一种网络化调水的生态补偿标准测算方法

摘要

本发明涉及一种网络化调水的生态补偿标准测算方法，包括：研究分区；水源区保护成本与发展机会损失测算；调水工程造成损失测算；水源区水量贡献系数和调水对下游影响贡献系数；补偿量计算；补偿主体分担补偿量的计算。本发明通过建立调水工程取水断面下游河段水动力与水质模型，模拟不同工况条件下水利工程下游河段流量、水位、水质的变化情况等将技术手段引入工程经济的运算中，使经济预测更加符合现实的自然规律。本发明突破网络化调水格局下的生态补偿标准计算技术瓶颈，有利于明晰利益相关地区的补偿关系，科学制定补偿标准。可用于计算复杂调水格局中分解各项调水工程补偿量和水源流域各地区所获补偿量。

说明书

技术领域

本发明涉及一种网络化调水的生态补偿标准测算方法，是一种水利计算方法。

背景技术

我国水资源短缺且时空分布不均，与经济社会发展布局不匹配，建设调水工程是破解这一难题的重要途径。随着水资源开发利用程度的提高和供需矛盾的加剧，部分地区调水工程呈现逐渐增多及加快的趋势,流域水量调入调出关系日趋复杂，跨流域调水呈现网络化发展趋势。为解决水资源开发利用与保护的外部效应问题，国家高度重视实施水生态补偿机制。

补偿标准的计算是建立生态补偿机制的关键技术和难点所在。流域内水源地生态补偿标准的常用计算方法包括保护成本法、机会损失法、水资源或水生态服务价值法、水量水质参数法、支付意愿法、生态足迹法、能值分析法、博弈论方法等。其中，服务价值尚未有公认的评价指标和方法，不同评估方法结果差异较大，且难以从中分离出水源保护的边际效益，难以直接用于补偿实践；以水源保护成本和发展机会损失为依据的计算方法得到较为广泛的认可和应用。

现有跨流域调水工程生态补偿标准的计算多通过应用或改进流域内生态补偿标准计算方法来实现。学者们应用保护成本与机会损失、支付意愿、排污权价值损失、生态足迹、博弈论等方法，计算了南水北调中线水源流域部分地市的补偿标准。对水源区补偿量的分摊方法包括考虑用水量、水资源价值、支付意愿和生态系统服务价值等因素的各区域占比来进行计算。

在调水工程日渐增多，呈现网络化调水格局的发展趋势下，流域水量调入调出关系日趋复杂，现有的流域内生态补偿或单项调水工程生态补偿研究方法具有一定的局限性，难以支撑补偿标准的科学测算和机制的有效建立。

①在研究范围上，缺乏以水源流域为整体的系统研究。调水生态补偿与流域内生态补偿的一个重大区别，就是受影响范围不仅限于水源地，还包括对取水点下游影响河段的补偿。当前大多数调水生态补偿标准测算的补偿对象范围是水源区的部分地区，且缺乏对下游损失的补偿量测算。

②在补偿关系上，网络化调水格局下补偿主体与对象关系更为复杂。在水源流域同时具有多项调水工程情况下，会出现不同工程的水源区相互包含、对下游产生叠加影响等情况，为补偿主体与对象对应关系的确定带来困难,不能简单按照水源流域保护成本和损失的总量来计算补偿标准。

③在计算方法上，网络化调水生态补偿标准研究不能直接沿用流域生态补偿标准的研究思路，应深入研究网络化调水格局下水量平衡、水资源价值运移传递的特点和规律，研发适用的标准计算方法。

现有的流域水量调入调出关系日趋复杂，不同调水工程水源区相互重叠、对下游产生叠加影响等情况，仅从经济角度考虑解决网络化调水格局下生态补偿标准的问题无法满足要求。在同时存在多项调水工程情况下，由于水流运动复杂性，不能简单按照水源流域保护成本和损失的总量来计算补偿标准,需要根据调水工程布局进行逐级分析,考虑各项调水工程与上游保护和下游影响的不同作用关系，同时考虑受水区分享的效益，研发能够从多线路调水格局中分离出单项调水补偿标准的测算方法，并量化水源流域不同地区获得的补偿量。

发明内容

为了克服现有技术的问题，本发明提出了一种网络化调水的生态补偿标准测算方法。所述的方法基于水量平衡和水资源价值运移传递规律，系统考虑水源流域上游保护成本与下游损失，研发适用于网络化调水生态补偿的标准测算方法，为调水生态补偿机制的研究与实践提供科学基础和技术支撑。

本发明的目的是这样实现的：一种网络化调水的生态补偿标准测算方法，所述方法的步骤如下：

步骤1，研究分区：按照调水工程的取水节点，将水源区进行一级分区，在一级分区基础上，按照流域内市域区界进一步做二级分区；设有n个水量调出工程，根据取水位置从上游到下游分别编号为D

步骤2，水源区保护成本与发展机会损失测算：统计研究区域数年的水源区涵养林建设、水土流失治理、生态移民、水污染防治的主要保护措施投入成本，考虑资金的时间价值，将其核算到现状年平均成本，计算源区单位水量保护成本和发展机会损失，计算如下：

在水源区水质达标情况下，n个水量调出工程中，工程D

B

其中：W

步骤3，调水工程造成损失测算：采用情景对比法，分析测算调水工程对下游造成的损失；

情景工况1：仅考虑水源流域已有水利工程，不考虑调水工程；

情景工况2：既考虑已有水利工程，又考虑调水工程；

建立调水工程取水断面下游河段水动力与水质模型，模拟不同工况条件下水利工程下游河段流量、水位、水质和环境容量的变化情况，水动力模型：

式中：x为流程；Q为流量；q

水环境容量模型：

M＝31.5[C

式中：M为环境容量；C

采用替代成本法计算受影响河段河道内取水成本增加、环境容量下降、航运费用增加的经济损失；调水造成下游水库发电效益损失采用单方水损失法，即利用逐月调水量、单方水发电量及上网电价计算调水工程造成下游B

步骤4，水源区水量贡献系数和调水对下游影响贡献系数：将水源区不同分区对调水工程的水量贡献程度作为分摊系数，用于计算调水工程所需分摊的源区保护成本及机会损失；

上游第i个区域B

式中：W

D

式中：W

流域的n项水量调出工程及其划分的m个集水区域，调水工程源区水量贡献系数和对下游影响贡献系数m×n阶矩阵A

步骤5，补偿量计算：

利用计算得到的水源区单位水量保护成本C

E

E

将调水工程造成下游地区损失L

E

得到调水工程D

纵向列的合计值为调水工程D

横向行的合计值为水源流域某区域应获得的补偿量C

步骤6，补偿主体分担补偿量的计算：采用效益分摊系数法，测算调水工程D

式BN

本发明的优点和有益效果是：本发明通过建立调水工程取水断面下游河段水动力与水质模型，模拟不同工况条件下水利工程下游河段流量、水位、水质的变化情况等，将技术手段引入工程经济的运算中，使经济预测更加符合现实的自然规律。本发明拟突破网络化调水格局下的生态补偿标准计算技术瓶颈，有利于明晰利益相关地区的补偿关系，科学制定补偿标准。可用于计算复杂调水格局中分解各项调水工程补偿量和水源流域各地区所获补偿量。为网络化调水格局下生态补偿的有效实施提供技术基础。对于跨流域调水生态补偿标准的计算具有较好的参考价值和应用前景。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明实施例所述测算方法的原理框图；

图2是本发明实施例所述方法的流域调水工程分布示意图；

图3是本发明的应用实例所研究的调水工程分布图；

图4是本发明所述方法的流程图。

具体实施方式

实施例：

本实施例是一种网络化调水的生态补偿标准测算方法，所述方法的通过深入进行多学科理论分析，建立资源与环境经济模型、水动力与水质模型和地理信息系统模型，研究网络化调水生态补偿的基本原理和标准计算方法，原理框图如图1所示。

(1)基本原理：

应用水量平衡、水资源价值运移传递规律和外部效应内部化理论，研究调水生态补偿的基本原理。对于某流域来讲，若存在n个水量调出工程(n为正整数，指水量调出工程的个数)，根据取水位置从上游到下游分别编号为D

水文循环和水量平衡是水文水资源学的基本原理。水量平衡方程式可由水量的收支情况来制定。利用水量平衡规律进行分析，按研究对象系统的空间尺度，大可到全球，小至一个区域或一个河段；也可从大气层到地下水的任何层次，均可写出不同的水量平衡方程式。本发明针对某河段，其输入水量与输出水量之差就是该河段内的水量变化量，如河道槽蓄变量或水库蓄水变化量。在年周期内，调水工程D

W

式中：W

水资源价值流具有连续传递特性，即水资源循环过程中入流处获得的价值与出流处传递上来的价值处于平衡状态，出流的总价值等于入流的间接价值。水在向下游流动过程中会产生机会效益价值，调水工程会改变这种机会效益价值的实现区域，带来水资源价值分布格局的变化，在受水区产生价值增值，在水源流域调水断面的下游因水量衰减而造成价值衰减。调水工程D

V

式中：V

由于调水工程仅会得到取水点以上源区产水量，并造成下游水量衰减，多项调水工程对应不同的源区和下游影响区，不能简单按照水源流域保护成本和损失的总量来计算补偿标准，需要根据调水工程布局进行逐级分析。图1所示流域的n项水量调出工程D

表1调水工程对水源流域各区域水资源价值影响关系

应用上述矩阵关系，纵向列可用于分析某项调水工程对水源流域的补偿量，横向行可用于分析测算水源流域某区域应获得的补偿量。如某调水工程D

根据上述水量平衡和水资源价值的运移传递规律，在调水工程水源流域水质达标的情况下，受水区为补偿主体区域，水源流域为补偿对象区域，可以摸清各调水工程与取水点上游源区和下游影响区的补偿关系，应用外部成本内部化的经济学原理，测算补偿标准。

(2)补偿标准计算模型：

水源保护成本和损失是确定补偿标准的基础，以此为依据测算的补偿标准具有较好的科学性和可行性。测算某调水工程D

①水源区保护成本与发展机会损失：

在水源区水质达标情况下，重点考虑水量调出工程D

水源区发展机会损失采用区域对比法进行计算，选取与水源区自然条件相近但未因涵养水源而限制经济发展的地区作为参照对象，如水源区周边或下游邻近地区，比较人均财政收入和工资报酬的差异，并通过对关、停、并、转企业等产值、税收等实证调查数据进行校核，评价限制发展的经济损失。如B

②调水工程给下游地区带来的损失：

调水工程可对水源流域取水点下游区域产生水文、水质、水资源开发利用、航运等方面影响。采用情景对比法，分析测算调水工程对下游造成的损失。

情景工况1：仅考虑水源流域已有水利工程，不考虑调水工程。

情景工况2：既考虑已有水利工程，又考虑调水工程。

建立调水工程取水断面下游河段水动力与水质模型，模拟不同工况条件下水利工程下游河段流量、水位、水质等变化情况。利用河道内高程信息，概化河道断面，采用一维水流数学模型进行水动力模拟。基于垂向积分的质量和动量守恒方程即圣维南方程组建立的，方程组如下：

式中：x为流程(m)；Q为流量(m

方程组用隐式有限差分法离散，用追赶法求解。计算网格布置为交叉网格方式(交替水位点和流量点)。有断面数据的点设置为水位点，流量点自动布置在相邻水位点的中间和水工建筑物点。

考虑污染物沿河长衰减及稀释倍数变化，采用一维水质模型进行水功能区环境容量计算：

M＝31.5[C

式中：M—环境容量(t/a)；

C

C

k—污染物综合衰减系数(1/s)；

L—水功能区长度(m)；

X—排污口下游断面距水功能区下断面纵向距离(m)；

u—设计流量下的平均流速(m/s)；

Q

采用替代成本法计算受影响河段河道内取水成本增加、环境容量下降、航运费用增加等经济损失。替代成本法，亦称替代措施法，是指当水资源供需矛盾日趋尖锐，水量衰减或水质恶化，严重制约水资源开发利用时，可采取诸如节水、增加污水处理和利用成本、增加取水成本等措施来满足用水，可用替代措施的边际成本作为经济损失的间接估算值。调水造成下游水库发电效益损失采用单方水损失法，即利用逐月调水量、单方水发电量及上网电价进行计算。调水工程造成下游B

③源区水量贡献系数和调水对下游影响贡献系数：

源区水量贡献系数：将源区不同分区对调水工程的水量贡献程度作为分摊系数，用于计算调水工程所需分摊的源区保护成本及机会损失。调水工程D

式中β

调水对下游影响贡献系数：该系数用于计算调水工程所需分摊的下游损失。调水工程D

式中γ

对于图2所示流域的n项水量调出工程及其划分的m个集水区域，由表1和公式(5)、(6)可得调水工程源区水量贡献系数和对下游影响贡献系数m×n阶矩阵如下：

④补偿量计算：

利用公式(3)和公式(4)计算得到的源区单位水量保护成本C

将调水工程造成下游地区损失L

基于表1调水工程对水源流域各区域水资源价值影响关系，对图1所示流域可得到调水工程D

纵向列的合计值为调水工程D

式中前半部分

横向行的合计值为水源流域某区域应获得的补偿量。

⑤补偿主体分担补偿量测算方法：

采用效益分摊系数法，测算调水工程D

式中BN

(3)本实施例所述方法的应用实例和具体步骤如下：

应用实例数据：

汉江发源于秦岭南麓，流经陕豫鄂三省，于武汉市汇入长江，全长1577km，流域面积为15.9万km

计算流程如图4所示，流程如下：

步骤1，研究分区：按照调水工程的取水节点，将水源区进行一级分区，在一级分区基础上，按照流域内市域区界进一步做二级分区；设有n个水量调出工程，根据取水位置从上游到下游分别编号为D

应用实例：考虑汉江流域已建的南水北调一期工程和引汉济渭工程和鄂北水资源配置工程，按照调水工程的取水节点，将汉江流域进行一级分区。在一级分区基础上，按照流域内市域区界进一步做二级分区。

步骤2，水源区保护成本与发展机会损失测算：统计研究区域数年的水源区涵养林建设、水土流失治理、生态移民、水污染防治的主要保护措施投入成本，考虑资金的时间价值，将其核算到现状年平均成本，计算源区单位水量保护成本和发展机会损失，计算如下：

在水源区水质达标情况下，水量调出工程D

水源区发展机会损失采用区域对比法进行计算，选取与水源区自然条件相近但未因涵养水源而限制经济发展的地区作为参照对象，如水源区周边或下游邻近地区，比较人均财政收入和工资报酬的差异，并通过对关、停、并、转企业等产值、税收等实证调查数据进行校核，评价限制发展的经济损失。B

其中：W

接上述实例：统计2015年以来水源区涵养林建设、水土流失治理、生态移民、水污染防治等主要保护措施投入成本，考虑资金的时间价值，将其核算到现状年平均成本，按公式计算源区单位水量保护成本和发展机会损失。

步骤3，调水工程造成损失测算：调水工程可对水源流域取水点下游区域产生水文、水质、水资源开发利用、航运等方面影响。采用情景对比法，分析测算调水工程对下游造成的损失。

情景工况1：仅考虑水源流域已有水利工程，不考虑调水工程。

情景工况2：既考虑已有水利工程，又考虑调水工程。

建立调水工程取水断面下游河段水动力与水质模型，模拟不同工况条件下水利工程下游河段流量、水位、水质的变化情况，水动力模型：

式中：x为流程(m)；Q为流量(m

水环境容量模型：

M＝31.5[C

式中：M—环境容量(t/a)；

C

C

k—污染物综合衰减系数(1/s)；

L—水功能区长度(m)；

X—排污口下游断面距水功能区下断面纵向距离(m)；

u—设计流量下的平均流速(m/s)；

Q

采用替代成本法计算受影响河段河道内取水成本增加、环境容量下降、航运费用增加的经济损失。调水造成下游水库发电效益损失采用单方水损失法，即利用逐月调水量、单方水发电量及上网电价计算调水工程造成下游B

接上述应用实例：

情景工况1：考虑汉江流域已有蓄水工程，包括丹江口水库加高工程，不考虑调水工程。

情景工况2：既考虑已有水利工程，又考虑南水北调一期工程、引江济汉工程、引汉济渭工程和鄂北调水工程。

采用情景对比法进行测算。建立引汉济渭工程取水断面下游至丹江口水库、丹江口水库下游干流(黄家港水文站以下)一维水动力与水质模型，利用多年平均情况下不同工况来水条件，模拟比较逐月流量、水位、水质等参数在有无调水工况下的变化情况。水动力模型：

式中：x为流程；Q为流量；q

水环境容量模型：

M＝31.5[C

式中：M为环境容量；C

由于调水对下游地区社会影响和生态影响难以量化，主要采用单方水发电损失逐月调算法计算水电站(石泉、喜河、蜀河等)发电损失，采用替代成本法计算干流取水、治污、航运等损失。

步骤4，水源区水量贡献系数和调水对下游影响贡献系数：将水源区不同分区对调水工程的水量贡献程度作为分摊系数，用于计算调水工程所需分摊的源区保护成本及机会损失；

上游第i个区域B

式中：W

D

式中：W

流域的n项水量调出工程及其划分的m个集水区域，调水工程源区水量贡献系数和对下游影响贡献系数m×n阶矩阵A

针对引汉济渭工程、南水北调一期工程、鄂北调水工程及其对应的水源区和下游影响区，应用公式(7)～(9)，考虑多年平均水文条件下的水量平衡和设计调水规模，可得水源流域调水生态补偿标准分摊系数m×n阶矩阵A

步骤5，补偿量计算：

利用计算得到的水源区单位水量保护成本C

E

E

将调水工程造成下游地区损失L

E

得到调水工程D

纵向列的合计值为调水工程D

横向行的合计值为水源流域某区域应获得的补偿量C

应用实例计算：利用计算得到的汉江水源区单位水量保护成本和机会损失，与矩阵(9)中β值及调出水量相乘，得到各调水工程分摊的源区补偿量。将调水工程造成下游地区损失与矩阵(9)中γ值相乘，得到各调水工程分摊的下游损失补偿量。

得到形如矩阵(10)的各项调水工程补偿量矩阵。按照公式(11)计算矩阵的列合计值，作为某单项调水工程对水源流域的补偿量，各行的合计值为各区域应获得补偿量。

步骤6，补偿主体分担补偿量的计算：采用效益分摊系数法，测算调水工程D

式BN

与现状年的保护成本和损失测算相协调，利用现状年经济社会发展数据和多年平均条件下的调水规模，采用效益分摊系数法，测算引汉济渭工程、南水北调一期工程、鄂北调水工程受水区效益，包括国民经济用水和生态用水效益，得到受水区各地分享效益所占比例。按照公式(12)，测算受水区域分担水源流域的补偿量。

最后应说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳布置方案对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案(比如各种模型的形式、各种公式的运用、步骤的先后顺序等)进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。