南水北调东线水资源配置问题探讨（王慧,王慧敏,仇蕾）

时间：2022-02-24 15:18:49 浏览量：次

摘要: 针对南水北调东线实际和传统水资源配置方法的局限性，借鉴金融工程理念，将水期权契约作为市场机制下水资源配置方式来提高东线水资源使用价值和配置效率。分析期权契约理论用于南水北调水资源配置的可行性，结合南水北调东线水资源系统实际，构建基于期权契约的东线水资源配置体系，根据对流域水资源供求缺口的影响因素分析，得出水价的均值回复特性，并用Ornstein-Uhlenbeck均值回复模型来描述其动态随机过程。在此基础上引入多次执行期权契约，采用应用动态规划方法对期权价值进行求解，构建水期权契约在东线的应用流程。结果表明在南水北调东线水资源配置中引入水期权契约能够提高水供给保证率、降低水资源配置成本。

关键词: 水资源配置;期权契约;多次执行;动态规划;南水北调东线

中图分类号: TV213.9 文献标识码: A

南水北调东线工程能缓解我国北方水资源严重短缺、优化配置水资源。该工程建成后将形成连结长江、淮河、黄河、海河的多流域、多水源、多目标的水资源大系统。目前，我国水资源配置和管理存在以下不足:①传统水资源配置方式仅仅以技术经济效益最优化为目标，没有体现沟通和协调;②传统的水资源供需关系易导致“市场失灵”和“行政失灵”;③传统的水资源配置中，水价形成机制及水权的规定性往往不能适应社会、经济、生态及环境的较快变化。因此如何寻找一种新的水资源配置方式来弥补传统配置方法的缺陷，便成为东线亟待解决的问题。

1 期权契约用于水资源配置的合理性

期权，是指某一标的物的买卖权或选择权，由于期权实行未来实物交割，可以规避标的物市场价格波动的风险。与期货不同，期权的买方只有权利而没有义务，增加了资源配置的柔韧性，降低交易风险。

期权契约作为一种衍生金融商品，20世纪70年代产生于西方，在布莱克—斯克尔斯期权定价模型建立后开始得到日新月异的发展。20世纪90年代初，美国加利福尼亚州建立了首家“水银行”，其后将期权交易应用于水权交易中，使得美国水资源得到了更加合理的配置。

对于南水北调东线这样一个大型的跨流域调水工程，使用基于水期权交易的水资源配置方式将使水权交易变的更加方便、可行，大大减少买、卖方的风险，降低水资源配置成本，并且能够解决传统理论和方法难以处理的问题。

（1）期权契约本身就是一种契约关系，是市场经济的产物，采用期权契约理论研究中国水资源配置和管理问题，使之适应市场经济下的管理体制。在水期权契约中不以组织机构和行政隶属关系作为支撑，而以强调合作和签订契约作为管理职能实施的基础。成员通过供需“协议”，实现“沟通与协调”，使整个水资源系统处于“双赢”平衡状态。

（2）天气是影响水资源需求和供给的重要因素，由于天气的复杂多变，降水量、蒸发量的时空变化较大，从而使水资源的合理配置面临着较大的不确定性。由于期权契约的引入可以规避各种因素导致的水资源供给量变动的风险，从而使交易变得可信（reliable）。

（3）传统的刚性水资源配置，由于实行水交易量全额买卖，资源配置成本较高。期权契约实行权利金交易，由于权利金远低于标的资产价格，可以降低现时资金占用，减少成本，实现低成本的资源配置。与传统的刚性水价形成机制和水权规定性相比，期权契约具有价格发现、调剂余缺等功能，进一步降低了水资源配置的交易成本。

（4）为了实现水资源价值的高效利用，剩余水权的转让便会很频繁。由于永久水权的转让手续较繁琐、成本较高，大大阻碍了水权的流转，影响了水资源价值由低向高的转移。水期权契约的引入使水权的流转更具灵活性，只有水期权执行时才会产生水权的转让。

（5）建立以期权契约为基础的水资源配置方式，能增加期权购买者应对水量供给、水价格以及水质不确定的能力，扩大水资源分配范围，增加水资源配置的灵活性。

（6）规避水价波动风险。用水企业有规避水价波动风险的内在要求，而水资源配置方式的引入，利用其风险转移机制，可以很好地防范和调控市场风险，同时，期权市场的价格发现机制也十分有利于水价的形成，从而实现水资源的合理配置。

2 基于期权契约的东线水资源配置体系

南水北调东线工程水资源系统是一个多流域、多水源、多目标的开放性复杂大系统，涉及北方许多省市和众多用水部门的利益。在以市场为基础的水资源配置的基础上，采用水期权配置方式，可以规避由水资源供给和需求的不确定性导致的风险，从而提高东线整体水资源配置效率。东线水资源配置体系理论框架如图1（略）所示。

根据《南水北调东线工程规划》，南水北调东线工程将分3期实施。根据《规划》中制定的管理体制及运作方式，将第1期划分为3个子系统，即江苏水资源系统、南四湖水资源系统和山东水资源系统，各系统之间以协议规定的供水过程相连接。第1期工程从扬州市的江都抽引长江水，逐级提水北送，并连接在输路线中起调蓄作用的洪泽湖、骆马湖、南四湖、东平湖，向山东等地送水。根据水资源特性，每一调蓄湖泊周围都存在一个网状的供水系统，因此以每一调蓄湖泊为中心建立流域供水公司，负责流域内水资源的配置及流域调水计划的制定和实施，同时各流域供水公司受南水北调东线水资源调度控制中心的统一协调和控制。

在进行水期权交易时，考虑到南水北调东线的跨流域性，建立了1个东线水期权交易中心和7个流域水期权交易中心，通过互联网实现交易中心间的信息互通，同时各流域水期权交易中心受东线水期权交易中心的协调和控制。南水北调东线水期权交易中心负责流域间的水期权交易，而流域水期权交易中心则负责流域内的水期权交易。

南水北调东线需水从用途上分为农业用水、工业用水、生活和生态环境用水。在这3类用水中，生活和生态用水量较小，用途和用量相对固定，受不确定性因素影响较小。而工业用水，特别是农业用水不仅用量大（约占总用水的70%），而且用水的不确定性也大，存在的变数多，增加了东线水资源配置的难度。因此，在水期权交易时主要针对工业用水和农业用水。

3 东线水期权契约界定

3.1 东线水期权契约涵义

水期权契约是一种标准化的合约或协议，根据国内外水期权理论和实践，结合中国水情和南水北调东线工程水资源系统实际，水期权的有效期较一般商品期权的有效期长，一般为3～20a。因此，引入多次执行期权契约（也称干旱水期权契约），可以方便水权交易、规避东线受水区用水户水价波动的风险。它可以在有效期内执行多次，即期权持有者在m时期内最多可以执行###R次，这里m>R>0，在某一时期内可以执行也可以放弃，但m时期内总的执行次数不超过###R次，执行前须提前一定的时间通知期权卖方。期权的执行价格K在契约中规定，如果现货市场上标的资产的价格为St ，那么立即执行期权的收益等于St -K。

假定各用水户获得了初始水权，各用水户间可通过水期权交易所实现水权的买卖，水期权卖方支付一定的权利金购买水期权，以获得在未来某一段时间以某一特定价格购买一定量水的权利，而不是义务。当期权买方缺水或现货水价高于执行价格时，则执行该期权，水期权卖方有义务按合约中规定的价格和量售水。如期权买方不缺水，则放弃执行，期权卖方还可以获得权利金大小的收入。

3.2 东线水期权契约内容

南水北调各用水户间签订的水期权契约条款的基本内容包括:①期权执行价格;②水质要求;③开始日期;④结束日期;⑤最大执行次数;⑥出售水量;⑦契约执行通知提前期;⑧违约行为约束等。

4 东线水期权定价研究

水期权契约签订后，买方需向卖方支付一定的权利金，因此需根据南水北调东线实际研究期权价值定价方法，以此为基础确定权利金大小。由于水期权契约的标的资产为水价，首先要研究市场机制下东线受水区水价波动趋势，量化水价变动所体现的水资源供给和需求风险，从而建立合适的期权定价模型。

4.1 东线准市场机制下水价波动趋势分析

随着水市场的建立和完善，水价将成为水权交易的核心问题，水资源的合理定价对节约交易成本、促进水权交易顺利进行具有重大意义。

在完全竞争的市场中，商品价格一般遵循随机游走过程，不具有预测性，但根据中国水情以及水资源的独特性，水价不仅受市场供求关系的影响，还受制于国家宏观调控，因此市场机制下水价波动趋势便与一般商品不同，通过分析南水北调东线受水区水价影响因素来总结东线市场机制下水价波动趋势。本文在研究南水北调东线水资源供给和需求影响因素的基础上，将原始水价定价模型与该地区水权特点相结合，研究基于水资源供给和需求的水价定价模型，从而为提高水资源供给保证率的研究奠定理论基础。

比如，对于东线沿线某一特定受水区，水资源供给来自于本地水和外地水，水资源需求主要有工业、农业、生活和生态环境需水，由于本地水价格较调水价格低，东线受水区用户则优先使用本地水，当本地水供给不足时，才会使用价格较高的外调水。通过综合分析，东线沿线某流域内水价的影响因素主要有以下几个方面。

（1）东线调水价格。南水北调东线工程从长江下游取水，下游水量丰富，多年平均入海水量约9600亿m3 ，即使在特枯年也有6000多亿m3 ，调水量取决于引水工程规模，而引水工程规模的设计足以保证干旱年份东线工程沿线需水的要求，因此东线调水价格主要受工程投资、固定资产折旧、贷款利率、泵站费用等因素的影响，在长时间内不会发生大的波动。同时调水价格越高，受水区水价越高。

（2）东线沿线本地可供给水资源总量和本地水价格。本地可供给水资源总量包括地表水、地下水和中水回用量。可开采地下水量通常用多年平均地下水可开采量表示，中水回用量受污水处理技术、污水设备投资等的影响，两者长期波动不大，可以假定其在某一段时期内为常量。地表水是影响本地可供给水资源量的最主要因素，主要受降雨量的影响，其变化具有很大的波动性和随机性，从而使得水价具有随机变动性。一般情况下，降雨量越小，本地可供给水资源量越少，外调水越多，受水区水价越高;反之，水价则越低。本地水价格主要受社会经济发展水平、供水工程状况、用户承受能力、政策因素、环境保护、水质、水资源丰缺程度等因素的影响，与调水价格相比，本地已有水源工程水价格较低。

（3）工业、农业、生活和生态环境需水量。工业用水量受季节因素影响比较小，每月用水量相差不大。而我国农业生产多在自然环境下进行，因而对自然降水的依赖性大。由于农业生产对水资源的依存度高，而且大部分生产类用水又不能重复利用，因此自然降水不足的部分必须依靠地表水、地下水或调水补足，由此导致农业用水的不确定性。生活需水量则主要受人口和生活水平等因素的影响。生态环境需水量受植被类型、河道状况等因素的影响。根据南水北调东线水资源调配规则，需水量越大，本地可供水资源量越低，则水价越高。

从以上分析可以看出在市场机制下，对东线沿线某一流域而言，本地水供给量和实际需求量之间的供求缺口会对水价产生重要影响，缺口越大，水价越高，反之，则越低。而影响水资源供求缺口的本质因素是流域降水量，由于降水量呈现很大的随机性、高变动性和均值回复性，使得市场机制下东线沿线水价也表现为高变动和均值回复的特性。

4.2 东线水期权定价模型

由以上分析可知，水期权的标的资产水价与一般金融市场中商品的价格不同，不具有完全市场机制下的随机游走特性，而表现出极大的均值回复特性，另一方面，在中国水市场中引入的多次执行水期权具有很大的奇异性，因此不能依据简单的Black-Scholes期权定价模型对东线水期权进行定价，而必须寻求一种新的方法。

因此，考虑用标准动态规划方法对水期权价值求解。自1994年Dixit和Pindyck提出将动态规划作为“实物期权”或“投资机会”定价的一种方法后，该方法就成为解决一些具有不确定性和不可逆性的投资决策的基本理论。动态规划方法可以考虑到离散时间和连续时间序列分析，也涉及到一系列引起不确定性的随机过程。

在水期权契约中，将多次执行期权契约的定价问题转变成一个标准动态规划公式需要一个控制变量和两个状态变量。控制变量xt 表示当前时期是否执行期权，xt =1表示执行，xt =0表示不执行。两个状态变量分别为Pt （水的当期价格）和Rt （期权所剩余的执行次数）:

这里，P和^P分别表示水价的最低和最高值;R为期权有效期内的最多执行次数。需强调的是，既然期权最多执行次数执行完后便不可执行，因此当Rt =0时xt =0。

两个状态变量都随着时间的变化而变化，但其动态变化过程则截然不同。如果当期买方执行期权则剩余执行次数下降，即:

Rt+1 =Rt -xt （1）

描述水价变动趋势的状态变量更加复杂，可用Ornstein-Uhlenbeck均值回复过程描述水价的均值回复特性:

dP=η（P-P）dt+σdP （2）

式中η和P分别表示回复速度和均值回复水平。这些参数均可从价格数据中估计出。当然，水价变动趋势模型并不一定局限于均值回复过程，也可能是其他随机过程。

目标函数是通过优化每一期是否执行期权的决策，最大化期权有效期内期权期望收益之和:

对于式中引入的多次执行水期权而言，尽管用动态规划方法能求解出多次执行期权的数值解，但与其它期权定价方法相比，用计算机程序求解动态规划问题比较繁琐，但可以通过使用功能强大的计算机和编写有效率的求解算法来解决这个问题。

5 东线水期权交易流程设计

基于期权契约的水资源配置方式的有效实施需以水期权交易的正常进行为基础，因此有必要参照普通金融市场中期权的交易流程，设计符合东线水市场实际的水期权交易流程，基本步骤如下。

（1）水期权交易双方收集水期权交易资料，预测水权价格走势，并选择各自的经纪人，支付经纪人佣金。

（2）水资源看涨期权买方及看跌期权卖方委托经纪人向水期权交易所提供水权用途的说明，还需要提供排污标准合格证明等。该条件完全是为了保护生态环境，保护水质不受污染，只有这样，在利用水资源时才能避免新的污染和浪费。

（3）水权看涨期权卖方及看跌期权买方是依法获得流域水资源使用权的个人或机构，他们在水期权交易前要向水期权交易所出具取水许可证，以降低水期权交易中的风险。

（4）水期权买方或卖方下达水期权交易指令给其经纪人，由经纪人送达场内交易员，后者按照水期权买方或卖方的交易指令下单操作。

（5）一项水期权合约的合法有效，必须以水期权交易所内核定与清算中心结算、登记为前提，且水期权买方应在结算之后立即支付权利金，而水期权卖方也要立即在其保证金账户内存入相应数量的履约保证金和清算中心提出的追加保证金。

6 结论

跳出现有的思维模式，借鉴当代金融工程的理念，本文提出应用“水期权契约”理论与方法进行南水北调东线水资源配置，用以规避水资源配置风险，降低水资源配置成本。为了保证水期权能正常交易，构建了基于期权契约的南水北调东线水资源配置体系，完善水期权契约的实施环境。鉴于东线水资源的特殊性，探讨市场机制下影响东线水价变动的因素，分析水价波动趋势，在此基础上引入多次执行期权契约，并考虑用动态规划方法对期权价值进行求解。本文研究内容具有开拓性和广泛的应用前景，对市场机制下水价和水期权定价模型的建立、东线水期权运行组织机构和流程的深入设计还将作进一步的研究。

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作者简介: 王慧，女，河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室;河海大学管理科学研究所，博士研究生。

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