基于水循环模拟的水生态产品价值量核算——以黄河上游湟水河流域为例

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基于水循环模拟的水生态产品价值量核算 ——以黄河上游湟水河流域为例

刘 玉 1，翟晓燕 2，张永勇 3*，李 淼4，刘晓洁 3

( 1. 中国科学院空天信息创新研究院，北京 100101；2. 中国水利水电科学研究院，水利部防洪抗旱减灾

工程技术研究中心，北京 100038；3. 中国科学院地理科学与资源研究所，陆地水循环

及地表过程重点实验室，北京 100101；4. 水利部发展研究中心，北京 100038)

摘 要：水生态产品实物量计算是水生态产品价值量核算及价值实现的基础 。为客观反映水生态产品价值量与水 循环过程的联系，论文以黄河上游湟水河流域为例，采用流域水循环多过程模拟、情景分析和社会经济调查等手 段，核算了 1986—2015 年水生态产品(水资源供给、水资源存量、土壤保持、洪水调蓄、水质净化)实物量及其价值， 系统分析了水生态产品价值量组成及时空分布规律 。结果表明：湟水河流域 1986— 1995 年水生态产品总价值量 为 604.81 亿元/a，1996—2005、2006—2015 年分别增加了 10.87%、24.49% 。水生态产品价值主要由水资源存储贡 献(占比 66.59%~69.53%)，水库防洪价值 、水资源供给 、水质净化价值次之(分别占比 18.91%~23.54% 、5.08%~ 5.53%、4.77%~6.12%)，土壤保持贡献最小(占比约0.02%) 。从上游到下游子流域水生态产品价值量通常呈减小趋 势，个别子流域由于有水利工程，水生态产品价值量明显增加。研究可为黄河上游流域水生态系统管理提供可靠的 理论和技术支撑。

关 键 词：水循环模拟；水生态产品；价值核算；湟水河流域

生态产品价值核算是生态系统生产总值(gross ecosystem product，GEP)价值实现的基础，是生态系 统保护成效评估的重要手段，也是支撑生态文明制 度体系建设的关键[1] 。 自 20 世纪末学者认识到生 态系统的价值开始[2-3]，国际上开展了一系列生态产 品价值核算研究 。例如联合国启动“千年生态系统 评估”国际合作项目、2012 年联合国统计委员会批准 的“环境经济核算体系(SEEA)中心框架”[4]、2014 年发 布的“环境经济核算体系：试验性生态系统核算 (SEEA-EEA) ”[5]、2021 年通过的“环境经济统计与生 态统计体系 ”(SEEA-EA)全新统计框架[6]等 。 目前， 超过 30 个国家正在试验性地编制生态系统价值核 算标准 。生态产品价值核算研究成为当前生态经

济学的前沿领域，以及各国政府关注的热点。

中国生态产品价值核算研究起步虽然较晚，但 近年来单项生态系统服务、综合类生态产品核算、 地方实践等方面开展了大量尝试 。例如针对森林、 湿地、草地、荒漠、海洋、农田、城市等生态系统，开 展了一系列生态系统服务功能研究，并形成了多个 单类生态系统服务功能评估规范和方法[7- 8] 。在此 基础上，相继发布了综合类生态系统 GEP 核算的技 术指南和标准，如生态环境部综合司发布的《陆地 生态系统生产总值(GEP)核算技术指南》[9] 。在现行 的陆地生态系统产品价值核算框架下，各地政府积 极开展实践，如深圳搭建了“1+3 ”GEP 核算制度体 系[10]、浙江湖州建成县域 GEP 核算决策支持系统[11]、

收稿日期：2023-05-06；修订日期：2023-08-21。

基金项目：国家重点研发计划课题(2021YFC3201102) 。[Foundation: National Key Research and Development Program of Chi- na, No. 2021YFC3201102. ]

第一作者简介：刘玉(1982— )，女，四川资阳人，副研究员，主要从事流域水文水资源研究 。E-mail: liuyu@aircas.ac.cn *通信作者简介：张永勇(1981— )，男，湖北京山人，研究员，博士，主要从事流域水循环多过程模拟研究。

E-mail: zhangyy003@igsnrr.ac.cn

德清县建立“数字两山 ”GEP 核算决策支持平台[12]， 并初步形成了一些地方性的生态产品价值核算规 范和方法[13] 。因此，现行的陆地生态系统产品价值 核算框架主要针对区域生态系统特征，分生态类型 开展科学的单项生态产品的经济价值核算[14]。

水是生态之基，是支撑地球生命系统的重要基 础 。 目前，针对陆地水生态系统的河流、水库、湖 泊、湿地 4 种单项生态类型，已开展了大量服务功能 及价值核算的探索 。其中河流生态系统服务价值 的研究重点关注河流生态系统服务的内涵及指标、 水电开发及水利工程对河流生态系统服务功能的 价值影响等[15- 16] 。湖泊生态系统服务价值主要侧重 于水生态系统平衡、水功能分区、湖泊生态服务受 益者分析及生态生产函数构建等[17-20] 。水库生态系 统服务价值的评估主要围绕水库调度的生态系统 服务价值评估、净化空气的服务功能等方面[21] 。湿 地生态系统服务价值的评估，通常聚焦于涵养水源 功能价值、净化功能价值等方面[22-24] 。在整个水生 态系统价值量估算方面，也有一些探索 。如赵同谦 等[25]建立了由生活和工农业供水、水力发电、内陆 航运、水产品生产、休闲娱乐组成的 5 个直接使用价 值指标，以及调蓄洪水、河流输沙、蓄积水分、保持 土壤、净化水质、固定碳、维持生物多样性组成的 7 个间接使用价值指标，构成了水生态系统服务功能 评价指标体系 。陈默等[26] 通过相关文献统计筛选 出 3 大类 14 项指标，建立了水生态系统生产总值核 算体系，评估了向家坝水电站建设对水生态系统生 产总值的影响 。但目前大多数研究主要采用少量 观测数据和简单经验公式针对水生态系统的各类 功能进行独立评估[27-29]，忽视了各功能之间的水循 环联系机制，核算结果的数据笼统、人为性强，难以 体现水生态系统涉及的、复杂的物质能量过程及时 空格局，严重制约水生态产品价值在生态系统管理 与决策中的应用。

本文选用黄河上游湟水河流域为例，在明确水 生态产品内涵的基础上，以水循环多过程模拟为基 础，定量描述水生态系统涉及的生态水文和生物地 球化学动态变化过程；结合情景分析、社会经济调 查等手段，开展水生态产品价值量(水资源供给、水 资源存量、土壤保持、洪水调蓄、水质净化)核算，系 统分析水生态产品组成及时空分布规律 。本文可 为黄河上游流域水生态系统管理提供可靠的理论

和技术支撑，也对黄河流域水生态保护和可持续利 用等具有重要的现实意义。

1 研究区域与数据

1.1 研究区概况

本文选取湟水河及其联系的黄河干流相关子 流域为对象开展研究(图 1) 。湟水河是黄河上游最 大的一级支流，是黄河主要来水源之一，也是青海 省经济文化的发祥地和兰州市城市用水的主要水 源 。湟水河主要由湟水干流及其支流大通河组成， 总流域面积为 3.29万 km2 。湟水干流发源于达坂山 南坡的青海省海晏县，于甘肃省永靖县上车村流入 黄河，全长 374 km。

湟水河流域地形复杂多样，冰川、河谷平原、黄 土丘陵、石质高山交错分布，植被类型有高山草甸、 山地草原、天然次生林、高山高寒灌木林、人工林 等 。流域属干旱和半干旱农牧林气候区，多年平均 降水量约 500 mm，70%的降水量集中在6—9 月，年 平均气温 0.6~7.9 ℃ , 蒸发量 1100~ 1800 mm 。湟水 河流域多年平均水资源量为 20.7 亿 m3，其中人均和 亩均耕地水资源量分别为 663 m3 和 472 m3，仅为全 国水平的 1/3 和 1/4，为典型的重度缺水地区 。为保 障供水、防洪和发电等需要，流域已修建大量调蓄 工程、引水工程和水电工程等，现状水资源利用率 已达 60%，已超过世界公认的 40%合理极限值，河 流水生态环境破坏，水土流失、干流短时断流、水污 染严重，是典型的水生态问题突出区域 。 因此，开 展研究区水生态产品价值量核算，可为湟水河流域 水生态保护和水资源可持续利用提供重要的决策 依据，为重度缺水、水生态问题突出区域的水生态 产品价值量核算提供参考。

1.2 数据来源与处理

本文涉及的数据主要包括实物量数据和价格 数据 。其中，实物量数据主要为构建分布式流域水 循环系统模型(HEQM)所需数据(模型详见2.3)，具体 为：90 m分辨率的数字高程、1 ∶25 万河网水系、7 期 30 m 分辨率的土地利用(1980、1990、1995、2000、 2005、2010、2015 年)等地理信息数据，以及 1960— 2018 年流域及周边 40 个站点气温、8 个站点降水及 2 个水文站(民和、亨堂)径流量的日观测水文气象数 据序列数据 。其中，水库、径流观测数据资料来源 于中华人民共和国水利部印发的《黄河流域水文年

图 1 研究区位置及水文站、土地利用、高程、子流域及主要水库分布

Fig.1 Location and hydrologic stations, land use, elevation and sub-basins and main reservoir distribution of the study area

鉴》，气象数据来源于国家气象局、自然资源部 。各 类价格数据是根据统计年鉴、全国水价网及其他文 献整理获得。

2 水生态产品的内涵及核算方法

2.1 水生态产品的内涵

水生态系统是陆地生态系统的组成部分，水生 态产品符合产品和生态产品的一般特征，是生态产

品的重要组成部分 。参考国内外相关研究[9- 14,27-29]，

水生态产品的内涵可以理解为：① 产品对象 。水生 态产品涉及地表水、地下水、土壤水 。考虑到研究 区实际情况，本文中的地表水为河流、湖泊、水库， 不涉及沼泽 。水利工程是水生态产品供给的重要 依托，是提高水生态产品供给能力的重要支撑和保 障 。修建水利工程，能控制水流，防止洪涝灾害，并 进行水量的调节和分配，以满足人民生活和生产用 水需求 。② 产品属性 。产品是用于满足人们使用 和消费为目的，或具有潜在的使用价值，具有价值

的物品和服务，具有在市场中流通交易的可能和基 础 。水生态产品是人类生存和发展不可或缺的特 殊产品，可通过水生态保护与修复，提高水生态产 品的生产能力 。③ 产品功能 。根据《陆地生态系统 生产总值(GEP)核算技术指南》[9]，陆地生态系统生 产总值核算指标体系由物质产品、调节服务和文化 服务三大类构成，其中调节和文化两大类可以合并 为服务功能 。与之对应，水生态产品由物质供给及 服务功能两大类构成 。其中，物质供应是直接提供 产品维持人的生活、生产活动；服务功能包括水资 源存储、土壤保持、洪水调蓄、水质净化等。

2.2 水生态产品核算方法

本文基于 HEQM模型，模拟流域不同下垫面条 件下的水文、土壤侵蚀和水质等过程；然后采用数 值模拟、情景分析等手段，进行水资源存储、土壤保 持、水质净化的实物量评估，并结合社会经济统计 资料，开展水资源供给、水资源存储、洪水调蓄、土 壤保持、水质净化的价值评估，最终完成水生态产 品总价值量核算。

为了分析研究区水生态产品时间变化规律，本 文模拟了 30 年(1986—2015 年)的水文、土壤侵蚀和 水质过程 。考虑到水文过程具有较强的随机性，因 此 实 物 量 采 用 多 年 平 均 ，即 评 估 时 段 为 1986— 1995、1996—2005、2006—2015 年 的 10 年 平 均 状 态 。为了方便比较不同时期的水生态产品价值，考 虑到土地利用数据、气象水文数据匹配的问题，本文 以2015年为基准，其他年份价格均采用 GDP 平减系 数折算至 2015 年，即设置 2015 年价格为不变价格。

( 1) 水资源供给价值量核算

水资源的供给价值在于水生态系统为人类生 活用水、农业灌溉用水以及发电等为人类发展持续 提供水资源量，可运用替代市场法计算，即

式中：V供给 为水资源供给价值量(亿元/a)；Q供给 为 供给的实物量，考虑到数据可得性，本文采用典型 大中型水利工程的农业灌溉 Q灌溉 、居民供水 Q居民 ， 以及发电供水量 Q发电 三者来表达水资源供给量， 该项数据由社会统计资料获得；c市场价 为定价参数， 其中 c灌溉水价 参考青海的农业灌溉用水价格，取 0.11 元/m3, c居民水价 采取最大水费承受指数计算(公式为： 水资源价格上限P=最大水费承受指数A ×人均可支 配收入 E/人均用水量 C-单位供水成本及正常利润 D) 。 其 中 ，2015 年 青 海 的 人 均 可 支 配 收 入 为 15812.70 元，人均用水量 455 m3，城镇居民生活人均 日用水量 85 L/d 。2015 年青海西宁市居民用水终 端单价 2.65 元/t，根据研究区评估时期人均可支配 收入 、用水量 、水价等社会经济资料 ，可以推求 2015、2005、1995 年的水资源价格上限分别为 2.93、 3.22、2.60 元/m3；c电价 参考国内平均价格和青海省 上网电价，取 0.3 元/kWh。

(2) 水资源存储价值量核算

水资源存储的价值在于水生态系统是天然的 容器，起到存储、补充和调节水资源的作用 。本文 运用替代成本法进行计算，即

V存储 =Q存储 ×c水库 (2) 式中：V存储 为水资源存储价值量(亿元/a)；Q存储 为总 的产水量减去水资源供给量(m3/a)，其中总的产水量 是降水形成的地表径流、土壤产水、地下径流总量， 本文采用已率定好的流域水循环系统模型 HEQM 进行计算 。水资源供给量由式(1)计算得出 。 c水库

为水库建设成本单价，根据《森林生态系统服务功 能评估规范》[7]，2005 年水库建设成本是 6.11 元/m3, 根据 GDP 平减系数，折算为 2015 年价格 8.95 元/m3。

(3) 洪水调蓄价值量核算

洪水调蓄价值主要表现在蓄积洪峰水量，削减 并滞后洪峰，缓解汛期洪峰造成的威胁和损失的经 济价值 。本文运用替代成本法进行核算。

V洪水 =

Q洪水,i ×c水库 (3)

式中：V洪水 为洪水调蓄价值(元/a)；Q洪水,i 为第 i个子 流域洪水调蓄量(m3/a) 。 由于国内大多数水库较少 公开发布调蓄量数据，为了计算方便，本文参考《陆 地生态系统生产总值(GEP)核算技术指南》[9]，以总 库容的 35%为水库防洪库容 。另外，大中型水库建 库后，一般防洪库容较少变化，因此，本文仅计算基 准年洪水调蓄价值。

研究区有 5 个大中型水库，即黑泉水库、东大滩 水库 、盘道水库 、南门峡水库 、刘家峡水库(图 1)。 其中黑泉水库位于子流域 S4，每年可向西宁市供 水 1.35 亿 m3，年发电量达 5000 多万 kWh 。南门峡 水库位于子流域 S10，是互助县最大的一座拦河式 中型水库，保障水库下游南门峡镇 14 个村 5.2 万亩 的灌溉和互助县城约 10 万人的饮水安全 。盘道水 库位于子流域 S8，主要任务是解决生态环境建设 用水及农田灌溉，兼顾部分地区人蓄饮水及西宁城 南新区供水 。东大滩水库位于子流域 S7，是目前 湟水流域最大的调节型水库，以防洪为主，兼顾农 田灌溉、生态用水等综合利用的不完全年调节的拦 河式中型水库，主要担负湟水干流沿岸 200 多万人 口，21 万亩耕地的防洪安全和用水安全 。刘家峡 水库位于子流域 S15，以发电为主 ，兼有防洪 、防 凌、灌溉、供水等综合功能 。每年春灌期间，刘家峡 水库为农业生产补水达 8 亿~ 12 亿 m3，灌溉黄河中 下游沿岸面积 1600 多万亩 。刘家峡水库总装机容 量为 122.5万 kW，年发电 57 亿 kWh。

(4) 土壤保持价值量核算

土壤保持价值在于水生态系统可以减少泥沙 淤积和减少面源污染 。其中减少泥沙淤积是水生 态系统通过保持土壤，减少水库、河流、湖泊的泥沙 淤积，有利于降低干旱、洪涝灾害发生的风险 。根 据土壤保持量和淤积量，运用替代成本法(即水库 清淤工程的费用)核算减少泥沙淤积价值 。减少面 源污染是水生态系统通过保持土壤，减少氮、磷等

土壤营养物质进入下游水体，可降低下游水体面源 污染 。根据土壤保持量和土壤中氮、磷的含量，利 用替代价格法，以同养分含量的化肥售价作为减少 养分流失效益核算减少面源污染价值。

V保土 = V减淤 + V减污 =λ ×(Q保土/ρ)×c清淤 +

Q保土 ×ck × Pk

k= 1

式中：V保土 为生态系统土壤保持价值(亿元/a)；V减淤 为减少泥沙淤积价值；V减污 为减少面源污染价值； Q保土 为土壤保持量(亿 kg/a)，即没有地表植被覆盖 情形下的潜在土壤侵蚀量，与当前地表植被覆盖情 形下的实际土壤侵蚀量的差值，本文利用 HEQM 模型水土流失模块计算水体中的泥沙含量，通过 情景分析，改变不同的土地利用方式输入，计算因 为森林、草地、农田生态系统减少的土壤侵蚀量； c清淤 为单位水库清淤工程费用(元/m3)；ρ 为土壤容 重(t/m3)；λ 为泥沙淤积系数；k为土壤中氮、磷等营 养物质数量，k=1，2，…，n；ck 为土壤中氮、磷等营养 物质的纯含量(%)；Pk 为处理成本。

本文土壤容重、氮、磷、钾含量、单位水库清淤 工程费、肥料价格等数据来源于当地土壤调查、文 献、专项调查和发改委等部门 。如根据《陆地生态 系统生产总值(GEP)核算技术指南》[9]，青海地区的 土壤容重取 1.236 g/cm3 。根据 2002 年的《中华人民 共和国水利部水利建筑工程预算定额》[31] 中挖取单 位面积土壤费用为 12.6 元/m3(折合为2015 年的不 变价格 20.87 元/m3) 。根据《水库泥沙淤积量计算方 法探讨》[32]，考虑到研究区内的水库排沙状况，泥沙 淤积系数取 0.70；根据全国土壤调查，全国范围土 壤有机质含量为 1% ，氮含量为 0.37% ，磷含量为 0.108% ，钾含量为 2.239% 。根据化肥成分(http:// www.fertchina.com/) 及 农 资 网 (http://www.ampcn. com/huafei/)，尿素中氮的折算比例为 46.67%，磷酸 二铵中磷折算比例为 23.48%；氯化钾中钾的折算比 例为 52% 。2022 年氮肥(尿素)、磷肥(磷酸二铵)和钾 肥(氯化钾)价格分别取 3300、4000 和 4200 元/t 。折 算到 2015 年价格，氮肥(尿素)、磷肥(磷酸二铵)和钾 肥(氯化钾)价格分别取2000、2414 和 2535 元/t。

(5) 水质净化价值量核算

水质净化价值是水域湿地生态系统吸附 、降 解、转化水体污染物，净化水环境的功能价值 。核 算生态系统降解水体污染物、净化水质的价值，运

用替代成本法进行核算，即

V水质 =

Q水污染物, i ×c水污染物, i

式中：V水质 为生态系统水质净化的价值(亿元/a)； Q水污染物, i 为第 i类水污染物的净化量(t/a)，本文采用 HEQM模型模拟的水质指标COD 代表水体污染物； c水污染物, i 为第i类水污染物的单位治理成本，参考《中 国环境经济核算技术指南》[30]，根据价格指数，2015 年 COD 治理成本为 21.84 元/kg。

2.3 分布式水循环模型构建

为描述水生态系统结构、格局和过程，本文基 于自主研发的分布式流域水循环系统模型 HEQM， 进行水文、土壤生物地球化学、土壤侵蚀和水质等 多过程耦合模拟，摸清了的水文要素(地表径流、土 壤水、地下径流等)、土壤保持量、水质(COD)浓度变 化过程及其空间分布，并利用情景分析，模拟了变 化下垫面条件下的土壤侵蚀、水质变化过程，从而 为流域水生态产品价值评估提供科学的、连续动态 的 、分布式的水文 、土壤保持 、水质实物量数据 。 HEQM模型以水和营养物质循环作为联系各过程 的联系纽带，综合考虑变化环境下水文循环和营养 源循环在陆面、土壤、植被和河流水体中的相互作 用关系，以及闸坝调控和排污对水和营养源循环的 影响 。另外，考虑到研究区是典型的高寒地区，覆 盖有冰川积雪，本文采用的 HEQM扩展了其冰川积 雪冻融过程 。HEQM模型结构和参数等详见文献 [33-34] 。该模型已在黄河、淮河、新安江和密云水 库等流域进行了应用[35]。

本文将研究区划分为 16 个子流域(图 1) 。其 中，S1、S2 ……S16为子流域编号，排序总体为上游 到下游 。为确定每个子流域参数最优值，先利用 LH-OAT(Latin hypercube one factor at a time)进行敏 感性分析，筛选敏感性参数，然后采用 SCE-UA 算 法，以模型体积误差、相关系数和效率系数 3 个指标 为模型评价标准进行率定 。本文采用民和、亨堂两 个水文站的日径流过程进行了率定和验证(表 1)。 其中率定期的水量平衡系数分别是 0.05 和-0.11，相 关系数分别是 0.81 和 0.84，效率系数分别为 0.64 和 0.69 。验证期除民和站的效率系数有减小外，其他 值变化不大 。总体上率定期和验证期的结果令人 满意。

由于观测数据缺乏，本文采用参数移植方法， 将已率定子流域的参数移用到没有水文观测的子

表 1 研究区分布式水循环模型率定及验证结果

Tab.1 Calibration and verification results of the distributed water cycle model in the study area

流域 。 由于 HEQM模型考虑的水文相关过程众多， 涉及参数也较多，考虑到两个子流域的相似度，选取 属性相似法进行参数移植，选取的相似度变量参数 包括平均坡度、平均流域面积、平均高程、各土地利 用(水田、草地、林地、旱地、水域、未利用地、建设用 地和冰川积雪)所占比例、多年平均降水量、多年平 均温度以及兴利库容8 个指标 。详细建模和参数确 定见 Zhang等[36] 的研究。

3 结果与分析

3.1 水文、土壤侵蚀、水质变化过程

本文为准确计算研究区水生态产品实物量，基 于分布式流域水循环系统模型 HEQM，模拟了 30 年 ( 1986—2015 年)分布式的水文要素(地表径流、土壤 水、地下径流等)、土壤侵蚀量、COD 含量变化过程。

( 1) 水文要素

图 2 是 1986—2015 年降水及地表水、土壤水、地 下水的径流深 。研究区 1986— 1995、1996—2005、 2006—2015 年 平 均 降 水 为 453.03、435.79、471.54 mm/a，平均总径流深 118.16、132.51、151.75 mm/a， 降水先降低后增加 ，径流深总体呈增加趋势 。 1986— 1995、1996—2005、2006—2015 年的地表水 平均径流深分别为 12.45、12.22、11.89 mm/a，土壤 水平均径流深分别为 43.91、65.17、78.97 mm/a，地 下水平均径流深分别为 61.8、55.12、60.89 mm/a，地 下水和土壤水占主导，地表水所占比例小；总径流 深区域差异较降水差异大，且研究区从上游到下 游，地表水、土壤水及地下水径流深明显降低。

(2) 土壤侵蚀量

图 3 是 1986—2015 年研究区土壤侵蚀的现状 量、转移量、调节量 。其中现状量是当前地表植被 覆盖情形下的实际土壤侵蚀量，转移量为没有地表 植被情形下的土壤侵蚀量，调节量是现状土壤侵蚀 量与转移土壤侵蚀量之差，是水生态系统的土壤保 持量 。从图中可以看出，研究区土壤保持量呈增大

图 2 1986—2015 年研究区降水及径流深 Fig.2 Precipitation and runoff depth

in the study area during 1986-2015

的趋势：1986— 1995、1996—2005、2006—2015 年平 均土壤保持量分别为 0.61 亿 kg/a、0.66 亿 kg/a、1.12 亿 kg/a；从空间分布来看，从上游到下游土壤保持 量呈增大的趋势，上游多个流域土壤保持量如 S1、 S2、S3 等，与下游子流域相差数个数量级，可以忽 略；从贡献比例来看，上游与中游是草地和林地占 主导，下游则是农田、草地、林地贡献相当。

(3) COD含量

图 4 是 1986—2015 年研究区 COD 含量的现状 量、转移量、调节量 。其中现状量是当前地表植被 覆盖情形下的实际 COD 含量，转移量为没有地表 植被情形下的 COD 含量，调节量是现状 COD 量与 转移 COD 之差，是水生态系统的水质净化量 。从 图中可以看出，研究区水质净化量呈增大的趋势： 1986— 1995、1996—2005、2006—2015 年平均调节 COD 总量分别为 1.32 亿 kg/a、1.88 亿 kg/a、2.07 亿 kg/a；从空间分布来看，从上游到下游水质净化价值 量呈增大的趋势；从贡献比例来看，水生态系统水 质净化涉及农田、林地和草地贡献，其中草地贡献 的比例最大，平均占 80%。

3.2 水生态产品价值量

表 2 为研究区 1986—2015 年水生态系统的实 物量及价值量核算表 。图 5 为单项水生态产品(水 资源供给、水资源存储、洪水调蓄、土壤保持、水质 净化)价值量、组成及空间分布；图 6 是水生态产品 总价值量、组成及空间分布。

可以看出：

( 1) 水资源供给价值量

研究区有 5 个大中型水库，其水资源供给价值 量呈现增加趋势：1986— 1995、1996—2015、2006— 2015 年每 10 年平均水资源供给价值量分别为 30.75 亿元/a、33.96 亿元/a、41.66 亿元/a 。研究区水资源供 给价值量主要由城市居民供水与发电贡献，农业灌 溉所占比重较少 。如 2006—2015 年的水资源供给 价值量构成中，灌溉供水、城市供水、发电供水价值 量分别为 1.70 亿元/a、22.71 亿元/a、17.25 亿元/a 。水 资源供给价值量的空间分布取决于水库的分布、规 模及功能，其中刘家峡水库因居民供水及发电量规 模大，其供给价值突出。

(2) 水资源存储价值量

研究区水资源存储总量和价值量呈现增加趋 势：1986— 1995、1996—2005、2006—2015 年 10 年平 均水资源存储量分别为 45.00 亿 m3/a、50.63 亿 m3/a、

图 3 1986—2015 年研究区土壤侵蚀的

现状量、转移量、调节量

Fig.3 Current amount, transfer amount, and adjusting

amount of soil erosion in the study area during 1986-2015

图 4 1986—2015 年研究区的 COD 现状量、转移量、调节量

Fig.4 Current amount, transfer amount, and adjusting

amount of COD in the study area during 1986-2015

58.49 亿 m3/a，平均水资源存储价值量分别为 402.74 亿元/a、453.07 亿元/a、523.50 亿元/a 。从空间分布来 看，水资源存储总量和价值量区域差异大，从西北 到东南，从上游到下游，总体呈减少的趋势 。研究 区水资源存储价值量由土壤水、地表水及地下水贡 献，其对贡献比例有如下趋势：地下水>土壤水>地 表水，且从上游到下游，地下水的贡献比重增加，土 壤水的贡献先增加后降低，地表水比重总体下降。

(3) 洪水调蓄价值量

研究区有 5 个大中型水库，库容为 0.17~43.00 亿 m3 。2015 年洪水调蓄总价值量为 142.41 亿元/a， 其中刘家峡水库所在子流域最高 。水库建库后，一 般防洪库容较少变化，其他年份的洪水调蓄价值量 与基准年 2015 年视为不变。

(4) 土壤保持价值量

研究区土壤保持价值量呈增大的趋势：1986— 1995、1996—2005、2006—2015 年土壤保持价值量 分别为 0.09 亿元/a、0.10 亿元/a、0.18 亿元/a 。土壤 保持价值包括减少泥沙淤积和减少面源污染，其 中，减少面源污染占主导，减少泥沙淤积的贡献较 小，占比不到 2% 。从空间分布来看，从西北到东 南，从上游到下游减少泥沙淤积价值量呈增大的趋 势 。从贡献比例来看，上游和中游是草地和林地占 主导，下游则是农田、草地、林地贡献相当。

(5) 水质净化价值量

湟水河流域水质净化价值量总体呈现增大趋 势：1986— 1995、1996—2005、2006—2015 年水质净 化价值量分别为 28.82 亿元/a、41.04 亿元/a、45.19 亿 元/a 。从空间分布来看，从西北到东南，从上游到下 游水质净化价值量呈增大的趋势 。水质净化由水 生态系统涉及的农田、林地和草地贡献，其中草地 贡献的比例最大，占比 63.92%~77.29%。

(6) 价值总量

研究区水生态产品价值总量呈现增加趋势， 1986— 1995、1996—2015、2006—2015 年多年平均 水生态产品价值总量分别为 604.81 亿元/a、670.58 亿元/a、752.95 亿元/a，2006—2015 年比 1986— 1995 年增加了 24.49% 。研究区水生态产品价值量由水 资源供给、水资源存储、洪水调蓄、土壤保持、水质 净化贡献，其中水资源存储价值贡献占主导，占比 66.59%~69.53%，水库防洪价值次之，占比 18.91%~ 23.54%，水资源供给、土壤保持、水质净化价值贡献 小 ，占 比 分 别 为 5.08% ~5.53% 、0.02% 、4.77% ~

表2 水生态产品实物量及价值核算

Tab.2 Physical quantity and value accounting of aquatic ecological products

图 5 研究区 2006—2015 年单项水生态产品价值量、组成及空间分布

Fig.5 Value, composition and spatial distribution of individual aquatic ecological products

in the study area during 2006-2015

图 6 研究区 1986—2015 年水生态产品

总价值量、组成及空间分布

Fig.6 Total value, composition, and spatial distribution of all

aquatic ecological products in the study area

during 1986-2015

6.12%；研究区无水利工程的子流域，水生态产品价 值总量从西北到东南，从上游到下游呈减小的趋 势，从 70 亿元/a减少到 10 亿元/a左右；中上游地区 水生态产品价值量主要由水资源存储贡献，占比大 于 80%，下游主要由水质净化和水库供给、防洪调蓄

贡献；由于水库的供水和洪水调蓄功能，水库对应的 子流域价值量较高，如刘家峡水电站所在子流域水 生态产品价值为 160 亿元/a~170 亿元/a，其中洪水 调蓄、供水贡献占比 99%。

4 结论与讨论

本文选择黄河上游湟水河流域为典型流域，基 于分布式水文、土壤生物地球化学、土壤侵蚀和水质 等多过程耦合模拟、情景分析和社会经济调查等手 段，核算了流域水生态产品价值量(水资源供给、水 资源存量、土壤保持、洪水调蓄和水质净化)，系统 分析水生态产品组成及时空分布规律 。结果表明：

( 1) 水生态价值量计算的关键是准确计算水生 态实物量 。流域水循环多过程模拟可以模拟变化 下垫面条件下的生态水文、生物地球化学变化响应 能力，可为流域水生态产品价值评估提供尺度统 一、时空分异、连续动态、分布式的水文、土壤保持、 水质等实物量数据，较通常采用的基于少量观测数 据和简单经验公式的方法，能有效反映水生态系统 涉及的复杂的物质能量过程及时空格局，核算结果 更能反映水生态系统的构成、格局和过程。

(2) 湟水河流域 1986— 1995 年水生态产品总价 值量为 604.81 亿元/a，近几十年来，由于研究区降水 量增加、退耕还林还草以及流域生态治理恢复，水 生 态 产 品 总 价 值 量 呈 增 加 趋 势 ，1996—2005、 2006—2015 年 比 1986— 1995 年 分 别 增 加 了 10.87%、24.49% 。就各单项水生态产品贡献比重而 言，水资源存储占主导，水库防洪价值、水资源供 给、水质净化价值次之，土壤保持可忽略，各项所占 比 例 分 别 为 66.59% ~69.53% 、18.91% ~23.54% 、 5.08%~5.53% 、4.77%~6.12% 、0.02% 。其中水资源 存储价值主要由土壤水、地下水存储贡献，地表水 存储价值贡献不足 10%，因此，在气候变化背景下， 开展区域生态治理恢复和可持续利用，提升土壤 水、地下水储水能力，是提高水生态产品价值量的 关键 。就空间分布而言，子流域水生态产品价值量 从上游到下游通常呈减小趋势，由 70 亿元/a降为 10 亿元/a，个别子流域由于有水利工程，水生态产品价 值量显著增加，如湟水河下游的刘家峡水库所在的 子流域为 160 亿~ 170 亿元/a，其洪水调蓄、供水价值 占比达 99%，因此，从子流域角度出发，充分考虑水 生态产品空间分布以及水利工程特征，有针对性地

进行水生态产品核算与水生态管理，是实现水生态 产品价值的重要要求。

(3) 分布式生态水文模型可以定量描述流域生 态水文生物地球化学动态变化过程 。但分布式生 态水文模型涉及的参数多，物理过程刻画复杂，模 型本身存在模型不确定性、参数不确定性等问题， 在实际使用过程中需要对模型复杂度、建模数据可 获取性、模拟不确定性等多加考虑。

参考文献(References)

[ 1] 欧阳志云, 朱春全, 杨广斌, 等. 生态系统生产总值核算: 概念、核算方法与案例研究 [J]. 生态学报, 2013, 33(21): 6747- 6761. [Ouyang Zhiyun, Zhu Chunquan, Yang Guangbin, et al. Gross ecosystem product: Concept, ac- counting framework and case study. Acta Ecologica Sini- ca, 2013, 33(21): 6747-6761. ]

[2] Costanza R, d'Arge R, de Groot R, et al. The value of the world's ecosystem services and natural capital [J]. Nature, 1997, 387: 253-260.

[3] Daily G C, Sö������derqvist T, Aniyar S, et al. The value of na- ture and the nature of value [J]. Science, 2000, 289: 395- 396.

[4] United Nations, European Commission, Food and Agricul- ture Organization of the United Nations, et al. System of environmental-economic accounting 2012: Central frame- work [M]. New York, USA: United Nations, 2014.

[5] United Nations, European Commission, Food and Agricul- ture Organization of the United Nations, et al. System of environmental- economic accounting 2012: Experimental ecosystem accounting [M]. New York, USA: United Na- tions, 2014.

[6] United Nations. System of environmental- economic ac- counting- ecosystem accounting [M]. New York, USA: United Nations, 2021.

[7] 国家林业局. 森林生态系统服务功能评估规范: LY/T 2735—2016 [S]. 北 京: 中 国 标 准 出 版 社, 2016. [State Forestry Administration of the People's Republic of China. Specifications for assessment of nature resources (forest) property in China: LY/T 2735-2016. Beijing, China: Stan- dard of Forestry Industry of People's Republic of China, 2016. ]

[8] 国家林业局. 荒漠生态系统服务评估规范: LY/T 2006— 2012 [S]. 北京: 中国标准出版社, 2012. [State Forestry Administration of the People's Republic of China. Assess- ment criteria of desert ecosystem services in China: LY/T 2006- 2012. Beijing, China: Standards Press of China, 2012. ]

[9] 欧阳志云, 王金南, 肖燚, 等. 陆地生态系统生产总值 (GEP)核算技术指南 [S]. 北京: 生态环境部环境规划 院, 2020. [Ouyang Zhiyun, Wang Jinnan, Xiao Yi, et al. Technical guidelines for calculating gross domestic prod- uct (GEP) of terrestrial ecosystems. Beijing, China: Envi- ronmental Planning Institute of the Ministry of Ecology and Environment, 2020. ]

[ 10] 南方都市报. 为绿水青山打“价码 ”! 深圳去年 GEP 为 1363.87 亿元 [N/OL]. 2022- 12-29 [2023- 05-22]. https:// m.sohu.com/a/622342666_ 161795/. [Southern Metropo- lis Daily. Set a 'price code' for green waters and green mountains! Shenzhen's GEP last year was 136.387 bil- lion yuan. 2022- 12-29 [2023-05-22]. https://m.sohu.com/ a/622342666_ 161795/. ]

[ 11] 浙江省林业局. 浙江湖州率先建成县域 GEP 核算决策 支 持 系 统 [EB/OL]. 2021- 07- 21 [2023- 05- 22]. http:// www.forestry.gov.cn/main/586/20210720/ 14150770886 9880.Html. [Zhejiang Provincial Forestry Bureau. Zheji- ang Huzhou took the lead in establishing a county-level GEP accounting decision support system. 2021- 07- 21 [2023-05-22]. http://www.forestry.gov.cn/main/586/2021 0720/ 141507708869880.Html. ]

[ 12] 朱智翔, 晏利扬, 孟琳, 等. 德清推出“数字两山 ”GEP 核 算平台 [EB/OL]. 中国环境网, 2021- 06- 21 [2023- 05- 22]. http://hbw.chinaenvironment.com/zxxwlb/index_55_ 113325.Html. [Zhu Zhixiang, Yan Liyang, Meng Lin, et al. Deqing Launches the "Digital Two Mountains" GEP Accounting Platform. China Environmental News，2021- 06- 21 [2023- 05- 22]. http://hbw.chinaenvironment.com/ zxxwlb/index_55_ 113325.Html. ]

[ 13] 浙江省市场监督管理局. DB33/T 2274—2020: 生态系 统生产总值(GEP)核算技术规范陆域生态系统 [S].北 京: 中国标准出版社, 2020. [Zhejiang Provincial Market Supervision and Administration Bureau. DB33/T 2274- 2020: Technical specification for gross ecosystem prod- uct (GEP) accounting of land ecosystems. Beijing, Chi- na: Standards Press of China, 2020. ]

[ 14] 深圳市场监督管理局. DB4403/T 141—2021: 深圳市生 态系统生产总值核算技术规范 [S].北京: 中国标准出 版社, 2021. [Shenzhen Market Supervision and Adminis- tration Bureau. DB4403/T 141-2021: Technical specifica- tion for accounting of gross ecosystem product in Shen- zhen. Beijing, China: Standards Press of China, 2021. ]

[ 15] 范小杉, 何萍. 河流生态系统服务研究进展 [J].地球科 学进展, 2018, 33(8): 852- 864. [Fan Xiaoshan, He Ping. Research progress, existing problems and fature direc- tion on river ecosystem service. Advances in Earth Sci- ence, 2018, 33(8): 852-864. ]

[ 16] 贾建辉, 陈建耀, 龙晓君, 等. 水电开发对河流生态系统 服务的效应评估与时空变化特征分析: 以武江干流为 例 [J]. 自然资源学报, 2020, 35(9): 2163-2176. [Jia Jian- hui, Chen Jianyao, Long Xiaojun, et al. Evaluating the cumulative impacts of the hydropower development on the river ecosystem services in terms of spatial and tem- poral aspects: A case study in the mainstream of the Wu- jiang River. Journal of Natural Resources, 2020, 35(9): 2163-2176. ]

[ 17] 杜婷婷, 罗维, 李中和, 等. 湖泊生态系统服务功能价值 评估: 以太湖为例 [J]. 中国人口·资源与环境, 2012, 22 (S2): 208-211. [Du Tingting, Luo Wei, Li Zhonghe, et al. Evaluation of lake ecosystem services: A case study of Taihu Lake. China Population, Resources and Environ- ment, 2012, 22(S2): 208-211. ]

[ 18] 唐寅, 王中根, 王婉清, 等. 适用于遥感影像的水生态空 间多功能分类体系研究 [J]. 地理科学进展, 2020, 39 (3): 454- 460. [Tang Yin, Wang Zhonggen, Wang Wan- qing, et al. Multifunctional classification of aquatic habi- tats for remote sensing data. Progress in Geography, 2020, 39(3): 454-460. ]

[ 19] 高俊峰, 高永年, 张志明. 湖泊型流域水生态功能分区 的理论与应用 [J]. 地理科学进展, 2019, 38(8): 1159- 1170. [Gao Jungfeng, Gao Yongnian, Zhang Zhiming. Theory and application of aquatic ecoregion delineation in lake-basin. Progress in Geography, 2019, 38(8): 1159- 1170. ]

[20] 江波, Wong C P, 欧阳志云. 湖泊生态服务受益者分析 及生态生产函数构建 [J]. 生态学报, 2016, 36(8): 2422- 2430. [Jiang Bo, Wong C P, Ouyang Zhiyun. Beneficiary analysis and ecological production function to measure lake ecosystem services for decision- making in China. Acta Ecologica Sinica, 2016, 36(8): 2422-2430. ]

[21] 巩杰, 降同昌, 谢余初, 等. 民勤红崖山水库生态系统服 务功能的经济价值 [J]. 水资源保护, 2012, 28(4): 82- 86. [Gong Jie, Jiang Tongchang, Xie Yuchu, et al. Eco- nomic value of ecosystem services of Hongyashan Reser- voir in Minqin County, an arid area of China. Water Re- sources Protection, 2012, 28(4): 82-86. ]

[22] 王娇月, 邴龙飞, 尹岩, 等. 湿地生态系统服务功能及其 价值核算: 以福州市为例 [J]. 应用生态学报, 2021, 32 ( 11): 3824- 3834. [Wang Jiaoyue, Bing Longfei, Yin Yan, et al. Wetland ecosystem service function and its value accounting: A case study of Fuzhou City, China. Chinese Journal of Applied Ecology, 2021, 32( 11): 3824-3834. ]

[23] 吴后建, 但新球, 刘世好, 等. 湖南省湿地生态系统服务 价 值 初 步 评 价 [J]. 湿 地 科 学, 2016, 14(6): 781- 787. [Wu Houjian, Dan Xinqiu, Liu Shihao, et al. Preliminary

evaluation of wetland ecosystem services in Hunan Prov- ince. Wetland Science, 2016, 14(6): 781-787. ]

[24] 杨青, 刘耕源. 湿地生态系统服务价值能值评估: 以珠 江三角洲城市群为例 [J]. 环境科学学报, 2018, 38( 11): 4527-4538. [Yang Qing, Liu Gengyuan. Wetland ecosys- tem services assessment based on emergy: A case of Pearl River Delta urban agglomeration. Acta Scientiae Circumstantiae, 2018, 38( 11): 4527-4538. ]

[25] 赵同谦, 欧阳志云, 王效科, 等. 中国陆地地表水生态系 统服务功能及其生态经济价值评价 [J]. 自然资源学 报, 2003, 18(4): 443- 452. [Zhao Tongqian, Ouyang Zhi- yun, Wang Xiaoke, et al. Ecosystem services and their valuation of terrestrial surface water system in China. Journal of Natural Resources, 2003, 18(4): 443-452. ]

[26] 陈默, 林育青, 张建云, 等. 水生态系统生产总值核算体 系及应用 [J]. 水资源保护, 2023, 39( 1): 234-242. [Chen Mo, Lin Yuqing, Zhang Jianyun, et al. Accounting sys- tem of gross water ecosystem product and its application, Water Resources Protection, 2023, 39( 1): 234-242. ]

[27] 陈恩民, 姜利杰, 于新花, 等. 水生态产品价值核算与实 现 研 究 综 述 [J]. 浙 江 水 利 科 技, 2023, 51( 1): 58- 64. [Chen Enmin, Jiang Lijie, Yu Xinhua, et al. Review of the research on the value accounting and realization of aquatic ecological products. Zhejiang Hydrotechnics, 2023, 51( 1): 58-64. ]

[28] 王建华, 贾玲, 刘欢, 等. 水生态产品内涵及其价值解析 研 究 [J]. 环 境 保 护, 2020, 48( 14): 37- 41. [Wang Jian- hua, Jia Ling, Liu Huan, et al. Analysis on the connota- tion and value of water eco-products. Environmental Pro- tection, 2020, 48( 14): 37-41. ]

[29] 吴浓娣, 庞靖鹏. 关于水生态产品价值实现的若干思考 [J]. 水 利 发 展 研 究, 2021, 21(2): 32- 35. [Wu Nongdi, Pang Jingpeng. Some thoughts on the realization of the value of aquatic ecological products. Water Resources Development Research, 2021, 21(2): 32-35. ]

[30] 於方. 中国环境经济核算技术指南 [M]. 北京: 中国环 境科学出版社, 2009. [Yu Fang. Guidelines for Chinese environmental and economic accounting. Beijing, China: China Environmental Science Press, 2009. ]

[31] 水利部水利建设经济定额站. 中华人民共和国水利部 水利建筑工程预算定额 [M].郑州: 黄河水利出版社. 2002. [Economic Quota Station for Water Conservancy Construction of the Ministry of Water Resources. Budget quota for water conservancy construction projects of the Ministry of Water Resources of the People's Republic of China. Zhengzhou, China: Yellow River Water Conser- vancy Press, 2002. ]

[32] 赵定平, 汤小云, 何海涛. 水库泥沙淤积量计算方法探

讨 [J]. 科 技 资 讯, 2008(35): 241- 242. [Zhao Dingping, Tang Xiaoyun, He Haitao. Discussion on the calculation method of sediment deposition in reservoirs. Science and Technology Information, 2008(35): 241-242. ]

[33] Zhang YY, Shao Q X, Taylor J A. A balanced calibration of water quantity and quality by multi-objective optimiza- tion for integrated water system model [J]. Journal of Hy- drology, 2016, 538: 802-816.

[34] Zhang YY, Shao QX, Ye AZ, et al. Integrated water sys- tem simulation by considering hydrological and biogeo- chemical processes: Model development, with parameter

sensitivity and autocalibration [J]. Hydrology and Earth

System Sciences, 2016, 20: 529-553

[35] Zhang Y Y, Zhou Y J, Shao Q X, et al. Diffuse nutrient losses and the impact factors determining their regional differences in four catchments from North to South Chi-

na [J]. Journal of Hydrology, 2016, 543: 577-594.

[36] Zhang Y Y, Hou J J, Ma G X, et al. Regional differences of water regulation services of terrestrial ecosystem in the Tibetan Plateau: Insights from multiple land covers [J]. Journal of Cleaner Production, 2021, 283: 125216. doi: 10.1016/j.jclepro.2020.125216.

Valuation of aquatic ecological products based on water cycle simulation: Taking the Huangshui River Basin as an example

LIU Yu1, ZHAI Xiaoyan2, ZHANG Yongyong3*, LI Miao4, LIU Xiaojie3

( 1. Aerospace Information Research Institute, CAS, Beijing 100101, China; 2. Research Center on Flood and Drought

Disaster Reduction, China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing 100038, China;

3. Key Laboratory of Water Cycle and Related Land Surface Processes, Institute of Geographic Sciences

and Natural Resources Research, CAS, Beijing 100101, China; 4. Development Research Center of

the Ministry of Water Resources, Beijing 100038, China)

Abstract: The calculation of the physical quantity of aquatic ecological products is the basis for the accounting and realization of the value of aquatic ecological products. In order to objectively reflect the relationship between the value of aquatic ecological products and water cycle processes, this study took the Huangshui River Basin in the upper reaches of the Yellow River as an example, and calculated the physical quantity and value of aquatic ecological products (water resources supply, water resources stock, soil conservation, flood regulation and storage, and water quality purification) in the basin from 1986 to 2015 by means of multi-process simulation of the water cycle in the basin, scenario analysis, and socio- economic condition investigation. The value composition and spatiotemporal distribution pattern of aquatic ecological products were systematically analyzed. The results show that the total value of aquatic ecological products in the Huangshui River Basin from 1986 to 1995 was 60.481 billion yuan/a, which increased by 10.87% and 24.49% in 1996- 2005 and 2005- 2015, respectively. The contribution of water resources storage was the highest (66.59%- 69.53% ), followed by reservoir flood control, water supply, and water purification (accounting for 18.91%-23.54%, 5.08%-5.53%, and 4.77%- 6.12%, respectively), and the contribution of soil conservation was negligible (0.02%). The value of aquatic ecological products in sub-basins usually decreased from the upstream to the downstream, but the values of aquatic ecological products have increased significantly in sub-basins with water conservancy projects. This study provides a theoretical and technical support for the management of water ecosystems in the upper reaches of the Yellow River.