基于耦合激励相容机制的区域水资源配置优化路径

叶 舟

(浙江水利水电学院，浙江 杭州 310020)

1 水资源可再生性的流域尺度

1.1 水资源可再生性

水的大循环使地球表层的能量保持分布均衡.地球从太阳接受能量，同时向宇宙放射能量，然后通过水的三相变化，液体、固体、气体不断转换，水从海洋到天空，从天空到大地，从大地到海洋之间不断循环，调节太阳辐射到地球的能量，使地球平均气温保持在相对平衡的状态.正是这种大循环，使水资源成为了一种可再生资源.每年有大量的水通过该系统进行循环，但是其中只有一小部分可供人类利用.然而这种可再生性是有条件的，水资源总量上是定值，年内各月间、年际间仍有丰枯变化，因此可再生性至少在一定流域内是有尺度条件的.

1.2 自然—社会二元水循环

水资源循环过程有两种，即自然水循环和“自然—社会”二元水循环.自然水循环过程由降水、植被冠层截流、蒸发蒸腾、洼地截流、入渗、地表径流、壤中径流、地下径流和河道汇流等构成，其驱动力是太阳辐射、重力和风力等自然驱动力.[1]而“自然—社会”二元水循环同时包括社会水循环过程，如蓄水、取水、输水、配水、用水、耗水和排水等，二元水循环的驱动力既包括自然驱动力，又包括经济社会发展和科学技术进步等社会驱动力，如机械力、电力和人工热等.

水资源能否可再生性供应取决于水循环，特别是自然—社会二元中社会水循环的影响.随着社会经济发展，社会水循环中的水资源占比不断增加，对可供利用的水资源可再生性的影响比较大.[2]联合国环境规划署曾指出，地球上现有的淡水资源中有90%是地下水，但这些地下水中只有2.5%可能得到利用并进行补充更新，剩下的都是可耗竭的.地下水是可耗竭的资源，因此当前地下水的开采行为确实会对未来获取该水资源产生影响.地表水代际间的影响主要受生态破坏和水土流失的影响，由于需水量大增，特别是人为大量的不当引水、植被破坏导致土地退化、生态破坏等则会直接影响二元水循环和地表水的未来供应.[3]

1.3 水资源的流域管理

为了矫正自然—社会二元水循环中对水资源过度开采、无序开发，各国采取水资源的流域管理.加强流域管理的目的是使自我强化的反馈机制变成自我限制的反馈机制，变无序的流域水资源利用为有序的流域水资源利用.

最初的流域管理模式只是以解决水资源供求关系为主的单一水资源管理.但从20世纪30年代起，随着人们意识的提高，逐步开始了以水土保持为主要目标的流域管理.[4-5]到20世纪50年代，以流域为单元进行资源和环境管理的重要性逐渐为人们所认识，世界上有很多国家也相继成立一些流域管理机构，初步形成了以多目标为主要特征的流域管理体系.全球第一个流域管理机构是美国在1933年建立的田纳西河流域管理局，随后印度、阿富汗、巴西等许多国家都仿效了美国的这一管理模式.到了20世纪后期，伴随着经济的快速发展、人口的日益膨胀，对资源的需求量迅猛增长，由此出现了水资源过度开发，水质持续下降，生物多样性减少，土地退化等一系列问题.[4]20世纪80年代，人们普遍认识到解决这些问题的有效途径是以流域为单元，对自然资源，生态环境，以及社会发展进行一体化综合管理.西方各国开始建立流域一体化管理机构，尝试从全流域利益出发，对水资源进行综合管理，对流域管理进行了很多有意义的探索和实践.[4-5]

2 区域水资源供给的风险及应对

区域水资源配置中对于某特定时点具有不确定性，实质上存在供水的风险.水资源配置中通过地下水开发、水库调蓄等存储措施降低不确定性，提高供给保证率，降低供给短缺的风险.

2.1 存储解决水资源供求失衡

作为可再生资源的水资源存储，其作用通常不同于一般可耗竭资源存储.存储可耗竭资源将延长它们的经济生命，而储存水资源可以作为一种手段，水资源盈余储存可应对之后可能会出现的水荒，维持一个有效的可持续的流量，理顺供给和需求的周期性失衡.水资源存储有两种：地表水和地下水.地表水资源储存可以改善配置——年内或年际，解决周期内各时间段上水资源丰枯失衡问题.地下水资源存储则本身就是一种自然资源，消耗后补给性较差.

存储水资源的目的是平抑峰谷，削峰补谷.水资源周期是以年为单位，春夏秋冬四季作为一个周期，不同的地区丰枯季所在的月份是有差异的，如位于我国长江中下游的浙江省丰水期每年出现在三个时期：3～4月桃花汛，6～7月梅汛，8～10月台汛，其他月份则雨量较少.利用水库存储调蓄，改变天然径流，使汛期洪水资源化，改善水资源供求平衡，实现水资源利用效率提高.储存的水库越大，削峰补谷的能力越强，则周期性供给与需求失衡的风险越小.[6-7]

2.2 地下水、地表水供给与不确定性

可供利用的水资源有两个来源——地表水、地下水.地表水包括江河、湖泊以及塘库中的淡水，这些水在地表以径流的形式存在，地下水则汇集于地下多孔的岩石层中即含水层.由于大多数地下水不能完全回补，因此水资源配置中最好首先利用地表水.但是地表径流不稳定，随着降雨而变化，降雨量少或干旱年份地表水会变得非常少，甚至断流.因此在没有水库的年代或没有水库的地区，地下水相对稳定，是比较可靠的水源，因此那个时代地下水供水是一种规避风险的明智之举.

地表水供给由于这种相对不稳定、充满不确定性的水源，带来两个问题：第一，必须在众多用户之间协调好并达成平衡.要达成有效性，水资源配置必须使所有用户的边际净收益相等，边际净收益是指水资源需求曲线与多抽取分配一单位的地下水所需的边际成本曲线之间的垂直距离；第二，必须针对每年变化的地表水流量采取可行的应对方法.由于地表水的供应量每年、每月都是在变化的，我们不仅要针对达到平均水平的年份确立一套分配水的制度，还要针对枯水年以及丰水年进行预测，来确立相应的分配水的制度.

2.3 地下水转为“水库水”供给

早期没有水库时，供水大都取自地下水，现在有水库的地区大都转向水库供水，这里有一个非常重要的影响因素就是风险控制，“水库水”是一种可再生资源，比地下水更安全、更可控.没有水库时，地表水都在天然河道内，径流量变化幅度非常大，人类无法控制丰枯年份的供水风险，洪水和干旱交替发生.因此人们只能求助于地下水，地下水总体上稳定，水质、水量都能保证，除了会产生生态环境问题外，其供水成本会随着水资源开采深度而增加.随着科技发展开始建造能调蓄径流的水库，并且建造水库库容越来越大，库容越大水库水资源保障供水安全的能力越强，并且水质水量都可控，带来的地面沉降等生态环境问题少，降低了供水和生态环境双重风险，因此“水库水”替代地下水成为必然.

3 区域水资源配置效率目标

资源管理不当会造成水资源耗竭、水环境污染*水环境污染除了一般企业排放、生活污水排放外，还包括可利用水受到化学物质、放射性物质、盐类以及病菌的污染等.、水生态破坏、地下水过度开采等，造成生态风险和水资源供给短缺风险.因此必须研究资源配置的效率标准，构建自我限制的反馈机制，达到水资源可持续利用的目标.[8-9]

3.1 跨代的动态效率目标

区域水资源配置目标是利用工程技术、经济、行政等手段，克服由于自然环境、经济成本、社会风俗、群体利益等带来的各种矛盾和问题，使水资源在区域内配置达到社会福利最大化.作为自然资源的水资源配置中涉及到静态效率目标和动态效率目标.静态效率目标就是资源使用时各期内即分配在跨代间的资源并不是互相依赖的情况.而在资源配置中考虑跨越时间的分配，就是动态效率目标.

水资源配置涉及代际利益协调，因此应该用动态效率目标.动态效率目标假定社会的目标是要使得来自资源的净效益的现值最大化.区域水资源配置的动态效率标准分配须满足一个条件：对于两期模型，第一时间段内的最后一个单位的边际净收益现值需等于第二时间段内的边际净收益现值.对于n期模型，假定边际开采成本不变，延长资源分配时间范围.动态目标不依赖于特定的制度环境，所以这些标准也同样适用于评估由市场、政府配给甚至其他方式分配资源.

3.2 资源配置的效率标准

对于市场经济条件下研究水资源配置的效率，这个资源配置效率有具体的表达方式(见图1).一个有效率的市场不仅要考虑资源边际开采成本(MC1)，还要考虑边际使用者成本*因稀缺而产生的额外边际价值就是边际使用者成本，也是指遗失机会的边际现值.(MC2).[10]然而，在资源稀缺不存在的情形下，价格将等于资源的边际开采成本(MC1)；另外水资源尽管是可再生资源，但是这种可再生是有条件的，有时会发生严重的供给需求的不均衡，因此存在资源稀缺.这种情况下，价格将等于资源的总边际成本(MC)，即边际开采成本(MC1)与边际使用者成本(MC2)之和，这是有效率的资源配置的判断标准.[11]边际使用者成本(MC2)随着资源的稀缺加剧而不断上升，有效边际使用者成本(MC2)的上升反映了资源日益匮乏以及当前消耗的机会成本的相应上升.

图1 边际成本定价与充分成本定价的两种表达

当研究以地表水为替代品的可耗竭的地下水的有效分配时，主要的问题是什么时候从地下水转换到地表水供给，当然这种地表水必须有一定的保证率，如同地下水一样是稳定供给的“水库水”.可耗竭资源的总边际成本(MC)将不会超过替代品的边际成本，因为社会总是可以利用可再生资源来替代的.因此，尽管在没有任何可替代品的情形下，是最高支付意愿设置了总边际成本的上限，但是，当能够以低于最高支付意愿的边际成本获取替代资源时，则是由替代资源的边际开采成本设置此上限.

一般情形下，有可替代资源时，可耗竭资源将会比没有可再生资源替代品的情形中更快地被耗尽.然而，地下水资源的使用不能遵循这个规律，地下水资源的耗竭将意味着地面的沉降等更大的生态环境灾难.这种生态环境灾难就是外部成本，外部成本必须内部化，因此“水库水”替代地下水成为现实.

3.3 资源配置效率的制度前提

为了使区域水资源配置达到动态效率目标，供水企业追求利润最大化、水资源产权明确界定、外部成本内部化等是三个相互关联的必要条件.

3.3.1 追求利润最大化的利益主体.

要使资源配置有效率作为自然资源经营者必须是一个追求利润最大化者.因为只有先见的、追求利润最大化的生产者才会理性地平衡当前生产和未来生产，按边际成本等于边际收益的标准进行生产，以便实现资源价值最大化和追求利润最大化.

3.3.2 明确界定的产权结构

理论上讲，只要管理自然资源的产权结构具有排他性、普遍性、可转让和可执行的特点，购买和出售资源的市场就不一定会选择短期行为.只要社会与私人贴现率一致，产权结构是明确界定的，并且可获得关于未来价格的可靠信息，利己的生产者在追求利润最大化的同时就会为社会提供最大的净收益现值.适当的产权的意义在于下面这个条件成立：在可预知的、有竞争力的资源市场，资源的价格等于开采和使用资源的总边际成本.

3.3.3 外部成本内部化

外部成本主要是生态环境成本.资源开采导致外部性引起外部成本，就是生态环境成本.外部成本包括开采地下水资源导致地面沉降、水土流失，导致外部人生产成本增加，还可能导致健康风险等.外部成本没有内部化会导致资源开采的成本过低，不能反映真实的成本，会过度激励资源开采者加速开采资源.当纳入外部成本内部化后则会产生更高的开采成本，这样往往会抑制需求，降低资源消耗的速率，客观上起到保护环境的作用.

4 耦合激励相容制度框架下的水资源配置

制度与技术是优化自然资源配置的两个手段，制度安排提供激励和激励相容的机制，技术手段提供了降低边际开采成本的途径.

4.1 基础层面：基本要素

4.1.1 放宽对水权转让的限制

水资源产权往往由于界定成本高，没有一套组织完善的产权体制，这样就影响水资源节约保护的积极性和有效转让.如果这个问题能够得到解决，从水资源分配中所获得的边际净收益较低的用户就会向边际净收益高的用户出售他的水资源产权.这样对双方都有利，这种产权出让会不断进行下去，直至使所有用户的边际净收益相等.

4.1.2 制定合理的水价制度

水价过低以及对于稀缺租金的忽视，严重影响水资源配置效率.有效的定价要求运用边际成本来计算.为了在保护和利用之间取得平衡，用户必须支付最后一个单位水资源的边际成本.低水价的原则使供水收益偏低，水厂无法获得足够的收益来弥补成本.用水成本不能反映水资源的稀缺性，没有节水的内生动力，导致对水过度需求.同时也不能反映出向不同用户提供服务的成本差异，最后使所有用户的边际净收益不相等，水资源无法向收益高的用户转移.一般供水企业采取边际成本定价或充分成本定价的原则(见图1).

4.1.3 对公共产品属性影响进行规制

由于产权界定的成本远远高于界定本身所带来的收益，因此水资源产权的一个特点就是公共产品属性，尤其是地下水.由于对公共产品保护缺乏足够动力，忽视边际稀缺租金的存在.因此对这类公共资源的开采会出现自我强化的反馈机制，最后结果是资源的耗竭.要使水资源这种公共产品得到好的保护，必须建立一套制度使其实现自我限制的反馈机制.

目前，对于上面水资源配置效率低的影响因素，解决方案分别是放宽水权转让约束、提高水价使其反映边际开采成本与边际使用者成本和公共产品的规制管理.

4.2 技术层面：水资源联网联调

区域水资源配置涉及的关键要素包括：水源、水厂、城镇、灌区以及河道、渠道、管道等.这些要素研究中都被抽象为网络和网络上的节点，即将原水输送网络、成品水输送网络及农业灌溉网络分别抽象为有向网络，进而将区域水资源配置的布局抽象为由上述三个有向网络耦合而成的复合网络.明确可供水量和需水量的测算方法，根据配水准则与次序以及分质供水原则，提出各子区及整个区域中各类水资源状态分析方法，从而确定区域水资源分析的基本框架.

某区域(地区或流域)的水源是指向该地区供给“原水”(没有经过加工的天然水)的河流或水库，包括本地水源和外地水源.本地水源是指从属于某区域的水源；外地水源是指不从属于某区域的水源.水源通过河道或管道将原水输送到某区域的水厂，然后水厂通过输水管道将“成品水”(经过加工之后可供使用的水，包括生活用水和工业用水)输送给城镇，包括本地城镇和外地城镇.本地城镇是指从属于某区域的城镇，外地城镇是指不从属于某地区的城镇.从整个区域的成品水的生产和供给的角度来说，水源是成品水原材料(即原水)的供给方，城镇则是成品水的需求方(见图2).

图2 区域水资源的供求关系

在水资源配置中，一个区域的水资源供给一般由本地水源(T1)和外地水源(T2)组成，一个区域的水资源需求由农业需求(T4)、工业需求(T6)、生活需求(T7)和环境需求(T5)组成.水资源在供给本地需求外，有一部分要流经本区域到达下一个区域，称之为“客水”(T3).区域水资源优化配置的主要任务就是研究T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7之间的关系，其中区域水资源的供求平衡关系就是T1+T2-T3与T4+T5+T6+T7之间的平衡关系.

在资源、制度、经济、生态、技术等条件约束下，按照生产成本最小化、效益最大化目标，基于天然河湖网络、水库群和城市管网等基础设施，构建由天然河湖的自然网络和水库群、城市管网的人工网络组成的复合网络，利用网络流理论，建立各类水资源状态下的区域水资源优化配置模型.

4.3 制度层面：激励相容

现在研究水资源配置机制大多倾向于市场的趋利性的应用，过分强调经济利益导向经济效益，这种资源配置提高水资源利用效率的同时存在市场失灵的局限，不能解决政府及其他经济主体短期化效应，没有使利益各方达到激励兼容.水是生命不可或缺的生存要素之一，追求利润最大化的有效率的市场机制容易导致一部分人“生命水”短缺.因此既要利用传统市场经济理论实现效率，又要在此基础上实现利益主体之间的激励相容，以矫正扭曲的利益机制.

无论原水供应还是水厂供水都属于垄断企业，垄断企业判断生产的标准是均衡点：边际成本等于边际收益.边际成本为水的生产成本加上边际使用者成本，边际成本等于边际收益的均衡点移动来自三个激励：第一，企业自身的激励，即企业采取措施降低成本、外面拓展、联网联调等增加收益或降低单位供水成本；第二，政府激励，即政府通过协调降低前文提到的四大约束带来的成本，或通过政府补贴，增加或提高供水企业的边际收益.第三，社会激励，这是一种区域内长期形成的有关治水的制度文化，可以预期企业、政府、社会在水资源供给短缺状态下两个地方政府或两个企业是合作，还是不合作，合作中采用何种机制合作等，最终形成共赢的目标是激励相容.[12]

5 结 论

本文从水资源流域尺度分析水循环和可再生性，又从区域的角度研究水资源不确定性、地下水供给、水库调蓄、到联网联调等，分析区域水资源配置的风险与效率.化解风险与提高效率是一个事物的两面，既取决于技术，又决定于制度，特别是耦合激励兼容的制度安排是水资源配置中动态效率目标实现的途径.研究认为从自然水循环、社会水循环运行到代际的动态效率目标，水资源配置应该达到一种可持续利用的情形：自我限制的反馈机制，才能实现水资源配置动态效率目标.