飞来峡水利枢纽社岗堤加固工程生态效益分析与定量计算

钟鸣辉, 凌耀忠

(1.广东省水利水电技术中心， 广州 510635；2.中水珠江规划勘测设计有限公司， 广州 510630)

1 概述

党的十九大指出建设生态文明是中华民族永续发展的千年大计，必须树立和践行绿水青山就是金山银山的理念，坚持节约资源保护环境基本国策，统筹山水林田湖草系统治理，实行最严格生态环境保护制度。水利工程作为山水林田湖草系统治理中重要组成部分，在建设过程中应贯彻生态设计理念，建设生态水利工程。但目前水利工程建设效益分析时，基本没有对工程生态措施进行定量分析；对工程建设采用的生态建设措施，只进行生态定性描述，没有定量分析计算。我国现行水利工程经济评价和水土保持技术规范对工程效益的评价，也没有对生态建设的生态效益定量计算作出明确规定。本文以飞来峡水利枢纽社岗防护堤除险加固工程为分析对象，对加固建设的各种生态建设措施的生态效益进行定量分析和计算，对堤防加固工程建成后的生态效益定量分析与评价进行探索。

2 工程概况

飞来峡水利枢纽位于广东省北江干流中游清远市飞来峡镇境内，是一宗以防洪为主，兼有航运、发电和水资源配置等多种效益的大(1)型水利工程，是北江中下游防洪体系的重要组成部分，水库总库容为19.04亿m3，枢纽主要由土坝、泄洪闸、电站、船闸、副坝和社岗堤等组成。社岗堤位于枢纽上游左岸，工程任务为防洪，设计洪水标准100年一遇，堤顶全长为3 610m，保护面积为41.4 km2，是飞来峡水利枢纽重要的组成部分。

社岗堤运行过程中堤后曾发生管涌险情，存在堤后沼泽化，部分堤身沉降及渗漏严重，部分堤段抗滑稳定不满足规范要求等安全隐患[1]，经鉴定，广东省水利厅审定为“三类堤(坝)”，2014年广东省发改委批准进行除险加固[2]，主要建设内容为：堤身和堤基防渗处理、加宽堤顶、培厚堤身、加固堤后压台、改造堤顶路面、路灯和信息化项目等，总投资1.22亿元，工程已于2016年7月全部完成，发挥了良好的社会效益和生态效益。

社岗堤加固工程从2014年立项开始，根据生态文明建设要求，提出了生态设计基本思路，要求在保证安全加固的基础上，贯彻系统设计、生态优先、节能减排、整体生态、因地制宜、文化融合等建设原则[3-4]，树立生态理念，建设生态水利工程。

3 生态效益涵义及其计算范围

3.1 生态效益基本涵义

生态效益是指人们在生产实践过程中依据生态平衡规律，使区域内的生态系统对人类的生产、生活条件及环境条件产生有益的影响和有利效果。从相关因素关系而言，生态效益指人类各项活动创造的经济价值与消耗的资源及产生的环境影响的比值。生态效益概念隐含着从生态与经济两个维度考虑环境问题，在两者之间做一个最佳的配置；在进行经济和其他活动时，在创造经济价值时，尽量减少资源消耗和对生态环境的冲击[5-7]。

水利工程生态效益一般是指工程覆盖区域范围内实施水利工程后与工程实施前，或者与同时期周边区域的生态系统相比较，所产生的有益的影响和有利效果。

3.2 工程生态效益计算范围

3.2.1水利工程主要生态效益指标

根据生态效益涵义和水利工程特性，水利工程生态效益定量计算涵盖工程覆盖区域范围内陆域、水域、水陆交错带生态系统。结合本工程加固方案，因社岗堤加固措施仅仅限于陆域生态系统，故本工程生态效益仅限于陆域生态系统。陆域生态系统生态效益指标主要包括的内容有：① 涵养水源：植被与土壤的涵养功能；② 保土防风：降低泥沙淤积、保护农作物与果树等；③ 调节气候：降温、增湿作用；④ 固碳释氧：固定CO2、释放O2；⑤ 净化大气环境：滞尘、吸收VOC与SO2等；⑥ 消除噪声：减弱、去除噪声；⑦ 生物多样性保护：生产力、物种保育、生态系统保育；⑧ 游憩：生态旅游价值[5-8]。

3.2.2社岗堤工程生态效益计算范围

社岗堤工程任务是防洪，主要建设内容为防渗加固、加宽堤顶、培厚堤身、堤后压台、防汛道路、堤防监测、水土保持等项目，工程建设不涉及水域生态系统、水陆交错带生态系统，因此其生态效益仅有陆域生态系统的效益。根据水利工程生态效益的含义，社岗堤工程生态效益计算范围主要指工程采取各种生态措施实施建设后所产生的生态效益，即本工程陆域生态系统中涵养水源、保土、调节气候、固碳释氧、净化大气环境等生态效益。由于工程是在原有堤防上加固，生态系统较简单，建设场址在乡镇，为公益性项目，因此对于消除噪声、生物多样性保护、游憩等生态效益，可略去不计。

4 社岗堤工程生态效益分析与定量计算

4.1 工程陆域生态系统生态效益分析

本工程陆域生态系统的生态效益主要有：涵养水源价值、保土价值、调节气候的降温价值、固碳释氧的维持碳氧平衡价值、净化大气环境价值等。根据工程加固前后相应生态措施的对比，其增量即为社岗堤加固后的生态效益。由于社岗堤加固前基本上只有堤坡部分的植草才具有相应生态价值，没有其它生态措施，为便于计算，对社岗堤加固后生态效益价值的计算，简化为工程加固后的生态措施中减去未加固前原有堤后坡的植草面积，其新增生态措施的生态价值基本等于工程加固后的生态效益价值，不再进行加固前后的生态效益计算，进而得出其增量价值。

4.2 生态绿化和水土保持面积计算

根据社岗堤生态绿化和水土保持等生态建设实施情况，将工程绿地面积分布纯种草和乔灌草部分，将本工程水土保持与生态绿化范围和面积即绿地面积计算见表1。

表1 社岗堤加固后水保与生态绿化绿地面积分类计算

4.3 涵养水源效益V1

采用替代工程法来评估社岗堤工程涵养水源的生态价值。假设存在一个蓄水功能与绿地涵养水源物质量相同的工程，而且该工程是可以计算的，那么该工程的价值就可以替代这个绿地的涵养水源价值[9]。

绿地涵养水源价值的计算公式为：

V1=L×V替(Q绿/Q替)

(1)

式中：

V1——绿地涵养水源效益；

Q绿——为某替代工程的水容量；

V替——替代水利工程的价值；

L——发展阶段系数，代表经济发展水平(我国现阶段近似为0.15)。

根据我国水库建设工程成本(0.67元/m3)，在不考虑支付意愿的前提下，上式可简化为：V1=0.67Q绿。

绿地涵养水源的物质量采用水量平衡法进行计算。绿地年平均降水量等于年均涵养水源总量和绿地年平均蒸发量之和。根据我国资源环境常用数据手册，我国森林绿地年蒸发量约占全年降水量的30%～80%，全国年平均蒸发量为56%。查本工程当地气象资料，清远市清城区多年平均降雨量为2 215 mm，多年平均蒸发量为1 500 mm，则社岗堤工程当地降水的67.7%通过蒸发消耗掉。因此，社岗堤绿地多年平均涵养水源的水量为：

2 215×(1-67.7%)×184 476.18=131 982.6 m3。

以同样具有蓄水功能的水库作为替代工程，根据式(1)，可计算出社岗堤绿地的涵养水源价值为：

V3=0.67Q=0.67×131 983=8.84万元/a。

4.4 保持土壤效益V2

这里主要考虑计算保持表土价值和减轻泥沙淤积价值两个方面内容。

1) 保持表土价值

采用机会成本法对社岗堤绿地的保持土壤价值进行评估。先计算社岗堤绿地的土壤保持物质量。社岗堤绿地土壤保持量根据工程所在地区的潜在土壤侵蚀量与现实侵蚀量之差进行评估。现实土壤侵蚀量是指当前地表覆盖情况下的土壤侵蚀量，潜在土壤侵蚀量则是没有地表土壤覆盖因素和土壤管理因素条件下可能产生的土壤侵蚀量。

社岗堤工程所在地土壤类型为红壤，查有关手册，红壤坡地上裸露荒地的年平均土壤侵蚀模数为5 193 t/(km2·a),林地、园地的年均土壤侵蚀模数为157 t/(km2·a),则社岗堤工程绿地土壤保持量为：

土壤保持量=(潜在土壤侵蚀模数-现实土壤侵蚀模数)×绿地面积=(5 193-157) ×184 476.18×10-6

=929.02 t/a

(2)

根据土壤保持量和土壤平均厚度0.8 m来计算因土壤侵蚀而造成的废弃土地面积,再用机会成本法计算因表土损失而失去的年经济价值。根据当地种植经济作物的年均收益4.5万元/hm2作为社岗堤绿地的机会成本。查手册得红壤的容重为1.19 t/m3,则可计算得出社岗堤绿地保持表土价值为：

V21=(929.02×4.5)/(0.8×1.19) =0.44万元/a。

2) 减轻泥沙淤积价值

采用替代工程法计算。根据资料,我国每建设1 m3库容的水库工程成本为0.67元。查得红壤土的容重为1.19 t/m3,根据上面计算社岗堤绿地土壤保持量,可计算得出社岗堤绿地减轻泥沙淤积的价值为:

V22=(929.02/1.19)×0.67=0.05万元/a。

则社岗堤绿地保持土壤效益为：

V2=0.44+0.05=0.49万元/a。

4.5 调节气候效益V3

绿地调节气候的功能主要表现为能够改善城镇的热岛效应，起到降温增湿的作用[6,10]。社岗堤位于清远市清城区飞来峡镇区范围，可参考城市的角度，采用替代工程法计算社岗堤绿地的降温增湿价值。

参考国内外研究测定的数值，每1 hm2绿地平均每天在夏季可以从环境中吸收81.8 MJ的热量[10]，相当于189台(约1.5匹)空调器全天工作的制冷效果。因此，可利用空调器作为绿地调节温度功能的替代物，以空调器降低同样温度的耗电费用作为绿地调节温度的价值。

设空调耗电量为0.86 kWh/(台·h),根据工程当地居民用电价格为0.65元/kWh,则可计算出1 hm2绿地每天调节温度的价值为：

189×(0.86×0.65)×24=2 535.6元/hm2。

根据当地气象条件，假设绿地发生调温效果每年按夏秋季4个月(即6—9月)，每月运行15 d，合计运行60 d计算，则可以算出社岗堤工程绿地调节温度(即调节气候)总效益为：

V3=18.45×2 535.6×60=280.7万元/a。

4.6 固碳释氧维持碳氧平衡效益V4

根据北京市园林科学研究所陈自新研究成果[11-12]，1 hm2绿地日吸收CO2和释放O2数量为分别为1.767 t/d，1.23 t/d；根据植物生长与光合作用原理，在下雨天气中，由于环境中水分达到饱和状态，植物叶片细胞吸水膨胀，导致叶片上的气孔关闭，因而光合作用的年总量时间需要扣除植物生长的雨天日数；查清远市气象局资料，社岗堤工程所在地多年平均日照时间为1 688 h，转换为有效日照天数为139 d；根据前面计算社岗堤工程绿地增量数量为18.5 hm2,将本工程绿地吸收二氧化碳CO2和释放氧气O2数量计算如下(见表2)。

表2 社岗堤绿地吸收CO2和释放O2量计算

1) 计算固碳价值V41

采用碳税法和造林成本法分别计算社岗堤绿地的固碳价值。

根据国际通用的瑞典碳税率[11-12]为150美元/t(C),按工程建设时2015年美元兑人民币的年平均汇率6.228，折合人民币为934.2元/t 。

我国平均造林成本为240.03元/m3,折合CO2价格为260.9元/t,折合C价格为956.63元/t 。

从表2计算可知，社岗堤绿地CO2固定量为4 543.6 t/a，根据CO2分子式容易计算绿地固碳量为：

4 543.6×12/(12+16×2)=1 239.2 t/a 。

① 根据瑞典碳税法计算的社岗堤绿地固碳价值为：

1 239.2×934.2=115.8万元/a 。

② 根据造林成本法计算社岗堤绿地固碳价值为：

1 239.2×956.63=118.5万元/a 。

可见，用上述2种方法计算结果基本相同。将上述2种方法计算值平均，得出社岗堤绿地每年固碳的生态价值V41为:

V41=(115.8+118.5)/2=117.2万元/a 。

2) 计算释氧价值V42

氧气的生态效益参照《中国生物多样性国情研究报告》[13]中引用的数据，工业生产氧气价格为400元/t；我国造林成本为240.03元/m3,折合CO2价格为260.9元/t,折合氧O价格358.74元/t。从表2可知，社岗堤多年平均释放氧气量为3 163.5 t/a,则：

① 根据工业制氧法可计算出社岗堤释氧生态价值为：

3 163.5×400=126.5万元/a 。

② 根据造林成本法计算出社岗堤绿地释氧生态价值为:

3 163.5×358.74=113.5万元/a 。

将上述两种方法计算值算术平均，得出社岗堤绿地释氧生态价值V42为：

V42=(126.5+113.5)/2=120万元/a 。

则社岗堤绿地的固碳释氧的价值为：

V4=V41+V42=117.2+120=237.2万元/a 。

4.7 净化大气环境效益V5

绿地净化大气环境功能价值主要体现在吸收有毒气体和滞尘降尘两个方面[12]。大气中有许多有毒气体，其中SO2有害气体数量最多、分布最广，危害也较大，如燃烧火力发电厂和汽车尾气排放中均有SO2。许多树木对有毒气体都具有一定程度的吸收作用，通过树木的树页吸收或树木体内代谢分解转化，从而降低大气有毒气体浓度。另一方面，绿地能降低大气中的粉尘量，主要通过绿地的树木降低风速使大气中粉尘降落，或通过树页吸附大气中粉尘，树体吸尘后经降雨淋洗滴落林地，从而形成滞尘能力；当然草地对粉尘也有吸附作用。

采用恢复费用法计算社岗堤绿地吸收SO2的生态价值以及滞尘降尘的生态价值。社岗堤绿地中，能产生这两种功能的绿地主要是2号副坝迹地改造形成的生态文化园和3号副坝上游岸坡、4处生态小景等具有乔灌林的绿地，其面积约为3.6 hm2。

1) 计算吸收SO2生态价值

根据中国环境出版社出版的《中国生物多样性国情研究报告》[13](1998年)有关资料，阔页林对SO2的平均吸收能力值为88.65 kg/(hm2·a)，针页林对SO2的平均吸收能力值为215.6 kg/(hm2·a)，松杉林对SO2的平均吸收能力值为117.6 kg/(hm2·a)，三者平均值为140.6 kg/(hm2·a)。

社岗堤有林绿地年吸收SO2的量为：

140.6×3.6=0.51 t/a 。

查有关资料，我国消减SO2的平均治理费用为600元/t 。

社岗堤有林绿地净化SO2的生态价值V51=0.51×600=0.031万元/a 。

2) 计算滞尘降尘生态价值

采用恢复费用法计算。考虑到树木和草地均对粉尘具有一定吸附作用，这里将社岗堤全部绿地面积考虑计算在内，从表1可知吸附面积为18.45 hm2。

根据国内有关研究资料，城市绿地每hm2每年的滞尘量平均为10.9 t/(hm2·a)，则可计算社岗堤绿地滞尘量为:10.9×18.45=201.10 t/a。

根据国内有关资料，消减尘土的平均单位治理成本为170元/t,则社岗堤绿地滞尘价值：V52=201.1×170=3.42万元/a。

社岗堤绿地净化大气环境效益：

V5=V51+V52=0.031+3.42=3.45万元/a。

从上述计算可知，社岗堤绿地对净化大气环境的效益不太明显，这也与社岗堤绿地面积不大，树林不够多，地域较空旷的实际相符。

4.8 社岗堤工程生态效益计算

由于水利工程生态效益主要是指工程覆盖区域范围内实施水利工程后与工程实施前相比较，所产生的有益的影响和有利效果。从上述分析可知，社岗堤除险加固工程建成后，每年可产生的生态效益主要包括：涵养水源效益V1、保持土壤效益V2、调节气候效益V3、固碳释氧维持碳氧平衡效益V4、净化大气环境效益V5共五方面，根据上述计算成果，可得社岗堤加固工程产生的生态效益(增量效益)为：

V1+V2+V3+V4+V5=8.84+0.49+280.7+237.5+3.45

=530.98万元(人民币)。

即社岗堤工程加固后，每年可产生的生态效益为530.98万元。

5 结语

本次对社岗堤加固工程生态效益量化分析，是对水利堤防工程生态效益定量化计算的一种尝试。根据社岗堤加固工程实际情况，本工程建成后的生态效益就是工程陆域生态系统的生态效益。分别采用替代工程法、机会成本法、碳税法、造林成本法、恢复费用法等对工程所体现的涵养水源、保持土壤、减轻泥沙淤积、固碳释氧、净化空气、滞尘降尘等生态效益进行了定量分析；鉴于本工程为原有堤防防渗和培厚加固等，工程建设没有涉及水域和水陆交错带，因而不必对水域生态系统生态效益和水陆交错带生态效益进行定量计算；如果涉及这两方面的生态效益的水利工程(如新建水库枢纽等)，那么其生态效益的分析与定量计算将更复杂。

从本工程所包含的各种生态效益量化分析可知，社岗堤工程建成后对调节气候的生态效益最大，其次是释氧固碳生态价值，而涵养水源、净化和保土等价值则较小。

从社岗堤工程加固建成后运行生态效果来看，本工程生态效益计算成果是符合社岗堤实际情况的。建成后的社岗堤工程，绿茵如盖、空气清新、环境优美，已成为当地居民休闲的好去处，每天都有附近城镇大量群众来社岗堤及其生态文化园休闲运动，是名符其实的生态水利工程、民生水利工程。