補(bǔ)貼退坡視角下農(nóng)林生物質(zhì)發(fā)電供應(yīng)鏈決策研究

王乙娜，張 浩，莊道元

(1.淮北師范大學(xué) 數(shù)學(xué)科學(xué)學(xué)院，安徽 淮北 235000；

0 引 言

生物質(zhì)發(fā)電是利用生物質(zhì)所具有的生物質(zhì)能進(jìn)行的發(fā)電，包括農(nóng)林廢棄物、城鎮(zhèn)垃圾，從處理技術(shù)方面可分為農(nóng)林廢棄物直接燃燒發(fā)電、農(nóng)林廢棄物氣化發(fā)電、垃圾焚燒發(fā)電、垃圾填埋氣發(fā)電、沼氣發(fā)電.垃圾發(fā)電原料供應(yīng)穩(wěn)定，還可以收取垃圾處理費(fèi)，相比之下，農(nóng)林生物質(zhì)發(fā)電供應(yīng)鏈總成本高，商業(yè)化進(jìn)程較慢[1]，再加之2020年10月財(cái)政部、國(guó)家發(fā)改委、國(guó)家能源局聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于〈關(guān)于促進(jìn)非水可再生能源發(fā)電健康發(fā)展的若干意見(jiàn)〉有關(guān)事項(xiàng)的補(bǔ)充通知》中關(guān)于實(shí)施補(bǔ)貼退坡政策的要求，進(jìn)一步使農(nóng)林生物質(zhì)發(fā)電陷入舉步維艱的境地.

當(dāng)前關(guān)于農(nóng)林生物質(zhì)發(fā)電供應(yīng)鏈管理的研究主要集中于三個(gè)方面：(1)供應(yīng)鏈成本研究.蘇世偉依據(jù)供應(yīng)鏈環(huán)節(jié)和生物質(zhì)原料生命周期理論將其物流成本分為收集成本、存儲(chǔ)成本和運(yùn)輸成本3類(lèi)進(jìn)行研究[2].張茜對(duì)生物質(zhì)能秸稈回收物流成本進(jìn)行了分析及測(cè)算[3].Simon高精度估算木本生物質(zhì)生產(chǎn)的技術(shù)可用性和運(yùn)營(yíng)成本[4].(2)生物質(zhì)回收模式研究.檀勤良通過(guò)供應(yīng)鏈中各主體的收益情況，研究了基金組織等三種生物質(zhì)回收模式[5-6].Luo和Jiang考慮了村民委員會(huì)生物質(zhì)供應(yīng)模式[7-8].(3)供應(yīng)鏈協(xié)調(diào)機(jī)制研究.檀勤良通過(guò)引入契約機(jī)制、信息共享機(jī)制和收益分配機(jī)制來(lái)構(gòu)建新的供應(yīng)鏈協(xié)同合作模式[9]，還建立了生物質(zhì)發(fā)電供應(yīng)鏈系統(tǒng)協(xié)同模型，分析生物質(zhì)發(fā)電供應(yīng)鏈系統(tǒng)的協(xié)同特性[10].薛朝改從公平偏好的視角對(duì)秸稈發(fā)電供應(yīng)鏈的協(xié)調(diào)問(wèn)題進(jìn)行了研究[11].吳軍提出了秸稈發(fā)電供應(yīng)鏈上游收集與采購(gòu)合作契約設(shè)計(jì)[12].張濟(jì)建構(gòu)建了“政府—農(nóng)戶(hù)—秸稈發(fā)電企業(yè)”三方博弈模型，提出有限激勵(lì)、理性退坡下秸稈綠色處理協(xié)同機(jī)制[13].Fan設(shè)計(jì)了農(nóng)民與制造商之間的“保護(hù)價(jià)+補(bǔ)貼”合同，以及中間商與制造商之間的“回購(gòu)+收入共享”合同[14].

當(dāng)前的研究為農(nóng)林生物質(zhì)發(fā)電供應(yīng)鏈的良好發(fā)展提供了豐富的理論依據(jù)，但對(duì)補(bǔ)貼退坡的影響較少考慮.本文在參考供應(yīng)鏈成本研究成果的基礎(chǔ)上，針對(duì)“中間商—發(fā)電廠(chǎng)”這一二級(jí)生物質(zhì)發(fā)電供應(yīng)鏈決策進(jìn)行研究，為后補(bǔ)貼時(shí)代下農(nóng)林生物質(zhì)發(fā)電供應(yīng)鏈可持續(xù)發(fā)展提供決策支持.

1 農(nóng)林生物質(zhì)發(fā)電供應(yīng)鏈模型構(gòu)建與分析

為了簡(jiǎn)化模型且不失一般性，假設(shè)農(nóng)林生物質(zhì)在收集區(qū)域內(nèi)具有廣泛性、周期性且分布密度均勻，則中間商會(huì)優(yōu)先收集周邊的生物質(zhì)，然后根據(jù)需求量逐步擴(kuò)大收集距離，因此，假設(shè)收集區(qū)域呈圓形狀態(tài)，收集距離也稱(chēng)為收集半徑[15].中間商對(duì)農(nóng)林生物質(zhì)進(jìn)行收集、存儲(chǔ)、運(yùn)輸并銷(xiāo)售給發(fā)電廠(chǎng)，發(fā)電廠(chǎng)將電力銷(xiāo)售給國(guó)家電網(wǎng)并獲得生物質(zhì)發(fā)電補(bǔ)貼.模型相關(guān)參數(shù)如下：

πP：發(fā)電廠(chǎng)收益

πM：中間商收益

πP+M：供應(yīng)鏈總收益

P：?jiǎn)挝浑妰r(jià)

S：發(fā)電上網(wǎng)單位補(bǔ)貼

t：發(fā)電廠(chǎng)電能的生物質(zhì)轉(zhuǎn)化系數(shù)

ω：發(fā)電廠(chǎng)從中間商收購(gòu)生物質(zhì)的價(jià)格

q：生物質(zhì)的收集量

ωF：農(nóng)林生物質(zhì)的市場(chǎng)價(jià)格

π：圓周率

r：中間商收集半徑

η：生物質(zhì)密度，即單位面積生物質(zhì)資源產(chǎn)量

C1：?jiǎn)挝话l(fā)電成本

C2：?jiǎn)挝幻娣e生物質(zhì)的收集成本

C3：中間商將單位生物質(zhì)資源運(yùn)輸至發(fā)電廠(chǎng)的單位運(yùn)輸成本

C4：中間商生物質(zhì)的單位存儲(chǔ)成本

d：中間商至發(fā)電廠(chǎng)的距離

1.1 分散式?jīng)Q策模型

在分散式?jīng)Q策情形下，中間商和發(fā)電廠(chǎng)都以自身利益最大化為目標(biāo)，決策順序?yàn)榘l(fā)電廠(chǎng)確定從中間商收購(gòu)生物質(zhì)的價(jià)格ω，中間商根據(jù)發(fā)電廠(chǎng)的收購(gòu)價(jià)格確定生物質(zhì)的收集量q.發(fā)電廠(chǎng)和中間商的收益函數(shù)如下：

πP=(P+S-C1)qt-qω，

(1)

(2)

根據(jù)逆向求解法的思路，先考慮中間商利潤(rùn)最大化，對(duì)式(2)求q的二階偏導(dǎo)數(shù)，得

(3)

將式(3)代入式(1)，并對(duì)ω求二階偏導(dǎo)數(shù)得

(4)

將式(4)代入式(1)(2)(3)分別得中間商最優(yōu)收集量、發(fā)電廠(chǎng)最大收益、中間商最大收益、供應(yīng)鏈總收益分別為：

(5)

(6)

(7)

(8)

1.2 集中式?jīng)Q策模型

在集中式?jīng)Q策情形下，發(fā)電廠(chǎng)和中間商視為一個(gè)合作的整體，兩者都以供應(yīng)鏈整體收益最大化為目標(biāo)進(jìn)行決策，將式(1)和式(2)相加得供應(yīng)鏈總收益函數(shù)為：

中國(guó)工程院院士、中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)教授、國(guó)家農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展研究院院長(zhǎng)、國(guó)際鎂肥研究所所長(zhǎng)張福鎖，中國(guó)磷復(fù)肥工業(yè)協(xié)會(huì)副秘書(shū)長(zhǎng)徐曉君，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)原副校長(zhǎng)、中國(guó)農(nóng)村專(zhuān)業(yè)技術(shù)協(xié)會(huì)副理事長(zhǎng)張建華，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院、農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展學(xué)院副教授侯勇，德國(guó)K+S深圳貿(mào)易有限公司董事總經(jīng)理郭延亮，中華合作時(shí)報(bào)社編委、中國(guó)農(nóng)資傳媒執(zhí)行總編輯孫立新，國(guó)際鎂肥研究所博士魯振亞，四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所研究員呂世華等國(guó)內(nèi)外著名專(zhuān)家、學(xué)者，與300余名美豐核心客戶(hù)歡聚一堂，共同針對(duì)行業(yè)內(nèi)的熱點(diǎn)話(huà)題進(jìn)行交流。

(9)

(10)

將式(10)代入式(9)得集中決策下供應(yīng)鏈最大總收益為：

(11)

由于在集中式?jīng)Q策情形下，不能直接求得發(fā)電廠(chǎng)向中間商支付的收購(gòu)價(jià)格，運(yùn)用Shapley值法對(duì)該情形下的供應(yīng)鏈整體利潤(rùn)進(jìn)行合理分配后再加以確定.與分散式?jīng)Q策相比，將發(fā)電廠(chǎng)、中間商兩個(gè)主體構(gòu)成利益分享集合，則發(fā)電廠(chǎng)應(yīng)分配的利潤(rùn)為：

(12)

中間商應(yīng)分配的利潤(rùn)為：

(13)

將式(10)代入式(1)并與式(12)相等或?qū)⑹?10)代入式(2)并與式(13)相等得集中式?jīng)Q策下發(fā)電廠(chǎng)最優(yōu)收購(gòu)價(jià)格：

(14)

1.3 不同決策模型比較分析

對(duì)兩種決策情形下發(fā)電廠(chǎng)、中間商各變量值進(jìn)行對(duì)比分析，見(jiàn)表1所示.

對(duì)比表1中變量取值，得出以下結(jié)論.

表1 分散式和集中式?jīng)Q策下變量值對(duì)比

結(jié)論1表明，由發(fā)電廠(chǎng)和中間商構(gòu)成的二級(jí)供應(yīng)鏈，在分散式?jīng)Q策下存在雙重邊際效應(yīng)，使得供應(yīng)鏈總收益低于集中決策；中間商農(nóng)林生物質(zhì)收集量也低于集中決策，客觀(guān)上加重了發(fā)電廠(chǎng)原料不足的困境，也使得農(nóng)林生物質(zhì)未得到充分的資源化利用.

結(jié)論2集中式?jīng)Q策下，通過(guò)Shapley值法可以對(duì)發(fā)電廠(chǎng)、中間商構(gòu)成的二級(jí)供應(yīng)鏈進(jìn)行協(xié)調(diào).

結(jié)論2表明，通過(guò)Shapley值法，可以對(duì)集中式?jīng)Q策下發(fā)電廠(chǎng)、中間商的收益根據(jù)貢獻(xiàn)度進(jìn)行合理分配，由于雙方收益均高于分散式?jīng)Q策，從而使得供應(yīng)鏈協(xié)調(diào).

結(jié)論3在其他參數(shù)取值不變的情況下，無(wú)論是集中式還是分散式?jīng)Q策，中間商收集量、發(fā)電廠(chǎng)收購(gòu)價(jià)格、發(fā)電廠(chǎng)收益、中間商收益、供應(yīng)鏈總收益均隨著補(bǔ)貼降低、生物質(zhì)市場(chǎng)價(jià)格升高而降低.

證明：由表1各表達(dá)式分別對(duì)S、ω求導(dǎo)可證.

結(jié)論3表明，隨著補(bǔ)貼的降低、生物質(zhì)市場(chǎng)價(jià)格升高，無(wú)論是集中式?jīng)Q策還是分散式?jīng)Q策，發(fā)電廠(chǎng)、中間商收益、農(nóng)林生物質(zhì)收集量均降低，但集中式?jīng)Q策下降低速率更快，使得雙重邊際效應(yīng)減弱.

2 數(shù)值算例

基于兩種決策模型，本文參考網(wǎng)絡(luò)資料及文獻(xiàn)[17]，參數(shù)取值及計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2、表3.

表2 參數(shù)取值

表3 初始值下兩種決策模型計(jì)算結(jié)果

從表3可知，集中式?jīng)Q策下中間商生物質(zhì)收集量、供應(yīng)鏈總收益均優(yōu)于分散式?jīng)Q策，通過(guò)Shapley值法可使發(fā)電廠(chǎng)、中間商均獲得合理的收益，從而使供應(yīng)鏈協(xié)調(diào).從表1理論推導(dǎo)的結(jié)果可以看出，兩種決策方式下供應(yīng)鏈總收益受到多個(gè)參數(shù)的影響，為了識(shí)別出關(guān)鍵影響因素，有必要進(jìn)行靈敏度分析，由于發(fā)電轉(zhuǎn)換系數(shù)t、發(fā)電成本C1、收集成本C2等參數(shù)取值主要取決于技術(shù)水平等外生因素，本文不予討論，分析結(jié)果見(jiàn)表4.

靈敏度分析表明，無(wú)論是集中式還是分散式?jīng)Q策，補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)和生物質(zhì)密度都是影響供應(yīng)鏈總收益的重要因素，下面進(jìn)行具體分析.

表4 參數(shù)靈敏度分析結(jié)果 單位：%

表5 調(diào)低補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)下兩種決策模型計(jì)算結(jié)果

由表5、表6可以看出，當(dāng)其他參數(shù)取值不變，政府補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)、生物質(zhì)密度降低，均會(huì)導(dǎo)致中間商生物質(zhì)收集量、發(fā)電廠(chǎng)收益、中間商收益、供應(yīng)鏈總收益的持續(xù)降低，使得農(nóng)林生物質(zhì)發(fā)電供應(yīng)鏈的發(fā)展遇到阻礙.但是值得注意的是，補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)為0.27元時(shí)集中式?jīng)Q策下的收集量、發(fā)電廠(chǎng)收益、中間商收益、供應(yīng)鏈總收益仍高于補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)為0.3元時(shí)分散式；生物質(zhì)密度為0.0009 t/m2下的集中式?jīng)Q策的收集量、發(fā)電廠(chǎng)收益、中間商收益、供應(yīng)鏈總收益也高于生物質(zhì)密度為0.001 t/m2下的分散式?jīng)Q策，這表明農(nóng)林生物質(zhì)發(fā)電供應(yīng)鏈可以通過(guò)集中式?jīng)Q策在一定程度上減弱政府補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)、生物質(zhì)密度降低帶來(lái)的負(fù)面影響.

3 結(jié)論與建議

農(nóng)林生物質(zhì)發(fā)電行業(yè)的發(fā)展面臨著諸多困難.本文構(gòu)建發(fā)電廠(chǎng)和中間商構(gòu)成的農(nóng)林生物質(zhì)發(fā)電供應(yīng)鏈博弈模型，通過(guò)對(duì)分散式?jīng)Q策與集中式?jīng)Q策的對(duì)比得到以下結(jié)論：(1)集中式?jīng)Q策下，中間商農(nóng)林生物質(zhì)收集量和供應(yīng)鏈總收益總是優(yōu)于分散式?jīng)Q策，通過(guò)Shapley值法可以對(duì)發(fā)電廠(chǎng)、中間商構(gòu)成的二級(jí)供應(yīng)鏈進(jìn)行協(xié)調(diào).(2)參數(shù)靈敏度分析表明，政府補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)、生物質(zhì)密度是供應(yīng)鏈總收益的關(guān)鍵影響因素；在其他參數(shù)取值不變的情況下，政府補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)、生物質(zhì)密度降低對(duì)供應(yīng)鏈各方面都會(huì)產(chǎn)生負(fù)面作用，但通過(guò)集中式?jīng)Q策可在一定程度上減弱負(fù)面作用的影響.一方面，政府應(yīng)積極推動(dòng)發(fā)電廠(chǎng)與中間商的合作，通過(guò)合理的利益分配來(lái)引導(dǎo)供應(yīng)鏈的協(xié)調(diào)運(yùn)作，從而平穩(wěn)渡過(guò)補(bǔ)貼退坡、生物質(zhì)波動(dòng)帶來(lái)的影響；另一方面，在實(shí)施補(bǔ)貼退坡政策時(shí)，應(yīng)注意平穩(wěn)過(guò)渡，給發(fā)電廠(chǎng)和中間商應(yīng)對(duì)的時(shí)間，注重建立健全生物質(zhì)原料應(yīng)急機(jī)制，應(yīng)對(duì)惡劣氣候等因素造成作物減產(chǎn)進(jìn)而導(dǎo)致生物質(zhì)密度不足的問(wèn)題.