基于匯流單元的水污染物排污權(quán)交易比率研究

何 盼，魏 琦，張 炳

(南京大學(xué)環(huán)境學(xué)院污染控制與資源化研究國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 210023)

排污權(quán)交易是指在控制污染總量的前提下，允許污染源之間為了降低污染成本而開展污染物排放配額的交易［1］。從20 世紀(jì)60 年代開始，排污權(quán)交易政策在不同國家得到了廣泛應(yīng)用，如美國的酸雨計(jì)劃、長島氮信用交易計(jì)劃、弗吉尼亞營養(yǎng)物質(zhì)信用交易計(jì)劃、俄勒岡清潔水服務(wù)、威斯康辛Fox 河流域的化學(xué)需氧量(COD)許可證等［2-3］。我國自20 世紀(jì)90 年代開始實(shí)施污染總量控制。2001 年起，我國一些試點(diǎn)省市陸續(xù)開展排污權(quán)交易實(shí)踐，至今已有江蘇、浙江、重慶、陜西、山西、山東、黑龍江、昆明、內(nèi)蒙古、湖南、天津、湖北等省(市、自治區(qū))已實(shí)施或準(zhǔn)備實(shí)施總量控制下的排污權(quán)交易政策［2］。

然而，對非均勻混合污染物(因排放地點(diǎn)不同對區(qū)域環(huán)境質(zhì)量可能造成不同影響的污染物)而言，進(jìn)行排污權(quán)交易在降低污染控制成本的同時(shí)，也可能引起熱點(diǎn)問題(即交易后某一地區(qū)因污染物排放量增多而在短時(shí)間內(nèi)污染物質(zhì)量濃度超出環(huán)境容量，造成局部環(huán)境質(zhì)量下降)。為了通過適當(dāng)?shù)恼咴O(shè)計(jì)避免熱點(diǎn)問題，Hahn 等［4-5］提出了3 種方法:①在交易前進(jìn)行環(huán)境質(zhì)量模擬;②設(shè)置區(qū)域交易限制;③引入交易比率。根據(jù)這3 種方法，學(xué)者們對若干種排污權(quán)交易制度進(jìn)行了探討。排污權(quán)交易制度包括污染物補(bǔ)償機(jī)制(pollution offset system，POS，即在排污權(quán)交易前進(jìn)行環(huán)境質(zhì)量模擬，以決定是否采用交易比率進(jìn)行排污權(quán)交易，其中交易比率根據(jù)交易雙方所排放污染物到達(dá)特定區(qū)域的濃度之比確定［6］)，區(qū)域性許可證機(jī)制(zonal permit system，ZPS，即劃定管理區(qū)域并限制區(qū)域間的排污權(quán)流通［4，6］)，周邊許可證機(jī)制(ambient permit system，APS，即排污者向受影響區(qū)域購買排污權(quán)，但受影響區(qū)域售出的排污權(quán)通過交易比率轉(zhuǎn)換后不得超過其環(huán)境容量，交易比率按照各排污者初始排放濃度與到達(dá)特定區(qū)域的濃度之比確定［7］)，交換比率機(jī)制(exchange-rate system，ERS，即引入按照排污權(quán)交易決策模型最優(yōu)解情形下交易雙方邊際削減成本之比確定的交易比率進(jìn)行自由交易［8］)，等。POS、APS、ERS 在政策設(shè)計(jì)中引入了交易比率，但因存在著不能完全解決熱點(diǎn)問題(如POS［4］、ERS［8］)、交易成本高(如POS［9］、APS［10-11］)、可能引起搭便車、成本難以保證(如POS［12］)等問題，未能實(shí)現(xiàn)環(huán)境質(zhì)量約束與削減成本節(jié)約之間的平衡。Hung 等［10］提出交易比率機(jī)制(trading-ratio system，TRS)，即應(yīng)用POS 中交易比率的定義，根據(jù)環(huán)境容量確定各區(qū)域初始排污權(quán)的分配量，要求排污者按交易比率進(jìn)行自由交易，在雙邊交易、多方交易模式下達(dá)到區(qū)域環(huán)境質(zhì)量約束下的成本控制。

在我國現(xiàn)行的目標(biāo)總量控制的政策框架下，排污權(quán)交易的初始分配受到眾多因素的影響，因而不能夠完全和環(huán)境容量相結(jié)合，導(dǎo)致排污權(quán)交易無法有效避免熱點(diǎn)問題。本研究以特定斷面水質(zhì)為控制目標(biāo)，探討引入交易比率對流域水污染排污權(quán)交易市場和水環(huán)境質(zhì)量的影響，并以江蘇省無錫市社瀆港流域?yàn)榘咐M(jìn)行仿真模擬研究。根據(jù)《美國水質(zhì)交易技術(shù)指南》，交易比率分為傳輸比率和位置比率，其中傳輸比率表示上下游排污者之間水體自凈作用產(chǎn)生的環(huán)境影響，位置比率表示排污者排放單位質(zhì)量污染物對相關(guān)水體造成的環(huán)境影響［13］。本文將交易比率定義為不同排污者對特定斷面的位置比率。

1 模型構(gòu)建

1.1 排污權(quán)交易決策模型

交易過程中，約束cis+X≤c'is為限制性約束，即

引入交易比率，賣方減少的污染物排放量不再等于買方增加的污染物排放量。根據(jù)交易比率的定義，有

1.2 交易比率

根據(jù)交易比率的定義，區(qū)域s 第is個(gè)排污者向區(qū)域l 第il個(gè)排污者(l=1，2，…，m，il=1，2，…，nl)購買排污權(quán)，以斷面j 為控制斷面，兩者交易比率應(yīng)為

鑒于研究區(qū)內(nèi)河流寬度較小，本文采用S-P 模型［14］計(jì)算位置比率tilj，并根據(jù)其結(jié)果計(jì)算交易比率。該模型屬一維水質(zhì)模型，假設(shè)COD 衰減為一級反應(yīng)且速率定常。根據(jù)以上假設(shè)，有

其中

式中:ρ 為河水中的COD 質(zhì)量濃度，mg/L;k 為COD衰減系數(shù);t 為河水流動(dòng)時(shí)間;x 為河流長度，u 為水流速度。

該微分方程的解為

式中，ρ0為河流源頭處COD 的初始質(zhì)量濃度。

根據(jù)位置比率的定義，可知:

2 社瀆港流域排污權(quán)交易模擬案例

2.1 研究區(qū)域概述

圖1 研究區(qū)域

社瀆港流域位于江蘇省無錫市宜興市，為太湖流域子流域之一(圖1)。流域面積20 998.03 hm2，西起滆湖，流經(jīng)宜興市高塍、屺亭，匯入武宜運(yùn)河，從與交匯處向南偏西約3 km 后向東流經(jīng)宜興經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)、新莊入太湖，全長25.7 km。平均河面寬40 m，河底高程0.5 m(吳淞高程)，設(shè)計(jì)河底寬10 ～30 m，河道年均徑流量0.948 億m3，其中，宜興本地徑流約占30%。社瀆港分為東、西社瀆港，東社瀆港西起武宜運(yùn)河，東入太湖，全長9.23 km，年均徑流總量0.8 億m3，其中宜興本地徑流量0.24 億m3，占30%。本研究以2020 年社瀆港流域規(guī)劃水質(zhì)目標(biāo)作為排污權(quán)交易目標(biāo)，對33 家點(diǎn)源COD 排污權(quán)交易進(jìn)行模擬。

2.2 匯流單元?jiǎng)澐?/h3>

應(yīng)用GIS 進(jìn)行子流域提取，以各匯流單元作為各交易區(qū)域，計(jì)算區(qū)域間的交易比率，用于模擬。由于流域范圍較小，受高程數(shù)據(jù)精度的限制，子流域分割結(jié)果不夠精確。本研究參考水環(huán)境質(zhì)量功能區(qū)的劃分，對分區(qū)進(jìn)行了調(diào)整。由于一些企業(yè)排污口與企業(yè)所在的匯流單元并不相同，因此根據(jù)排污口所在區(qū)域來確定各企業(yè)的交易比率。交易區(qū)域劃分情況見圖2。

圖2 社瀆港流域匯流單元?jiǎng)澐?/p>

2.3 交易比率計(jì)算

本研究假設(shè)太湖流域內(nèi)COD 衰減系數(shù)k =0.1 d-1［15］，同時(shí)根據(jù)江蘇省環(huán)境科學(xué)研究院《太湖流域十五條主要入湖河流水環(huán)境綜合整治總體規(guī)劃》確定太湖流域入湖河流水流速度u =0.13 m/s。為簡化計(jì)算，假設(shè)每個(gè)交易區(qū)域內(nèi)只有一個(gè)排污口且位于該區(qū)域起點(diǎn)處，所有河段無回流現(xiàn)象，可計(jì)算位置比率矩陣如下:

2.4 數(shù)據(jù)收集

本研究中點(diǎn)源的COD 產(chǎn)生量及排放量數(shù)據(jù)主要通過對33 家企業(yè)的調(diào)研結(jié)果獲得，削減率根據(jù)COD 的產(chǎn)生量、排放量之差與COD 產(chǎn)生量相比得到。主要變量統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。本研究在對社瀆港流域數(shù)據(jù)進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)分析的基礎(chǔ)上確定污染物成本削減函數(shù)形式為

式中:C 為排污者削減成本;R 為COD 削減率;c1、c2為常數(shù)。

表1 主要變量統(tǒng)計(jì)結(jié)果

理論上，由各排污者COD 削減成本數(shù)據(jù)及削減率數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸，即可得到c1、c2的值。但由于各排污者的COD 削減成本數(shù)據(jù)難以得到，本研究根據(jù)《太湖流域水污染物排污權(quán)有償使用價(jià)格體系報(bào)告》數(shù)據(jù)計(jì)算出不同行業(yè)COD 單位處理成本平均值，由此計(jì)算各排污單位自處理成本，與削減率進(jìn)行回歸得到c2。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，對各企業(yè)而言，均有c2=9.11。同時(shí)，為了進(jìn)一步體現(xiàn)不同企業(yè)的邊際削減成本的差異性，根據(jù)這一單位處理成本平均值及方差產(chǎn)生正態(tài)分布隨機(jī)數(shù)序列，并根據(jù)這一序列針對各排污者計(jì)算出處理成本，根據(jù)削減率、c2由式(11)確定c1。

2.5 模擬結(jié)果

假設(shè)研究區(qū)域內(nèi)污水均排在區(qū)域內(nèi)，排污者無違法行為，所有排污者現(xiàn)行COD 排放量等于其初始排污權(quán)擁有量，采取雙邊談判進(jìn)行交易。用matlab7.0 求解最小化賣方削減成本的目標(biāo)函數(shù)，運(yùn)行10 000 次以得到穩(wěn)定的最終解，得到各排污者最終排污量及總削減成本，運(yùn)用S-P 模型計(jì)算各區(qū)域出口斷面的COD 質(zhì)量濃度。為對比引入交易比率的交易對各區(qū)域排污布局和水質(zhì)所產(chǎn)生的影響，無交易情景的計(jì)算結(jié)果也在模擬結(jié)果中給出;為對比交易比率的引入對交易造成的政策效果產(chǎn)生了怎樣的影響，本研究同時(shí)計(jì)算了對未引入交易比率的情景。3 種情景計(jì)算結(jié)果見表2。

由于交易比率的存在，交易后排污權(quán)及排污總量可能不等于未交易情景下排污權(quán)及排污總量。在本研究中，引入交易比率后總削減成本相較未引入交易比率的情景下降了0.07%，相較無排污權(quán)交易的情景下降了8.94%，而引入交易比率后排污總量較其他兩種情形有所上升。主要原因是:模擬情景中，區(qū)域1 內(nèi)的企業(yè)因地處上游，可充分利用河道的自凈能力，由于向下游企業(yè)購買排污權(quán)時(shí)交易比率大于1，引入交易比率后其最終排放量明顯上升;模擬情景中，引入交易比率后，其他區(qū)域內(nèi)企業(yè)排放量均不變或有微小幅度的減少，其中一些邊際削減成本較低的企業(yè)售出了其擁有的全部排污權(quán)，交易后排放量為0，總體排放量上升。

受排污布局改變的影響，引入交易比率之后，區(qū)域1、2、3 出口斷面的COD 的質(zhì)量濃度相較于未引入交易比率時(shí)上升。這主要是由于區(qū)域1 中企業(yè)排污量上升程度大于其余企業(yè)排污量下降程度之和，而這一變化并未被水體自凈作用完全抵消，造成各區(qū)域出口斷面處COD 質(zhì)量濃度上升。引入交易比率后，入湖斷面即區(qū)域4 出口斷面的水質(zhì)情況較交易前沒有發(fā)生改變。由于本研究以該斷面為控制斷面計(jì)算交易比率，而交易比率的設(shè)定原則為交易前后交易雙方的排污量所造成的環(huán)境影響相等，這一模擬結(jié)果表明交易比率達(dá)到了保證流域斷面水質(zhì)目標(biāo)的目的，從而避免了熱點(diǎn)問題的出現(xiàn)。需要說明的是，本研究未引入交易比率的情景下排污權(quán)交易后各斷面的COD 質(zhì)量濃度更小，主要原因是大多數(shù)企業(yè)位于上游的區(qū)域2，跨區(qū)交易主要為區(qū)域3、4向上游出售排污權(quán)以充分利用水體的自凈能力。在引入交易比率后，這些交易會(huì)導(dǎo)致上游企業(yè)允許增加污染物排放量大于下游售出的污染物排放量，導(dǎo)致各斷面COD 質(zhì)量濃度上升。對于企業(yè)集中分布于流域下游的區(qū)域而言，若不引入交易比率，則可能存在排污布局向下游遷移而造成最終入湖斷面的COD 質(zhì)量濃度超標(biāo)的情況。

表2 不同情景下削減成本及水質(zhì)情況

3 結(jié) 語

以江蘇省無錫市社瀆港流域?yàn)槔?，以入湖斷面水質(zhì)為控制目標(biāo)計(jì)算了基于匯流單元的區(qū)域間交易比率，并將其引入排污權(quán)交易決策模型進(jìn)行模擬，以評估其對排污權(quán)交易政策效果的影響。結(jié)果表明，排污權(quán)交易能夠顯著降低流域污染控制總成本，而交易比率的引入對交易后總削減成本和總排放量的影響較小。同時(shí)，引入交易比率后，排污布局向上游遷移，總排放量上升，但控制斷面COD 的質(zhì)量濃度不變，避免了熱點(diǎn)問題的出現(xiàn)。本研究不足之處在于，假設(shè)模擬情景中區(qū)域COD 質(zhì)量濃度背景值為0，但在現(xiàn)實(shí)情況并不滿足這一假設(shè)。雖然COD 質(zhì)量濃度背景值并不影響交易比率起到保證排污權(quán)交易前后目標(biāo)斷面COD 質(zhì)量濃度不變的作用，但各斷面水質(zhì)數(shù)據(jù)可能有所變化。

我國現(xiàn)有的排污權(quán)交易試點(diǎn)中，各排污者初始排污權(quán)的確定和分配多基于歷史數(shù)據(jù)，并未直接與流域環(huán)境容量關(guān)聯(lián)，也未考慮各區(qū)域環(huán)境容量的差異性，基于TRS 的排污權(quán)交易系統(tǒng)無法解決初始分配導(dǎo)致的污染物排放質(zhì)量濃度超標(biāo)的問題，需要在排污權(quán)初始分配階段中，確定下游區(qū)域的排污權(quán)總量時(shí)排除上游區(qū)域的環(huán)境影響，并引入交易比率，以確保排污布局的改變不會(huì)導(dǎo)致環(huán)境影響的改變，從而完全避免熱點(diǎn)問題。

［1］CROCKER T D. The structuring of atmospheric pollution control systems［C］//WOLOZIN H.The economics of air pollution.New York:W.W.Norton and Co.，1966:61-86.

［2］王金南，董戰(zhàn)峰，楊金田，等.排污權(quán)交易制度的最新實(shí)踐與展望［J］. 環(huán)境經(jīng)濟(jì)，2008(10):31-45. (WANG Jinnan，DONG Zhanfeng，YANG Jintian，et al. Latest practice and outlook to system of emission trading ［J］.Environmental Economy，2008 (10 ):31-45. (in Chinese))

［3］SOVACOOL B K. The policy challenges of tradable credits:a critical review of eightmarkets［J］. Energy Policy，2011，39:575-85.

［4］HAHN R W.Trade-offs in designing markets with multiple objectives［J］. Journal of Environmental Economics and Management，1986，13:1-12.

［5］CAO H，IKEDA S. Inter-zonal tradable discharge permit system to control water pollution in Tianjin，China［J］.Environmental Science ＆ Technology，2005，39:4692-4699.

［6］KRUPNICK A J，OATES W E，VANDEVERG E. On marketable air-pollution permits:the case for a system of pollution offsets［J］. Journal of Environmental Economics and Management，1983，10(3):233-47.

［7］MONTGOMERY W D. Markets in licenses and efficient pollution control programs［J］. Journal of Economic Theory，1972，5(3):395-418.

［8］KLAASSEN G，F(xiàn)?RSUND F，AMANN M.Emission trading in Europe with an exchange rate［J］. Environmental ＆Resource Economics，1994，4:305 -30.

［9］MCGARTLAND A. A comparison of two marketable discharge permits systems［J］. Journal of Environmental Economics and Management，1988，15(1):35-44.

［10］HUNG M F，SHAW D. A trading-ratio system for trading water pollution discharge permits ［J］. Journal of Environmental Economics and Management，2005，49(1):83-102.

［11］ERMOLIEV Y，MICHALEVICH M，NENTJES A. Markets for tradeable emission and ambient permits:a dynamic approach［J］. Environmental ＆ Resource Economics，2000，15(1):39-56.

［12］ ATKINSON S，TIETENBERG T. Market failure in incentive-based regulation:the case of emissions trading［J］. Journal of Environmental Economics and Management，1991，21(1):17-31.

［13］美國環(huán)境保護(hù)局.美國水質(zhì)交易技術(shù)指南［M］. 北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社，2009:21-23.

［14］STREETER H W，PHELPS E B.A study of the pollution and natural purification of the Ohio River. III:factors concerning the phenomena of oxidation and reaeration［J］.Public Health Bulletin，1925，146:1-75.

［15］羅縉，逄勇，林穎，等.太湖流域主要入湖河道污染物通量研究［J］.河海大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2005，33(2):131-135.(LUO Jin，PANG Yong，LIN Ying，et al. Study on flux of pollutants discharged into Taihu Lake through main inflow river channels ［J］. Journal of Hohai University:Natural Sciences，2005，33(2):131-135. (in Chinese))