平原河网地区双向生态补偿机制与核算方法

刘 庄， 庄 巍， 晁建颖， 徐 斌， 何 斐， 范晓芬， 李维新*

1.生态环境部南京环境科学研究所， 江苏 南京 210042

2.钦覃环境工程有限公司， 上海 200232

生态补偿的概念自提出以来便受到学界和政府决策者的广泛关注，并迅速成为生态保护的主要经济手段之一[1]. 生态补偿通常是指在综合考虑生态保护成本的基础上，由生态保护受益者通过向生态保护者提供资金、物质或其他非物质利益等，弥补其成本支出以及其他相关损失的行为[2]，还有学者将“生态补偿”理解为“环境服务支付”(Payment for Environmental Services，PES)，是基于自愿协议下环境服务买卖双方的一种交易[3]. 生态补偿是控制污染的一种有效经济政策手段[4]，也是对行政管控的一种有益补充[5]. 国内外生态补偿的应用与研究主要集中于基础设施建设补偿[6-8]、矿产资源开发补偿[9]、森林和湿地保护[10-11]、生物多样性维护[12-13]、海洋环境保护[14]、流域水环境及生态保护[15-16]等领域，尤其流域上下游之间的生态补偿是最活跃的应用与研究领域之一. 从研究内容看，相关研究主要集中于生态补偿机制与生态补偿核算方法两个方面，其中，在生态补偿机制方面，大部分研究工作基于博弈理论的框架展开[17-18]，也有的应用微分对策模型[19-20]，补偿手段主要包括直接补偿[21]、排污税[22]、转移支付[2]等；相比生态补偿机制，生态补偿核算研究更为活跃，目前大部分生态补偿核算研究都是基于生态系统服务价值与成本理论[23]，具体又可以分为生态保护成本核算法[24-25]、生态服务价值核算法等[26-28]，除此以外，还有研究者基于跨界污染物通量[29]和排污权[30]开展流域生态补偿测算研究. 这些研究方法在上下游关系明晰、生态补偿方向明确的流域，大部分都能取得较好的结果.

对于常规的流域生态补偿机制，其补偿方向是明确的，一般是下游补偿上游，这对于上下游关系明确的畅流流域，操作相对容易[31]，但对于上下游关系模糊的平原河网地区，生态补偿实施相对困难. 平原河网地区，尤其是太湖流域，河道纵横交错，难以清晰界定上下游，加之地势平坦，河流流向不定，导致污染物的去向也不确定，在生态补偿实施过程中，常面临双向补偿的问题，与之配套的补偿费用核算与常规方法也有较大差异.

太湖流域面临的这些问题在其他平原河网地区也具有普遍性，平原河网地区大多经济发达且水污染问题突出. 因此，在太湖流域开展生态补偿研究，不仅具有现实意义，也有很高的学术价值. 基于此，该文以太湖流域为例，运用非线性规划的理论和方法，构建流域污染削减总成本最小化模型，计算并分析太湖流域江苏省、浙江省与上海市省际间生态补偿的金额与方向，探索平原河网地区生态补偿的机制与核算方法，以期为流域生态补偿机制的完善提供科学依据和指导.

1 研究区域概况与数据来源

1.1 研究区域概况

太湖流域属于典型的平原河网地区，周边工业密集，进入河网的污染负荷较大，是全国水污染最严重的地区之一[32]，近年来，工农业迅速发展导致的污染排放增加和水体富营养化等问题受到广泛关注[33]. 太湖流域河道水流往复不定，水文水质形势复杂多变，长期以来一直存在各行政区污染责任界定不清、污染事故和水质考核矛盾突出等问题[34-35]. 在跨界生态补偿机制的建立和实施等方面也面临补偿付出方与接受方不明确、补偿金额的核算缺乏依据等难题.

太湖流域主要涉及的上海、江苏和浙江3个省级行政区，都属于经济发达地区，各省(市)的污染排放强度都很大，很难确定污染的受损方，也很难界定生态保护的受益方. 常见的情景是某个区域在受到其他区域的污染损害时，其自身的排污也对其他区域造成损害，生态损害经常表现出双向的特征，迫切需要建立与之配套的双向生态补偿机制.

1.2 数据来源

研究数据主要来自太湖流域范围内江苏、浙江和上海3个省级行政区相关市县的社会经济统计年鉴、环境统计年鉴和节能减排工作方案，其中污染物削减成本等来自社会经济统计年鉴，污水排放量、污染物削减量等来自环境统计年鉴，污染物的行政指令配额数据来自“十三五”节能减排工作方案.

2 研究方法

根据太湖流域两省一市相关区域的污水排放量、污染物排放量以及污染物削减成本数据，运用非线性回归，构建太湖流域各区域的污染物削减成本函数；基于非线性规划的研究思路，根据太湖流域各区域的污染物削减成本函数，以流域污染物削减总成本最小为规划目标，构建非线性规划模型，求解流域污染物削减总成本最小时，太湖流域范围内江苏、浙江和上海相关地区内污染物削减量配额(简称“成本优化配额”)，运用污染物削减成本函数，分别计算成本优化配额与“行政指令配额”(由行政部门指定的各区域污染物削减配额)下各区域的污染物削减成本，根据二者之间的差额确定生态补偿的金额与方向.

2.1 双向生态补偿机制的建立

我国从“十一五”开始要求各级政府在“五年计划”中制定污染物总量削减目标，这些削减目标对应的削减额度是由国家和地方政府通过行政指令的方式下达，属于行政指令配额. 行政指令配额虽然制定过程相对简单，但不一定能够合理利用流域内的污染治理能力和资源，无法实现流域污染物削减总成本最小的目标，也不能充分调动各级地方政府开展污染削减和治理的积极性.

由于自然与社会经济条件的不同，导致流域内不同区域的污染物削减成本也会有差异，如果不同区域之间的水污染物削减配额能够在一定程度上相互转移，就会出现不同的污染物削减配额方案，每一个方案都对应着不同的流域污染物削减总成本，在一定的约束条件下，有可能求得一个污染物削减总成本最小的方案，即成本优化方案. 为实现流域污染削减总成本最小的目标，一些区域需要分担其他区域的配额，由此造成本区域成本上升，这需要通过生态补偿来予以弥补. 由于污染物削减成本会随着时间、区域和污染物类型的变化而改变，因此，这种生态补偿的方向是不固定的，既允许本区域补偿外区域，也允许外区域补偿本区域，形成一种双向生态补偿机制. 在这种机制下，生态补偿额度计算的核心问题可归结为在流域总体污染物削减成本最小的前提下，如何合理分配不同区域的削减配额，这是一个以污染物削减量为变量的单目标非线性规划问题，通过一定约束条件下非线性规划方程组的求解，可计算出成本优化配额，流域内各区域成本优化配额与行政指令配额之间的差异就是污染物削减配额的转移量，对应的削减成本差异就是生态补偿金额.

2.2 生态补偿核算方法

2.2.1流域污染物治理总成本最小化模型的构建

流域污染物治理总成本最小化模型的核心思想是通过合理分配不同行政区之间的污染物削减配额，使流域污染治理总成本最小化，由于不同行政区之间污染排放和治理设施建设情况的差异，其污染治理成本也有所不同，表现为每个行政区的污染物削减成本函数各不相同，基于此，运用单目标非线性规划方程组，以污染治理总成本最小为规划目标，可以构建污染物治理总成本最小化模型.

2.2.1.1模型的基本假定

流域污染物治理总成本最小化模型的构建基于以下假定：①流域内各区域具有独立的污染物削减成本函数；②水体中不同污染物的处理成本各不相同；③各地区污染物的污染处理能力具有一定弹性；④各地区工业和城市生活污水能够达标排放.

2.2.1.2流域污染物削减成本函数

通常认为，水污染物削减成本主要与污水处理量、污染物削减量相关，三者之间存在幂函数关系[36]，其关系可用式(1)表达：

Cij=αQiβPijγ

(1)

式中，Cij为i区域内j种污染物的削减成本，Qi为i区域内的污水处理量，Pij为i区域内j种污染物的削减量，α、β、γ为方程的参数.

污染物削减成本函数构建的关键是确定参数α、β和γ，由于式(1)是幂函数，需要通过非线性回归才能确定α、β和γ的值，基本思路是将式(1)两侧取对数，得到式(2)：

lnCij=lnα+βlnQi+γlnPij

(2)

式(2)是线性方程，应用多元线性回归和对数转换，即可以求得参数α、β和γ.

2.2.1.3流域污染物削减总成本最小化模型

流域污染物削减总成本等于流域内各区域所有类型污染物削减成本的总和，流域污染物削减总成本计算方法见式(3)：

(3)

式中，TC为流域污染物削减总成本，n为i区域内污染物的种类数，m为流域内区域的总数.

流域污染物削减成本最小化模型是以TC最小为优化目标〔见式(4)〕，并以一定约束集为约束条件的单目标非线性规划问题.

O=TCmin

(4)

式中，O为模型优化目标，TCmin为流域污染物削减总成本的最小值.

参考相关研究成果，流域污染物削减总成本最小化模型的约束条件设定为流域任何一个区域内任何一种污染物的削减量变化幅度不能超过30%[31]，即允许各区域在一定幅度范围内相互转移污染物削减配额，但转移幅度不能超过30%，具体为Pij×70%≤Pij≤Pij×130%(Pij为i区域内j种污染物的削减量).

根据流域污染物削减总成本最小化模型可以求得在流域总体污染物削减成本最小的情况下各区域污染削减的成本优化配额. 根据该配额方案，某一区域的污染物削减成本不一定最小，但全流域的污染物削减成本最小. 某一区域由于分担其他区域的污染削减配额而导致的污染物削减成本的增加，可以通过流域内的生态补偿予以弥补.

2.2.2生态补偿额度与方向的确定

流域内某个区域获得的生态补偿额度等于该区域污染物削减量行政指令配额对应的成本与成本优化配额对应成本的差额，具体表达见式(5).

(5)

式中：ECi为i区域获得的生态补偿；ACij为根据行政指令配额，i区域内j种污染物的削减成本总额；OCij为根据成本优化配额，i区域内j种污染物的削减成本总额. ECi的符号决定了生态补偿的方向，如果ECi值为正，代表i区域需要向外支付补偿；如果ECi值为负，代表i区域需要接受其他区域对它的补偿.

3 结果与讨论

3.1 太湖流域污染物削减成本函数的构建

太湖流域“十三五”污染物削减目标是以“十二五”末年(2015年)为基准，为此，根据太湖流域范围内江苏、浙江和上海相关地区“十二五”期间历年污染物削减量和削减费用，通过非线性回归得到式(1)中参数α、β、γ，从而构建太湖流域范围内江苏、浙江和上海相关地区的污染物削减成本函数(见表1).

表1 太湖流域两省一市水污染物削减成本函数

由于我国目前仅对COD和NH3-N两种水体污染物提出了总量控制和削减要求，因此，太湖流域污染物削减总成本最小化模型目前暂先考虑COD和NH3-N两个指标.

3.2 太湖流域污染物成本优化配额方案求解结果

根据太湖流域各省市的“十三五”节能减排工作方案，获得太湖流域范围内江苏、浙江和上海相关地区“十三五”期间污染物削减的行政指令配额，运用太湖流域污染物削减总成本最小化模型，求解出在流域总成本最小的情况下各区域的成本优化削减配额(见表2).

3.3 太湖流域污染削减成本最优化核算结果

根据污染物削减成本函数，可分别计算出太湖流域内各区域不同类型污染物的削减成本以及整个流域的总成本(见表3). 从表3可以看出，在行政指令配额下流域污染物削减总成本为 227 595.97×104元，而成本优化配额下为 217 698.94×104元，通过优化配额，整个太湖流域的污染物削减总成本降低了 9 897.03×104元. 由此可见，运用流域污染物削减总成本最小化模型对流域内各区域的污染削减配额进行优化，能够降低流域污染治理成本.

表2 太湖流域相关区域污染物行政指令削减配额与成本优化削减配额

3.4 太湖流域生态补偿费用核算结果

表3 太湖流域行政指令配额与成本优化配额的污染物削减成本对比

表4给出了太湖流域在行政指令配额和成本优化配额两种不同情形下污染物削减成本的差额，这些差额就是流域生态补偿金额的确定依据. 其中，正值代表某一区域行政指令配额的污染物削减成本高于成本优化配额成本，说明如果采用成本优化配额方案，该区域的污染物削减成本将有所降低，这是由于流域内其他区域分担了该区域的部分行政指令配额，为此，该区域应当向其他区域提供适当的生态补偿；反之，负值代表某一区域行政指令配额的污染物削减成本低于成本优化配额的成本，说明如果采用成本优化配额方案，该区域的污染物削减成本将有所升高，这是由于该区域主动分担了其他区域的部分行政指令配额，因此，该区域应当接受适当的生态补偿，生态补偿额度就是表4中的区域污染物削减成本总差额，其中正值代表向外补偿，负值代表接受补偿.

表4 太湖流域行政指令配额与成本优化配额的污染物削减成本差额

根据核算结果可以发现，就总体而言，太湖流域江苏相关地区需要向外提供生态补偿，因为在成本优化配额方案中，其总体污染物削减量低于行政指令配额，多余的削减配额由其他区域所分担，该区域理应对其他区域给予补偿；反之，浙江相关地区和上海相关地区，因总体上分担了江苏相关地区的削减配额，应该接受补偿. 从补偿额度上看，江苏需要向浙江和上海相关地区分别补偿 8 909.12×104和 1 668.74×104元，但实际上，采用成本优化配额方案后，江苏省相关地区比行政指令配额方案节省了 20 474.89×104元，节省成本与生态补偿额度之间存在 9 897.03×104元的差额，该差额即采用成本优化配额方案后整个太湖流域污染削减降低的总成本.

3.5 讨论

3.5.1双向生态补偿的适用条件

双向生态补偿机制一般适用于平原河网地区，首先，这类区域河流流向不定，污染物有可能在不同区域之间相互转移；其次，双向生态补偿机制更适用于经济发展水平接近的地区之间，由于经济发展水平接近，地区间污染物削减成本差异不大，各区域才可能有意愿开展双向补偿；再次，污染物的跨区域转移有一定限度，完全让成本最小的地区处理所有污染物，一方面不切实际，同时也会导致规划模型因缺乏有意义的约束条件而无解.

3.5.2研究方法改进和优化的空间

生态补偿政策的根本目的，除补偿以外，更重要的是激发相关方对生态保护的内在动力[37]. 该研究提出的双向生态补偿机制，除能够降低全流域污染削减总成本并在一定程度上弥补传统生态补偿机制在平原河网地区应用效果不佳的问题以外，如在原有基础上加以改进，还能够进一步激发地方管理部门对污染治理的积极性. 从表4可以看到，江苏省作为生态补偿的提供方，其提供的补偿额度实际上少于成本优化配额方案带给它的收益，与此同时，浙江省和上海市得到的生态补偿也仅刚好弥补其分担江苏省配额的成本，没有获得更多的额外收益. 为提高各地区削减和控制污染的积极性，可以考虑在不超过行政指令配额方案总成本的前提下，让补偿提供方提供更多的补偿额度. 参考发达国家和地区的经验，可以利用这些多征收的补偿金额来建立补偿基金[38-39]. 这些补偿基金一部分可以弥补配额分担地区多支出的成本，另一部分还可以作为额外奖励以进一步提高配额分担地区削减污染的积极性，还可以适当安排一部分作为流域环境保护基金，用于跨行政区环境保护项目的建设或其他用途.

在市场经济条件下，行政措施并不是最理想的调控机制，还可以考虑引入市场机制. 以上核算结果仅仅是理论计算的结果，在实际过程中还要考虑流域内各行政区的意愿，如果能够将双向生态补偿与排污权交易相结合，建立适当的竞价拍卖机制，让具有污染处理成本优势且处理能力富余的地区在市场上拍卖一定的污染处理额度，一方面可以解决其他地区污染处理能力不足或成本过高的问题; 另一方面，由于污染处理可以获得一定的收益，还可以刺激相关方研发污染物处理技术以及降低污染处理成本的动力.

4 结论

a) 通过合理调整各区域的污染削减配额，能够降低全流域污染物削减总成本. 由于自然与社会经济条件的不同，导致流域内不同区域间污染削减成本存在差异，通过流域层面的跨行政区水环境协同管理，能够充分优化资源配置，降低全流域污染物削减总成本.

b) 基于流域污染物治理总成本最小化模型的生态补偿方案是一个多方共赢的方案. 在流域污染物治理总成本最小化模型的基础上，根据成本优化配额方案分配污染物削减配额，虽然会导致部分地区削减成本提高，但这部分提高的成本可以通过生态补偿予以弥补，且由于流域总成本降低，即便加上生态补偿费用，补偿支出方的成本依然低于行政配额下的成本，实现了生态补偿支出方、收益方以及流域整体的三方共赢.