城镇供水供应链研究：概念、风险、趋势

李博 陈博超

摘 要：以往城镇供水的研究仅局限于供水侧单方面的问题，而忽略了整个供水系统上游和下游对整条供水供应链的影响。从供水源头的原水开始，直至最终用户将处理过的水进行消耗这一过程，信息、资金和作为商品的水流动的跨度大且参与主体多。但显然随着跨区域输水工程和城乡供水一体化的推进，当前产生的问题越发需要从全局的视角，系统地进行分析和解决。文章尝试将供应链管理的科学方法应用于供水系统的分析，探讨城镇供水供应链的概念和合理性。文章从供应链管理的角度分析城镇供水系统的特点及挑战，对比已获得成功的实例，论证表明城镇供水供应链的有效整合能够减少水和资金的浪费，促进经济的发展和社会的公平。此外，文章还列举了潜在的研究方向，对供应链内部的成员提出了发展的建议，并提出建立具有韧性和可持续性的供应链是下一步研究的目标。

关 键 词：城镇供水;供应链管理;风险管理

一、引言

水是人类赖以生存和发展的最重要和必不可少的要素之一，是经济活动的重要资源[1]。在工业化之前，人类用水主要来自湖泊、河流与地下水，古人已经能够将饮水与健康建立联系，并通过考察水的色、臭、味、温度、浑浊度等朴素的感官指标来检测水质[2]。随着城市化和工业化的发展，在欧洲和美国率先成立了供水公司，这些公司通过出售经过加工的水来满足人们越发提升的需求。但直到1992年，《都柏林关于水与可持续发展的声明》首次在联合国背景下正式宣称“水是一种经济利益” [3]。近年来，随着人口继续在城镇集中和工业生产的蓬勃发展，对增加城市供水的需求也随之而来。经济合作与发展组织（OECD）提供的数据显示，与 2015 年水平相比，到21世纪中叶，水需求量将增加 55%，這种增长主要是受人口增长的驱动[4]。

当然，增加供应是必要的，但还远远不够。水资源分配不公、缺乏管理和污染这三个要素共同限制了人们获得充足水资源。首先，单纯增加供水量无法限制水资源的浪费。此处，浪费是指对水资源的使用不得当或没有节制，而产生的无须、无益、无效的水资源的耗费[6]。对于理性经济人而言，当节水没有收益或是收益小于节水带来的成本时，任何节水措施得不偿失，其结果可能是：随着供水量的增加，用户倾向于采取粗放型的用水方式，浪费的水资源比例也将扩大。其次，单纯增加供水量可能会导致水资源所有权的侵害和水环境的破坏，而落后或是缺乏保养的基础供水设施也制约了终端用户能否获取到无污染的水资源。由于供水管网老化或是外力的破坏，水会通过管道渗漏而产生流失。供水短缺的矛盾，首先是与地区的水资源供给量有关，同时也与水资源使用密切相连，更与水资源的利用效率息息相关。2010年有关津巴布韦圭鲁市的供水报告很好地解释了这个问题：尽管当时圭鲁市的供水水源地Gwenhoro水库几乎满蓄，当时人口密度较高的郊区Mkoba 19和Senga的居民在雨季高峰期却遇到缺水的困境[7]。同样，显然没有简单的解决方案面对承载能力有限的资源和不断增长的需求之间的矛盾。退一步说，即便部分地区水资源充足，若城市供水系统集中精力于昂贵的水生产而没有准确的基本需水量预测，则也会陷入困境[4]。Batchelor et al.认为，了解水资源的现状以及需求和使用趋势是成功进行水资源管理的前提条件[8]。因此，供水方面的挑战不能仅仅依赖于一个单一的环节的研究，面对来自供应方、需求方、监管或商业的多方挑战和未来环境的变化，供应链成员需要更紧密的合作，综合考虑整条供应链是十分必要的。

二、国内外研究

从供应链管理的角度来看，系统性问题需要系统地解决。王慧明等结合南水北调东线水资源系统的实际，定义了南水北调供应链契约，并展望了供应链管理理论在水资源配置和调度上具有广阔的应用前景[9]。朱九龙进一步指出，整个南水北调工程的供水链是一个多层次的子网链结构，由水资源供应商、分销商和用户等一系列组织结构组成[10]。李红艳着眼于南水北调东线工程，并引入了供应链理论和网络流理论，根据行政隶属关系、水流方向和实际情况，设计了具有串行链结构的供应链网络[11]。马丹以延安城镇为例，对供应链中城镇供水的体系建设和应急保障问题提出了建议[12]。林明利等提出了“从源头到龙头”全流程饮用水安全风险管理与多级屏障协调控制理论，以水质保障为切入点维护供应水源稳定[13]。Wu et al.尝试探索了水厂与工业客户之间的关系，以黑河流域的张掖市为例，确定了缓解供应链水资源压力的关键传输部门[14]。在资源调度的基础上，长期的可持续性得到了越来越多的关注。拉斐尔·吉列尔莫·加西亚·卡塞雷斯（Rafael Guillermo García-Caceres）引入了决策支持系统，通过该系统决策部门能提升饮用水处理链的效率和制订可持续性的最佳计划[15]。供应链管理与传统供水过程的整合已经解决了一些基础的问题，本文引入城镇供水供应链这个概念，将提供更高的视野，从而改善整体状况。

三、城镇供水供应链的概念框架

整个供应链由三大层级组成：原水供应方、水处理方、最终用户。三大层级通过上下游的供需联结形成了串行链状结构。如图2所示。

水库是典型的原水供应商，在部分地区，地下水也被用作原水。原水供应方可能有许多下属层级，这意味着上游储水的水库将水转移到下游。原水供应方可以直接将商品提供给特定的客户，例如农业用户和一部分工业用户。

水处理方负责原水的处理。与水处理相关的过程和阶段取决于所应用的技术和初始原水条件。通过每个处理单元特定的输入转换，实现一定程度的水质改善。这个过程一直持续到处理水质符合相关水质法规要求为止。任何处理系统均由降沉和沉淀池、快速混合区、一系列机械搅拌、沉淀、过滤和储存池以及相应的消毒区和泵站组成[15]。水处理方可能有许多下属层级，例如，市政供水公司将水通过管道转移到乡镇供水公司。

最终用户也有许多层次，例如，商业中心从自来水厂购买水，然后转售给各个商人。商业中心的物业向所属范围内的商户统一征收水费的同时，也对内部供水设施进行建设、维护和管理。上游节点的供水公司只抄读商业中心的总水表读数，无法干涉其内部。

在该供应链中，唯一可流通的产品是水，商品通过预先建设的管道、储水设备等进行分配和存储，最后交付到下一个层级，水流、资金流和信息流汇集在一起共同构成一个供应链的网络结构。水流通过已建好的管道从上游流向下游。由于该供应链中唯一的商品总是单向流动，因此资金流也是单向地从下游至上游，而信息流则是双向流动。

根据重庆水务2018年年报推断，重庆水务集团向重庆市渝盛水资源开发有限公司购买原水，通过下辖水厂的处理后，直接出售至主城区的终端用户。与此同时，重庆市大学城水务技术开发有限公司向重庆水务集团购买了部分水量，向其下游用户进行出售。

四、城镇供水供应链的特点

供应链管理强调从系统角度寻求帕累托最优而不是局部最优。通过计划、设计和控制其信息流、资金流和物流，供应链中的成员可以获得相应的收益。帕累托最优是一种经济概念，即在这种条件下经济效率的状态（没有人可以通过使某人变得更糟而变得更好）[16]。

城镇供水供应链中的成员通过建立合同关系来协调客户和供应商的利益，以实现总体最优，解决传统理论和方法难以解决的问题。例如，自来水公司与用水用户签订的供水合同中，明确了供用水人双方的权利和义务，明确地划分了产权以进户水表为界限，进户总水表前（含进户水表）的输（配）水管网的检查维修以及改造费用应由城市自来水供水企业和自建设施供水的企业承担。进户总水表后的安装，改造费用应由用户或产权单位承担，从而避免了产权不清造成水资源的浪费和管理混乱。

通过整合的供水供应链具有以下三个特点。

（1）当前水资源并非单纯用于用户用水的需要，还需考虑防洪、排涝、环境保护、水土保持、航运，涉及多方利益。政府的水资源监管部门对取水主体的不同取水策略的奖惩、能否及时有效地监管将影响供应链源头的供给。时间对于城镇供水也是极为重要的自变量，随着温度和季节变化，供水量和用户对水的需求随时都在发生改变。当炎热的夏季来临，供水需求激增，但此时由于强烈的蒸发作用和缺乏有效降水，作为原水供应源的水库可能正在低位运行。当双方各自为政或是缺乏沟通，系统的调度管理将变得极为困难。

城镇供水供应链的管理应包括从“供”到“需”各个环节的全过程管理，避免了单方面的为满足局部利益但却损害了整个系统的调度、维修、建设，例如河流上游的过度取水将直接影响下游能够取水的水量减少。基于整条供应链的资源配置、调度，一方面提高了水的分配效率，合理解决用户之间水量分布不均等问题，另一方面提高了水资源的使用效率，鼓励供应链内部各个环节高效输水用水。

从整体来看，整合整个供应链将确保水资源管理部门面对例如季节性的用水紧张、供水主管道爆管、水源地突发污染、输水水体污染等紧急情况提前制定应急预案并组织演练，在事件发生时按照制定的预案做出快速响应。例如，2014年“4·10”兰州自来水苯超标事件对当地社会的稳定和经济的发展都造成了较为恶劣的影响。最后事件的解决也正得益于水质信息的实时公开、有效的多部门联动机制和多途径采取应急处置措施[17]。长期的沟通协作有助于供水方提高服务水平，最大限度地减少水资源浪费。

（2）在城镇供水供应链中，信息流包括对用水需求的预测、供需信息的传递、水质和水量的监控等。有效理解信息流的价值对于物流（水流）和资金流有很大的提升。通过水表的异常数据，供水方能够及时察觉未付的水费、识别高风险用户、提高计量精度（老旧或者大口径水表往往无法准确计量水量），从而提高现金流表现。远距离的物流（水流）监控设备也能帮助供水方发现水资源泄漏或异常的情况，结合用户历史详细信息，点对点联系影响用户，帮助用户减少损失，保障物流（水流）的安全可靠。

通过设计和规划城镇供水供应链中的物流、资金和信息流，供应链上各节点的决策将更加合理和有序，日常运营管理也有望得到改善。特別是许多水务公司已经开始探索利用科技提升日常的决策质量和速度，随着物联网技术的发展，以GIS、“河长制”等为基础的智慧水务平台系统的构建已经具备成熟的条件并获得应用，部分地解决了物流、信息流在供应链中某一段节点的交互和分析 [18]。

当前城镇供水供应链信息流的问题体现在以下两点。其一是各个节点之间信息共享传递存在着挑战。由于各节点数据收集独立，一方面成员不愿意共享数据或没有开放即时的数据，另一方面数据之间收集格式各异，彼此并不兼容，信息的传输和上下游的沟通往往难以达到理想状态。其二是信息的收集与分析存在财务成本，包括安装信息采集设备、信息远程设备、信息分析工具及配套的人力资源。随着物联网和智能水表的普及，数据的数量也将急剧增加。由于数量巨大的终端用户和同样数量庞大的供水基础设施，信息的质量（频率、精度、地点）所产生的效益和获取成本（人员、设备、信息系统）是矛盾的，存在一个平衡点。在何处安装何种精度的信息采集设备同时平衡收益与成本的关系，对于节点各个成员都是值得关注的问题，也有望通过供应链各成员之间的合同或沟通协作机制得到解决。

（3）跨区域输水如南水北调工程、辽宁东水西调工程、陕西引汉入渭工程等正在我国不断发展。一方面，水资源的转移会影响水环境及河流流量，可能导致输水工程来源地的生态环境、水力发电和粮食生产受到影响。另一方面，输水工程接收地的水价也值得考虑：在实际调度中，若单纯交由市场决定资源的配置，则由于基础设施建设成本、调度管理成本的因素，调度水的水价一般高于当地水水价，用户倾向于选择本地水，使得当地水环境生态恶化且耗资巨大的调水工程无法发挥作用[19]。例如，从水资源丰富的B市修建输水工程至水资源匮乏的A市将耗资巨大但更符合可持续性发展。但如果A市不能采取措施限制本地水资源的供应或是不分产地地统一分销水资源而仅仅依照市场规律，则A市用户仍将继续依赖于开采低廉的本地水而造成大量资源的浪费。以合作共赢为基础，通过上下游节点契约签署为链接的城镇供水供应链的状态，在满足综合效益和平衡地区水资源的基础上，既能实现经济效益，又能满足公共利益，同时确保供需双方买卖顺利进行。

此外，城镇供水供应链下游节点的需求可变性和上游节点供给有限性是有矛盾的，需要不同主体之间就数量、时间、价格在合同上进行规定，合同也应该考虑到随机事件的发生和应对并以低成本运行。具有代表性的跨区域输水的例子是浙江省东阳—义乌水权转让（转让关系示意图如图3所示）。2000年，东阳与义乌两市达成协议：东阳市政府将其境内的横锦水库每年约5000万立方米水的使用权转让给义乌市政府，义乌市一次性出资 2亿元购买这一“永久用水权”。在保障水质达标的基础上，义乌市根据实际供水量向东阳市支付商定的费用。在该合同中，东阳市利用了闲置的水资源而义乌市满足了发展的需要，双方都取得了经济和社会效益[20]。

五、城镇供水供应链系统的成本

在不考虑对生态环境的影响下，供应成本包含四个方面：购入成本、订购成本、持有成本、缺货成本。

对于城镇供水供应链而言，购入成本是较为简单的，任意节点的成本可以表达如下：

PC（q）：任意节点向上游购买q水量的购入成本。

ct：单位水量从上游节点转移到该节点所需传输成本。

w：单位水量上游节点的平均售价;由于阶梯水价的存在，可能是与q相关的函数。

q：上游节点提供给该节点的产出水量。

值得注意的是，前期投入的固定成本并未包括在PC（q）中。该节点实际接收到的水量是（1-θ）q，其营业收入可以表示为：

p：该节点向下游销售单位水量的价格。

θ：上游节点至该节点运输过程中的损耗率。

β：该节点至下游运输过程中的损耗率。

TC（q）： 单位水量的供应成本，由购入成本、订购成本、持有成本、缺货成本组成。

城镇供水供应链系统的成本构成如图4所示。

由于通常上下游的产权分界是水的流量计量设备（如水表等）且往往安装在靠近下游用户一侧，公式（1）中产生的运输过程中水的漏损通常需要上游节点来承担，因此上游节点必须负责运输设施的维护管理，尽量减少漏损的发生。

而后三个成本很难计算。订购成本为固定支出，与供应链长期决策相关，和中短期决策无关，应考虑的包括管道的建设成本和基础设施所占用的土地购置成本，以及其他后续维护成本。持有成本包括运营、维护和资本成本。由于水在管道内部输送的过程中会消耗能量和水质恶化，消耗电力使用水泵提升水压和购买净水药剂进行投加是运营成本中较大的支出。如同所有商品一样，对于每个层级来说都存在库存，以特定的阀门或计量设备为边界，核算管道中所有流动的水和储水箱中的水应作为当前节点的库存。值得一提的是，日常供水设施的渗漏、管道排污会导致库存损失。短期的面向普通居民用户的停水常常容易被宽容，此时的缺货成本几乎为零。但由于水对人类生存和经济活动来说是必不可少的，特别是长时间的停水或是面向如医院等重点行业的突发性停水是无法忍受的，因此长时间停水或是特殊用户突发性停水的缺货成本非常高，而事前通知的有计划停水使得下游用户能够提前准备，例如提前灌满水箱來增加库存。因此，缺货成本与用户行业属性、停水时长有关，是非线性的。但是，对此领域的定量研究很少。只有建立了更准确的数学模型，才能采用相应的模型。由于城镇供水系统多为区域性自然垄断，即使水厂、水网可以进行一定的市场化，真正的运营成本也难以估计。显然，对于供水方成本的计算将有益于设定合理的水价并利用市场价格来分散风险。

根据公式（2）可知，节点的营业收入是订购水量q的函数。所以，如果允许下游用户暂时缺水的话，节点（如供水公司）有可能存在最优订购水量。如果不允许下游用户暂时缺水的话，对于上游节点（如水库），有可能存在最优订购水量。供水供应链的上下游都可以围绕最优订购水量做出运行安排或签订有助于风险分担的供水合同。

六、城镇供水供应链系统的相关风险

与供水有关的风险很多（如图5所示），例如：水质、水量、水压无法满足用户的需求，不断变化的监管环境中产生的诉讼，又或是供水中断[21]。对于许多公司来说，水费在总的运营成本构成里无足轻重，但一旦供应中断就会迅速让公司意识到风险管控的重要性。例如，2011年7月23日，瑞金市天元食品有限公司因当地水务公司未能及时按照先前通知时限恢复供水，导致在停水期间不能正常营业[22]。在此事件中，水务公司停水系因施工单位承建的供水系统基坑壁坍塌造成，终端用户只获得了法院判定的可以用经济量化的损失赔偿，日常经营的中断可能会造成公司声誉与信用的损害，而供水公司也遭受了承担赔偿的损失。地震、台风等极端灾害通过对供水设施的破坏或是对原水水质的不良影响也会造成大面积的停水或是大范围的水质恶化。供水系统受到灾害打击而致其服务功能中断，不仅会直接影响终端用户的人身健康和经济活动，还将影响整个城镇的正常运行和发展。另外，如COVID-19新型冠状病毒疫情等突发事件，也可能会对水资源的需求和调度造成短期冲击。

如何在风险来临前，做好物流（水流）管道的优化设计从而在灾害到来时减少负面影响;如何在风险来临之际，迅速评估经济损失和有效调动资源进行恢复，应该纳入政策制定者升级改造供水系统和重塑城镇供水供应链的考虑之中。

上述所有风险都无法简单解决，因此从信息流传输的角度，城镇供水供应链整体的协调和沟通在风险来临时极为重要，例如，在任意节点上发生的污染事件将严重影响所有下游成员。隐藏此信息可能对局部个体有利，但同时，整个供应链将遭受巨大损失。在物流（水流）传输的角度，面对供水设施破坏，如何迅速有力恢复水的处理和传输，即如何构建和管理平稳、有韧性的和可持续的城镇供水供应链是一个具有实际意义的问题。

水库和水渠的建设可以部分地缓冲风险，但单纯地蓄水成本较高，需要与多种措施联合使用。由于旱情持续，2019年秋冬以来，普洱市中心城区供水吃紧，饮用水源箐门口、信房水库，备用水源梅子湖、纳贺水库等均因旱情导致蓄水不足，饮用水源库容持续下降。截至2020年3月初，共有蓄水总量2667.38万立方米，可用水量2192.04万立方米。普洱市中心城区居民饮用水日常供水共有3个自来水厂，但水源点分散、库容量分布不均衡。启动抗旱应急连通调水补水工程后，将城区主要水源水库进行了连通。最大限度降低城区供水安全风险，普洱市水务部门启动了7个抗旱应急工程，以确保水资源科学调度、高效利用。为切实缓解城区供水压力，从2020年3月起，对居民阶梯供水量定额标准下调，以引导市民节约用水[23]。

七、城镇供水供应链各成员的管理思路

在整合的城镇供水供应链中，仅凭供水企业、分销商和用水企业内部各自的管理可能不足以达成整个系统的帕累托最优。由于城镇供水供应链为串行链状结构，关键中间节点的孤立隔绝将直接导致整条供应链中信息流动的中断。因此，城镇供水相关的成员们应从全局系统的观点看待自己在整个系统中所处的地位，将整合集成供应链的思想纳入企业策略的产生和运营的过程中去，以开放透明和及时可靠的信息传递方式串联上下游的节点。供应链中垂直方向的上游和下游节点整合也为内部成员的进一步发展提供了新的思路。不难想象，当一系列原水生产方、供水方和用户通过无缝集成的供应链紧紧地链接在一起，他们因此减少的沟通成本、提高的运行效率、降低的水资源的浪费共同累计起来，相比于那些孤立的竞争对手，有更强的竞争优势和抗风险能力[23]。

新加坡作为一个“水量型缺水国家”，通过40年的时间，严格依照“四大水喉”（Four National Taps）（雨水收集、进口水、新生水和海水淡化）的基本方针，通过行政力量的强力干预整合从源头水源至终端水龙头的整个供应链，成功地实现了从极端缺水国家到世界水务枢纽的跨越式发展[24]。以新加坡水务为例（如图6所示），可以看到具有活力的水务及环境行业、全方位的科研合作、政府对于行业的鼓励和支持以及对终端用水用户的节水要求，共同构建了环境与水务产业管理优势。得益于此，新加坡的环境与水务业从2003年的5亿新元增加至2015年的17亿新元，产业的就业岗位在2015年达到1.1万个，其中大部分属于专业技能型[25]。不仅如此，强大的城镇供水供应链的整合和环境与水务业的前沿发展，又将反作用于整个供应链的增值，进一步成为经济增长的强劲引擎，使得供应链上的成员和整个社会都获得增益。

八、结论

第一，城镇供水供应链一般是由多层次组成的串行链状结构。传统的供水系统管理和供应链管理之间的结合将产生新的研究领域，值得进一步深入探索。根据当地的实际情况，选取合适的数学模型和参数来模拟城镇供水供应链的运行形式，有助于水资源的定价、调配，有助于促进风险、物流、信息和资金的转移，减少水资源和资金的浪费。

第二，与传统供应链的传统应用场景相比，城镇供水供应链有其独有的特点。在库存、未来的供给、信息流动等条件都难以确定的情况下，依靠传统的供应链管理模型难以形成最优的决策。依赖现有的科技手段和平衡收益与成本，如何建立有效、有韧性和可持续的供应链，并且基于此，提出整体最优的物流（水流）、信息流、资金流的策略是值得进一步讨论的方向。

第三，城镇供水供应链各个节点内部信息的透明公开和对外部信息的整合分析，能够更好地帮助成员认识到水的价值并应用于日常的管理决策。通过城镇供水供应链的管理，节点成員集体协调行动，有助于解决水量和水质问题，减少或降低风险的传导范围和损害程度，为推动供水供应链乃至整个社会的经济发展和抗风险能力的提高作出贡献。

第四，当供水方有多个备选时，城镇供水供应链朝着网状发展，对不同供水来源的选择是一个重要问题。以新加坡的供水系统为例，我们发现再生水资源与海水淡化等传统地表/地下淡水资源之外的供水方和供水技术也能起到关键的作用，并降低对自然资源的依赖，提高供水系统的容错性。

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