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 管理學院, 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 管理學院, 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。 [方法] 以陜西省渭南市為例，運用系統動力學方法，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、污水處理項目總產出等因素的變化趨勢，并在總產出中考慮再生水項目的外部效果來比較投資效率的變化。 [結果] 渭南市近10 a來污水處理率逐年提高，傳統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提供決策支持。

西部中小城市; 再生水; 系統動力學; 投資效率

文獻參數： 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，城市污水經過處理后再生回用日漸受到人們的關注。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用，產生了良好的社會、經濟效果[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[2]；另一方面投入運行的污水處理廠負荷不足，產生了資源浪費，究其原因主要是污水處理廠規模設計不合理，配套管網、污水廠運營管理等顯著滯后于污水處理廠的建設與發展[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%的污泥衛生填埋，只有少數采用焚燒、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。本研究基于系統動力學方法，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變化，以期為解決西部地區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 研究方法與模型構建

1.1 理論概述

經濟學意義上的投資效率，通常是指在投資活動中投入與產出之間的對比關系。再生水項目作為市政基礎設施之一，具有與其他基礎設施相同的公益性、社會性、投資額大、建設周期長的特點，長期以來都是政府投融資建設的對象。對于再生水回用這類政府主導建設的項目而言，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設施建設投資的資金使用效率和資源的配置效率。系統動力學(system dynamics， SD)是一種研究復雜系統行為的方法，適于研究隨時間變化的復雜系統問題，最初由麻省理工學院福瑞斯特[6]于1956年創立。系統動力學模型是一種因果機理性模型，它強調系統行為主要是由系統內部的機制決定的；擅長處理高階次、非線性、長期性和周期性的復雜題；在數據不足及某些參量難以量化時，以反饋環為基礎依然可以做一些研究。由于系統動力學在研究復雜的非線性系統方面具有無可比擬的優勢，已經廣泛應用于社會、經濟、管理、資源環境等諸多領域。系統動力學廣泛應用于效率的研究，如李旋旗等[7]用系統動力學方法構建了住區形態變遷對城市代謝效率影響的系統動力學模型，研究發現交通效率與住房效率的下滑是最主要的原因。俞海宏等[8]運用系統動力學的研究方法，構建了港口群效率的系統動力學模型并進行仿真分析。Lin等[9]針對醫院服務系統運行效率的優化問題，考慮手術流程中醫療資源的不同配置，建立了多目標仿真模型，計算得到最短等待時間和服務時間。陳光宇，王惟賢等[10]將考慮資源約束及其產出的改進DEA算法與系統動力學仿真模型相結合，提出了大科學工程項目效率動態評價方法。系統動力學方法是一種目標導向的仿真方法，可以考慮到所有影響因素而對復雜系統進行建模。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，可以通過系統動力學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動力學模型的構建

1.2.1 系統因果關系圖 因果關系是剖析系統各變量間的相互關系，它是系統動力學建模的基礎，是對系統內部結構關系的定性描述。通過建立因果關系圖，可以直觀地反饋系統結構的框架。本文在對污水處理行業調查的基礎上，根據需水量、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系構建再生水項目動態投資運行模型(圖1)。

注：“+”表示正反饋關系； “—”表示負反饋關系。

1.2.2 系統模型方程 在因果關系圖的基礎上，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，根據系統運行的狀態、速率變量、輔助變量、方程等構建再生水項目投資效率系統動力學模型，模型中主要方程如下：

1.2.2.1 污水排放總量相關方程

(1) 排污水平增加量=城市生活污水排放量系數×排污水平增加率

(2) 城市生活污水排放量系數=INTEG(排污水平增加量，0.9)

(3) 人口增長數=城市總人口×自然增長率

(4) 城市總人口= INTEG(人口增長數，531.36)

(5) 城市生活需水量=城市總人口×150×365×0.001

(6) 城市生活污水排放量=城市生活污水排放量系數×城市生活需水量

(7) 工業生產總值增長值=工業生產總值×工業生產總值增長率

(8) 工業生產總值= INTEG(工業生產總值增長值，388728)

(9) 工業用水總量=工業生產總值×0.015

(10) 工業污水排放量=工業污水排放量系數×工業用水總量

(11) 污水排放總量=城市生活污水排放量+工業污水排放量

1.2.2.2 污水處理率相關方程

(1) 處理設施增長量=污水治理設施數×設施增長率

(2) 污水治理設施數= INTEG(處理設施增長量，100)

(3) 污水處理總量=污水治理設施數×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 污水處理項目總產出相關方程

(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) 環境效益=人均支付意愿×污水處理總量

(4) 污水處理經濟貢獻增加值=污水處理經濟貢獻值×污水處理經濟貢獻增加率

(5) 污水處理經濟貢獻值= INTEG(污水處理經濟貢獻增加值，8)

(6) 社會效益=污水處理總量×污水處理經濟貢獻值×0.1

(7) 排污費增加值=排污費×排污費增加率

(8) 經濟效益=排污費=INTEG(排污費增加值，3 959.96)

(9) 污水處理項目總產出=經濟效益+環境效益+社會效益

1.2.2.4 投資效率相關方程

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

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

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

(4) 工業污水治理設施運行費用= INTEG(工業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設施投資+工業污水治理設施運行費用

(6) 投資效率1=經濟效益/污水治理投資總額

(7) 投資效率2=污水處理項目總產出/污水治理投資總額

1.3 模型檢驗

1.3.1 數據來源 渭南市轄2區兩市8縣，地處陜西關中東部，是陜西省重要的工農業基地。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，模型中采用的數據均來自《陜西統計年鑒》等，模型中參數的設置是根據系統模型方程中各變量之間的關系，根據2005年以來的相關數據，運用平均增長法、統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果與實際情況進行比較，即比較系統行為和歷史數據的擬合程度，并在此基礎上反復修改更正模型，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污水治理設施運行費用、城市總人口、城市生活污水處理基礎設施投資這3個主要變量2005—2014年的仿真結果與實際數據相比較(表2)。從表2可以看出，仿真值與統計值的相對誤差均小于10%，相對誤差大于5%的值有6個，占總統計數值的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=(統計值—仿真值)/統計值。

2 結果與分析

2.1 仿真結果分析

根據本文的研究目的，運用系統動力學仿真軟件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年的數值，模擬運行結果詳見表3。

表2—3的仿真結果顯示，渭南市近年來城市總人口平均增長率為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年渭南市工業生產總值的平均增長率為20%，工業用水總量隨之顯著增長，而經過統計工業用水重復利用率基本保持在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；由于污水治理設施逐年增加以及污水處理技術不斷改進，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果

污水排放總量取決于工業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的仿真結果，可以發現渭南市污水處理率上升，但投資效率降低的主要原因有： (1) 城市總人口和工業總產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保問題的重視，大大增加了污水處理的需求。 (2) 污水處理設施的增加以及處理技術的進步，使得污水處理能力穩步上升；工業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的監管也越來越嚴格，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，項目的主要經濟收入僅為征收的排污費，僅以該指標作為項目的產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建設的項目而言，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。投資效率傳統評價方法僅考慮項目經濟效益，考慮到再生水項目的特殊性，在產出中考慮項目的外部效果，則再生水項目的產出應該包括經濟效益、環境效益和社會效益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，并通過比較仿真結果來比較兩種評價結果。其中，情景1表示模型各初始參數值不變，再生水項目的產出僅考慮項目的經濟效益，經濟效益以項目收取的排污費來量化；情景2中再生水項目的產出包括經濟效益、環境效益和社會效益，參照文獻[12]中對西安市再生水外部效果的量化結果，對環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造的國內生產總值來量化，項目外部效果初始值選取2005年的數值，主要參數詳見表4。

表4 再生水項目外部效果參數取值

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監測的加強，征收的排污費逐年上漲，反映了再生水項目的經濟效益是逐年遞增的；再生水項目的環境效益體現在人們對再生水可持續利用的意愿、污水處理后對水資源的改善等方面，隨著近年來人們環保意識的提升和對再生水資源的認識，政府大力倡導污水的再生利用，人們對再生水的支付意愿也逐年增長，再生水項目的環境效益也逐年增加；近年在政府的主導下，再生水項目的建設逐漸增多，給很多居民增加了就業機會，并且再生水回用后替代水資源在國民生產總值中發揮著部分作用，其產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，可以發現，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，在項目的產出中加入環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，表明項目的產出大于投入，再生水項目外部效果發揮的作用越來越顯著。

圖2 不同情景下的投資效率

3 討論與結論

(1) 對渭南市2005—2014年的投資效率仿真分析發現，由于城市人口和工業生產總值的增長，城市的污水排放總量也逐年增加；隨著近年來對環保問題的重視，污水治理投資總額以及污水處理設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提高；

(2) 傳統的投資效率評價方法不考慮系統的外部效果，得出的結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應該綜合考慮其經濟效益、環境效益和社會效益，全面分析投入與產出之間的關系，這樣更有利于得到政府的支持。

(3) 受統計數據和假設條件的限制，本文所建立的系統動力學模型主要考慮了城市生活和工業產生的污水量，考慮的影響因素并不全面，沒有考慮農業、第三產業等所產生的污水量，在考慮環境效益和社會效益時只量化了其中的一部分，沒有全面的反應再生水項目的外部效果，這正是下一階段的主要研究工作。

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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

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

高旭闊(1973—),男(漢族)，陜西省西安市人,博士,教授,主要從事資源與環境經濟分析、環境管理和經濟評價方面的教學科研工作。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與房地產經濟與管理。E-mail:xuejl0313@163.com。

B

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

TV213.9， X703