白曉飛，劉紅磊，周 濱

(1.天津大學經(jīng)濟管理學部 天津300072；2.天津經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)中區(qū)管委會 天津300270；3.天津市環(huán)境保護科學研究院 天津300191)

0 引 言

隨著中國經(jīng)濟的發(fā)展，工業(yè)園區(qū)已經(jīng)成為地方經(jīng)濟發(fā)展的主要承載平臺，尤其是國家級的高新技術(shù)園區(qū)，更是我國經(jīng)濟新常態(tài)下發(fā)展方式轉(zhuǎn)變和結(jié)構(gòu)調(diào)整的重要引擎[1-2]。園區(qū)經(jīng)濟不僅可以促進域內(nèi)出口加工區(qū)工業(yè)集聚和貿(mào)易發(fā)展，亦能輻射周邊，帶動整個地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展[3]。

園區(qū)經(jīng)濟在推動沿海地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展方面起著關(guān)鍵作用，但由于其生產(chǎn)規(guī)模較大且布局集中，導致經(jīng)濟園區(qū)污染排放量巨大，帶來較為嚴重的環(huán)境問題。據(jù)中華環(huán)保聯(lián)合會在 2010年的調(diào)查，全國工業(yè)園區(qū)均有不同程度的水污染問題[4]，如渤海灣，已經(jīng)面臨著日益嚴重的有機物、重金屬、富營養(yǎng)化等各類污染[5-8]。如何在有效發(fā)展園區(qū)經(jīng)濟同時，利用水資源、控制水污染，是工業(yè)園區(qū)發(fā)展面臨的一個急迫問題。工業(yè)園區(qū)排水是園區(qū)水污染物向外環(huán)境排放的最主要途徑，如何通過排水優(yōu)化實現(xiàn)園區(qū)經(jīng)濟發(fā)展與水環(huán)境質(zhì)量協(xié)同改善，是工業(yè)園區(qū)可持續(xù)發(fā)展面臨的關(guān)鍵難題。

博弈論[9]是用來研究理性決策問題的一種數(shù)學理論，已經(jīng)在經(jīng)濟學(包括環(huán)境經(jīng)濟學)中得到廣泛應(yīng)用，并卓有成效。因此，本文以天津經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)中區(qū)為例，從博弈論的視角去研究工業(yè)園區(qū)污水排放中的問題，通過建立博弈模型分析排污行為，并對模型結(jié)果進行分析，以期為工業(yè)園區(qū)水環(huán)境管理提出針對性的建議和政策。

1 研究區(qū)域概況

天津經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)中區(qū)(原輕紡經(jīng)濟區(qū))位于濱海新區(qū)塘沽鹽場，東臨臨港、南接南港、西鄰大港城區(qū)、北為官港。園區(qū)現(xiàn)有 2座污水處理廠，其中輕紡工業(yè)園臨時污水處理廠設(shè)計處理能力為1,000,m3/d。

2 污水排放模式博弈模型構(gòu)建

演化博弈論是把博弈理論分析和動態(tài)演化過程分析結(jié)合起來的一種理論[10]，其目的是為了理解群體演化的動態(tài)過程。工業(yè)園污水排放的決策過程就是系統(tǒng)內(nèi)博弈主體策略行為的動態(tài)調(diào)整過程，當博弈主體采取演化穩(wěn)定策略時，污水排放決策系統(tǒng)也達到一種相對穩(wěn)定的狀態(tài)，即演化穩(wěn)定狀態(tài)[11]；對排污決策系統(tǒng)的分析可以看作為由各個相互聯(lián)系、相互作用、綜合集成效益的多博弈主體子系統(tǒng)構(gòu)成，其復(fù)雜的演變過程可以由公式(1)表示[12]：

其中：C表示環(huán)境系統(tǒng)非線性自適應(yīng)能力；aij表示系統(tǒng)各組成博弈主體子系統(tǒng)i與子系統(tǒng)j之間的非線性相互作用系數(shù)，表明兩個子系統(tǒng)之間交互作用時整體排污系統(tǒng)所對應(yīng)的某個合理響應(yīng)(即某個穩(wěn)定定態(tài)解)；子系統(tǒng)Ci表示從一個任意開始時刻t0到∞區(qū)間隨時間可持續(xù)演化過程。

子系統(tǒng)Ci包括多種復(fù)雜狀況的因素，如污水處理成本iα、當?shù)丨h(huán)境承載力iβ、工業(yè)園周邊居民對環(huán)境污染的承受度iγ以及其他動態(tài)因素dθ，因此：

在足夠小的時間段Δt中，對公式(2)求取時間t的導數(shù)，可得到子系統(tǒng)i對應(yīng)的自行改變參數(shù)能力的演化與培育過程：

子系統(tǒng)i的可持續(xù)演化，由成本、監(jiān)管、環(huán)境承載力等諸多動態(tài)因素共同推動。假設(shè)排污決策系統(tǒng)中多博弈主體在競爭與合作過程中，都有優(yōu)策略和劣策略兩種策略選擇方案，并且博弈主體期望在這種合作過程中各自獲利，而決策系統(tǒng)整體則在這種不斷的博弈過程中實現(xiàn)最優(yōu)配置。因此排污決策博弈過程實際就是多博弈主體系統(tǒng)的“尋優(yōu)”概念，在系統(tǒng)博弈主體的交互行為中求解系統(tǒng)整體的“帕累托”最優(yōu)解。

本研究在討論工業(yè)園污水排放決策時主要考慮企業(yè)的污水排放對策 S1(例如污水達標排放)和S2(例如污水深度處理，技術(shù)先進但成本高)兩個博弈行為。同時環(huán)境對策略的選擇會產(chǎn)生不同的激勵效應(yīng)(例如生態(tài)環(huán)境的改善帶來的各種價值增長、政府給予稅費優(yōu)惠、水價補貼、廢物再利用的收益等)。在工業(yè)園排污決策演化博弈的基礎(chǔ)上，園區(qū)排污企業(yè)和政府監(jiān)管的演化博弈互動過程如下：

①當通過技術(shù)手段降低促使環(huán)境激勵效應(yīng)顯現(xiàn)所需要耗費的成本時，環(huán)境激勵的期望收益將增大，整個社會所獲得的收益將增加，那么必然會更加鼓勵企業(yè)采取更好的排污策略。同時，企業(yè)選擇 S2策略排污所獲得的收益隨著環(huán)境激勵效應(yīng)的降低而減少，從而降低其選擇 S2策略的概率，而環(huán)境激勵效應(yīng)也會由于企業(yè)選擇 S2策略概率的減少而降低，雙方不斷這樣博弈，從而最終達到新的均衡點。

②當企業(yè)選擇更好的排污策略而得到的額外收益越多時，由于企業(yè)選擇 S1策略的概率與額外收益之間存在著負相關(guān)，使得當額外收益增加時，企業(yè)選擇 S1策略的概率降低，即企業(yè)非常有動力采取更好的排污策略；同時，環(huán)境激勵效應(yīng)也越發(fā)明顯，鼓勵企業(yè)采取更好的排污策略，這種方式產(chǎn)生的效果與①所描述的情形類似。

③當減少企業(yè)采取策略 S2所額外支付的成本時，企業(yè)選擇 S2污染物處理策略的期望收益增大，企業(yè)傾向于增加選擇 S2策略的概率，降低企業(yè)選擇S1策略的概率，博弈會演化到新的平衡。

綜上，策略演化納什均衡主要取決于企業(yè)選擇對污染物進行處理策略時的收益，企業(yè)采取更好策略所額外支付的成本，環(huán)境激勵效應(yīng)的收益和為促使環(huán)境激勵效應(yīng)顯現(xiàn)所需要耗費的成本等相關(guān)因素。當企業(yè)采取較差策略收益相對較高，企業(yè)采取較好策略所需付出成本越低，或者環(huán)境激勵效應(yīng)不明顯時企業(yè)越傾向于選擇較差的排污策略。

3 基于博弈論的污水處理廠尾水排放方案分析

3.1 污水處理廠尾水全部排放備選方案

3.1.1 污水處理廠尾水全部排放方案(方案P1)

該方案下污水處理廠出水達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級A標準后，排入大沽排污河。本方案的優(yōu)點是工程實施難度較小，后期運行維護方便；但缺點是長距離鋪設(shè)市政污水管道(全長24,km)，建設(shè)投資費用較高(工程總造價約3億元)。

3.1.2 污水處理廠尾水部分排放方案(方案P2)

本方案要求園區(qū)對污水處理廠一級 A達標出水通過“臭氧高級催化氧化”工藝深度凈化，達到《城市污水再生利用景觀環(huán)境用水水質(zhì)》(GB/T 18921—2002)觀賞性景觀河道標準后回用景觀用水。該方案需要投資兩大工程，一是建設(shè)臭氧催化氧化污水處理設(shè)施(建設(shè)投資710萬元，年運行費59萬元)，二是景觀河道建設(shè)(投資 37,660萬元)。本方案也會帶來可觀的收益——節(jié)約新水水費。根據(jù)園區(qū)用水價格6元/m3，按園區(qū)污水排放量為 18,100,m3/d、約 50%,深度凈化景觀回用進行計算，則年可節(jié)水 330萬 m3(新水節(jié)約費用為1,950萬元)。

3.1.3 污水處理廠尾水全部回用方案(方案P3)

本方案使用六效蒸發(fā)器[13]對污水處理廠排水進行蒸發(fā)脫鹽后回用。本方案建設(shè)成本預(yù)計 2,200萬元，運行成本預(yù)計噸水處理費用約 90元/t。但該方案可以實現(xiàn)園區(qū)廢水零排放，年生產(chǎn)再生清潔水價值約為3,900萬元。

上述不同方案的評價指標見表1。

3.2 天津經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)中區(qū)污水排放方案決策演化博弈分析

表1中的決策評價指標可以分為 3類(K1、K2、K3)，其中K1是投資費用，K2是凈收益(處理費用減去尾水回用收益)，K3是 COD排放量。令博弈決策階段數(shù)T＝5，同時各決策方法在博弈過程不同階段的原始數(shù)據(jù)需要進行歸一化處理。然后計算群體決策方法選擇的博弈模式的3個關(guān)鍵數(shù)據(jù)：①排污方案決策者總體平均綜合評價值②談判福利函數(shù)；③多目標最優(yōu)化函數(shù)

表1 決策評價指標(尾水處理工程投資收益預(yù)測數(shù)據(jù))Tab.1 Decision-making evaluation indicators (water treatment project investment & income forecast data)

根據(jù)排污方案論證專家會的討論結(jié)果，賦予評價指標K1、K2、K3 的權(quán)重分別為 0.3、0.4、0.3，將歸一化的表1數(shù)據(jù)和表中權(quán)重值代入公式：

通過公式(4)可以計算得到該決策者對各排污決策方案在多階段群體決策方法選擇過程中的評價函數(shù)(見表2)。

表2 博弈群決策中各排污決策方案的 E(t)值Tab.2 E(t) values of each sewage treatment scheme in game group decision

表2 博弈群決策中各排污決策方案的 E(t)值Tab.2 E(t) values of each sewage treatment scheme in game group decision

決策方案 t＝1 t＝2 t＝3 t＝4 t＝5 P1 0.843 0.581 0.356 0.171 0.268 P2 0.811 0.576 0.342 0.159 0.247 P3 0.761 0.511 0.313 0.146 0.21

求解出該決策者對各排污方案在多階段決策過程中的總體平均綜合評價值。3種決策方案 P1、P2和P3的

然后將表2的數(shù)據(jù)代入總體平均綜合評價函數(shù)：值分別為0.449、0.461和0.352。

對參加排污方案論證會議的人員進行簡化(簡化并不影響最后的結(jié)果)，在排污方案決策中，有 1位決策組織者MA(權(quán)重PA＝0.4)和3位決策者參與者MB1、MB2、MB3，3 位參與者(權(quán)重為PB1＝PB2＝PB3＝0.2)構(gòu)成決策參與者群體 B。將計算得到的決策者對 4種決策方法的總體平均綜合評價值代入談判福利函數(shù)(公式6)進行求解：

可以得到群體決策方案選擇問題的博弈模式談判福利函數(shù)。

4 結(jié) 論

本文將演化博弈模型應(yīng)用到天津經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)中區(qū)污水處理廠的污水排放方案決策分析中，確定了污水部分達標排放部分回用方案為天津經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)中區(qū)污水處理排放最佳方案，社會效益及經(jīng)濟效益顯著。演化博弈模型為解決工業(yè)園區(qū)可持續(xù)發(fā)展中存在的排水優(yōu)化及水環(huán)境改善目標的實現(xiàn)提供了一種新的視角和方法，是園區(qū)實現(xiàn)經(jīng)濟與環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的一個新舉措。