碳排放總量控制下行業間碳配額分配的博弈機制研究

吳 軍 李 曼 徐廣姝 王 璇* 尹文琦

(1.北京化工大學 經濟管理學院，北京 100029；2.北京物資學院 物流學院，北京 101149；3.國家市場監督管理總局 全國組織機構統一社會信用代碼數據服務中心，北京 100029)

引 言

針對溫室氣體控制減排問題，目前已有的研究提出了兩種基于經濟市場的激勵方式，即碳交易市場和碳稅。但就目前的發展形勢來看，在全球經濟市場下碳交易市場在碳減排問題上占據主流。碳交易市場的發展關系到經濟和生態環境的發展，因此，建立一個高效、成熟的碳交易市場具有重要意義。

在碳交易市場運行中，合理分配碳配額是促進區域減排的重要部分。目前來看，初始碳配額分配方式主要有3種：拍賣、免費發放和定價出售[1]。其中免費發放配額包括歷史法和基準法，并且歷史法分配方式更為常用[2]。對于碳配額的分配問題，當前主要的研究集中于不同省區間、某一省市或某類行業方面。在不同省區間配額分配的研究方面，Han等[3]利用綜合指數通過綜合加權法模擬京津冀地區的碳配額分配。Li等[4-5]基于雙目標規劃模型(BPM)和最大偏差法(MDM)進行珠三角地區配額分配的研究，在激發所有參與者積極性的同時優化減排成本。Kong等[6]和Zhou等[7]運用數據包絡分析(DEA)模型,評估了中國各省市間的CO2排放績效并進行CO2排放配額分配。在某一省市碳配額分配的研究方面，Gao等[8]基于人均歷史累計排放量相等的原則，以上海為例建立了碳排放分配標準。Dong等[9]基于遵循公平原則的分配結果，采用修正的固定成本分配模型(FCAM)確定中國各省的允許排放量。王慶山等[10]引入“弱關聯性”的概念，通過建立零和博弈DEA模型，分別研究了我國七大試點省市的碳排放權分配效率。黃賀林等[11]建立了環境庫茲涅茨曲線模型，研究了河北省免費配額分配比例及重點管理行業的篩選問題。在某類行業碳配額分配的研究方面，趙文會等[12]以電力行業為研究主體，通過建立Cournot模型分析了不同配額分配策略對該行業的影響。Han等[13]使用灰色預測模型設計了運輸部門的碳排放交易機制，并提供了敏感性分析。Zhao等[14]基于模糊隨機變量的交互式求解方法鼓勵建材行業供應商調整其生產和碳排放配額購買計劃。趙鳳彩等[15]基于歐盟碳交易體系配額分配方式理論，研究了航空貨運企業實際配額分配的合理性和公平性。

近年來，博弈論被廣泛運用于碳減排問題中。在碳交易定價問題上，謝晶晶等[16]基于合作博弈理論研究了碳配額價格機制。Wen等[17]開發了一個雙寡頭博弈模型,研究了企業在市場競爭中面對碳排放交易價格和消費者碳意識的壓力時的碳減排和定價策略。在企業和政府策略選擇上，焦建玲等[18]建立了地方政府和企業群體行為的演化博弈，為政府實施減排制度提供了有力建議。郭軍華等[19]建立了演化博弈模型并進行分析，建議政府為促進企業減排應降低減排成本并提高消費者的綠色節能意識。在供應鏈減排方面，駱瑞玲等[20]針對單制造商和單零售商組成的供應鏈，構建了3種決策類型的博弈模型，探討了碳限額及碳減排成本對供應鏈成員決策及減排效果的影響。可見，博弈論在碳減排問題中有多方面的應用，但在碳配額分配問題上的應用卻并不多見，如令狐大智等[21]利用雙寡頭博弈模型研究了不同碳配額分配機制對不同企業的影響，但在分析中并沒有提出具體的配額量化分配方案。

綜上所述，當前已有很多學者對我國碳配額的分配問題進行了深入研究。本文在已有研究的基礎上，從省內不同行業間的碳配額分配問題入手，將權重分配與博弈論結合，構建碳配額權重博弈模型，同時引入獎懲機制，最終給出了不同行業在碳限額范圍內達成碳配額分配權重的納什均衡。

1 行業間初始碳配額分配權重博弈

1.1 2030年某省碳配額總量預測

本文假設在2030年實現了60%的碳強度減排目標，依據已有文獻[4,22]，用于估算2030年某省可供分配的碳排放配額總量Q2030的計算公式如下。

(1)

Q2030=0.4C2005G2030

(2)

式中，Ct為t年碳排放強度，Et為某省在t年的碳排放量，Gt為t年的國內生產總值(GDP),這里假設該省GDP年增長率為6.5%。利用式(1)、(2)估算出2030年該省在實現承諾的前提下可用于分配的碳配額總量。

1.2 碳配額權重博弈要素

碳配額的分配過程是一個多方參與的利益沖突問題，根據已有的研究成果，在實施減排政策時，一般應有行業減排優先次序[23-24]。

本文將減排行業按減排嚴格程度逐漸增大的順序分為3個等級，即等級1、等級2、等級3。在該省不同行業間碳配額分配過程中，各行業為追求經濟效益作出決策，且各等級行業不同時作出決策，因此該過程為動態博弈過程，具體如下：

1)參與方N=(等級1，等級2，等級3)；

2)策略配額為Qi(i=1，2，3),S={si}為參與方策略集合，其中si表示參與方i的策略選擇，在本文的配額分配中，策略集合S={s1，s2，s3}，其中si=Qi。

在文獻[7]、[25]的計算形式基礎上，加入配額分配權重系數，可以得到配額分配量函數為

(3)

式中，Qi為等級i行業最終分配的碳配額，Ei為等級i行業2030年在進行減排前需排放的碳總量，λi為等級i行業的碳配額權重系數。在該配額分配機制下，由于引入了行業減排優先順序，則在整個決策過程中各等級行業將依次按分配的先后順序對自身分配權重進行決策，且由于不同行業間的信息獲取存在一定的局限性，參與碳配額分配博弈中的各方對其余參與者的效益未能及時了解，因此，該問題是一個不完全信息動態博弈問題。

1.3 行業間初始碳配額分配權重博弈

在進行碳配額總量分配后，不同等級行業為追求自身最大經濟效益作出決策，該過程稱為行業間初始碳配額分配權重博弈。為了研究不同等級行業間碳配額初始分配下權重博弈的決策問題，本文作出的假設如下。

假設1在配額分配的初始時期，主要是以2030年總量排放目標為導向進行分配，而確定超量排放現象的發生是在進行配額分配后，若排放量超過分配量則為超排，反之則未超排。因此超量排放的問題是在進行配額分配后需要考慮的，在初始分配權重博弈階段，假設各等級行業均在碳限額內進行排放，即暫不考慮超量排放的現象。

使用Stackelberg模型進行建模，并將式(3)代入假設2 中的配額分配利潤表達式，得到各行業配額分配支付函數具體為

(4)

由逆向歸納法進行求解，首先考慮在給定一組(λ1，λ2)情形下，等級3行業的最優選擇，即

(5)

滿足

(6)

從而求解得出

(7)

根據式(7)決定碳配額分配權重，則等級2行業的最優化目標為

(8)

滿足

(9)

2 碳排放總量控制下配額分配權重博弈

碳排放總量控制下配額分配權重博弈即通過引入獎懲機制控制行業碳排放總量，建立碳配額分配博弈模型。引入獎懲機制后各行業配額分配支付函數為

(10)

式中，max{0,nP(Ei-Qi)}為懲罰金額函數，n為懲罰倍數，P為碳配額市場價格。下面分兩種情況進行說明：

1)當Ei>Qi時，行業超限額量排放，此時應予以懲罰，初始收益受到損失，懲罰金額即損失為nP(Ei-Qi)[27]；

2)當Ei≤Qi時，行業排放量在限額內，此時nP(Ei-Qi)值為負，則懲罰金額函數值為0，不予懲罰。在該種情況下，政府給予履約行業適當的扶持政策，如降低稅收、投資合作等措施，可以起到激勵減排的作用。

通過獎懲機制的引入，各行業在進行碳排放決策時不再只考慮配額分配的經濟效益，而需要把獎懲機制所帶來的效益影響考慮在內，尤其是盡量避免由超量排放帶來的懲罰所造成的經濟損失，因此盡可能采取減排措施將排放量控制在限額范圍內，從而實現控制排量的目標。

3 實例分析

根據文獻[18]、[21]、[28]，設定參數如表1所示。同時，根據文獻[23]中的數據顯示及行業劃分方式，將第一產業、輕工業和第三產業這類排放量相對較低的行業劃為等級1，將交通運輸、倉儲、郵政業、化學原料和化學制品制造業這類排放量相對較高的行業劃為等級2，將采掘業和制造業這類排放量高且經濟實力較強的行業劃為等級3。因此設定某省參與配額分配行業的總碳排放量為單位1，則等級1、等級2、等級3的行業總排放量分別為0.2、0.3、0.5，并設置碳價初始值為10[18]。在暫不考慮超額排放的前提下，求解各等級行業的分配參數(式(7))，得到該省參與碳配額分配的各行業分配權重系數的子博弈精煉納什均衡結果，見表2，其中Q′i為未對各行業加以減排約束后2030年各等級行業的配額分配量(排放量)。由表2可見，將行業減排優先順序考慮進配額分配過程中后，分配權重λ1>λ2>λ3。并且由權重系數的引入，根據式(1)～(2)計算得出2030年在實現中國碳減排承諾下可用于分配的各等級碳配額量Qi，對比未對各行業加以減排約束下2030年各等級行業的配額分配量Q′i，可見最終分配量并未因歷史排放量高而獲得相對更高的碳配額量。

表1 相關參數值Table 1 Values of the related parameters

表2 配額分配計算結果Table 2 The quota allocation calculation results

將表1的參數值代入獎懲函數式(式(10))中，可以得到不同激勵政策下行業獎懲情況如表3所示。由表3可知，當減排行業不存在超量排放行為時，懲罰值為0，該行業將受到政府在稅收或其他政策方面的支持；當減排行業存在超量排放行為時，在政府不同懲罰程度下受到的懲罰值不同，此時政府機構應綜合考慮行業自身及減排情況選擇懲罰力度。而在任何懲罰程度下，企業在超量排放后均會受到政府懲罰，此時均會對其整體收益造成沖擊，從而促使其自覺選擇節能減排行為。

表3 不同獎懲機制下行業排放行為收益差Table 3 The income difference of industrial emission behavior under different reward and punishment mechanisms

4 結論

以碳減排為目標，構建了某省內行業間的配額分配權重的不完全信息動態博弈模型。通過引入行業減排優先順序和配額分配權重構建各行業配額分配支付函數，進而通過逆向歸納法求得博弈模型的納什均衡。通過引入激勵與約束機制來輔助實施減排、控制排放總量。最后通過數值計算得到行業分配權重分別為(0.900,0.602,0.364)，分配比例分別為(0.332,0.333,0.335)。