在水量和水质两方面实施双重生态补偿的综合性流域管理

《Applied Geography》：Integrated watershed management under dual ecological compensation for water quantity and water quality

本研究以Wuding River Basin为案例，构建水量水质协同补偿的综合管理框架，采用影子项目法和博弈论确定补偿标准与模型，结果表明双补偿机制有效促进流域高质量发展，并揭示了区域经济差异与治理策略的关联。

　　生态补偿在流域管理中扮演着至关重要的角色，尤其是在应对水质恶化和保障生态基流方面。这一机制不仅有助于改善水环境质量，还能促进流域内生态服务的供需平衡，以及区域间经济发展差距的缩小。在这一背景下，本研究以中国西北部的无定河流域为研究对象，从内部共生系统的视角出发，构建了一个涵盖水量和水质补偿的综合管理体系。通过引入影子项目法和博弈论，我们探索了如何确定补偿标准与补偿模型，从而为流域综合治理提供可行路径。研究结果显示，榆阳地区承担了水量补偿支出的35%经济责任。在水质补偿方面，污染控制力度和区域经济收益在生态补偿情景下均显著高于无补偿情景。此外，中央干预并非总是最优策略；当γ_down > 3γ_up时，主从博弈合作模型在实现整体效益最大化方面更为有效。基于双重生态补偿的协作关系为推动流域高质量发展提供了有效解决方案。这些发现为生态补偿政策的制定和水资源综合管理提供了科学依据。

河流不仅是人类文明的摇篮，还提供了丰富的水资源，孕育了适合人类居住和发展的自然环境。然而，随着全球气候变化和人类活动的加剧，河流生态系统的结构和功能正面临严重退化。据相关研究，全球近80%的人口正面临日益加剧的水安全风险。生态补偿作为一种促进多方利益相关者参与生态环境保护的经济工具，不仅有助于缓解水资源短缺和污染问题，还能解决生态服务供需不平衡和区域经济发展差异。因此，科学构建和实施流域生态补偿机制对于推动流域可持续发展和协调社会经济发展至关重要。

流域生态补偿机制的构建主要涉及补偿主体与客体的识别、补偿模型的设计以及补偿标准的确定。目前，许多研究通常以行政区域作为分析的基本单位。然而，由于流域系统的复杂性，单一行政区域往往涵盖了上游和下游的不同位置。缺乏从流域整体视角设计的生态补偿机制，限制了补偿措施的有效性。例如，土壤与水评估工具（SWAT）模型，依据地形划分子流域和水系，为识别上下游关系和补偿主体提供了有效工具。补偿模型主要分为水平和垂直两种类型。水平补偿发生在同一行政层级的主体之间，而垂直补偿则涉及不同层级政府之间的资金转移。本质上，基于供水生态系统服务的补偿是一种对生态功能的支付，而非解决资源争端的机制。因此，结合生态系统服务价值的水平补偿模型被广泛采用。

在水质补偿方面，水平补偿模型也较为常见，补偿标准通常采用能源价值理论或污染损失率等方法进行计算。然而，在水质管理中，上游和下游地区往往进行竞争博弈，而水平补偿则倾向于将流域分割为对立的利益单元，从而削弱整体治理效率。差分博弈理论作为一种动态博弈建模方法，能够有效模拟上下游地区之间的长期合作过程。近年来，差分博弈在政府-企业合作补偿机制研究中表现出显著优势。然而，差分博弈在政府主导的水质补偿机制设计中的应用仍较为有限。鉴于政府在流域治理中的核心地位，有必要将博弈论纳入政府间补偿机制的设计框架，以实现动态优化和合作稳定性。总体而言，一个有效的流域生态补偿机制应建立在科学识别补偿主体与客体的基础上，结合最优模型的选择和公平标准的建立，从而确保公平性、可行性以及流域治理效率的提升。

本研究提出了一种结合双重生态补偿机制的流域综合管理体系，即同时涵盖水量和水质补偿的机制（见图1），并以中国北方的无定河流域作为案例研究，探讨在水资源匮乏地区实现生态经济协调的路径。具体目标包括：（1）科学设计水量补偿机制，以促进生态基流保护并平衡流域内的社会经济发展；（2）运用差分博弈理论优化水质补偿模型，量化上下游政府在污染控制中的互动关系，并测试补偿机制在实现整体流域效益方面的可行性；（3）通过水量和水质补偿的协调实施，明确各功能区的差异化治理责任。

无定河流域（37°14′N-39°35′N，108°18′E?111°45′E）是黄河中游的一级支流，位于黄土高原与毛乌素沙漠的过渡地带（见图2）。主河道长度约为491公里，流域面积达30,261平方公里。该流域的多年平均径流深度仅为51.28毫米，月均径流深度仅为5.31毫米，表明水资源极度匮乏，生态环境脆弱。流域内的工业用水占总用水量的30%，严重挤占了生态基流。同时，矿产资源的开采加剧了区域间的经济差异，县际GDP差距甚至高达十五倍。然而，目前对该地区的研究主要集中在沙地管理和矿区生态恢复方面，忽视了水资源综合管理这一核心问题。

在本研究中，我们采用SWAT模型对无定河流域的水相关生态系统服务进行了空间格局分析。SWAT模型是一种基于物理过程的分布式模型，其中每个模块参数都有明确的物理意义。在本研究中，我们利用观测到的月径流和水质数据对模型的水文模块和营养物质传输模块进行了校准和验证。参数调优方法、敏感性分析以及模型的最优值在附录A.2中进行了详细说明。在校准期间，SWAT模型在水方面的R2值表明了其在模拟流域水文过程中的准确性。

在水质量补偿方面，传统的水平补偿通常依赖于单一行政指令，导致参与激励有限，治理效果薄弱。本研究引入博弈论，构建了上下游政府之间的水质量治理框架。研究结果表明，在生态补偿情景下，各方的收益和污染控制效果均优于无补偿情景。此外，差分博弈理论在模拟上下游地区的长期合作过程中表现出显著优势，能够有效协调不同利益相关者之间的行为。通过将差分博弈理论应用于政府间补偿机制的设计，我们能够实现动态优化和合作稳定性，从而提升整体治理效率。

在本研究中，我们还探讨了双重生态补偿机制的优势与实施策略。双重生态补偿机制结合了水量和水质补偿，能够更全面地反映流域内的生态服务需求。通过引入区域差异指数，我们构建了一个综合的补偿标准，以实现整体流域效益的最大化。研究结果表明，无定河流域的水供需指数总体处于安全水平，但生态基流保护仍存在不足。污染控制主要依赖于局部治理措施，而缺乏系统性的补偿机制。因此，有必要在流域综合治理中引入生态补偿机制，以促进生态基流的保护和污染控制的协同推进。

此外，我们还分析了不同补偿模型在无定河流域的应用效果。水平补偿模型在一定程度上能够促进区域间的协作，但其对生态基流保护的贡献有限。垂直补偿模型则能够实现资金的上下级转移，有助于缓解区域间的经济差距。然而，垂直补偿模型在实施过程中往往面临较大的行政阻力，难以实现高效的补偿效果。因此，有必要结合水平和垂直补偿模型，构建一个更加灵活和有效的补偿机制。通过引入博弈论，我们能够模拟不同补偿模型下的利益分配情况，从而优化补偿机制的设计。

本研究的创新之处在于，将双重生态补偿机制与博弈论相结合，构建了一个综合的流域管理体系。这一机制不仅考虑了流域内的生态服务需求，还充分考虑了不同利益相关者之间的互动关系。通过引入区域差异指数，我们能够科学地确定补偿标准，从而实现公平性和可行性。同时，通过模拟不同补偿模型下的利益分配情况，我们能够优化补偿机制的设计，提高治理效率。

在实施过程中，我们还考虑了不同补偿模型的适用性。水平补偿模型适用于流域内各行政区域之间的协作，而垂直补偿模型则适用于不同层级政府之间的资金转移。通过结合这两种补偿模型，我们能够构建一个更加全面和有效的补偿机制。这一机制不仅能够促进生态基流的保护，还能有效协调流域内的社会经济发展。通过引入博弈论，我们能够模拟不同补偿模型下的利益分配情况，从而优化补偿机制的设计。

本研究的成果表明，无定河流域的生态补偿机制在促进水资源合理利用和保护生态基流方面具有显著效果。同时，该机制在协调区域间的经济利益和生态责任方面也表现出良好的适应性。通过科学设计补偿标准和模型，我们能够有效提升流域治理效率，实现生态经济的协调发展。这些研究成果不仅为无定河流域的生态补偿政策提供了科学依据，也为其他水资源匮乏地区的流域治理提供了参考。

综上所述，生态补偿在流域管理中具有重要的现实意义和理论价值。通过科学构建和实施生态补偿机制，我们能够有效缓解水资源短缺和污染问题，促进生态服务的供需平衡，以及区域间的协调发展。在无定河流域的案例研究中，我们发现，双重生态补偿机制结合博弈论能够显著提升治理效率，实现整体效益的最大化。这一机制不仅能够促进生态基流的保护，还能有效协调上下游地区的利益关系，推动流域高质量发展。这些发现为未来流域生态补偿政策的制定和实施提供了科学支持，有助于实现可持续发展目标。