基于Shapley值法的水資源跨區轉移利益分配方法研究
2017-05-13 11:41:10馬永喜
中國人口·資源與環境 2016年10期
馬永喜
摘要 水資源跨區轉移是優化水資源利用的有效方式。水資源跨區轉移帶來利用收益如何在不同區域各個參與主體之間進行分配，關系到水資源轉移利益的公平共享和水資源的可持續利用。在水資源跨區轉移利用中，科學合理地對水資源轉移帶來的利益進行分配，解決區域間各參與主體之間的利益矛盾，具有重要的現實意義和理論意義。本文采用合作博弈的分析思路，基于Shapley值法構建了一個在各參與方在合作情形下的水資源跨區轉移利用利益分配方法，來研究各個利益主體之間應當如何合作對水資源轉移利用利益進行分配，并量化各個利益主體參與水資源轉移合作應當得到的利益分配及相應的利益補償。然后，本文利用基于Shapley值法的水資源跨區轉移利益分配方法，通過對浙江省諸暨市水資源跨區轉移利益分配的實例應用，實證量化了水資源轉移中各方在合作博弈下的利益分配和利益補償結果，驗證了該分配方法的可行性和有效性。同時，實例分析表明當前的水資源轉移用水利益補償額度不足，忽視了水資源輸出地區的利益。而基于Shapley值法的水資源跨區轉移利益分配方法充分考慮了各個參與主體的貢獻度，能夠使得各方更為科學公平地分享水資源跨區轉移所帶來的合作收益，并進行合理有針對性的利益補償。這表明，當前跨區水資源轉移利益分配與補償不僅要考慮協調好區域之間利益關系，還要協調處理好各區域用水主體之間用水利益關系。同時，要盡快建立并完善科學合理的區域間用水利益分享機制，保證各方公平合理地分享水資源轉移帶來的利益，提高各方參與的積極性，保障水資源轉移協調利用的有效可持續進行。
關鍵詞 水資源轉移；利益分配；Shapley值
中圖分類號 F062.2 文獻標識碼 A 文章編號 1002-2104（2016）10-0116-05 doi：10.3969/j.issn.1002-2104.2016.10.015
隨著我國城市化和工業化進程的不斷推進，水資源從相對豐富地區向相對短缺地區轉移，這在一定程度上解決了水資源區域供需不平衡問題，提高水資源的配置效率，但同時也帶來了各區域用水主體之間的利益沖突。在不同區域之間轉移用水的過程中，如何協調各方利益分配關系，使得水資源轉移參與各方公平共享水資源轉移帶來的利益，解決水資源區域協調利用中的利益矛盾，已逐步成為政府管理機構所關注的重要課題。
現有文獻對水市場和自愿性的水資源轉移做了較為深入的探討，一般認為在水權市場較為完善的國家和地區，水市場和自愿性水資源轉移被認為能夠提高水資源的利用和配置效率。然而，僅僅依賴水市場容易引起惡性競爭，而且由于水資源的公共物品屬性，很多地區在共享水資源情況下，水市場交易方法并不能夠保證水資源配置的社會公正。更多學者主張在區域間進行水資源協調利用中，可以通過聯合開發水利項目形式進行水資源利益分享，或者通過政府間協商以財政轉移支付方式來實現水資源轉移利用的利益補償。由于水資源這類自然資源的利用和分配問題涉及各參與方的互動行為及相應利益關系，近年來博弈分析方法在水資源協調管理中得到越來越多的運用，博弈分析方法的運用為水利工程費用分攤、水資源利用沖突解決、水權轉讓價格和補償標準、農業節水補償、水資源供給和水環境權衡等水資源管理問題的解決提供了新的思路。
現有研究較少考慮利益主體相互之間的協調合作問題，同時往往也忽視了跨區水資源利用中利益分配及其返還方式的探討，導致實踐中水資源轉移利益分配缺乏理論和方法的指導而出現諸多管理矛盾和利益沖突。因此本文基于我國水資源管理的實際，運用合作博弈中的Shapley值法來對跨區水資源轉移中各參與主體所得利益進行分配，來解決當前跨區水資源轉移利益分配的困境和矛盾，這將有助于建立更為公平合理水資源跨區轉移利益分配及相應機制，保障水資源跨區轉移的科學、有效和可持續地進行。
1模型構建
1.1Shapley值法
合作博弈中的Shapley值法是用于解決多個主體進行合作對策的一種博弈分析方法，被認為是一種“穩定分配理論和市場設計實踐”，是解決合作收益分配的有效方法。Shapley值法對主觀的“公平”和“合理”等概念予以嚴格的公理化描述，并尋求是否有滿足參與主體需要的那些公理的解。Shapley值法以每個合作主體對其合作聯盟的貢獻度來反映各個成員在合作中的重要性，并基于此在各合作主體之間進行合作收益的分配，其最大優點在于其原理和結果易于被各個合作主體視為公平，結果易于被各方接受。
本研究將利用合作博弈的Shapley值法來分析如何對水資源跨區轉移的收益進行“公平”且“合理”的分配。而將Shapley值法用于水資源跨區轉移利益分配至少需要滿足以下兩個條件。條件①：合作總收益大于各自行動總收益；條件②：各參與者從合作收益中得到的收益分配大于其單獨行動的收益。
假設合作博弈有n個參與者，n個參與者的集合T={1，2，3…n}。對于T的任一子集S都對應一個實值函數V（s），V（s）表示當存在參與者合作時，子集s所獲得的收益。條件①即表示如下：
（1）
即各子集聯合起來時獲得的合作收益要比各個子集單獨行動獲得的收益總和要多。
設Mi為參與者從合作中獲得的收益，條件（2）表示如下：
（2）
當各參與者參與合作時，Shapley值法給出了在這一合作博弈的解：
（3）
（4）
1.2模型假設
水資源跨區轉移需要水資源輸出區和輸入區多個參與主體的共同參與，他們都是水資源轉移合作博弈的參與者。假設水資源轉移涉及水資源移出輸出區的生產用水部門、生活用水部門和生態用水部門和水資源輸入區的生產用水部門、生活用水部門和生態用水部門，我們將輸出區記為A，輸入區記為B，以上各個用水部門分別記為A1、A2和A3以及B1、B2和B3，A={A1，A2，A3}，B={B1，B2，B3}。
假設各參與者（用水部門）在參與水資源跨區轉移中收益函數分別表示為UA1（w）、UA2（w）、UA3（w）、UB1（w）、UB2（w）和UB3（w），其中變量w為水資源使用量，則
UA=UA1+UA2+UA3 （5）
UB=UB1+UB2+UB3 （6）
假設水資源轉移發生后，各用水部門水資源使用變化量（轉移量）分別為wA1、wA2、wA3、wB1、wB2和wB3，并滿足：
wA1+wA2+wA3+wB1+wB2+wB3=0 （7）
設wA=wA1+wA2+wA3，wB=wB1+wB2+wB3。由于各部門的用水效率不同，所有參與者參與水資源跨區域轉移將帶來合作收益，即總收益，設其為V，并可表示為：
（8）
1.3利益分配方法
為計算各參與者參與跨區水資源轉移所得利益分配，首先計算在輸入區各參與者都參加水資源轉移時輸出區各用水部門Ai參與和不參與情形下各個合作組合的收益及其權重見表1。
根據公式（3）給出的Shapley值法來計算輸出區A各參與者參與水資源跨區域轉移合作應得到的利益分配：
（9）
然后，我們再計算在輸出區各參與者參與水資源轉移時，輸入區的各部門Bp參與和不參與情形下各個合作組合的收益及其權重，如表2所示。
根據公式（3）給出的Shapley值法來計算輸入區B各參與者參與水資源跨區域轉移合作應得到的利益分配：
（10）
根據公式（9）和公式（10）可分別求得水資源跨區轉移中輸出區得到的總收益MA和輸出區得到的總收益MB：
（11）
（12）
由于水資源跨區轉移中各個參與主體在水資源轉移利用后，實際收益與其應得利益并不一致，因而參與主體之間應該進行水資源轉移利用的收益的補償，各參與主體應該得到的補償額度Zi等于其應得分配的凈收益減去實際凈收益，即
Zi=Vi-（Fi-Gi-Ti） （13）
其中：Vi為參與者參與水資源轉移利用Shapley值法來計算應該分配到的利益，Fi表示水資源跨區轉移為參與者所帶來的總收益，Gi和Ti分別為水資源轉移中各參與者的投入分攤以及相應損失。
2實例應用與分析
近年來，隨著諸暨市社會經濟的發展和工業化進程的推進，諸暨城區工業用水和城市用水需求不斷增加。為此，從2006年開始諸暨市政府實施陳石灌區節水和陳蔡水庫引水工程，在陳石灌區和諸暨城區之間實施跨區水資源轉移，工程總投入為1.36×108元，按照水利工程25年的使用年限，取社會折現率為12%，折算為年金為1.73×107元，其中陳石灌區投入折算年金1.43×106元，城區投入折算年金投入1.59×107元。陳石灌區進行轉移水資源使得農業減少用水1.01×106t，導致農業用水主體的每年經濟損失1.85×106元。諸暨水資源跨區域轉移帶來的年總收益帶來的總收益4.93×107元，扣除工程投入和農業節水損失后凈收益為3.02×107元。為緩解用水矛盾和維護社會穩定，2007年諸暨市人民政府出臺了《陳石灌區城鎮供水補償農業節水資金使用和管理規定》，并建立了陳石灌區城鎮供水補償農業節水補償資金，諸暨市政府每年向陳石灌區支付轉移用水補償資金7.4×105元，用于陳石灌區的節水灌溉工程建設和管護。
在本研究實例中水資源從陳石灌區轉移到諸暨城區，陳石灌區為水資源輸出區，諸暨城區為水資源輸入區。水資源輸出區和輸入區用水部門均包括產業用水部門、生活用水部門和生態用水部門。根據1.3節Shapley值法來計算水資源跨區轉移帶來的收益如何在各參與方之間進行分配。利用公式（9）和公式（10）分別計算的水資源輸出區各用水部門和輸入區各用水部門收益分配（見表3）。在對各用水部門進行利益分配的基礎上，將不同地區各部門分配利益加總，計算得出各地區應得利益分配總量。利用公式（11）可計算出水資源跨區轉移輸出區各個用水部門可從水資源轉移所獲利益中應得收益分配總量為1.41×107元。同理，利用公式（12）可計算出水資源入區各個用水部門可從水資源轉移所獲利益中應得收益分配總量為1.65×107元。利用公式（13）可計算水資源輸出區和輸入區應得到的利益補償額度分別為1.72×107元和-1.72×107元，即諸暨城區需向陳石灌區支付水資源轉移利用利益補償額度為1.72×107元。
實際上，陳石灌區僅得到諸暨城區支付的7.4×106元的轉移用水利益補償，這不僅沒有補償陳石灌區農業節水所帶來的損失，陳石灌區也沒有充分分享到因水資源轉移利用而產生的合作收益。綜合計算陳石灌區和諸暨城區在水資源轉移中的成本收益，得到陳石灌區在水資源跨區轉移中年損失2.54×106元，而諸暨城區年收益3.27×107元（見表3）。即在實際的諸暨市水資源跨區轉移中，諸暨城區因其用水效率較高獲取并享有水資源轉移帶來的收益，而陳石灌區并未享有水資源轉移利用帶來的利益。同時，實際上的水資源轉移利用利益補償僅僅發生在區域之間，由區域政府部門之間以橫向財政轉移支付形式進行，而未根據受益和受損情況在各用水部門之間進行針對性地利益分配和補償。而利用本研究建立的基于Shapley值法構建的水資源跨區轉移利益分配方法，是建立的合作博弈分析的基礎上，充分考慮了各個參與主體的貢獻度，其計算的分析結果不僅可以彌補各方的投入成本，而且各方能夠更為科學地分享水資源跨區轉移帶來的合作收益，并對用水部門進行合理地針對性的補償，因而是更為公平合理的水資源跨區轉移利益分配方法。
3結論與啟示
本文基于Shapley值法構建了一個水資源跨區轉移利益分配方法，來量化各個利益主體參與水資源轉移合作應當得到的利益分配及相應利益補償。通過諸暨水資源跨區轉移利益分配的實例應用，驗證了該分配方法的可行性和有效性。同時實例分析表明當前的當轉移用水利益補償額度不足，忽視了水資源輸出地區的利益，而本研究基于Shapley值法構建的水資源跨區轉移利益分配方法能夠保障水資源跨區轉移利益在各個參與主體之間得到更為公平而合理地分配。
建立和完善水資源協調利用與利益分配及補償機制，使得水資源利用效益在地區之間和城鄉之間進行科學合理的分配和共享，是解決城市化和工業化進程中水資源供需矛盾與地區性矛盾、實現水資源可持續地利用的必然選擇。當前有必要盡快建立并完善科學合理的地區間用水利益分享機制，保證各方公平合理地分享水資源轉移帶來的利益，促進區域社會經濟協調發展。同時，跨區水資源轉移利益分配與補償不僅要考慮協調區域之間利益關系，還要協調處理好各區域各用水主體之間用水利益關系，提高各方參與的積極性，保障水資源轉移協調利用的有效進行。
（編輯：于杰）
