納入水資源利用量配置變化的流域生態補償機制

楊開忠，李少鵬，董亞寧，牛坤玉

（1.中國社會科學院大學應用經濟學院，北京 102400； 2.中國社會科學院生態文明研究所，北京 100710； 3.首都經濟貿易大學城市經濟與公共管理學院，北京 100070； 4.中國農業科學院農業經濟與發展研究所，北京 100081）

流域是人與自然和諧共生的主要自然空間，以流域為基礎的生態文明建設至關重要［1］。經濟社會的快速發展加速了對流域水資源的攫取，使得流域水資源短缺、水生態環境破壞等問題日益加劇，流域上下游用水關系日趨緊張、用水矛盾日益突出［2］。流域生態補償作為協調流域各方利益相關者關系、促進流域水資源可持續利用最為有效的手段，受到社會各界的廣泛關注。2016年國務院頒布實施的《關于健全生態保護補償機制的意見》指出“到2020年要實現森林、草原、水流等重點領域生態補償全覆蓋”。2022年黨的二十大報告提出要“統籌水資源、水環境、水生態治理，推動重要江河湖庫生態保護治理”“建立生態產品價值實現機制，完善生態保護補償制度”。流域生態補償成為備受關注的重要理論和實踐前沿課題。

目前，新安江流域、永定河流域、贛江流域、渭河流域等流域生態補償試點已取得重要進展，但仍有部分流域雖然實施了生態補償，但水生態環境形勢仍然嚴峻，突出表現為流域水資源利用空間格局失衡，部分地區水資源利用量已經遠超地區水資源承載力。以黃河流域為例，黃河流域經濟、人口空間重心偏向中下游，人均綜合用水量大致呈現上游、中游、下游逐漸下降的梯形趨勢，中原城市群和山東半島面臨缺水壓力。其關鍵原因在于現有生態補償實踐是基于靜態視角的，對流域上下游間水資源利用量動態變化考慮不足。而如何在動態視角下開展流域生態補償機制設計？流域水資源利用量上下游間動態變動的內在機制是什么？如何將流域水資源利用量上下游間配置變動納入到現有流域生態補償機制中？其運行機制是什么？這些都是迫切需要解決的問題。因此，從動態視角開展納入流域水資源利用量上下游間配置變化的流域生態補償機制研究，探索變化條件下的流域生態補償機制，具有重要的理論研究價值和現實意義。

1 文獻綜述

與流域生態補償相關的研究主要包括概念界定、補償機制、補償標準測算等方面內容。對于流域生態補償概念，不同學者有著各自不同的理解。一般而言，流域生態補償可理解為，為實現流域上下游地區間水資源公平合理配置和社會經濟可持續發展，對某一流經多國或流經某國境內多行政區的水資源采取的一系列恢復、保護、治理等活動的總稱［3］。具體包含兩個方面，一是上游地區污染排放超過限排總量而對下游地區進行的污染賠償；二是下游地區為上游地區實施特殊的水生態環境保護而進行的保護補償［4］。國際上，常用流域生態系統服務付費（Payment for Watershed Ecosystem Services，PWES）來代替流域生態補償的概念，特指對維持和改善流域生態服務進行經濟激勵的組織安排［5］。兩者在概念表述上雖有所差異，但在本質上是一致的。

對于生態補償機制問題，國際上，以市場化運作為主導的市場補償模式已經成熟，逐漸實現了區域水質水量調節、水資源污染控制等服務的商品化，主要特征為權屬交易和契約簽訂［6］。比較典型的是由世界銀行發起的改善拉丁美洲水環境的環境服務支付項目［7］和法國Vittel流域生態保護項目［8］。Willy等［9］提出征收環境服務付費可以增強特定生態系統的穩定性。在中國，目前仍以政府補償為主要途徑，通過財政補貼、生態稅收等方式來實現。比較典型的是三江源生態補償、新安江流域生態補償等［10］。對于流域生態補償政策效果，Engel等［11］認為市場主導的生態補償效率更高，而徐麗媛［12］提出應將政府補償和市場補償有效結合，鄭云辰等［13］則提出應建立政府、市場、社會等多元主體耦合的生態補償模式，究其原因是生態補償方式多元化能夠廣泛調動市場因素，實現更大的補償效益［14］。此外，王雅敬等［15］還提出應提高非資金補償在生態補償方式中所占比重，通過技術指導、教育培訓等方式實現“被動輸血”向“主動造血”轉變。

生態補償標準測算是流域生態補償實施的重要環節。目前，在生態補償考核標準上，主要集中于水權、水質和水污染排放權等，如印度Sukhomajri流域上游居民出售閑置水權，有效解決了河流泥沙淤積與流量減少的問題［16］。吳鳳平等［17］根據復雜適應系統理論構建了適應性水權交易系統；潘海英等［18］強調政府對水權市場建設的重要保障作用。劉桂環等［19］提出建立水質超標“罰款賠償”和水質達標“獎勵補償”機制是解決流域跨界污染問題的重要突破口；耿翔燕等［20］在對流域水質評價以及與協議水質指標比較基礎上，同時考慮了污染物不同濃度處理時的難易程度，構建了基于重置成本的差異化生態補償標準模型。肖加園等［3］結合水污染排放特征構建了流域水排污權交易市場，從理論層面上分析了水排污權市場交易機制。在開展生態補償標準測算時，需要考慮到生態系統服務價值、保護生態系統而喪失發展機會及直接損失、破壞生態后需要的恢復成本及上下游地區經濟水平、流域水量水質情況［21］。測算方法有條件價值法［22］、成本和價值分析法［4］、重置成本法［20］等，還有少數學者通過構建理論模型測算生態補償標準，如馬蒙越等［23］、楊蘭等［24］分別構建了分布式流域非點源模型和動態測算模型。

在研究方法選擇上，由于經濟發展與生態環境保護利益沖突的存在，流域上下游間生態補償具有典型的博弈特征，使得博弈理論方法成為研究流域生態補償的重要工具之一。Jorgensen等［25］基于微分博弈模型研究了相鄰國家跨界污染問題，徐大偉等［26］構建了引入“獎勵-懲罰”機制的演化博弈模型，對流域上下游主體間的利益相關決策行為進行剖析；Jiang等［27］基于微分博弈模型分析各相關利益主體間的跨界污染控制，提出了一種新福利分配機制；徐松鶴等［28］基于微分博弈模型，研究了不同生態補償機制的影響作用；馬駿等［29］基于微分博弈理論構建了基于多主體成本分擔博弈的流域生態補償理論模型。

綜上所述，現有流域生態補償研究為促進流域健康可持續發展提供了有效解決思路，特別是微分博弈方法的引入開拓了這一領域的研究空間。然而現有研究大多是基于靜態視角的，較少有學者從動態視角開展流域生態補償機制研究，且較少有學者同時考慮流域水資源利用量上下游配置變化問題。文章嘗試從動態視角構建納入流域水資源利用量上下游間配置變化的流域生態補償模型，從理論層面上探索變化條件下的流域生態補償機制。

2 理論構建

2.1 模型假設

假設1：在流域經濟系統中，存在兩個地區，分別為上游地區和下游地區，它們的變量分別采用u和d標識。在模型中，上游地區指流域中的邊緣區，通常是欠發達地區；下游地區指流域的核心區，通常是較發達地區。

假設2：每個地區都存在三個部門，分別為可貿易品部門（T）、不可貿易品部門（NT）和環保部門（G）。可貿易品部門主要是指第一、二產業和第三產業中的非公共服務部門，如農業和工業部門等，以規模報酬遞增、壟斷競爭為特征生產差異化可貿易品，生產過程會釋放出一定量污染物，對流域水生態環境質量產生影響。不可貿易品部門主要是指第三產業中由政府主導的公共衛生、醫療、文化等公共服務部門和以休閑娛樂等為代表的私人消費服務部門，如自然景觀管理部門、文化管理部門等公共服務部門，以規模報酬遞增、壟斷競爭為特征生產差異化不可貿易品。環保部門是一個非生產部門，主要負責流域水生態環境保護和治理等相關工作。

假設3：存在三種生產投入要素，分別為人才（H）、物質資本（K）、自然資本。人才是異質性的，可以在區際間自由流動；物質資本是充裕供給的、完全自由流動的；自然資本包括水資源（W）和土地資源（L），土地資源和水資源的供給量是給定的，在各自承載力范圍內與需求量自動匹配。流域總人才數是外生給定的，上下游地區人才數是由上下游地區空間品質內生決定的。

假設4：生態文明時代，在堅持走生態優先、綠色發展的現代化道路要求下，流域上下游地區都會對地區水生態環境進行治理和保護。假定地區環保投入與地區水生態環境治理水平密切相關，呈凸性特征，即地區環保投入隨著地區水生態環境治理水平的提高而增加，增加幅度表現為不斷上升的特征。用Cu(t)和Cd(t)分別代表t時期上、下游地區的環保投入，Au(t)和Ad(t)分別代表t時期上、下游地區的水生態環境治理水平，兩者滿足函數關系：Cu(t)=0.5κuA2u(t)和Cd(t)=0.5κdA2d(t)，其中，κu和κd分別表示上、下游地區的水生態環境治理系數。

假設5：由于流域水資源具有跨界流動性特點，因此，上游地區開展水生態環境治理工作既會影響到本地區水生態環境質量，也會影響到下游地區水生態環境質量；而下游地區開展水生態環境治理工作則只會影響到下游地區水生態環境質量，并不會對上游地區水生態環境質量產生影響。假定下游地區為調動上游地區開展水生態環境治理的積極性，保障本地區經濟活動所需要的水生態環境，將以分擔上游地區部分環保投入的方式對上游地區提供生態補償。令t時期下游地區對上游地區環保投入的分擔比例為χ(t)，且0＜χ(t)＜1。

假設6：全流域污染物排放量與上下游地區水生態環境治理水平密切相關，而且隨時間t呈動態變化。可將全流域污染物減排量隨時間的動態變化規律用如下微分方程來刻畫：(t)=αAu(t)+βAd(t)-δR(t)。其中：R(t)表示t時期全流域污染物減排量，初始值為R(0)=R0≥0；α和β分別表示上、下游地區水生態環境治理水平對全流域污染物減排量的影響系數；δ表示由于機器設備老化等因素造成的污染物減排衰減系數。

假設7：全流域收益水平與流域上、下游地區水生態環境治理水平以及全流域污染物減排量是密切相關的。可將t時期全流域收益水平表示為S(t)=S0+λAu(t)+μAd(t)+ηR(t)，其中，S0＞0表示初始時期全流域的收益水平，λ、μ、η分別表示上、下游地區水生態環境治理水平以及全流域污染物減排量對全流域收益水平的影響系數。

假設8：流域上下游地區的目標都是追求在無限區間內最優水生態環境治理水平下的最優收益水平，假定流域上、下游地區在無限區間內都具有相同的貼現率，記為ρ（ρ＞0），t時期上、下游地區水資源利用量占比πu(t)和πd(t)的表達式分別為，其中，Eu(t)和Ed(t)分別代表t時期流域上、下游地區水資源利用量。同時，假定流域內單位水資源利用效果相同，不存在地區差異。由此，可將流域上、下游地區的目標函數分別表示為：

2.2 流域水資源利用量動態變化機制

假定消費者效用函數為雙層效用函數，上層效用函數為包含可貿易品消費量（CT）、不可貿易品消費量（CNT）和水生態環境質量（B）的柯布-道格拉斯型效用函數，下層效用函數包含消費可貿易品的不變替代彈性效用函數和消費不可貿易品的不變替代彈性效用函數兩種。以上游地區代表性消費者為例，可將其效用函數表示為：

其中：aT、1-aT分別表示消費者對可貿易品組合和不可貿易品組合的消費支出份額，且0＜αT＜1；cT(i)表示消費者對第i種可貿易品的消費量；ε表示消費者對可貿易品多樣性的偏好程度，且σT=ε(ε-1)，σT表示可貿易品間的替代彈性，σT越小，可貿易品企業的壟斷能力越強；nT表示為整個經濟系統中可貿易品種類數；qu、qd分別表示上游地區和下游地區生產的不可貿易品質量；cNT，u(i)表示消費者對上游地區生產的第i種不可貿易品的消費量；cNT，d(j)表示消費者對下游地區生產的第j種不可貿易品的消費量；nu、nd分別表示上游地區和下游地區生產的不可貿易品種類數；θ表示消費者對不可貿易品多樣性的偏好程度，且表示不可貿易品間的替代彈性，σ越小，不可貿易品企業的壟斷能力越強。

假定消費者不存在儲蓄行為，其工資收入全部用于商品消費支出，則可將其預算約束條件表示為：

其中：wu為消費者工資收入；PT為消費者面臨的可貿易品價格指數；PNTu為消費者面臨的不可貿易品價格指數。

根據消費者效用最大化條件，可得到消費者對可貿易品組合和不可貿易品組合的需求函數分別為：

假定可貿易品在全流域均可貿易，為了簡化研究，文章暫不考慮可貿易品運輸成本。對任何區域的消費者來說，其面對的可貿易品價格指數均相同。由于不可貿易品具有不可轉移和難以在地區間復制的特性，文章假定消費者消費不可貿易品時，除需要支付商品價格外，還需要支付一定額外的交易費用，在這里，稱之為旅行成本。例如，上游地區消費者消費上游地區生產的一單位不可貿易品時，面臨的銷售價格為τuu（為生產價格），(τuu-1)代表獲得該商品時需要支付的“區內旅行成本”；若消費下游地區生產的一單位不可貿易品時，面臨的銷售價格為τud（為生產價格），(τud-1)代表獲得該商品時需要支付的“區際旅行成本”。由此，可將上游地區消費者面臨的不可貿易品價格指數表示為：

其中：φuu=(τuu)1-σ代表上游地區消費者消費本地區不可貿易品的消費可及性；φud=(τud)1-σ代表上游地區消費者消費下游地區不可貿易品的消費可及性。同理，也可以得到下游地區消費者面臨的不可貿易品價格指數。

進一步分析生產者行為。可貿易品部門如工業、農業等部門在生產過程中都需要投入人才、物質資本、水資源等各種生產要素。但考慮到在創新驅動的生態文明（知識經濟）時代，生產力要素已經發生了深刻的變化，人才成為最稀缺的資源，討價還價能力強，處于支配性和決定性地位。各種資本包括研發資本、風險資本等都追逐人才。哪里有人才，哪里就有資本和產業［30］。在這里，可將人才抽象地理解為一個廣義的企業家，它既包含了處于主導地位的人才本身，也包含了追逐人才的物質資本。此外，水資源已經成為制約流域可持續發展的關鍵因素。2012—2018年，黃河流域可貿易品部門水資源利用量與不可貿易品部門相比，都相對較大。即使是可貿易品部門水資源利用量最小的2018年，可貿易品部門水資源利用量占比也高達91%（表1）。同時考慮到上下游可貿易品企業會隨著生產要素特別是人才的空間變動而發生空間變動，上下游間水資源利用量也必然會隨之發生空間變化。顯然，上下游間水資源利用量的空間變化主要源于上下游可貿易品部門企業的空間變動。為簡化和方便研究，文章假定可貿易品部門的主要投入要素為人才和水資源，且以一個人才為固定成本和一定量水資源為可變成本進行生產，在生產過程中還會釋放一定量的污染物。假定人才異質性表現為技能異質性，借鑒董亞寧等［31］的研究，假定初始狀態時，上、下游地區人才技能水平a服從帕累托累計概率分布，其分布函數為：G[a]=且a＜a0=1。其中，R為形狀系數，用于衡量人才技能水平的差異程度；a0表示人才技能水平下限；a越小，人才技能水平越高。人才技能水平能夠反映其代表企業的生產效率。由此，可將生產效率為a的可貿易品企業的生產結構表示為CTa=Ha+aW。企業生產效率越高，企業對水資源的利用量就相對越少。

不可貿易品部門如自然景點管理、交通基礎設施建設等公共服務部門在生產過程中，都需要投入物質資本、土地資源、水資源等各種生產要素。不論是增加城市公共基礎設施還是新建自然景觀等，相比其他生產要素，土地資源和物質資本都是要優先考慮的生產要素、處于重要的位置。2012—2018年，黃河流域不可貿易品部門水資源利用量與可貿易品部門相比，都相對較小，即使是不可貿易品部門水資源利用量最大的2017和2018年，不可貿易品部門水資源利用量占比也僅為9%（表1）。考慮到不可貿易品部門及其商品具有不可轉移和難以在地區間復制的特性，可認為地區不可貿易品部門的水資源利用量是相對穩定的，對流域水資源利用量變動的影響作用是相對有限的。為簡化和方便研究，文章假定不可貿易品部門主要投入要素為土地資源和物質資本，且都以一單位土地為固定成本和若干物質資本作為可變成本進行生產。由此，可將不可貿易品企業的生產結構表示為：CNT=L+amK，其中，am代表不可貿易品部門的物質資本集約利用程度。為簡化和方便研究，假定單位物質資本的收益為1，且am=θ。根據壟斷競爭廠商利潤最大化條件，可得到上、下游地區任意不可貿易品生產價格都為1。

表1 2012—2018年黃河流域水資源分結構利用情況

最后，根據新空間經濟學理論，對于可流動要素—人才的區位選擇是由空間品質決定的，且總是盡可能選擇最大效用的區位。借鑒楊開忠等［32］研究，假定上游地區人才按照技能水平由高向低有序遷移，而且遷移成本ψ與遷移系數γ和已遷移總人數G(a)成正比，即滿足ψ=γG(a)。當個體遷移到下游地區所增加的效用恰好抵消其遷移成本時，即滿足ΔU(a*)=γG(a*)，個體將停止向下游地區遷移，這意味著上游地區技能水平高于a*的人才都遷移到了下游地區。在這里，ΔU(a*)代表技能水平為a*的人才在上游地區和下游地區的效用比值。人才在上下游間的空間變動意味著可貿易品企業在上下游間的重新配置，上下游間水資源利用量也將隨之發生變動。為簡化研究，假定全流域物質資本數為K，且K=1，初始狀態時上、下游地區人才呈對稱分布，均為H，且H=1，相同技能的人才在上下游地區獲得的工資收益是相等的。用1-sNT，d和sNT，d分別表示上、下游地區的不可貿易品企業數占整個經濟系統的份額，由此可得到上、下游地區的水資源利用量分別為：

2.3 流域生態補償決策

流域生態補償決策方式主要有獨立式、主從式、集中式三種［28］。獨立式決策是指流域上、下游地區處于平等地位，相互間不存在生態補償，都以追求各自地區收益最大化為目標；主從式決策是指下游地區處于主導地位，以分擔上游地區部分環保投入的方式對上游地區進行生態補償，在此基礎上，兩地區都以追求各自地區收益最大化為目標；集中式決策是指流域上、下游地區建立了一種長期合作關系或者將兩地區看成一個整體，以追求全流域收益最大化為目標，生態補償可視為系統內部的資金轉移，環保投入分擔比例可在［0，1］上任意取值。已有研究表明獨立式決策方式是不可取的［29］，主從式決策和集中式決策在實踐中已經得到了廣泛的實踐與應用。因此，下文將著重對主從式決策和集中式決策進行具體分析。

2.3.1 主從式決策

借助逆向歸納法，首先研究上游地區最優收益問題。假設上、下游地區的收益函數分別為Vu(R)和Vd(R)，均滿足HJB方程。根據模型假設，可將上游地區HJB方程表示為：

借鑒汪明月等［33］研究方法，假定模型中其他參數均是與時間無關的常數，后續研究中將不再列出時間。

由于式（9）是關于Au的凹函數，根據一階條件等于零，可得到：

其次，分析下游地區最優收益問題。根據模型假設，可將下游地的HJB方程表示為：

根據海塞矩陣相關理論，可以知道式（11）是凹函數，關于變量Ad、χ能夠取到最大值，且最大值點在偏導數等于零的地方，由此可得到：

根據式（10）和（12）微分方程特性，可初步推測出關于R的線性最優值函數是HJB方程的解。因此，假設Vu(R)和Vd(R)的表達式都為線性形式，如下：

將式（10）、（12）和（13）代入式（9）（11），通過整理等式兩端同類項系數可得到：

進而得到主從式決策時上、下游地區最優水生態環境治理水平和環保投入分擔比例分別為：

由上式可看出，只有在滿足πd＞πu條件時，下游地區才會對上游地區提供生態補償或分擔部分上游地區環保投入。

將式（16）代入到全流域污染物減排量動態方程，可得到：

由一階線性常微分方程的通解公式，可求得滿足R(0)=R0≥0的特解為：

進一步可得到主從式決策時上、下游地區及全流域的最優收益水平分別為：

典型案例：東江流域水環境生態補償［10］。東江是珠江的源頭，發源于江西省贛州市，是香港特區、廣州、深圳等大城市的主要飲用水源。2016年贛粵兩省簽訂《東江流域上下游橫向生態補償協議》，期限為3年，補償區域為東江流域源頭區。兩省每年各出資1億元設立補償資金，補償資金主要用于源頭水污染防治和生態環境保護與修復等，補償資金撥付與水質考核結果掛鉤。自首輪生態補償實踐以來，東江跨省斷面水質優良率達到100%，源頭生態環境質量不斷提升。鑒于此，2020年粵贛兩省正式簽訂第二輪東江流域上下游橫向生態補償協議。類似案例還有國外易北河流域生態補償、國內新安江流域水環境生態補償等。

2.3.2 集中式決策

根據模型假設，可將t時期全流域收益目標函數及其HJB方程分別表示為：

根據海塞矩陣相關理論，可以知道式（24）是凹函數，關于變量Au、Ad能夠取到最大值，且最大值點在偏導數等于零的地方，由此可得到：

同樣假設函數V(R)的表達式為線性形式，如下：

將式（25）（26）代入式（24），整理等式兩端同類項系數可得到：

進而得到集中式決策時上、下游地區最優水生態環境治理水平分別為：

將式（28）代入到全流域污染物減排量動態方程，可得到：

由一階線性常微分方程的通解公式，可求得滿足R(0)=R0≥0的特解為：

進一步可得到集中式決策時全流域和上、下游地區的最優收益水平分別為：

典型案例：沱江流域水環境生態補償［34］。沱江是四川省污染最嚴重的大江之一，流域內行政區多，水資源與水質差異大，干支流相互交織。為確保長江黃河出川清水向東流，2018年四川省組織沱江全流域10市簽訂《沱江流域橫向生態補償協議》，由10市共同出資5億元設立生態保護補償資金，每年根據各市的環境壓力確定出資比例，次年根據各市斷面水質改善情況進行資金清算。2019年沱江流域36個國省控斷面地表水水質優良率為77.8%，無喪失使用功能（劣V類）水體，各項指標都達到了“十三五”以來的最高水平。類似案例還有嘉陵江流域水環境生態補償、汾河流域水環境生態補償等。

基于上述分析，文章在新空間經濟學思想［30，35］架構下，融合微分博弈理論，構建了包含水資源利用量上下游間配置變化的流域生態補償模型。其運行機制如圖1所示。

圖1 基于水資源利用量上下游間配置變化的流域生態補償機制

3 均衡結果比較分析

3.1 流域上下游間水資源利用量動態變化分析

以下游地區為例，研究下游地區的水生態環境質量、不可貿易品質量和種類數以及區內和區際消費可及性對下游水資源利用量的影響效應。分別對式（8）中水生態環境質量比ηA和區內消費可及性φdd求偏導，可得到分別對式（8）中下游不可貿易品質量qd和種類數sNT，d求偏導，可得到?Ed?qd∝和φ2)。為方便研究，將φuuφdd和φ2分別稱為區內可及性效應和區際可及性效應。若區內可及性效應大于區際可及性效應時，反之，則將式（8）對區際消費可及性φ求偏導，可得到可見，若時，?Ed?φ＞0，反之，顯然，改善和提高下游空間品質，如提高下游水生態環境質量、提高區內消費可及性以及在滿足一定條件下增加下游不可貿易品種類數、提高下游不可貿易品質量和提高區際消費可及性，都會導致下游水資源利用量增加。究其原因為生態文明時代，空間品質對人才區位選擇的影響作用越來越顯著了，大量研究已經證實了這一事實，如楊開忠等［36］、勞昕等［37］。改善和提高下游地區空間品質，將會吸引更多上游地區人才向下游地區轉移和集聚［36］。人才在下游地區不斷集聚，下游地區經濟活動必然會增強，下游地區水資源需求量和利用量也會同步增加，上下游間水資源利用量配置也必然會發生變化。由此得出以下命題。

命題1：由空間品質引致的上下游間經濟活動空間變化會導致上下游間水資源利用量配置動態變化。

3.2 兩種流域生態補償決策的均衡結果對比分析

根據式（16）和式（28）對比分析可知：

從上式可看出，當上下游間水資源利用量配置動態變化時，從水生態環境治理水平看，集中式決策下上下游的水生態環境治理水平都比主從式決策下的高。由此得出以下命題：

命題2：不論上下游間水資源利用量配置處于何種水平，從水生態環境治理水平看，集中式決策始終是最有效的。

雖然通過式（20）和（32）、（21）和（33）對比分析，無法分別判斷出兩種決策下流域上、下游地區收益的大小，但通過式（22）和（31）對比分析可知：

從上式可看出，從全流域收益水平看，流域上下游間水資源利用量配置動態變化對流域生態補償決策方式有效性具有重要影響，當πd＜π*時，集中式決策下全流域收益水平最高；當πd＞π*時，主從式決策下全流域收益水平最高。由此得出以下命題。

命題3：從全流域收益水平看，上下游間水資源利用量配置變化對流域生態補償決策方式有效性具有重要影響，且存在門檻效應，當πd＜π*時，集中式決策是最優的，當πd＞π*時，主從式決策是最優的。

此外，根據式（17）可知，在主從式決策下，為了實現流域收益最大化，當上下游間水資源利用量配置發生動態變化時，環保投入分擔比例也應該不斷適時調整。在集中式決策下，根據其定義可知，生態補償可視為系統內部的資金轉移，環保投入分擔比例可在［0，1］上任意取值。可見，若追求全流域收益水平最大化，必須根據上下游間水資源利用量配置的動態變化情況，動態調整流域生態補償決策方式和環保投入分擔比例。如若仍然沿用固定不變的生態補償決策方式和環保投入分擔比例，則不能保證全流域收益始終最佳。由此得出以下命題。

命題4：根據上下游間水資源利用量配置變化情況，動態調整流域生態補償決策方式和環保投入分擔比例，是實現流域收益最大化的重要途徑。

4 數值模擬分析

由前文可知，空間品質對地區水資源利用量的影響效應、上下游間水資源利用量配置變化對兩種補償決策均衡結果的影響效應都依賴于模型參數的選擇。現具體分析如下。

4.1 空間品質對地區水資源利用量的影響效應

以流域下游地區為例，借鑒楊開忠等［31］研究方法，將相關參數初始值設置如下：R=5，ηA=1.1，γ=2，φ=0.6，φuu=0.7，φdd=0.7，sNT，d=0.6，σ=2，qu=1，qd=1，aT=0.4。根據式（8），通過調整不同空間品質參數可得到下游水資源利用量的動態變化結果（表2）。

表2 下游水資源利用量動態變化結果匯總表

當上下游水生態環境質量比從1.1提高到1.3時，下游水資源利用量將從原來的1.249提高到1.341，增加0.092。當下游區內可及性從0.7提高到0.9時，下游水資源利用量從原來的1.249提高到1.302，增加0.053。當滿足條件①時，若將下游不可貿易品質量從1.0提高到2.0，下游水資源利用量將從1.249提高到1.274；若將下游不可貿易品種類數從0.6增加到0.8時，下游水資源利用量將從1.249提高到1.268。當滿足條件②時，若將不可貿易品質量從1提高到2，則下游水資源利用量將會從1.232下降到1.213；若將下游不可貿易品種類數從0.6增加到0.8時，則下游水資源利用量將從1.232下降到1.217。當滿足條件③時，將區際可及性從0.6提升到0.8時，下游地區水資源利用量將會從1.249下降到1.232；反之若滿足條件④時，將區際可及性從0.6提升到0.8時，下游地區水資源利用量將會從1.231下降到1.248。上述分析不僅有效地驗證了命題1的結論，同時還對流域落實“四水四定”和推動流域健康可持續發展具有重要啟示意義。比如，流域上游地區水資源利用量超過承載力時，或者流域上下游地區水資源利用量不平衡、甚至有可能引發下游地區水資源短缺危機時，可以通過改善下游地區空間品質，引導上游地區經濟活動向下游地區轉移，減緩上游用水壓力和威脅，促進流域水資源在各地區的合理配置，形成高效可持續的流域水資源利用格局。

4.2 上下游間水資源利用量配置變化對兩種生態補償決策均衡結果的影響效應

借鑒徐松鶴等［28］研究方法，將相關參數初始值設置如下：α=0.6，β=0.6，δ=0.2，λ=0.6，μ=0.6，η=0.5，πu=0.4，πd=0.6，ρ=0.9，S0=1，R(0)=R0=1，κu=2，κd=2。首先，根據式（16）、（17）、（25），通過調整參數πu和πd，可得到兩種補償決策下上下游水生態環境治理水平和環保分擔比例的動態變化結果（表3）。

當下游水資源利用量占比從0.6提高到0.92時，主從式決策下，上游水生態環境治理水平保持不變，始終為0.218，下游水生態環境治理水平則不斷提升，從0.262提高到0.402。集中式決策下，上下游生態環境治理水平都始終保持不變，均為0.436。顯然，不論上下游水資源利用量配置處于何種水平，集中式決策時上下游水生態環境治理水平都要比主從式決策時高。這意味著如果政府實施生態補償政策的目標是改善地區水生態環境質量時，應優先選擇集中式決策。上述分析有效地驗證了命題2的結論。

其次，根據式（20）—式（22）和式（31）—式（33），通過調整參數πu和πd，可得到動態變化條件下兩種補償決策下全流域收益水平對比圖（圖2）和兩種決策下上下游及全流域收益水平動態變化特征圖（圖3—圖6）。

如圖2所示，當上下游水資源利用量占比分別為0.4和0.6時，集中式決策下全流域收益水平高于主從式決策下全流域收益水平。當上下游水資源利用量占比分別為0.08和0.92時，主從式決策下全流域收益水平高于集中式下全流域收益水平。顯然，若以實現全流域收益最大化為目標時，流域上下游間水資源利用量配置變化對流域生態補償決策方式有效性起到重要影響。當上下游水資源利用量占比較為接近時，以實現全流域收益最大為目標的最佳決策方式是集中式決策；當上下游水資源利用量分配占比存在較大差距時，以實現全流域收益最大為目標的最佳決策方式是主從式決策。這意味著上下游間水資源利用量配置變化存在門檻效應。上述分析不僅有效地驗證了命題3的結論，同時也解釋了為什么在流域生態補償實踐中會同時存在大量主從式決策和集中式決策的案例。

圖2 動態變動條件下兩種補償決策下全流域收益水平對比

圖3和圖4是集中式決策下全流域收益水平為最優時，主從式決策和集中式決策下上下游及全流域收益水平動態變化特征圖。

圖4 集中式決策下上下游及全流域收益水平動態變化特征I

圖5和圖6為主從式決策下全流域收益水平為最優時，主從式決策和集中式決策下上下游及全流域收益水平動態變化特征圖。

圖5 主從式決策下上下游及全流域收益水平動態變化特征Ⅱ

如圖3—圖6所示，不論是主從式決策下全流域收益水平為最大的情形，還是集中式決策下全流域收益水平為最大的情形，在主從式決策情形時，隨著下游地區水資源利用量占比增加，全流域收益水平是逐漸提高的，但在集中式決策情形時，全流域收益水平是保持不變的，究其原因是兩種補償決策方式的目標不同。目標不同，最終將導致全流域收益水平表現不同。主從式決策時，上下游是以追求各自地區收益最大為目標的，隨著下游水資源利用量占比增加，下游收益水平是逐漸增加的，上游收益水平是逐漸減少的，而且下游收益增加量明顯多于上游收益減少量，最終導致全流域收益是持續增加的。集中式決策則是將上下游看成一個整體，以追求全流域收益最大為目標，隨著下游水資源利用量的增加，下游收益水平趨于增加，上游收益水平趨于減少，且下游增加的收益與上游地區減少的收益是相同的，最終導致全流域的收益水平保持不變。顯然，隨著下游水資源利用量占比的不斷增加，當其超過門檻值水平時，以實現全流域收益最大為目標的最佳決策方式會發生改變，由集中式決策方式轉變為主從式決策方式。這也有效地驗證了命題3的結論。此外，為實現全流域收益最大化，當下游水資源利用量占比從0.6提高到0.92時，主從式決策下環保分擔比例也應不斷提高，從0.200提高到0.840，見表3。可見，為保障和實現流域收益水平最大，必須動態調整流域生態補償決策方式和環保投入分擔比例。上述分析有效地驗證了命題4結論。

圖6 集中式決策下上下游及全流域收益水平動態變化特征Ⅱ

表3 兩種補償決策下上下游水生態環境治理水平和分擔比例動態變化結果匯總

圖3 主從式決策下上下游及全流域收益水平動態變化特征I

4.3 機理分析

基于上述理論研究和模擬分析，可將模型的內在機理歸納為如下。

在空間品質驅動作用下，改善和提高下游地區空間品質，上游地區經濟活動將會向下游地區轉移，上游地區水資源利用量隨之減少，下游地區經濟活動將會增強，下游地區水資源利用量隨之增多。為實現流域生態補償政策目標，上下游地區將根據地區水資源利用量配置變化情況，動態調整流域生態補償決策方式和環保投入分擔比例，使得上下游地區水生態環境治理水平和收益水平都發生變化。地區水生態環境治理水平會影響到地區水生態環境質量，而水生態環境質量是流域空間品質的重要組成部分。顯然，下游地區水生態治理水平變化會導致下游地區空間品質發生變化。下游地區空間品質變化將進一步導致上下游地區經濟活動空間分布發生變化，周而復始，最終形成一個由空間品質內生驅動的“流域上下游間水資源利用量配置變化—生態補償決策方式調整—地區水生態環境治理水平和地區收益水平的提升”的互動機制。這一互動機制為落實流域“四水四定”和走好水安全有效保障、水資源有效利用、水生態明顯改善的集約節約發展之路等提供一種新的破解思路，是推動流域生態文明建設和流域健康可持續發展的新邏輯。由此得出以下命題。

命題5：由空間品質內生驅動的“流域上下游間水資源利用量配置變化—生態補償決策方式調整—地區水生態環境治理水平和地區收益水平的提升”的互動機制，是推動流域生態文明建設和實現流域健康可持續發展的新邏輯。

5 研究結論與政策建議

文章在新空間經濟學思想架構下，融合微分博弈理論，構建了納入水資源利用量上下游間動態變化的流域生態補償模型，通過模擬分析從動態化視角揭示了變化條件下的流域生態補償機制，對于推動生態文明時代流域健康可持續發展具有重要的現實意義。主要結論有：改善以水生態環境質量和不可貿易品的種類、質量以及區內、區際消費可及性等為代表的空間品質會導致流域上下游間經濟活動空間變化，進而導致流域上下游間的水資源利用量空間變動；流域上下游間水資源利用量的配置變化對流域生態補償方式有效性具有重要影響，從水生態環境治理水平看，集中式決策方式是最有效的，從全流域收益水平看，上下游水資源利用量配置變化存在門檻效應，當下游地區水資源利用量占比小于門檻值時，集中式下全流域收益水平最高，當下游地區水資源利用量占比大于門檻值，主從式下全流域收益水平最高。因應水資源利用量上下游間配置變化動態調整流域生態補償方式和環保投入分擔比例，是實現流域收益最大化的基本途徑。由空間品質內生驅動的“流域上下游間水資源利用量配置變動—生態補償決策方式調整—地區水生態環境治理水平和地區收益水平的提升”的互動機制，是推動和實現生態文明時代流域健康可持續發展的新邏輯。

受研究結論啟發，有以下建議。

（1）重視和增強空間品質的核心驅動作用。依據流域上下游地區水資源利用現狀和流域總體發展規劃，通過改善目標地區空間品質，如發展生態經濟、循環經濟、綠色經濟等，加強企業清潔技術的研發與創新，改善地區生態環境質量；新建高品質的高等院校、科研機構、展覽館和文化中心等場所，提高地區公共服務供給水平；增加城市交通基礎設施供給，提高地區消費可及性水平等，有序引導人才等各類生產要素和經濟活動在流域空間內的有序轉移，并盡可能壓縮到條件相對優越的城市群、都市圈區域，徹底打破以往流域水資源利用的低效路徑依賴，實現流域水資源在其承載力范圍內空間上的合理配置，形成高效可持續的流域水資源利用空間格局［38］。

（2）選擇適宜的流域生態補償決策方式。在實踐中，流域各地區應在充分考慮流域實際和補償政策實施目標的基礎上，選擇適宜的流域生態補償方式。如果流域水生態環境質量較差、補償政策實施目標為提高流域生態環境質量和恢復流域內生態系統服務功能時，采取集中式決策方式是合適的；如果補償政策實施目標為提高流域收益目標時，則應根據流域實際酌情采取不同生態補償方式。具體而言，若上下游地區水資源利用量較為接近時，選擇集中式決策方式是合適的，若存在較大差距時，應選擇主從式決策方式。此外，流域各地區還應嘗試組合使用這兩種生態補償方式，這既能最大化彌補或減少政策偏誤帶來的可得利益損失，也能為下一階段補償政策的制定和調整提供可靠事實依據。

（3）構建流域動態化生態補償機制。立足于保護流域水生態環境和協調流域各地區用水關系，根據流域各地區水資源利用量動態變動情況，從動態化視角構建科學高效的流域生態補償機制。具體而言，流域各地區都應積極參與并加速建立覆蓋全流域的綜合監測網絡和大數據動態管理平臺，監測各地區水資源利用量和經濟活動的動態變化情況；根據補償政策實施目標和流域各地區水資源利用量變化情況，動態調整生態補償標準和補償方式，確保預期目標順利實現。如隨著下游地區水資源利用量增加，與上游地區水資源利用量的差距由較小變為較大時，為實現流域收益水平最大的目標，應根據地區水資源利用量不斷調整生態補償金額，并將生態補償決策方式由集中式決策調整為主從式決策。此外，還應擴大監測范圍，將流域各地區常住人口空間變動、產業結構空間變動等信息都納入到監測網絡和管理平臺，既檢驗了現有流域生態補償機制的運行效果，也為今后制定更加適宜的流域生態補償機制提供了重要依據。

（4）建立有約束力的區域聯動機制。基于現有流域管理條塊分割的特點以及上下游地區約束力較弱的現狀，應該加強國家層面頂層設計，搭建流域管理議事與協商平臺，健全流域上下游一體、左右岸協調的聯動機制與制度，打破現有管理體制中條塊之間的壁壘，同時強化流域各地區生態環境保護上的分工與協作，協調推進流域水生態環境保護和修復的聯合防治工作［39］，形成一套系統的、跨行政區的具有約束力的流域綜合管理體系。對于具體流域，還要充分考慮各自不同的生態環境條件和生態環境問題，實施不同的聯動治理政策，最大釋放出政府監督管理效能。此外，還應強化現代化新型技術手段在流域綜合管理中的應用，提升流域綜合管理效率。