劉鋼, 李睿萌, 段睿睿, 牛富

(1.天津大學 復雜管理系統(tǒng)實驗室,天津 300072; 2.天津大學 管理與經(jīng)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(diào)中線工程自2014年底實現(xiàn)全線通水以來,產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟、社會和生態(tài)效益。但由于中線工程干渠具有單干渠調(diào)水、輸水距離長、地勢復雜、途經(jīng)城市密集等特征,突發(fā)水污染風險已成為制約中線工程可持續(xù)調(diào)水的重大安全隱患,為防控突發(fā)水污染引發(fā)的系統(tǒng)性風險,亟須構(gòu)建南水北調(diào)中線工程突發(fā)水污染的生態(tài)補償機制。本文從多利益相關(guān)者合作視角出發(fā),結(jié)合南水北調(diào)中線工程實際情況,構(gòu)建南水北調(diào)中線局(簡稱中線局)與納污地政府之間的利潤特征函數(shù),基于合作博弈理論構(gòu)建突發(fā)水污染生態(tài)補償?shù)募{什議價模型,建立突發(fā)水污染狀態(tài)的生態(tài)補償機制,以利于多部門協(xié)同治理南水北調(diào)中線突發(fā)水污染,對減少突發(fā)水污染綜合損失,保障南水北調(diào)中線工程安全穩(wěn)定運行具有重要意義。

流域生態(tài)補償是國內(nèi)外學者關(guān)注的重點,已經(jīng)取得了顯著的成果。李國英[1]、董戰(zhàn)峰等[2]提出了生態(tài)補償?shù)目蚣芎退悸?秦艷紅等[3]、喬旭寧等[4]對國內(nèi)外生態(tài)補償措施進行了分析總結(jié)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(tài)補償協(xié)商機制的構(gòu)建,韓艷利等[7]、楊玉霞等[8]研究了黃河流域水生態(tài)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(yè)決策行為及其流域生態(tài)補償?shù)挠绊懸蛩?GAO X等[10]基于生態(tài)系統(tǒng)服務價值確定了流域生態(tài)補償標準,張婕等[11]基于多主體多議題的協(xié)商管理模型構(gòu)建了上下游之間關(guān)于水污染補償方案的協(xié)商模型,劉葉葉等[12]基于污染損失和逐級協(xié)商進行了生態(tài)補償量化研究,CHEN J F等[13]以南水北調(diào)中線工程為例研究了基于水價值核算的生態(tài)補償定量評價。已有流域(包括南水北調(diào))生態(tài)補償研究主要關(guān)注單向污染補償問題,而考慮多利益相關(guān)者協(xié)同的南水北調(diào)突發(fā)性水污染生態(tài)補償問題是南水北調(diào)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(fā)水污染生態(tài)補償必須考慮多利益相關(guān)者協(xié)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(guān)者損益分攤問題的基礎(chǔ)理論,其中,納什議價模型方法是國內(nèi)外學者重點關(guān)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(yōu)初始水權(quán)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(shè)計了符合北京市跨區(qū)水資源博弈特點的配置機制,DEGEFU D M等[16]將破產(chǎn)理論與不對稱納什議價理念相結(jié)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(tǒng)的多目標優(yōu)化運行模型,李陳華等[19]采用納什議價模型研究了農(nóng)戶和企業(yè)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(gòu)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(shù)據(jù)需求少、能夠有效辨識利益相關(guān)者互饋關(guān)系的優(yōu)點,在很多領(lǐng)域得到了廣泛應用[23]。在流域生態(tài)補償問題中,多利益相關(guān)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(diào)中線工程突發(fā)水污染的生態(tài)補償問題依然存在技術(shù)難點,關(guān)鍵是在突發(fā)水污染狀態(tài)條件下怎樣設(shè)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(guān)者的損益分攤問題。因此,本文從多利益相關(guān)者合作視角出發(fā),結(jié)合南水北調(diào)中線工程實際情況,考慮干渠與納水區(qū)污染同步發(fā)生的突發(fā)水污染狀況,結(jié)合多利益相關(guān)者的議價能力的差異性,基于合作博弈理論構(gòu)建突發(fā)水污染生態(tài)補償?shù)募{什議價模型,以期建立突發(fā)水污染狀態(tài)的生態(tài)補償機制。

1 模型構(gòu)建

1.1 問題概化與基本假設(shè)

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

當南水北調(diào)中線干渠內(nèi)發(fā)生突發(fā)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(yōu)納污地進行退水,從而造成該納污地政府的社會、經(jīng)濟、生態(tài)的綜合損失。合作聯(lián)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(lián)盟目標為最小化突發(fā)水污染造成的損失和減少中線斷供天數(shù)。突發(fā)水污染狀態(tài)下納污地政府綜合損失構(gòu)成如圖1所示。

圖1 突發(fā)水污染狀態(tài)下納污地政府綜合損失構(gòu)成

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

假設(shè)1突發(fā)水污染事件與納污地政府無關(guān),由中線局承擔主要責任;

假設(shè)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(shè)3突發(fā)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(shè)4所有納污河道均可排污,不存在河道堵塞等問題;

假設(shè)5納污地政府的中線水供水、備用水源進水、生態(tài)補水的流速一致。

1.2 主體損益函數(shù)構(gòu)建

1.2.1 中線局的損益函數(shù)

南水北調(diào)中線輸水干渠地跨河南、河北、北京、天津4個省(市),當發(fā)生突發(fā)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(fā)水污染狀況下,中線局的成本包括治理渠道內(nèi)污水造成損失的成本、對納污地政府進行正常供水和生態(tài)補水的成本,則中線局的損益函數(shù)可表達為:

(1)

1.2.2 納污地政府的損益函數(shù)

在突發(fā)水污染狀態(tài)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(tài)補償。納污地政府的損益函數(shù)可表示為:

(2)

突發(fā)水污染的生態(tài)損失成本Ce的核算根據(jù)環(huán)境保護部辦公廳2014年10月印發(fā)的《環(huán)境損害鑒定評估推薦方法(第Ⅱ版)》,結(jié)合南水北調(diào)中線工程應急排污的特點,從人身損害、財產(chǎn)損害、生態(tài)環(huán)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(chǎn)、生態(tài)、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(yī)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(chǎn)損失;I為工業(yè)停產(chǎn)造成的損失;A為農(nóng)業(yè)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(shù)量;Ji為第i種應急人員日工資標準;D為應急天數(shù);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(shù)量;k為受害者(傷、亡)數(shù)量。

1.3 突發(fā)水污染處理合作聯(lián)盟函數(shù)

S={1,2},為參與協(xié)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(tài)補償協(xié)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(xié)商時的效用對,即無協(xié)議點,有di∈U。

假設(shè)1集合U的帕累托邊界Ω是一條凹函數(shù)曲線,其定義域為閉區(qū)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(shè)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(shè)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(shù)λ(λ∈(0,1)),λ表示議價雙方的談判技巧、風險偏好等特質(zhì)。因此,定義突發(fā)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(shù);χ為合作總利潤。

(5)

當建立合作聯(lián)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(xié)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(xié)議點如下:

(6)

式中:k1為中線局與其他政府建立生態(tài)補償協(xié)商機制的替代系數(shù),考慮到構(gòu)建合作聯(lián)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(xié)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(shè)備用水源水質(zhì)差于中線局供給的南水北調(diào)水水質(zhì),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(yōu)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(fā)水污染時,中線局應向納污河道所在地方政府進行生態(tài)補水的最優(yōu)規(guī)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(diào)中線工程的水源地、渠首段和引水閘所在地,其南水北調(diào)工程的渠道長37.4 km,共設(shè)置有3個口門、3座渡槽、3個退水閘。南水北調(diào)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(fā)水污染事件是保證鄧州市人民飲水安全、維持南水北調(diào)中線工程穩(wěn)定長效的重要一步。

2.2 數(shù)據(jù)來源

中線局水價數(shù)據(jù)來源于國家發(fā)展改革委發(fā)布的《關(guān)于南水北調(diào)中線一期主體工程運行初期供水價格政策的通知》(發(fā)改價格【2014】2959號),鄧州市水價數(shù)據(jù)來源于(豫發(fā)改價管【2010】168號)。其中,鄧州市的農(nóng)業(yè)用水、居民用水、工業(yè)用水、生態(tài)環(huán)境用水數(shù)據(jù)來源于《鄧州市水資源公報》(2019年)。鄧州市第一、二、三產(chǎn)業(yè)的GDP數(shù)據(jù)來源于《鄧州市國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報》(2021年)。假設(shè)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(shù)據(jù)由實地調(diào)研情況并咨詢相關(guān)專家確定,最終核定相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 南水北調(diào)中線工程鄧州段的相關(guān)參數(shù)值

2.3 結(jié)果與分析

2.3.1 生態(tài)補水天數(shù)與突發(fā)水污染總損失的關(guān)聯(lián)特征

為研究突發(fā)水污染總損失的改變對中線局生態(tài)補水天數(shù)的影響,考慮到不同污染點位對于突發(fā)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(fā)水污染總損失的敏感性分析。考慮突發(fā)水污染下中線局和納污地政府的議價能力差異,結(jié)合模型(4)設(shè)定的議價能力系數(shù)λ的取值范圍,設(shè)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(shù)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(guī)律,結(jié)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(cè)縱坐標為中線局開展生態(tài)補水所需天數(shù)te,右側(cè)的縱坐標為對應的生態(tài)補水規(guī)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(tài)補水天數(shù)的關(guān)系可以發(fā)現(xiàn),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(tài)補水天數(shù)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(tài)補水天數(shù)與突發(fā)水污染總損失的關(guān)聯(lián)特征

因退水河流可能存在于農(nóng)村的農(nóng)田灌溉系統(tǒng)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(diào)中線工程尚未發(fā)生實際退水,因此,以鄧州市第一產(chǎn)業(yè)GDP和第二、三產(chǎn)業(yè)GDP的占比表征退水行為發(fā)生在農(nóng)村和城市時的損失比例,用城鄉(xiāng)GDP比重與城市平均納污損失相乘計算不同區(qū)域的退水損失情況。針對鄧州市數(shù)據(jù),退水行為發(fā)生在農(nóng)村和城市的污染損失比例約為1∶4。

總體來看:首先,生態(tài)補水天數(shù)與納污總損失呈現(xiàn)出顯著的正向相關(guān)關(guān)系,損失越大,補水天數(shù)越長,補水規(guī)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(shù)的影響能力呈現(xiàn)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(fā)生在城市的納污損失遠大于發(fā)生在農(nóng)村的。

2.3.2 生態(tài)補水成本的規(guī)模效應分析

中線局生態(tài)補水成本即為生態(tài)補水時中線局需承擔的運營成本,為分析生態(tài)補水天數(shù)是否會造成運營成本變化,分析中線局生態(tài)補水成本隨補水天數(shù)變化的規(guī)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(shù)和補水規(guī)模的影響規(guī)律,結(jié)果如圖3所示。

圖3 生態(tài)補水成本的規(guī)模效應分析

圖3中的橫坐標為中線局生態(tài)補水成本ce1,主縱坐標為生態(tài)補水天數(shù)te,次縱坐標為生態(tài)補水規(guī)模Qe,進一步考慮λ=0.1、0.5、0.9時分析ce1、Qe與te的關(guān)系。從圖3中可以發(fā)現(xiàn),隨著ce1增大,te呈現(xiàn)指數(shù)增加的規(guī)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(shù)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(tài)補水成本與生態(tài)補水天數(shù)具有顯著的正向相關(guān)關(guān)系,中線局生態(tài)補水成本隨生態(tài)補水規(guī)模呈現(xiàn)邊際遞增規(guī)律,即當補水天數(shù)增加導致生態(tài)補水規(guī)模擴大時,生態(tài)補水成本呈現(xiàn)上升趨勢,這與傳統(tǒng)微觀經(jīng)濟學中運營成本具有隨生產(chǎn)規(guī)模邊際遞減規(guī)律不同,主要由于中線局生態(tài)補水成本對生態(tài)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(fā)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(tài)補水成本的規(guī)模效應呈現(xiàn)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(tài)補水天數(shù)和規(guī)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(jié)果如圖4所示。圖4中的橫坐標為議價能力系數(shù)λ,主縱坐標為生態(tài)補水天數(shù)te,次縱坐標為生態(tài)補水規(guī)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(fā)現(xiàn),te、Qe與λ存在正向相關(guān)關(guān)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(fā)水污染的生態(tài)補水時間與生態(tài)補水規(guī)模均隨之升高(存在極值),表明在一定生態(tài)補水規(guī)模范圍內(nèi),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(lián)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(shù)λ的敏感性逐漸降低。

3 結(jié)論與展望

綜上所述,針對南水北調(diào)中線工程干渠突發(fā)性水污染事件時中線局采用生態(tài)補水方式對納污地政府進行生態(tài)補償?shù)臋C制設(shè)計問題,文中從多利益相關(guān)者合作視角出發(fā),結(jié)合南水北調(diào)中線沿線城市的實際情況,構(gòu)建了中線局與納污地政府合作聯(lián)盟的損益特征函數(shù),基于合作博弈理論,構(gòu)建突發(fā)水污染生態(tài)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(tài)補水天數(shù)與納污總損失呈現(xiàn)出顯著的正向相關(guān)關(guān)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(shù)的影響能力呈現(xiàn)出邊際遞減特征。②中線局生態(tài)補水成本與生態(tài)補水天數(shù)具有顯著的正向相關(guān)關(guān)系;隨著中線局議價能力的增強,生態(tài)補水成本的規(guī)模效應呈現(xiàn)一定的弱化趨勢。③在一定生態(tài)補水規(guī)模范圍內(nèi),議價能力系數(shù)與納什議價的生態(tài)補水天數(shù)呈正相關(guān)關(guān)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(lián)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(jīng)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(jīng)濟手段和生態(tài)補償相結(jié)合的方式,探討橫縱結(jié)合的立體式生態(tài)補償機制。雖然南水北調(diào)中線工程存在單干渠調(diào)水、輸水距離長、地勢復雜、途經(jīng)城市密集等難題,但在南水北調(diào)中線局與沿線地方政府的協(xié)同努力下,截至目前尚未爆發(fā)過啟用應急退水的突發(fā)水污染情況,因此本文僅能采取案例研究方式推演發(fā)生突發(fā)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(fā)水污染場景的參數(shù)厘定,設(shè)計跨區(qū)域橫縱結(jié)合的生態(tài)補償機制,為保障南水北調(diào)中線工程健康可持續(xù)運營提供應急決策依據(jù)。