“黄河流域水源涵养与水文效应”专栏

基于水循环模拟的水生态产品价值量核算——以黄河上游湟水河流域为例

  • 刘玉 , 1 ,
  • 翟晓燕 2 ,
  • 张永勇 , 3, * ,
  • 李淼 4 ,
  • 刘晓洁 3
展开
  • 1.中国科学院空天信息创新研究院,北京 100101
  • 2.中国水利水电科学研究院, 水利部防洪抗旱减灾工程技术研究中心, 北京 100038
  • 3.中国科学院地理科学与资源研究所,陆地水循环及地表过程重点实验室,北京 100101
  • 4.水利部发展研究中心,北京 100038
*张永勇(1981— ),男,湖北京山人,研究员,博士,主要从事流域水循环多过程模拟研究。E-mail:

刘玉(1982— ),女,四川资阳人,副研究员,主要从事流域水文水资源研究。E-mail:

收稿日期: 2023-05-06

  修回日期: 2023-08-21

  网络出版日期: 2023-09-27

基金资助

国家重点研发计划课题(2021YFC3201102)

Valuation of aquatic ecological products based on water cycle simulation: Taking the Huangshui River Basin as an example

  • LIU Yu , 1 ,
  • ZHAI Xiaoyan 2 ,
  • ZHANG Yongyong , 3, * ,
  • LI Miao 4 ,
  • LIU Xiaojie 3
Expand
  • 1. Aerospace Information Research Institute, CAS, Beijing 100101, China
  • 2. Research Center on Flood and Drought Disaster Reduction, China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing 100038, China
  • 3. Key Laboratory of Water Cycle and Related Land Surface Processes, Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, CAS, Beijing 100101, China
  • 4. Development Research Center of the Ministry of Water Resources, Beijing 100038, China

Received date: 2023-05-06

  Revised date: 2023-08-21

  Online published: 2023-09-27

Supported by

National Key Research and Development Program of China(2021YFC3201102)

摘要

水生态产品实物量计算是水生态产品价值量核算及价值实现的基础。为客观反映水生态产品价值量与水循环过程的联系,论文以黄河上游湟水河流域为例,采用流域水循环多过程模拟、情景分析和社会经济调查等手段,核算了1986—2015年水生态产品(水资源供给、水资源存量、土壤保持、洪水调蓄、水质净化)实物量及其价值,系统分析了水生态产品价值量组成及时空分布规律。结果表明:湟水河流域1986—1995年水生态产品总价值量为604.81亿元/a,1996—2005、2006—2015年分别增加了10.87%、24.49%。水生态产品价值主要由水资源存储贡献(占比66.59%~69.53%),水库防洪价值、水资源供给、水质净化价值次之(分别占比18.91%~23.54%、5.08%~5.53%、4.77%~6.12%),土壤保持贡献最小(占比约0.02%)。从上游到下游子流域水生态产品价值量通常呈减小趋势,个别子流域由于有水利工程,水生态产品价值量明显增加。研究可为黄河上游流域水生态系统管理提供可靠的理论和技术支撑。

本文引用格式

刘玉 , 翟晓燕 , 张永勇 , 李淼 , 刘晓洁 . 基于水循环模拟的水生态产品价值量核算——以黄河上游湟水河流域为例[J]. 地理科学进展, 2023 , 42(9) : 1704 -1716 . DOI: 10.18306/dlkxjz.2023.09.004

Abstract

The calculation of the physical quantity of aquatic ecological products is the basis for the accounting and realization of the value of aquatic ecological products. In order to objectively reflect the relationship between the value of aquatic ecological products and water cycle processes, this study took the Huangshui River Basin in the upper reaches of the Yellow River as an example, and calculated the physical quantity and value of aquatic ecological products (water resources supply, water resources stock, soil conservation, flood regulation and storage, and water quality purification) in the basin from 1986 to 2015 by means of multi-process simulation of the water cycle in the basin, scenario analysis, and socio-economic condition investigation. The value composition and spatiotemporal distribution pattern of aquatic ecological products were systematically analyzed. The results show that the total value of aquatic ecological products in the Huangshui River Basin from 1986 to 1995 was 60.481 billion yuan/a, which increased by 10.87% and 24.49% in 1996-2005 and 2005-2015, respectively. The contribution of water resources storage was the highest (66.59%-69.53%), followed by reservoir flood control, water supply, and water purification (accounting for 18.91%-23.54%, 5.08%-5.53%, and 4.77%-6.12%, respectively), and the contribution of soil conservation was negligible (0.02%). The value of aquatic ecological products in sub-basins usually decreased from the upstream to the downstream, but the values of aquatic ecological products have increased significantly in sub-basins with water conservancy projects. This study provides a theoretical and technical support for the management of water ecosystems in the upper reaches of the Yellow River.

生态产品价值核算是生态系统生产总值(gross ecosystem product,GEP)价值实现的基础,是生态系统保护成效评估的重要手段,也是支撑生态文明制度体系建设的关键[1]。自20世纪末学者认识到生态系统的价值开始[2-3],国际上开展了一系列生态产品价值核算研究。例如联合国启动“千年生态系统评估”国际合作项目、2012年联合国统计委员会批准的“环境经济核算体系(SEEA)中心框架”[4]、2014年发布的“环境经济核算体系:试验性生态系统核算(SEEA-EEA)”[5]、2021年通过的“环境经济统计与生态统计体系”(SEEA-EA)全新统计框架[6]等。目前,超过30个国家正在试验性地编制生态系统价值核算标准。生态产品价值核算研究成为当前生态经济学的前沿领域,以及各国政府关注的热点。
中国生态产品价值核算研究起步虽然较晚,但近年来单项生态系统服务、综合类生态产品核算、地方实践等方面开展了大量尝试。例如针对森林、湿地、草地、荒漠、海洋、农田、城市等生态系统,开展了一系列生态系统服务功能研究,并形成了多个单类生态系统服务功能评估规范和方法[7-8]。在此基础上,相继发布了综合类生态系统GEP核算的技术指南和标准,如生态环境部综合司发布的《陆地生态系统生产总值(GEP)核算技术指南》[9]。在现行的陆地生态系统产品价值核算框架下,各地政府积极开展实践,如深圳搭建了“1+3”GEP核算制度体系[10]、浙江湖州建成县域GEP核算决策支持系统[11]、德清县建立“数字两山”GEP核算决策支持平台[12],并初步形成了一些地方性的生态产品价值核算规范和方法[13]。因此,现行的陆地生态系统产品价值核算框架主要针对区域生态系统特征,分生态类型开展科学的单项生态产品的经济价值核算[14]
水是生态之基,是支撑地球生命系统的重要基础。目前,针对陆地水生态系统的河流、水库、湖泊、湿地4种单项生态类型,已开展了大量服务功能及价值核算的探索。其中河流生态系统服务价值的研究重点关注河流生态系统服务的内涵及指标、水电开发及水利工程对河流生态系统服务功能的价值影响等[15-16]。湖泊生态系统服务价值主要侧重于水生态系统平衡、水功能分区、湖泊生态服务受益者分析及生态生产函数构建等[17-20]。水库生态系统服务价值的评估主要围绕水库调度的生态系统服务价值评估、净化空气的服务功能等方面[21]。湿地生态系统服务价值的评估,通常聚焦于涵养水源功能价值、净化功能价值等方面[22-24]。在整个水生态系统价值量估算方面,也有一些探索。如赵同谦等[25]建立了由生活和工农业供水、水力发电、内陆航运、水产品生产、休闲娱乐组成的5个直接使用价值指标,以及调蓄洪水、河流输沙、蓄积水分、保持土壤、净化水质、固定碳、维持生物多样性组成的7个间接使用价值指标,构成了水生态系统服务功能评价指标体系。陈默等[26]通过相关文献统计筛选出3大类14项指标,建立了水生态系统生产总值核算体系,评估了向家坝水电站建设对水生态系统生产总值的影响。但目前大多数研究主要采用少量观测数据和简单经验公式针对水生态系统的各类功能进行独立评估[27-29],忽视了各功能之间的水循环联系机制,核算结果的数据笼统、人为性强,难以体现水生态系统涉及的、复杂的物质能量过程及时空格局,严重制约水生态产品价值在生态系统管理与决策中的应用。
本文选用黄河上游湟水河流域为例,在明确水生态产品内涵的基础上,以水循环多过程模拟为基础,定量描述水生态系统涉及的生态水文和生物地球化学动态变化过程;结合情景分析、社会经济调查等手段,开展水生态产品价值量(水资源供给、水资源存量、土壤保持、洪水调蓄、水质净化)核算,系统分析水生态产品组成及时空分布规律。本文可为黄河上游流域水生态系统管理提供可靠的理论和技术支撑,也对黄河流域水生态保护和可持续利用等具有重要的现实意义。

1 研究区域与数据

1.1 研究区概况

本文选取湟水河及其联系的黄河干流相关子流域为对象开展研究(图1)。湟水河是黄河上游最大的一级支流,是黄河主要来水源之一,也是青海省经济文化的发祥地和兰州市城市用水的主要水源。湟水河主要由湟水干流及其支流大通河组成,总流域面积为3.29万km2。湟水干流发源于达坂山南坡的青海省海晏县,于甘肃省永靖县上车村流入黄河,全长374 km。
图1 研究区位置及水文站、土地利用、高程、子流域及主要水库分布

Fig.1 Location and hydrologic stations, land use, elevation and sub-basins and main reservoir distribution of the study area

湟水河流域地形复杂多样,冰川、河谷平原、黄土丘陵、石质高山交错分布,植被类型有高山草甸、山地草原、天然次生林、高山高寒灌木林、人工林等。流域属干旱和半干旱农牧林气候区,多年平均降水量约500 mm,70%的降水量集中在6—9月,年平均气温0.6~7.9 ℃,蒸发量1100~1800 mm。湟水河流域多年平均水资源量为20.7亿m3,其中人均和亩均耕地水资源量分别为663 m3和472 m3,仅为全国水平的1/3和1/4,为典型的重度缺水地区。为保障供水、防洪和发电等需要,流域已修建大量调蓄工程、引水工程和水电工程等,现状水资源利用率已达60%,已超过世界公认的40%合理极限值,河流水生态环境破坏,水土流失、干流短时断流、水污染严重,是典型的水生态问题突出区域。因此,开展研究区水生态产品价值量核算,可为湟水河流域水生态保护和水资源可持续利用提供重要的决策依据,为重度缺水、水生态问题突出区域的水生态产品价值量核算提供参考。

1.2 数据来源与处理

本文涉及的数据主要包括实物量数据和价格数据。其中,实物量数据主要为构建分布式流域水循环系统模型(HEQM)所需数据(模型详见2.3),具体为:90 m分辨率的数字高程、1∶25万河网水系、7期30 m分辨率的土地利用(1980、1990、1995、2000、2005、2010、2015年)等地理信息数据,以及1960—2018年流域及周边40个站点气温、8个站点降水及2个水文站(民和、亨堂)径流量的日观测水文气象数据序列数据。其中,水库、径流观测数据资料来源于中华人民共和国水利部印发的《黄河流域水文年鉴》,气象数据来源于国家气象局、自然资源部。各类价格数据是根据统计年鉴、全国水价网及其他文献整理获得。

2 水生态产品的内涵及核算方法

2.1 水生态产品的内涵

水生态系统是陆地生态系统的组成部分,水生态产品符合产品和生态产品的一般特征,是生态产品的重要组成部分。参考国内外相关研究[9-14,27-29],水生态产品的内涵可以理解为:① 产品对象。水生态产品涉及地表水、地下水、土壤水。考虑到研究区实际情况,本文中的地表水为河流、湖泊、水库,不涉及沼泽。水利工程是水生态产品供给的重要依托,是提高水生态产品供给能力的重要支撑和保障。修建水利工程,能控制水流,防止洪涝灾害,并进行水量的调节和分配,以满足人民生活和生产用水需求。② 产品属性。产品是用于满足人们使用和消费为目的,或具有潜在的使用价值,具有价值的物品和服务,具有在市场中流通交易的可能和基础。水生态产品是人类生存和发展不可或缺的特殊产品,可通过水生态保护与修复,提高水生态产品的生产能力。③ 产品功能。根据《陆地生态系统生产总值(GEP)核算技术指南》[9],陆地生态系统生产总值核算指标体系由物质产品、调节服务和文化服务三大类构成,其中调节和文化两大类可以合并为服务功能。与之对应,水生态产品由物质供给及服务功能两大类构成。其中,物质供应是直接提供产品维持人的生活、生产活动;服务功能包括水资源存储、土壤保持、洪水调蓄、水质净化等。

2.2 水生态产品核算方法

本文基于HEQM模型,模拟流域不同下垫面条件下的水文、土壤侵蚀和水质等过程;然后采用数值模拟、情景分析等手段,进行水资源存储、土壤保持、水质净化的实物量评估,并结合社会经济统计资料,开展水资源供给、水资源存储、洪水调蓄、土壤保持、水质净化的价值评估,最终完成水生态产品总价值量核算。
为了分析研究区水生态产品时间变化规律,本文模拟了30年(1986—2015年)的水文、土壤侵蚀和水质过程。考虑到水文过程具有较强的随机性,因此实物量采用多年平均,即评估时段为1986—1995、1996—2005、2006—2015年的10年平均状态。为了方便比较不同时期的水生态产品价值,考虑到土地利用数据、气象水文数据匹配的问题,本文以2015年为基准,其他年份价格均采用GDP平减系数折算至2015年,即设置2015年价格为不变价格。
(1) 水资源供给价值量核算
水资源的供给价值在于水生态系统为人类生活用水、农业灌溉用水以及发电等为人类发展持续提供水资源量,可运用替代市场法计算,即
V = Q × c = Q × c + Q × c + Q × c
式中: V 为水资源供给价值量(亿元/a); Q 为供给的实物量,考虑到数据可得性,本文采用典型大中型水利工程的农业灌溉 Q 、居民供水 Q ,以及发电供水量 Q 三者来表达水资源供给量,该项数据由社会统计资料获得; c 为定价参数,其中 c 参考青海的农业灌溉用水价格,取0.11元/m3, c 采取最大水费承受指数计算(公式为:水资源价格上限P=最大水费承受指数A×人均可支配收入E/人均用水量C-单位供水成本及正常利润D)。其中,2015年青海的人均可支配收入为15812.70元,人均用水量455 m3,城镇居民生活人均日用水量85 L/d。2015年青海西宁市居民用水终端单价2.65元/t,根据研究区评估时期人均可支配收入、用水量、水价等社会经济资料,可以推求2015、2005、1995年的水资源价格上限分别为2.93、3.22、2.60元/m3 c 参考国内平均价格和青海省上网电价,取0.3元/kWh。
(2) 水资源存储价值量核算
水资源存储的价值在于水生态系统是天然的容器,起到存储、补充和调节水资源的作用。本文运用替代成本法进行计算,即
V = Q × c
式中: V 为水资源存储价值量(亿元/a); Q 为总的产水量减去水资源供给量(m3/a),其中总的产水量是降水形成的地表径流、土壤产水、地下径流总量,本文采用已率定好的流域水循环系统模型HEQM进行计算。水资源供给量由式(1)计算得出。 c 为水库建设成本单价,根据《森林生态系统服务功能评估规范》[7],2005年水库建设成本是6.11元/m3,根据GDP平减系数,折算为2015年价格8.95元/m3
(3) 洪水调蓄价值量核算
洪水调蓄价值主要表现在蓄积洪峰水量,削减并滞后洪峰,缓解汛期洪峰造成的威胁和损失的经济价值。本文运用替代成本法进行核算。
V =   i = 1 n Q , i × c
式中: V 为洪水调蓄价值(元/a); Q , i为第i个子流域洪水调蓄量(m3/a)。由于国内大多数水库较少公开发布调蓄量数据,为了计算方便,本文参考《陆地生态系统生产总值(GEP)核算技术指南》[9],以总库容的35%为水库防洪库容。另外,大中型水库建库后,一般防洪库容较少变化,因此,本文仅计算基准年洪水调蓄价值。
研究区有5个大中型水库,即黑泉水库、东大滩水库、盘道水库、南门峡水库、刘家峡水库(图1)。其中黑泉水库位于子流域S4,每年可向西宁市供水1.35亿m3,年发电量达5000多万kWh。南门峡水库位于子流域S10,是互助县最大的一座拦河式中型水库,保障水库下游南门峡镇14个村5.2万亩的灌溉和互助县城约10万人的饮水安全。盘道水库位于子流域S8,主要任务是解决生态环境建设用水及农田灌溉,兼顾部分地区人蓄饮水及西宁城南新区供水。东大滩水库位于子流域S7,是目前湟水流域最大的调节型水库,以防洪为主,兼顾农田灌溉、生态用水等综合利用的不完全年调节的拦河式中型水库,主要担负湟水干流沿岸200多万人口,21万亩耕地的防洪安全和用水安全。刘家峡水库位于子流域S15,以发电为主,兼有防洪、防凌、灌溉、供水等综合功能。每年春灌期间,刘家峡水库为农业生产补水达8亿~12亿m3,灌溉黄河中下游沿岸面积1600多万亩。刘家峡水库总装机容量为122.5万kW,年发电57 亿kWh。
(4) 土壤保持价值量核算
土壤保持价值在于水生态系统可以减少泥沙淤积和减少面源污染。其中减少泥沙淤积是水生态系统通过保持土壤,减少水库、河流、湖泊的泥沙淤积,有利于降低干旱、洪涝灾害发生的风险。根据土壤保持量和淤积量,运用替代成本法(即水库清淤工程的费用)核算减少泥沙淤积价值。减少面源污染是水生态系统通过保持土壤,减少氮、磷等土壤营养物质进入下游水体,可降低下游水体面源污染。根据土壤保持量和土壤中氮、磷的含量,利用替代价格法,以同养分含量的化肥售价作为减少养分流失效益核算减少面源污染价值。
V = V   + V = λ ×   ( Q / ρ ) × c + k = 1 n Q × c k × P k
式中: V 为生态系统土壤保持价值(亿元/a); V 为减少泥沙淤积价值; V 为减少面源污染价值; Q 为土壤保持量(亿kg/a),即没有地表植被覆盖情形下的潜在土壤侵蚀量,与当前地表植被覆盖情形下的实际土壤侵蚀量的差值,本文利用HEQM模型水土流失模块计算水体中的泥沙含量,通过情景分析,改变不同的土地利用方式输入,计算因为森林、草地、农田生态系统减少的土壤侵蚀量; c 为单位水库清淤工程费用(元/m3); ρ为土壤容重(t/m3); λ为泥沙淤积系数;k为土壤中氮、磷等营养物质数量,k=1,2,…,n c k为土壤中氮、磷等营养物质的纯含量(%); P k为处理成本。
本文土壤容重、氮、磷、钾含量、单位水库清淤工程费、肥料价格等数据来源于当地土壤调查、文献、专项调查和发改委等部门。如根据《陆地生态系统生产总值(GEP)核算技术指南》[9],青海地区的土壤容重取1.236 g/cm3。根据2002年的《中华人民共和国水利部水利建筑工程预算定额》[31]中挖取单位面积土壤费用为12.6元/m3(折合为2015年的不变价格20.87元/m3)。根据《水库泥沙淤积量计算方法探讨》[32],考虑到研究区内的水库排沙状况,泥沙淤积系数取0.70;根据全国土壤调查,全国范围土壤有机质含量为1%,氮含量为0.37%,磷含量为0.108%,钾含量为2.239%。根据化肥成分(http://www.fertchina.com/)及农资网(http://www.ampcn.com/huafei/),尿素中氮的折算比例为46.67%,磷酸二铵中磷折算比例为23.48%;氯化钾中钾的折算比例为52%。2022年氮肥(尿素)、磷肥(磷酸二铵)和钾肥(氯化钾)价格分别取3300、4000和4200元/t。折算到2015年价格,氮肥(尿素)、磷肥(磷酸二铵)和钾肥(氯化钾)价格分别取2000、2414和2535元/t。
(5) 水质净化价值量核算
水质净化价值是水域湿地生态系统吸附、降解、转化水体污染物,净化水环境的功能价值。核算生态系统降解水体污染物、净化水质的价值,运用替代成本法进行核算,即
V = i = 1 n Q , i × c , i
式中: V 为生态系统水质净化的价值(亿元/a); Q , i为第i类水污染物的净化量(t/a),本文采用HEQM模型模拟的水质指标COD代表水体污染物; c , i为第i类水污染物的单位治理成本,参考《中国环境经济核算技术指南》[30],根据价格指数,2015年COD治理成本为21.84元/kg。

2.3 分布式水循环模型构建

为描述水生态系统结构、格局和过程,本文基于自主研发的分布式流域水循环系统模型HEQM,进行水文、土壤生物地球化学、土壤侵蚀和水质等多过程耦合模拟,摸清了的水文要素(地表径流、土壤水、地下径流等)、土壤保持量、水质(COD)浓度变化过程及其空间分布,并利用情景分析,模拟了变化下垫面条件下的土壤侵蚀、水质变化过程,从而为流域水生态产品价值评估提供科学的、连续动态的、分布式的水文、土壤保持、水质实物量数据。HEQM模型以水和营养物质循环作为联系各过程的联系纽带,综合考虑变化环境下水文循环和营养源循环在陆面、土壤、植被和河流水体中的相互作用关系,以及闸坝调控和排污对水和营养源循环的影响。另外,考虑到研究区是典型的高寒地区,覆盖有冰川积雪,本文采用的HEQM扩展了其冰川积雪冻融过程。HEQM模型结构和参数等详见文献[33-34]。该模型已在黄河、淮河、新安江和密云水库等流域进行了应用[35]
本文将研究区划分为16个子流域(图1)。其中,S1、S2……S16为子流域编号,排序总体为上游到下游。为确定每个子流域参数最优值,先利用LH-OAT(Latin hypercube one factor at a time)进行敏感性分析,筛选敏感性参数,然后采用SCE-UA算法,以模型体积误差、相关系数和效率系数3个指标为模型评价标准进行率定。本文采用民和、亨堂两个水文站的日径流过程进行了率定和验证(表1)。其中率定期的水量平衡系数分别是0.05和-0.11,相关系数分别是0.81和0.84,效率系数分别为0.64和0.69。验证期除民和站的效率系数有减小外,其他值变化不大。总体上率定期和验证期的结果令人满意。
表1 研究区分布式水循环模型率定及验证结果

Tab.1 Calibration and verification results of the distributed water cycle model in the study area

站点 率定期 验证期
时段 偏差 相关系数 效率系数 时段 偏差 相关系数 效率系数
民和 1970—1989年 0.05 0.81 0.64 2008—2010年 0.28 0.74 0.43
亨堂 1960—1989年 -0.11 0.84 0.69 2008—2010年 0.06 0.82 0.63
由于观测数据缺乏,本文采用参数移植方法,将已率定子流域的参数移用到没有水文观测的子流域。由于HEQM模型考虑的水文相关过程众多,涉及参数也较多,考虑到两个子流域的相似度,选取属性相似法进行参数移植,选取的相似度变量参数包括平均坡度、平均流域面积、平均高程、各土地利用(水田、草地、林地、旱地、水域、未利用地、建设用地和冰川积雪)所占比例、多年平均降水量、多年平均温度以及兴利库容8个指标。详细建模和参数确定见Zhang等[36]的研究。

3 结果与分析

3.1 水文、土壤侵蚀、水质变化过程

本文为准确计算研究区水生态产品实物量,基于分布式流域水循环系统模型HEQM,模拟了30年(1986—2015年)分布式的水文要素(地表径流、土壤水、地下径流等)、土壤侵蚀量、COD含量变化过程。
(1) 水文要素
图2是1986—2015年降水及地表水、土壤水、地下水的径流深。研究区1986—1995、1996—2005、2006—2015年平均降水为453.03、435.79、471.54 mm/a,平均总径流深118.16、132.51、151.75 mm/a,降水先降低后增加,径流深总体呈增加趋势。1986—1995、1996—2005、2006—2015年的地表水平均径流深分别为12.45、12.22、11.89 mm/a,土壤水平均径流深分别为43.91、65.17、78.97 mm/a,地下水平均径流深分别为61.8、55.12、60.89 mm/a,地下水和土壤水占主导,地表水所占比例小;总径流深区域差异较降水差异大,且研究区从上游到下游,地表水、土壤水及地下水径流深明显降低。
图2 1986—2015年研究区降水及径流深

Fig.2 Precipitation and runoff depth in the study area during 1986-2015

(2) 土壤侵蚀量
图3是1986—2015年研究区土壤侵蚀的现状量、转移量、调节量。其中现状量是当前地表植被覆盖情形下的实际土壤侵蚀量,转移量为没有地表植被情形下的土壤侵蚀量,调节量是现状土壤侵蚀量与转移土壤侵蚀量之差,是水生态系统的土壤保持量。从图中可以看出,研究区土壤保持量呈增大的趋势:1986—1995、1996—2005、2006—2015年平均土壤保持量分别为0.61亿kg/a、0.66亿kg/a、1.12亿kg/a;从空间分布来看,从上游到下游土壤保持量呈增大的趋势,上游多个流域土壤保持量如S1、S2、S3等,与下游子流域相差数个数量级,可以忽略;从贡献比例来看,上游与中游是草地和林地占主导,下游则是农田、草地、林地贡献相当。
图3 1986—2015年研究区土壤侵蚀的现状量、转移量、调节量

Fig.3 Current amount, transfer amount, and adjusting amount of soil erosion in the study area during 1986-2015

(3) COD含量
图4是1986—2015年研究区COD含量的现状量、转移量、调节量。其中现状量是当前地表植被覆盖情形下的实际COD含量,转移量为没有地表植被情形下的COD含量,调节量是现状COD量与转移COD之差,是水生态系统的水质净化量。从图中可以看出,研究区水质净化量呈增大的趋势:1986—1995、1996—2005、2006—2015年平均调节COD总量分别为1.32亿kg/a、1.88亿kg/a、2.07亿kg/a;从空间分布来看,从上游到下游水质净化价值量呈增大的趋势;从贡献比例来看,水生态系统水质净化涉及农田、林地和草地贡献,其中草地贡献的比例最大,平均占80%。
图4 1986—2015年研究区的COD现状量、转移量、调节量

Fig.4 Current amount, transfer amount, and adjusting amount of COD in the study area during 1986-2015

3.2 水生态产品价值量

表2为研究区1986—2015年水生态系统的实物量及价值量核算表。图5为单项水生态产品(水资源供给、水资源存储、洪水调蓄、土壤保持、水质净化)价值量、组成及空间分布;图6是水生态产品总价值量、组成及空间分布。
表2 水生态产品实物量及价值核算

Tab.2 Physical quantity and value accounting of aquatic ecological products

核算科目 类别 核算内容 单位 1986—1995年 1996—2005年 2006—2015年
水资源供给 实物量 灌溉供水量 亿m3/a 10.00 12.50 15.45
城市供水量 亿m3/a 5.00 6.00 7.75
发电供水量 亿kWh/a 50.00 50.00 57.50
价值量 灌溉价值量 亿元/a 1.10 1.38 1.70
城市供水价值量 亿元/a 14.65 17.58 22.71
发电价值量 亿元/a 15.00 15.00 17.25
水资源存储 实物量
地表水存储量 亿m3/a 3.98 3.95 3.80
土壤水存储量 亿m3/a 16.36 24.66 30.22
地下水存储量 亿m3/a 24.66 22.02 24.47
价值量 水资源存储价值量 亿元/a 402.74 453.07 523.50
防洪调蓄 实物量 防洪库容 亿m3/a 15.91 15.91 15.91
价值量 防洪调蓄价值量 亿元/a 142.41 142.41 142.41
土壤保持 实物量 农田调节泥沙总量 亿kg/a 0.08 0.17 0.19
林地调节泥沙总量 亿kg/a 0.27 0.21 0.34
草地调节泥沙总量 亿kg/a 0.26 0.27 0.58
价值量 减少泥沙淤积价值量 万元/a 9.50 11.30 22.67
减少面源污染价值量(折合氮肥) 万元/a 38.66 41.83 70.99
减少面源污染价值量(折合钾肥) 万元/a 42.84 46.35 78.66
减少面源污染价值量(折合磷肥) 万元/a 891.42 964.49 1660.08
水质净化 实物量 农田净化COD总量 亿kg/a 0.10 0.18 0.20
林地净化COD总量 亿kg/a 0.38 0.39 0.27
草地净化COD总量 亿kg/a 0.84 1.31 1.60
价值量 水质净化价值量 亿元/a 28.82 41.04 45.19
水生态产品价值量总计 亿元/a 604.81 670.58 752.95
图5 研究区2006—2015年单项水生态产品价值量、组成及空间分布

Fig.5 Value, composition and spatial distribution of individual aquatic ecological products in the study area during 2006-2015

图6 研究区1986—2015年水生态产品总价值量、组成及空间分布

Fig.6 Total value, composition, and spatial distribution of all aquatic ecological products in the study area during 1986-2015

可以看出:
(1) 水资源供给价值量
研究区有5个大中型水库,其水资源供给价值量呈现增加趋势:1986—1995、1996—2015、2006—2015年每10年平均水资源供给价值量分别为30.75亿元/a、33.96亿元/a、41.66亿元/a。研究区水资源供给价值量主要由城市居民供水与发电贡献,农业灌溉所占比重较少。如2006—2015年的水资源供给价值量构成中,灌溉供水、城市供水、发电供水价值量分别为1.70亿元/a、22.71亿元/a、17.25亿元/a。水资源供给价值量的空间分布取决于水库的分布、规模及功能,其中刘家峡水库因居民供水及发电量规模大,其供给价值突出。
(2) 水资源存储价值量
研究区水资源存储总量和价值量呈现增加趋势:1986—1995、1996—2005、2006—2015年10年平均水资源存储量分别为45.00亿m3/a、50.63亿m3/a、58.49亿m3/a,平均水资源存储价值量分别为402.74亿元/a、453.07亿元/a、523.50亿元/a。从空间分布来看,水资源存储总量和价值量区域差异大,从西北到东南,从上游到下游,总体呈减少的趋势。研究区水资源存储价值量由土壤水、地表水及地下水贡献,其对贡献比例有如下趋势:地下水>土壤水>地表水,且从上游到下游,地下水的贡献比重增加,土壤水的贡献先增加后降低,地表水比重总体下降。
(3) 洪水调蓄价值量
研究区有5个大中型水库,库容为0.17~43.00亿m3。2015年洪水调蓄总价值量为142.41亿元/a,其中刘家峡水库所在子流域最高。水库建库后,一般防洪库容较少变化,其他年份的洪水调蓄价值量与基准年2015年视为不变。
(4) 土壤保持价值量
研究区土壤保持价值量呈增大的趋势:1986—1995、1996—2005、2006—2015年土壤保持价值量分别为0.09亿元/a、0.10亿元/a、0.18亿元/a。土壤保持价值包括减少泥沙淤积和减少面源污染,其中,减少面源污染占主导,减少泥沙淤积的贡献较小,占比不到2%。从空间分布来看,从西北到东南,从上游到下游减少泥沙淤积价值量呈增大的趋势。从贡献比例来看,上游和中游是草地和林地占主导,下游则是农田、草地、林地贡献相当。
(5) 水质净化价值量
湟水河流域水质净化价值量总体呈现增大趋势:1986—1995、1996—2005、2006—2015年水质净化价值量分别为28.82亿元/a、41.04亿元/a、45.19亿元/a。从空间分布来看,从西北到东南,从上游到下游水质净化价值量呈增大的趋势。水质净化由水生态系统涉及的农田、林地和草地贡献,其中草地贡献的比例最大,占比63.92%~77.29%。
(6) 价值总量
研究区水生态产品价值总量呈现增加趋势,1986—1995、1996—2015、2006—2015年多年平均水生态产品价值总量分别为604.81亿元/a、670.58亿元/a、752.95亿元/a,2006—2015年比1986—1995年增加了24.49%。研究区水生态产品价值量由水资源供给、水资源存储、洪水调蓄、土壤保持、水质净化贡献,其中水资源存储价值贡献占主导,占比66.59%~69.53%,水库防洪价值次之,占比18.91%~23.54%,水资源供给、土壤保持、水质净化价值贡献小,占比分别为5.08%~5.53%、0.02%、4.77%~6.12%;研究区无水利工程的子流域,水生态产品价值总量从西北到东南,从上游到下游呈减小的趋势,从70亿元/a减少到10亿元/a左右;中上游地区水生态产品价值量主要由水资源存储贡献,占比大于80%,下游主要由水质净化和水库供给、防洪调蓄贡献;由于水库的供水和洪水调蓄功能,水库对应的子流域价值量较高,如刘家峡水电站所在子流域水生态产品价值为160亿元/a~170亿元/a,其中洪水调蓄、供水贡献占比99%。

4 结论与讨论

本文选择黄河上游湟水河流域为典型流域,基于分布式水文、土壤生物地球化学、土壤侵蚀和水质等多过程耦合模拟、情景分析和社会经济调查等手段,核算了流域水生态产品价值量(水资源供给、水资源存量、土壤保持、洪水调蓄和水质净化),系统分析水生态产品组成及时空分布规律。结果表明:
(1) 水生态价值量计算的关键是准确计算水生态实物量。流域水循环多过程模拟可以模拟变化下垫面条件下的生态水文、生物地球化学变化响应能力,可为流域水生态产品价值评估提供尺度统一、时空分异、连续动态、分布式的水文、土壤保持、水质等实物量数据,较通常采用的基于少量观测数据和简单经验公式的方法,能有效反映水生态系统涉及的复杂的物质能量过程及时空格局,核算结果更能反映水生态系统的构成、格局和过程。
(2) 湟水河流域1986—1995年水生态产品总价值量为604.81亿元/a,近几十年来,由于研究区降水量增加、退耕还林还草以及流域生态治理恢复,水生态产品总价值量呈增加趋势,1996—2005、2006—2015年比1986—1995年分别增加了10.87%、24.49%。就各单项水生态产品贡献比重而言,水资源存储占主导,水库防洪价值、水资源供给、水质净化价值次之,土壤保持可忽略,各项所占比例分别为66.59%~69.53%、18.91%~23.54%、5.08%~5.53%、4.77%~6.12%、0.02%。其中水资源存储价值主要由土壤水、地下水存储贡献,地表水存储价值贡献不足10%,因此,在气候变化背景下,开展区域生态治理恢复和可持续利用,提升土壤水、地下水储水能力,是提高水生态产品价值量的关键。就空间分布而言,子流域水生态产品价值量从上游到下游通常呈减小趋势,由70亿元/a降为10亿元/a,个别子流域由于有水利工程,水生态产品价值量显著增加,如湟水河下游的刘家峡水库所在的子流域为160亿~170亿元/a,其洪水调蓄、供水价值占比达99%,因此,从子流域角度出发,充分考虑水生态产品空间分布以及水利工程特征,有针对性地进行水生态产品核算与水生态管理,是实现水生态产品价值的重要要求。
(3) 分布式生态水文模型可以定量描述流域生态水文生物地球化学动态变化过程。但分布式生态水文模型涉及的参数多,物理过程刻画复杂,模型本身存在模型不确定性、参数不确定性等问题,在实际使用过程中需要对模型复杂度、建模数据可获取性、模拟不确定性等多加考虑。
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