基于水量分配的流域生态补偿研究*——以小清河流域为例

耿翔燕，葛颜祥

(山东农业大学经济管理学院，泰安 271018)

0 引言

随着我国经济、人口的快速增长，水资源需求量逐渐增多，流域上下游间的用水矛盾日益突出，流域断流现象频繁发生。因水资源短缺造成的流域水环境恶化已成为制约经济社会和谐发展的重要瓶颈[1]，流域水资源量的合理划分迫在眉睫。十八届三中全会强调要有序推进重要江河的水量分配工作，加快水的生态文明建设。实践中，黄河、石羊河、黑河、晋江、太湖等流域的水量分配工作相继开展。

流域水量分配应兼顾生态与经济、公平与效率。流域水资源的科学划分对优化水资源配置、协调流域各区域间的利益关系具有重要作用。近年来，学者们围绕着流域水量分配做了大量研究，并取得了一定成果。李荣昉[2]通过综合考虑河道内外的生态需水，进而确定了流域各断面的最小需水量； 付意成[3]基于合作博弈理论，从流域用水部门利益最大化角度，建立了永定河的水量分配模型； 吕雁琴[4]、张升东[5]等在流域水资源总量的基础上，分别利用层次分析法、模糊优选法等构建水量分配体系，通过权重或优属度确定流域各区域的应分水量。现有研究多停留在流域水量“分多少”层面，对于后续的“怎么分”及“分完如何保障”等问题较少涉及。此外，现有的水量分配多为行政调控，无偿为流域下游供水，忽略了上游对水量维持的保护贡献，且没有考虑各区域实际使用中的行为差异，抑制了水量维护行为，导致水量短缺与浪费并存。

生态补偿作为当前重要的环境保护手段，在保障用水者权益、缓解流域生态经济矛盾等方面发挥重要作用。目前国内外学者多考虑流域生态补偿中的水质好坏[6-8]，对水量涉及较少。徐大伟[9]提出生态补偿中应顾及水资源的稀缺性，并根据水权和经济贡献率确定了区域的水量系数； 陈艳萍和周颖[10]利用区域取水量与分水量的差额，测算了黄河流域水量方面的补偿额。我国北方流域多为缺水型区域，对充足水量的需求比水质更为强烈。鉴于此，为进一步明确各区域的分水量及水资源利用上应承担的责任，文章拟从水量分配入手，以生态补偿为落脚点，设计一套较为完善的水资源配置与管理体系方案，确保流域水资源从分到用的顺利实施。以山东省小清河流域为研究对象，利用多元指标体系法对小清河流域可用水量进行初始分配，对流域水资源使用过程中的保护行为进行补偿、浪费破坏行为进行惩罚，以期理顺上下游水量间的生态利益关系，激励流域上游更好的保护水环境，为流域的可持续发展提供理论参考。

1 研究区域概况

小清河是山东省最大的内陆河，也是全国5条重要的国防战备河道之一。小清河源起济南泉群，干流河道长237km，支流众多，流域人口为1 123.10万人，流域面积达103.36万hm2，担负着山东省鲁中地区灌溉、防洪除涝、航运等多重功能。

小清河流域内的降水时空分布不均匀，年际变化大，丰枯水年的交替现象明显，是典型的水资源短缺型河流。近年来，随着用水需求的不断增长，小清河流域水资源短缺现象日益明显，严重影响了流域周边工农业的健康发展。据山东省环保厅统计， 2015年小清河24个省控断面中有3个处于断流状态，占监测断面的1/8。2016年山东省提出“十三五”末要实现小清河的全面复航，对小清河水量维持问题提出更高要求。因此小清河流域水量分配十分必要，是优化水资源配置、实现流域水资源高效利用的关键驱动因素。

2 研究方法和数据来源

2.1 水量分配模型的构建

流域水量分配问题涉及生态、经济社会等多个因素，以往按照人口、面积、生产总值、用水现状等单一的分配模式具有片面性，难以兼顾多方面的需求。指标体系法可同时涵盖流域的定性和定量信息，能够很好地体现各因素的重要程度，提高流域水量分配结果的科学性。该文利用混合的分配模式，在建立多元指标体系的基础上，确定各影响因素的权重，为小清河流域水量分配方案提供依据。

2.1.1 水量分配指标体系的建立

流域水量的分配应确保公平，同时兼顾效率和可持续性。小清河目前水质较差，流域用水主要作为周边的农业灌溉和航运。该文从小清河流域的整体利益角度出发，遵循数据材料易搜集、计算简便可操作、影响指标各自独立的前提条件，根据小清河的实际现状，结合当地工作者和专家学者的建议，经过反复筛选论证，最终选取10个主要影响因子从社会公平、经济效率和生态可持续3个维度进行小清河流域水量分配的指标体系构建(表1)。

表1 小清河流域水量分配指标体系

目标准则指标指标含义小清河流域水量分配A社会公平B1人口总量C1正向，表征区域人口数量多少农业有效灌溉面积C2正向，体现了农业用水公平现状用水量C3正向，体现了尊重现实用水需求经济效率B2人均GDPC4正向，表征经济水平，体现经济效益单位面积平均农业产值C5正向，表征农业用水效益万元GDP用水量C6负向，体现了产业结构间的用水效率工业万元增加值用水量C7负向，表征工业用水效率生态可持续B3生态河道治理长度C8正向，表征流域生态的保护程度万元GDP废水排放量C9负向，表征清洁生产的发展趋势植被覆盖率C10正向，表征水源涵养强度

2.1.2 指标权重确定

指标权重的大小直接影响流域的水量分配结果。通常指标在流域水量分配中的影响作用越大，相应的权重应越大。权重确定的本质就是对各指标的评价过程，分为主观赋权、客观赋权等多种方式。为减少指标权重确定过程中的主观性及客观赋权通用性差的缺陷，该文采用层次分析法与熵值法相结合的综合赋权方式，用AHP法确定主观权重、用信息熵技术确定客观权重，将两者结合，最终得到科学、客观的综合权重。

层次分析法(简称AHP)是用人的主观意识将问题层次化，以较少的定量信息反映问题的重要性，从而为多目标复杂问题提供简便的处理方法[11]。

熵值法是一种基于物理学的评价方法，用数据的离散程度衡量其对评价对象的影响[12]。假设水量分配中共有m个评价对象，n个评价指标。熵值法赋权的计算公式为：

(3)计算第j项指标的差异度。熵Ej与矩阵的差异度呈负相关关系，第j项指标差异度的计算公式为：Dj=1-Ej，j=1， 2， 3…n。

2.1.3 流域水量分配模型

Qi=FiQ

(1)

式(1)中，Qi为第i个区域应分得的水量;Fi为流域中第i区域各指标的综合评价值在流域中所占的最终权重;Q为流域可分配总水量。

2.2 水量生态补偿的核算

2.2.1 流域单位水量维持成本的测算

流域水量维持成本主要包括直接投入成本和机会成本两部分，其中直接投入成本是指为保障水量而进行各种生态建设、水环境保护等直接产生的费用，通常包括污水处理设施建设、植树造林、退耕还林、公益林建设、湿地建设、生态移民等的投入[13-14]，其中，退耕还林和公益林建设已列入国家补偿范围内，因此相关投入不计入核算范围； 机会成本是指为保证一定水量而放弃的经济收入和发展权[15]。流域水量维持的机会成本通常表现在第一产业方面的机会成本(AOC)和第二产业方面的机会成本(IOC)。其中第一产业的机会成本(AOC)损失可用种植收益减少的数额来表示，即：

(2)

式(2)中，Si为水源地因生态建设导致第i种种植作物减少的耕种面积(hm2)；Ii为第i种种植作物的单位面积平均收益(元)。

第二产业的机会成本损失(IOC)可用水源地生态保护前后的工业发展速度差异来表示[16]。选取同水源地生态保护前经济水平、地理位置、人口、产业结构等相似的对照区域，通过比较两者间第二产业增加值的差额进行确定。计算公式为：

(3)

(4)

其中，Mf为水源地地区的人口数量； e、f分别为对照区域和水源地当年的第二产业产值； e′、f′分别为对照区域和水源地保护前一年的第二产业产值；Me为对照区域当年的人口数；θ为调节系数，用水源地财政收入(R)与当年GDP的比值表示。

通过上述研究可知，流域单位水量维持成本的表达式为：

(5)

2.2.2 流域水量的生态补偿

水量分配是明确各区域的用水权，生态补偿则是落实用水权的真正价值。生态补偿的实施可明确流域水量分配中各方的责权利，保障水量分配工作的顺利开展。

基于水量的生态补偿可分为两个步骤进行：

首先，根据各区域的分水量对流域源头进行维持成本分摊。流域水量分配中流域上游无偿为下游供水，独自承担为维持一定水量所投入的资金和相关经济损失，存在区域间的不公平，用水下游可依据分水量的多少对上游进行补偿，从而激励流域上游保护的积极性；

其次，根据各区域的实际用水和出水情况，按照下泄水量“多奖少罚”的原则，对各区域的补偿金额进行调整。对实际用水小于所分配水量或通过其他环保措施(提高用水效率、外来引水等)增加区域内的流域径流量的进行奖励，对用水量超过分配水量的主体加大惩罚力度，抑制其过度用水行为，间接促进水资源利用效率的提高。为方便测算，流域各区域水量增加或减少值用其出境断面实际径流量与分水后理论径流量的差额表示。

最终，各区域基于水量分配的补偿额的表达式为：

(6)

(7)

式(6)(7)中，M0为水源地基于水量分配的最终补偿额；Mi为流域中第i区域基于水量分配的最终补偿额(除水源地外)；Qci为第i区域的实际出境水量；Qsi为第i区域的理论径流量； 其他符号意义同上。

2.3 数据来源

该文选取2016年作为研究的时间点，研究数据中的水量分配指标中除生态河道治理长度来自于山东省水利志小清河建设管理资料长编(2001～2005年)，剩余指标来源于山东省及各地市的统计年鉴，其中因资料不齐全，工业万元增加值用水量为各地市的数据，其他数据都是小清河干流流经区县的数据。小清河可分配水量来源于济南市水文局。

3 结果分析

3.1 小清河流域水量分配

3.1.1 可分配水量

流域水资源总量包括地表水和地下水两部分，由于两者之间存在相互补排、转化的因素，因此该文只考虑地表水。流域具有地理位置和资源禀赋的特殊性，上下游间的用水影响是单向不可逆的，因此流域分配的用水量应该是从上流流至下游的水，这样的水量分配才有意义。2016年小清河流域的可分配水量为3.46亿m3(小清河流域济南段流出的年均水量)，按照不同来水保证率(丰水年=25%，平水年=50%，枯水年=75%)的标准划分， 2016年属于枯水年，可分配水量低于济南段出境断面的多年平均径流量。在丰水年和平水年小清河流域的可分配水量会高于此值。

表2 AHP方法下小清河流域各指标的权重

准则权重指标权重AHP主观权重社会公平B10333人口总量C101630054农业有效灌溉面积C202970099现状用水量C305400180经济效率B20333人均GDPC401410047单位面积平均农业产值C501410047万元GDP用水量C604550152工业万元增加值用水量C702630087生态可持续B30333生态河道治理长度C804290143万元GDP废水排放量C904290143植被覆盖率C1001420048

表3 小清河流域水量分配指标综合权重

3.1.2 指标权重的确定

采用AHP法，邀请本领域的专家对小清河流域水量分配体系中的10个指标按照重要性程度进行两两打分，构造判断矩阵，计算各指标的主观权重，结果都通过了一致性检验(表2)。

将小清河各指标的数据进行标准化处理，其中万元GDP用水量、工业万元增加值用水和万元GDP废水排放量遵循负向变化越小越优的原则。其余指标为正向指标，遵循正向变化越大越优的原则。按照熵值法的计算步骤，利用Matlab 2016软件分别测算各指标的熵值、差异度和客观权重。最后通过对AHP法的主观权重进行修正，得到调整后的综合权重。结果如表3。

3.1.3 各区域水量分配数量

2016年济南黄桥台断面的年均径流量为3.46亿m3，根据该文的研究构建小清河流域水量分配模型和各指标综合权重，得到小清河流域从上至下各区域的水量分配比重和分配量(表4)。需要注意的是，该处应分水量是生态需水和生产、生活需水的总和。

3.2 小清河流域水量补偿

3.2.1 水量维持成本的确定

小清河水量维持成本可分为直接投入成本和间接机会成本两部分， 2016年的维持成本为3.86亿元，相关数据如表5。

表4 小清河下游各区域的应分水量

流域区域滨州邹平淄 博滨州博兴东 营潍 坊区域分水比例(%)21241899127527811922分水量(万m3)735003656884441118962053664942

表5 2016年小清河水量维持成本的数额

目标成本类型项目名称投资额(万元)小清河水量维持总成本直接投入成本雨污分流工程11250人工湿地建设84750植树造林31600修复柴庄节制闸5000小清河综合治理645000机会成本第一产业机会成本482400第二产业机会成本2597516 资料来源：小清河管理局和济南财政局整理所得

从表5中可知，上游济南为保证一定的下泄水量，进行了大量的工程建设，主要包括雨污分流工程、人工湿地建设、植树造林、修复柴庄节制闸、小清河综合治理工程等， 2016年的直接投入费用达7 776万元。其中，雨污分流、湿地建设、综合治理等工程类项目，由于建设期长，其投资额是根据总投资与作用年限计算得到。

小清河的机会成本总额为3.08亿元。第一产业机会成本是根据小清河水源地种植的小麦、玉米两种主要农作物的相关数据，结合式(2)计算得到。济南和青岛是山东省的两大城市，两者都属于经济发达地区，且产业结构、人口方面具相似性，因此第二产业机会成本的核算中，选取青岛作为参照地区具有一定的科学合理性。

水量维护主要包括济南段用水量和供给下游水量两部分。其中上游济南段对小清河的使用主要体现在农业灌溉用水和河道生态用水， 2016年小清河流域济南段的灌溉用水为4 832.10万m3，河道生态用水约占年均径流量的30%，为1.04亿m3。小清河流域济南段流出的年均水量为3.46亿m3，由此可计算得知小清河济南段维持的水量总计为4.98亿m3。

综上可根据式(5)计算得知，小清河单位水量维持成本为0.77元/m3。

3.2.2 基于水量的补偿额测算

各区域对流域源头的水量维持行为做出补偿，然后根据实际用水情况对区域做出进一步的奖惩，综合两方面结果，得到小清河流域内各行政区域的补偿金额。

(1)源头保护贡献的补偿量测算

该部分主要是依据各区域的分水量对流域上游进行补偿，分担上游的水量维护成本。根据表5中小清河流域滨州邹平、淄博、滨州博兴、东营和潍坊各自的分水量，结合单位水量维持成本，得到各区域分别需要向上游济南补偿5 659.52万元、5 058.01万元、3 396.61万元、7 407.81万元和5 120.05万元。为减少补偿过程中的交易成本，采用逐级补偿方式[17]由下游往上逐次递交补偿金额的具体结果如表6。

(2)各区域水量贡献的补偿额调整

按照分配水量对流域源头的保护行为进行补偿后，还要依据各区域的实际用水和节水情况进行相应调整。

生态径流量是河道的最低需水量，具有保护河流生物多样性、维持水沙平衡、水质净化等作用。若不能被保证，则说明该区域挤占、使用了过多的水，侵害了下游河道基本的生态安全，应该对下游造成的损失进行补偿。生态径流计算方法有多种，其中1976年由美国Don Tennant首次提出的基于流域年均天然流量计算的Tennant法应用简单、方便计算，常被作为生态径流的检验标准[18]。参照Tennant法的计算思路，该文采用断面径流量的30%作为基本的生态径流量。根据该文中区域的应分水量，去除生态径流量，各区域分配的生产生活可用水量从上到下分别为5 145.02万m3、4 598.19万m3、3 087.83万m3、6 734.37万m3、4 654.59万m3。假设可用分水量与使用量相等，根据2016年小清河流域从滨州到下游潍坊各交界断面的年径流量与理论径流量的差额，得到各区域基于实际用水的补偿调整情况。按照逐级补偿的方式，区域的补受偿额与其相邻的下游进行结算，可得到各区域的实际补受偿额。结果如表7。

从表7可知，除潍坊外，其他区域的实际径流量大于理论径流量，为其下游提供了充足用水，应受到下游的补偿。结合单位水量保护成本，按照逐级补偿方式，滨州邹平实际中因节约用水、外部调水等方式增加了下游可用水量，获得下游淄博额外的水量补偿2.59亿元。淄博因享受上游超量水量而额外支付2.59亿元、因出境径流量大于理论径流量获得下游东营3.09亿元的额外补偿额，综合补偿与支付的数额后因水量增加实际获得补偿5 080.60万元。由此可类推得到其他各区域基于水量维护贡献的补偿额。需要说明的是潍坊因超量用水造成了负外部性，需要向其下游进行补偿，因处于流域末端，是与省级政府进行结算。

(3)基于水量补偿额的综合测算

将基于流域源头贡献的补偿量与区域调整量进行综合叠加，按照逐级补偿的方式，根据式(6)(7)可以得出小清河流域各行政区域基于水量的补偿数额(表8)。

表6 流域源头保护贡献的补偿金额

用水区济南—滨州邹平滨州邹平—淄博淄博—滨州博兴滨州博兴—东营东营—潍坊各区域补偿额(万元)-565952-505801-339661-740781-512005逐级补偿数额(万元)-2664200-2098248-1592447-1252786-512005

表7 小清河下游各区域基于实际用水的补偿金额

表8 基于水量的流域生态补偿数额

从补偿结果中可以看出，按照逐级补偿制度设计，上游济南为下游提供了必要的生产、生活及生态用水，获得各区域按照分水比例的补偿，补偿金额为2.66亿元。去除上游行为对本区域补偿结果的影响后，滨州邹平、淄博因保护贡献突出获得补偿资金分别为2.59亿元和5 080.60万元，滨州博兴、东营和潍坊则因超量用水实际损失9 942.37万元、3 669.53万元和1.76亿元。

综合基于源头贡献的补偿额与水量增加的调整额，得到小清河各区域在水量分配方面的具体补偿额度。根据补偿结果可知，小清河流域水量分配后，上游济南因为下游提供了必要的水资源而获得了应有补偿，体现了公平性，有利于增强其对流域水资源保护的积极性，同时抑制了下游随意用水行为。滨州邹平段通过各种水量保护措施为下游提供了比应分水量更多的水资源，水量维护贡献大于其利用贡献，从而获得了下游补偿。淄博、滨州博兴、东营和潍坊则由于产水量少和用水过多等需要为各自的负外部性行为付出相应代价。

结合补偿结果，小清河流域在今后的发展过程中应在现有基础上，增强水量维护意识。特别是经济快速发展的下游区域应通过调整产业结构、增强节水技术等提高用水效率，减少用水量，促进小清河流域生态经济的健康发展。

基于水量的生态补偿综合考虑了分水后各区域的用水行为和水量保护行为贡献，明确了水量使用各方的权利与义务，体现了水资源的市场价值，有利于提高流域水资源利用效率的提高，促进流域水量分配工作的顺利开展。

4 结论与讨论

4.1 结论

(1)小清河流域属于水资源短缺型流域，上下游间的用水矛盾突出。制定水量分配方案，明确各区域的用水权利，可优化水资源配置。在此基础上，引入生态补偿机制，通过分水量和实际的水资源保护贡献计算各区域应获得或支付的补偿金额，弥补上游水源保护的发展权损失，解决上下游生态、经济利益间的冲突，实现流域用水公平与效率。

(2)研究结果表明，以2016年小清河上游的下泄水量为分配对象，结合区域的实际用水情况得到济南和滨州邹平因水量保护贡献突出获得补偿，淄博、滨州博兴、东营和潍坊则因用水贡献大于节水贡献，占用了其下游的用水权益，需要支付相应数额。

4.2 讨论

该研究实现了水量分配与生态补偿的相互融合，明确各区域水量使用权的同时，又利用生态补偿制度为水量分配的后续工作开展提供依据和保障。研究结果完善了水量分配体系和生态补偿内涵，为我国流域水资源管理和生态文明建设提供一种新视角，对实现流域水资源的高效配置与经济社会的可持续发展具有重要的推动作用。

但从研究结果中看，补偿数额较大，以目前纵向转移支付为主的补偿方式会给中央或上级政府带来财政压力。应加快推进实行流域上下游间的横向转移支付制度，让用水区域补偿供水区域，提高资金的使用效率。此外，水量分配方面还需进一步地完善，受可得数据的限制，该研究是以2016年上游出境水量为例对小清河流域进行水量分配，没有考虑到不同年份的干枯情况。今后应加快建立流域水量实时在线监控平台，及时评估流域未来的可分配水量，制定动态化的水量分配方案，为后续水量生态补偿的实施提供保障。

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