高旭闊, 薛佳麗

(西安建筑科技大學(xué) 管理學(xué)院, 陜西 西安 710055)

西部中小城市再生水項目投資效率研究

高旭闊, 薛佳麗

(西安建筑科技大學(xué) 管理學(xué)院, 陜西 西安 710055)

[目的] 分析影響再生水投資效率的各項因素，為全面評價西部中小城市再生水項目投資效率提供理論基礎(chǔ)。 [方法] 以陜西省渭南市為例，運用系統(tǒng)動力學(xué)方法，通過計算機仿真模擬渭南市2005—2014年的污水處理率、污水處理投資總額、污水處理項目總產(chǎn)出等因素的變化趨勢，并在總產(chǎn)出中考慮再生水項目的外部效果來比較投資效率的變化。 [結(jié)果] 渭南市近10 a來污水處理率逐年提高，傳統(tǒng)評價方法得出投資效率呈遞減趨勢，而考慮外部效果的投資效率逐年遞增。[結(jié)論] 考慮再生水項目外部效果的評價方法可以全面、綜合地研究再生水項目的投資效率，為再生水項目的建設(shè)提供決策支持。

西部中小城市; 再生水; 系統(tǒng)動力學(xué); 投資效率

文獻參數(shù)： 高旭闊, 薛佳麗.西部中小城市再生水項目投資效率研究[J].水土保持通報，2017,37(2)：142-147.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.02.021； Gao Xukuo, Xue Jiali. Investment Efficiency of Reclaimed Water Projects in Small and Medium Cities in Western China[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(2)：142-147.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.02.021

我國水資源分布空間差異較大，西北部地區(qū)人口比例為全國的46%，而水資源總量只占全國的19%。為緩解水資源緊張的狀況，城市污水經(jīng)過處理后再生回用日漸受到人們的關(guān)注。在西部及北方主要缺水城市中，北京、天津等大城市再生水回用項目得到一定程度的應(yīng)用，產(chǎn)生了良好的社會、經(jīng)濟效果[1]。但在許多中小城市卻并不理想。目前我國中小城市污水處理基本上以政府投資為主，一方面，資金投入不能與污水處理量的增幅相適應(yīng)[2]；另一方面投入運行的污水處理廠負荷不足，產(chǎn)生了資源浪費，究其原因主要是污水處理廠規(guī)模設(shè)計不合理，配套管網(wǎng)、污水廠運營管理等顯著滯后于污水處理廠的建設(shè)與發(fā)展[3]。至于污水處理后的污泥處理和再生水回用更不理想，41.18%的中小城市污水處理廠直接將含水率達80%的污泥衛(wèi)生填埋，只有少數(shù)采用焚燒、堆肥的處理方式，有76.67%的污水處理廠再生水回用量為零[4]。種種現(xiàn)象表明，中小城市的再生水(污水處理)項目的投資效率不容樂觀。本研究基于系統(tǒng)動力學(xué)方法，以渭南市再生水項目的投資效率為研究對象，模擬仿真其投資效率的動態(tài)變化，以期為解決西部地區(qū)中小城市再生水項目投資短缺，效率低等問題提供借鑒和參考。

1 研究方法與模型構(gòu)建

1.1 理論概述

經(jīng)濟學(xué)意義上的投資效率，通常是指在投資活動中投入與產(chǎn)出之間的對比關(guān)系。再生水項目作為市政基礎(chǔ)設(shè)施之一，具有與其他基礎(chǔ)設(shè)施相同的公益性、社會性、投資額大、建設(shè)周期長的特點，長期以來都是政府投融資建設(shè)的對象。對于再生水回用這類政府主導(dǎo)建設(shè)的項目而言，投資效率是政府在投資活動中所取得的有效成果與消耗或者占用的投入額之間的比率[5]。其核心是政府城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投資的資金使用效率和資源的配置效率。系統(tǒng)動力學(xué)(system dynamics， SD)是一種研究復(fù)雜系統(tǒng)行為的方法，適于研究隨時間變化的復(fù)雜系統(tǒng)問題，最初由麻省理工學(xué)院福瑞斯特[6]于1956年創(chuàng)立。系統(tǒng)動力學(xué)模型是一種因果機理性模型，它強調(diào)系統(tǒng)行為主要是由系統(tǒng)內(nèi)部的機制決定的；擅長處理高階次、非線性、長期性和周期性的復(fù)雜題；在數(shù)據(jù)不足及某些參量難以量化時，以反饋環(huán)為基礎(chǔ)依然可以做一些研究。由于系統(tǒng)動力學(xué)在研究復(fù)雜的非線性系統(tǒng)方面具有無可比擬的優(yōu)勢，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于社會、經(jīng)濟、管理、資源環(huán)境等諸多領(lǐng)域。系統(tǒng)動力學(xué)廣泛應(yīng)用于效率的研究，如李旋旗等[7]用系統(tǒng)動力學(xué)方法構(gòu)建了住區(qū)形態(tài)變遷對城市代謝效率影響的系統(tǒng)動力學(xué)模型，研究發(fā)現(xiàn)交通效率與住房效率的下滑是最主要的原因。俞海宏等[8]運用系統(tǒng)動力學(xué)的研究方法，構(gòu)建了港口群效率的系統(tǒng)動力學(xué)模型并進行仿真分析。Lin等[9]針對醫(yī)院服務(wù)系統(tǒng)運行效率的優(yōu)化問題，考慮手術(shù)流程中醫(yī)療資源的不同配置，建立了多目標仿真模型，計算得到最短等待時間和服務(wù)時間。陳光宇，王惟賢等[10]將考慮資源約束及其產(chǎn)出的改進DEA算法與系統(tǒng)動力學(xué)仿真模型相結(jié)合，提出了大科學(xué)工程項目效率動態(tài)評價方法。系統(tǒng)動力學(xué)方法是一種目標導(dǎo)向的仿真方法，可以考慮到所有影響因素而對復(fù)雜系統(tǒng)進行建模。通過因果反饋圖進行定性分析，然后確定不同要素之間的影響關(guān)系，建立項目效率的量化模型，通過建立模型考慮到諸多因素的影響對效率進行仿真。因此，可以通過系統(tǒng)動力學(xué)方法來研究項目的投資效率。

1.2 再生水項目投資效率系統(tǒng)動力學(xué)模型的構(gòu)建

1.2.1 系統(tǒng)因果關(guān)系圖 因果關(guān)系是剖析系統(tǒng)各變量間的相互關(guān)系，它是系統(tǒng)動力學(xué)建模的基礎(chǔ)，是對系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)關(guān)系的定性描述。通過建立因果關(guān)系圖，可以直觀地反饋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的框架。本文在對污水處理行業(yè)調(diào)查的基礎(chǔ)上，根據(jù)需水量、污水處理量和污水處理投資3個主要因素之間的因果反饋關(guān)系構(gòu)建再生水項目動態(tài)投資運行模型(圖1)。

注：“+”表示正反饋關(guān)系； “—”表示負反饋關(guān)系。

1.2.2 系統(tǒng)模型方程 在因果關(guān)系圖的基礎(chǔ)上，運用Vensim軟件，從再生水項目的污水處理率、污水治理投資總額和污水處理項目收益3方面，根據(jù)系統(tǒng)運行的狀態(tài)、速率變量、輔助變量、方程等構(gòu)建再生水項目投資效率系統(tǒng)動力學(xué)模型，模型中主要方程如下：

1.2.2.1 污水排放總量相關(guān)方程

(1) 排污水平增加量=城市生活污水排放量系數(shù)×排污水平增加率

(2) 城市生活污水排放量系數(shù)=INTEG(排污水平增加量，0.9)

(3) 人口增長數(shù)=城市總?cè)丝凇磷匀辉鲩L率

(4) 城市總?cè)丝? INTEG(人口增長數(shù)，531.36)

(5) 城市生活需水量=城市總?cè)丝凇?50×365×0.001

(6) 城市生活污水排放量=城市生活污水排放量系數(shù)×城市生活需水量

(7) 工業(yè)生產(chǎn)總值增長值=工業(yè)生產(chǎn)總值×工業(yè)生產(chǎn)總值增長率

(8) 工業(yè)生產(chǎn)總值= INTEG(工業(yè)生產(chǎn)總值增長值，388728)

(9) 工業(yè)用水總量=工業(yè)生產(chǎn)總值×0.015

(10) 工業(yè)污水排放量=工業(yè)污水排放量系數(shù)×工業(yè)用水總量

(11) 污水排放總量=城市生活污水排放量+工業(yè)污水排放量

1.2.2.2 污水處理率相關(guān)方程

(1) 處理設(shè)施增長量=污水治理設(shè)施數(shù)×設(shè)施增長率

(2) 污水治理設(shè)施數(shù)= INTEG(處理設(shè)施增長量，100)

(3) 污水處理總量=污水治理設(shè)施數(shù)×0.25×365

(4) 污水處理率=污水處理總量/污水排放總量

1.2.2.3 污水處理項目總產(chǎn)出相關(guān)方程

(1) 人均支付意愿增加值=人均支付意愿×人均支付意愿增加率

(2) 人均支付意愿= INTEG(人均支付意愿增加值，0.3)

(3) 環(huán)境效益=人均支付意愿×污水處理總量

(4) 污水處理經(jīng)濟貢獻增加值=污水處理經(jīng)濟貢獻值×污水處理經(jīng)濟貢獻增加率

(5) 污水處理經(jīng)濟貢獻值= INTEG(污水處理經(jīng)濟貢獻增加值，8)

(6) 社會效益=污水處理總量×污水處理經(jīng)濟貢獻值×0.1

(7) 排污費增加值=排污費×排污費增加率

(8) 經(jīng)濟效益=排污費=INTEG(排污費增加值，3 959.96)

(9) 污水處理項目總產(chǎn)出=經(jīng)濟效益+環(huán)境效益+社會效益

1.2.2.4 投資效率相關(guān)方程

(1) 城市污水處理投資增加值=城市生活污水處理基礎(chǔ)設(shè)施投資×城市污水處理投資增加率

(2) 城市生活污水處理基礎(chǔ)設(shè)施投資=INTEG(城市污水處理投資增加值，10 297.4)

(3) 工業(yè)污水治理運行費用增加值=工業(yè)污水治理設(shè)施運行費用×工業(yè)污水治理運行費用增加率

(4) 工業(yè)污水治理設(shè)施運行費用= INTEG(工業(yè)污水治理運行費用增加值，9 189.72)

(5) 污水治理投資總額=城市生活污水處理基礎(chǔ)設(shè)施投資+工業(yè)污水治理設(shè)施運行費用

(6) 投資效率1=經(jīng)濟效益/污水治理投資總額

(7) 投資效率2=污水處理項目總產(chǎn)出/污水治理投資總額

1.3 模型檢驗

1.3.1 數(shù)據(jù)來源 渭南市轄2區(qū)兩市8縣，地處陜西關(guān)中東部，是陜西省重要的工農(nóng)業(yè)基地。渭南市水資源總量不足[11]，人均單位面積平均水資源占有量分別為6 075和3 570 m3/hm2，排列陜西10個地(市)第9位；分別為全省平均水平的1/3，1/4略高，其人均水資源水平幾乎相當美國1975年人均實際用水水平3.79×104m3/hm2的11%，屬于我國西部地區(qū)典型的中小型缺水城市。本研究以渭南市為例進行模擬仿真，模型中采用的數(shù)據(jù)均來自《陜西統(tǒng)計年鑒》等，模型中參數(shù)的設(shè)置是根據(jù)系統(tǒng)模型方程中各變量之間的關(guān)系，根據(jù)2005年以來的相關(guān)數(shù)據(jù)，運用平均增長法、統(tǒng)計分析法等分析擬合而得，各流速變量的初始值選取2005年的數(shù)值(表1)。

表1 主要變量的初始值

1.3.2 模型的有效性檢驗 模型的有效性檢驗是將模型的仿真結(jié)果與實際情況進行比較，即比較系統(tǒng)行為和歷史數(shù)據(jù)的擬合程度，并在此基礎(chǔ)上反復(fù)修改更正模型，以保證模型的有效性。對渭南市再生水投資效率模型中的工業(yè)污水治理設(shè)施運行費用、城市總?cè)丝?、城市生活污水處理基礎(chǔ)設(shè)施投資這3個主要變量2005—2014年的仿真結(jié)果與實際數(shù)據(jù)相比較(表2)。從表2可以看出，仿真值與統(tǒng)計值的相對誤差均小于10%，相對誤差大于5%的值有6個，占總統(tǒng)計數(shù)值的20%,考慮到社會政策的變動，生活水平的提高等因素，可以認為所構(gòu)建的模型具有較好的有效性和模擬性。

表2 渭南市再生水投資效率模型歷史性檢驗

注：相對誤差=(統(tǒng)計值—仿真值)/統(tǒng)計值。

2 結(jié)果與分析

2.1 仿真結(jié)果分析

根據(jù)本文的研究目的，運用系統(tǒng)動力學(xué)仿真軟件Vensim對模型中的污水排放量、污水處理總量、污水處理率、污水處理投資效率等主要變量進行仿真模擬，仿真時間為2005—2014年，仿真步距為1 a，初始仿真時間和各流速變量的初始值均選取2005年的數(shù)值，模擬運行結(jié)果詳見表3。

表2—3的仿真結(jié)果顯示，渭南市近年來城市總?cè)丝谄骄鲩L率為0.3%，增長趨勢緩慢，隨著近年來城市化進程的加快，人民生活水平提高，居民排污水平也相應(yīng)的有所提高，使得城市生活污水排放量呈遞增趨勢，從2005年的2.62×108t增長到2014年的2.81×108t；2005—2014年渭南市工業(yè)生產(chǎn)總值的平均增長率為20%，工業(yè)用水總量隨之顯著增長，而經(jīng)過統(tǒng)計工業(yè)用水重復(fù)利用率基本保持在85%左右，因此污水處理總量呈剛性遞增趨勢，到2014年增長到4.51×107t；由于污水治理設(shè)施逐年增加以及污水處理技術(shù)不斷改進，污水處理總量也在逐年上升，到2014年達到2.74×108t；隨著污水處理能力的上升，污水處理率也呈遞增趨勢，到2014年污水處理率達到83.97%；污水治理投資總額也在不斷增長，從2010年開始增長趨勢加快，2014年污水治理投資總額較2005年相比，增長了近4倍，而污水處理的投資效率很低，并且呈遞減趨勢。

表3 渭南市再生水投資效率模型主要變量模擬仿真結(jié)果

污水排放總量取決于工業(yè)污水排放量和城市生活污水排放量這2個變量，污水處理率取決于污水排放總量和污水處理總量。綜合表3的仿真結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)渭南市污水處理率上升，但投資效率降低的主要原因有： (1) 城市總?cè)丝诤凸I(yè)總產(chǎn)值的不斷增加使得城市需水量逐年遞增，這種剛性需求的增長使得污水排放總量呈遞增趨勢，隨著污水排放總量的遞增以及對環(huán)保問題的重視，大大增加了污水處理的需求。 (2) 污水處理設(shè)施的增加以及處理技術(shù)的進步，使得污水處理能力穩(wěn)步上升；工業(yè)污水排放量的增加速率雖然較快，但僅占總污水排放量的15%左右，污水排放量主要還是由城市生活污水排放量決定，而考慮居民排水水平提高后的城市生活污水排放量的增加速率為0.8%，遠小于污水處理能力的增加速率，從而使得污水處理率逐年上升。 (3) 近年來，對污水排放問題越來越重視，各大政策相繼出臺，政府對污水處理水質(zhì)的監(jiān)管也越來越嚴格，使得污水治理投資大幅增長，污水治理投資總額的增加使得污水處理總量呈遞增趨勢，從而提高了污水處理率。由于再生水項目的特殊性決定了它不以營利為目的，項目的主要經(jīng)濟收入僅為征收的排污費，僅以該指標作為項目的產(chǎn)出來評價再生水項目的投資效率，得出項目的投資效率很低，并呈現(xiàn)逐年遞減的趨勢。

2.2 考慮外部效果的再生水項目投資效率研究

前文提到，對于再生水回用這類政府主導(dǎo)建設(shè)的項目而言，投資效率是政府在投資活動中所取得的有效成果與消耗或者占用的投入額之間的比率。投資效率傳統(tǒng)評價方法僅考慮項目經(jīng)濟效益，考慮到再生水項目的特殊性，在產(chǎn)出中考慮項目的外部效果，則再生水項目的產(chǎn)出應(yīng)該包括經(jīng)濟效益、環(huán)境效益和社會效益3部分。為進一步研究再生水項目的投資效率，對再生水項目的投資效率進行兩種情景下的仿真模擬，并通過比較仿真結(jié)果來比較兩種評價結(jié)果。其中，情景1表示模型各初始參數(shù)值不變，再生水項目的產(chǎn)出僅考慮項目的經(jīng)濟效益，經(jīng)濟效益以項目收取的排污費來量化；情景2中再生水項目的產(chǎn)出包括經(jīng)濟效益、環(huán)境效益和社會效益，參照文獻[12]中對西安市再生水外部效果的量化結(jié)果，對環(huán)境效益以居民愿意使用再生水的人均支付意愿來量化，社會效益以每單位再生水所創(chuàng)造的國內(nèi)生產(chǎn)總值來量化，項目外部效果初始值選取2005年的數(shù)值，主要參數(shù)詳見表4。

表4 再生水項目外部效果參數(shù)取值

從表5可以看出，隨著污水排放量的增加，以及渭南市政府對污水排放水質(zhì)監(jiān)測的加強，征收的排污費逐年上漲，反映了再生水項目的經(jīng)濟效益是逐年遞增的；再生水項目的環(huán)境效益體現(xiàn)在人們對再生水可持續(xù)利用的意愿、污水處理后對水資源的改善等方面，隨著近年來人們環(huán)保意識的提升和對再生水資源的認識，政府大力倡導(dǎo)污水的再生利用，人們對再生水的支付意愿也逐年增長，再生水項目的環(huán)境效益也逐年增加；近年在政府的主導(dǎo)下，再生水項目的建設(shè)逐漸增多，給很多居民增加了就業(yè)機會，并且再生水回用后替代水資源在國民生產(chǎn)總值中發(fā)揮著部分作用，其產(chǎn)生的社會效益也是逐年遞增的。

表5 考慮外部效果的再生水項目投資效率仿真結(jié)果 萬元

對圖2中2種情景下的再生水項目投資效率比較，可以發(fā)現(xiàn)，投資效率2的值遠高于投資效率1，并且投資效率1呈遞減趨勢，而投資效率2呈遞增趨勢，由此說明，在項目的產(chǎn)出中加入環(huán)境效益和社會效益因素后，再生水項目的投資效率顯著提高，在2010年以后，渭南市再生水項目的投資效率大于1，表明項目的產(chǎn)出大于投入，再生水項目外部效果發(fā)揮的作用越來越顯著。

圖2 不同情景下的投資效率

3 討論與結(jié)論

(1) 對渭南市2005—2014年的投資效率仿真分析發(fā)現(xiàn)，由于城市人口和工業(yè)生產(chǎn)總值的增長，城市的污水排放總量也逐年增加；隨著近年來對環(huán)保問題的重視，污水治理投資總額以及污水處理設(shè)施處理能力大幅增長，其增加速率遠高于污水排放總量的增加速率，從而污水處理效率相應(yīng)提高；

(2) 傳統(tǒng)的投資效率評價方法不考慮系統(tǒng)的外部效果，得出的結(jié)論表明再生水項目的投資效率逐年降低，資金不愿進入，不利于污水再生利用；而考慮外部效果的評價方法，能夠更加全面、綜合的分析再生水項目的投資效率，得出的結(jié)論表明再生水項目的投資效率逐年增加。因此對于再生水項目的投資與建設(shè)應(yīng)該綜合考慮其經(jīng)濟效益、環(huán)境效益和社會效益，全面分析投入與產(chǎn)出之間的關(guān)系，這樣更有利于得到政府的支持。

(3) 受統(tǒng)計數(shù)據(jù)和假設(shè)條件的限制，本文所建立的系統(tǒng)動力學(xué)模型主要考慮了城市生活和工業(yè)產(chǎn)生的污水量，考慮的影響因素并不全面，沒有考慮農(nóng)業(yè)、第三產(chǎn)業(yè)等所產(chǎn)生的污水量，在考慮環(huán)境效益和社會效益時只量化了其中的一部分，沒有全面的反應(yīng)再生水項目的外部效果，這正是下一階段的主要研究工作。

[1] 李燕群,何通國,劉剛，等.城市再生水回用現(xiàn)狀及利用前景[J].資源開發(fā)與市場,2011,27(12):1096-1100.

[2] 范麗娟,宋曉暉,范云照.淺議污水處理廠運行成本的分析與管理[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2015(32):274.

[3] 楊勇,王玉明.我國城鎮(zhèn)污水處理廠及運行現(xiàn)狀分析[J].給水排水,2011,37(8):35-39.

[4] 朱向東.中小城市如何避免“水患”.中國建設(shè)報[EB/OL],[2012-07-05](2015-03-06).http:∥www.zchb.net/news/view?id=72.

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[6] Forrester Jay W. Industrial Dynamics [M]. US: Pegasus Communications,1961.

[7] 李旋旗,花利忠.基于系統(tǒng)動力學(xué)的城市住區(qū)形態(tài)變遷對城市代謝效率的影響[J].生態(tài)學(xué)報,2012,32(10):2965-2974.

[8] 俞海宏,劉南.基于系統(tǒng)動力學(xué)的長三角港口群效率模型研究[J].中國航海,2012,35(1):98-104.

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[11] 孔曉.渭南市水資源開發(fā)利用現(xiàn)狀及對策研究[J].地下水,2011,33(2):34-35.

[12] 高旭闊.城市再生水資源價值評價研究[D].陜西 西安:西安建筑科技大學(xué),2010.

Investment Efficiency of Reclaimed Water Projects in Small and Medium Cities in Western China

GAO Xukuo, XUE Jiali

(SchoolofManagement,Xi’anUniversityofArchitectureandTechnology,Xi’an，Shaanxi710055,China)

[Objective] This study aimed to analyze the factors that affect the investment efficiency of recycled water, and to provide a theoretical basis for the comprehensive evaluating investment efficiency of the reclaimed water projects in small and medium cities in Western China. [Methods] Using the method of system dynamics, the study worked out a computer simulation of 2005—2014 in Weinan City of Shaanxi Province and illustrated the change of investment efficiency of the total output in the reclaimed water project in consideration of the external additional effect. The simulated data included the processing factors of sewage treatment rate, total amount of investment, and the project output, etc. [Results] The sewage treatment rate in Weinan City had increased gradually, but the traditional evaluation method showed a decreasing trend of the investment efficiency. The study indicated that if the external effect was considered, the evaluation of investment efficiency considering was in accordance with the actual trend of increasing. [Conclusion] On the condition of considering the external effect, the evaluation method of the reclaimed water project was comprehensive and can provide decision support for the construction of the reclaimed water project.

small and medium-sized cities in Western China; reclaimed water projects; system dynamics; investment efficiency

2016-06-08

2016-09-02

國家社會科學(xué)基金項目“考慮環(huán)境成本與收益的再生水項目投資經(jīng)濟分析研究”(15BGL140)

高旭闊(1973—),男(漢族)，陜西省西安市人,博士,教授,主要從事資源與環(huán)境經(jīng)濟分析、環(huán)境管理和經(jīng)濟評價方面的教學(xué)科研工作。E-mail:gao_xk@163.com。

薛佳麗(1992—),女(漢族),山西省霍州市人,碩士研究生,研究方向為城市建設(shè)與房地產(chǎn)經(jīng)濟與管理。E-mail:xuejl0313@163.com。

B

1000-288X(2017)02-0142-06

TV213.9， X703