（水利水电工程专业论文）基于博弈论的流域水资源配置研究.pdf

摘要 随着水资源相对稀缺程度的加剧，流域各种用水主体之间的利益冲突不断升 级。如何合理地统一管理流域水资源，有效提高各个区域的水资源利用效率，解决 各用水地区间的矛盾冲突，成为当前急需解决的问题。与传统的经济学方法相比较， 博弈论在解释个体理性与集体理性的冲突与合作方面更为有效。因此，利用博弈理 论建立流域水资源利用冲突分析模型，具有十分重要的理论和现实意义。 本文在参考国内外大量文献资料的基础上，结合博弈论基本原理，针对目前流 域水资源配置冲突问题，探讨了流域水资源冲突的非合作博弈模型；针对流域内各 方的合作以及对流域水资源量的利用，论证了建立基于水权、排污权的流域水资源 量配置模型的合理性，通过水权与排污权的交易，可促使各地区水资源优化配置， 协调各用水主体利益关系。论文以江苏省里下河流域盐城片为例进行了计算分析， 通过比较分析，认为基于水权、排污权的流域水资源配置模式有利于解决水资源配 置冲突问题，对盐城片水资源的优化配置具有一定的借鉴作用。 关键词：利用冲突水资源配置博弈论初始水权分配 a b s t r a c t a st h ed e g r e eo fr e l a t i v es c a r c i t yo fw a t e rr e s o u r c e si m e n s i f i e s ，l r i o u sw a t e r b a s i n sb e t 、v e e nt l l ei n t e r e s t so ft 1 1 em a j nc o n f l i c th a v e b e e n e s c a l a t i n g r a t i o r 脚 m a n a g e m e mo fb a s i l l 、v a t e rr e s o u r c e s ，e a e c t i v e l yi n c r e a s i n gt h ee m c i e n c yo ft l l eu s eo f r e g i o n a jw a t e rr e s o u r c e s ，t 0s 0 1 v et 1 1 ew a t e rc o n n i c tb e t w e e nr e g i o n s ，h 嬲b e c o m et l l e u i 苫e n tp r o b l e m s w i 也t 1 1 et r a d i t i o n 甜m 劬o dc o m p a r e dt oe c o n o i t l i c s ，g 锄et l l e o 巧i nt h e n e 印r e t a t i o n o fi n d i v i d u a l m t i o n a l 时a n d c o l l e c t i v e r a t i o n a l 时 o fc o i l f l i c t锄d c o o p e r a t i o nm o r ee f f e c t i v e t h e r e f o r e ，n sav e 巧i m p o r t 咖t l l e o r e t i c a l 锄dp r a c t i c a l s i 鲥f i c 肌c et ou s eg 锄et l l e o d ，e s t a b l i s h 觚a l y s i sm o d e lo fw a t e rr e s o u r c eu t i l i z i l l g c o n n i c tp r o b l e m b a s e do nr e f e r e n c i n ga1 a 唱em m l b e ro fd o c u m e n t sa 1 1 dm a t 耐a l sa th o r n e 趾d a b r o a d ，t h i sp a p e rc o m b i n e st l l eb a s i cp 血c i p l e so fg 锄et h e o r y ，t oe x p l o r ea n de s t a _ b l i s h r l o n c o o p e r a t i v eg 锄em o d e lf o rt 1 1 ec u r r e n tw a t e rr e s o u r c e sa l l o c a t i o nc o 1 i c tm r i v e r b a s i n nd e m o n s t r a t e st h er e a s o n a 【b l e r l e s so fw a t e rr e s o u r c e sa l l o c a t i o ni n r i v e rb a s i n b a s e do nw a t e rr i g h t s 觚de m i s s i o n g h t s ，f o r 让l er i v e rb a s i nc o - o p e r a t i o nw i mt h e p a n i e s ，a s 、e na l st h eu s eo fb a s i nw a t e rr e s o u r c e s i tc 肌p r o m o t et h eo p t i m a ja l l o c a t i o n o fw a t e rr e s o u r c e sa n dc o - o r d i n a t et l l ei n t e r e s t so ft h er e l a t i o l l s l l i pb 印e e nt h em 血 w a t e r ，t h r o u 曲t h et r a d i n go fw a t e rr i 曲t sa n de m i s s i o nr i g h t s 1 1 1 i sp 印e ri 1 1 c h e n g f i l mo fl i x i a l l eb a s i ni nj i a n g s up r o v i n c ec a l c u l a t e da i l da i l a l y z e d 嬲a i le x 锄p l e b y c o m p 撕n ga 1 1 da n a l y z i n g ，t h a tt h em o d e lb a s e do nw a t e rr i g h t 觚de m i s s i o nr i 曲t so ft l l e b a s i nw a t e rr e s o u r c e sa j l o c a t i o n 、i l ls o l v et 1 1 ew a t e ra l l o c a t i o nc o l l l l i c t t h e r e f o r e i th 嬲 ac e n a mr e f e r e n c et oy a n c h e n gf i l mo nt h eo p t i m a la l l o c a t i o no fw a t e rr e s o u r c e s k e yw o r d ： u t i l i z i n gc o i l | 1 i c t ； a l l o c a t i o no f w a t e rr e s o u i c e s ； g 锄et 1 1 e o 巧； t 1 1 ea l l o c a t i o no fi 1 1 i t i a lw a t e rr i g h t s 扬州大学学位论文原创性声明和版权使用授权书 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下独立进行研究工作所取得的研究 成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体已经发表的研 究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声 明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：_ 袈章l 签字日期：2 0 0 9 年6 月1 7 日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国 家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子文档，允许论文被查阅和借阅。本 人授权扬州大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国科学技术信 息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公 众提供信息服务。 学位论文作者签名：靛丰l导师签名： 南 签字日期：2 0 0 9 年6 月1 7 日签字日期：2 0 0 9 年6 月1 7 日 ( 本页为学位论文末页。如论文为密件可不授权，但论文原创必须声明。) 张艳：基丁博弈论的流域水资源配置研究 1 1 研究背景与意义 1 1 1 研究背景 第一章绪论 随着科学技术的进步和社会生产力的飞速发展，人类创造了前所未有的物质财 富，并加速推进着人类文明发展的进程。但与此同时，也出现了人口过快增长、资 源过度消耗、生态环境质量严重下降等问题，其中尤以水资源问题表现得更为突出。 目前水已成为制约国民经济和社会发展的最大瓶颈，水资源很可能成为2 1 世纪中 国最为稀缺的自然资源【1 1 。尽管全国供水能力已从1 9 4 9 年的1 0 0 0 多亿m 3 增加到现 在的5 5 0 0 亿m 3 左右，目前每年仍有5 0 0 亿m 3 左右的缺口。较易开发的水源大部 分已被开发利用，新水源的开发难度越来越大、成本越来越耐2 1 。据推测，我国用 水高峰将在2 0 3 0 年前后出现，年用水总量在为7 0 0 0 亿m 3 左右【3 、4 1 。经比较分析， 全国实际水资源可利用量约为8 0 0 0 亿m 3 ，需水量已接近可利用水量的极限。 为满足区域经济社会发展而对流域水资源的大量开发，己给我国带来许多不利 影响。自2 0 世纪7 0 年代开始，塔里木河下游出现断流；黄河自1 9 7 2 年开始出现 断流，且在2 0 世纪9 0 年代呈现持续发展态势，在断流严重的1 9 9 7 年，黄河下游 利津站断流时问达2 2 6 天；海河流域目前基本处于“有河皆干，有水皆污”的状况。 水资源紧缺不仅带来了生态灾难，而且加剧了地区水事冲突，在北方许多缺水地区， 毗邻地区因为争水引发的械斗事件时有发掣5 1 。 随着水资源开发利用的不断深入，水资源紧缺趋势日趋严峻，水资源的各种利 用方式之间矛盾同益激化。城市生态用水、农业用水、生活用水之间，流域上下游 水资源开发利用之间，以及水资源利用现状与可持续发展利用之间孕育着巨大的冲 2扬州人学硕+ 论文 突。 对于一个流域而言，其水资源的分配和利用冲突表现在：一方面，上游任意取 水导致下游来水量减少甚至断流，另一方面，上游的排污也会导致下游水质下降甚 至丧失使用功能，从而损害下游用水户的利益乃至整个流域的利益。因此，水资源 常常是导致整个世界、国家、地区以及个人之间发生冲突矛盾的直接起因。流域内 水资源在不同用水团体之间进行分配时引起的矛盾就是这样的利益冲列6 1 。 因此，克服水资源短缺，协调和解决流域水资源利用冲突问题，才能合理配置 水资源，使之能够在最大限度上满足社会经济可持续发展和生态环境保护的要求， 同时维护和改善流域自身水循环的可再生途径，促进资源与社会经济和生态环境进 入良性循环的轨道，保障社会和谐发展。 1 1 2 研究意义 随着水资源相对稀缺程度的加剧，各种用水主体之间包括自然的利益冲突不断 升级，传统的经济学研究手段在现实条件下遇到严峻挑战。传统的经济学理论把人 的有限理性作为假定前提，但在水资源配置研究中片面强调集体理性、追求社会整 体利益最大化，忽略或否定个体理性的存在，或者认为个体理性必须服从集体理性， 由此导致在现实用水过程中不能真实反映所有用水主体的利益诉求。在这种背景 下，通过引入博弈论来研究用水冲突与合作问题就显得十分必要了。博弈论承认个 体理性的存在，同时认为个体利益最大化并不必然导致集体利益最大化，甚至相反， 实现社会整体利益最大化的前提是必须在满足个体理性的条件下达到集体理性。 流域水资源配置离不开各级政府与不同用水主体的共同参与。在用水过程中， 地方政府与各个用水主体以及各个用水主体之间目标并不完全一致，甚至相互冲 突。政府具有集体理性，力求保证整个区域水资源的公平、高效和可持续利用，水 张艳：基丁博弈论的流域水资源配置研究 管理单位和用水个体具有个性理性，追求如何在既定的约束下使自己的用水效用最 大化。由此导致用水过程中不可避免地存在着个体理性与集体理性的冲突。个体理 性行为可能导致集体非理性，个体利益最大化也并不必然导致集体利益最大化【5 1 。 因此在区域水资源配置理论研究过程中，不能简单地忽略个体理性，或通过政府强 加干预的方式使个体理性表面上服从集体理性，而是必须设计一种机制，以期在满 足个体理性的前提下达到集体理性。 博弈论最为重要的概念是纳什均衡，强调每个个体的最优选择综合到一起，不 一定是全局最大化的选择，而能够使所有参与者都能达到最大化的选择则是纳什均 衡。利用博弈论研究水资源配置问题，较之传统资源配置研究，充分考虑了所有用 水参与者的行为影响，承认在水资源配置过程中存在着不同的声音，代表着不同的 利益，参与者依据个体理性在相应制度约束下通过类型依存战略追求自身利益最大 化。因而研究更具有科学性和实证性。 本文从流域水资源配置过程中的冲突与合作问题入手，利用管理学、经济学、 水文学、系统理论等相关知识，通过引入博弈论和相应的制度分析手段，对水资源 配置进行分析，可以进一步丰富和完善流域水资源配置理论体系。 1 2 博弈论在水资源领域的研究现状 随着人口增长和经济的快速发展，人类对水资源的开发和利用不断深入，水资 源日显紧缺趋势。水资源各种利用方式之间的矛盾日益激化。城市生态用水农业用 水、生产用水、生活用水、流域上下游水资源开发利用之间，以及水资源的利用现 状与可持续发展利用之间的矛盾等均孕育着巨大的冲突危机。水资源冲突己成为危 及地区和平与安定，制约地区经济发展的重要因素。利用博弈论对水资源配置的研 究，充分考虑了所有用水参与者的行为影响，承认在水资源配置过程中存在着不同 4 扬州大学硕十论文 的声音，代表着不同的利用，参与者依据个体理性在相应制度约束下通过类型依存 战略追求自身利益最大化。 1 2 1 国外研究现状 以博弈论为基础的研究方法可以看作是冲突定量研究的典型代表，博弈论为冲 突的分析研究提供了数学工具。博弈论方法可分为定性和定量两种方法。定性的方 法为f h 分析方法，f _ h 冲突分析方法可以用来描述和理解冲突局势，预测冲突 的可能结果，在指导局中人采取最佳策略方面已经被证明是一种有效的手段，其特 点是使用序数效用排序的方法帮助决策者选择最佳的策略；定量的方法则是利用特 征函数来分析决策主体在非合作行为或合作行为下的基数效用大小。 1 9 6 8 年h 矾i 1 1 发表了关于公地悲剧的著名论文阴。在这篇论文中，h a r d i n 得出结论：如果公共资源不加限制地被自由使用，那么公地资源将被耗尽，直至毁 灭。从此以后，有关“公地悲剧”及其相关的研究逐渐多了起来。例如在水资源分 配以及排污量的降低等与生态环境密切相关的方面，1 9 9 8 年，m a l e r 和z e e u w 【引、 b 涨t 【9 1 、k u i s m i n 【l o 】、2 0 0 0 年的i u 通过博弈分析指出，为了克服由“公地悲剧 带来的困境，必须加强国家间的相互合作，且上述这些研究所得的结果都依赖于国 家间的相互合作；1 9 9 3 年的r o g e r s 【12 1 、1 9 9 4 年的d i n a r 和w b l f 【1 3 1 以及2 0 0 2 年的 k u c u l e h h l e t o g l u 和g u l 血锄【1 4 1 应用博弈论对作为自然资源的一条河流的分享问题 进行了研究；2 0 0 0 年f r e e m a n 在国际法的约束条件下，应用博弈论对t i 鲥s e u p e s 流域水资源的分配问题进行了研究【1 5 】。 2 0 世纪8 0 年代以后，博弈论开始在解决和协调水资源冲突方面发挥作用，它 最初应用于水资源工程的费用分摊问题。1 9 8 2 年，h e a l l e y 等( 1 6 】、y o n g 等1 刀以及 1 9 8 5 年的d r i e s s e n 等【1 8 悃合作博弈的方法研究了流域范围内水资源联合工程的费 张艳：基丁博弈论的流域水资源配置研究 用分配问题；1 9 9 5 年，l e j a n o 和d a v o s 运用合作博弈论对南c a l i f o n l i a 地区的水土 保持项目和水资源的重复利用项目的成本分配问题进行了研究，由成本的公平分配 方法得到了一个能长期保持稳定合作的联盟【1 卅；2 0 0 0 年，l i p p a i 和h e a i l e y 利用合 作博弈论的方法对城区水资源系统的成本分摊问题进行了研究【2 0 1 。 n e 酣在1 9 8 9 年、1 9 9 0 年口1 2 2 1 ，r u b i o 等【2 3 1 在2 0 0 1 年运用动态博弈和马尔科 夫完备均衡的分析方法研究了跨界地下水的竞争问题；1 9 9 2 年t i s d e l l 等【2 4 1 、1 9 9 7 年b e c k e r 等2 5 】以及2 0 0 1 年b i e l s a 等f 2 6 】采用博弈模型对冲突主体的非合作与合作行 为进行模拟，在比较不同行为利益的基础上，公平分配合作所带来的利益，从而有 效地解决水资源冲突问题；1 9 9 4 年，a d 锄s 等在非合作博弈论的理论框架下，建 立了一个关于水资源政策的多边谈判博弈模型，指出了谈判过程的结果关键依赖于 博弈的组织结构，并将此模型运用于c a l i f o m i a 地区的水资源政策谈判，得到了一 些有益的结论；1 9 9 5 年，h e n d e r s o n 和l o r d 利用博弈模型模拟了流域状态与国家管 理机构之间的集体行为过程2 7 l ；2 0 0 2 年，l i n d af e m a i l d e z 建立了非合作和合作博 弈模型检验了贸易自由化对美国与墨西哥跨界水污染冲突的影响2 8 】；2 0 0 4 年， l o a i c i g a 【2 9 】运用非合作博弈和合作博弈的理论方法计算了可持续的地下水开采率， 研究了合作因素和非合作因素对地下水开采的可持续性的影响，并将所得的理论结 果应用于研究具体某个区域的地下水的开采，说明了用博弈论方法研究此类问题的 可行性；r a q u e l 等将博弈论方法用于解决具有两个参与方的灌区的地下水管理问 题，综合运用几种不同的冲突解决方法对此问题进行求解，并进行了比较分析，继 而提出了有益的建议【3 0 1 。 ， 1 2 2 国内研究现状 在国内，近年来运用那个博弈论研究水资源领域相关问题也取得了一些进展， 6 扬州人学硕十论文 我国已有部分学者将非合作博弈论应用于水资源规划与管理研究，致力于用非合作 博弈论的观点来研究水权的合理分配和交易以及水市场的建立和运转问题、流域水 资源的统一管理问题、流域上下游之间水量和水质的联合分配问题、城市水资源的 定价问题、防洪基金的投入问题、防洪减灾的妣k e l b e 唱问题以及应急调水效益补 偿问题等。所有这一切研究成果都展示了博弈论，特别是非合作博弈论在水资源问 题中有着广阔的应用前景。 2 0 0 0 年，傅春、胡振鹏用n 人合作博弈的理论与方法来解决综合利用水利工程 中公共部分的费用分摊问题【3 1 】；2 0 0 1 年，赵勇、孙永广等应用非合作博弈论对防洪 基金机制问题进行了研究，在对目前的防洪减灾投入体制阐述的基础上，建立了中 央政府和地方政府之间的相互影响和相互作用非合作博弈模型，阐明了允许和支持 防洪基金出现的条件3 2 】；2 0 0 2 年，刘文强、孙永广等利用非合作博弈论对流域水资 源分配问题中的用水冲突矛盾进行揭示和解释，对利益冲突各方的行为机理进行分 析，以探索流域政策制定者和决策者在解决当前流域水资源危机方面应该采取的对 策，从而为目前我国流域水资源分配及水管理机制改革提供参考依据【6 】；同年，施 祖麟和张恺华运用非合作博弈论对黄河的断流进行了分析，并提出了相关政策和建 议【3 3 】；韩洪云和赵连阁建立了提供灌区服务的非合作博弈模型，分析了内生因素和 外生因素对灌区内农户提供灌区服务的影响，指出了为促进农户灌区管理合作行 为，政府应该在补偿机制、合作规则的建立以及政策扶持方面发挥重要作用【3 4 】；黄 晓荣等利用非合作博弈论建立了公共水资源开发利用数学模型，分析了中国水资源 危机尤其是水量危机的成因，并提出相应的建议和对剩3 5 】；周玉玺等利用合作博弈 论，从组织运作效率的角度比较分析了政府集权制、完全市场组织和农民自主协商 三种灌溉组织制度，并建议在政府指导下，农民自主开发灌溉组织【3 6 1 。 张饱：基丁博弈论的流域水资源配置研究 7 2 0 0 3 年，杨念建立了督导推广节水灌溉的非合作博弈模型，分析了此博弈模型 的混合策略均衡，并给出具体的实例计算了博弈模型的混合策略均衡结果，得出一 些有益的结论【3 7 】；同年，张艳运用非合作博弈论分析了水资源保护问题，通过均衡 分析指出结合市场机制和政府政策改变各博弈方的收益，使博弈达到新的纳什均衡 【3 8 】；2 0 0 4 年，尹云松、糜仲春等运用动态博弈的思想建立了流域内不同地区间水权 交易的古诺双寡头博弈模型和纳什讨价还价博弈模型，分析了在水权总量不足的情 况下，具有不同节水成本的流域内不同地区水权交易的行为特征【3 9 】；同年，刘晓君 和李颖以我国城市水资源短缺为背景，建立了水务设施管理企业与政府之间的完全 静态非合作博弈模型，得出了政府在进行水价管理中必须同时考虑社会公众利益和 投资者回报率的结论【删；尹云松、孟枫平等在引入水权交易和排污权交易制度的基 础上，运用博弈论方法，对流域内上下游之间在水资源数量与质量分配方面的双重 冲突进行了分析，寻求实现流域各方在水资源数量与质量两方面合理分配的有效均 衡途径4 1 】；杨志锋针对我国北方半干旱跨边界地区水量短缺和水质污染并存的水资 源冲突，通过在行政边界出境处设置控制断面，综合运用博弈论和大系统分解协调 原理，从冲突主体的非合作与合作行为、水资源的量与质出发，集成博弈模型与水 质模型，建立了跨界区域水资源的冲突与协调模型体系，运用n a s h 均衡法对冲突 进行了协调【4 2 】：罗慧等运用博弈论针对黄土高原生态可持续性利用问题进行了研 究，构造了基于马尔可夫决策过程的环境资源随机动态规划的形式化模型，并运用 此模型着重对陕北黄土高原榆林地区的水资源进行了实证分析，对黄土高原资源的 可持续发展提供了一些合理建议【4 3 】。 2 0 0 5 年，孔坷、解建仓等应用完全信息非合作动态博弈的方法研究了初始水权 分配和水市场的宏观调控问题，建立了以水资源总效益最大化为目标的两阶段动态 扬州大学硕十论文 博弈模型，阐明了最优初始水权分配方案和水资源费率方案的计算思路与方法，并 给出相应的算例【删；同年，尹云松、糜仲春等运用进化博弈理论的方法研究了水资 源数量与质量分配的纳什均衡，从而为流域管理机构制定相应的水资源管理政策提 供理论依据【4 5 1 ；赵勇等运用s t a c k e l b e 唱动态博弈方法建立了由中央政府和两个地方 政府作为参与人的防洪投资博弈模型，利用基于可行域的遍历全局搜索法对该模型 进行了求解，通过博弈分析指出中央政府应该淡化作为投资人的角色，而更多地关 注如何有效地建立激励机制，积极引导地方政府对防洪进行投资，从而实现全社会 福利的增加【删；肖志娟、解建仓等应用非合作博弈论的原理和方法来求解应急调水 效益的合理补偿量，并对流域协商方式的博弈论特性进行了分析讨论【4 7 】；王为人等 提出了水资源的放任自由使用、完全垄断经营、国家集中配置、市场配置及水权交 易配置5 种水资源配置机制博弈模型，并通过对这5 种模型的比较分析，得出了水 权交易配置模式是水资源最优配置机制的结论【4 8 】；李湘娇和王先甲应用完全非合作 和合作博弈论方法，建立了流域水资源开发利用冲突分析的模型，然后在此基础上， 建立动态一致性博弈模型，使得各地区在追求自身利益最优的情况下，同时也能够 达到流域最优效益【4 9 】；陈着、王婷婷等建立了流域在放任和干预下的区域与区域之 间的博弈模型以及流域与区域之间的博弈模型，并分别对其进行了n a s h 均衡分析， 指出了流域内水资源必须实现各区域的协同利用及整个流域范围内的合作管理，以 避免“公地悲剧 的发生【5 0 】；李艳，陈晓宏运用博弈论方法分析了水价与节水灌溉 之间的关系，说明水价的提高激励了节水灌溉技术的采用。另一方面，为减轻农民 负担，提出通过财政补贴或其他形式回补农民的建谢5 。 2 0 0 6 年，彭祥和胡和平运用非合作博弈理论构建黄河流域水资源配置的均衡模 型，证明了由于制度的缺陷和个体理性的存在，开放式用水仍然是现状流域各省区 张艳：基于博弈论的流域水资源配置研究 9 的自主选择，利用合作博弈理论对未来黄河水资源配置提出初步的制度安排【5 2 】；陈 洪转等运用博弈论方法分别建立了水权交易准市场阶段和水市场阶段的水权交易 定价模型，解析了准市场阶段和水市场阶段水权交易定价决策机理【5 3 】；李长杰、王 先甲等建立了水权交易买卖双方叫价拍卖的不完全信息博弈模型，给出双方叫价拍 卖的机制设计，并指出该机制具有有效性和激励相容性【5 4 】；龙爱华等应用博弈论思 想，模拟比较了水权分配中直接比例配置法和两部配置法对黑河流域张掖市的甘 州、临泽、高台种植业经济效益的影响，得出了一些有益的结论网；冯文琦和纪昌 明建立了以水资源社会总效益最大为目标的完全信息动态博弈模型，并用逆向归纳 法求出此模型的子博弈精炼纳什均衡解，得到用水者在水市场中可行的最优交易方 案【5 6 1 ；李良序和罗慧在比较传统行政模式和市场模式下水权管理不同特征的基础 上，分别从静态和动态两个角度，分析了两种模式下的用水户的博弈特征，认为中 国水资源管理需要把水量和水质、政府管制与市场机制两种配置方式的优势相结 合，提出了一种准市场水权交易机制分析框架【5 7 】；雷玉桃用博弈论分析了在市场机 制和政府管制两种情况下的流域水环境污染的状况，并比较了两种状况的优劣，得 出实施排污交易制度是我国将来进行流域性水污染防治的一种发展趋势【5 8 l ；沈建芳 和丰景春通过对水量调配博弈模型的分析，提出了一些对我国水资源规划与管理问 题有益的启示和建议【5 9 】；2 0 0 7 年，李湘枝、王先甲建立了流域水资源利用冲突的不 完全信急博弈模型，分析和预测正在发生或即将发生的冲突结果，指导各局中人对 冲突结果作准确判断以及采取最佳的策略【6 0 】。2 0 0 8 年，姜国辉运用博弈论的思想和 方法解释、分析目前跨流域调水工程管理中最重要的几个参与者政府、业主、 监理、承包商之间可能出现的不同博弈过程，出现的一些现象，如调水工程水价问 题、委托代理问题、合谋问题、招投标问题、企业发展问题等，从理论上提出 l o扬州人学硕十论文 相应的解决方法和思路。 综上所述，尽管国内外很多学者在这方面进行了很多有益的探索，但研究基本 处于初始阶段，缺乏对问题分析足够的定量解释，理论体系尚不完备。就目前的研 究进展而言，在将传统的博弈论应用到水资源配置研究的过程中，量化程度不高， 对水资源配置的复杂性、对水资源配置比较制度的研究还不够深入。 1 3 主要研究内容和技术路线 1 3 1 研究内容 本论文在流域水资源合理配置中引入了博弈论，研究用水冲突与合作问题，分 析了水资源不同配置模式存在的问题并拟定合理的配置方案，解决用水冲突问题。 论文共分五个部分： 第一章：绪论部分。简要叙述了此次研究的背景及意义；介绍了水资源配置内 涵、基本原则、理论发展过程和研究方法；详细分析了国内外博弈论在水资源领域 的研究现状；阐述了将博弈论方法引入水资源合理配置研究的必要性。 第二章：博弈论基本理论。介绍了博弈的基本原理、起源及发展、构成要素、 划分方法等。并对纳什均衡和博弈论与水资源配置的关系进行了详细的阐述。 第三章：流域水资源冲突博弈分析。此章为论文的理论核心部分，对流域内的 水资源配置问题进行了博弈分析。分别讨论了两个水资源配置博弈模型，通过分析 比较选择解决水资源配置冲突的最优模型，使各地区实现自身利益最大化并积极节 水，保证了流域生态地区的用水，有效地保护生态环境，保证水资源的可持续利用。 第四章：实例应用。为论文的理论应用部分。将博弈分析模型应用于里下河流 域盐城市段，对其在不同配置模式下的水资源分配结果进行计算，并分析各配置模 张艳：基丁博弈论的流域水资源配置研究 式特点、产生的后果及其合理性。 第五章：总结与展望。对全文进行了总结，并从深度和广度两方面，提出了论 文研究的不足以及今后进一步的研究方向。 l ：3 2 技术路线 本文研究技术路线如图1 3 所示。 图1 3 技术路线图 1 2扬州人学硕十论文 2 1 博弈论简介 2 1 1 博弈论基本原理 第二章博弈论基本原理 博弈论又称对策论，是研究不同决策主体在“策略相互依存 情形下行为发生 直接相互作用时候的决策以及谋求这种决策均衡问题的方法论6 1 1 。它是研究决策主 体在给定信息结构下如何进行决策以求自己的利益最大化，以及不同决策主体之间 决策的均衡。 2 1 2 博弈论起源及发展 早在1 9 2 8 年，v o n - n e 啪锄就初步创立了二人零和博弈论，此后在1 9 4 4 年又 与m o 玛e n s t e m 合作发表了博弈论和经济行为一书【6 2 1 ，使得博弈论开始被人们 普遍接受。2 0 世纪5 0 年代，n a s h 和s h a p l e y 提出的“讨价还价”模型、g i l l i e s 和 s h 叩l e y 提出的关于合作博弈中的核的概念，使合作博弈研究达到顶峰【1 3 】。n a s h 于1 9 5 0 年和1 9 5 1 年发表的两篇重要论文【6 3 删，t u c h e r 于1 9 5 0 年定义的“囚徒困境 奠定了现代非合作博弈的基石。s e l t e n 在2 0 世纪6 0 年代后将纳什均衡概念引人了 动态分析，并提出“精炼纳什均衡”概念；h a u r s a n y i 把不完全信息引人博弈论研究； 以及心e p s 和w i l s o n 在1 9 8 2 年合作发表的关于动态不完全信息博弈的文章，进一 步丰富和完善了博弈理论。 1 9 9 4 年，n a s h 、s e l t e n 和h a r s a n y i 三位博弈论专家同时获得了诺贝尔经济学奖， 标志着博弈论已经成为主流经济学的重要组成部分。而在1 9 9 6 年，两位信息经济 学大师m i r r l e s s 和v i c l y 再获诺贝尔经济学奖；2 0 0 1 年三位美国教授a k e r l o f 、 张艳：基丁博弈论的流域水资源配置研究 1 3 s p e n c e 和s t i g l 池由于“对充满不对称信息市场进行分析 而荣获诺贝尔经济学奖； 2 0 0 5 年瑞典皇家科学院将诺贝尔经济学奖授予有以色列和美国双重国籍的a 啪锄 和美国人s c h e l l i n g ，以表彰他们通过博弈论的分析增强世人对合作与冲突的理解。 众多博弈论和信息经济学家接连获得诺贝尔经济学奖，表明博弈论的研究和应用已 经获得国际社会的广泛认可【5 1 。 2 1 3 博弈论构成要素 博弈论的基本构成要素包括：参与者、行动、信息、战略、支付、结果和均衡。 参与者、行动和结果统称为博弈规则。博弈分析的目的是使用博弈规则预测均衡。 ( 1 ) 参与者。指一个博弈中的决策主体。当博弈过程存在不确定性时，可通 过引入“自然作为“虚拟参与者 来处理。 ( 2 ) 行动。是参与者在博弈的某个阶段的决策变量。用口j 表示第f 个参与者的 一个特定行动，4 ，= 口，) 表示可供参与者f 选择的所有行动集合。在刀人博弈中，拧 个参与者行动的有序集口= ( q ，口，口。) 称为“行动组合”，其中第，个元素口，是 对应第f 个参与者的行动。在博弈论中一般假定参与者的行动空间和行动顺序是所 有参与者的共同认知。 ( 3 ) 信息。指参与者对博弈的了解程度，特别是有关自然的选择、其他参与 者的特征和行动的了解程度。信息集是描述参与者信息特征的基本概念，具体有完 美信息和完全信息的划分。完美信息是指一个参与者对其他参与者的行动选择有准 确了解的情况，其中每一个信息集只包含一个值，完全信息是指不存在不确定性的 情况。 ( 4 ) 战略。指参与者在给定信息集情况下的行动规则。因为信息集包含了参 与者对其他参与者以前的认知，战略指导该参与者如何对其他参与者的行动作出反 1 4 扬州人学硕十论文 应，因此战略是参与者的“相机行动方案”。如果一个战略规定参与者在每一个给定 的信息情况下只选择一种特定的行动，则该战略称为纯战略；如果一个战略规定参 与者在给定信息情况下以某种概率分布随机选择不同的行动，则该战略称为混合战 略。 用s ，表示第f 个参与者的一个特定战略，墨= “) 代表第f 个参与者的所有可选 择的战略集合。船维向量s = ( s l ，一，s 一，j 。) 成为一个战略组合，其中s ，是第f 个参 与者选择的战略。博弈论规定，作为一种行动规则，战略必须是完备的，亦即战略 必须包括参与者在每一种可想象到的情况下的行动选择。 令日，是第f 个参与者的信息集的集合，彳，= u 机吼彳( 啊) 为其行动集合，其中： 彳( 办，) 是信息集的行动集合。参与者f 的一个纯战略是从信息集集合日，到行动集集 合彳j 的一个映射，用s ：日，j 彳，表示，对于所有的啊，s ，( 磅) 彳( 办，) 。s ，可 以表示为在每一个信息集囊上的行动空间彳( 办，) 的笛卡尔积： s ，2 蚤彳( 啊) e 爿 ( 5 ) 支付。指在一个特定战略组合下参与者得到的确定效用水平或期望效用 水平。用“，表示第f 个参与者的支付，“= ( 甜l ，一，“f 一，“。) 为，2 个参与者的支付组合。 ( 6 ) 结果。是博弈分析者所感兴趣的所有东西，如均衡战略组合、均衡行动 组合、均衡支付组合等。 ( 7 ) 均衡。指所有参与者的最优战略组合，一般记为s = ( s ? ，j ? ，s ：) 。s ? 是第f 个参与者在均衡情况下的最优战略，是参与者f 的所有可能战略中使“，或助， 最大化的战略。用s 一，= ( s i ，s 川，j 川，j 。) 表示除参与者f 之外的所有其他参与者 的战略组成向量，则s ? 是给定j ，情况下第f 个参与者的最优战略，满足： “( j ? ，s 一，) 甜，( j ：，j 一，) ，v 5 ：j ? 张艳：基于博弈论的流域水资源配置研究 1 5 对所有的f _ 1 ，2 ，甩同时成立。 2 1 4 博弈论划分方法 根据在博弈过程中参与者之间能否达成一个具有约束力的协议，博弈论可以划 分为合作博弈和非合作博弈。合作博弈以参与者群的可能联合行动集合为基本元 素；非合作博弈以单个参与者的可能行动集合为基本元素。合作博弈与非合作博弈 的区别之处在于：合作博弈集中讨论哪个参与者群而不是哪个单个参与者能做什 么，它不考虑参与者群内部作用的具体细节【6 5 1 。 根据参与者行动的先后顺序和参与者对有关其他参与者的特征、战略空间及支 付函数的了解程度，有学者将非合作博弈划分为4 种基本形式【鲫，见表2 4 。 表2 4 非合作博弈的基本划分 、 行动顺序 静态 动态 信息 完全信息静态博弈；完全信息动态均衡； 完全信息 纳什均衡 子博弈精炼纳什均衡 不完全信息静态博弈：不完全信息动态博弈； 不完全信息 贝1 斯那什均衡精炼贝叶斯那什均衡 2 2 纳什均衡 纳什均衡( n a s he q u i l i b r i 啪) 是1 9 9 4 年度诺贝尔经济学奖得主美国经济学 家纳什( j o l u lf n a s h ，j r ) 教授在5 0 年代定义并证明的。通俗的讲，如果一种行动对竞 争对手的行动来说是最佳回答，而竞争对手的行动转而又是对最初行动的最佳回 答，那么双方就确定了一种均衡战略，称为纳什均衡。它是完全信息静态博弈解的 一般概念。 纳什均衡在n 人有限博弈这种相当广泛的博弈类型中具有普遍存在性，其奠定 1 6 扬州人学硕+ 论文 了现代主流博弈理论和经济理论的根本基础。纳什均衡反映了博弈的解是博弈各方 都不愿意单独改变策略的策略组合这个规律。 在刀个参与人的标准式博弈g = 矗，j ：，j 。；“，：，。) 中，其中局中人的策 略记作s ，支付记作。如果策略组合g ? ，j ? ，s ：) 满足对每一个人f ，5 7 是( 至 少不劣于) 他针对其他甩一1 个参与人所选策略s 二= g ? ，s 二。，s 二i ，吖：) 最优反应策 略，则称策略组合g i ，s ? ，s ：) 是该博弈的一个纳什均衡。即 ，g ? ，s 二，s ? ，s 二。，s ：) g ? ，j 二。，s ，s 二。，j ：) 用通俗的表达既是“给定你( 们) 的策略，我的策略是我最好的策略( 最符合 我的利益) ；给定我和其他人各自的策略，你的策略也是你最好的策略( 最符合你 的利益) 。” 由纳什均衡的定义可以看出，纳什均衡实质是描述一个局中人的协议，并且在 没有任何外在强制的情况下，所有给定的局中人都遵守这个协议，而这是因为局中 人是理性的且遵守协议带来的效用大于不遵守协议时的效用，也就是说没有任何局 中人有积极性不遵守这个协议( 即该协议是可以自动实施的s e l f - e n f o r c i n g ) 。纳什均 衡虽然不是最优的，但它是帕累托有效的( p a r e t oe m c i e n c y ) 。帕累托有效是指在某 种经济状态下，商品和资源的配置在不使另外一些人境况变糟的情况下就不能使某 些人的境况变好。 2 3 博弈论与水资源配置的关系 水资源配置离不开各级政府与不同用水主体的共同参与。在用水过程中，中央 政府目标与地方政府目标以及各个用水主体目标之间很可能并不完全一致，甚至相 互冲突。政府具有集体理性，力求保证全社会对水资源的公平、高效和可持续利用； 水管理单位和用水个体具有个体理性，更感兴趣于如何在既定的约束下使自己的用 张艳：基丁- 博弈论的流域水资源配置研究 1 7 水效用最大化。由此导致用水过程中不可避免地存在着个体理性与集体理性的冲 突。 个体理性行为可能导致集体非理性，个体利益最大化也并不必然导致集体利用 最大化。因此在水资源配置理论研究过程中，不能简单地忽略个体理性，或通过 政府强加干预的方式使个体理性表面上服从集体理性，而是必须设计一种机制，以 期在满足个体理性的前提下达到集体理性。 与传统的利用经济学方法研究水资源配置相比较，博弈论在解释个体理性与集 体理性的冲突与合作方面更为有效，见表2 2 。博弈论将参与者之间的相互作用作 为研究合作与冲突问题的重点，强调个体效用函数不仅依赖于自身的选择，而且更 依赖于他人的选择，个体的最优选择与其他人的选择息息相关嗍，因此在用水冲突 与合作研究中具有较强的生命力。 表2 2传统经济学与博弈论研究方法比较 学科代表传统经济学 博弈论 研究稀缺资源有效配置中人与自然的关研究稀缺资源有效配置中人与人的行为 研究目标 系 关系 基本假设 理性人假定有限理性假定 研究模式 给定约束条什下最大化个体效用给定约束条件下最人化个体效用 将价格制度视为解决合作与冲突问题的将非价格制度参与者之间的相互作 基本制度，其他制度冈素被看成外生变用作为研究合作与冲突问题的重点，认 切入点 量。参与者只对价格参数感兴趣，即使为制度是一个稀缺要素，制度短缺或制 这些参数是被全体参与者的行为决定的度供给滞后同样会制约经济发展 认为个体决策是在给定价格的收入条件认为个体效用函数不仅依赖于自身的选 下，最大化其效用。个体作出决策时面择，而且依赖丁他人的选择；个体的最 决策观 临的是一个非人格化的东两，而非另外 优选择是其他人选择的函数 的决策主体 理性观 认为个体理性等同丁集体理性认为个体理性可能导致集体非理性 1 8 扬州人学硕十论文 把博弈论纳入水资源配置研究体系具有深厚的理论基础，可从如下几个方面加 以说明【5 】： 首先，博弈论在解决冲突与合作问题时，把用水户的行为作为研究对象。由于 水资源配置涉及众多部门、组织和群体的切身利益，因此在配置过程中不同用水行 业、用水部门、用水地区以及用水目标的冲突与合作是广泛存在的。 其次，博弈论承认用水户的个体理性，主张个体理性与集体理性应合理兼容， 认为个体利益的最大化的前提是，必须在满足个体理性的条件下达到集体理性。在 水资源配置过程中，不同的用水目标、不同的财政收支体系和不同的投资决策机制， 常常导致不同管理部门的不同用水主体在个体理性与集体理性之间的错位。这种个 体理性和集体理性的差异不仅是造成用水冲突问题的主要缘由，也是解决用水合作 问题的逻辑起点。 最后，博弈论不仅把不同的制度模式作为主要的分析变量，同时又把能够满足 纳什均衡条件所有参与各方均可自主接受的制度模式作为研究结果。在水 资源配置过程中，所有用水主体会依据不同的制度约束做出有利于自己的行动选 择，其中只有满足博弈的内生规则的制度才能成为有效的制度，这一研究思路为水 资源配置从冲突走向合作的制度设计提供了理论基础。 张艳：基丁博弈论的流域水资源配置研究 1 9 第三章流域水资源配置冲突博弈分析 由于流域上中下游分属于各有关省区，在水资源的开发利用中，为了争夺有限 的水资源，地方保护主义和经济发展水平的差异造成了地方政府决策的冲突，加剧 了流域各用水区域间的用水竞争。特别是在水资源利用中靠挤占生态用水