左右岸跨界水污染治理演化博弈與政策路徑研究

楊 志,牛桂敏,蘭梓睿

左右岸跨界水污染治理演化博弈與政策路徑研究

楊 志*,牛桂敏,蘭梓睿

(天津社會科學院資源環境與生態研究所,天津 300191)

基于流域跨界水污染問題多關注于上下游矛盾而忽視左右岸的“公地悲劇”,本研究構建左、右岸地區和流域政府三方演化博弈模型,探索獎懲、補償及復合機制下的主體決策和演化格局差異,結合仿真實驗給出推動左右岸協同治理政策路徑.結果顯示,實現左右岸地區達標排放的關鍵在于顯化達標排放收益與超標排放損失.流域政府傾向于選擇獎懲或補償的單一機制,獎懲機制在不同政策組合中顯示出必要性,補償機制具有加快達標決策、減緩超標決策的收斂速度的積極意義.政策路徑是首先采取“階梯懲罰政策”并增加嚴重超標懲罰額;繼而依次增加獎勵和懲罰額促成“獎懲機制”,或依次增加獎勵額和左右岸之間的補償額促成“補償機制”,同時給出了上述額度的量化表達式.

左右岸；界河；跨界水污染；三方演化博弈；數值仿真

流域跨界水污染問題多關注于上下游矛盾而忽視左右岸視角[1],而位于河流左右岸的不同地區因排污交互影響且責任分屬不清容易陷入“公共池塘”困境,逐步演化為污染重點、沖突焦點、治理難點.如海河流域“左右岸型”省界斷面中,劣Ⅴ類占比平均為72.08%,是“上下游型”省界斷面劣Ⅴ類占比的2.09倍[2].黃河、漳河、白洋川等地的左右岸跨界沖突更是由來已久[3].究其原因,一是環境歷史欠賬和發展水平限制造成水環境治理成本居高不下,在政府逐績或企業逐利中[4]的公地治理內生動力不足;二是左、右岸地區難以判斷雙方的排放達標情況和污染貢獻率,無法根據省界斷面水質監測數據劃定污染責任[5]、確定轉移支付[6]和獎懲額度[7],為實施外部約束機制造成障礙.彌補左右岸跨界水污染治理短板刻不容款,探索推動左、右岸地區形成內生治污動力的外部機制和政策路徑十分必要.

當前,河流左、右岸跨界水污染治理研究主要圍繞污染責任劃分方法展開.第一種“調整濃度核算法”根據具體污染源排放情況確定各省對監測斷面水質的貢獻;第二種“代表斷面判斷法”根據排污口分布劃分代表斷面,進而轉化為類似于上下游的核算方式[8];第三種是參照相鄰行政區的面積、人口、GDP等賦權計算獎懲和補償額度[9].上述方法因對污染源數據或排污口位置要求較高而鮮有應用,部分地區在實踐中嘗試采用雙方平均分攤的方式.少數學者開展了基于協作視角和博弈方法的相關研究,從宏觀上指出穩定區域關系并達成協議是跨界合作的必要條件[10],微觀上研究了基于相對效用函數和非對稱納什議價法的水資源配置方案[11],但協商合作往往因左、右岸對個體相對收益的關注而陷入沖突[12],環境信訪和上級監管或可推動左右岸政府聯合治污、消除偷排現象[13].上述研究明確了左右岸合作的必要性、個體發展的重要性、聯合治污的可能性,但推動左、右岸跨界水污染治理的具體調控機制有待深入.

此外,上下游水污染和相鄰地區大氣污染治理的研究成果可為解決左右岸跨界水污染問題提供政策借鑒[14-15].前者,聚焦于合作聯盟穩定性[16]、成本和效益分配[17-18]等,中央干預[19]、流域組織介入[20]、獎懲和補償機制[21-22]的積極意義得到普遍認可.后者,如京津冀[23]和長三角[24]等區域,同樣面臨污染交互和責任模糊的府際困境,學界從博弈視角探討了中央監管[25]、目標考核[26]、激勵問責[27]和碳交易[28]等政策的有效性.但是,移植上述調控政策的適用性和實現路徑尚待探索.

基于前人研究,本文在以下三點有所創新:第一,立足于“左右岸型”跨界水污染治理博弈的新視角探討流域痛點和盲點問題,是對以往上下游跨界治理研究的有益補充.第二,借鑒大氣跨界污染研究方法,基于已有的左右岸兩方博弈框架,建立流域管理機構和左、右岸治理群體的三方演化博弈模型,且區別于現有研究對地區合作可能性和中央約束必要性的探討,本文進一步揭示不同調控政策下博弈機制的差異性,并結合不同發展時期探討政策適用性.第三,在博弈演化關鍵影響因素和穩定性條件等常規研究的基礎上,嘗試將仿真技術應用于左右岸水環境治理政策路徑的量化分析,預測獎懲和補償額的臨界值,以期為解決跨界水污染問題提供具象參考.

1 研究方法

1.1 模型背景

水污染治理的公共物品屬性和外部性特征,滋生了搭便車行為,進而生成了流域管理者介入的必要性.獎懲機制是目前普遍實施的水污染治理措施之一,根據水質監測斷面考核結果進行相應的獎勵與處罰,是對水污染治理顯性結果的直觀回應.水生態補償機制處于試點推廣階段,取得一定成效,使因環境保護喪失發展機會的區域得到一定的補償與均衡,更具對地區間水污染治理隱性成本的協調之意.獎懲和補償分別實現了對水環境治理直接成本和機會成本的回饋,多地兼施二者形成復合機制.承前所述,引入獎懲、補償、復合機制, 構建左、右岸地區和流域管理者之間的三方演化博弈模型,探討不同機制對博弈格局的影響及其差異性.

1.2 模型構建

針對流域跨界斷面中左右岸分屬不同轄區的情況,設置左岸地區和右岸地區,下文分別簡稱“左岸”和“右岸”.根據我國水利部和生態環境部派出七大流域管理機構的形式,引入博弈主體“流域政府”.左岸和右岸的策略集合為(達標排放,超標排放),左右岸選擇達標排放的概率分別為和,選擇超標排放的的概率分別為 1-和1-.分別設置三種研究方案,流域政府在方案1中的策略集合為(獎懲機制,補償機制),方案2中為(獎懲機制,復合機制),方案3中為(補償機制,復合機制),三種方案中選擇前者策略概率為,后者為1-.其中,0￡,,￡1.模型假設如下

假設1:流域政府具有高于左、右岸的流域決策權.在獎懲機制下,左右岸均達標排放可使斷面水質達標,流域政府給予獎勵;任一方超標排放會導致河段水質超標,雙方均超標排放將導致河段水質嚴重超標,流域政府針對不同的污染程度實施相應懲罰.

假設2:流域政府在左右岸一方達標排放且另一方超標排放時,實施補償機制.但現有的水質監測手段不足以明晰左右岸的排污情況,因此實施補償機制時需進一步提升水質監測基礎設施建設并加強水污染監管機制.

假設3:左右岸達標排放時所付出的水污染治理成本隨著基礎設施的完善和技術手段的提升將逐步降低并趨于平穩,其帶來的生態、經濟、社會、政治等綜合收益隨著綠水青山和金山銀山的相輔相成與不斷轉化,呈上升趨勢,故僅管在短期內由于水污染治理成本高于可見的綜合收益,左右岸選擇超標排放造成跨界水污染問題,但長期來看,綜合收益將大于治理成本.同理,僅管短期內左右岸超標排放帶來的經濟增收大于可見的綜合損失,但長期來看,水污染造成的綜合損失將超過這一短期收益,這與寧要綠水青山,不要金山銀山的內在要求相一致.此外,左右岸發展不盡均衡,或可導致其先后從近期情境過渡至遠期情境,即經歷一個僅一岸率先實現轉化的過渡期.為解決不同時期不同參數取值不同的問題,演化分析中引入時間參數,分近期、過渡期和遠期分析博弈過程[29-30].

不同機制下的三方主體收益矩陣如表1所示.

表1 三種方案下左岸、右岸和流域政府三方博弈支付矩陣

1.3 三種方案下的三方演化博弈模型求解

1.3.1 構建獎懲機制和補償機制(方案1)下的三方演化博弈模型.

左岸行為策略的復制動態方程為:

當流域政府、左岸和右岸的決策變化率為 0 時,即上述復制動態方程()=0、()=0、()=0時,可求解得到多個均衡點,但諸多平衡點是否為系統演化穩定策略,仍需進一步開展穩定性分析.

1.3.2 構建獎懲機制和復合機制(方案2)下的三方演化博弈模型.

與1.3.1同理可得左岸、右岸和流域政府三方博弈的復制動態方程如下:

1.3.3 構建補償機制和復合機制(方案3)下的三方演化博弈模型.

與1.3.1同理可得左岸、右岸和流域政府三方博弈的復制動態方程如下:

1.4 三種方案下的演化博弈模型穩定性分析

1.4.1 方案1模型穩定性分析 借鑒Friedman的研究結論[31],以8個純策略點的解所對應的雅克比矩陣的特征根來判斷復制動態方程的穩定性,當滿足’() < 0、’() < 0且’() < 0時,得到演化均衡點,即行動演化穩定策略.

對1.3.1節中()、()、()求導,得到’()、’()、’(),如下

8個純策略平衡點的特征根見表2.其中,全部特征值均小于0時,平衡點為匯(穩定);全部特征值均大于0時,平衡點為源(不穩定);特征值一正兩負或一負兩正時,平衡點為鞍點(不穩定).

根據特征值分析8個均衡點的穩定性.其中,1、2、3為非穩定點,4、5、6、7、8在不同時期可以形成穩定點(見表3),具體分析如下.

表2 方案1系統J平衡點及特征值

表3 方案1平衡點穩定性分析

注:腳標1、2代表左岸、右岸.

綜上所述,左右岸從近期雙方選擇超標排放,到過渡期實現單方達標排放,直至遠期雙方選擇達標排放策略.流域政府在近期和過渡期選擇獎懲機制策略,在遠期則根據補償機制建設成本和獎懲機制獎勵額的大小選擇獎懲機制或補償機制.

表4 方案2平衡點穩定性分析

表5 方案3平衡點穩定性分析

2 推動左右岸達標排放的政策路徑及數值仿真

左、右岸選擇達標排放的關鍵是實現正收益,驅動途徑主要有兩方面:一是通過綠色發展實現兩山轉化,使左右岸在達標排放中收獲效益;二是發揮政策效應,通過增大階梯懲罰的梯度差、獎懲額度或補償額度等手段,推動博弈演化過程.本節運用 Matlab 求解微分方程的功能函數ode45求解復制動態系統的數值解,并借助數值實驗仿真不同發展時期的三方博弈過程,給出加速左右岸達標排放的政策路徑及獎、懲、補額度的量化表達式.

2.1 發展推動下的左右岸達標排放路徑

三種方案下的演化博弈過程仿真如圖1所示,左右岸在近期均選擇超標排放策略,在過渡期有一方率先選擇達標排放,遠期雙方選擇達標排放策略;流域政府在遠期用于左右岸達標的獎勵額度大于用于補償機制建設成本投入時,選擇補償機制,除此之外均選擇獎懲機制,模擬結果與第1節一致.

表6 數值仿真情境設定

圖1 方案1、方案2、方案3的三方演化博弈仿真

實驗1仿真結果如圖2所示,左右岸達標決策收斂速度隨自身初始決策概率值增加而明顯提高,改變左右岸決策概率初始值的大小對流域政府決策速度快慢的影響趨勢具有一致性,但影響程度較弱.實驗2仿真結果如圖3所示,改變流域政府策略選擇收斂速度的影響因子中,獎勵額度的敏感度最高,這與方案1中流域政府選擇7和8取決于獎勵額度和補償機制建設中的成本分擔額度的大小具有一致性.同時,兩項實驗表明模型參數及初始值設置差異使模擬結果存在不確定性,但博弈機制及變化規律符合前文均衡點求解及穩定性分析結論.

圖2 初始值影響實驗仿真結果

圖3 參數敏感性實驗仿真結果

綜上所述,左右岸只有通過綠色發展實現在達標排放中的正向收益,才能形成對該策略的穩定選擇;補償機制對加速左右岸達標排放有積極意義,但流域政府對該策略的選擇概率與獎懲力度密切相關,其收斂過程隨決策概率初始值增加而提速.如何平衡政策手段,形成推動左右岸水污染治理的有效路徑仍有待進一步研究.

2.2 政策推動下的左右岸達標排放路徑

在推動左、右岸達標排放的過程中,獎懲機制是流域政府不同時期的必要治理手段,體現了流域政府的權威性和約束性的不可或缺;補償機制在一定情境與條件下發揮出積極作用;復合機制在不同階段都并非首選.故本節針對流域政府實施獎懲機制或補償機制的三方演化過程,重點討論推動左右岸達標排放的政策實現路徑,并給出改變三方演化博弈格局的獎懲和補償額的臨界值.

以(超標排放,超標排放,獎懲機制)為仿真的初始狀態(情境1).此時,三方均在2個單位時間內達到穩定均衡狀態(參考方案1中4).假設在短期內左右岸發展狀況不變,為加速左右岸演化博弈格局的改變,流域政府實施系列政策加以調控.

3 研究結論與政策建議

3.1 研究結論

3.1.1 左、右岸地區的排污策略按照近期雙方超標排放、過渡期單方達標排放、遠期雙方達標排放的過程不斷演化,達標排放與否的關鍵在于彌補達標排放的成本和收益差值與超標排放的收益和損失差值兩項缺口,即取決于雙方的綠色發展水平,而非經濟發展程度.

3.1.2 比起復合機制,流域政府更傾向于選擇單一機制,在近期和過渡期中首選獎懲機制策略,而在遠期則會根據補償機制建設成本和獎懲機制獎勵總額的大小決定選擇獎懲機制或補償機制,獎勵額度是改變流域政府策略選擇收斂速度的主要影響因子.

3.1.3 盡管獎懲機制是流域政府在權威性和約束性需求下的必要選擇,但是補償機制可起到加快選擇“達標排放”策略一岸的收斂速度,并放慢選擇“超標排放”策略一岸的收斂速度的作用,對于左右岸水污染治理亦具有積極意義.

3.2 政策建議

推動左、右岸達標排放的具體政策路徑是:采取“階梯懲罰政策”,增加嚴重超標時的懲罰額度;繼而增加獎勵額度,或依次增加獎勵額和懲罰額度,或依次獎勵額度和左右岸之間的補償額.其中,“階梯懲罰政策”可將水功能區水質目標作為基準,水質超標在2個水質類別以內記作第一級階梯,水質超標在3個水質類別以上記作第二級階梯;根據區域現行獎懲政策確定一級階梯懲罰額,并結合區域發展水平和實際情況設置過渡期,逐步提高二級階梯懲罰額.

在體系建設上,現階段可借鑒大氣污染防治的成功經驗,成立流域水污染防治協作領導小組,重點解決超標跨界河段的權責廓清、標準統一和污染治理問題.進一步可將七大流域水利委員和生態環境監督管理局兩類流域管理機構,合并升級為七大流域委員會,作為水利部和生態環境部聯合派出的正局級流域管理機構,設置跨界水環境治理辦公室,整合流域河湖長網絡,建立左右岸河湖長常態化互查機制,形成水環境長效治理體系.

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Policy strategy of transboundary water pollution control in boundary rivers based on the evolutionary game.

YANG Zhi*, NIU Gui-min, LAN Zi-rui

(Resources, Environment and Ecology Institute, Tianjin Academy of Social Sciences, Tianjin 300191, China)., 2021,41(11)：5446～5456

The contradictions between upstream and downstream have been primarily focused on thingsother than the "tragedy of the commons" on the left and right banks when referring to the problem of transboundary water pollution in river basins. The tripartite evolutionary game model between the left bank, the right bank, and the government of the river basin was constructed to analyze the strategic choices of all parties and the difference of the evolution pattern under the reward and punishment mechanism, the compensation mechanism and the combined mechanism. Coupled with the simulation experiment, the policy strategy to promote collaborative governance of the left and right banks is presented. It was the key to achieve the standardized discharge on the left and right banks through the explicit gains of the standard discharge and the unequivocal loss of excessive discharge. The government of the river basin favored a single mechanism regarding the reward and punishment mechanism or the compensation mechanism other than the combined mechanism. The reward and punishment mechanism displayed its necessity in different policy combinations. The compensation mechanism was a positive step in catalyzing the convergence rate of standard discharge decisions and reducing the convergence rate of excessive discharge decisions. Firstly, the policy strategy referred tothe "stepped penalty policy" that should be implemented, including increasing the fines for severe violations. The rewards and penalties should be subsequently increased in turn to enhance the reward and punishment mechanism,or the reward and the compensation between left and right banks should be increased in turn to promote the compensation mechanism. The quantitative expression of the above quota was concluded as well.

left and right banks；boundary rivers；transboundary water pollution；tripartite game；numerical simulation

X522

A

1000-6923(2021)11-5446-11

楊 志(1989-),女,山西永濟人,助理研究員,博士,主要從事流域水環境治理研究.發表論文10余篇.

2021-03-13

天津市哲學社會科學規劃委托項目(TJKSWT1912);國家社科基金青年項目(20CJY030);天津社會科學院重點委托課題(21YWT-05)

* 責任作者, 助理研究員, 19890517yz@sina.cn