，具有高度的復(fù)雜性[5]；跨流域引調(diào)水工程較一般水利工程影響范圍更大，會造成更大程度的生態(tài)環(huán)境變化，因此在規(guī)劃設(shè)計、運行管理過程中都需不斷研究工程對沿線地區(qū)生態(tài)環(huán)境的影響以對工程運行調(diào)度管理進行及時地調(diào)整與修正[6]。

但目前水利工程供水效益計算主要是針對生活、"三產(chǎn)"供水效益的計算，對生態(tài)效益的量化較少，多為定性評價。由于生態(tài)系統(tǒng)中的諸物質(zhì)要素并非市場商品，很難以價格對生態(tài)效益做出評價，只能采取間接的方法進行量化[7]。常用的水利工程生態(tài)效益間接量化方法主要以市場價值法[8]、機會成本法[9]、影子價格法[10]、替代價值法[11]、恢復(fù)費用法[12]、補償價值法[13]、碳稅法[8]為主。這些方法普遍引入偏好、效用等主觀性標(biāo)準(zhǔn)進行評價，評價標(biāo)準(zhǔn)片面化，缺乏綜合性；亦或是以滿足某一標(biāo)準(zhǔn)的替代方案來計算效益，而替代方案設(shè)計的合理性與最優(yōu)性往往存在爭議，難以明確，且替代方案的費用與所求效益并無必然聯(lián)系。以上方法均無法全面分析自然資源的生態(tài)價值，得到的結(jié)果大都存在較大偏差，難以客觀真實地反映系統(tǒng)中的生態(tài)效益[14-15 ]。因此，應(yīng)考慮使用能夠綜合分析自然生態(tài)與經(jīng)濟相互作用的方法對水資源價值進行核算，對生態(tài)效益進行量化，如利用能值理論分析方法[16]、生態(tài)經(jīng)濟學(xué)相關(guān)方法等[17]。其中能值分析的理論及方法經(jīng)過多年的發(fā)展已相對成熟，應(yīng)用范圍廣泛，但鮮見有在水利工程生態(tài)效益方面的應(yīng)用研究。

綜上所述，本文考慮針對跨流域引調(diào)水工程功能綜合、涉及不同流域、水系交叉、實際情況復(fù)雜、生態(tài)影響范圍大的特性，將自然生態(tài)與經(jīng)濟有機綜合為一個整體，結(jié)合跨流域引調(diào)水工程實際運行情況，應(yīng)用能值分析法全面綜合分析跨流域引調(diào)水工程產(chǎn)生的生態(tài)效益并對其進行量化。

2 能值分析理論及方法

能值分析法以自然價值論為基礎(chǔ)，將生態(tài)系統(tǒng)中形式各異、無法比較的各類能量統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為太陽能值進行分析評價，是一種由傳統(tǒng)能量分析發(fā)展出的新的生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)研究方法?；谝恢碌暮饬繕?biāo)準(zhǔn)，能值分析可實現(xiàn)對系統(tǒng)內(nèi)部能量流、物質(zhì)流、貨幣流的綜合的全面分析，定量描述各能量組分的大小，并如實反映系統(tǒng)的能量利用效率、生態(tài)環(huán)境的經(jīng)濟貢獻及系統(tǒng)所在區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展能力。

能值分析理論及方法由美國著名生態(tài)學(xué)家Odum于上世紀(jì)80年代末發(fā)展創(chuàng)立，該方法源于對生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部能量流動的研究。最初Odum嘗試以有機質(zhì)干重或化石燃料質(zhì)量為基準(zhǔn)對生態(tài)系統(tǒng)中自然資源的能量進行度量，并創(chuàng)造性地提出了能量轉(zhuǎn)換率的概念，后來隨著能量領(lǐng)域研究的突破、全球能量等級逐漸明確及體系的日益完整，他由能量發(fā)展延伸出“能值”的概念，建立了基于能值的能量分析理論體系。能值即內(nèi)含能，與經(jīng)濟學(xué)中常用的度量單位——資金不同，資金只能體現(xiàn)人的勞動價值，而內(nèi)含能可以反映人和自然界對一個區(qū)域或國家的經(jīng)濟社會貢獻。由于太陽能是地球上一切生命活動的物質(zhì)基礎(chǔ)，所以在能值分析法應(yīng)用實踐中均以太陽能值來衡量其他能量的大小以便綜合分析，且生態(tài)系統(tǒng)中的能量流活動遵循熱力學(xué)第一(能量守恒)、第二(熵增)定律。

作為生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)的研究理論和方法，能值分析法以生態(tài)為中心對自然資源進行科學(xué)全面的分析評價，彌補了無法用貨幣衡量自然對人類經(jīng)濟社會發(fā)展貢獻的缺陷，為經(jīng)濟與生態(tài)系統(tǒng)的溝通提供了連接的橋梁。能值分析法自發(fā)展創(chuàng)立以來，已廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)評估[18]、城市及流域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值評價[19-20]、可持續(xù)發(fā)展評價[21-22]等與生態(tài)經(jīng)濟相關(guān)的各個方面。

但目前能值分析理論在水利工程領(lǐng)域的應(yīng)用研究很少，只在工程經(jīng)濟效益成本比研究及水資源對經(jīng)濟生產(chǎn)的貢獻分析等方面進行了部分嘗試。而關(guān)于生態(tài)效益定量評價的研究更是處于初步探索階段，僅見有文獻[23]嘗試將其應(yīng)用于南水北調(diào)東線工程京津冀段應(yīng)急生態(tài)供水效益的量化上。

3 跨流域引調(diào)水工程生態(tài)效益計算

3.1 跨流域引調(diào)水工程生態(tài)效益

跨流域引調(diào)水工程在滿足生活生產(chǎn)的需要而產(chǎn)生客觀經(jīng)濟效益的同時，也對工程沿線流域、地區(qū)的生態(tài)環(huán)境造成了很大的影響，實現(xiàn)了工程的生態(tài)價值。跨流域引調(diào)水工程生態(tài)效益主要包括以下幾方面內(nèi)容：

(1)改善生態(tài)環(huán)境?？缌饔蛞{(diào)水工程向受水區(qū)輸送大量水資源，對沿線地區(qū)河網(wǎng)進行水量補充，改變了河湖水動力條件，提高了水體自凈能力，能夠有效地緩解沿線水域污染壓力，改善地區(qū)水生態(tài)環(huán)境，維護生態(tài)系統(tǒng)平衡。

(2)保護地下水資源。引調(diào)水提高了沿線地區(qū)的供水保障能力，優(yōu)化了地區(qū)水資源配置格局，進而使受水區(qū)減少地下水的開采，有利于保證地下水安全，減小地下水埋深。

(3)改善水土保持，提升防洪能力。保證河道水量充足，為兩岸的植物生長提供了有利條件，有助于提高自然植被覆蓋率，涵養(yǎng)水源，減少水土流失，保持土壤養(yǎng)分，緩沖洪水壓力，有效降低河岸沖刷、侵蝕作用帶來的破壞。

(4)調(diào)節(jié)氣候。引水后受水區(qū)水文條件發(fā)生變化，水氣資源愈發(fā)豐富，進而影響區(qū)域大氣活動，對局部地區(qū)氣候進行微調(diào)節(jié)，從而可改善氣候條件、調(diào)節(jié)局部流域水文過程。

(5)減少碳排放。河道水位上升，通航等級提高，沿岸地區(qū)貨運物流轉(zhuǎn)向水上運輸而減少陸路運輸，可顯著降低陸運帶來的碳硫和粉塵的排放量，從而減少空氣污染，改善當(dāng)?shù)乜諝赓|(zhì)量。

(6)促進旅游發(fā)展。通過生態(tài)供水，原本荒蕪、污染的水域的生機得以恢復(fù)，成為各類水生生物的聚集地，從而吸引大量游客前往參觀、游玩，有利于實現(xiàn)人水和諧、建立綠色經(jīng)濟模式、推動生態(tài)與經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。

利用能值分析法可針對跨流域引調(diào)水工程的生態(tài)效益組成，建立包含水、太陽光、風(fēng)、土壤等自然資源，及與水土保持、環(huán)境改善、生態(tài)平衡相關(guān)的經(jīng)濟要素(農(nóng)林牧漁業(yè)產(chǎn)值、旅游收入等)的跨流域引調(diào)水工程生態(tài)-經(jīng)濟系統(tǒng)，全面分析引調(diào)水在整個跨流域引調(diào)水工程生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)中的作用，合理量化其對系統(tǒng)效益的貢獻，切實反映生態(tài)效益與系統(tǒng)總效益的相互關(guān)系，對跨流域引調(diào)水工程的生態(tài)效益進行科學(xué)的定量評價。

3.2 能值分析法生態(tài)效益計算步驟

(1)繪制生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)能量圖。利用能值分析方法，對跨流域引調(diào)水工程生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)進行分析研究，劃定生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)研究邊界，確定生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)的主要能源組分，明確各組分之間的關(guān)系及能量流動方向，繪制生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)能量圖。

(2)建立生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)投入產(chǎn)出表。在生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)能量圖的基礎(chǔ)上匯總生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)的能值投入和產(chǎn)出，并根據(jù)各數(shù)據(jù)流的能值轉(zhuǎn)換率將各種不同數(shù)據(jù)流統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為太陽能值單位——太陽能焦耳(sej)進行衡量比較，建立生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)投入產(chǎn)出表。能值轉(zhuǎn)換計算公式如下：

Ei=Di·τ

(1)

式中：Ei為第i個數(shù)據(jù)流的太陽能值，sej；Di為第i個數(shù)據(jù)流在系統(tǒng)中的含量，單位為J、m3、元等；τ為能值轉(zhuǎn)換率，sej/單位。

其中跨流域引調(diào)水工程生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)投入包括生產(chǎn)所需的風(fēng)能、雨水勢能、雨水化學(xué)能、太陽能、地球旋轉(zhuǎn)能、固有水體以及生態(tài)供水等環(huán)境資源；生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)產(chǎn)出則由農(nóng)林牧漁業(yè)的全部產(chǎn)品及旅游業(yè)收入構(gòu)成。具體應(yīng)用時可根據(jù)實際情況適當(dāng)增減投入和產(chǎn)出能量組分。本文參考農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的能值分析[24]提出，宜在生態(tài)系統(tǒng)投入中加入表層土有機質(zhì)損耗能和土壤流失能，以更全面完整地分析跨流域引調(diào)水工程生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的自然資源投入。

另外，關(guān)于生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)產(chǎn)出中農(nóng)林牧漁業(yè)產(chǎn)出的計量表達方式，目前在已有的大多數(shù)流域、城市的能值分析中多采用各產(chǎn)業(yè)產(chǎn)品價值或產(chǎn)量對其進行描述，而實際上這些各類產(chǎn)品的產(chǎn)值(產(chǎn)量乘以商品價格)最終共同構(gòu)成了農(nóng)、林、牧、漁業(yè)產(chǎn)值，直接以產(chǎn)值換算比較可簡化產(chǎn)品價格的中間計算。且產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值數(shù)據(jù)可直接參考當(dāng)?shù)亍督y(tǒng)計年鑒》或《國民經(jīng)濟與社會發(fā)展公報》，數(shù)據(jù)公信力更強、可靠度更高。因此本文認為可以用農(nóng)林牧漁業(yè)的產(chǎn)值來代替農(nóng)林牧漁業(yè)的各類產(chǎn)品價值或產(chǎn)量進行產(chǎn)出描述。

(3)對系統(tǒng)能值進行分析，確定生態(tài)效益分攤系數(shù)，計算生態(tài)效益。綜合考慮引調(diào)水工程實際運行情況及沿線地區(qū)生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀，將工程年引調(diào)水總能值與系統(tǒng)投入總能值之比作為生態(tài)效益分攤系數(shù)計算生態(tài)效益，具體計算公式如下：

fs=Esg/Et

(2)

Bs=fsEc

(3)

式中：fs為生態(tài)效益分攤系數(shù)；Esg為工程年引調(diào)水的總能值，sej；Bs為生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)投入的總能值，sej；Bs為生態(tài)效益，sej；Et為生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)產(chǎn)出的總能值，sej。

4 實例分析

浙東引水工程是浙江省有史以來跨流域最多、跨區(qū)域最廣、引調(diào)水線路最長和投資最大的水資源戰(zhàn)略配置重大工程。其沿線主要控制工程包括蕭山樞紐、曹娥江大閘樞紐、曹娥江至慈溪引水、曹娥江至寧波引水、舟山大陸引水二期和新昌欽村水庫等6項工程，總投資超100×108元。浙東引水工程跨越錢塘江流域、曹娥江流域、甬江流域和舟山本島，引富春江水，經(jīng)蕭紹平原的杭州市蕭山區(qū)、紹興市區(qū)，姚江平原內(nèi)的紹興市上虞區(qū)、寧波市余姚市，北線至寧波市慈溪市，南線至寧波市區(qū)、舟山市，共涉及4個地市及19個縣(市、區(qū))，引水線路總長294 km。自2014年6月浙東引水工程北線蕭山樞紐至慈溪段實現(xiàn)常態(tài)化引水以來，至2017年的3年間累計引水14.7×108m3，大幅度提升了沿線地區(qū)的供水保障能力，顯著改善了浙東地區(qū)平原河網(wǎng)的水生態(tài)環(huán)境，為浙東地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展、社會進步及生態(tài)環(huán)境保護做出了重要貢獻。

本文在進行生態(tài)效益量化時，整體考慮浙東引水工程沿線區(qū)域，以沿線地區(qū)行政區(qū)域為邊界，對浙東引水工程生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)進行分析研究，繪制生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)能量圖，如圖1所示。生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)主要能值分為可更新環(huán)境資源、不可更新環(huán)境資源以及系統(tǒng)總能值產(chǎn)出3類。可更新環(huán)境資源包括風(fēng)能、雨水勢能、雨水化學(xué)能、太陽能、地球旋轉(zhuǎn)能、固有水體。不可更新環(huán)境資源包括表層土有機質(zhì)損耗能、土壤流失能和生態(tài)供水。系統(tǒng)總能值產(chǎn)出可分為社會環(huán)境產(chǎn)出(糧食蔬菜、林產(chǎn)品、牛羊豬肉、禽蛋、乳制產(chǎn)品、水產(chǎn)品)和生態(tài)產(chǎn)出(旅游收入)兩大類。

圖1 浙東引水工程生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)能量圖

在上述基礎(chǔ)上，以能值為量綱，匯總生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)的能值投入和產(chǎn)出，將各項能量流、物質(zhì)流和貨幣流轉(zhuǎn)換為太陽能值單位，建立2017年浙東引水工程生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)投入產(chǎn)出表，如表1所示。表1中將浙東引水工程2017年蕭山樞紐過流量作為工程年引調(diào)水量計算。

表1 2017年浙東引水工程生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)投入產(chǎn)出表

根據(jù)基于能值分析法的生態(tài)效益分攤計算公式，可得2017年浙東引水工程生態(tài)效益分攤系數(shù)為0.489%，生態(tài)效益為7.56×108元，見表2。

之后，再分別應(yīng)用替代工程法和能值分析法對2016年浙東引水工程生態(tài)效益進行量化，并使用替代工程法計算2017年浙東引水工程生態(tài)效益，計算結(jié)果如表3所示。

對表3中兩種方法的計算結(jié)果進行對比分析如下：替代工程法以地區(qū)過流量為計算水量，將達到相同水質(zhì)改善效果的情況下污水治理工程的費用作為工程的生態(tài)效益，然而，由于替代工程并非實際存在，是否達到“等效”尚有疑問，計算結(jié)果的合理性易受質(zhì)疑、難以令人信服。從計算方法本身來看，替代工程法忽略了生態(tài)系統(tǒng)循環(huán)、人與自然以及生態(tài)與經(jīng)濟的相互作用等重要因素，只計算了生態(tài)效益中的水質(zhì)改善作用，使得該方法計算結(jié)果偏小。相比較而言，本文中使用的能值分析法能夠全面綜合地分析生態(tài)-經(jīng)濟系統(tǒng)，考慮水質(zhì)改善、水土保持、環(huán)境變化、平衡水資源配置等多種生態(tài)效益，更適用于浙東引水工程的實際運行情況，計算結(jié)果更為合理有效、更具說服力。

表2 2017年浙東引水工程生態(tài)效益計算表

表3 2016、2017年浙東引水工程生態(tài)效益計算對比表

由表3的計算結(jié)果還可看出，隨著引調(diào)水量的增加，跨流域引調(diào)水工程的生態(tài)效益也不斷增加，在同樣的水質(zhì)條件下，引調(diào)水量是衡量跨流域引調(diào)水工程生態(tài)效益大小的決定性因素。而生態(tài)效益的單方水價值由2016年的1.15元/m3提高到2017年的1.48元/m3，則說明在經(jīng)濟社會高速發(fā)展的今天，人們對于水的需求不斷增長，將有限的水資源盡可能地用來保證生活生產(chǎn)的需求，而忽略生態(tài)環(huán)境的需要，導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境對水的依賴愈發(fā)強烈，水資源環(huán)境價值日益提升。

5 結(jié) 論

(1)本文基于能值分析的理論對跨流域引調(diào)水工程生態(tài)效益進行分析量化，建立了跨流域引調(diào)水工程生態(tài)-經(jīng)濟體系，提出了跨流域引調(diào)水工程生態(tài)效益定量評價的方法，并對2017年浙東引水工程生態(tài)效益進行了量化，計算結(jié)果表明，本文提出的跨流域引調(diào)水工程的生態(tài)效益計算方法能夠較好地應(yīng)用于實際，可對工程的生態(tài)效益做出基本合理的量化計算。此方法打破了傳統(tǒng)間接效益計算方法在考慮生態(tài)環(huán)境與經(jīng)濟發(fā)展相互作用上的局限，可將自然生態(tài)與社會經(jīng)濟有機結(jié)合起來對工程所產(chǎn)生的生態(tài)效益進行全面評價，客觀真實地反映工程建設(shè)帶來的水環(huán)境改善效果，為今后工程的建設(shè)管理提供決策依據(jù)。

(2)本文的計算結(jié)果總體是合理的，但在本次生態(tài)效益能值分析中未考慮相關(guān)產(chǎn)業(yè)勞務(wù)等資本投入的資金流，且未能在系統(tǒng)的投入產(chǎn)出中體現(xiàn)出供水后航運條件變化節(jié)能減排對大氣環(huán)境的改善作用。在后續(xù)的生態(tài)生產(chǎn)系統(tǒng)能值分析中，可考慮結(jié)合其他生態(tài)經(jīng)濟學(xué)理論方法(如生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)投入產(chǎn)出分析)及生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)評價概念(如DPSIR概念框架)等，進一步完善系統(tǒng)內(nèi)部組分及各組分之間的邏輯關(guān)系，以便能夠更好更全面地繪制生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)能量圖，使能值分析法能在水利工程綜合評價中得到更廣泛的應(yīng)用。