生態工業園區水資源梯級利用的博弈分析

羅柳紅

(北京林業大學省部共建森林培育與保護教育部重點實驗室，北京100083)

生態工業園區水資源梯級利用的博弈分析

羅柳紅

(北京林業大學省部共建森林培育與保護教育部重點實驗室，北京100083)

水資源是生態工業園區中最重要的資源之一，模擬自然生態系統，園區中的水資源用戶也可根據功能的不同分為生產者、消費者和分解者。由于供給量的限制和國家的排污政策逐漸趨緊，生態工業園區中水資源數量和質量的分配存在利益沖突的問題，矛盾日漸凸現。本文試圖運用博弈論的方法，構建一個水資源管理的梯級利用模式，探討生態工業園區內水質要求不同的企業間如何實現水資源的合理分配，使之既符合企業的需要，又符合整個園區的供給限制，同時對環境的損害最小。之后從微觀經濟學的角度對各利益主體參與水資源梯級利用的動因和積極性進行了經濟學上的分析，得出生態工業園區中水資源梯級利用體系能否達成“物盡其用、廢物最小化”的目標，取決于不同利益者的博弈結果。水資源價格和排污收費價格的提高，可以減少新鮮水資源的購買量和最終的排污量，有利于促進園區內企業間的水資源梯級利用;而梯級利用的過程，也是各級消費者之間的一場博弈，博弈結果將決定再生水資源的售出價格。

生態工業園區;水資源;梯級利用;博弈

水資源匱乏已經成為全世界共同關注的問題，嚴重制約著各國經濟的發展。生態工業園區是依據循環經濟理念、工業生態學原理和清潔生產要求而設計建立的一種新型工業園區。它通過物流或能流傳遞等方式把不同工廠或企業連接起來，形成共享資源和互換副產品的產業共生組合，建立“生產者——消費者——分解者”的物質循環方式，使一家工廠的廢物或副產品成為另一家工廠的原料或能源，尋求物質閉環循環、能量多級利用和廢物產生最小化［1］。生態工業園區是循環經濟在中觀層面的實現形式［2］，同樣遵循循環經濟的 “3R”原則(即:減量化Reduce，再利用Reuse，再循環 Recycle)，其中減量化原則是首要原則，而廢物再生利用只是減少廢物最終處理量的方式之一，即對待廢物問題的優先順序為:避免發生——循環利用——最終處置。循環經濟要求人類在生產和消費的所有領域都能做到物盡其用，其根本宗旨就是保護日益稀缺的環境資源，提高環境資源的配置效率，不給環境造成危害。水資源作為生態工業園區最重要的資源之一，其分配體系構建的基本目標是促進水資源的合理利用，使園區水資源對于外部供給的需求最小化，并最大限度地減少對環境的負面影響，即排出系統的廢水量最小。

一般來說，水資源的分配和利用主要存在兩個方面的問題:一為數量;二為質量，即水質［3］。在生態工業園區中，水資源的供給量是有限的，如何讓園區內的企業都得到足夠數量的符合水質要求的水資源，使得水資源的配置最為合理，是園區建設和發展過程中不可避免的問題。無論是新建的或已建設完成的生態工業園區，其最終的發展目標均為模擬自然生態系統的運行方式和規律，實現資源的可持續利用。對于新設計的生態工業園區，在設計之初就應慎重考慮水資源的配置和高效利用方式，使之符合循環經濟發展理念。而對于目前已建成的生態工業園區，也應通過政策的合理引導和園區的有效管理，逐步建立園區內企業間友好的水資源協同利用模式，以實現水資源的可持續利用。

1 生態工業園區水資源梯級利用體系

由于生態工業園區是模擬自然生態系統所建立的工業體系，園區中的水資源用戶也可根據功能的不同分為生產者、消費者和分解者。生產者是指各種符合水質要求的自然水體和自來水廠等水資源供應者(P)，消費者是指園區內各類水資源用戶，分解者是指收集各用戶的出水并對不能直接再利用的廢水進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，消費者可以直接從P取水，并將廢水直接排到D。但是，生態工業園區提倡物質閉環循環、能量多級利用和廢物產生最小化，以達到經濟與環境效益的“雙贏”格局。生態工業園區中的水資源利用方式，既要考慮經濟因素，也要考慮環境因素，理想的水資源利用體系應該是可持續發展的，它要求在新鮮水耗和廢水處理上達到最小化，在經濟方面可以獲得回報，在環境保護方面是有效的。

實際上，生態工業園區中由于企業的多樣性和對水質要求的不同，存在較大的共生關系。通過系統分析園區內的水資源利用現狀，完全可以模擬自然生態系統建立生態工業園區內水資源利用系統的“食物鏈”和“食物網”，形成共生網絡，從而實現水資源利用的“閉路循環”，達到水資源的最有效利用［4］。根據用戶對水質要求的高低可分為一、二、三級，其中水質要求高的用戶視為一級消費者，如化工、醫藥、食品等行業內用戶;水質要求一般的用戶視為二級消費者，如冷卻水用戶、景觀用水用戶;水質要求低的用戶視為三級消費者，如綠化、建筑建造、城市雜用等用戶。一級消費者的水資源來源只能是P;二級消費者的水資源來源可以是P，也可以是一級消費者;三級消費者的水資源來源可以是P或一、二級消費者。一、二、三級消費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，或重新進入園區水資源利用系統，一并計入P中。目前來看，生態工業園區中水資源利用問題的最佳解決方案是建立水資源梯級利用體系，使水資源盡可能地在園區內多次使用，以減少新鮮水耗和排污量。生態工業園區中水資源梯級利用體系如圖1所示。

圖1 生態工業園區中水資源梯級利用示意圖Fig．1 Sketch map of water graded-use in eco-industrial park

2 水資源梯級利用過程中的博弈要素

生態工業園區中如若各級消費者隨意用水或是隨意排污，最終可能導致整個園區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家對于排污政策逐漸趨緊，生態工業園區中水資源數量和質量的分配存在利益沖突的問題，矛盾日漸凸現，對這一利益沖突問題可以運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代表生產者 P，1、2、3分別代表一、二、三級消費者，4代表分解者D;生產者決定新鮮用水的供給量和供給價格，而分解者決定排污收費的價格。各級消費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施，所以將其與從自來水廠購買等同，采用同一價格。同樣，各級消費者排污的水質有所差別，但由于國家只規定了達標排放，因此分解者將所接受的廢水通通視為是無差別的，收費價格也是一致的。

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

在生態工業園區中，每一個參與人i，i=1，2，3的戰略選擇包含幾個部分:從生產者P處直接購買水量wi，i級消費者提供給j級消費者水資源量wij，1≤i＜j≤3(也代表j級消費者從i級消費者處購買的水資源量)，以及向分解者D的排污量gi。第i個參與人的策略si是對變量wi，wij，gi的選擇而形成的，即 si=(wi，wij，gi)。生態工業園區中水資源梯級利用體系的數量關系如圖2所示。

圖2 生態工業園區中水資源梯級利用數量關系圖Fig．2 Quantitative relation of water graded-use in eco-industrial park

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

其中fi為第i個參與人的用水效益，包括直接用水效益和向下級消費者供水的效益，C1i表示第i個參與人從P購水的成本(q為總供給量)，C2i為從上級消費者處購水的成本和為向下級消費者供水的處理成本，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，各級消費者都將傾向于向P直接取水;如果排污成本很低，則各級消費者將傾向于直接向D排污，導致水資源供應不足且水質不斷惡化。由于水資源供給量有限，且政策環境門檻的不斷提高以及排污稅費的征收等，使得各級消費者不得不在用水效益和用水成本之間權衡，進而在購水量、水資源處理量和排污量間進行決策。假定水資源總供給量、各級消費者的水資源處理量、排污量為所有參與人的共同知識，則生態工業園區中水資源數量和質量分配的利益沖突博弈過程為一個完全信息動態博弈。

3 水資源梯級利用過程中的博弈模型

設生產者P的水資源價格為p，分解者D的排污收費價格為t。假設生態工業園區中存在再生水資源交易市場，在這一市場中各級消費者達成的再生水資源的協議價格為r，并且r≤p，否則消費者將選擇直接從生產者處購買新鮮水資源而不是再生產品。為方便計，假定各級消費者為向下級消費者出售而進行的水資源處理成本相同，設其價格為s，并滿足s－r≤t，這就是說，消費者的單位處理成本與其收益之差應該足以沖抵排污收費的價格，否則消費者將選擇直接排污。

設fi為第i個參與人的用水效益函數，則各級消費者的支付函數(即用水總收益)分別為:

由于消費者的戰略選擇都是最大化其支付函數，因而:

這一結果表明，生態工業園區中的各級消費者從P處的購水量是水資源價格p的函數，向D的排污量是排污收費價格t的函數，向上級消費者的購水量和向下級消費者的供水量也取決于其相應的價格r和s。在既定市場條件下，任何消費者都沒有積極性改變這一格局。

4 水資源梯級利用博弈過程中納什均衡的解讀

綜合來看，生態工業園區中水資源梯級利用體系能否達成“物盡其用、廢物最小化”的目標，取決于園區水資源利用體系中不同利益者的博弈結果。水資源價格和排污收費價格的提高，有利于促進園區內企業間的水資源梯級利用，以減少新鮮水資源的購買量和最終的排污量;而梯級利用的過程，也是各級消費者之間的一場博弈，博弈結果將決定再生水資源的售出價格，進而促進企業改進或創新再生水資源的處理技術，降低再生水資源的成本，以獲取更大的收益，最終得到生態工業園區內水資源梯級利用的一個良性循環。

(編輯:王愛萍)

References)

［1］國家環境保護總局．綜合類生態工業園區標準(試行)［S］．北京:中國環境出版社，2006．3．［State Environmental Protection Administration．Standard for Sector-integrate Eco-industrial Parks(On trial)［S］．Beijing:China Environmental Science Press，2006．3．］

［2］段寧．清潔生產、生態工業和循環經濟［J］．環境科學研究，2001，14(6):1 － 4．［Duan Ning．Clear Production，Eco-industry and Circular Economy［J］．Research of Environmental Sciences，2001，14(6):1 －4．］

［3］尹云松，孟楓平，糜仲春．流域水資源數量與質量分配雙重沖突的博弈分析［J］．數量經濟技術經濟研究，2004，(1):136－140．［Yin Yunsong，Meng Fengping，Mi Zhongchun．Game Analysis of Double Conflicts in Valley Water Resource Quantity and Quality Allocation［J］．The Journal of Quantitative ＆ Technical Economics，2004，(1):136 －140．］

［4］李娜，張建強．生態工業園內的水資源循環模型［J］．四川環境，2006，25(5):37 －40．［Li Na，Zhang Jianqiang．Water Resources Recycle Model within an Eco-industrial Park．Sichuan Environment．2006，25(5):37 －40．］

［5］張維迎．博弈論與信息經濟學［M］．上海人民出版社，2004:26－32．［Zhang Weiying．Game Theory and Information Economics［M］．Shanghai People's Publishing House，2004:26－32．］

［6］詹姆斯·亨德森，理查德·匡特．中級微觀經濟理論:數學方法［M］．北京:北京大學出版社，1988:16－22．［Henderson J，Quandt R．Microeconomic Theory:A Mathematical Approach［M］．Beijing:Peking University Publishing House，1988:16 －22．］

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，主要研究方向為污染預測與環境質量評價、循環經濟理論及實證等。