流域排污权交易系统模型研究

摘 要:在Hung和Shaw提出的排污权交易系统模型基础上,结合我国流域水污染状况,提出运用社会资本投资建设污水处理厂、对排污权征税与逐年降低目标区域污染物排放总量控制标准的组合策略,建立了新的流域排污权交易系统模型,并进行了仿真。研究表明,新模型成本有效,且新加入的组合策略,在目标区域污染物排放总量控制标准减少的同时,有效减少流域总削污成本和流域总排污量,增加污水处理厂的污水处理量,有效实现排污企业减排目标和流域水污染的可持续治理。

关键词:排污权;污水处理厂;购买税;仿真;流域

中图分类号:F205 文献标识码:A 文章编号:1003-5192(2009)05-0001-07

Research on Watershed-based Permit-trading System Models

SUN Wei, YUAN Lin-jie, TANG Shu-lan

(School of Management, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

Abstract:Based on Hung and Shaw’s trading-ratio system model, a mixed policy, which included building sewage treatment plants with social capital, a tax on emission permits and annual reduction of the standard regulating the total emission control of water pollutant in target regions, was used to establish a new watershed-based permit-trading system model. The results of simulation analysis showed that the new model was cost-effective, and with the annual reduction of the standard in the model, the mixed policy led to reduce the total abatement cost and total emission of the watershed areas, and increase the treatment volume of sewage treatment plants. Therefore, the new model completed the emission reduction and the watershed sustainable pollution regulation.

Key words:emission permits; sewage treatment plants; tax on purchase; simulation; watershed areas

1 引言

随着经济的飞速发展和城市化进程的加快,我国流域水污染日益严重,威胁着流域沿岸城市人民的生命健康[1]。从我国目前的水污染现状来看,我国有61%的城市没有污水处理厂;在污水处理设施得以修建的城市,能正常运行的也只有50%;因为污水收集管网的原因,污水处理厂处理量不足设计处理能力的20%[2]。面对我国流域可持续发展的战略要求,排污权交易作为一种基于市场的、有效实现环境总量控制的环境管理手段已得到理论界的广泛关注,并在我国污染治理实践中得到应用。

排污权交易是由美国经济学家戴尔斯在其著作《污染、财富和价格》中首次提出来的[3]。它是指在有额外排污权的公司和需要从其他公司获得排污权以降低其污染控制成本的公司之间进行的交易,而排污权就是排污单位或个人向环境排放污染物的一种行政许可资格[4]。排污权交易不仅能在降低总的污染控制成本的同时使区域环境状况得到改善,而且为企业减少污染排放提供了更多的灵活性。国外关于排污权交易系统的研究较为成熟,从20世纪70年代提出至今,已出现了环境许可系统(APS: Ambient-Permit System)[5],排污抵消系统(POS: Pollution-Offset System)[6],兑换率排污交易系统(ERS: Exchange-Rate Emission Trading System)[7]等排污权交易系统。由于这些系统中,排污权交易难以避免较高的交易成本和搭车问题,Hung 和 Shaw在其《水污染排放权的交易比率系统》[8]一文中,提出了一个在最小的总削污成本条件下,满足预先设定的环境质量标准,基于交易比率的水污染控制模型(TRS),并证明了在没有交易成本和排污源的战略行为及理性排污源(追求成本最小化)的前提下,排污源之间无论是采用同时交易还是序列双边交易(有时间先后,两两交易)都可以使排污权交易系统达到成本有效。所谓成本有效[9]是指在满足环境质量(污染物的浓度或总量)的前提下,排污权交易使整个系统中所有排污源的总削污成本达到最小,它是评判排污权交易系统有效的重要指标。

我国对于排污权交易理论的研究始于20世纪90年代初期。随着我国环保力度的加大和排污权交易的试点及推广,对排污权交易的探讨逐渐成为我国污染控制领域的热点问题,由最初对排污权交易理论的介绍和我国排污权交易试点城市经验的总结,扩展到国外实践的探讨、排污权的初始分配、交易机制设计、立法及制度研究等方面。特别是进入21世纪以来,面对水污染日益严重的现实,学者们开始对流域排污权交易进行研究[10,11]。但是相对于国外成熟的交易市场、良好的监管机制、完善的政策措施,我国对排污权市场及其交易的研究仍有许多问题亟待解决。从我国排污权交易的试行效果来看,政府的行政安排使得市场的作用机制难以发挥,企业不是基于自己的成本和利润核算商定价格,而是为了完成政府交给的示范任务,我国实现流域水污染的可持续治理任重而道远。为此,本文在Hung[8]等对流域排污权交易系统研究的基础上,引入流域水污染物控制的组合策略,建立了新的流域排污权交易系统模型,希望这一有益的尝试,能够有效地激发排污企业通过自身削污或委托污水处理厂处理污水、减少政府行政干预等问题。

2 流域水污染控制的组合策略及研究假设

2.1 组合策略

鉴于我国流域水污染治理现状和排污权交易试行的实践经验,提出如下组合策略:

策略1 为弥补污水处理的巨大资金缺口,引入由社会资本投资的污水处理厂。污水处理厂只能拥有和使用排污权,不参与排污权交易,其拥有的排污权取决于委托污水处理的企业(排污源)转让的数量,具体数额是以委托处理的污水量为基准按一定比例进行的折算。

策略2 对排污权征收购买税,税额取决于排污权的购买数量。美国在CFC控制中使用排污权交易和排污权征税,提高了排污权交易效率。这一策略旨在提高我国现行的排污收费制度效率。引入购买税的排污权交易系统会对超过排污权限量的排放行为实施“双重制裁”,既要购买排污权,又要为使用排污权增加税收成本,从而促进排污源削污或者委托污水处理厂处理。对于排污权购买税税率,可以借鉴美国排污权交易市场的经验,通过实验确定购买税税率。

策略3 为实现总量控制,每年将流域中目标区域污染物排放总量控制标准下降一定比例,直到目标区域内排污源的排放总量达到规定的水平,从而通过市场调节,促进排污源“优胜劣汰”,实现流域水污染程度的不断下降。目标区域污染物排放总量控制标准是根据目标区域的环境容量等确定的该区域污染物最大排放总量。

2.2 研究假设

由于河流呈现单向流动特性,上游(i区域)污染物对下游(j区域)污染物的转移因子为tij>0,下游污染物对上游污染物的影响几乎为零。为研究方便,假设:(1)一份排污权代表一单位的排污量,且已知流域污染物排放总量控制标准,流域许可排放总量,所有区域划分以及各目标区域污染物排放总量控制标准;(2)假设环境管理部门把某段流域划分为n个目标区域,并根据目标区域从上游到下游的位置进行编号,最上游区域编号为1,最下游区域编号为n。为简化计算,假设每个目标区域只有一个排污源和一个污水处理厂,每个排污源及污水处理厂的编号与其所在目标区域的编号相同。每个目标区域只有一个排污源,所以排污源i和k之间排污权的交易量Tik相当于它们所在区域之间的交易量;(3)假设所有的排污源和污水处理厂都是理性投资者,研究不考虑企业的战略行为,因此,上游区域排污源的排污权只会卖给下游区域的排污源;此外理性的排污源和污水处理厂也会以利益最大化、成本最小化为目进行买卖和使用排污权。(4)假设排污权交易不存在交易成本,某区域内的排污源只能委托该区域内的污水处理厂进行,但是污水处理厂不参与排污权交易。

3 组合策略下流域水污染控制模型的建立

以Hung 和 Shaw的TRS模型为基础,引入组合策略建立新的模型。为描述方便,本文将Hung 和 Shaw的TRS模型称为模型一,再考虑策略1与2得到模型二,再引入排污权购买税得到模型三。以下先描述模型一,再分别建立模型二和模型三。

Hung 和 Shaw认为排污源i的削污成本为

4 模型仿真与分析

4.1 模型仿真

首先对相关模型进行仿真,以验证本文所建立模型的成本有效性。为此,本文沿用模型一的背景假设,以便于与模型二和模型三的仿真结果进行对比研究。因此,在模型仿真的相同背景下,将整个水流域划分为4个目标区域,编号1、2、3、4。每个目标区域只有一个排污源,编号与其所在区域编号相同。Hung基于水流域的水质模型计算出区域间污染物的转移因子(交易比率)如表1所示。本文假设不存在交易成本,目标区域的最初排放量和目标区域污染物排放总量控制标准的数值设置见表2。仿真计算均采用Matlab 7.0版本。(4)模型二中数据的确定。①根据目前污水处理厂出水水质的状况,确定β=0.1。②在对污水处理厂处理价格(P1,P2,P3,P4)估值的基础上,及目标区域污染物排放总量控制标准Ej不变的前提下,运用不同组合(P1,P2,P3,P4)对模型二进行仿真。通过比较仿真结果中的污水处理厂的处理量和排污权交易量,确定(0.9 0.5 0.9 0.7),(0.6 0.5 0.9 0.7),(0.5 0.3 0.6 0.5)为相对理想的污水处理厂处理价格。这三组数据可以分别代表三种污水处理厂的市场状态,(0.9 0.5 0.9 0.7)可以代表排污权交易系统初始运行时污水处理厂的价格组合;(0.6 0.5 0.9 0.7)可以代表经过一定时间段以后,排污权交易所产生的对污水处理厂排污的需求,使污水处理厂数量增加,并产生市场竞争,部分区域的污水处理价格已经有所降低;(0.5 0.3 0.6 0.5)代表排污权交易市场相对成熟,污水处理厂的数量及竞争价格也趋向于成熟之后的价格组合。

(5)在模型三中,购买税税率α的确定是通过改变购买税税率的取值,对模型进行多次仿真而最终确定的(因篇幅限制,将不赘述)。测定α的仿真结果显示,α≥0.04时系统交易量为0。不失一般性,假设α=0.03。

(6)按照目标区域污染物排放总量控制标准下降0、10%、20%、40%和60%分别对系统模型一、二和三进行仿真,以便研究模型二、三对系统参数的影响趋势,及目标区域污染物排放总量控制标准下降后对排污权交易系统状态的影响趋势。

4.2 结果分析

4.2.1 总削污成本的比较

在三组污水处理价格(0.9 0.5 0.9 0.7),(0.6 0.5 0.9 0.7),(0.5 0.3 0.6 0.5)下,运用相关数据对本文的排污权交易系统的模型一、二和三进行仿真,在目标区域污染物排放总量标准逐渐减少时总削污成本见表3。

由于边际削污成本与污水处理厂单位处理价格的差异会促进或抑制委托污水处理厂处理污水的行为,所以参考边际削污成本确定的污水处理价格的组合就是委托污水处理厂处理污水量相对理想的价格组合,而且这三组价格可以代表污水处理厂所处的三种不同市场状态,也就是污水处理厂数量由少到多,价格由相对的垄断价格到趋于成熟的稳定价格。因此,在三组价格组合下,模型对应的总削污成本是从左上(0.9 0.5 0.9 0.7)对应的总的削污成本向右下(0.5 0.3 0.6 0.5)所对应的总的削污成本过渡的,见表3“综合价格因素”一栏。 由表4可以看出,随着目标区域污染物排放总量控制标准的减少,排污权交易系统总的削污成本逐渐增加;在相同的目标区域污染物排放总量控制标准下,模型一的总的削污成本远高于模型二和三的数值,而模型三的总的削污成本略高于模型二。这是因为模型一中只有排污源自身的削污,随着削污量的增多,所有排污源的削污成本都大大增加;模型二和三中,排污源可以自由选择自身削污、购买排污权、或委托污水处理厂削污,在污水处理厂的处理价格合适的情况下,整个系统的削污成本就会降低;但由于模型三中对购买的排污权征收购买税,就使得总的削污成本略高于模型二。

4.2.2 排污量和污水处理量的比较

在三组污水处理价格和逐渐减少目标区域污染物排放总量控制标准下,分别对模型二和模型三仿真结果见表4和表5。

三组价格组合所对应的仿真结果显示,随着目标区域污染物排放总量控制标准的逐渐下降,流域的排污量在减少,而污水处理厂的污水处理量却在不断增加。这是因为目标区域污染物排放总量控制标准的减少导致目标区域许可排放总量以及目标区域总排污权减少,进而使得排污源选择委托污水处理厂削污量增大。

排污源一方面通过委托污水处理来达标,另一方面通过委托污水处理厂来削污从而卖掉多余的排污权产生收益。通过对表4和表5比较可以发现,在目标区域污染物排放总量控制标准减少不超过20%时,每组价格组合下,模型三的排污量少于模型二的排污量,而模型三的污水处理量高于模型二的污水处理量;当目标区域污染物排放总量控制标准减少40%和60%时,两个模型排污量和污水处理量的差异已经不明显了。可见,模型三引入排污权购买税对减排目标的实现优于模型二。

4.2.3 排污权交易量

表6列示了随着目标区域污染物排放总量控制标准逐次降低,在三组污水处理价格下模型二和模型三的仿真结果中交易量加总值。

由表6可见,在各价格组合下,随着目标区域污染物排放总量控制标准的减少,所对应的排污权的交易量逐渐减少。因为目标区域污染物排放总量控制标准的减少使得相应区域排污源的削污量逐渐增加,并导致其削污成本增大,进而迫使其委托污水处理厂处理污水以满足自身排污量小于自身拥有的排污权的要求。

通过比较两个模型,引入购买税的模型三较模型二能够更为快速地实现排污交易量的下降,特别是在目标区域污染物排放总量控制下降40%和60%时,模型三的排污交易量已减至零。这就证明模型三有效地抑制了排污权的交易并促进了委托污水处理厂处理量的增加。这样一来,排污权交易体系就可以在短时间内刺激市场对污水处理厂的需求,从而加速污水处理厂的数量扩大及产能的提升,同时也增加了排污源和污水处理厂之间构建有效的污水管道网络的合作动力。再综合比较表4~表6,可以看出模型二和三都能够在目标区域污染物排放总量控制标准逐渐减少的情况下,使排污量、排污权交易量逐渐下降的同时增加委托污水处理厂处理的污水量。

5 结论

Hung 和 Shaw的模型(模型一)是在最小总削污成本条件下满足预先设定的环境质量标准较为合理的水污染控制模型。本文在该模型的基础上分别引入了三个组合策略:(1)引入由社会资本投资的污水处理厂;(2)在排污权交易系统中加入排污权的购买税;(3)逐年按一定比例降低目标区域污染物排放总量控制标准。考虑建设污水处理厂建立了模型二,再进一步考虑对排污权征收购买税,建立了模型三。

通过对模型的仿真,可以得出:

(1)模型二和三中,流域总削污成本较模型一有明显的减少,仍然是成本有效的。

(2)随着目标区域污染物排放总量控制标准的不断下降,模型二和模型三的流域总削污成本不断增加,流域的总排污量不断减少,污水处理厂的污水处理量不断增加,排污权交易量不断减少。

(3)通过比较模型二和模型三的仿真结果发现,模型三在抑制排污权交易量方面明显优于前者,它可以在短时间内激发交易体系对污水处理厂的需求,进而吸引社会资本投资建设污水处理厂,更为有效地解决污水处理资金短缺的问题;同时模型三在增大减排量和污水处理厂的污水处理量方面也都优于前者,有利于实现减排的目标和污水的可持续治理。

因此,上述组合策略对有效解决我国通过市场调节弥补污水处理的巨大资金缺口,避免政府的行政干预,实现可持续治理水流域污染问题具有一定的指导作用。

参 考 文 献:

[1]孟伟.中国流域水环境污染综合防治战略[J].中国环境科学,2007,27(5):712-716.

[2]孟伟,苏一兵,郑丙辉.中国流域水污染现状与控制策略的探讨[J].中国水利水电科学研究院学报,2004,2(4):242-246.

[3]泰坦伯格.排污权交易――污染控制政策的改革[M].北京:三联出版社,1992.5.

[4]宋国君.排污权交易[M].北京:化学工业出版社,2004.4.

[5]Ermoliev Y, Michalevich M, Nentjes A. Markets for tradable emission and ambient permits: a dynamic approach[J]. Environmental and Resource Economics, 2000, 15 (1): 39-56.

[6]Krupnick A J, Oates W E, Van De Verg E. On marketable air-pollution permits: the case for a system of pollution offsets[J]. Journal of Environmental Economics and Management, 1983, 10 (4): 233-247.

[7]Frsund F R, Nvdal E. Efficiency gains under exchange-rate emission trading[J]. Environmental and Resource Economics, 1998, 12 (4): 403-423.

[8]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.

[9]Atkinson S E, Morton B J. Determining the cost-effective size of an emission trading region for achieving an ambient standard[J]. Resource and Energy Economics, 2004, 26 (3): 295-315.

[10]王书国,段学军,李恒鹏,等.流域水污染物排放权交易构建[J].云南环境科学,2006,

25(1):14-17.

[11]尹云松,孟令杰.基于AHP的流域初始水权分配方法及其应用实例[J].自然资源学报,2006,21(4):645-652.