羅柳紅

(北京林業(yè)大學(xué)省部共建森林培育與保護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083)

生態(tài)工業(yè)園區(qū)水資源梯級(jí)利用的博弈分析

羅柳紅

(北京林業(yè)大學(xué)省部共建森林培育與保護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083)

水資源是生態(tài)工業(yè)園區(qū)中最重要的資源之一，模擬自然生態(tài)系統(tǒng)，園區(qū)中的水資源用戶也可根據(jù)功能的不同分為生產(chǎn)者、消費(fèi)者和分解者。由于供給量的限制和國(guó)家的排污政策逐漸趨緊，生態(tài)工業(yè)園區(qū)中水資源數(shù)量和質(zhì)量的分配存在利益沖突的問題，矛盾日漸凸現(xiàn)。本文試圖運(yùn)用博弈論的方法，構(gòu)建一個(gè)水資源管理的梯級(jí)利用模式，探討生態(tài)工業(yè)園區(qū)內(nèi)水質(zhì)要求不同的企業(yè)間如何實(shí)現(xiàn)水資源的合理分配，使之既符合企業(yè)的需要，又符合整個(gè)園區(qū)的供給限制，同時(shí)對(duì)環(huán)境的損害最小。之后從微觀經(jīng)濟(jì)學(xué)的角度對(duì)各利益主體參與水資源梯級(jí)利用的動(dòng)因和積極性進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)學(xué)上的分析，得出生態(tài)工業(yè)園區(qū)中水資源梯級(jí)利用體系能否達(dá)成“物盡其用、廢物最小化”的目標(biāo)，取決于不同利益者的博弈結(jié)果。水資源價(jià)格和排污收費(fèi)價(jià)格的提高，可以減少新鮮水資源的購(gòu)買量和最終的排污量，有利于促進(jìn)園區(qū)內(nèi)企業(yè)間的水資源梯級(jí)利用;而梯級(jí)利用的過程，也是各級(jí)消費(fèi)者之間的一場(chǎng)博弈，博弈結(jié)果將決定再生水資源的售出價(jià)格。

生態(tài)工業(yè)園區(qū);水資源;梯級(jí)利用;博弈

水資源匱乏已經(jīng)成為全世界共同關(guān)注的問題，嚴(yán)重制約著各國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。生態(tài)工業(yè)園區(qū)是依據(jù)循環(huán)經(jīng)濟(jì)理念、工業(yè)生態(tài)學(xué)原理和清潔生產(chǎn)要求而設(shè)計(jì)建立的一種新型工業(yè)園區(qū)。它通過物流或能流傳遞等方式把不同工廠或企業(yè)連接起來，形成共享資源和互換副產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)共生組合，建立“生產(chǎn)者——消費(fèi)者——分解者”的物質(zhì)循環(huán)方式，使一家工廠的廢物或副產(chǎn)品成為另一家工廠的原料或能源，尋求物質(zhì)閉環(huán)循環(huán)、能量多級(jí)利用和廢物產(chǎn)生最小化［1］。生態(tài)工業(yè)園區(qū)是循環(huán)經(jīng)濟(jì)在中觀層面的實(shí)現(xiàn)形式［2］，同樣遵循循環(huán)經(jīng)濟(jì)的 “3R”原則(即:減量化Reduce，再利用Reuse，再循環(huán) Recycle)，其中減量化原則是首要原則，而廢物再生利用只是減少?gòu)U物最終處理量的方式之一，即對(duì)待廢物問題的優(yōu)先順序?yàn)?避免發(fā)生——循環(huán)利用——最終處置。循環(huán)經(jīng)濟(jì)要求人類在生產(chǎn)和消費(fèi)的所有領(lǐng)域都能做到物盡其用，其根本宗旨就是保護(hù)日益稀缺的環(huán)境資源，提高環(huán)境資源的配置效率，不給環(huán)境造成危害。水資源作為生態(tài)工業(yè)園區(qū)最重要的資源之一，其分配體系構(gòu)建的基本目標(biāo)是促進(jìn)水資源的合理利用，使園區(qū)水資源對(duì)于外部供給的需求最小化，并最大限度地減少對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響，即排出系統(tǒng)的廢水量最小。

一般來說，水資源的分配和利用主要存在兩個(gè)方面的問題:一為數(shù)量;二為質(zhì)量，即水質(zhì)［3］。在生態(tài)工業(yè)園區(qū)中，水資源的供給量是有限的，如何讓園區(qū)內(nèi)的企業(yè)都得到足夠數(shù)量的符合水質(zhì)要求的水資源，使得水資源的配置最為合理，是園區(qū)建設(shè)和發(fā)展過程中不可避免的問題。無論是新建的或已建設(shè)完成的生態(tài)工業(yè)園區(qū)，其最終的發(fā)展目標(biāo)均為模擬自然生態(tài)系統(tǒng)的運(yùn)行方式和規(guī)律，實(shí)現(xiàn)資源的可持續(xù)利用。對(duì)于新設(shè)計(jì)的生態(tài)工業(yè)園區(qū)，在設(shè)計(jì)之初就應(yīng)慎重考慮水資源的配置和高效利用方式，使之符合循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展理念。而對(duì)于目前已建成的生態(tài)工業(yè)園區(qū)，也應(yīng)通過政策的合理引導(dǎo)和園區(qū)的有效管理，逐步建立園區(qū)內(nèi)企業(yè)間友好的水資源協(xié)同利用模式，以實(shí)現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用。

1 生態(tài)工業(yè)園區(qū)水資源梯級(jí)利用體系

由于生態(tài)工業(yè)園區(qū)是模擬自然生態(tài)系統(tǒng)所建立的工業(yè)體系，園區(qū)中的水資源用戶也可根據(jù)功能的不同分為生產(chǎn)者、消費(fèi)者和分解者。生產(chǎn)者是指各種符合水質(zhì)要求的自然水體和自來水廠等水資源供應(yīng)者(P)，消費(fèi)者是指園區(qū)內(nèi)各類水資源用戶，分解者是指收集各用戶的出水并對(duì)不能直接再利用的廢水進(jìn)行處理的污水處理廠或再生水廠(D)。如果不考慮取水和排污成本，消費(fèi)者可以直接從P取水，并將廢水直接排到D。但是，生態(tài)工業(yè)園區(qū)提倡物質(zhì)閉環(huán)循環(huán)、能量多級(jí)利用和廢物產(chǎn)生最小化，以達(dá)到經(jīng)濟(jì)與環(huán)境效益的“雙贏”格局。生態(tài)工業(yè)園區(qū)中的水資源利用方式，既要考慮經(jīng)濟(jì)因素，也要考慮環(huán)境因素，理想的水資源利用體系應(yīng)該是可持續(xù)發(fā)展的，它要求在新鮮水耗和廢水處理上達(dá)到最小化，在經(jīng)濟(jì)方面可以獲得回報(bào)，在環(huán)境保護(hù)方面是有效的。

實(shí)際上，生態(tài)工業(yè)園區(qū)中由于企業(yè)的多樣性和對(duì)水質(zhì)要求的不同，存在較大的共生關(guān)系。通過系統(tǒng)分析園區(qū)內(nèi)的水資源利用現(xiàn)狀，完全可以模擬自然生態(tài)系統(tǒng)建立生態(tài)工業(yè)園區(qū)內(nèi)水資源利用系統(tǒng)的“食物鏈”和“食物網(wǎng)”，形成共生網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)水資源利用的“閉路循環(huán)”，達(dá)到水資源的最有效利用［4］。根據(jù)用戶對(duì)水質(zhì)要求的高低可分為一、二、三級(jí)，其中水質(zhì)要求高的用戶視為一級(jí)消費(fèi)者，如化工、醫(yī)藥、食品等行業(yè)內(nèi)用戶;水質(zhì)要求一般的用戶視為二級(jí)消費(fèi)者，如冷卻水用戶、景觀用水用戶;水質(zhì)要求低的用戶視為三級(jí)消費(fèi)者，如綠化、建筑建造、城市雜用等用戶。一級(jí)消費(fèi)者的水資源來源只能是P;二級(jí)消費(fèi)者的水資源來源可以是P，也可以是一級(jí)消費(fèi)者;三級(jí)消費(fèi)者的水資源來源可以是P或一、二級(jí)消費(fèi)者。一、二、三級(jí)消費(fèi)者的不能再利用的出水為分解者D的來源，分解者D處理過的水資源或排入自然水體，或重新進(jìn)入園區(qū)水資源利用系統(tǒng)，一并計(jì)入P中。目前來看，生態(tài)工業(yè)園區(qū)中水資源利用問題的最佳解決方案是建立水資源梯級(jí)利用體系，使水資源盡可能地在園區(qū)內(nèi)多次使用，以減少新鮮水耗和排污量。生態(tài)工業(yè)園區(qū)中水資源梯級(jí)利用體系如圖1所示。

圖1 生態(tài)工業(yè)園區(qū)中水資源梯級(jí)利用示意圖Fig．1 Sketch map of water graded-use in eco-industrial park

2 水資源梯級(jí)利用過程中的博弈要素

生態(tài)工業(yè)園區(qū)中如若各級(jí)消費(fèi)者隨意用水或是隨意排污，最終可能導(dǎo)致整個(gè)園區(qū)的用水需求得不到滿足甚至是無水可用。由于供給量的限制和國(guó)家對(duì)于排污政策逐漸趨緊，生態(tài)工業(yè)園區(qū)中水資源數(shù)量和質(zhì)量的分配存在利益沖突的問題，矛盾日漸凸現(xiàn)，對(duì)這一利益沖突問題可以運(yùn)用博弈論的方法來分析［5］。

首先，博弈的參與人集合為:i∈Γ，Γ ={0，1，2，3，4};其中，0代表生產(chǎn)者 P，1、2、3分別代表一、二、三級(jí)消費(fèi)者，4代表分解者D;生產(chǎn)者決定新鮮用水的供給量和供給價(jià)格，而分解者決定排污收費(fèi)的價(jià)格。各級(jí)消費(fèi)者如果采用從自然水體供水的方式，則需要投入大量成本自建供水設(shè)施，所以將其與從自來水廠購(gòu)買等同，采用同一價(jià)格。同樣，各級(jí)消費(fèi)者排污的水質(zhì)有所差別，但由于國(guó)家只規(guī)定了達(dá)標(biāo)排放，因此分解者將所接受的廢水通通視為是無差別的，收費(fèi)價(jià)格也是一致的。

其次，參與人的戰(zhàn)略空間為:Si={si}，i=1，2，3;其中si表示第i個(gè)參與人的一個(gè)特定的策略，向量s=(s1，s2，s3)表示全體參與人的一個(gè)戰(zhàn)略組合。

在生態(tài)工業(yè)園區(qū)中，每一個(gè)參與人i，i=1，2，3的戰(zhàn)略選擇包含幾個(gè)部分:從生產(chǎn)者P處直接購(gòu)買水量wi，i級(jí)消費(fèi)者提供給j級(jí)消費(fèi)者水資源量wij，1≤i＜j≤3(也代表j級(jí)消費(fèi)者從i級(jí)消費(fèi)者處購(gòu)買的水資源量)，以及向分解者D的排污量gi。第i個(gè)參與人的策略si是對(duì)變量wi，wij，gi的選擇而形成的，即 si=(wi，wij，gi)。生態(tài)工業(yè)園區(qū)中水資源梯級(jí)利用體系的數(shù)量關(guān)系如圖2所示。

圖2 生態(tài)工業(yè)園區(qū)中水資源梯級(jí)利用數(shù)量關(guān)系圖Fig．2 Quantitative relation of water graded-use in eco-industrial park

再次，每個(gè)參與人的支付函數(shù)為:ui=ui(s0，…，si，…，s4)，i=0，1，2，3，4;即第 i個(gè)參與人的支付不僅取決于自己的戰(zhàn)略選擇，而且也取決于其他人的戰(zhàn)略選擇。每一個(gè)參與人的目標(biāo)是選擇自己的戰(zhàn)略以最大化其期望效用函數(shù)ui。在水資源的利用中，各級(jí)消費(fèi)者的支付函數(shù)應(yīng)為其用水總收益［6］，記為:

其中fi為第i個(gè)參與人的用水效益，包括直接用水效益和向下級(jí)消費(fèi)者供水的效益，C1i表示第i個(gè)參與人從P購(gòu)水的成本(q為總供給量)，C2i為從上級(jí)消費(fèi)者處購(gòu)水的成本和為向下級(jí)消費(fèi)者供水的處理成本，C3i為向分解者D排污的成本。

最后，如果從P的取水成本很低，各級(jí)消費(fèi)者都將傾向于向P直接取水;如果排污成本很低，則各級(jí)消費(fèi)者將傾向于直接向D排污，導(dǎo)致水資源供應(yīng)不足且水質(zhì)不斷惡化。由于水資源供給量有限，且政策環(huán)境門檻的不斷提高以及排污稅費(fèi)的征收等，使得各級(jí)消費(fèi)者不得不在用水效益和用水成本之間權(quán)衡，進(jìn)而在購(gòu)水量、水資源處理量和排污量間進(jìn)行決策。假定水資源總供給量、各級(jí)消費(fèi)者的水資源處理量、排污量為所有參與人的共同知識(shí)，則生態(tài)工業(yè)園區(qū)中水資源數(shù)量和質(zhì)量分配的利益沖突博弈過程為一個(gè)完全信息動(dòng)態(tài)博弈。

3 水資源梯級(jí)利用過程中的博弈模型

設(shè)生產(chǎn)者P的水資源價(jià)格為p，分解者D的排污收費(fèi)價(jià)格為t。假設(shè)生態(tài)工業(yè)園區(qū)中存在再生水資源交易市場(chǎng)，在這一市場(chǎng)中各級(jí)消費(fèi)者達(dá)成的再生水資源的協(xié)議價(jià)格為r，并且r≤p，否則消費(fèi)者將選擇直接從生產(chǎn)者處購(gòu)買新鮮水資源而不是再生產(chǎn)品。為方便計(jì)，假定各級(jí)消費(fèi)者為向下級(jí)消費(fèi)者出售而進(jìn)行的水資源處理成本相同，設(shè)其價(jià)格為s，并滿足s－r≤t，這就是說，消費(fèi)者的單位處理成本與其收益之差應(yīng)該足以沖抵排污收費(fèi)的價(jià)格，否則消費(fèi)者將選擇直接排污。

設(shè)fi為第i個(gè)參與人的用水效益函數(shù)，則各級(jí)消費(fèi)者的支付函數(shù)(即用水總收益)分別為:

由于消費(fèi)者的戰(zhàn)略選擇都是最大化其支付函數(shù)，因而:

這一結(jié)果表明，生態(tài)工業(yè)園區(qū)中的各級(jí)消費(fèi)者從P處的購(gòu)水量是水資源價(jià)格p的函數(shù)，向D的排污量是排污收費(fèi)價(jià)格t的函數(shù)，向上級(jí)消費(fèi)者的購(gòu)水量和向下級(jí)消費(fèi)者的供水量也取決于其相應(yīng)的價(jià)格r和s。在既定市場(chǎng)條件下，任何消費(fèi)者都沒有積極性改變這一格局。

4 水資源梯級(jí)利用博弈過程中納什均衡的解讀

綜合來看，生態(tài)工業(yè)園區(qū)中水資源梯級(jí)利用體系能否達(dá)成“物盡其用、廢物最小化”的目標(biāo)，取決于園區(qū)水資源利用體系中不同利益者的博弈結(jié)果。水資源價(jià)格和排污收費(fèi)價(jià)格的提高，有利于促進(jìn)園區(qū)內(nèi)企業(yè)間的水資源梯級(jí)利用，以減少新鮮水資源的購(gòu)買量和最終的排污量;而梯級(jí)利用的過程，也是各級(jí)消費(fèi)者之間的一場(chǎng)博弈，博弈結(jié)果將決定再生水資源的售出價(jià)格，進(jìn)而促進(jìn)企業(yè)改進(jìn)或創(chuàng)新再生水資源的處理技術(shù)，降低再生水資源的成本，以獲取更大的收益，最終得到生態(tài)工業(yè)園區(qū)內(nèi)水資源梯級(jí)利用的一個(gè)良性循環(huán)。

(編輯:王愛萍)

References)

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Graded Use of Water Resource in Eco-industrial Park Based on Game Theory

LUO Liu-hong
(The Key Laboratory for Silviculture and Conservation of Ministry of Education，Beijing Forestry University，Beijing 100083，China)

Water resource is one of most important resources in the eco-industrial park．Imitating the natural ecosystem，water users in the park can be divided into three categories:producer，consumer and decomposer according to their functions．In the eco-industrial park，diverse conflicts of interest among the users over distribution of water resources in quantity and quality is getting more and more serious due to the limited water supply capacity and the tighter policies on pollutant discharge．This paper attempts to construct a water resources management model by utilizing the water graded-use method and the game theory．Rational distribution scheme of water resources among enterprises in terms of their water quality requirement has firstly discussed，which should not only satisfy the demands of enterprises and the supply capacity limitation of the whole industrial park，but also minimize damages to the environment．Then，microeconomic principle is applied to analyze the motivation and enthusiasm of related enterprises participating in the water graded-use system．It is found whether the target of the water graded-use system of:utilizeing fully and dischargeing minimally can be realized completely depends on the game results among different beneficiaries．Raising the price of water resources and increasing sewage fee can reduce the purchase volume of fresh water and final emissions，which will promote the graded-use of water resources．On the other hand，the process of graded-use of water is a game among consumers at all levels．The result will decide the prices of renewable water resources．

eco-industrial park;water resource;graded use;game theory

TV213．4

A

1002－2104(2011)08－0138－04

10．3969/j．issn．1002－2104．2011．08．022

2011－03－03

羅柳紅，博士生，講師，主要研究方向?yàn)槲廴绢A(yù)測(cè)與環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)、循環(huán)經(jīng)濟(jì)理論及實(shí)證等。