王雅譜， 鈔錦龍， 張鵬飛， 郝小梅， 胡磊

太原師范學院地理科學學院， 山西 晉中 030619

0 引言

流域生態(tài)補償是以流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的可持續(xù)利用為目的，綜合運用財政和市場等手段實現(xiàn)生態(tài)環(huán)境保護外部效應(yīng)內(nèi)部化的制度安排[1～6].補償方式作為流域生態(tài)補償?shù)闹匾M成要素，決定了受償者何時接受何種生態(tài)補償，補償期限以及如何獲得補償?shù)葍?nèi)容，直接影響到生態(tài)補償項目的被接受程度和實施效果.不同的流域單元和流域內(nèi)上、中、下游間資源稟賦差異較大，社會經(jīng)濟發(fā)展水平也不相同，差異化的需求決定了生態(tài)補償方式應(yīng)該因地制宜、因時制宜[7].目前，流域生態(tài)補償方式主要有貨幣補償、實物補償、政策補償、智力補償和產(chǎn)業(yè)補償?shù)葞追N方式以及這些方式的組合.

生態(tài)補償在國際上比較通用的概念是生態(tài)或環(huán)境服務(wù)付費(PES，Payment for Ecological/Environmental Services)，國外的生態(tài)補償是以生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能為基礎(chǔ)，通過經(jīng)濟手段，調(diào)整保護者與受益者在環(huán)境和生態(tài)方面利益關(guān)系的機制.美國的土地休耕計劃主要采取貨幣補償?shù)姆绞絹砉膭钸m量土地休耕以保持水土和保護環(huán)境[2]；紐約市的Catskill流域保護計劃中，對采用被政府認可行為的土地擁有者進行資助和技術(shù)援助，并對伐木工人進行培訓和教育[3]；哥斯達黎加的PSA(Pago por Services Ambientales)流域保護項目中，流域水資源使用者通過購買生態(tài)服務(wù)許可證來向流域上游的土地所有者支付費用[3]；哥倫比亞農(nóng)民成立水資源利用協(xié)會，集資保護上游流域生態(tài)環(huán)境[4]；厄瓜多爾、法國及玻利維亞通過向用水戶征收費用，建立信用基金等方式保護流域腹地生態(tài)環(huán)境，并為生態(tài)保護區(qū)農(nóng)戶提供教育、培訓和其他收入來源等[3～5].中國所實施的退耕還林(草)工程初期，政府向退耕農(nóng)戶提供貨幣補償和實物補償；且在流域生態(tài)補償方式中對不同區(qū)域也進行了多種補償方式的探索[8，9]；浙江省在金華江流域?qū)嵤爱惖亻_發(fā)”與水權(quán)交易相結(jié)合的生態(tài)補償方式[10]；江西省在梅江流域引入投資方在當?shù)亻_發(fā)臍橙園來獲得生態(tài)補償資金[11]；甘肅省張掖地區(qū)通過開放的水權(quán)交易市場，提高水資源的利用效率[12]；遼寧省寇河流域基于水環(huán)境容量和恢復成本相結(jié)合的方式提供生態(tài)補償計算標準[13]；山西省汾河流域?qū)嵤┖恿骺缃鐢嗝婵己伺c生態(tài)補償相結(jié)合的措施來進行生態(tài)補償費的收繳和發(fā)放[14，15].

汾河流域生態(tài)補償相關(guān)研究開始于2000年以后，經(jīng)過十幾年的探索與發(fā)展，形成了一些有價值的理論成果，從政治、經(jīng)濟、法律、社會等方面提出完善生態(tài)補償機制的措施和方案[16].但是，對于汾河流域生態(tài)補償?shù)难芯窟€一直停留在理論探討的層面，對區(qū)域量化分析并提出針對性建議的研究成果不多，具體的生態(tài)補償措施在汾河流域中的實際應(yīng)用也不多見.此外，山西省是國家資源型經(jīng)濟轉(zhuǎn)型綜合配套改革試驗區(qū)，汾河上游則為重點生態(tài)功能區(qū)，綠色可持續(xù)的生態(tài)補償機制可有效加快資源型經(jīng)濟的轉(zhuǎn)型發(fā)展.基于此，本研究擬利用汾河流域上游區(qū)域較豐富的風能資源，通過定量核算量化生態(tài)補償標準，擬為汾河流域生態(tài)補償方式提供參考.

1 研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

汾河發(fā)源于寧武縣管涔山，干流由北向南縱貫山西省中南部，匯入黃河，全長694 km.汾河流域面積39 471 km2，涉及忻州、呂梁、太原、晉中、臨汾、運城等6個地級市40多個縣(市、區(qū))，約占山西省國土面積的四分之一.汾河流域南北長，東西短，從橫向來看，流域東西兩側(cè)為地勢高峻的石質(zhì)山區(qū)，中間地帶被厚度不均的大面積黃土所覆蓋，丘陵起伏，地勢平緩；縱向來看，汾河流域地勢北高南低，從河源到入黃河口,高差1 302 m(圖1左).汾河流域?qū)儆跍貛Т箨懶约撅L氣候，冬冷夏熱，四季分明.汾河流域年平均風速在2 m/s～4 m/s，全年最大平均風速多出現(xiàn)在4月，最小出現(xiàn)在8月、9月，自北向南風速有逐漸減小的趨勢.汾河流域地勢起伏不平，風速受地形影響較大，海拔較高地形開闊的上游地區(qū)風速較大，地勢低洼處則靜風機會較多.

圖1 汾河流域及汾河上游示意圖
Fig.1 The Fenhe river vasin and the upstream of the Fenhe river

從汾河源頭寧武縣東寨鎮(zhèn)到太原蘭村以上為汾河上游，汾河上游面積為7 705 km2，涉及寧武縣、靜樂縣、嵐縣、婁煩縣、古交市五個縣級行政單元.流域地貌類型主要以山地和黃土丘陵為主，平均海拔約1 600 m(圖1右)；干旱少雨，日照充足，且風速較大.

汾河上游區(qū)內(nèi)煤、鐵、鋁土礦、石灰?guī)r等礦產(chǎn)資源儲量豐富，開采價值大.山西省六大煤田中的寧武煤田范圍涉及到寧武縣、靜樂縣、婁煩縣、嵐縣四縣，古交市境內(nèi)的煤炭資源屬于西山煤田.

1.2 數(shù)據(jù)來源

在中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn/)獲取汾河上游流域?qū)幬?、靜樂、嵐縣、婁煩、古交五個氣象觀測點，1981年～2016年累年日平均風速數(shù)據(jù).

2 研究方法

2.1 風能計算

通過風能公式計算風能資源，折算成風能資源開發(fā)過程中產(chǎn)生的直接經(jīng)濟價值和潛在的生態(tài)價值，估算汾河上游地區(qū)的風能資源的開發(fā)價值.風能資源主要根據(jù)有效風速的大小和風能轉(zhuǎn)化為風力機的機械能來進行估算，有效風速通常以風力機在3 m/s的風速下啟動為依據(jù).參考耿寬宏先生[17]在我國沙區(qū)的風能資源中，援引文切爾、法捷耶夫[18]風力在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用一文中風能An的計算公式

其中，ρ為空氣密度，V為風速(米/秒)，F(xiàn)為葉輪旋轉(zhuǎn)面積，ξ為風能利用系數(shù)，取ξ為0.3.然后經(jīng)過單位轉(zhuǎn)換，用功率P表示為

其中，P為風的功率(kW)，ε為風能利用系數(shù)，取ε為0.3，D為葉輪旋轉(zhuǎn)面直徑，經(jīng)過實地調(diào)查，汾河上游現(xiàn)有風力發(fā)電機機翼長度為45.3 m，取D=90 m (TMT-40.3葉片)，V為風速(m/s).

2.2 可開發(fā)風電面積確定

利用Arcgis 10.2軟件對汾河上游流域五個觀測點的年平均風速進行克里金插值，繪制汾河上游流域年平均風速等值線圖，提取風速≥3 m/s的區(qū)域，并與汾河上游流域2015年土地利用現(xiàn)狀類型進行疊加分析，提取該區(qū)域內(nèi)的草地和未利用地.根據(jù)風力發(fā)電場設(shè)計技術(shù)規(guī)范和實地調(diào)研，計算單臺風力發(fā)電機的占地面積，除去草地和未利用地中面積小于這一面積的地塊，將剩余部分作為安裝風力發(fā)電機的主要場所.

3 結(jié)果與分析

3.1 汾河上游可開發(fā)風電面積

基于1981年～2016年汾河上游流域?qū)幬?、靜樂、嵐縣、婁煩、古交五個氣象觀測點累年日平均風速數(shù)據(jù).用Arcgis 10.2軟件進行克里金插值，繪制出汾河上游年平均風速等值線圖，如圖2所示.此外，通過統(tǒng)計各個觀測站點多年風速大于3 m/s的天數(shù)，汾河上游流域的五個縣(市)累年日平均風速在3 m/s以上的天數(shù)寧武縣最多，為332 d.

在此基礎(chǔ)上，將年平均風速≥3 m/s區(qū)域與2015年汾河上游土地利用現(xiàn)狀圖進行Identity疊加分析，提取該區(qū)域內(nèi)的草地和未利用地，作為安裝風力發(fā)電機的主要土地利用類型，用Arcgis 10.2軟件的面積計算功能對草地和未利用地面積進行計算，獲得汾河上游流域可以作為風力發(fā)電機安裝場地的總面積為93 845 hm2，如圖3所示.

3.2 汾河上游年風電發(fā)電量及生態(tài)價值核算

近年來，汾河一庫入庫年徑流量的減少引起了很多學者的關(guān)注[19～24].雖然目前還沒有確切證據(jù)證明采煤和河流徑流量減少的關(guān)系，但是用清潔能源替代傳統(tǒng)能源能夠消除資源開發(fā)對水資源破壞的風險.根據(jù)風力發(fā)電場設(shè)計技術(shù)規(guī)范(DL/T 2383-2007)[25]，風力發(fā)電機組按照矩陣布置，行必須垂直主導風向，同行風力發(fā)電機組之間距離不小于3D(D為葉輪旋轉(zhuǎn)面直徑，下同)，行與行之間距離不小于5D，各列風力發(fā)電機組之間交錯布置，應(yīng)避開基本農(nóng)田、林地、民居、電力線路、天然氣管道等限制用地的區(qū)域.經(jīng)過計算，每臺風力發(fā)電機的最小占地面積為19.44 hm2，為方便計算，以每臺風力發(fā)電機占20 hm2土地來進行估算.結(jié)合汾河上游可作為風力發(fā)電機安裝場地的總面積為93 845 hm2，計算出理論上汾河上游流域風力發(fā)電機的最大容量為4 692臺.依據(jù)風能計算公式，一臺直徑90 m的風力發(fā)電機每年可發(fā)電量為79.82×104kW· h.依據(jù)汾河上游各行政區(qū)域分布情況，可核算出總發(fā)電量為37.45億 kW·h，區(qū)域各發(fā)電量見表1.

圖2 汾河上游流域年平均風速分布圖Fig.2 The distribution of annual average wind speed in upstream area of Fenhe river圖3 汾河上游流域可用于風力發(fā)電地塊的空間分布Fig.3 Spatial distribution of blocks where can be installed wind power turbine in upstream area of Fenhe river

根據(jù)山西省2004年《山西省煤炭開采對水資源的破壞影響及評價》[26]報告，山西省每開釆1 t煤直接破壞水資源2.48 m3.按2015年中國火力發(fā)電供電煤耗率320 g/(kW·h)左右計算，每臺風力發(fā)電機可以減少原煤開采255.41 t，可以減少水資源破壞量886.76 m3.根據(jù)Sathyajith Mathew的研究[27]，與煤電相比，風電場每產(chǎn)生1 000 kW·h電量，能夠減排CO2830 kg、NOx2.1 kg、SO20.6 kg和0.1 kg顆粒物，經(jīng)過初步測算，汾河上游利用風力發(fā)電每年可以減少CO2310.84×104t、SO22 200 t、NOx7 900 t.同時參照我國《排污費征收使用管理條例》中規(guī)定的CO2、SO2、NOx排污費征收標準及計算方法，《山西省水資源費征收標準》中規(guī)定的山西省采礦排水收費標準，對4 692臺風力發(fā)電機每年的經(jīng)濟價值和生態(tài)價值進行估算，得出利用風電可減少CO2、SO2等溫室氣體排放，具有較高的經(jīng)濟效益和生態(tài)效益(表1).

利用風能資源進行發(fā)電，能夠減少汾河上游流域的煤炭開采量，降低其水文地質(zhì)環(huán)境破壞的風險，減少CO2、SO2、NOx和煙塵等的排放，具有很高的生態(tài)效益和經(jīng)濟效益價值.汾河上游流域利用風力發(fā)電每年能夠保護地下水416.07×104t，相當于汾河水庫每年引黃水量的10.84 %.同時風力發(fā)電項目不需要開采和運輸煤炭，也避免煤炭開采過程中植被破壞、土地破壞、粉塵污染、煤矸石污染等等一系列的生態(tài)問題，在考慮環(huán)境成本的情況下，風力發(fā)電相比于傳統(tǒng)的火力發(fā)電更有優(yōu)勢.

3.3 基于風能資源汾河流域生態(tài)補償方式探究

汾河干流由東北向西南貫穿灌區(qū)全境.受益面積約占全省水地面積的近十分之一，是山西省最大的自流灌區(qū)之一.除農(nóng)業(yè)灌溉外，汾河同時還擔負著向太原第一、第二熱電廠、太鋼、清徐縣東西湖、交城工業(yè)園區(qū)工業(yè)用水和太原汾河公園、森林公園等公益事業(yè)供水任務(wù)，為省城和晉中、呂梁等地工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)做出了巨大貢獻.因此，保護汾河上游生態(tài)環(huán)境，由資源開采、植被破壞等傳統(tǒng)發(fā)展模式轉(zhuǎn)變?yōu)榛趨^(qū)域清潔能源開發(fā)利用的可持續(xù)發(fā)展模式成為汾河整個流域可持續(xù)發(fā)展的必由之路.

利用汾河上游流域的風能資源進行生態(tài)補償，從資源利用的角度來看，用風能這種清潔能源來替代火力發(fā)電，節(jié)約了煤炭資源，減少地下水破壞和煤炭使用過程中CO2、SO2、NOx等溫室氣體的排放，理論上每年可以為汾河上游流域產(chǎn)生3.63億元的經(jīng)濟價值.同時可以避免煤炭開采過程中植被破壞、土地破壞、水污染、空氣污染等環(huán)境問題，降低水文環(huán)境和地質(zhì)環(huán)境破壞的風險，具有較高的生態(tài)效益；從生態(tài)補償?shù)慕嵌葋砜?，利用風力發(fā)電項目進行生態(tài)補償，有助于解決流域生態(tài)補償資金來源單一、持續(xù)性差等問題，是一種可取的生態(tài)補償方式.從現(xiàn)在汾河上游風力發(fā)電項目實施情況來看，投資主體是風電企業(yè)和當?shù)卣L電企業(yè)負責前期的投資，接受當?shù)卣畬τ陲L電價格的補貼，風電有償并入國家電網(wǎng)，以此來進行成本回收.

表1 汾河上游流域每年風力發(fā)電價值估算Tab.1 Estimation of annual wind power generation in the upstream area of the Fenhe river

注：煤炭價格150 元/t(2015年)，原煤折標煤系數(shù)0.71，燃燒一噸標煤釋放2 620千克CO2，8.5千克 SO2，7.4千克NOx.

根據(jù)以上研究結(jié)果，利用汾河上游風能資源開發(fā)年綜合生態(tài)價值可達3.63億元，可有效緩解區(qū)域生態(tài)環(huán)境惡化的威脅，提高汾河流域生態(tài)功能.作為受益的中下游流域政府及相關(guān)利益主體應(yīng)按照這一標準對上游進行補償，但在補償過程中具體補償方式也應(yīng)針對不同的利益主體區(qū)別對待：

(1)對于當?shù)胤诤由嫌尉用駚碚f，風力發(fā)電項目技術(shù)性強，相對獨立，無法為當?shù)鼐用裉峁┚蜆I(yè)崗位，風電直接并入國家電網(wǎng)，為當?shù)貏?chuàng)造的直接經(jīng)濟價值也不大，傳統(tǒng)煤炭資源停止開采，會給當?shù)鼐用竦氖杖牒途蜆I(yè)帶來不利影響，使其成為風力發(fā)電生態(tài)補償?shù)睦媸軗p方，如果政府不給予當?shù)鼐用褚欢ǖ难a償，很容易造成生態(tài)貧民，進而有可能威脅到生態(tài)補償?shù)某晒?因此對上游地區(qū)居民應(yīng)進行貨幣補償和就業(yè)技能培訓，提高上游地區(qū)居民保護生態(tài)環(huán)境的意識和能力，降低生態(tài)破壞風險.

(2)上游政府的利益也在風能資源開發(fā)生態(tài)補償中受到損失，傳統(tǒng)煤炭資源開采帶來的經(jīng)濟收益縮減，煤炭資源稅費中抽取的用于生態(tài)環(huán)境保護的費用也會減少，仍然面臨環(huán)境保護的任務(wù)，而且當?shù)卣€需要負擔風電企業(yè)的電價補償和居民生態(tài)補償，經(jīng)濟壓力較大，上級政府應(yīng)當加強對當?shù)氐目v向財政轉(zhuǎn)移支付，緩解汾河上游政府的生態(tài)補償財政壓力.

(3)風力發(fā)電投資企業(yè)作為汾河上游生態(tài)補償項目的投資主體，保護了汾河上游流域環(huán)境，改善了汾河的水質(zhì)和水量狀況.因此，中下游流域使用汾河水資源縣市和企業(yè)應(yīng)該對上游風電項目進行資金補償.

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

(1)汾河上游流域可用作風力發(fā)電場地的面積共計93 845 hm2.結(jié)合實地調(diào)研和風力發(fā)電場設(shè)計技術(shù)規(guī)范，計算出汾河上游流域風力發(fā)電機最大容量為4 692臺，按現(xiàn)有風機發(fā)電效率，汾河上游每年風力發(fā)電理論可發(fā)電量為37.45×108kW·h.

(2)按照2012年中國火力發(fā)電供電煤耗率為320 g/(kW·h)計算，風能發(fā)電能夠節(jié)約汾河上游的煤炭資源量167.77×104t；每年能夠保護地下水416.07×104t；每年可以減少CO2310.84×104t、SO22 200 t、NOx7 900 t，理論上每年可以為汾河上游流域產(chǎn)生3.63 億元的經(jīng)濟價值.

(3)汾河流域中、下游的汾河水資源使用者應(yīng)納入上游風電項目生態(tài)補償?shù)难a償者范圍，同時需要加強對汾河上游流域的財政轉(zhuǎn)移支付，以及對當?shù)鼐用襁M行貨幣補償和智力補償或多種補償方式相結(jié)合，從而建立起汾河上游流域基于風能資源開發(fā)利用的生態(tài)補償方式.但在補償過程中也應(yīng)對不同的利益主體(上游居民、上游政府及風電企業(yè))區(qū)別對待.

4.2 討論

目前，汾河上游五個縣市都已經(jīng)開始了風力發(fā)電項目的建設(shè)，投資主體是風電企業(yè)，風力發(fā)電項目產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟價值和生態(tài)效益，為汾河上游乃至整個流域都提供了額外的生態(tài)服務(wù)價值，環(huán)境保護的正外部性外溢，需要通過一定的制度安排使這種外部效應(yīng)內(nèi)部化，協(xié)調(diào)生態(tài)環(huán)境保護者與受益者的利益分配關(guān)系，維護社會的公平正義和流域生態(tài)安全.

風力發(fā)電企業(yè)作為汾河上游生態(tài)補償項目的投資主體，保護了汾河上游流域環(huán)境，降低了汾河水資源破壞的風險，向汾河流域中下游流域提供更多優(yōu)質(zhì)的流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，流域中下游使用汾河水資源的縣(市、區(qū))和企業(yè)應(yīng)該對上游的風電項目進行資金補償.

對于汾河上游的居民，由于風力發(fā)電項目建設(shè)周期短、技術(shù)性強，無法為當?shù)鼐用裉峁┚蜆I(yè)崗位；風力發(fā)電接入國家電網(wǎng)，所創(chuàng)造的經(jīng)濟價值幾乎沒有惠及當?shù)氐木用?流域上游的居民是流域生態(tài)環(huán)境保護的直接實施者和原動力，而在實際中往往面臨生態(tài)環(huán)境保護與提高生活水平的兩難選擇，在汾河上游基于風能資源開發(fā)的生態(tài)補償項目中，應(yīng)該重視流域上游居民在生態(tài)環(huán)境保護中的重要地位，建議在生態(tài)補償過程中要對上游居民進行貨幣補償和就業(yè)技能培訓，提高他們保護生態(tài)環(huán)境的意識和能力，避免生態(tài)破壞的風險.

汾河上游流域用風能資源替代傳統(tǒng)煤炭資源，犧牲當?shù)亟?jīng)濟發(fā)展的機會成本的同時還要保護流域的生態(tài)環(huán)境，面臨經(jīng)濟壓力較大，建議上級政府加強對汾河上游地區(qū)的縱向財政轉(zhuǎn)移支付，以減輕當?shù)卣慕?jīng)濟壓力.

將風能等清潔能源產(chǎn)業(yè)作為汾河流域生態(tài)補償方式，可以實現(xiàn)流域經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展，促進區(qū)域資源型經(jīng)濟轉(zhuǎn)型，但需要注意的是單一的風電項目產(chǎn)業(yè)補償，不能使風電企業(yè)產(chǎn)生的環(huán)境正外部性內(nèi)部化，容易造成搭便車現(xiàn)象而破壞生態(tài)補償相關(guān)方之間的利益平衡.