南水北调中线工程突发水污染生态补偿机制研究

刘钢, 李睿萌, 段睿睿, 牛富

(1.天津大学 复杂管理系统实验室,天津 300072; 2.天津大学 管理与经济学部,天津 300072;3.中国人民大学 信息学院,北京 100084; 4.河北工程大学 水利水电学院,河北 邯郸 056038)

南水北调中线工程自2014年底实现全线通水以来,产生了显著的经济、社会和生态效益。但由于中线工程干渠具有单干渠调水、输水距离长、地势复杂、途经城市密集等特征,突发水污染风险已成为制约中线工程可持续调水的重大安全隐患,为防控突发水污染引发的系统性风险,亟须构建南水北调中线工程突发水污染的生态补偿机制。本文从多利益相关者合作视角出发,结合南水北调中线工程实际情况,构建南水北调中线局(简称中线局)与纳污地政府之间的利润特征函数,基于合作博弈理论构建突发水污染生态补偿的纳什议价模型,建立突发水污染状态的生态补偿机制,以利于多部门协同治理南水北调中线突发水污染,对减少突发水污染综合损失,保障南水北调中线工程安全稳定运行具有重要意义。

流域生态补偿是国内外学者关注的重点,已经取得了显著的成果。李国英[1]、董战峰等[2]提出了生态补偿的框架和思路,秦艳红等[3]、乔旭宁等[4]对国内外生态补偿措施进行了分析总结并提出改善建议,王慧杰等[5]、王俊燕等[6]研究了跨省流域生态补偿协商机制的构建,韩艳利等[7]、杨玉霞等[8]研究了黄河流域水生态补偿机制,SHEN J Q等[9]基于期望理论和演化博弈论研究了企业决策行为及其流域生态补偿的影响因素,GAO X等[10]基于生态系统服务价值确定了流域生态补偿标准,张婕等[11]基于多主体多议题的协商管理模型构建了上下游之间关于水污染补偿方案的协商模型,刘叶叶等[12]基于污染损失和逐级协商进行了生态补偿量化研究,CHEN J F等[13]以南水北调中线工程为例研究了基于水价值核算的生态补偿定量评价。已有流域(包括南水北调)生态补偿研究主要关注单向污染补偿问题,而考虑多利益相关者协同的南水北调突发性水污染生态补偿问题是南水北调中线工程运营期的新问题,亟须从理论上回答该问题。

流域突发水污染生态补偿必须考虑多利益相关者协同决策中的议价能力差异问题,合作博弈理论是解决多利益相关者损益分摊问题的基础理论,其中,纳什议价模型方法是国内外学者重点关注的方法,已取得了一系列的研究及应用成果。孔珂等[14]基于纳什议价模型研究了最优初始水权分配方案和水资源费率方案,苏心玥等[15]基于纳什议价模型设计了符合北京市跨区水资源博弈特点的配置机制,DEGEFU D M等[16]将破产理论与不对称纳什议价理念相结合提出了解决水资源稀缺下跨界流域水资源共享问题的水资源分配框架,JANJUA S等[17]提出在天然气短缺下利用不对称的天然气分配议价模型来解决巴基斯坦天然气的供需不匹配问题,帅轩越等[18]提出了一种基于纳什议价理论的多电热综合能源系统的多目标优化运行模型,李陈华等[19]采用纳什议价模型研究了农户和企业在粮食收购过程中的议价问题,武敏霞[20]基于纳什议价模型研究了PPP项目中的收益分配问题,王英等[21]运用纳什议价方法研究了机构之间科普资源共享的投资成本分摊问题,崔天生等[22]基于纳什议价模型研究了主机商和供应商之间针对包装容器回收逆物流的利益分配问题。纳什议价模型具有信息数据需求少、能够有效辨识利益相关者互馈关系的优点,在很多领域得到了广泛应用[23]。在流域生态补偿问题中,多利益相关者议价能力差异分析是近期学界重点研究的问题。

综上所述,南水北调中线工程突发水污染的生态补偿问题依然存在技术难点,关键是在突发水污染状态条件下怎样设计成本核算和损益分摊机制,纳什议价模型能够有效解决多利益相关者的损益分摊问题。因此,本文从多利益相关者合作视角出发,结合南水北调中线工程实际情况,考虑干渠与纳水区污染同步发生的突发水污染状况,结合多利益相关者的议价能力的差异性,基于合作博弈理论构建突发水污染生态补偿的纳什议价模型,以期建立突发水污染状态的生态补偿机制。

1 模型构建

1.1 问题概化与基本假设

定义N={1,2,…,n},为南水北调中线沿线地方政府的集合;n为南水北调中线沿线地方政府数量;M={1,2,…,m},为南水北调中线沿线纳污地政府的集合;m为南水北调中线沿线纳污地政府数量。

当南水北调中线干渠内发生突发污染时,将在m个退水河道(m∈N*,N*为可退水的中线沿线地方政府集合)中以“成本最小化”为原则选择最优纳污地进行退水,从而造成该纳污地政府的社会、经济、生态的综合损失。合作联盟的总损失为渠道治污成本和纳污地综合损失之和,博弈联盟目标为最小化突发水污染造成的损失和减少中线断供天数。突发水污染状态下纳污地政府综合损失构成如图1所示。

图1 突发水污染状态下纳污地政府综合损失构成

假设中线局采用生态补水方式补偿纳污地政府接受因突发水污染造成的综合损失。为保障模型的有效性,以实地调研资料为基础,提出基本假设如下:

假设1突发水污染事件与纳污地政府无关,由中线局承担主要责任;

假设2纳污地政府至少拥有2个水源,所有水源中中线水处理成本最低;

假设3突发水污染退水造成的河道污染不纳入对地方河长的考核;

假设4所有纳污河道均可排污,不存在河道堵塞等问题;

假设5纳污地政府的中线水供水、备用水源进水、生态补水的流速一致。

1.2 主体损益函数构建

1.2.1 中线局的损益函数

南水北调中线输水干渠地跨河南、河北、北京、天津4个省(市),当发生突发水污染事件且污染责任在中线局一方时,中线局有义务及时进行污染物治理。在突发水污染状况下,中线局的成本包括治理渠道内污水造成损失的成本、对纳污地政府进行正常供水和生态补水的成本,则中线局的损益函数可表达为:

(1)

1.2.2 纳污地政府的损益函数

在突发水污染状态下,纳污地政府将支付纳污河道治污损失、备用水源等成本,同时可获得中线局给予的生态补偿。纳污地政府的损益函数可表示为:

(2)

突发水污染的生态损失成本Ce的核算根据环境保护部办公厅2014年10月印发的《环境损害鉴定评估推荐方法(第Ⅱ版)》,结合南水北调中线工程应急排污的特点,从人身损害、财产损害、生态环境损害、应急处置费用及其他事务性费用5个方面进行的,具体公式如下:

(3)

式中:Zi为纳污地损失;L、F、E、G、O分别为人身、财产、生态、应急、其他等损失项;D为人身死亡损失;Q为人身伤残损失;Xi为第i位死者的死亡赔偿金;Yi为第i位死者的丧葬费;Zk1、Zk2、…、Zk8分别表示第k位患者的误工费、医疗费、护理费、治疗期交通费、住院伙食补偿费、残疾赔偿金、残疾人生活补助金、残疾辅助器具费;M为固定资产损失;I为工业停产造成的损失;A为农业损失;Ni为受污染土地恢复年限;Pi为受污染土地租金价格;Mi为受污染土地面积;G1为应急人员费用支出;Si为第i种应急人员数量;Ji为第i种应急人员日工资标准;D为应急天数;G2为应急物资费用支出;Vi为第i种应急物资价值;Qi为第i种应急物资数量;k为受害者(伤、亡)数量。

1.3 突发水污染处理合作联盟函数

S={1,2},为参与协商的利益主体i的集合, (U,di)表示中线局与纳污地政府之间的生态补偿协商机制建立的问题。其中,U表示双方基于纳什议价方法最终可能达成的所有效用对的集合,U∈R2;di表示二者之间无法有效协商时的效用对,即无协议点,有di∈U。

假设1集合U的帕累托边界Ω是一条凹函数曲线,其定义域为闭区间I⊆R。同时,存在ui={ui:|ui>di,ui∈I},其中ui表示形成合作时的效用。

假设2满足弱帕累托有效的效用对集合Ω′闭合。

NASH J F[24]证明了存在唯一满足上述假设的纳什议价解f(U,d);RUBINSTEIN A[25]考虑了不同主体议价能力的差异性,提出了不对称纳什议价模型,即在纳什模型中加入议价能力系数λ(λ∈(0,1)),λ表示议价双方的谈判技巧、风险偏好等特质。因此,定义突发水污染情况中的中线局与纳污地政府之间的纳什议价模型如下:

(4)

式中:u1、u2分别为中线局和纳污地政府的利润特征函数;χ为合作总利润。

(5)

当建立合作联盟失败时,地方政府采用其他水源进行补偿,中线局与其他地方政府重新协商退水,二者均可保留一定效用。因此,考虑两类主体的机会成本,定义无协议点如下:

(6)

式中:k1为中线局与其他政府建立生态补偿协商机制的替代系数,考虑到构建合作联盟之前已测量确定了距离污染点最近的地方政府,若考虑重新与其他政府合作将增加排污及协商成本,故0≤k1<1;d1为中线局与其他政府合作可能获得的效用;k2为政府采取备用水源的概率,因假设备用水源水质差于中线局供给的南水北调水水质,地方政府的利润将有所下降,故0≤k2<1;d2为政府采取备用水源的效用。

由纳什议价定理知式(5)的最优解为:

(7)

为便于表达,定义参变量β1、β2分别为:

β1=k1+(1-k1)λ,

(8)

β2=(1-k2)λ。

(9)

(8)

则突发水污染时,中线局应向纳污河道所在地方政府进行生态补水的最优规模Qe为:

(9)

2 案例分析

2.1 案例介绍

以河南省邓州市为案例。邓州市是南水北调中线工程的水源地、渠首段和引水闸所在地,其南水北调工程的渠道长37.4 km,共设置有3个口门、3座渡槽、3个退水闸。南水北调工程有效缓解了邓州市水资源短缺问题。解决好水污染事件特别是灵活应对及处理突发水污染事件是保证邓州市人民饮水安全、维持南水北调中线工程稳定长效的重要一步。

2.2 数据来源

中线局水价数据来源于国家发展改革委发布的《关于南水北调中线一期主体工程运行初期供水价格政策的通知》(发改价格【2014】2959号),邓州市水价数据来源于(豫发改价管【2010】168号)。其中,邓州市的农业用水、居民用水、工业用水、生态环境用水数据来源于《邓州市水资源公报》(2019年)。邓州市第一、二、三产业的GDP数据来源于《邓州市国民经济和社会发展统计公报》(2021年)。假设邓州市地方政府确认从湍河退水闸口进行退水(流速qi为5 m3/s)。其他数据由实地调研情况并咨询相关专家确定,最终核定相关参数见表1。

表1 南水北调中线工程邓州段的相关参数值

2.3 结果与分析

2.3.1 生态补水天数与突发水污染总损失的关联特征

为研究突发水污染总损失的改变对中线局生态补水天数的影响,考虑到不同污染点位对于突发水污染损失的影响不同,聚焦邓州市水污染的平均损失,开展突发水污染总损失的敏感性分析。考虑突发水污染下中线局和纳污地政府的议价能力差异,结合模型(4)设定的议价能力系数λ的取值范围,设计3种议价能力特征,即λ=0.1、0.5、0.9,分别代表中线局处于议价能力弱势、平等、强势的议价能力身份。取议价能力系数λ=0.1、0.5、0.9,辨析中线局议价能力对此敏感性的影响规律,结果如图2所示。图2中的横坐标为模拟的邓州市纳污总损失,左侧纵坐标为中线局开展生态补水所需天数te,右侧的纵坐标为对应的生态补水规模Qe,分别考虑λ=0.1、0.5、0.9时邓州市纳污总损失与中线局生态补水天数的关系可以发现,当纳污总损失为2.64亿元时,不同λ取值均对应te=123.64 d,此时中线局议价能力对生态补水天数无影响;当纳污总损失低于2.64亿元时,λ越大,te越大;当纳污总损失高于2.64亿元时,λ越大,te越小。

图2 生态补水天数与突发水污染总损失的关联特征

因退水河流可能存在于农村的农田灌溉系统和城市的河湖水系,考虑到不同退水河流导致的退水损失差异性显著问题,由于南水北调中线工程尚未发生实际退水,因此,以邓州市第一产业GDP和第二、三产业GDP的占比表征退水行为发生在农村和城市时的损失比例,用城乡GDP比重与城市平均纳污损失相乘计算不同区域的退水损失情况。针对邓州市数据,退水行为发生在农村和城市的污染损失比例约为1∶4。

总体来看:首先,生态补水天数与纳污总损失呈现出显著的正向相关关系,损失越大,补水天数越长,补水规模越大;其次,伴随纳污总损失逐步增大,中线局议价能力对补水天数的影响能力呈现出边际递减特征,损失越大,中线局议价能力的影响越小;最后,对于纳污地政府来说,退水行为发生在城市的纳污损失远大于发生在农村的。

2.3.2 生态补水成本的规模效应分析

中线局生态补水成本即为生态补水时中线局需承担的运营成本,为分析生态补水天数是否会造成运营成本变化,分析中线局生态补水成本随补水天数变化的规模效应。分别取λ=0.1、0.5、0.9,分析中线局议价能力对补水天数和补水规模的影响规律,结果如图3所示。

图3 生态补水成本的规模效应分析

图3中的横坐标为中线局生态补水成本ce1,主纵坐标为生态补水天数te,次纵坐标为生态补水规模Qe,进一步考虑λ=0.1、0.5、0.9时分析ce1、Qe与te的关系。从图3中可以发现,随着ce1增大,te呈现指数增加的规律。当ce1=0.158元/m3时,不同λ取值均有te=36.65 d,中线局议价能力对补水天数无影响;当ce1≤0.158元/m3时,λ越小,te越小;当ce1≥0.158元/m3时,λ越小,te越大且涨幅也越快。

总体来看,生态补水成本与生态补水天数具有显著的正向相关关系,中线局生态补水成本随生态补水规模呈现边际递增规律,即当补水天数增加导致生态补水规模扩大时,生态补水成本呈现上升趋势,这与传统微观经济学中运营成本具有随生产规模边际递减规律不同,主要由于中线局生态补水成本对生态补水总损益的影响较小,且该成本项所对应的运营管理成本具有随时间扩大特征,即中线局处理突发水污染的治理成本占中线局运营管理成本的比例很低,不足以引起显著变化。另外,随着中线局议价能力的增强,生态补水成本的规模效应呈现一定的弱化趋势。

2.3.3 中线局议价能力的敏感性分析

为分析中线局议价能力对生态补水天数和规模的影响能力,对议价能力λ进行敏感性分析,取λ=0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9,结果如图4所示。图4中的横坐标为议价能力系数λ,主纵坐标为生态补水天数te,次纵坐标为生态补水规模Qe,柱状图描述λ取特征值时对应的te,折线图描述的是λ取特征值时对应的Qe。

图4 中线局议价能力敏感性分析

由图4可以发现,te、Qe与λ存在正向相关关系;当0.1≤λ≤0.2时,随着λ的增大,te、Qe增幅较大;当λ=0.2时,te、Qe取得最大边际增速,Qe增幅为28.57%;当0.2<λ≤0.9时,随着λ的增大,te、Qe增幅逐渐减小。

总体来看,一方面,随着中线局议价能力的提高,突发水污染的生态补水时间与生态补水规模均随之升高(存在极值),表明在一定生态补水规模范围内,中线局与纳污地政府具有相同的损益偏好,能够达成有效的合作联盟。另一方面,当中线局议价能力极弱时(λ<0.2),议价能力与te、Qe的敏感性较强,即中线局议价能力的微弱变化将显著影响te、Qe;当中线局具备一定议价能力时(λ>0.2),议价能力系数λ的敏感性逐渐降低。

3 结论与展望

综上所述,针对南水北调中线工程干渠突发性水污染事件时中线局采用生态补水方式对纳污地政府进行生态补偿的机制设计问题,文中从多利益相关者合作视角出发,结合南水北调中线沿线城市的实际情况,构建了中线局与纳污地政府合作联盟的损益特征函数,基于合作博弈理论,构建突发水污染生态补偿时中线局与纳污地政府之间的纳什议价模型,并以河南省邓州市为例开展案例研究,主要研究成果表明:①生态补水天数与纳污总损失呈现出显著的正向相关关系;且伴随纳污总损失的逐步增大,中线局议价能力对补水天数的影响能力呈现出边际递减特征。②中线局生态补水成本与生态补水天数具有显著的正向相关关系;随着中线局议价能力的增强,生态补水成本的规模效应呈现一定的弱化趋势。③在一定生态补水规模范围内,议价能力系数与纳什议价的生态补水天数呈正相关关系,中线局与纳污地政府具有相同的损益偏好,能够达成有效的合作联盟。

由于中线局只有运营管理义务,目前没有多余的财政拨款进行经济手段方面的污染补偿,未来在财政拨款增加的情况下,应进一步研究经济手段和生态补偿相结合的方式,探讨横纵结合的立体式生态补偿机制。虽然南水北调中线工程存在单干渠调水、输水距离长、地势复杂、途经城市密集等难题,但在南水北调中线局与沿线地方政府的协同努力下,截至目前尚未爆发过启用应急退水的突发水污染情况,因此本文仅能采取案例研究方式推演发生突发水污染时的场景,无法开展实证研究,未来应进一步加强突发水污染场景的参数厘定,设计跨区域横纵结合的生态补偿机制,为保障南水北调中线工程健康可持续运营提供应急决策依据。