李繼清,薛智明,汪定盼
(1.華北電力大學水利與水電工程學院,北京 102206;2.華北電力大學蘇州研究院,江蘇蘇州 215123;3.慶陽市水務局,甘肅慶陽 745000)
跨流域調水工程的實施使得受水區(qū)獲得了充足的清潔水資源,有效緩解了缺水壓力、促進了社會經(jīng)濟的發(fā)展,然而水源區(qū)為保證調水水質,卻背負著巨大的外部成本。一方面,水源區(qū)投入了大量的生態(tài)環(huán)境保護資金,嚴重增加了當?shù)氐呢斦毫Γ涣硪环矫?,由于限制部分工業(yè)企業(yè)的發(fā)展,損失了大量的機會成本,水源區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展也受到了巨大的沖擊。因此,為解決跨流域調水工程生態(tài)環(huán)保與經(jīng)濟發(fā)展的問題,均衡水源區(qū)和受水區(qū)的利益關系,實現(xiàn)調水工程生態(tài)環(huán)保效率、效益最大化,建立生態(tài)補償機制尤為重要。
博弈理論作為解決決策主體利益均衡的模型方法,可以模擬不同利益關聯(lián)主體間的利益沖突,更好地結合沖突特點尋求解決方案[1],近年來,被國內外諸多學者引用到流域生態(tài)補償研究中。馬駿[2]等基于微分博弈理論建立生態(tài)補償模型,對流域上下游和中央政府選擇污染治理成本分擔的博弈策略進行了探討;Yi[3]等運用Stackelberg 博弈模型對跨界流域污染控制和生態(tài)補償進行了研究;劉孟凱[4]等以水權為基礎,在市場機制作用下,基于演化博弈理論,分析調水工程水源區(qū)和受水區(qū)利益主體之間的策略空間。周春芳[5]等引入上級政府的約束機制,基于演化博弈理論對貴州赤水河流域上下游博弈方的策略選擇進行了研究分析。馬駿[6]等通過演化博弈模型對長江流域上下游生態(tài)功能區(qū)生態(tài)補償機制進行了分析探討。高鑫[7]等結合演化博弈論與隨機過程分析了南水北調工程建立生態(tài)補償?shù)淖顑?yōu)策略、約束條件及因素影響。以往多數(shù)學者主要基于演化博弈理論對流域生態(tài)補償中各利益主體間的博弈策略進行分析探討,將引入約束激勵機制的演化博弈應用到跨流域調水工程生態(tài)補償研究的實例尚未查到。
目前,針對跨流域調水工程生態(tài)補償,我國主要采用政府補償?shù)姆绞?,多元化的市場化補償模式仍處于探索階段[8],僅依靠政府的縱向補償而不積極發(fā)展工程受水區(qū)和水源區(qū)的橫向補償將難以保證調水工程水資源生態(tài)環(huán)境保護的可持續(xù)性。同時,由于工程水源區(qū)和受水區(qū)之間存在著環(huán)境保護與經(jīng)濟發(fā)展的沖突,跨流域調水工程生態(tài)補償存在著典型的博弈特征[9],因此,考慮上級政府、水源區(qū)和受水區(qū)地方政府各利益主體的決策選擇從而構建跨流域調水工程生態(tài)補償機制迫在眉睫。本文以跨流域調水工程生態(tài)補償為研究對象,構建生態(tài)補償演化博弈模型,分析水源區(qū)和受水區(qū)地方政府的穩(wěn)定均衡策略,并以南水北調東線工程為實證,將引入上級政府約束激勵機制的生態(tài)補償演化博弈模型與排污權交易法相結合,測算水源區(qū)生態(tài)補償標準,結合水源區(qū)生態(tài)環(huán)保投入得到最優(yōu)穩(wěn)定均衡狀態(tài)時上級政府的約束激勵資金范圍,為南水北調東線工程生態(tài)補償機制的構建提供重要參考。研究框架如圖1所示。
圖1 南水北調東線工程生態(tài)補償演化博弈研究框架Fig.1 Research framework of ecological compensation evolution game of the Eastern route of South-to-North water transfer Project
跨流域調水工程建立生態(tài)補償機制是水源區(qū)和受水區(qū)兩方博弈的結果。與傳統(tǒng)博弈不同,演化博弈是有限理性主體間的博弈,通過不斷調整策略,演化得到最優(yōu)穩(wěn)定均衡策略[10]。在本研究中,跨流域調水工程生態(tài)補償機制的構建不可能一次完成,需要通過不斷博弈、演化找到最優(yōu)策略。因此,本文采用演化博弈對跨流域調水工程生態(tài)補償機制進行研究。
1.1.1 模型假設
跨流域調水工程水源區(qū)基于流域生態(tài)環(huán)保的視角,可以選擇投入資金保護水環(huán)境;基于經(jīng)濟發(fā)展的角度,也可以選擇不保護,充分利用水資源發(fā)展工業(yè),但是一定程度上工業(yè)的發(fā)展會污染水資源及生態(tài)環(huán)境,造成調水水質得不到保障,受水區(qū)用水成本增加。若水源區(qū)選擇保護,受水區(qū)考慮到其為水資源生態(tài)環(huán)境做出的犧牲與貢獻,可以給予一定的補償給水源區(qū);同時,受水區(qū)也可以選擇不補償,無償享用清潔的調水資源。當水源區(qū)選擇不保護策略時,受水區(qū)同樣可以選擇補償或不補償。
模型參數(shù)定義如下:L為水源區(qū)選擇保護策略時所獲得的長期生態(tài)效益,億元;C為水源區(qū)的生態(tài)環(huán)保投入,億元;P為受水區(qū)向水源區(qū)支付的生態(tài)補償費用,億元;S為水源區(qū)選擇不保護策略時所獲得的短期收益,億元;M1為水源區(qū)選擇不保護策略時受水區(qū)所獲得的收益,億元;M2為水源區(qū)選擇保護策略時受水區(qū)所獲得的收益,億元,M2>M1。假設水源區(qū)選擇保護策略和受水區(qū)選擇補償策略的概率分別為x和y(x、y∈[0,1]),則水源區(qū)選擇不保護策略和受水區(qū)選擇不補償策略的概率分別為1-x和1-y。博弈收益矩陣見表1。
表1 水源區(qū)和受水區(qū)的博弈收益矩陣Tab.1 Game gain matrix of water source and water receiving area
1.1.2 模型建立
根據(jù)水源區(qū)和受水區(qū)的博弈矩陣,可以得到水源區(qū)選擇保護和不保護策略時的期望收益W11、W12和平均期望收益W1分別為:
受水區(qū)選擇補償和不補償策略時的期望收益W21、W22和平均期望收益W2分別為:
根據(jù)式(1)~(3)可得水源區(qū)選擇保護策略時的復制動態(tài)方程為:
根據(jù)式(4)~(6)可得受水區(qū)選擇補償策略時的復制動態(tài)方程為:
1.1.3 演化穩(wěn)定分析
式(7)和(8)構成了生態(tài)補償演化博弈的動態(tài)復制系統(tǒng),基于Friedman[11]思想,由雅克比矩陣的局部均衡點穩(wěn)定分析法可以判斷均衡點的穩(wěn)定性,該博弈系統(tǒng)的雅克比矩陣為:
矩陣的行列式det.J和跡tr.J為:
根據(jù)Friedman[11]的思想,若策略(x,y)為穩(wěn)定均衡策略,則必須滿足行列式det.J>0,跡tr.J<0。結合跨流域調水工程實際,社會期望效益達到最優(yōu)的策略是“水源區(qū)保護,受水區(qū)補償”,將其作為穩(wěn)定均衡策略,把(1,1)代入,得到對應的約束條件為:
由于P>0,可知S+C-L>0,式(12)顯然不成立,表明在跨流域調水工程生態(tài)補償中,僅依靠水源區(qū)和受水區(qū)的自身演化是無法實現(xiàn)最優(yōu)穩(wěn)定均衡策略的,間接表明實現(xiàn)最優(yōu)穩(wěn)定均衡策略,需要上級政府的干預。
1.2.1 模型假設
為使跨流域調水工程生態(tài)補償實現(xiàn)最優(yōu)穩(wěn)定均衡策略,必須引入相應的機制對水源區(qū)和受水區(qū)進行約束。本文在周春芳[5]等研究的基礎上引入上級政府的約束激勵機制。若水源區(qū)選擇保護策略、受水區(qū)選擇補償策略,上級政府應對兩者給予一定的獎勵;若水源區(qū)選擇保護策略而受水區(qū)選擇不補償策略,上級政府應對水源區(qū)進行獎勵,對受水區(qū)進行處罰;若水源區(qū)選擇不保護策略而受水區(qū)選擇補償策略時,上級政府應對水源區(qū)進行處罰,對受水區(qū)進行獎勵;若水源區(qū)選擇不保護策略,受水區(qū)選擇不補償策略,上級政府應對兩者進行處罰。
模型參數(shù)定義如下:上級政府給予的獎勵為D,億元;給予單方不履行義務博弈方的處罰為F,億元;給予雙方同時不履行義務的處罰為H,億元。博弈收益矩陣見表2。
1.2.2 模型建立
根據(jù)表2 中的博弈收益矩陣,可得到引入約束激勵機制后水源區(qū)和受水區(qū)分別選擇保護和補償策略時的復制動態(tài)方程為:
表2 引入約束激勵機制的博弈收益矩陣Tab.2 A game gain matrix that introduces a constrained incentive mechanism
1.2.3 演化穩(wěn)定分析
根據(jù)式(13)和(14)可知在約束激勵機制下生態(tài)補償演化博弈模型有5 個局部均衡點,分別是(0,0)、(1,0)、(0,1)、(1,1)、(x*,y*),各均衡點的行列式和跡見表3。
表3 各均衡點的行列式和跡Tab.3 Determinants and traces of each equilibrium point
為實現(xiàn)社會期望效益最優(yōu),則要求均衡點(1,1)是演化博弈的穩(wěn)定均衡點。根據(jù)Friedman[11]的思想可知需滿足條件det.J(1,1)>0,tr.J(1,1)<0,即:
若要確定此均衡點是演化博弈唯一的穩(wěn)定均衡點,需要在滿足式(16)的基礎上進一步分析各均衡點的穩(wěn)定性,共分為4種情況,見表4。
當L-C+D-S+H=0,或D-P+H=0 時,4 種情況均不會出現(xiàn)新的ESS點(穩(wěn)定均衡點),(1,1)仍是唯一的演化穩(wěn)定均衡點。由表4可知,前3種情況均滿足(1,1)是唯一的穩(wěn)定均衡點,在第4種情況下(0,0)和(1,1)同為該演化博弈的穩(wěn)定均衡點。
表4 不同條件下均衡點的穩(wěn)定性分析Tab.4 Stability analysis of equilibrium points under different conditions
因此,要滿足(1,1)是唯一的穩(wěn)定均衡點,就需要滿足條件:
從演化博弈模型結果可知各種參數(shù)主要與水源區(qū)的群體效益(L、S)、生態(tài)環(huán)保投入(C)和受水區(qū)的生態(tài)補償力度(P)有關。因此,明確水源區(qū)的生態(tài)環(huán)保投入和受水區(qū)需支付的生態(tài)補償費用是確定演化博弈穩(wěn)定性條件的基礎。
南水北調東線工程從長江下游江蘇省揚州市江都泵站引水,通過13級泵站提水北送,向黃淮海平原東部、膠東地區(qū)和京津冀地區(qū)提供生產(chǎn)生活用水,工程概況如圖2 所示。工程干線全長1 467 km,設計年抽江水量87.7 億m3,一期工程主要供水范圍涉及江蘇、安徽、山東3 省的71 個縣(市、區(qū)),工程運行安全平穩(wěn),調水水質達到地表水Ⅲ類標準,對于解決調水沿線和膠東地區(qū)地表水過度開發(fā)、地下水嚴重超采等問題起到了十分重要的作用。然而為保證調水水質達標,工程水源區(qū)嚴格實行治污管理,修建截污導流工程,關閉高污染、高排放的工廠、企業(yè),嚴重限制了當?shù)厣鐣?jīng)濟的發(fā)展。為方便研究,本文將南水北調東線工程生態(tài)利益主體考慮為以揚州市、淮安市、宿遷市和徐州市4 個城市為代表的水源區(qū)和以江蘇省、安徽省和山東省為代表的受水區(qū),二者都從利益最大化的角度來做出生態(tài)環(huán)保與補償?shù)臎Q策。
圖2 南水北調東線工程概況圖Fig.2 Overview of the eastern route of the South-to-North Water Transfer Project
水源區(qū)各城市的生態(tài)環(huán)保投入數(shù)據(jù)、江蘇省年度省外調水量數(shù)據(jù)來源于《江蘇年鑒》(2015-2020 年)和《中國南水北調工程建設年鑒》(2015-2020 年),水源區(qū)各城市的污染排放量、人口、工業(yè)增加值、GDP 等數(shù)據(jù)分別來源于《揚州市統(tǒng)計年鑒》(2012-2020年)、《淮安市統(tǒng)計年鑒》(2012-2020年)、《宿遷市統(tǒng)計年鑒》(2012-2020年)、《徐州市統(tǒng)計年鑒》(2012-2020年)。
揚州市、淮安市、宿遷市和徐州市作為南水北調東線工程水源區(qū)的4 個主要城市,為涵養(yǎng)水源,保證調水水質達標,推進流域水環(huán)境整治,分批修建截污導流工程,開展河湖治理工程建設,投入了大量的生態(tài)環(huán)保資金,見表5。
表5 2014-2019年水源區(qū)生態(tài)環(huán)保年度投資億元Tab.5 Annual investment in ecological environmental protection in water source areas from 2014 to 2019
生態(tài)補償標準的測算是跨流域調水工程生態(tài)補償機制的核心,我國學者多采用生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值法[12,13]、支付意愿法[14,15]、水足跡法[16]、排污權交易法[17,18]等測算生態(tài)補償標準。從水源區(qū)為保護生態(tài)環(huán)境而限制高污染、高排放的工業(yè)企業(yè)發(fā)展的角度出發(fā),本文應用排污權交易法,選取常用的工業(yè)污染物:人均工業(yè)廢水排放量、人均工業(yè)二氧化硫排放量和人均工業(yè)煙塵排放量作為指標[19],利用加權移動平均法測算水源區(qū)各城市的排污權,判定各城市污染排放超量或節(jié)余情況,確定補償主客體,最后結合生態(tài)補償標準系數(shù)和排污權價格確定生態(tài)補償標準,實施生態(tài)補償。
2.4.1 排污權測算
考慮水源區(qū)各城市的污染排放量受社會經(jīng)濟、工業(yè)發(fā)展等多種因素的影響波動較大,本文選用加權移動平均法預測各城市的理論排污權。根據(jù)水源區(qū)同一移動段內不同時間的人均污染排放量對理論人均污染排放量的影響程度,分別給予不同的權數(shù),然后再進行平均移動得到預測值,測算公式為:
表6 2014-2019年水源區(qū)各城市排污權Tab.6 Emission rights for cities in the water source area from 2014 to 2019
由表6可知,水源區(qū)4個城市2014-2019年的人均工業(yè)二氧化硫和工業(yè)煙塵排放量均明顯減少,除宿遷市近幾年人均工業(yè)廢水排放量有增加趨勢,需要當?shù)卣訌姳O(jiān)管外,其余3個城市的人均工業(yè)廢水排放量均明顯減少,表明各城市污染排放管理嚴格,為水源區(qū)生態(tài)環(huán)境保護做出了巨大的貢獻;根據(jù)加權移動平均法預測各城市2014-2019 年的理論人均污染排放量,與實際人均污染排放量相比,變化基本一致;除部分城市個別年份多使用排污權,需要支付生態(tài)補償資金外,整體上4個城市的實際排污權小于理論排污權,存在排污權損失,有必要進行生態(tài)補償。因此,需要對水源區(qū)4 個城市具體的生態(tài)補償標準進行量化分析。
2.4.2 生態(tài)補償標準系數(shù)
考慮水源區(qū)各城市環(huán)境污染程度各不相同,社會經(jīng)濟和工業(yè)發(fā)展不均衡等因素,為了體現(xiàn)生態(tài)補償?shù)墓胶侠硇?,引入生態(tài)補償標準系數(shù)。人均區(qū)域工業(yè)增加值在一定程度上代表區(qū)域工業(yè)發(fā)展水平,單位工業(yè)污染排放量對應的區(qū)域工業(yè)增加值反映區(qū)域工業(yè)發(fā)展程度與排污情況的合理性。因此,本文選取人均工業(yè)增加值、單位工業(yè)污染排放量對應的區(qū)域工業(yè)增加值作為指標因子,測算生態(tài)補償標準系數(shù):
式中:表示i城市第t年的生態(tài)補償標準系數(shù);表示i城市第t年的人均工業(yè)增加值,萬元/人表示第t年水源區(qū)的平均人均工業(yè)增加值,萬元/人表示i城市第t年單位工業(yè)污染排放量對應的工業(yè)增加值,萬元/t表示第t年水源區(qū)的單位工業(yè)污染排放量對應的工業(yè)增加值,萬元/t。
根據(jù)式(21)計算水源區(qū)各城市不同工業(yè)污染物對應的生態(tài)補償標準系數(shù),如圖3所示。
圖3 2014-2019年水源區(qū)各城市生態(tài)補償標準系數(shù)Fig.3 Standard coefficient of ecological compensation for cities in the water source area from 2014 to 2019
由圖3 可知,揚州市的3 種工業(yè)污染物對應的生態(tài)補償標準系數(shù)均高于4 個城市的平均水平,表明揚州市的工業(yè)發(fā)展及其與排污情況的合理性均優(yōu)于其他3 個城市,應適當增大生態(tài)補償標準;淮安市、宿遷市、徐州市的工業(yè)污染物對應的生態(tài)補償標準系數(shù)個別達到4 個城市的平均水平,整體上低于平均水平,表明這3 個城市的工業(yè)發(fā)展及其與排污情況的合理性相對較差,應適當增大或減小生態(tài)補償標準。
2.4.3 排污權價格
按照《江蘇實行差別化污水處理收費》標準確定工業(yè)廢水排污權價格,查閱《中華人民共和國環(huán)境保護稅法》和《江蘇排污費標準調整方案》中工業(yè)二氧化硫和工業(yè)煙塵的污染當量值和污染當量征收標準確定其排污權價格,見表7。
表7 2014-2019年水源區(qū)排污權價格元/tTab.7 Prices of emission rights in water source areas from 2014 to 2019
2.4.4 生態(tài)補償標準測算
本文基于排污權交易法結合生態(tài)補償標準系數(shù)和排污權價格對跨流域調水工程水源區(qū)生態(tài)補償標準進行測算,測算公式為:
根據(jù)水源區(qū)4個城市的排污權及生態(tài)補償標準系數(shù)的測算結果,結合排污權價格,測得各城市的生態(tài)補償標準,如表8、圖4所示。
由表8 可知,僅淮安市2015 年、宿遷市2017 年生態(tài)補償標準為負值,表明污染排放超量,需要支付相應的資金給受水區(qū),并且當?shù)卣畱敿哟蟓h(huán)境監(jiān)管力度,減少污染排放;其余年份水源區(qū)各城市的生態(tài)補償標準均為正值,表明污染排放存在節(jié)余,受水區(qū)應補償相應的資金給水源區(qū);生態(tài)補償標準均不超過各城市GDP 的0.5‰,對于水源區(qū)或受水區(qū)支付的經(jīng)濟壓力不大。
表8 2014-2019年水源區(qū)各城市生態(tài)補償標準Tab.8 Ecological compensation standards for cities in water source areas from 2014 to 2019
由圖4 可知,2014-2019 年水源區(qū)整體生態(tài)補償標準均為正值,且2014-2017 年不斷增大,2017 年達到最大值為5.07 億元,這是由于水源區(qū)自2014年起向省外調水量逐年增加,2017-2018 年度首次突破10 億m3,為保證調水的水質、水量,江蘇省從2016 年開始大幅調高排污費征收標準,迫使高污染、高排放企業(yè)綠色轉型,工業(yè)污染排放量大幅減少,排污權存在大量節(jié)余,因此求得生態(tài)補償標準較高。
圖4 2014-2019年水源區(qū)整體生態(tài)補償標準及年度調水量Fig.4 The overall ecological compensation standards and annual water transfer of the water source area from 2014 to 2019
假設水源區(qū)選擇不保護策略時的短期收益等于選擇保護策略時的長期生態(tài)補償效益與生態(tài)環(huán)保投入之和(S=L+C)[20],結合2014-2019年水源區(qū)的生態(tài)環(huán)保投入和受水區(qū)應支付的生態(tài)補償費用,即水源區(qū)整體生態(tài)補償標準,由式(17)可得到引入約束激勵機制的南水北調東線工程生態(tài)補償演化博弈結果,如圖5所示。
當上級政府對水源區(qū)/受水區(qū)的獎勵與單方面不履行義務博弈方的處罰之和(D+F)或與雙方均不履行義務時的處罰之和(D+H)滿足:D+F和D+H均在圖5(a)中的綠色區(qū)域以上或D+F在圖5(b)中藍色區(qū)域以上,D+H在圖5(b)中的黃色區(qū)域時,南水北調東線工程生態(tài)補償將達到最優(yōu)穩(wěn)定均衡狀態(tài),實現(xiàn)社會效益最優(yōu)。
由圖5 可知,上級政府給予南水北調東線工程生態(tài)補償約束激勵的資金范圍D+F不低于兩倍水源區(qū)生態(tài)環(huán)保投入(2C),且不低于受水區(qū)生態(tài)補償費用(P)是實現(xiàn)穩(wěn)定均衡狀態(tài)的必要條件。約束激勵資金范圍隨水源區(qū)生態(tài)環(huán)保投入和受水區(qū)生態(tài)補償費用的變化而變化,由于2014-2015年度調水量較少,受水區(qū)需支付的生態(tài)補償費用較少,對應圖5(b)中約束激勵資金范圍D+H的下限最小,僅0.26 億元;2017 年由于水源區(qū)部分河湖治理工程剛完成施工招標,未全面開工建設,年度投資較少,因此對應圖5(a)中約束激勵資金范圍D+F和D+H的下限最小,對應圖5(b)中約束激勵資金范圍D+F的下限最小,D+H的上限最小,為8.54 億元;隨著調水量的逐年增多,近幾年水源區(qū)河湖治理工程投資也在不斷加大,2019年度投資最多,達到23.45億元,對應圖5(a)中約束激勵資金范圍D+F和D+H的下限最大,對應圖5(b)中約束激勵資金范圍D+F的下限最大,D+H的上限最大,為48.32億元。
圖5 南水北調東線工程生態(tài)補償約束激勵范圍Fig.5 The scope of ecological compensation constraint incentives for the Eastern route of South-to-North Water Transfer Project
跨流域調水工程生態(tài)補償是協(xié)調水源區(qū)和受水區(qū)利益的有效途徑,本文通過建立生態(tài)補償演化博弈模型對跨流域調水工程水源區(qū)和受水區(qū)政府之間的演化穩(wěn)定策略進行分析。以南水北調東線工程為例,基于加權移動平均的排污權交易法確定水源區(qū)2014-2019 年的生態(tài)補償標準,最后得到南水北調東線工程生態(tài)補償演化博弈結果。主要結論如下:
(1)博弈理論能夠更好地解決決策主體的利益均衡問題,將其引入到跨流域調水工程生態(tài)補償研究中,發(fā)現(xiàn)僅依靠水源區(qū)和受水區(qū)地方政府的自身演化無法實現(xiàn)最優(yōu)穩(wěn)定均衡策略,引入上級政府的約束激勵機制可推動其實現(xiàn)最優(yōu)穩(wěn)定均衡策略,達到社會效益最優(yōu)。
(2)引入加權移動平均法預測南水北調東線工程水源區(qū)2014-2019 年的排污權,預測結果能夠較為準確地反映水源區(qū)污染排放量的變化情況,在此基礎上測算水源區(qū)各城市2014-2019年的生態(tài)補償標準,均不超過其GDP 的0.5‰,水源區(qū)整體2014-2019 年的生態(tài)補償標準分別為0.26、1.13、3.98、5.07、4.21、3.28 億元。
(3)基于約束激勵機制的生態(tài)補償演化博弈模型,確定2014-2019 年南水北調東線工程實現(xiàn)最優(yōu)穩(wěn)定均衡策略(水源區(qū)保護,受水區(qū)補償)時上級政府的約束激勵范圍,明確了上級政府的約束激勵資金(D+F)不低于水源區(qū)生態(tài)環(huán)保投入的兩倍和受水區(qū)生態(tài)補償費用是實現(xiàn)最優(yōu)穩(wěn)定均衡策略的必要條件,為南水北調東線工程生態(tài)補償機制的建立提供了決策依據(jù)和研究思路。