水平衡模型及其在水價政策的應用

馬 中,周 芳 (中國人民大學環境學院,北京 100872)

水平衡模型及其在水價政策的應用

馬 中*,周 芳 (中國人民大學環境學院,北京 100872)

基于物質平衡模型,構建了經濟系統水平衡模型及部門的水平衡模型,并利用水平衡模型核算A市工業和居民用水、排水的真實狀況,評估水價政策的執行效果,以期為我國水價政策的制定、實施和完善提供參考.結果表明,循環用水具有節水和減排的雙重效果:工業的用排比和無處理排水量遠高于居民,A市工業水用排比是居民的2.9倍,工業無處理排水量是居民的3.6倍;對用水和排水監管不嚴,導致實際水費收入遠低于應征水費收入.在2009年的水價標準下,A市少征收水費11802萬元,有效的水價政策必須建立在嚴格監管的基礎之上.關鍵詞：物質平衡模型；水平衡模型；水價政策

取自自然環境的水進入社會經濟系統后,經過生產、消費,在足夠長時間后,最終全部排入自然環境.根據物質守恒定律,取水量必然大致等于排水量.但是,2009年,我國工業用水量與排水量的差額為1156.5億m3,生活用水量與排水量的差額為393.5億m3[1].即使扣除中間過程的耗、損水量,工業和居民生活都存在巨大的用排水差距,工業尤為巨大,是居民的2.94倍.

我國現行綜合水價分為居民生活、工業、行政事業、經營服務和特種行業5類[2].水價由水資源費、自來水費、排污費和污水處理費構成.取水量、城鎮用水量、工業排水量和城鎮排水量分別是綜合水價4個構成部分的計征依據.水價政策具有控制水污染、節約水資源、籌集資金和提供服務的功能.

現有水量平衡研究多為質量守恒原理在水文學上的應用,用于評價不同水文條件下每個水文參數的重要性[3-4],集中于工業[5-6]、流域[7-8]和地區[9-11]的水量模型研究,對城市水平衡模型的研究較少[12],尚未有文章將其用于水價政策研究.已有水價政策文獻主要論述水價的特征[13-14]、構成[15-16]、定價方法[17-19]、存在問題[20-21]及改革建議[22-23]等方面,缺少用水平衡評估水價政策的研究.

我國工業和生活用、排水的巨額差距表明有必要使用水平衡模型定量核算水資源使用過程和污水排放的真實狀況.運用水平衡模型,還可以評價水價政策的有效性,為改革和完善水價政策提供依據.本文在物質平衡模型的基礎上,提出了水平衡模型,進一步分解為3部門(工業、居民和廢水處理)水平衡模型,并以 A市為例,使用水平衡模型進行實證研究,以期為我國水價政策的制定、實施和完善提供參考.

1 水平衡模型

1.1 總量水平衡模型

現代經濟系統包含能量轉換、物質加工、最終消費和廢水處理4個部門,系統內部以及經濟系統與自然環境之間,存在著水的流動關系[24](圖1).

自然環境中的水進入經濟系統,經過加工、消費,一部分水成為廢水直接進入自然環境;另一部分水進入含水產品,經過消費之后,排放進入環境.加工和消費過程產生的廢水也可以循環利用(圖 2).在一個封閉的(沒有含水產品流入和流出)、沒有水量凈積累的經濟系統中,在足夠長的時間內,從自然環境進入經濟系統的水量(取水量)必然大致等于從經濟系統排入自然環境的水量(排水量).

圖1 水平衡概念模型Fig.1 Conceptual model of water balance

圖2 環境與經濟系統的水流動關系Fig.2 Water flows between environment and economy

如果經濟系統的取水量和排水量超過自然環境水的可再生能力和環境容量,就會造成水資源枯竭、環境污染和生態退化;提高水的循環水平和利用效率,可以減少經濟系統對新水的需求量以及排入環境的廢水量.然而,只有當水價高于循環、節約和治污的成本時,生產者和消費者才會循環、節約和治污.水價政策的有效性必須以嚴格監管為前提和基礎.

具體而言,水平衡模型存在如下等量關系:

(1)排入環境的水可以分為耗水、損水、處理后排水和無處理排水(公式1).

式中,Qs為取水量; Qo為排水量; Qh為耗水量,是在輸水、用水過程中,通過蒸騰蒸發、土壤吸收、產品帶走、居民和牲畜飲用等多種途徑消耗掉的水量; Ql為損水量,是在輸水、供水、排水環節,由于管網跑水、冒水、漏水、滴水、滲水等造成的水量流失; Qd為處理后排水量,指經過廢水處理系統處理后排入環境的廢水;Qu為無處理排水量,指未經處理排入環境的廢水.

(2)一個開放的經濟系統包括含水產品的流入與流出.在生產、消費、循環、儲存水平不變的開放經濟系統中,經過一段時間之后,取水量加上流入產品的含水量必然大致等于排水量與流出產品的含水量之和(公式2).

式中, Q1為流入產品的含水量; Q2為流出產品的含水量.

如果含水產品在用水量中占的比重小,而經濟系統規模較大,就可以忽略含水產品流入和流出對水量的影響.此時,公式(1)依然成立.

1.2 部門水平衡模型

根據經濟系統的部門劃分,可以分別建立工業、居民和廢水處理部門的水平衡模型.

1.2.1 工業水平衡模型 假設生產、循環、儲存水平不變,經過足夠長的時間,工業部門的用水量必然大致等于排水量.工業部門用水來自兩方面:天然水體和自來水廠;排入環境的水包括耗水、損水、處理后排水和無處理排水(圖3).

工業水循環平衡模型的公式如式(3):

圖3 工業水循環平衡模型Fig.3 Industrial water balance model

式中,Qs-i為工業用水量; Q3-i為取自天然水體的工業用水量; Q4-i為自來水廠提供的工業用水量; Qo-i為工業排水量; Qh-i為工業耗水量; Ql-i為工業損水量,在輸水、供水環節,工業系統及廢水處理系統中,由于管網跑水、冒水、漏水、滴水、滲水造成的水量流失; Qd-i為工業處理后排水量,包括經過工業內部與市政廢水處理系統處理后排放的水量; Qu-i為工業無處理排水量.

根據上述工業水平衡模型,可以得到如下推論:

(1)在生產、儲存水平不變的情況下,提高水循環水平,既可以減少工業對新水的需求量(節水),又可以減少工業部門的廢水排放量(減排).

(2)在生產、循環、儲存水平不變的情況下,提高用水效率或降低損水率,可以減少工業對新水的需求量,達到節水和減排的效果.

(3)合理的工業水價具有節水和減排雙重正向激勵.當包含水資源費和排污費的工業水價高于循環利用和污染治理成本時,可以激勵工業企業循環用水,減少新水取用量;可以激勵企業治理污染,減少廢水排放量.

(4)嚴格監管可以減少工業無處理排水量,增加處理后排水量,有利于水環境的改善.否則,則是工業水價不僅無法起到正向激勵作用,反而會產生負向激勵,刺激企業增加無處理排水.

1.2.2 消費(居民)水平衡模型 對消費(居民)部門來說,假設消費、循環、儲存水平不變,經過足夠長的時間,居民的用水量必然大致等于排水量.消費用水由兩部分構成:天然水體和自來水廠;消費部門排入環境的水包括耗水、損水、處理后排 水和無處理排水(圖4).

圖4 居民水平衡模型Fig.4 Residential water balance model

消費(居民)水平衡模型的公式如式(4):

式中,Qs-c為居民用水量; Q3-c為取自天然水體的居民用水量; Q4-c為自來水廠提供的居民用水量; Qo-c為居民排水量; Qh-c為居民耗水量; Ql-c為居民損水量,在輸水、供水環節及市政廢水處理系統中,由于管網跑水、冒水、漏水、滴水、滲水等造成的水量流失; Qd-c為居民處理后排水量; Qu-c為居民無處理排水量.

根據上述消費(居民)水平衡模型,可以得到如下推論:

(1)在消費、儲存水平不變的情況下,提高水循環水平,可以減少新水使用量,達到節水效果,同時可以減少排放量,達到減排效果.

(2)在消費、循環、儲存水平不變的情況下,提高用水效率或降低損耗率,可以減少新水使用量,同時達到節水和減排的效果.

(3)合理的居民水價具有節水和減排的正向激勵.但與工業不同,居民基本生活用水量具有需求剛性,不會隨著水價發生明顯的變動.通過合理制定階梯水價,能夠減少居民奢侈用水和控制居民用水用于工商業.

(4)加強監管能夠減少居民無處理排水量,增加處理后排水量,有利于水環境改善.

1.2.3 廢水處理部門水平衡模型 在一段時間內,廢水處理部門的進水量必然大致等于排水量.其中,廢水處理部門的進水包括兩部分:工業處理后排水和居民有組織排水,排水包括處理系統損水、再生水、處理后排水和無處理排水(圖5).

圖5 廢水處理系統水平衡模型Fig.5 Water balance model of sewage treatment

廢水處理系統的水平衡模型公式如式(5):

式中, Qs-t為廢水處理系統進水量; Q5-i為工業有組織排水量; Q5-c為居民有組織排水量; Qo-t為廢水處理系統排水量;Qr為廢水處理系統再生水量,包括供給工業的再生水(Qr-i)和供給居民的再生水(Qr-c); Ql-t為廢水處理系統損水量,處理系統管損造成; Qd-t為廢水處理系統處理后排水量; Qu-t為廢水處理系統無處理排水量

根據上述廢水處理系統的水平衡模型,可以得到如下結論:

(1)提高廢水處理系統排水的再利用水平,可以同時減少經濟系統從環境取水量和向環境排水量.

(2)降低處理系統管損率,可以降低對環境的影響.

(3)當且僅當再生水價格低于綜合水價時,工業和居民才會購買使用再生水.

(4)對廢水處理廠排放收費或者征稅,不僅能激勵廢水處理廠達標排放,而且能夠促使其對上游排放者即工業和居民的來水水質進行控制,或者通過價格傳導機制將稅費轉嫁給企業或居民,提高其排放成本,實現達標排放.同時會激勵居民和企業減少用水量,降低廢水排放量.

(5)加強監管可以降低廢水處理系統的無處理排水量,保證水價政策發揮收入和調節功能.

2 A市水平衡模型的案例應用

2.1 A市概況

A 市是一個區域中心城市,總面積7029.48km2,總人口486.74萬人,城鎮化率62.4%. 2009年,A市地區生產總值2102.12億元,城鎮居民人均可支配收入為17158元,農民人均純收入6065元,財政收入 341.91億元.三次產業結構為5.2:52.6:42.2.A市是以制造加工業為主的新興工業城市,也是全國重點缺水城市,隨著經濟發展,用水量逐年增加,水資源量總體呈下降趨勢.2009年A市水資源總量為17.6億t,比2005年減少了23.5%;人均水資源量 361.7t,為全國人均水資源量的20%;用水量為21.7億t,其中工業用水量為7.76億t,居民生活用水量為 2.29億 t;用水缺口4.1億t.跨流域調水量為3.99億t,占地表水供水量的19.4%.2009年,A市廢水排放總量2.15億t,其中工業廢水排放量0.91億t(含0.71億t經過城鎮污水處理廠處理排放的污水),生活污水排放量1.45億t[25-27].

2.2 A市水平衡模型

2.2.1 A市工業水平衡模型 2009年,A市工業用水量7.76億t,其中0.29億t來自自來水廠,其余7.47億t直接取自天然水體.工業耗水量3.17億t,工業處理后排水量(包含火電廠廢水)0.35億t,工業廢水進入城市污水處理廠處理后排水量0.71億t.計算得到,A市工業損水量2.7億t,無處理排水量0.83億t(圖6).

圖6 A市工業水平衡模型Fig.6 Industrial water balance model of city A

圖7 A市居民水平衡模型Fig.7 Residential water balance model of city A

2.2.2 A市居民(消費)水平衡模型 2009年,A市居民用水量3.7億t,其中1.38億t取自自來水廠,其余2.32億t直接取自天然水體.居民耗水量0.86億t,污水處理廠處理后排水量1.45億t.計算得到,A市居民損水量 1.16億 t,無處理排水量0.23億t(圖7).

2.3 A市水價政策

A市自2000年以來調整了5次水價,分別是2000年、2002年、2005年、2007年及2010年,其中2002年、2007年均屬單純的污水處理費的調整,2010年則是自來水費的調整,同時對居民生活用水實行階梯水價制度.2010年水價調整后,A市的各類水價標準見表1.

表1 2010年A市水價(元)Table 1 Water price of city A in 2010 (yuan)

對工業企業來說,除了上述費用之外,還需繳納排污費.根據國家的相關規定,A市污水排污收費標準為0.7元/污染當量,對每一污水排污口的污染當量統計范圍為前 3項污染物的污染當量數之和.2009年,A市工業廢水排放量為0.2億t,共計征收排污費205萬元.污水處理廠處理廢水2.16億t,征收污水處理費2.2億元.工業和居民用水11.46億t,征收水資源費1500萬元.

2.4 討論

本部分利用水平衡模型核算A市工業和居民用、排水狀況,評估水價政策的執行效果,表明:

A市工業用水量7.76億t,工業廢水總排放量達到1.89億t,其中處理后排水量1.06億t,用水量與處理后排水量的比值(用排比)7.32:1;無處理排水量 0.83億 t,無處理排水在廢水排放總量所占比重(無處理排水占比)43.9%.

A市居民用水3.7億t,居民污水總排放量達到1.68億t,其中處理后排水量1.45億t,用排比2.55:1,無處理排水量 0.23億 t,無處理排水占比13.7%.由此可見,工業用排比是居民的 2.9倍,工業無處理排水量是居民的 3.6倍,工業廢水總排放量超過了居民生活污水總排放量.這表明A市工業無處理排水量大,違法排放嚴重.

根據A市水價標準,假定征收率為80%.2009年,A市工業和居民用水量11.46億t,應征收水資源費5501萬元,實際征收1500萬元,少征收4001萬元;工業廢水排放總量1.89億t,扣除0.71億噸污水處理廠處理后排水,應征收排污費6608萬元,實際征收205萬元,少征收6403萬元;居民污水排放總量1.68億t,應征收污水處理費10214萬元,實際征收8816萬元,少征收1398萬元.3項合計,在現行水價標準下,2009年,A市少征收水費11802萬元.

工業和居民損水量均較高,節水潛力大.A市工業和居民用水在輸水、供水和處理環節,損水量分別為2.7億t和1.16億t,占工業和居民用水量的 34.8%和 31.4%.降低損水量將大幅度減少用水量,達到節水和減排的效果.

加強用水和排水監管是水價政策有效實施的基礎和前提.監管不嚴導致A市不僅工業廢水偷排嚴重,而且造成水費收入遠低于應收水平,無法實現水價政策的收入和調節功能.

3 結論

3.1 提高水循環利用水平可以達到節水和減排的雙重效果.但是,當水價水平低于循環利用成本時,除非有財政補貼,循環利用不可能自動實現.因此,水價政策要實現激勵節水和減排的功能,必須達到一定的刺激力度, 確保用水(包括排水)成本高于循環利用成本.

3.2 我國廢水無處理排放量很高,而且工業的用排比和無處理排水量遠高于居民.A市的實證結果表明,工業用排比是居民的2.9倍,工業無處理排水量是居民的 3.6倍.如果考慮工業的無處理排水,工業廢水排放量(1.89億t)將超過居民污水排放量(1.68億t).這也表明工業廢水排放監管亟待加強.

3.3 我國水價政策是基于水量征收的.對用水量和排水量監管不嚴,必然造成實際水費收入遠低于應征水費收入,進而導致水價政策的調節和收入功能無法實現.A市的案例分析表明,監管不嚴導致A市少征收水費11802萬元.因此, 有效的水價政策是建立在嚴格監管基礎之上的.否則會適得其反, 水價政策非但不能實現收入和調節功能,反而會由于違法收益提高,刺激偷采偷排,產生負向激勵.

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Water balance model and its application in water price policies.

MA Zhong*, ZHOU Fang (School of Environment and Natural Resources, Renmin University of China, Beijing 100872, China). China Environmental Science, 2012,32(9)：1722～1728

On the basis of material balance approach, the water balance models for the economic system and three sectors were constructed separately. Taking A City as a case, the amounts of water use and sewage emissions were computed ,by using the water balance model, and the implementation effects of the water price policies were assessed, which wasto provide a reference for formulation, implementation and improvement of the water price policies. The results demonstrated that water recycling had dual effects of water conservation and pollution abatement. The ratio of water consumption and discharge and the amount of untreated waste water in industry were much higher than that of residents, which were 2.9 and 3.6 times in A City respectively. Poor management of water use and waste water could lead to the revenues of water pricing much lower than the proposed ones. In A City 118.02 million RMB were uncollected with the standard of water price in 2009. In conclusion, effective water pricing policies should be established on the basis of strict supervision.

material balance model；water balance model；water pricing policies

2012-02-14

國家科技重大專項(2008ZX07633-02)

* 責任作者, 教授, zhongma@vip.sina.com

X703.5

A

1000-6923(2012)09-1722-07

馬 中(1954-),北京人,中國人民大學環境學院院長,教授,研究方向為環境經濟與環境管理.發表論文60余篇.