生态工业园区水资源梯级利用的博弈分析

罗柳红

(北京林业大学省部共建森林培育与保护教育部重点实验室，北京100083)

生态工业园区水资源梯级利用的博弈分析

罗柳红

(北京林业大学省部共建森林培育与保护教育部重点实验室，北京100083)

水资源是生态工业园区中最重要的资源之一，模拟自然生态系统，园区中的水资源用户也可根据功能的不同分为生产者、消费者和分解者。由于供给量的限制和国家的排污政策逐渐趋紧，生态工业园区中水资源数量和质量的分配存在利益冲突的问题，矛盾日渐凸现。本文试图运用博弈论的方法，构建一个水资源管理的梯级利用模式，探讨生态工业园区内水质要求不同的企业间如何实现水资源的合理分配，使之既符合企业的需要，又符合整个园区的供给限制，同时对环境的损害最小。之后从微观经济学的角度对各利益主体参与水资源梯级利用的动因和积极性进行了经济学上的分析，得出生态工业园区中水资源梯级利用体系能否达成“物尽其用、废物最小化”的目标，取决于不同利益者的博弈结果。水资源价格和排污收费价格的提高，可以减少新鲜水资源的购买量和最终的排污量，有利于促进园区内企业间的水资源梯级利用;而梯级利用的过程，也是各级消费者之间的一场博弈，博弈结果将决定再生水资源的售出价格。

生态工业园区;水资源;梯级利用;博弈

水资源匮乏已经成为全世界共同关注的问题，严重制约着各国经济的发展。生态工业园区是依据循环经济理念、工业生态学原理和清洁生产要求而设计建立的一种新型工业园区。它通过物流或能流传递等方式把不同工厂或企业连接起来，形成共享资源和互换副产品的产业共生组合，建立“生产者——消费者——分解者”的物质循环方式，使一家工厂的废物或副产品成为另一家工厂的原料或能源，寻求物质闭环循环、能量多级利用和废物产生最小化［1］。生态工业园区是循环经济在中观层面的实现形式［2］，同样遵循循环经济的 “3R”原则(即:减量化Reduce，再利用Reuse，再循环 Recycle)，其中减量化原则是首要原则，而废物再生利用只是减少废物最终处理量的方式之一，即对待废物问题的优先顺序为:避免发生——循环利用——最终处置。循环经济要求人类在生产和消费的所有领域都能做到物尽其用，其根本宗旨就是保护日益稀缺的环境资源，提高环境资源的配置效率，不给环境造成危害。水资源作为生态工业园区最重要的资源之一，其分配体系构建的基本目标是促进水资源的合理利用，使园区水资源对于外部供给的需求最小化，并最大限度地减少对环境的负面影响，即排出系统的废水量最小。

一般来说，水资源的分配和利用主要存在两个方面的问题:一为数量;二为质量，即水质［3］。在生态工业园区中，水资源的供给量是有限的，如何让园区内的企业都得到足够数量的符合水质要求的水资源，使得水资源的配置最为合理，是园区建设和发展过程中不可避免的问题。无论是新建的或已建设完成的生态工业园区，其最终的发展目标均为模拟自然生态系统的运行方式和规律，实现资源的可持续利用。对于新设计的生态工业园区，在设计之初就应慎重考虑水资源的配置和高效利用方式，使之符合循环经济发展理念。而对于目前已建成的生态工业园区，也应通过政策的合理引导和园区的有效管理，逐步建立园区内企业间友好的水资源协同利用模式，以实现水资源的可持续利用。

1 生态工业园区水资源梯级利用体系

由于生态工业园区是模拟自然生态系统所建立的工业体系，园区中的水资源用户也可根据功能的不同分为生产者、消费者和分解者。生产者是指各种符合水质要求的自然水体和自来水厂等水资源供应者(P)，消费者是指园区内各类水资源用户，分解者是指收集各用户的出水并对不能直接再利用的废水进行处理的污水处理厂或再生水厂(D)。如果不考虑取水和排污成本，消费者可以直接从P取水，并将废水直接排到D。但是，生态工业园区提倡物质闭环循环、能量多级利用和废物产生最小化，以达到经济与环境效益的“双赢”格局。生态工业园区中的水资源利用方式，既要考虑经济因素，也要考虑环境因素，理想的水资源利用体系应该是可持续发展的，它要求在新鲜水耗和废水处理上达到最小化，在经济方面可以获得回报，在环境保护方面是有效的。

实际上，生态工业园区中由于企业的多样性和对水质要求的不同，存在较大的共生关系。通过系统分析园区内的水资源利用现状，完全可以模拟自然生态系统建立生态工业园区内水资源利用系统的“食物链”和“食物网”，形成共生网络，从而实现水资源利用的“闭路循环”，达到水资源的最有效利用［4］。根据用户对水质要求的高低可分为一、二、三级，其中水质要求高的用户视为一级消费者，如化工、医药、食品等行业内用户;水质要求一般的用户视为二级消费者，如冷却水用户、景观用水用户;水质要求低的用户视为三级消费者，如绿化、建筑建造、城市杂用等用户。一级消费者的水资源来源只能是P;二级消费者的水资源来源可以是P，也可以是一级消费者;三级消费者的水资源来源可以是P或一、二级消费者。一、二、三级消费者的不能再利用的出水为分解者D的来源，分解者D处理过的水资源或排入自然水体，或重新进入园区水资源利用系统，一并计入P中。目前来看，生态工业园区中水资源利用问题的最佳解决方案是建立水资源梯级利用体系，使水资源尽可能地在园区内多次使用，以减少新鲜水耗和排污量。生态工业园区中水资源梯级利用体系如图1所示。

图1 生态工业园区中水资源梯级利用示意图Fig．1 Sketch map of water graded-use in eco-industrial park

2 水资源梯级利用过程中的博弈要素

生态工业园区中如若各级消费者随意用水或是随意排污，最终可能导致整个园区的用水需求得不到满足甚至是无水可用。由于供给量的限制和国家对于排污政策逐渐趋紧，生态工业园区中水资源数量和质量的分配存在利益冲突的问题，矛盾日渐凸现，对这一利益冲突问题可以运用博弈论的方法来分析［5］。

首先，博弈的参与人集合为:i∈Γ，Γ ={0，1，2，3，4};其中，0代表生产者 P，1、2、3分别代表一、二、三级消费者，4代表分解者D;生产者决定新鲜用水的供给量和供给价格，而分解者决定排污收费的价格。各级消费者如果采用从自然水体供水的方式，则需要投入大量成本自建供水设施，所以将其与从自来水厂购买等同，采用同一价格。同样，各级消费者排污的水质有所差别，但由于国家只规定了达标排放，因此分解者将所接受的废水通通视为是无差别的，收费价格也是一致的。

其次，参与人的战略空间为:Si={si}，i=1，2，3;其中si表示第i个参与人的一个特定的策略，向量s=(s1，s2，s3)表示全体参与人的一个战略组合。

在生态工业园区中，每一个参与人i，i=1，2，3的战略选择包含几个部分:从生产者P处直接购买水量wi，i级消费者提供给j级消费者水资源量wij，1≤i＜j≤3(也代表j级消费者从i级消费者处购买的水资源量)，以及向分解者D的排污量gi。第i个参与人的策略si是对变量wi，wij，gi的选择而形成的，即 si=(wi，wij，gi)。生态工业园区中水资源梯级利用体系的数量关系如图2所示。

图2 生态工业园区中水资源梯级利用数量关系图Fig．2 Quantitative relation of water graded-use in eco-industrial park

再次，每个参与人的支付函数为:ui=ui(s0，…，si，…，s4)，i=0，1，2，3，4;即第 i个参与人的支付不仅取决于自己的战略选择，而且也取决于其他人的战略选择。每一个参与人的目标是选择自己的战略以最大化其期望效用函数ui。在水资源的利用中，各级消费者的支付函数应为其用水总收益［6］，记为:

其中fi为第i个参与人的用水效益，包括直接用水效益和向下级消费者供水的效益，C1i表示第i个参与人从P购水的成本(q为总供给量)，C2i为从上级消费者处购水的成本和为向下级消费者供水的处理成本，C3i为向分解者D排污的成本。

最后，如果从P的取水成本很低，各级消费者都将倾向于向P直接取水;如果排污成本很低，则各级消费者将倾向于直接向D排污，导致水资源供应不足且水质不断恶化。由于水资源供给量有限，且政策环境门槛的不断提高以及排污税费的征收等，使得各级消费者不得不在用水效益和用水成本之间权衡，进而在购水量、水资源处理量和排污量间进行决策。假定水资源总供给量、各级消费者的水资源处理量、排污量为所有参与人的共同知识，则生态工业园区中水资源数量和质量分配的利益冲突博弈过程为一个完全信息动态博弈。

3 水资源梯级利用过程中的博弈模型

设生产者P的水资源价格为p，分解者D的排污收费价格为t。假设生态工业园区中存在再生水资源交易市场，在这一市场中各级消费者达成的再生水资源的协议价格为r，并且r≤p，否则消费者将选择直接从生产者处购买新鲜水资源而不是再生产品。为方便计，假定各级消费者为向下级消费者出售而进行的水资源处理成本相同，设其价格为s，并满足s－r≤t，这就是说，消费者的单位处理成本与其收益之差应该足以冲抵排污收费的价格，否则消费者将选择直接排污。

设fi为第i个参与人的用水效益函数，则各级消费者的支付函数(即用水总收益)分别为:

由于消费者的战略选择都是最大化其支付函数，因而:

这一结果表明，生态工业园区中的各级消费者从P处的购水量是水资源价格p的函数，向D的排污量是排污收费价格t的函数，向上级消费者的购水量和向下级消费者的供水量也取决于其相应的价格r和s。在既定市场条件下，任何消费者都没有积极性改变这一格局。

4 水资源梯级利用博弈过程中纳什均衡的解读

综合来看，生态工业园区中水资源梯级利用体系能否达成“物尽其用、废物最小化”的目标，取决于园区水资源利用体系中不同利益者的博弈结果。水资源价格和排污收费价格的提高，有利于促进园区内企业间的水资源梯级利用，以减少新鲜水资源的购买量和最终的排污量;而梯级利用的过程，也是各级消费者之间的一场博弈，博弈结果将决定再生水资源的售出价格，进而促进企业改进或创新再生水资源的处理技术，降低再生水资源的成本，以获取更大的收益，最终得到生态工业园区内水资源梯级利用的一个良性循环。

(编辑:王爱萍)

References)

［1］国家环境保护总局．综合类生态工业园区标准(试行)［S］．北京:中国环境出版社，2006．3．［State Environmental Protection Administration．Standard for Sector-integrate Eco-industrial Parks(On trial)［S］．Beijing:China Environmental Science Press，2006．3．］

［2］段宁．清洁生产、生态工业和循环经济［J］．环境科学研究，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，孟枫平，糜仲春．流域水资源数量与质量分配双重冲突的博弈分析［J］．数量经济技术经济研究，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，张建强．生态工业园内的水资源循环模型［J］．四川环境，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］张维迎．博弈论与信息经济学［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．中级微观经济理论:数学方法［M］．北京:北京大学出版社，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

罗柳红，博士生，讲师，主要研究方向为污染预测与环境质量评价、循环经济理论及实证等。