可持续发展环境约束条件下的水资源最优配置及实证研究
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摘要 在相关理论分析和Weber模型的基础上，拓展建立了面向水资源可持续发展的水资源最优配置模型，引入了基于政府管制的影响作用、沿河流域的水用户的实际消耗水量、实际排放水量、河流中可供使用水量及所排放污水水质水平等5个变量函数，通过政府管制下的水质和水量的河道内流量需求等环境约束条件，确保水资源利用始终满足最小基流水量。通过求最优解，计算得出在环境约束下达到最优配置时各个变量函数与对下游地区外部性之间的相关性。接着，本文对陕北黄土高原沿Y河的35家企业进行了实际调查，收集了2个年度共8个季度的观测值，应用计量经济Panel Data模型，对35个节点、8个季度的共280个数据作为混合样本进行经济计量分析，验证了相关结论。最后，还提出一些制定环境约束条件以及水用户间建立水资源环境生态补偿金机制等政策建议。
关键词 水资源；可持续发展；政府管制；平行数据模型；外部性
中图分类号 C939.X22
文献标识码 A
文章编号 1002-2104（2007）03-0134-06
中国多年平均水资源总量居世界第6位，但人均水资源量仅为世界平均的1/4，缺水态势日益严峻；与此同时，水污染致使水资源匮乏的形势更加雪上加霜。因此在水资源管理中，建立一个面向水资源可持续发展的最优配置机制的需求日益凸现。但是在国内把水使用量和污水排放量紧密结合在一起的研究并不多见，本文试图建立满足可持续发展环境约束条件下的水量和水质两维度的水资源最优配置模型，并通过实证分析，来验证相关结论。
1 水资源可持续发展
关于可持续发展问题近几年已经成为热点问题。国内外学者也有大量的研究文献[1～5]：Solow认为可持续发展是自然资源得到管理以维持未来的生产机会，Barbier认为可持续发展是指自然资本存量不随时间而下降，Daly指出可持续发展是自然资源得以管理以维持资源服务的可持续产量，Pearce以经济学语言表达可持续发展定义是：“当发展能够保证当代人的福利增加时，也不应使后代人的福利减少”，Coomhs认为可持续发展提出的政策除了要解决经济与环境问题外，还应当解决社会公平以及道德与文化问题。刘昌明认为对于水资源可持续发展的需求除了有“量”上的需求外，还有“质”方面的内容，目前在一定水质标准要求下的水资源量无法满足社会生产和经济需求。吴季松认为水环境状态的好坏主要是指江、河、湖、库等水体根据功能区划分对合理排污有否自净能力。刘伟和魏杰认为水资源可持续发展是指在一定的生态区域内，必须保持一定量的空中水、地表水和地下水，而该地区的生态系统必须具有涵养这些水源的能力，以保证所有生命依赖的水资源环境商品和服务的持续性和质量[6～8]。
研究水问题必然涉及到一个重要的概念――外部性。按外部性对承受者是有益还是有害的标准划分，外部性可分为正外部性和负外部性。负外部性是指发出方给承受者带来的是负社会成本的经济活动。Bator指出，水资源污染是一种“有害的”公共物品，这种公共物品具有“不可减少”的性质，即某个人增加对物品的消费不会减少其他人的有效消费[9]。Head列出了水资源作为公共物品的两个性质：供给的普遍性和消费的非排他性[10]，因为任何个人对公共物品的消费不会影响其他人的满意水平。
由于水资源因自然和人为因素而造成的脆弱性表现在自然属性与社会属性两个方面，因此，减少该区生态环境脆弱性要从社会、经济等多方面入手，本文强调水资源―生态环境―社会经济复合系统协调发展，一方面强调提高使用效率，使有限的水资源尽可能多地创造社会财富；另一方面要强调公平性，即保护弱势群体的利益，要兼顾代内和代际的公平分配[11]。因此，当有交互影响因子时，研究最优配置问题就要在水量水平和水质水平两个层面上，考虑如何限制各用户子系统利用水资源水平满足终点约束和河道内流量需求的约束。
2 水资源最优配置模型
Marian L. Weber于2001年曾经模拟沿着一个河流、有一定约束的地表水资源和污染权的最优分配问题[12]，但其缺陷其一是忽略了浅层地下水资源在最优规划中的重要作用问题，而事实上，对于一条河流而言，地表水径流量和河床附近的浅层地下水资源是一体的，存在此消彼长的关系；其二是忽略了政府管制在水资源分配中所起到的重要作用，即自始至终通过监管来对用水户的取用水和排放水采取相应的限制、从而保证可持续发展的环境约束。罗慧等人认为在转型期的水权制度创新中遇到的首要问题是创新主体问题，在中国行政手段配置水资源、水权主体模糊、民间用水组织不发育的条件下，政府由于既是水公共事务的提供者，又是水权权属的管理者，所以是最有效的水权代表。在市场经济中，面对着多变的经济形势的影响，针对人的有限理性，水资源配置以及水权改革必须在政府主导下进行，只有发挥政府组织的指导作用，才可以在有限理性基础上达到最经济的目标。因此，本文在Weber等人研究基础上进行拓展，引入政府管制函数r(i)∈[0,1]，来保障私人转移水不会损伤第三者权益，并表示对水资源开发与利用的约束和管制程度。管制从水量和水质两方面来发挥作用，比如针对水量的管制水平，r(i)表示该点的水量消费的控制程度；比如可以反映政府人（如环保部门等）对企业污水直接排放的约束和监管，反映企业污水直接排放难易程度；r(i)直接会对下游产生负外部效应，比如由于水权交易改变了原有水文条件；影响了地下水的补给；改变了水生和陆生生物系统，改变了水质和水温；造成居民的集中，加速城市扩展；河水矿化和污染；鱼产量降低等。r可以表示企业将其污水直接排放的难易程度，r越小越难排放，r(i)=0表示由于政府人（环保部门等）的约束和管制，企业不能将其污水直接排放；而r(i)=1表示政府管制没有产生任何约束力，企业排污没有任何阻力存在。同时也引入相应的拉格朗日乘子λ3(i)[13]。
本文按照位于沿河的水用户离水源地距离的远近，把水用户编号为i=1,…,n，离水源地距离越远，其n值越大。假定水量不是随机的，v0表示位于水源的水量，v(i)表示在第i个位置可被该点水用户利用的水量，c(i)表示实际消耗水量，可被转移交易和实际消耗的水量分别表示为s(i)和c(i)。则被用户i所实际消费水量为： 这里Ri是一个外生的回流参数，表示排污量与实际用水量的比率。沿着河流任一位置节点的可供利用水量演变依照一阶差分方程为 。
假设q(i)表示沿着某一河段的水用户i在取水处的水质水平，e(i)表示用户i实际排放污水量，r(i)表示政府管制的影响作用。那么用户i和i+1之间水质水平的微分函数为：
对用户i而言，在任何取水处的整体水质水平是：
同样假设在节点i的水质和水量的一个增加能增加河流在节点i的同化能力，所以 上递增且严格凹的。
罗慧等人认为，水资源分配问题受两大因素的限制：第一是终点约束，保证某一段河流最下游水用户所必须被保证的最小水量v和水质q，这些约束通过在政府管制与企业之间的监管、契约和谈判等来完成。第二是沿河每一个节点的河道内流量需求IFN (Instream Flow Need)约束，即必须沿河保留的水质和水量v～和q～，IFN约束可以具体被表述为[14]：
假设2：用户i的利益函数可以被写成: 。每个节点的水用户的利益依赖于实际消费量、实际排污量及转移他处的水量和水质，低水平的水量和水质可能增加转移成本、为满足IFN约束而不得不增加的社会成本，因此，假设利益函数Bi在c、e、v、q、r上递增且严格凹的。
基于上述假设，研究如何通过解决控制问题，来最优配置水资源问题。假设沿河水用户的实际用水和实际排放污水导致的总利益为:
公式(11)和公式(12)表明主要变量即拉格朗日乘子μ1和μ2的值及其演化，并决定了水量和排污水的最优价格途径，也即影子价格，指当社会经济处于最优状况时，能够反映社会劳动消耗、资源稀缺程度和对最终产品供求状况的价格[16]。公式(11)的左边显示向下游用户减少一个单位水流量造成的成本，等于分配给用户i的一个额外单位水的净边际利润时，此时能达到最优。该式的第一项表示消费一个额外单位的水量产生的边际利润，而第二项表示对用户i而言由于水量减少而产生的、由于政府管制而发生的为满足水质约束而增长的成本，第三项表示对用户i的水量的IFN约束的价值。同样地，公式(12)表示对下游用户减少一个单位水质的影子成本等于排放的净边际利润时，此时能达到最优。公式(13)和(14)表明拉格朗日乘子μ1和μ2的演化，反映这样的事实，上游的投入使用对所有的下游用户通过状态变量v(i)、q(i)和r(i)产生负外部性。通过提炼这4个方程的数学特征，说明沿着河流从上游向下游，由于沿着河流水量及水质污染物的累积效应，邻近水用户之间的外部效应是递增的，越到下游地区越明显。进一步分析其数学特征，可以得到其隐含的假设，得到：企业实际取水量c与负外部性Δμ显著正相关；可供取用的水量v与负外部性Δμ呈负相关；企业实际排污水量e与Δμ正相关；水质水平q与负外部性Δμ呈负相关；政府管制的影响作用力与Δμ正相关。这为本文通过调查研究的方法进行实证研究提供研究假设。
3 水资源最优配置的实证分析
3.1 实证研究数据的调查和收集
本文关注的中国陕北黄土高原，水资源十分匮乏，人均水资源量为789m3，仅为全国人均量的31%左右；同时随着陕北黄土高原成为国家级能源密集型化工基地，水质也逐渐恶化。实证调查就选取了能够代表陕北黄土高原特色背景、具有能源重化工背景的Y河(因保密原因，Y河匿名)，调查对象就是沿河流域的相关企业，这些企业直接利用Y河的水资源进行生产活动同时对Y河水质和水量产生直接和互动的影响。根据本文实证研究的整体思路，整体选用实地调查、专家访谈和资料搜集相结合的方式进行。在实地调查中，先进行了试调查(Pilot Survey)，获得最终的实地调查提纲，为正式调查及调查过程中的质量控制提供了可靠的依据。在正式调查中，质量控制是关键，采用及时审核、复访等方法来确保真实性和可靠性，对于存在问题的，基本上都进行了补充或者重新调查，从调查的过程控制、有效性判断和分析结果来看，数据质量基本得到保证。
由于这些实地调查基本上属于封闭或者半封闭式，要想了解更加深入的信息和资料，就必须进行进一步的专家访谈和资料搜集。通过向统计、水利、环保及气象等相关部门搜集资料，获得以下统计数据：Y河源头、所选区域河流和下游的水量和水质；各个调查样本企业和源头点之间的距离(精确到m)，以便确定上、中、下游的不同位置；各个调查样本企业取水横截面的河流水量和水质监测值；沿Y河流域的统计区间降雨状况等等。还通过向16位专家访谈获得其评价的政府管制的影响评价值。
调查的内容紧紧围绕上述模型所隐含的假设，主要调查和了解沿着Y河的被调查企业基本信息，企业用水现状，主要包括企业目前用水得到保障的情况、目前用水的水质情况调查、企业2002-2003年每个季度的实际用水量、相应时期的实际污水排放量、企业是否愿意承担治理污水的费用以及目前的治污成本、企业被规定的用水定额等相关情况。其中关于水质水平，本文根据2002年6月1日正式颁布实施的地表水环境质量的24个基本项目指标，也根据专家推荐和所搜集的数据，在确定水质的指标上，主要选取了4类指标: 溶解氧DO， 生化耗氧量BOD， 氨氮NH3-N， 化学耗氧量COD。
对Y河流域符合研究对象假设的红石峡至河口的河段进行分析，在这一河段分布着依赖Y河河水进行生产生活、没有旁支水系的大小企业50余家，经过初步筛选(建厂时间短于两年的除外)，主要选取其中40个沿Y河的红石峡至河口段沿岸企业进行大规模调查。此次调查于2004年8月－12月进行，为期四个月，参加调查的人员主要包括西安交通大学管理学院博士生、榆林市气象局和榆林市水利局有关同志，主要采用一对一的调查和访谈，将其分发给各个企业，共分发40份问卷，回收38份，经过初步统计分析得到有效问卷35份，满足大样本数量的需求。详细收集了两个年度的各季度的观测值，这样35个节点、8个季度的共280个数据作为混合样本(Pooled sample)，采用计量经济分析软件―Eviews软件。根据本研究特点，能够很好分析这种不同截面、不同时间序列的关系，最有效的解决方法之一就是平行数据模型(Panel Data)，又称时序与截面混合数据(pooled time series and cross-section data)模型，是能够同时反映研究对象在时间和截面单元两个方向上的变化规律及不同时间、不同单元特征的计量经济学模型。这样就比只利用截面数据或只利用时间序列数据模型具有不可比拟的优势，从而有效弥补了总样本数量上的不足[17]。
通过对企业的实际调查获得了企业的实际用水量c(i)，企业的实际排水量e(i)，而v(i)就是Y河地表径流的流量大小，q(i)是取水点的水质水平，但在调查分析过程中，为简化起见，等同于企业的排水点的水质水平。在确定水质的指标上，主要选取了四类指标: 溶解氧DO，生化耗氧量BOD， 氨氮NH3-N，化学耗氧量COD。但在实际的问卷中， 氨氮这项指标的填写相对比较完整，因此本文水质指标主要用氨氮的值。r(i)的值主要用了16位访谈专家所给出的政府管制影响值，采取不同权重加权的方法，得到对应的值。Δμ2(i)的表征值本文采用了该企业的治污成本费用与该企业的固定资产的比值，以反映不同规模的企业消除其排污所造成负外部性影响的大小。
3．2 对数据的经济计量分析
本文具体采用了panel data模型中固定效应(fixed effect)模型，为了控制横截面样本中变量的相关性和时间序列样本中的自相关性，本文采取了SUR的加权估计方法。SUR代表同时对截面单元异方差性和同期相关性进行修正的GLS(广义最小二乘法)估计[18]。回归的结果见表1。企业实际取水量c的系数为1．376 2，符号为正，与排污权或者水质水平相关的外部性Δμ正相关，系数是显著的，T-检验为23．034 7，P值为0．000 0(如果小于0．05，那么说明就是通过检验)，通过检验；Y河流域可供取用的水量的系数为-0．375 1，符号为负，T-检验为-42．001 4，P值为0．000 0，说明可供取用的水量v与水质水平造成的负外部性Δμ呈负相关；企业实际排污水量e的系数为0．448 1，符号为正，与Δμ正相关，T-检验为8．149 7，P值为0．000 0，通过检验；水质水平q的系数为-0．003 5，符号为负，说明排污影响的水质水平q与造成的负外部性Δμ呈负相关，T-检验为-0．334 01，P值为0．738 7，没有通过检验；政府管制的影响作用系数为0．474 4，符号为正，T-检验为36．565 8，P值为0．000，说明政府管制影响力与Δμ正相关。表1 Panel data 回归结果
表2表示截距项随着i的增加，不断增加，说明沿着河流从上游向下游，由于沿着河流的水量以及水质污染物的累积效应，邻近水用户之间的外部效应随着i增加而增加，越到下游地区越明显。表2 各节点用户的截距
通过panel data模型中固定效应模型分析，说明由于沿河流用水企业排污造成水质变化而对下游产生的负外部性，除了水质水平变量外，其余均与本文构建环境约束条件下水资源交易模型中的自变元显著相关，水质水平q上没有通过检验，说明本次调查所收集取水点的q值，与模型中所需排水点水质水平q是有差异的，如果能够分清和获得同一节点的不同意义上水质水平q的值，结果应该相对比较理想。实证分析结果与模型分析结论基本一致。
4 结论及建议
本文在相关理论分析的基础上，建立了满足可持续发展环境约束条件的水资源最优配置模型，计算出在满足可持续发展的环境约束条件下、达到最优时，得到决定水量权和污染权的最优价格途径，以及在此环境约束下、达到最优时，向下游用户减少一个单位水流量和对下游用户减少一个单位水质水平造成的社会成本，基于理论分析，寻找其数学特征，得到隐含假设。接着选取了陕北黄土高原的Y河为研究背景，通过实际调查获得相关数据，并通过Panel Data平行数据模型的固定效应的变截距模型进行了经济计量分析，验证了假设，得出相关结论：证明了水量消费量、排放量与外部性Δμ呈正相关，而与河流域可供取用的水量、水质水平以及政府管制的作用大小与外部性Δμ呈负相关。这个研究结果对于解决中国实际水资源最优配置以及减少负外部性问题，具有重要的启示意义。
长期以来，中国关于水资源环境保护的政策之所以难以落实，主要在于各地不能正确理解水作为稀缺自然资本的市场价值，更难以通过水权交易市场来有效配置资源。为实现有效的、面向可持续发展的水资源管理，本文通过分析说明制定面向可持续发展的环境约束条件十分重要，在制定可操作的标准时，有三种建议做法可供选择：① 政府有关部门根据河流性质及用途，制定每一段河段的最小生态用水量需求，以此作为水资源最优配置的限制。此种做法的优点是简单易行，能够确保既定标准不被破坏，但可能会由于有关部门缺乏充分信息而无法把握尺度，且很难根据需求变动而实时调整，往往最小生态用水量很难达到最优；② 将最小生态用水量水资源赋予特定管理单位，允许其参与到水资源交易市场当中，如政府“环保团体”或者其他非营利组织。然而无论将该水资源赋予谁，都存在许多问题并会影响效率，若赋予政府可能会出现利益团体逐利现象或者人寻租行为；③ 借鉴国外做法，可建立作为水资源交易平台的水银行，承担保护最小生态用水量的责任，每年年末水银行根据来年的估计水量以及最小生态用水量需求程度，制定出相应的水价，从而保障最小生态用水量需求。由于水资源的补源往往是不规律的，随着供水需求的增加和一些不确定因素(干旱和洪涝)，水价值突变（水体受污染等），市场的风险比较大，因此，政府环保部门在确定满足可持续发展的环境约束条件时也需要及时调整。
通过上文分析可知，由于沿着河流从上游向下游的水量以及水质污染物的累积效应，邻近水用户之间的负外部性是递增的，越到下游地区越明显，上游的投入使用对所有的下游用户通过以下状态变量产生负外部性。这就说明改善源头区和上游区的水生态环境成了水资源可持续发展至关重要的问题，而在中国，源头区和上游区又恰恰是贫困落后的地区，相应地缺少资金进行水环境的治理和改善，位于中、下游的东部地区深受断流和污染之害而经济又相对发达，他们也是愿意为优良的水资源支付更高费用。目前，传统的以行政命令方式为主的水资源配置机制功效越来越有限，建议政府建立一种机制来鼓励组织和个人参与水环境建设，特别是地方政府之间，位于源头、上游地区的水环境保护和改善和位于下、中游地区的用水之间建立水资源环境生态相互补偿金机制，比如通过财政补偿体系和财政转移支付体系的模式进行补偿，从而达到可持续发展目的。
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Optimal Allocation Model and Its Empirical Research of Water
Resources under Environmental and Sustainable Constraints
LUO Hui WAN Difang2 DAI Jianhua3 LIU Guobin4 WANG Huimin5
(1.Shaanxi Provincial Meteorological Bureau, Xi'an Shaanxi 710015,China；2.Management School,Xi'an Jiaotong
University,Xi'an Shaanxi 710049,China； 3.Shanghai Meteorological Centre, Shanghai 200000,China;4.Institute of Sail and
Water Conservation. Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Resources, Yangling Shaanxi,712100,China;
5.Appraisal Center for Environment and Engineering, State Environment Protection Administration,Beijing 100012,China)
Abstract Based on analyses of related theories and Weber's model, this paper expands and constitutes an optimal allocation model about water flow and water pollution along a river aiming at sustainable development of water resources. There are five variables, such as the influence factors of government regulation, the flow of water consumed, the flow of water available, the level of water quality and the amount of discharged polluted water and so on. Through the government regulation and supervision, the Instream Flow Need (IFN) of water quality and quantity are guaranteed. It calculates the relativity of all variables and the externalities of downstream users at the optimum solution. Then, it has an empirical research by collecting data of 35 enterprises along Y River on the Shaanbei Loess Plateau. Several methods are applied such as spot field investigation of actual consumption, questionnaires, social investigation of specialists, as well as collecting other data. One of the econometrical methods -panel data model is applied to analyze the pooled sample which including 280 specimen of all these data as well as testifying theoretic results. Some suggestions are put forward，including how to frame sustainable constraints, to compensate water ecosystem services in market between upstream and downstream water consumer and so on.
Key words water resources; sustainable development; government regulation; panel data model; externalities
注：“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”