南水北調中線工程突發水污染生態補償機制研究

劉鋼, 李睿萌, 段睿睿, 牛富

(1.天津大學 復雜管理系統實驗室,天津 300072; 2.天津大學 管理與經濟學部,天津 300072;3.中國人民大學 信息學院,北京 100084; 4.河北工程大學 水利水電學院,河北 邯鄲 056038)

南水北調中線工程自2014年底實現全線通水以來,產生了顯著的經濟、社會和生態效益。但由于中線工程干渠具有單干渠調水、輸水距離長、地勢復雜、途經城市密集等特征,突發水污染風險已成為制約中線工程可持續調水的重大安全隱患,為防控突發水污染引發的系統性風險,亟須構建南水北調中線工程突發水污染的生態補償機制。本文從多利益相關者合作視角出發,結合南水北調中線工程實際情況,構建南水北調中線局(簡稱中線局)與納污地政府之間的利潤特征函數,基于合作博弈理論構建突發水污染生態補償的納什議價模型,建立突發水污染狀態的生態補償機制,以利于多部門協同治理南水北調中線突發水污染,對減少突發水污染綜合損失,保障南水北調中線工程安全穩定運行具有重要意義。

流域生態補償是國內外學者關注的重點,已經取得了顯著的成果。李國英[1]、董戰峰等[2]提出了生態補償的框架和思路,秦艷紅等[3]、喬旭寧等[4]對國內外生態補償措施進行了分析總結并提出改善建議,王慧杰等[5]、王俊燕等[6]研究了跨省流域生態補償協商機制的構建,韓艷利等[7]、楊玉霞等[8]研究了黃河流域水生態補償機制,SHEN J Q等[9]基于期望理論和演化博弈論研究了企業決策行為及其流域生態補償的影響因素,GAO X等[10]基于生態系統服務價值確定了流域生態補償標準,張婕等[11]基于多主體多議題的協商管理模型構建了上下游之間關于水污染補償方案的協商模型,劉葉葉等[12]基于污染損失和逐級協商進行了生態補償量化研究,CHEN J F等[13]以南水北調中線工程為例研究了基于水價值核算的生態補償定量評價。已有流域(包括南水北調)生態補償研究主要關注單向污染補償問題,而考慮多利益相關者協同的南水北調突發性水污染生態補償問題是南水北調中線工程運營期的新問題,亟須從理論上回答該問題。

流域突發水污染生態補償必須考慮多利益相關者協同決策中的議價能力差異問題,合作博弈理論是解決多利益相關者損益分攤問題的基礎理論,其中,納什議價模型方法是國內外學者重點關注的方法,已取得了一系列的研究及應用成果?？诅娴萚14]基于納什議價模型研究了最優初始水權分配方案和水資源費率方案,蘇心玥等[15]基于納什議價模型設計了符合北京市跨區水資源博弈特點的配置機制,DEGEFU D M等[16]將破產理論與不對稱納什議價理念相結合提出了解決水資源稀缺下跨界流域水資源共享問題的水資源分配框架,JANJUA S等[17]提出在天然氣短缺下利用不對稱的天然氣分配議價模型來解決巴基斯坦天然氣的供需不匹配問題,帥軒越等[18]提出了一種基于納什議價理論的多電熱綜合能源系統的多目標優化運行模型,李陳華等[19]采用納什議價模型研究了農戶和企業在糧食收購過程中的議價問題,武敏霞[20]基于納什議價模型研究了PPP項目中的收益分配問題,王英等[21]運用納什議價方法研究了機構之間科普資源共享的投資成本分攤問題,崔天生等[22]基于納什議價模型研究了主機商和供應商之間針對包裝容器回收逆物流的利益分配問題。納什議價模型具有信息數據需求少、能夠有效辨識利益相關者互饋關系的優點,在很多領域得到了廣泛應用[23]。在流域生態補償問題中,多利益相關者議價能力差異分析是近期學界重點研究的問題。

綜上所述,南水北調中線工程突發水污染的生態補償問題依然存在技術難點,關鍵是在突發水污染狀態條件下怎樣設計成本核算和損益分攤機制,納什議價模型能夠有效解決多利益相關者的損益分攤問題。因此,本文從多利益相關者合作視角出發,結合南水北調中線工程實際情況,考慮干渠與納水區污染同步發生的突發水污染狀況,結合多利益相關者的議價能力的差異性,基于合作博弈理論構建突發水污染生態補償的納什議價模型,以期建立突發水污染狀態的生態補償機制。

1 模型構建

1.1 問題概化與基本假設

定義N={1,2,…,n},為南水北調中線沿線地方政府的集合;n為南水北調中線沿線地方政府數量;M={1,2,…,m},為南水北調中線沿線納污地政府的集合;m為南水北調中線沿線納污地政府數量。

當南水北調中線干渠內發生突發污染時,將在m個退水河道(m∈N*,N*為可退水的中線沿線地方政府集合)中以“成本最小化”為原則選擇最優納污地進行退水,從而造成該納污地政府的社會、經濟、生態的綜合損失。合作聯盟的總損失為渠道治污成本和納污地綜合損失之和,博弈聯盟目標為最小化突發水污染造成的損失和減少中線斷供天數。突發水污染狀態下納污地政府綜合損失構成如圖1所示。

圖1 突發水污染狀態下納污地政府綜合損失構成

假設中線局采用生態補水方式補償納污地政府接受因突發水污染造成的綜合損失。為保障模型的有效性,以實地調研資料為基礎,提出基本假設如下:

假設1突發水污染事件與納污地政府無關,由中線局承擔主要責任;

假設2納污地政府至少擁有2個水源,所有水源中中線水處理成本最低;

假設3突發水污染退水造成的河道污染不納入對地方河長的考核;

假設4所有納污河道均可排污,不存在河道堵塞等問題;

假設5納污地政府的中線水供水、備用水源進水、生態補水的流速一致。

1.2 主體損益函數構建

1.2.1 中線局的損益函數

南水北調中線輸水干渠地跨河南、河北、北京、天津4個省(市),當發生突發水污染事件且污染責任在中線局一方時,中線局有義務及時進行污染物治理。在突發水污染狀況下,中線局的成本包括治理渠道內污水造成損失的成本、對納污地政府進行正常供水和生態補水的成本,則中線局的損益函數可表達為:

(1)

1.2.2 納污地政府的損益函數

在突發水污染狀態下,納污地政府將支付納污河道治污損失、備用水源等成本,同時可獲得中線局給予的生態補償。納污地政府的損益函數可表示為:

(2)

突發水污染的生態損失成本Ce的核算根據環境保護部辦公廳2014年10月印發的《環境損害鑒定評估推薦方法(第Ⅱ版)》,結合南水北調中線工程應急排污的特點,從人身損害、財產損害、生態環境損害、應急處置費用及其他事務性費用5個方面進行的,具體公式如下:

(3)

式中:Zi為納污地損失;L、F、E、G、O分別為人身、財產、生態、應急、其他等損失項;D為人身死亡損失;Q為人身傷殘損失;Xi為第i位死者的死亡賠償金;Yi為第i位死者的喪葬費;Zk1、Zk2、…、Zk8分別表示第k位患者的誤工費、醫療費、護理費、治療期交通費、住院伙食補償費、殘疾賠償金、殘疾人生活補助金、殘疾輔助器具費;M為固定資產損失;I為工業停產造成的損失;A為農業損失;Ni為受污染土地恢復年限;Pi為受污染土地租金價格;Mi為受污染土地面積;G1為應急人員費用支出;Si為第i種應急人員數量;Ji為第i種應急人員日工資標準;D為應急天數;G2為應急物資費用支出;Vi為第i種應急物資價值;Qi為第i種應急物資數量;k為受害者(傷、亡)數量。

1.3 突發水污染處理合作聯盟函數

S={1,2},為參與協商的利益主體i的集合, (U,di)表示中線局與納污地政府之間的生態補償協商機制建立的問題。其中,U表示雙方基于納什議價方法最終可能達成的所有效用對的集合,U∈R2;di表示二者之間無法有效協商時的效用對,即無協議點,有di∈U。

假設1集合U的帕累托邊界Ω是一條凹函數曲線,其定義域為閉區間I?R。同時,存在ui={ui:|ui>di,ui∈I},其中ui表示形成合作時的效用。

假設2滿足弱帕累托有效的效用對集合Ω′閉合。

NASH J F[24]證明了存在唯一滿足上述假設的納什議價解f(U,d);RUBINSTEIN A[25]考慮了不同主體議價能力的差異性,提出了不對稱納什議價模型,即在納什模型中加入議價能力系數λ(λ∈(0,1)),λ表示議價雙方的談判技巧、風險偏好等特質。因此,定義突發水污染情況中的中線局與納污地政府之間的納什議價模型如下:

(4)

式中:u1、u2分別為中線局和納污地政府的利潤特征函數;χ為合作總利潤。

(5)

當建立合作聯盟失敗時,地方政府采用其他水源進行補償,中線局與其他地方政府重新協商退水,二者均可保留一定效用。因此,考慮兩類主體的機會成本,定義無協議點如下:

(6)

式中:k1為中線局與其他政府建立生態補償協商機制的替代系數,考慮到構建合作聯盟之前已測量確定了距離污染點最近的地方政府,若考慮重新與其他政府合作將增加排污及協商成本,故0≤k1<1;d1為中線局與其他政府合作可能獲得的效用;k2為政府采取備用水源的概率,因假設備用水源水質差于中線局供給的南水北調水水質,地方政府的利潤將有所下降,故0≤k2<1;d2為政府采取備用水源的效用。

由納什議價定理知式(5)的最優解為:

(7)

為便于表達,定義參變量β1、β2分別為:

β1=k1+(1-k1)λ,

(8)

β2=(1-k2)λ。

(9)

(8)

則突發水污染時,中線局應向納污河道所在地方政府進行生態補水的最優規模Qe為:

(9)

2 案例分析

2.1 案例介紹

以河南省鄧州市為案例。鄧州市是南水北調中線工程的水源地、渠首段和引水閘所在地,其南水北調工程的渠道長37.4 km,共設置有3個口門、3座渡槽、3個退水閘。南水北調工程有效緩解了鄧州市水資源短缺問題。解決好水污染事件特別是靈活應對及處理突發水污染事件是保證鄧州市人民飲水安全、維持南水北調中線工程穩定長效的重要一步。

2.2 數據來源

中線局水價數據來源于國家發展改革委發布的《關于南水北調中線一期主體工程運行初期供水價格政策的通知》(發改價格【2014】2959號),鄧州市水價數據來源于(豫發改價管【2010】168號)。其中,鄧州市的農業用水、居民用水、工業用水、生態環境用水數據來源于《鄧州市水資源公報》(2019年)。鄧州市第一、二、三產業的GDP數據來源于《鄧州市國民經濟和社會發展統計公報》(2021年)。假設鄧州市地方政府確認從湍河退水閘口進行退水(流速qi為5 m3/s)。其他數據由實地調研情況并咨詢相關專家確定,最終核定相關參數見表1。

表1 南水北調中線工程鄧州段的相關參數值

2.3 結果與分析

2.3.1 生態補水天數與突發水污染總損失的關聯特征

為研究突發水污染總損失的改變對中線局生態補水天數的影響,考慮到不同污染點位對于突發水污染損失的影響不同,聚焦鄧州市水污染的平均損失,開展突發水污染總損失的敏感性分析?？紤]突發水污染下中線局和納污地政府的議價能力差異,結合模型(4)設定的議價能力系數λ的取值范圍,設計3種議價能力特征,即λ=0.1、0.5、0.9,分別代表中線局處于議價能力弱勢、平等、強勢的議價能力身份。取議價能力系數λ=0.1、0.5、0.9,辨析中線局議價能力對此敏感性的影響規律,結果如圖2所示。圖2中的橫坐標為模擬的鄧州市納污總損失,左側縱坐標為中線局開展生態補水所需天數te,右側的縱坐標為對應的生態補水規模Qe,分別考慮λ=0.1、0.5、0.9時鄧州市納污總損失與中線局生態補水天數的關系可以發現,當納污總損失為2.64億元時,不同λ取值均對應te=123.64 d,此時中線局議價能力對生態補水天數無影響;當納污總損失低于2.64億元時,λ越大,te越大;當納污總損失高于2.64億元時,λ越大,te越小。

圖2 生態補水天數與突發水污染總損失的關聯特征

因退水河流可能存在于農村的農田灌溉系統和城市的河湖水系,考慮到不同退水河流導致的退水損失差異性顯著問題,由于南水北調中線工程尚未發生實際退水,因此,以鄧州市第一產業GDP和第二、三產業GDP的占比表征退水行為發生在農村和城市時的損失比例,用城鄉GDP比重與城市平均納污損失相乘計算不同區域的退水損失情況。針對鄧州市數據,退水行為發生在農村和城市的污染損失比例約為1∶4。

總體來看:首先,生態補水天數與納污總損失呈現出顯著的正向相關關系,損失越大,補水天數越長,補水規模越大;其次,伴隨納污總損失逐步增大,中線局議價能力對補水天數的影響能力呈現出邊際遞減特征,損失越大,中線局議價能力的影響越小;最后,對于納污地政府來說,退水行為發生在城市的納污損失遠大于發生在農村的。

2.3.2 生態補水成本的規模效應分析

中線局生態補水成本即為生態補水時中線局需承擔的運營成本,為分析生態補水天數是否會造成運營成本變化,分析中線局生態補水成本隨補水天數變化的規模效應。分別取λ=0.1、0.5、0.9,分析中線局議價能力對補水天數和補水規模的影響規律,結果如圖3所示。

圖3 生態補水成本的規模效應分析

圖3中的橫坐標為中線局生態補水成本ce1,主縱坐標為生態補水天數te,次縱坐標為生態補水規模Qe,進一步考慮λ=0.1、0.5、0.9時分析ce1、Qe與te的關系。從圖3中可以發現,隨著ce1增大,te呈現指數增加的規律。當ce1=0.158元/m3時,不同λ取值均有te=36.65 d,中線局議價能力對補水天數無影響;當ce1≤0.158元/m3時,λ越小,te越小;當ce1≥0.158元/m3時,λ越小,te越大且漲幅也越快。

總體來看,生態補水成本與生態補水天數具有顯著的正向相關關系,中線局生態補水成本隨生態補水規模呈現邊際遞增規律,即當補水天數增加導致生態補水規模擴大時,生態補水成本呈現上升趨勢,這與傳統微觀經濟學中運營成本具有隨生產規模邊際遞減規律不同,主要由于中線局生態補水成本對生態補水總損益的影響較小,且該成本項所對應的運營管理成本具有隨時間擴大特征,即中線局處理突發水污染的治理成本占中線局運營管理成本的比例很低,不足以引起顯著變化。另外,隨著中線局議價能力的增強,生態補水成本的規模效應呈現一定的弱化趨勢。

2.3.3 中線局議價能力的敏感性分析

為分析中線局議價能力對生態補水天數和規模的影響能力,對議價能力λ進行敏感性分析,取λ=0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9,結果如圖4所示。圖4中的橫坐標為議價能力系數λ,主縱坐標為生態補水天數te,次縱坐標為生態補水規模Qe,柱狀圖描述λ取特征值時對應的te,折線圖描述的是λ取特征值時對應的Qe。

圖4 中線局議價能力敏感性分析

由圖4可以發現,te、Qe與λ存在正向相關關系;當0.1≤λ≤0.2時,隨著λ的增大,te、Qe增幅較大;當λ=0.2時,te、Qe取得最大邊際增速,Qe增幅為28.57%;當0.2<λ≤0.9時,隨著λ的增大,te、Qe增幅逐漸減小。

總體來看,一方面,隨著中線局議價能力的提高,突發水污染的生態補水時間與生態補水規模均隨之升高(存在極值),表明在一定生態補水規模范圍內,中線局與納污地政府具有相同的損益偏好,能夠達成有效的合作聯盟。另一方面,當中線局議價能力極弱時(λ<0.2),議價能力與te、Qe的敏感性較強,即中線局議價能力的微弱變化將顯著影響te、Qe;當中線局具備一定議價能力時(λ>0.2),議價能力系數λ的敏感性逐漸降低。

3 結論與展望

綜上所述,針對南水北調中線工程干渠突發性水污染事件時中線局采用生態補水方式對納污地政府進行生態補償的機制設計問題,文中從多利益相關者合作視角出發,結合南水北調中線沿線城市的實際情況,構建了中線局與納污地政府合作聯盟的損益特征函數,基于合作博弈理論,構建突發水污染生態補償時中線局與納污地政府之間的納什議價模型,并以河南省鄧州市為例開展案例研究,主要研究成果表明:①生態補水天數與納污總損失呈現出顯著的正向相關關系;且伴隨納污總損失的逐步增大,中線局議價能力對補水天數的影響能力呈現出邊際遞減特征。②中線局生態補水成本與生態補水天數具有顯著的正向相關關系;隨著中線局議價能力的增強,生態補水成本的規模效應呈現一定的弱化趨勢。③在一定生態補水規模范圍內,議價能力系數與納什議價的生態補水天數呈正相關關系,中線局與納污地政府具有相同的損益偏好,能夠達成有效的合作聯盟。

由于中線局只有運營管理義務,目前沒有多余的財政撥款進行經濟手段方面的污染補償,未來在財政撥款增加的情況下,應進一步研究經濟手段和生態補償相結合的方式,探討橫縱結合的立體式生態補償機制。雖然南水北調中線工程存在單干渠調水、輸水距離長、地勢復雜、途經城市密集等難題,但在南水北調中線局與沿線地方政府的協同努力下,截至目前尚未爆發過啟用應急退水的突發水污染情況,因此本文僅能采取案例研究方式推演發生突發水污染時的場景,無法開展實證研究,未來應進一步加強突發水污染場景的參數厘定,設計跨區域橫縱結合的生態補償機制,為保障南水北調中線工程健康可持續運營提供應急決策依據。