郭中伟 李典谟 于丹

提　要　根据植被类型、坡度和土壤类型，分析了兴山县集水区内不同植被地块调节水量的能力。并且根据水能学的原理，分析了枯水期和洪峰期葛洲坝水电站的发电量与水流量的关系，建立了水流发电模拟模型。在上述分析的基础上，评估了兴山县境内生态系统调节香溪河等河流的水量，改善长江全年来水的均匀度，提高葛洲坝水电站发电效率的经济价值。

关键词　生态系统 水量调节 价值评估

分　类　中图法 Q147

　　生物资源的经济评价提供了一种了解其使用价值构成和价值形成的有效方法。1989 年，Charles 等人在巴西对亚马孙热带雨林进行了经济价值评估，提出了该地区热带雨林的利用对策^[1]。Pearce 等人^[2]曾经讨论了生物资源经济价值评估的意义和方法，并且列举了一些热带雨林、湿地、台地和海洋系统的价值。McNeely 等人[3～7]分别报道了有关的研究工作。

　　兴山县位于湖北省的西部 (110°25'～111°06'E，31°03'～31°34'N)，东临宜昌市和三峡大坝，南接秭归县，北与神农架自然保护区交界，总面积为 2316km²。兴山县有 94万hm² 森林，森林覆盖率为 43.9%。长江上游一些支流，如香溪河和凉台河的集水区就分布在该县境内。这些河流的流量与集水区内生态系统调节水量的能力有着密切关系。由于这些河流最后都进入长江，所以，其流量的变化将影响到长江的水量。随着三峡工程的建设，周围地区的生态系统将不可避免地受到影响。如何保护和恢复这些生态系统，就成为我们必须面对的重要问题。对这些生态系统的价值进行经济评价正是实现保护和恢复的基础步骤。

1 生态系统的经济价值

　　生态系统能够为人类提供多重的利益，因而我们可以将其看作是一种自然资源。通常，人们利用的是生物资源的直接和间接利用价值。以森林为例，其直接利用价值包括了果实、木材和其它林产品所提供的价值，间接利用价值主要是它所提供生态服务的价值。在长江上游各个支流的集水区内，生态系统所提供的最为重要的生态服务就是调节河流量和保持水土。在本研究中，我们对以森林为主体的生态系统调节河流量的经济价值进行评估。

　　生态系统调节河流量的特点是其效益的异地实现，即以河流为“通道”，在空间上转移，在转移过程中逐渐形成可利用价值，最终在集水区以外、具备一定外部条件的“价值实现地”，如水电站，产生经济效益。针对这一特点，我们采取过程—效益的评估方法，定量分析可利用价值形成和效益实现的过程，在此基础上，评价生态系统调节河流量的经济价值。

2 森林调节河流量的过程分析与定量

　　集水区内生态系统涵养了来自大气层的水分，调整了流出该区域的水流量：在雨季，使水流量相对减少，而在旱季又相对增加。在兴山县，主要的植被类型是森林。森林调节水量的功能主要包括 3 个部分：树冠截留 (l)；枯枝落叶层含水 (U) 和土壤含水 (S)^[8]，并通过地表径流 (W₁) 与地下径流 (W₂) 的生成和树冠与地面的蒸散，形成森林—水资源系统的产流过程。森林在洪水期和枯水期调节水量的能力分别为：

W _洪 =l＋U＋S　　　　　　　　　　(1)

W _枯 =τW₂　　　　　　　　　　　　(2)

这里：τ为地下径流的流出系数 (0

WR=α(W _洪＋W _枯 )　　　　　　　　　(3)

这里：α为调节系数，它反映了植被年内实际调节的水量与其调节水量能力之间的关系，它与年内降水次数和每次降水量有关。

　　关于林冠和地面的蒸散，在非降水产流期间，由土壤含水量 S₀ 的初值来表明；在降水产流期间则把蒸散作用合并到林冠截留中，不再另行考虑^[9]。

　　我们利用地理信息系统的工具，根据不同类型植被、土壤和坡度的组合将兴山县划分为 90 种类型共 6184 块地块（表 1），对不同植被、土壤和坡度类型下，系统调节水量的能力分别进行分析。

表 1　兴山县境内地块的类型
Table 1 The types of polygons in Xingshan County

注：○——面积小于 50km²；★——面积 50～100km²；☆——面积大于 100km²。

　　兴山县地跨中亚热带常绿阔叶林和北亚热带常绿、落叶阔叶林两个林带。根据温远光等^[10]的方法，结合实地调查，得知：在该区域“林地＋黄棕壤＋坡度小于 15°”的地块对降水的树冠一次截留量为 0.87mm，枯枝落叶层最大持水量为 5.97mm，土壤含水量为 101.6mm。根据公式 (1)，则综合调节能力为 108.45mm。另外根据实地调查，该区域不同植被、土壤和坡度的调节水量能力系数如表 2 所示。

表 2　不同类型植被、土壤和坡度持水能力比较
Table 2 Comparison of water-holding capacity of different types of vegetation, soils and slopes

　　以不同土壤和坡度类型的能力系数，对前面所得的“林地＋黄棕壤＋坡度小于 15°”地块调节水量的量值进行修正，我们可以确定不同类型地块的综合调节水量能力（图 1）。以第 20 种类型地块（疏林＋黄壤＋坡度 15°～25°）为例：

图 1 地块调节水量的能力
Fig.1 Flow capacity repacity regulation capacity of polygons

综合调节水量能力 ( 地块 ₂₀)=0.71×0.98×0.57×108.45=43.01mm

根据公式 (3)，则平均年实际调节水量为：

年实际调节水量 ( 地块 ₂₀)=α(43.01＋28.62τ)=263.87mm(α=4.2,τ=0.7)

根据下式：

生态系统多年平均调节水量 = 平均年实际调节水量（地块 _i）×地块面积 _i

可计算出枯水期（当年 12 月至来年 4 月）和洪水期（6～9 月）生态系统调节的水量（表 3）。兴山的生态系统调节河流量的价值以香溪河和凉台河为“通道”进入长江，再以长江为“通道”到达其“效益实现地”，在本研究中为葛洲坝水电站。

表 3　兴山县生态系统调节水量的生态服务
Table 3 Forest ecosystem's services in flow regulation in Xingshan County

3 森林调节河流量的效益分析与模拟

　　葛洲坝水电站地处长江上游和中游的联接处宜昌段，是我国目前运行的最大水电站，它的年平均发电量为 157亿kW·h。保障和提高葛洲坝水电站运行效益对整个国民经济具有十分重要的意义。我们通过测度集水区内的生态系统每年在枯水期、洪水期对水量的调节作用和由此提高葛洲坝水电站发电量所产生的效益来评估生态系统调节水量的经济价值。

　　水电站的出力大小取决于年水流量大小，水量年内分配对调节流量的影响和对水头的影响^[11]，这些因素都与上游的生态系统调节河流量的能力有关。由于水电站设计水头是一定的，水流量过大或过小都将导致发电量的减少。葛洲坝水电站发电量与水流量的关系如图 2 所示。从图 2 可见，过大或过小的水流量都不利于葛洲坝水电站的出力。张伯海等^[12]根据宜昌水文站 1882～1990 年共 109 年逐日平均流量系列进行频率统计计算，结果表明：年发电量大小不决定于年来水量，主要决定于来水量年内分配的均匀程度。基于这一原理，我们对位于兴山境内集水区内生态系统调节长江径流量的功效进行判定。

图 2 葛洲坝水电站的出力与水流量的关系
Fig.2 The relationship between flow and the power of Gezhouba hydroelectric station

　　根据湖北省水文总站提供的数据，香溪河水流量与宜昌（葛洲坝水电站址）段长江的水流量保持着一种基本同步变化的关系（图 3），即当香溪河处于枯水期时，葛洲坝水电站上游的水流量最小；当香溪河水流量处于洪水期时，该水电站上游水流量最大。这表明：通过香溪河集水区内生态系统调节水量的功能，在枯水期增加水量，在洪水期减少水量，就可以使长江水量发生同样的变化，而导致长江水量在年内分配更均匀，进而使得葛洲坝水电站从中受益，提高发电效率。

图 3 长江与香溪河的流量比较
Fig.3 Comparison between the flows of the Yangtze River and Xiangxi River

　　我们建立关于葛洲坝水电站的流量与出力的模拟模型：

当 Q

当 Q≥18000 时，　　　　N=0.00000022Q2－0.054Q＋3638.4　　　　　(5)

这里：Q 是流量 (m³/s)；N 是出力 (kW)。

　　利用式 (4)、式 (5) 计算：在枯水期，每增加 1m3/s 的流量可增加葛洲坝水电站 0.17kW 出力；在洪水期，每减少 1m3/s 的流量可增加 0.04kW 出力。据此，我们可以算出兴山县集水区内生态系统调节水量所增加的葛洲坝水电站的发电量（表 3）。

4 生态系统调节河流量的经济价值评估

　　基于“若水电站上游全年来水量更加均衡，就能够提高其发电量而增加经济效益”这一原理。我们对兴山县以森林为主体的生态系统调节水量，促使长江全年水流量分配更均匀所产生的经济价值进行评估。

　　因为生态系统提供的调节水量的公益效能无法进行市场交换，我们通过电价，间接获得其市场价格。根据文献 13，实际平均售电价的水电上网价为 0.061 元/kW·h，影子价格的水电上网价格为 0.225 元/kW·h。为了客观反映水电的价值，这里使用影子价格，即 0.225 元/kW·h。根据关系式：生态系统调节水量的经济价值 = 调节水量增加的发电量×电价，计算出以货币表示的兴山境内生态系统调节水量，提高葛洲坝水电站发电效益的经济价值（表 3）。

5 结论

　　(1) 生态系统的间接利用价值是具有经济价值的。兴山县以森林为主体的生态系统调节水量的价值为 885 万元/a。而该县 1994 年林业总产值为 3093 万元，其全部是森林直接利用价值所提供的经济价值。调节水量仅仅是生态系统间接利用价值的一部分。随着三峡工程的建成与运行，长江上游的生态系统调节水量的价值将会进一步增大。生物资源提供给人类的利益是多样化的，许多间接利用价值远远大于直接利用价值，注重对间接利用价值的使用更有利于生物资源的持续利用。

　　(2) 经济价值评价使我们可以对生物资源的价值构成有更深层的认识，为建立生态补偿机制提供依据。以本研究为例，生态系统调节水量的价值是在距兴山县 100 余公里的葛洲坝水电站实现的，由于缺少有效的生态补偿机制，当地居民无法从中获得利益，从而影响到他们对包括森林在内的生态资源持续利用的积极性。过程—效益评价法把对生物资源经济价值评价定量化和客观化，依据试验和实地调查的数据，系统地分析了价值形成的过程，有利于回答“谁是受益者，受益多少”这一关键问题。这就为实现对资源直接占有者或维护者的生态补偿提供了定量化的依据，为实现资源共享奠定了基础。

参考文献

1	Charles M Peters, G H Alwyn, M O Robert. Valuation of an Amazonian rainforest. Nature, 1989,339(29)：655～656
2	Pearce D, D Moran. The Economic Value of Biodiversity. Cambridge: IUCN, 1994
3	McNeely J A. Economic incentives for conserving biodiversity: lessons for Africa. Ambio, 1993,22(2～3)：144～150
4	Cacha M D M. Starting resource acounting in protected areas. In: Mohan Munasinghe et al. Protected Area Economics and Policy. Cambridge: IUCN, 1994
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9	徐嵩龄．森林—水资源系统的理论分析．自然资源学报，1988,3(4)：335～347
10	温远光，刘世荣．我国主要森林生态系统类型降水截留规律的数量分析．林业科学，1995，31(4)：289～298
11	电力工业部成都勘探设计院．水能设计．北京：电力工业出版社，1981
12	张伯海，张亚文．葛洲坝水电厂增发电量成效显著．见：中国水利学会等主编．葛洲坝水利枢纽论文集．北京：水利电力出版社，1994,34～40
13	王梅地．从葛洲坝工程的运行实践谈水电工程的效益．见：中国水利学会等主编．葛洲坝水利枢纽论文集．北京：水利电力出版社，1994,8～34

第一作者简介

郭中伟，男，1959 年出生，博士，副研究员。研究方向为系统生态学。所参加的研究项目曾分别获“中国科学院科学技术进步一等奖”和“中国科学院科学技术进步三等奖”。已发表 20 余篇论文，代表作包括：“生态工程中食物链的环分析”；“污水资源化生态工程的最优控制”；“生物资源的多目标最佳持续利用”；“Strategy of Sustainable Use of Biological Resources”和“生物多样性信息系统的设计”等。