工业增长的水资源约束及其立法中利益主体合作关系演化博弈

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　　摘要：正确辨识工业发展的水资源约束是制定水资源管理政策的基本前提。本文基于约束理论构建工业增长的水资源“多力爬坡概念模型”，分别从时空分布、社会经济和生态环境约束解释工业发展中水资源约束表征状态，进而采用演化博弈理论剖析工业用水立法管理中的利益主体合作关系，重点探讨利益主体合作之间超额利润、初始成本、工业用水调控与服务能力和贴现因子参数调控机制。研究结果表明，水资源对工业增长的约束具有较高复杂性，其中时空分布与社会经济的工业水资源约束主要体现于其阻滞效应，而生态环境约束则表现为产业用水效率的差异性;立法演化博弈分析中，支付矩阵可对利益主体策略选择存在显著影响，且系统初始状态较为敏感，工业水资源立法过程应合理推进各利益主体实现双向合作，并依据利益主体合作效益最大化的根本原则，提高可持续发展观念与积极营造良好的立法环境，才可构建有效的工业水资源法律保障制度，实现利益主体共赢。同时，立法保障中还要注重全流程用水定额、体系化规定机制、工业水价制度等方面的完善。
　　关键词：工业增长;水资源约束;立法保障;动态博弈
　　中图分类号：F423
　　文献标识码：A
　　D01：10.3969/j.issn.1003-8256.2019.03.012
　　0 引言
　　長期以来，水资源对保障工业经济发展发挥了关键支撑作用，但同时水资源对经济发展的约束也逐渐成为制约工业快速增长的关键瓶颈。特别是随着国内工业发展规模日益扩大，产业结构调整加强，进一步激发了对水资源的消耗量，导致工业经济增长的水资源约束形势愈加紧张。如何辨析水资源消耗与工业经济发展之间的内在逻辑关系，摆脱传统工业对水资源的粗放式开发利用，合理制定水资源管理政策，提高工业经济增长与水资源利用协调水平，以最低的水资源消耗量满足工业经济最有效的增长，是涉及到实现工业经济新型化升级的关键。本文将水资源纳入影响工业发展的要素范畴，辨析工业发展的水资源约束机制，并重点分析工业水资源立法管理的利益主体合作关系，探索推动工业经济可持续发展的可实现路径。
　　1 水资源约束的概念及其表征状态
　　1.1 水资源约束概念
　　根据以色列物理学家Goldratt博士于1986年提出的约束理论（Theory of Constraint，TOC），可认为当一个系统是按照特定的规律与模式构建而成的多阶段系统，该系统中各阶段之间通常具有紧密的相互关联作用，这个系统则可描述为具有“环环相扣”特征的“链条”[1]。由此可知，当该系统中某一个环节出现问题时，其必然会对下一个环节产生重要限制性制约，而同时也会受到前一阶段的影响，且通常情况下该“链条”的承载状态取决于其结构中最弱的环节。即系统的运行水平可通过观测其最差阶段或环节而进行认知，而该阶段或环节则是所谓的关键约束。据此，若由于水资源短缺导致工业生产能力达不到预期，则其成为整个链条的瓶颈。再者，如若对于企业生产n种不同类型的产品，当水资源供应不足或出现相关危机时，其水资源在实际利用中未能得到最佳的分配模式，经济方面则表现为生产运营效益受损，即该过程的约束现象。该问题在工业经济增长与水资源开发利用中的基本体现则是：水资源开发利用水平不高或供应量不足导致工业发展损失或停滞，可持续发展能力减弱。
　　鉴于水资源具有实际特点与多重属性，尤其是对社会经济与资源环境的多维度影响，可认为其状态变化不仅会受到自身演变规律的导向，还会受到外部复杂多样的环境要素作用。而若从物理学的角度来看，这是受到多种“力”的综合作用的结果。因此，基于现有物理学的相关内涵，同时借鉴金东海等关于城市发展过程的要素关联分析法，提出了水资源与工业经济增长之间的“多力爬坡概念模型”[2]（图1）。
　　从图1可以看出，在工业经济增长过程当中，工业发展不仅会受到其本身的重力（g）的作用，也会受到一定程度的支撑力（v），该支撑力主要是由基础性资源发挥作用;在其运行过程中在其前方有其关键的驱动力（s），一方面是工业发展中其内部存在的需求拉力，另一方面则是市场或外部环境所对其提供的供给推力;而与之相应的还有阻滞力（f），即基础性资源工业经济系统所存在的相关摩擦作用，其基础测算可由所受到的支撑力（v）和相关系数（u）（或称之为摩擦系数，该系数可视为工业经济增长路径）共同决定。
　　基于上述“多力爬坡概念模型”，结合TOC理论，可知在工业经济增长的具体一个阶段，该阶段若其它基础性资源禀赋相对良好，但是水资源较为短缺，则基础性资源能够支撑工业经济发展的关键支撑程度是由较为稀缺的水资源禀赋及其开发利用程度所决定的。而对于相关系数（u），当工业经济发展与水资源之间的相关系数u1越小，甚至无限接近于零时，则该情况下其它基础性资源所产生的相应系数ui-1，也会接近于这种状态。据此，阻滞力∽的提高与减小主要还是需要观测相关系数u1的状况，即在自然资源约束视角下，上述情景中工业经济的增速受水资源短缺影响较大。
　　按照复杂系统理论，水资源系统可被视为资源系统中的一个子系统，而资源系统与工业经济系统之间相互作用、相互联系。尤其是在资源系统的支撑下，工业经济系统才能保持相对较为稳定的运行状态，而资源系统的资源禀赋更是直接影响其对工业经济系统的约束力大小。若由于水资源供应、取用、消耗、排放、水价或监管模式等问题对工业经济系统的常规运行产生不良影响而导致效率走低等，就是工业经济系统中的水资源约束问题。所以，水资源约束可定义为人们在整个工业发展过程中由于水资源供给量、水资源消耗量、水资源价格、生态环境规制等因素而受到的水资源使用受限等。因此，可见水资源对工业经济增长的约束具有较高复杂性。
　　1.2 水资源约束表征状态
　　根据“多力爬坡概念模型”，结合水资源属性特点可看出，在一定的工业发展阶段与地域空间内，工业经济系统的运行可受到水资源利用效率水平、禀赋状态等条件的综合作用，当这种作用呈约束作用时，则易出现工业经济发展滞缓等问题。按照水资源对工业经济增长影响的多维视角来看，其约束具体表现为： 　　（1）时空分布约束表征状态。从工业发展的视角来看，若工业经济系统在运行过程中存在了水资源约束，则该约束将成为该时空范畴内由水资源系统非良性状态而导致系列问题产生的根源。实际上，该状态下造成水资源约束程度大小的诸多因素，包括水资源禀赋、水资源利用效率等通常会存在相对显著的地区差异性。所以，对于确定水资源约束的状态，则需要建立在一定空间范围之内，在实现该区域社会经济发展相对稳定及对周边区域不产生过度损坏的情况下进行探索。而考虑到工业经济系统在运行过程也具有阶段性，而水资源的开发利用水平也具有该特点，两者之间所产生的阻滞力则相应地具有动态性。即在不同的地理空间，水资源对工业经济系统所产生的水资源约束程度，以及所表现出来的实际特征具有一定差异，对其分析需要把握其宏观的时空规律，并从多视角进行探索。
　　（2）社会经济约束表征状态。按照经典库兹涅茨曲线理论1对全国层面经济增长与工业水资源利用之间的静态关系进行描述，其中分别选取全国31省市人均GDP、工业水资源利用量和工业废水排放量2016年截面数据进行统计（见图2、图3），运用两阶多项式对指标之间关系进行拟合，可发现在历史年份下，人均GDP与工业水资源利用量、工业废水排放量之间整体上均呈倒“U”型的关系。根据这种曲线关系，可认为水资源约束的表征状态可反映在水资源系统所支撑的工业经济系统的规模及工业经济发展与水资源开发利用模式之间的匹配水平等。通常水资源开发水平越低、利用效率不足，或者工业经济系统所发展的速率越快、规模越大，均会造成其约束程度愈加显著。当确定或规划了一个地区的水资源承载力时，则以其最大承载限度为目标，在该限度下推动工业经济系统不断发展，而此过程需要经过不同的水资源开发利用模式，主要是由于各阶段的水资源需求、开发手段、节水模式等决定。这在一定程度上说明水资源约束程度可实现动态调控。采用较为先进有效的节水模式、科学管理制度等可将水资源与工业经济系统之间的非匹配性尽可能缩小，从而降低水资源约束力。工业经济系统持续运行必然对水资源的开发利用需求产生差异性变动，会引发其与工业经济系统之间的非期望摩擦值提高，若相应的技术手段与管理制度等优化效率不足时，则导致水资源约束状态愈发明显，从而刺激新水资源利用模式的改进。可见，两者之间存在一定的反馈特性，该反馈特性的关键作用在于促使调节落后的要素，推进系统平衡稳定。
　　（3）生态环境约束表征状态。该方面的水资源约束是水资源在短缺条件下可产生对生态环境稳定状态的威胁。主要體现于：①总体水量不足，即能够在实现生态用水日常需求的情况下，通过多种水资源配置手段还是无法达到工业发展所需水量的相关需求，导致工业经济受到影响或制约;②总体水量相对充足，但是未能够对各类用水作出明确而合理的规划与配置，地区经济发展过度依赖水资源，而对生态环境所需要的水资源关注力度偏弱，导致生态补水不足，进而影响或制约工业经济的快速增长。但是无论是上述任何一种情况，其水资源利用过程中均不仅是对水资源“量”上存在需求，同时也存在“质”的需求，即水资源利用对水量消耗的同时，所排放的废水及污染物也对生态环境产生负向冲击。其中以煤炭开采和洗选业、石油和天然气开采业、黑色金属矿采选业、有色金属矿采选业、化学原料和化学制品制造业、农副食品加工业、纺织业、造纸及纸制品业、黑色金属冶炼及压延加工业和电气、热力生产和供应业为例（见图4），其工业废水总量及所含化学需氧量、氨氮等排放总量与其经济增长之间协调度仍显不足，尤其是纺织业、造纸及纸制品、化学原料和化学制品制造业等高污染工业行业规制水平有待提高。综上，对于水资源约束的理解不能将其孤立地进行分析，而是需要建立在系统的背景下，既要考虑社会经济，也要兼顾资源环境与生态的实际，按照可持续发展的理念对其产生的约束进行相关研究。
　　2 工业用水安全立法中利益主体合作关系
　　2.1 利益主体合作关系
　　随着水资源约束状态的日益紧迫，社会各界不断加大缓解水资源约束有效途径的探索，从技术创新到产业转型，从政策规制到企业社会责任倒逼等。在探索中人们逐渐发现最具约束力的形式即为以“法律”的方式来强化对工业用水效率的提升，通过工业用水安全立法提升工业水资源利用的正确导向作用。而以工业用水安全立法为基础，为满足新型工业化背景下工业经济稳定发展与水资源开发利用保护双重目标协同推进的需求，需要在其立法过程中充分考虑到其中所涉及到的利益主体问题。这是因为工业用水安全立法过程要涵盖的内容广泛，尤其是在新型工业化发展背景下，其内容不仅涉及《水法》、《水土保持法》、《水污染防治法》、《取水许可制度实施办法》等与水资源紧密相关的法律条例，还涉及工业经济发展的诸多法律法规内容。其具体调整过程中的职能范畴也相对复杂，如各级水行政主管部门、工业和信息化部、国土资源部、环境保护部和相关涉水企业等。在工业用水立法过程中，既要对各主体对象履行保障工业用水安全的责任进行明确规定，也要对其可拥有的权利进行限定。而在实际水资源开发利用过程中，各主体对象通常在水资源取用资格审批、职责和利益取得等方面存在较大争议，反映于工业用水安全中则表现为水资源保护投入与利用收益问题上存在一定的利益冲突。各利益主体均希望自身所拥有水资源利用的权利尽可能最大化，从而提高其主体收益，而对工业水资源利用过程中所产生的水资源与生态环境保护责任等出现相互推诿等问题。工业用水安全是建立在对水资源开发利用保护基础上的，各利益主体在其立法中是否具有主体对象之间协调合作与共同保护的意识，是提高工业水资源开发利用水平的重要前提。而如何在工业用水安全立法过程中实现各利益主体的动态均衡，促使利益主体对水资源共同保护是工业用水安全立法关键。
　　为实现工业用水安全立法过程中所涉主体对象的利益协调，需构建出满足其主体对象的利益表达要求与均衡协调的法律机制，而工业用水安全立法即为对主体对象之间的最优利益均衡进行决策的过程[3]。由此可见，工业用水安全立法过程中主体对象的利益协调可考虑采用博弈论的思想进行分析，通过描述多元主体对象在特定的制度环境下的决策倾向及其结果影响，辨识可对其制度环境进行优化与改进利益主体之间利益关系的有效路径，提高立法的科学化与合理化。综上，本文采取演化博弈的理论与方法探讨分析工业用水安全立法中利益主体之间的合作关系，将工业用水安全立法中主体对象的利益均衡当作成渐进式的动态学习演化过程，突出其过程中的宏观性，并对其所涉及的利益关系演化过程及决定因素进行挖掘，为处理和协调新型工业化发展过程中水资源保护问题提供理论参考。 　　2.2 演化博弈模型
　　基于生物进化论，演化博弈是在其基础上结合博弈理论与动态演化过程，对生物进化过程中的相对典型特征进行解释分析的方法，而随着对其应用的拓展，现阶段已在社会规范、行为、制度分析等方面体现出了独特优势，而在博弈论中也将其作为重点研究的内容[4]。
　　按照演化博弈的核心思想，其认为基于特定博弈群体内，参与博弈的对象不断进行反复博弈行为，但是受到有限理性的约束，博弈对象无法在各个博弈环节中达到最优均衡，而应对此问题最好的策略即为模仿和优化自身与他人的最有利选择[5]。尤其是在一类种群行为中，演化博弈的对象定位是整个种群系统，构成整个种群系统的个体均实施演化稳定策略（ Evolutionary Stable Strategy，ESS）时，其种群系统则达到相对稳定的状态，而实施特殊策略的个体对象则无法进入或维持在种群系统内[6]。其中，EES与复制动态作为其演化博弈中的核心，前者是指种群系统对实施变异策略对象进行抵抗的相对稳定状态，而后者则通常是采取动态微分方程描述种群系统演进过程中某项策略被选择的频数。可将EES表示为：
　　若所实施策略为一个ESS时，满足如下条件：
　　2.3 工业用水安全立法中演化博弈
　　工业用水安全立法环节中将会面临多个利益主体实施动态博弈的现象，若将其策略选择定为集合形式则是[合作，非合作]，其过程是按照自主竞争与适者生存的基本原则进行演化，而各个利益主体也会根据其它主体对象的策略选择，并结合其在种群系统中的定位与适应度进行策略调整。此外，工业用水安全立法的主体利益平衡是建立在合作对象的有限理性及其所在环境的不确定性基础上的，而各利益主体之间的策略选择存在相互影响。该利益主体合作博弈下的收益矩阵（Payoff Matrix，PD）类似于捕鹿博弈模型，即根据Rousseau提出的捕鹿故事而演化成的一种处于协调博弈与囚徒困境的状态选择[7]。其关键的核心思想是捕鹿过程中猎手可凭自己捕捉到一定量的鹿，但是这些猎手在选择合作策略时或许可捕捉更多量的鹿。据此不妨假设工业用水安全立法中所涉利益主体数量为i（i=j，k;j=1，2，….n;k=l，2，…，n;n≥2），依据捕鹿博弈，定义主体j和主体k分别是特定时间段内的工业水资源开发利用的责任人与权利人，其上述2类利益主体Agentj，和Agentk于此階段内的工业水资源开发利用中收益函数博弈的PD矩阵如下：
　　按照Firedman （1991）的观点，认为通过分析系统Jacobian矩阵局部稳定性可进一步识别其演化系统的均衡点稳定状态[8]。据此，利用模型（9）与（10）构建的系统Jacobian矩阵为：
　　按照系统演化稳定性，其局部均衡点中分别存在2个均衡与非均衡点，即0点和F点是隶属于ESS稳定策略，对应了工业用水安全立法中均选取合作与均实施非合作策略;而E点和G点则为非稳定点;D点是系统的鞍点。
　　在图5所绘的工业用水安全立法中两利益主体Agentjj和Agentk动态博弈的过程中，其系统逐步趋于收敛状态时所达到的临界线则由非稳定的E和G均衡点以及鞍点D连接形成，位置是在连接曲线的右上方EDGF部分，即表征系统收敛在全部利益主体合作模式。而连接曲线左下方的EDGO部分则表示系统收敛于全部利益主体的非合作模式。此外，在系统长期动态演化的过程中，其内部一定时间段内通常还会存在一类利益主体合作与非合作均存在的情况[9]。
　　2.4 模型解析
　　基于演化博弈的理论分析，可知其系统内的长期均衡可产生全部合作与非合作的不同演化结果，而该过程中收益矩阵PD则对其演化路径与最终状态产生重要作用。同时在目前国家水资源保护及新型工业化发展政策的刺激下，系统的收敛态势及其均衡点的确定均会受到初始博弈状态的影响。由上可认为，整个系统博弈的演进中组成其利益主体收益函数相关参数的状态将会对系统演化的走向及均衡点的收敛产生差异化作用并取得不同结果[10]。据此，下述对其影响系统收敛的部分关键参数及其控制进行分析：
　　①利益主体合作中的超额利润△ε。按照图5中的系统演化状态，可知当利益主体的收益系数ri变大以及超额利润△ε越高时，其曲线上方EDGF的面积愈大，说明整个系统收敛于均衡点F的可能性愈高，也将会有越来越多的利益主体采取合作策略。
　　②风险系数ei和初始成本eiqi。系统内风险系数ei主要取决于利益主体对工业水资源开发利用保护的重要性认知水平，若在立法过程中各利益主体具有较强的责任心，积极相互合作，其主体对象可以有效地找出科学规划与配置工业用水的合理途径，表明利益主体合作的风险系数ei较低，与其相应的是各利益主体实施合作策略的初始成本eiqi相对较低。而如果eiqi值愈小时，其演化图中的EDGF面积会逐渐增大，说明系统收敛于F点的概率也相应提高，即工业用水安全立法中利益主体倾向于合作策略的选择。
　　③工业水资源调控与服务能力qi。在当前工业取用水具有限制条件的情况下，可认为利益主体的工业水资源利用收益与可供其调配的水资源量相关，即利益主体拥有的水资源调配资源越高，其具有的水资源服务能力越强。若设各个利益主体工业用永收益差异较大，则qj/qk>>l，令h=qj/qk，按照图5系统演化中与服务能力差异越明显，四边形EDGF面积愈小，在其系统趋于F点收敛的可能性就越低，表明工业用水安全立法中利益主体之间选择合作策略的概率愈低;相反，如果当利益主体的水资源调配与服务能力差异呈现为小趋势时，EDGF面积增大，趋于F点收敛可能性变高，利益主体之间选择合作策略的概率则愈大。 　　3 结论与建议
　　从约束理论的角度构建水资源对工业发展的“多力爬坡概念模型”，并据此分析了其时空分布、社会经济和生態环境约束状态，在此基础上探讨了工业用水安全立法中利益主体的演化博弈机制，可发现其立法过程是一个动态且具有渐进式的过程，且各利益主体的均衡关系与演化方向与其收益矩阵具有较强的关联性，同时还受系统演化的初始状态、超额利润、工业用水调配与服务能力等因素的影响。而通过对这种作用机理的博弈论析，可进一步认为在工业用水立法过程中，国家立法机关应注重对所涉利益主体的政策激励与合理引导，强化利益主体之间的紧密合作，实现工业用水调配与服务利润的最大化，而该环节的重要保障措施就是尽可能地将各利益主体进行工业用水调配满足其收益之间的差异控制在最小程度。结合现有水资源管理法律法规体系，本文政策建议如下：
　　（1）以产业水资源利用的角度对工业水资源利用进行立法，需要覆盖其水资源利用全流程用水定额。由于工业所含行业种类较多，各行业对于工业水资源利用的目的、途径、技术手段等也存在差异，对其立法需要从工业水资源利用的源头取水到最终使用进行客观限制。其中，用水定额是支撑工业水资源立法的关键环节，《水法》虽然提出实施用水定额制度的基本框架，但对于具体操作层面的支撑力度仍不足。对此，可通过工业水资源立法完成其对工业水资源利用定额管理范畴的界定，形成具有强制性的工业及各行业定额管理的制定依据。在此基础上，各地区可参考其进行制定本地区工业及其细分行业水资源利用规定措施。
　　（2）通过工业水资源立法形成工业水资源利用的体系化多指标规定机制。基于前文对工业水资源约束的分析，可知工业水资源利用过程对工业经济、生态环境、社会水平等都会产生相应的影响，但是现有涉及工业水资源利用的行政规章多是采取用少数关键性指标对工业水资源利用进行监督考核，或是针对工业水资源利用过程中具体环节进行单一式规定（如工业取水定额），呈现零散化的特点，无法形成针对工业水资源利用的体系化规定。因此，在进行工业水资源立法时，可基于复合系统的视角建立起不仅涵盖水资源利用的直观性量化指标，也需要包括由水资源利用过程而对其它各方面（如生态环境等）产生的影响，从而形成相对完整的规定体系。
　　（3）工业水资源立法配套法规制定时，还需要对工业水价制度进行重点完善。对于工业水价可进一步完善阶梯定价制度，即在现有基础上再适当拉大高耗水行业与中低耗水行业之间的水价差距，对于依然采用水资源浪费及污染严重的落后工艺及产品企业实施惩罚性水价，提高水资源费征收力度，而对于应用非常规水资源开发利用技术、海水淡化技术等的企业可实施一定程度的优惠水价制度等，循序渐进引导工业水资源价格体系的优化调整。除工业水价制度以外，针对工业水资源立法的其它各项配套法规也需要逐步完善，包括技术标准、工艺标准、设备标准和产品标准等，从而形成支撑工业水资源效率稳定提升的法律法规体系。
　　注释：
　　1 库兹涅茨曲线是由Kuznets于1995年提出，最初用于研究收入不均与经济发展之间的倒“U”型关系，后来逐步被推广至环境库兹涅茨曲线（ Environment Kuznets Curve），即污染物排放与经济发展之间也具备类似“U”型的关系.
　　参考文献：
　　[1]Goldratt E M. Fox R E，Grasman G.The race [M]. Croton-on-Hudson. NY： North River Press， 1986.
　　[2] 鲍超，方创琳.水资源约束力的内涵，研究意义及战略框架[J].自然资源学报，2006，21（5）： 844-852.
　　[3] 姜珂，游达明.基于央地分权视角的环境规制策略演化博弈分析[J].中国人口·资源与环境，2016，26（9）： 139-148.
　　[4]Bacci G，Lasaulce S，Saad W，et al.Game theory for networks：atutorial on game-theoretic tools for emerging signal processingapplications [J]. IEEE Signal Processing Magazine. 2016. 33（1）：94-119.
　　[5]Rabin M.Incorporating faimess into game theory and economics[J]. American Economic Review. 1993， 83（5）： 1281-1302.
　　[6] Ray-Mukherjee J，Mukherjee S.Evolutionary stable strategy[J]Resonance. 2016. 21（9）： 803-814.
　　[7] 陈真玲，王文举.环境税制下政府与污染企业演化博弈分析[J].管理评论，2017，29（5）： 226-236.
　　[8]Friedman D.Evolutionary games in economics [J]. Econometrica.1991. 59（3）： 637-666.
　　[9] Moradi M H，Abedini M. Hosseinian S M.A Combination ofevolutionary algorithm and game theory for optimal location andoperation of DG from DG owner standpoints [J]. IEEETransactions on Smart Grid， 2016. 7（2）： 608-616.
　　[10] Moshfeghi Y，Rosero A F H，Jose J M.A game-theory approachfor effective crowd source-based relevance assessment [J]. AcmTransactions on Intelligent Systems&Technology. 2016. 7（4）：1-25.
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