工業增長的水資源約束及其立法中利益主體合作關系演化博弈

張峰　宋曉娜

摘要：正確辨識工業發展的水資源約束是制定水資源管理政策的基本前提。本文基于約束理論構建工業增長的水資源“多力爬坡概念模型”，分別從時空分布、社會經濟和生態環境約束解釋工業發展中水資源約束表征狀態，進而采用演化博弈理論剖析工業用水立法管理中的利益主體合作關系，重點探討利益主體合作之間超額利潤、初始成本、工業用水調控與服務能力和貼現因子參數調控機制。研究結果表明，水資源對工業增長的約束具有較高復雜性，其中時空分布與社會經濟的工業水資源約束主要體現于其阻滯效應，而生態環境約束則表現為產業用水效率的差異性;立法演化博弈分析中，支付矩陣可對利益主體策略選擇存在顯著影響，且系統初始狀態較為敏感，工業水資源立法過程應合理推進各利益主體實現雙向合作，并依據利益主體合作效益最大化的根本原則，提高可持續發展觀念與積極營造良好的立法環境，才可構建有效的工業水資源法律保障制度，實現利益主體共贏。同時，立法保障中還要注重全流程用水定額、體系化規定機制、工業水價制度等方面的完善。

關鍵詞：工業增長;水資源約束;立法保障;動態博弈

中圖分類號：F423

文獻標識碼：A

D01：10.3969/j.issn.1003-8256.2019.03.012

0 引言

長期以來，水資源對保障工業經濟發展發揮了關鍵支撐作用，但同時水資源對經濟發展的約束也逐漸成為制約工業快速增長的關鍵瓶頸。特別是隨著國內工業發展規模日益擴大，產業結構調整加強，進一步激發了對水資源的消耗量，導致工業經濟增長的水資源約束形勢愈加緊張。如何辨析水資源消耗與工業經濟發展之間的內在邏輯關系，擺脫傳統工業對水資源的粗放式開發利用，合理制定水資源管理政策，提高工業經濟增長與水資源利用協調水平，以最低的水資源消耗量滿足工業經濟最有效的增長，是涉及到實現工業經濟新型化升級的關鍵。本文將水資源納入影響工業發展的要素范疇，辨析工業發展的水資源約束機制，并重點分析工業水資源立法管理的利益主體合作關系，探索推動工業經濟可持續發展的可實現路徑。

1 水資源約束的概念及其表征狀態

1.1 水資源約束概念

根據以色列物理學家Goldratt博士于1986年提出的約束理論（Theory of Constraint，TOC），可認為當一個系統是按照特定的規律與模式構建而成的多階段系統，該系統中各階段之間通常具有緊密的相互關聯作用，這個系統則可描述為具有“環環相扣”特征的“鏈條”[1]。由此可知，當該系統中某一個環節出現問題時，其必然會對下一個環節產生重要限制性制約，而同時也會受到前一階段的影響，且通常情況下該“鏈條”的承載狀態取決于其結構中最弱的環節。即系統的運行水平可通過觀測其最差階段或環節而進行認知，而該階段或環節則是所謂的關鍵約束。據此，若由于水資源短缺導致工業生產能力達不到預期，則其成為整個鏈條的瓶頸。再者，如若對于企業生產n種不同類型的產品，當水資源供應不足或出現相關危機時，其水資源在實際利用中未能得到最佳的分配模式，經濟方面則表現為生產運營效益受損，即該過程的約束現象。該問題在工業經濟增長與水資源開發利用中的基本體現則是：水資源開發利用水平不高或供應量不足導致工業發展損失或停滯，可持續發展能力減弱。

鑒于水資源具有實際特點與多重屬性，尤其是對社會經濟與資源環境的多維度影響，可認為其狀態變化不僅會受到自身演變規律的導向，還會受到外部復雜多樣的環境要素作用。而若從物理學的角度來看，這是受到多種“力”的綜合作用的結果。因此，基于現有物理學的相關內涵，同時借鑒金東海等關于城市發展過程的要素關聯分析法，提出了水資源與工業經濟增長之間的“多力爬坡概念模型”[2]（圖1）。

從圖1可以看出，在工業經濟增長過程當中，工業發展不僅會受到其本身的重力（g）的作用，也會受到一定程度的支撐力（v），該支撐力主要是由基礎性資源發揮作用;在其運行過程中在其前方有其關鍵的驅動力（s），一方面是工業發展中其內部存在的需求拉力，另一方面則是市場或外部環境所對其提供的供給推力;而與之相應的還有阻滯力（f），即基礎性資源工業經濟系統所存在的相關摩擦作用，其基礎測算可由所受到的支撐力（v）和相關系數（u）（或稱之為摩擦系數，該系數可視為工業經濟增長路徑）共同決定。

基于上述“多力爬坡概念模型”，結合TOC理論，可知在工業經濟增長的具體一個階段，該階段若其它基礎性資源稟賦相對良好，但是水資源較為短缺，則基礎性資源能夠支撐工業經濟發展的關鍵支撐程度是由較為稀缺的水資源稟賦及其開發利用程度所決定的。而對于相關系數（u），當工業經濟發展與水資源之間的相關系數u1越小，甚至無限接近于零時，則該情況下其它基礎性資源所產生的相應系數u_i-1，也會接近于這種狀態。據此，阻滯力∽的提高與減小主要還是需要觀測相關系數u1的狀況，即在自然資源約束視角下，上述情景中工業經濟的增速受水資源短缺影響較大。

按照復雜系統理論，水資源系統可被視為資源系統中的一個子系統，而資源系統與工業經濟系統之間相互作用、相互聯系。尤其是在資源系統的支撐下，工業經濟系統才能保持相對較為穩定的運行狀態，而資源系統的資源稟賦更是直接影響其對工業經濟系統的約束力大小。若由于水資源供應、取用、消耗、排放、水價或監管模式等問題對工業經濟系統的常規運行產生不良影響而導致效率走低等，就是工業經濟系統中的水資源約束問題。所以，水資源約束可定義為人們在整個工業發展過程中由于水資源供給量、水資源消耗量、水資源價格、生態環境規制等因素而受到的水資源使用受限等。因此，可見水資源對工業經濟增長的約束具有較高復雜性。

1.2 水資源約束表征狀態

根據“多力爬坡概念模型”，結合水資源屬性特點可看出，在一定的工業發展階段與地域空間內，工業經濟系統的運行可受到水資源利用效率水平、稟賦狀態等條件的綜合作用，當這種作用呈約束作用時，則易出現工業經濟發展滯緩等問題。按照水資源對工業經濟增長影響的多維視角來看，其約束具體表現為：

（1）時空分布約束表征狀態。從工業發展的視角來看，若工業經濟系統在運行過程中存在了水資源約束，則該約束將成為該時空范疇內由水資源系統非良性狀態而導致系列問題產生的根源。實際上，該狀態下造成水資源約束程度大小的諸多因素，包括水資源稟賦、水資源利用效率等通常會存在相對顯著的地區差異性。所以，對于確定水資源約束的狀態，則需要建立在一定空間范圍之內，在實現該區域社會經濟發展相對穩定及對周邊區域不產生過度損壞的情況下進行探索。而考慮到工業經濟系統在運行過程也具有階段性，而水資源的開發利用水平也具有該特點，兩者之間所產生的阻滯力則相應地具有動態性。即在不同的地理空間，水資源對工業經濟系統所產生的水資源約束程度，以及所表現出來的實際特征具有一定差異，對其分析需要把握其宏觀的時空規律，并從多視角進行探索。

（2）社會經濟約束表征狀態。按照經典庫茲涅茨曲線理論1對全國層面經濟增長與工業水資源利用之間的靜態關系進行描述，其中分別選取全國31省市人均GDP、工業水資源利用量和工業廢水排放量2016年截面數據進行統計（見圖2、圖3），運用兩階多項式對指標之間關系進行擬合，可發現在歷史年份下，人均GDP與工業水資源利用量、工業廢水排放量之間整體上均呈倒“U”型的關系。根據這種曲線關系，可認為水資源約束的表征狀態可反映在水資源系統所支撐的工業經濟系統的規模及工業經濟發展與水資源開發利用模式之間的匹配水平等。通常水資源開發水平越低、利用效率不足，或者工業經濟系統所發展的速率越快、規模越大，均會造成其約束程度愈加顯著。當確定或規劃了一個地區的水資源承載力時，則以其最大承載限度為目標，在該限度下推動工業經濟系統不斷發展，而此過程需要經過不同的水資源開發利用模式，主要是由于各階段的水資源需求、開發手段、節水模式等決定。這在一定程度上說明水資源約束程度可實現動態調控。采用較為先進有效的節水模式、科學管理制度等可將水資源與工業經濟系統之間的非匹配性盡可能縮小，從而降低水資源約束力。工業經濟系統持續運行必然對水資源的開發利用需求產生差異性變動，會引發其與工業經濟系統之間的非期望摩擦值提高，若相應的技術手段與管理制度等優化效率不足時，則導致水資源約束狀態愈發明顯，從而刺激新水資源利用模式的改進。可見，兩者之間存在一定的反饋特性，該反饋特性的關鍵作用在于促使調節落后的要素，推進系統平衡穩定。

（3）生態環境約束表征狀態。該方面的水資源約束是水資源在短缺條件下可產生對生態環境穩定狀態的威脅。主要體現于：①總體水量不足，即能夠在實現生態用水日常需求的情況下，通過多種水資源配置手段還是無法達到工業發展所需水量的相關需求，導致工業經濟受到影響或制約;②總體水量相對充足，但是未能夠對各類用水作出明確而合理的規劃與配置，地區經濟發展過度依賴水資源，而對生態環境所需要的水資源關注力度偏弱，導致生態補水不足，進而影響或制約工業經濟的快速增長。但是無論是上述任何一種情況，其水資源利用過程中均不僅是對水資源“量”上存在需求，同時也存在“質”的需求，即水資源利用對水量消耗的同時，所排放的廢水及污染物也對生態環境產生負向沖擊。其中以煤炭開采和洗選業、石油和天然氣開采業、黑色金屬礦采選業、有色金屬礦采選業、化學原料和化學制品制造業、農副食品加工業、紡織業、造紙及紙制品業、黑色金屬冶煉及壓延加工業和電氣、熱力生產和供應業為例（見圖4），其工業廢水總量及所含化學需氧量、氨氮等排放總量與其經濟增長之間協調度仍顯不足，尤其是紡織業、造紙及紙制品、化學原料和化學制品制造業等高污染工業行業規制水平有待提高。綜上，對于水資源約束的理解不能將其孤立地進行分析，而是需要建立在系統的背景下，既要考慮社會經濟，也要兼顧資源環境與生態的實際，按照可持續發展的理念對其產生的約束進行相關研究。

2 工業用水安全立法中利益主體合作關系

2.1 利益主體合作關系

隨著水資源約束狀態的日益緊迫，社會各界不斷加大緩解水資源約束有效途徑的探索，從技術創新到產業轉型，從政策規制到企業社會責任倒逼等。在探索中人們逐漸發現最具約束力的形式即為以“法律”的方式來強化對工業用水效率的提升，通過工業用水安全立法提升工業水資源利用的正確導向作用。而以工業用水安全立法為基礎，為滿足新型工業化背景下工業經濟穩定發展與水資源開發利用保護雙重目標協同推進的需求，需要在其立法過程中充分考慮到其中所涉及到的利益主體問題。這是因為工業用水安全立法過程要涵蓋的內容廣泛，尤其是在新型工業化發展背景下，其內容不僅涉及《水法》、《水土保持法》、《水污染防治法》、《取水許可制度實施辦法》等與水資源緊密相關的法律條例，還涉及工業經濟發展的諸多法律法規內容。其具體調整過程中的職能范疇也相對復雜，如各級水行政主管部門、工業和信息化部、國土資源部、環境保護部和相關涉水企業等。在工業用水立法過程中，既要對各主體對象履行保障工業用水安全的責任進行明確規定，也要對其可擁有的權利進行限定。而在實際水資源開發利用過程中，各主體對象通常在水資源取用資格審批、職責和利益取得等方面存在較大爭議，反映于工業用水安全中則表現為水資源保護投入與利用收益問題上存在一定的利益沖突。各利益主體均希望自身所擁有水資源利用的權利盡可能最大化，從而提高其主體收益，而對工業水資源利用過程中所產生的水資源與生態環境保護責任等出現相互推諉等問題。工業用水安全是建立在對水資源開發利用保護基礎上的，各利益主體在其立法中是否具有主體對象之間協調合作與共同保護的意識，是提高工業水資源開發利用水平的重要前提。而如何在工業用水安全立法過程中實現各利益主體的動態均衡，促使利益主體對水資源共同保護是工業用水安全立法關鍵。

為實現工業用水安全立法過程中所涉主體對象的利益協調，需構建出滿足其主體對象的利益表達要求與均衡協調的法律機制，而工業用水安全立法即為對主體對象之間的最優利益均衡進行決策的過程[3]。由此可見，工業用水安全立法過程中主體對象的利益協調可考慮采用博弈論的思想進行分析，通過描述多元主體對象在特定的制度環境下的決策傾向及其結果影響，辨識可對其制度環境進行優化與改進利益主體之間利益關系的有效路徑，提高立法的科學化與合理化。綜上，本文采取演化博弈的理論與方法探討分析工業用水安全立法中利益主體之間的合作關系，將工業用水安全立法中主體對象的利益均衡當作成漸進式的動態學習演化過程，突出其過程中的宏觀性，并對其所涉及的利益關系演化過程及決定因素進行挖掘，為處理和協調新型工業化發展過程中水資源保護問題提供理論參考。

2.2 演化博弈模型

基于生物進化論，演化博弈是在其基礎上結合博弈理論與動態演化過程，對生物進化過程中的相對典型特征進行解釋分析的方法，而隨著對其應用的拓展，現階段已在社會規范、行為、制度分析等方面體現出了獨特優勢，而在博弈論中也將其作為重點研究的內容[4]。

按照演化博弈的核心思想，其認為基于特定博弈群體內，參與博弈的對象不斷進行反復博弈行為，但是受到有限理性的約束，博弈對象無法在各個博弈環節中達到最優均衡，而應對此問題最好的策略即為模仿和優化自身與他人的最有利選擇[5]。尤其是在一類種群行為中，演化博弈的對象定位是整個種群系統，構成整個種群系統的個體均實施演化穩定策略（ Evolutionary Stable Strategy，ESS）時，其種群系統則達到相對穩定的狀態，而實施特殊策略的個體對象則無法進入或維持在種群系統內[6]。其中，EES與復制動態作為其演化博弈中的核心，前者是指種群系統對實施變異策略對象進行抵抗的相對穩定狀態，而后者則通常是采取動態微分方程描述種群系統演進過程中某項策略被選擇的頻數。可將EES表示為：

若所實施策略為一個ESS時，滿足如下條件：

2.3 工業用水安全立法中演化博弈

工業用水安全立法環節中將會面臨多個利益主體實施動態博弈的現象，若將其策略選擇定為集合形式則是[合作，非合作]，其過程是按照自主競爭與適者生存的基本原則進行演化，而各個利益主體也會根據其它主體對象的策略選擇，并結合其在種群系統中的定位與適應度進行策略調整。此外，工業用水安全立法的主體利益平衡是建立在合作對象的有限理性及其所在環境的不確定性基礎上的，而各利益主體之間的策略選擇存在相互影響。該利益主體合作博弈下的收益矩陣（Payoff Matrix，PD）類似于捕鹿博弈模型，即根據Rousseau提出的捕鹿故事而演化成的一種處于協調博弈與囚徒困境的狀態選擇[7]。其關鍵的核心思想是捕鹿過程中獵手可憑自己捕捉到一定量的鹿，但是這些獵手在選擇合作策略時或許可捕捉更多量的鹿。據此不妨假設工業用水安全立法中所涉利益主體數量為i（i=j，k;j=1，2，….n;k=l，2，…，n;n≥2），依據捕鹿博弈，定義主體j和主體k分別是特定時間段內的工業水資源開發利用的責任人與權利人，其上述2類利益主體Agent_j，和Agent_k于此階段內的工業水資源開發利用中收益函數博弈的PD矩陣如下：

按照Firedman （1991）的觀點，認為通過分析系統Jacobian矩陣局部穩定性可進一步識別其演化系統的均衡點穩定狀態[8]。據此，利用模型（9）與（10）構建的系統Jacobian矩陣為：

按照系統演化穩定性，其局部均衡點中分別存在2個均衡與非均衡點，即0點和F點是隸屬于ESS穩定策略，對應了工業用水安全立法中均選取合作與均實施非合作策略;而E點和G點則為非穩定點;D點是系統的鞍點。

在圖5所繪的工業用水安全立法中兩利益主體Agent_jj和Agent_k動態博弈的過程中，其系統逐步趨于收斂狀態時所達到的臨界線則由非穩定的E和G均衡點以及鞍點D連接形成，位置是在連接曲線的右上方EDGF部分，即表征系統收斂在全部利益主體合作模式。而連接曲線左下方的EDGO部分則表示系統收斂于全部利益主體的非合作模式。此外，在系統長期動態演化的過程中，其內部一定時間段內通常還會存在一類利益主體合作與非合作均存在的情況[9]。

2.4 模型解析

基于演化博弈的理論分析，可知其系統內的長期均衡可產生全部合作與非合作的不同演化結果，而該過程中收益矩陣PD則對其演化路徑與最終狀態產生重要作用。同時在目前國家水資源保護及新型工業化發展政策的刺激下，系統的收斂態勢及其均衡點的確定均會受到初始博弈狀態的影響。由上可認為，整個系統博弈的演進中組成其利益主體收益函數相關參數的狀態將會對系統演化的走向及均衡點的收斂產生差異化作用并取得不同結果[10]。據此，下述對其影響系統收斂的部分關鍵參數及其控制進行分析：

①利益主體合作中的超額利潤△ε。按照圖5中的系統演化狀態，可知當利益主體的收益系數r_i變大以及超額利潤△ε越高時，其曲線上方EDGF的面積愈大，說明整個系統收斂于均衡點F的可能性愈高，也將會有越來越多的利益主體采取合作策略。

②風險系數e_i和初始成本e_iq_i。系統內風險系數e_i主要取決于利益主體對工業水資源開發利用保護的重要性認知水平，若在立法過程中各利益主體具有較強的責任心，積極相互合作，其主體對象可以有效地找出科學規劃與配置工業用水的合理途徑，表明利益主體合作的風險系數e_i較低，與其相應的是各利益主體實施合作策略的初始成本e_iq_i相對較低。而如果e_iq_i值愈小時，其演化圖中的EDGF面積會逐漸增大，說明系統收斂于F點的概率也相應提高，即工業用水安全立法中利益主體傾向于合作策略的選擇。

③工業水資源調控與服務能力q_i。在當前工業取用水具有限制條件的情況下，可認為利益主體的工業水資源利用收益與可供其調配的水資源量相關，即利益主體擁有的水資源調配資源越高，其具有的水資源服務能力越強。若設各個利益主體工業用永收益差異較大，則q_j/q_k>>l，令h=q_j/q_k，按照圖5系統演化中與服務能力差異越明顯，四邊形EDGF面積愈小，在其系統趨于F點收斂的可能性就越低，表明工業用水安全立法中利益主體之間選擇合作策略的概率愈低;相反，如果當利益主體的水資源調配與服務能力差異呈現為小趨勢時，EDGF面積增大，趨于F點收斂可能性變高，利益主體之間選擇合作策略的概率則愈大。

3 結論與建議

從約束理論的角度構建水資源對工業發展的“多力爬坡概念模型”，并據此分析了其時空分布、社會經濟和生態環境約束狀態，在此基礎上探討了工業用水安全立法中利益主體的演化博弈機制，可發現其立法過程是一個動態且具有漸進式的過程，且各利益主體的均衡關系與演化方向與其收益矩陣具有較強的關聯性，同時還受系統演化的初始狀態、超額利潤、工業用水調配與服務能力等因素的影響。而通過對這種作用機理的博弈論析，可進一步認為在工業用水立法過程中，國家立法機關應注重對所涉利益主體的政策激勵與合理引導，強化利益主體之間的緊密合作，實現工業用水調配與服務利潤的最大化，而該環節的重要保障措施就是盡可能地將各利益主體進行工業用水調配滿足其收益之間的差異控制在最小程度。結合現有水資源管理法律法規體系，本文政策建議如下：

（1）以產業水資源利用的角度對工業水資源利用進行立法，需要覆蓋其水資源利用全流程用水定額。由于工業所含行業種類較多，各行業對于工業水資源利用的目的、途徑、技術手段等也存在差異，對其立法需要從工業水資源利用的源頭取水到最終使用進行客觀限制。其中，用水定額是支撐工業水資源立法的關鍵環節，《水法》雖然提出實施用水定額制度的基本框架，但對于具體操作層面的支撐力度仍不足。對此，可通過工業水資源立法完成其對工業水資源利用定額管理范疇的界定，形成具有強制性的工業及各行業定額管理的制定依據。在此基礎上，各地區可參考其進行制定本地區工業及其細分行業水資源利用規定措施。

（2）通過工業水資源立法形成工業水資源利用的體系化多指標規定機制。基于前文對工業水資源約束的分析，可知工業水資源利用過程對工業經濟、生態環境、社會水平等都會產生相應的影響，但是現有涉及工業水資源利用的行政規章多是采取用少數關鍵性指標對工業水資源利用進行監督考核，或是針對工業水資源利用過程中具體環節進行單一式規定（如工業取水定額），呈現零散化的特點，無法形成針對工業水資源利用的體系化規定。因此，在進行工業水資源立法時，可基于復合系統的視角建立起不僅涵蓋水資源利用的直觀性量化指標，也需要包括由水資源利用過程而對其它各方面（如生態環境等）產生的影響，從而形成相對完整的規定體系。

（3）工業水資源立法配套法規制定時，還需要對工業水價制度進行重點完善。對于工業水價可進一步完善階梯定價制度，即在現有基礎上再適當拉大高耗水行業與中低耗水行業之間的水價差距，對于依然采用水資源浪費及污染嚴重的落后工藝及產品企業實施懲罰性水價，提高水資源費征收力度，而對于應用非常規水資源開發利用技術、海水淡化技術等的企業可實施一定程度的優惠水價制度等，循序漸進引導工業水資源價格體系的優化調整。除工業水價制度以外，針對工業水資源立法的其它各項配套法規也需要逐步完善，包括技術標準、工藝標準、設備標準和產品標準等，從而形成支撐工業水資源效率穩定提升的法律法規體系。

注釋：

1 庫茲涅茨曲線是由Kuznets于1995年提出，最初用于研究收入不均與經濟發展之間的倒“U”型關系，后來逐步被推廣至環境庫茲涅茨曲線（ Environment Kuznets Curve），即污染物排放與經濟發展之間也具備類似“U”型的關系.

參考文獻：

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