南水北调东线长期运营管理收入分享契约协调研究

南水北调东线长期运营管理收入分享契约协调研究

1景观开发方面新疆排水工程是解决中国北方水资源严重不足的重大流域水源问题的大型节水工程。这是一项与中国经济可持续发展密切相关的重大节水基础设施建设。该项目分为三个部分：东部、西部和东部。从长江上、中部和下游取水，形成连接长江、淮河、黄河和淮河的供水系统。中国水资源的“四个横、三个纵、南北配置、东西互补”总体格局。目前,东线一期工程即将建成,并将全面投入运营,但关于调水工程优化运营管理理论和实践尚不够深入。目前,已经有不少学者把供应链理念引入到跨流域水资源优化配置和调度中,提出了水资源供应链的概念及其模型,并对相应的若干问题做了初步研究,由于水资源调度和配置具有极强的计划性和协同性,而供应链理念则体现了整体的协同性和利益最大化,因此,将供应链管理理念引入到南水北调运营管理中具有可行性和适用性。有不少文献把供应链理念引入到水资源的优化配置和调度中,提出了水资源供应链的概念及其模型,并对水资源供应链物流、信息流、资金流,库存管理、物流管理、长鞭效应、风险管理以及供应链协调等若干问题作了初步的研究。(1)关于南水北调东线供应链的可行性、界定以及架构研究。王慧敏等早先论证了供应链管理理论与方法用于南水北调运营管理的可行性,并分析南水北调东线供应链的概念模型和运作模式;朱九龙等对南水北调东线水资源供应链的结构进行了设计和优化;张莉等分析了三层结构的南水北调东线水资源供应链及其特点;张玲玲等研究了南水北调东线水资源供应链管理的CAS范式及其柔性管理;陈志松等对社会责任与经济效益双重目标下南水北调工程运营管理的演化博弈及策略进行了研究。(2)关于南水北调东线供应链定价研究。王慧敏等研究了南水北调东线水资源供应链的联合定价模型;张莉等建立了内外部市场价格歧视的南水北调东线水资源供应链定价模型;Chen等研究了南水北调两部制定价机制及水资源优化配置方案。(3)关于南水北调东线供应链库存研究。朱九龙等分别建立了南水北调水资源供应链VMI决策模型、非对称信息条件下的库存集中控制决策模型以及节点湖泊水资源库存控制模型;陶晓燕研究了南水北调水资源供应链多级湖泊的库存控制问题;侯艳红等研究了南水北调水资源供应链的VMI协调策略及SRSS模型。(4)关于南水北调东线供应链长鞭效应研究。朱九龙等分析了南水北调东线水资源供应链牛鞭效应的成因并提出了相应的控制对策。(5)关于南水北调东线供应链配置研究。朱九龙建立了南水北调东线供应链水资源配置的多目标模型;陶晓燕对南水北调工程沿线单节点湖泊的水资源分配行为进行分析;陈志松等分别建立南水北调优化调度和配置的Newsvendor模型。(6)关于南水北调东线供应链协调与合作研究。张玲玲等研究南水北调东线水资源供应链多级价格协调及基于委托代理理论的契约协调;侯艳红等提出基于属性的南水北调东线供应链协调方法,建立了南水北调东线供应链灵活订货量契约的动态规划模型;Chen等研究策略客户行为下南水北调供应链优化与协调,建立南水北调供应链合作运营的非对称Nash讨价还价模型;Wang等研究南水北调供应链优化定价与协调方案。综上,现有的研究成果对南水北调供应链的各类优化运营管理问题已经进行了一定程度的探索。虽然文献已经从演化博弈角度探讨了南水北调东线工程运营管理中的社会责任和经济效益之间的关系,尚缺乏对于社会责任与经济效益双重目标下的南水北调供应链协调运作机制的研究。水资源作为一种兼具有竞争性和排他性的准公共物品,决定了南水北调东线工程是一项兼具有公益性功能和经营性功能的准公益性工程,东线工程参与主体既有南水北调办公室、各省水利厅等政府主体,也有水源公司、干线公司等公司主体,政府主体致力于维护公共利益,而公司主体更倾向于追求经济效益,这就决定了南水北调东线水资源供需系统的运营目标要兼顾经济效益和社会责任(南水北调工程的经济效益主要指通过南水北调东线工程进行跨流域水资源调度、配置和交易所取得的经济利润;南水北调工程的社会责任(SR)主要体现为:预防和治理南水北调东线沿线的水污染灾害及恢复重建;预防和治理调水过程所带来的相应的生态、环境问题,协调和平衡水源地和受水区的生态补偿和利益分配;宣传节约用水,建立节约用水的技术和机制,鼓励企业采取技术及管理措施减小水资源调度、配置和输送过程中的损失,激励用水户节约用水)。在社会责任和经济效益双重视角下,南水北调东线工程应当如何优化运营,如何协调个体理性与集体理性,如何进行水资源的优化定价和配置决策、并建立有效的协调机制,从而实现南水北调供应链整体利益最大化及参与主体个体利益帕累托改进,将是工程建成之后面临的一项紧迫任务,同时也是管理科学理论在水资源管理应用中的关键问题。本文尝试探讨在社会责任和经济效益双重视角下的南水北调供应链优化决策和协调问题,从经济效益视角和社会责任与经济效益双重视角两个方面,分别建立相应的Stackelberg分散决策模型和集中决策模型,并建立相应的协调机制,从而为相关决策者提供决策参考。本研究的创新点在于:在理论上,该研究针对水资源的准公共物品属性和跨流域调水工程的准公益性,基于供应链管理的基本思想,构建社会责任和经济效益双重目标下跨流域调水工程协调运作机制,回答了准公共物品供应链运营管理的核心问题-社会责任和经济效益双重目标下的协调定价-配置机制。在实践中,研究成果能够为政府相关部门制定发展规划、调节各项政策提供决策支持,为南水北调工程运营管理决策者提供决策参考。2逆需求函数的建立及求解南水北调东线工程是一个多水源、多目标和多工程,抽、蓄、供水并举的大型跨流域复杂大系统,该系统由四大湖泊、京杭运河及其他若干河道、泵站、闸站、调蓄水库等水利枢纽工程等组成。通过对南水北调东线工程系统结构分析和概化,并参照文献的系统界定,本文将南水北调东线工程概化为江苏系统和山东系统组成的南水北调东线水资源供需系统,江苏系统主要包括黄河以南洪泽湖、骆马湖、南四湖及相应的河道、泵站、闸站、调蓄水库等水利枢纽工程,山东系统主要包括东平湖、北大屯、千顷洼、大浪淀、北大港蓄水工程及相应的河道、泵站、闸站、调蓄水库等水利枢纽工程。江苏系统的主要运营主体为江苏水源公司和江苏省供水公司,可概化为系统供应商和本地分销商,山东系统的主要运营主体为山东干线公司、山东供水公司等,可概化为外地分销商。为建模需要,设定i=1,2,N={1,2},用1标记本地,2标记外地,则有参数设置如表1所示。终端水价受降水的影响,降水量越大,用户可以得到的免费水资源供给越多,则水价越低,根据经济学中供需与价格变动关系,本文设定如下的逆需求函数表达式:pi(qi,ri)=ai-biqi-φiri,本文主要决策变量为:分销商水资源订购量qi,分销商单位水资源批发价wi,供应链社会责任绩效水平pSR。本文从经济效益视角和社会责任与经济效益双重视角两个方面,分别建立相应的Stackelberg分散决策模型和集中决策模型,并建立相应的收益分享协调机制。3集体理性与个体理性的决策背景在经济效益视角下,不考虑社会责任的履行,分别考虑基于集体理性的供应链集中决策和基于个体理性供应链分散优化决策,并考虑如何协调集体理性和个体理性的决策。3.1集中决策下的最优定价显然,南水北调供应链集中优化问题如下:分别求解目标函数关于qi的一阶条件和二阶Hessian矩阵,则有集中决策下最优的订购量、零售价和供应链最优利润分别为:3.2优化stingelger动态博弈供应链分散决策下,假设供应商先行动,选择最优的批发价wi,分销商在观测到供应商的批发价后,选择水资源订购量qi,本文利用逆向推导法求解该Stackelberg动态博弈。3.2.1关于首件事件中的决定，s的优化问题如下分别求解目标函数关于qi的一阶条件和二阶导数,则有分散决策下分销商的水资源订购量关于wi的最优反应函数分别为:3.2.2供应商的最优批发价将分销商的水资源订购量关于wi的最优反应函数带入到供应商的目标函数中,则有供应商的最优化问题如下:分别求解目标函数关于wi的一阶条件和二阶Hessian矩阵,则有分散决策下,供应商的最优批发价分别为:将供应商的最优批发价带入到分销商的水资源订购量关于wi的最优反应函数中,可得到分散决策下分销商最优的水资源订购量和零售价分别为:则只考虑经济效益情形下,分销商、供应商和供应链的最优利润分别为:3.3最优水资源的购量是收入分享契约下的最优利润为了实现供应链的个体理性决策与集体理性决策的协调,则要使得qiC=qi(wi),即需满足wi=c,但该协调条件供应商不愿接受。因此,本文引入收入分享契约,假设分销商将其收入的1-ϕi(0≤ϕi≤1)的比例分享给供应商,此时分销商i的最优化问题为:分别求解目标函数关于qi的一阶条件和二阶Hessian矩阵,则有收入分享契约下分销商i最优的订购量为:收入分享契约下,要实现个体理性决策与集体理性决策的协调,即要使得qiC=qiRSC,piC=piRSC,即有协调条件wiC=ϕic。收入分享契约下,分销商和供应商的最优利润分别为:显然,对比Stackelberg博弈决策和协调集中决策情形,有ΠCsc>ΠDsc,qiC>qiD,piC<piD,即协调集中决策情形下的供应链利润高于Stackelberg博弈决策情形;且协调集中决策情形下的最优水资源订购量高于Stackelberg博弈决策情形,而协调集中决策情形下的最优水资源批发价低于Stackelberg博弈决策情形。同时,为了使得供应商、本地和外地分销商有经济动因参与契约协调,则必须满足ΠCri≥ΠDri,ΠsC≥ΠsD,即协调集中决策情形下的供应商和分销商的利润不低于Stackelberg博弈决策情形,即要满足条件:∑i∈Nbi1-2ϕi(ai-φiri-ci-c)2≥0,且ϕi≥41从上述集中决策、分散决策及协调决策模型分析结果来看,南水北调供应链、供应商和分销商的最优利润随着终端用户对水资源的基本支付意愿的增大而增大,随着降水量利用率的增大而减小,随着降水量的增大而减小,随着调水成本的增大而减小。4逆需求函数在社会责任与经济效益双重视角下,南水北调供应商和分销商不仅要考虑经济效益最大化,同时也要考虑社会责任的履行,在前述模型假设前提下,终端零售价中需考虑到社会责任的影响,参照Ni等的模型假设,可以将前述逆需求函数表达式修改为:式中ki为用户愿意为社会责任投入的额外支付。同理,分销商的转移支付也需考虑到社会责任的影响,则可以将前述的分销商的转移支付修改为:式中hi为社会责任对于分销商批发价的边际影响。假设社会责任绩效水平的成本主要产生于供应商,且该成本函数为社会责任绩效水平的二次单调递增函数,即:式中pSR为供应链社会责任绩效水平;cSR为供应商的社会责任成本因子。下面分别考虑基于集体理性的供应链集中决策和基于个体理性供应链分散优化决策,并考虑如何协调集体理性和个体理性的决策。4.1b集中决策下的绩效显然,南水北调供应链集中优化问题如下:分别求解目标函数关于pSR和qi的一阶条件和二阶Hessian矩阵可知,当满足不等式2b1b2cSR>b2k12+b1k22时,有集中决策下最优的社会责任绩效水平、订购量和零售价分别为:集中决策下供应链最优的利润是:4.2模型1:任绩效水平psr和批发价wi供应链分散决策下,假设供应商先行动,选择最优的社会责任绩效水平pSR和批发价wi,分销商在观测到供应商的社会责任绩效水平和批发价后,选择水资源订购量qi,本文利用逆向推导法求解该Stackelberg动态博弈。4.2.1决定南北供应链链的优化问题如下分别求解目标函数关于qi的一阶条件和二阶Hessian矩阵,则有分散决策下分销商的水资源订购量关于wi和pSR的最优反应函数分别为:4.2.2供应商和供应商的最优选择将分销商的水资源订购量关于pSR和wi的最优反应函数带入到供应商的目标函数中,则有供应商的最优化问题如下:分别求解目标函数关于pSR和wi的一阶条件和二阶Hessian矩阵,则有分散决策下,供应商的最优社会责任绩效水平和批发价分别为:将供应商的最优社会责任绩效水平和批发价带入到分销商水资源订购量关于pSR和wi的最优反应函数中,可以得到分散决策下分销商最优的水资源订购量分别为:则考虑社会责任和经济效益情形下,分销商、供应商和供应链的最优利润分别为:4.3最优水资源购买量为了实现供应链的个体理性决策与集体理性决策的协调,则要使得qiCS=qi(pSR,wi),即需满足wi=c-hipSRCS,但该协调条件供应商不愿接受。因此,本文引入一种改进的收入分享契约,假设分销商将其利润的1-ϕi(0≤ϕi≤1)分享给供应商,此时分销商i的最优化问题为:分别求解目标函数关于qi的一阶条件和二阶Hessian矩阵,则有收入分享契约下分销商i最优的水资源订购量为:收入分享契约下,要实现个体理性决策与集体理性决策的协调,即要使得qiCS=qiRSC(pSRCS,wi)。经求解可得,在满足2b1b2cSR>b2k12+b1k22时,有协调条件改进的收入分享契约下,分销商和供应商的利润分别为:显然,对比Stackelberg博弈决策和协调集中决策情形,有ΠscCS>ΠscDS,pSRCS>pSRDS,qiCS>qiDS,piCS<piDS,即协调集中决策情形下的供应链利润高于Stackelberg博弈决策情形;且协调集中决策情形下的最优水资源订购量高于Stackelberg博弈决策情形,而协调集中决策情形下的最优水资源批发价低于Stackelberg博弈决策情形。同时,为了使得供应商、本地和外地分销商有经济动因参与契约协调,则必须满足ΠriCS≥ΠriDS,ΠsCS≥ΠsDS,即协调集中决策情形下的供应商和分销商的利润不低于Stackelberg博弈决策情形,即要满足条件:从上述集中决策、分散决策及协调决策模型分析结果来看,南水北调供应链、供应商和分销商的最优利润随着终端用户对水资源的基本支付意愿的增大而增大,随着降水量利用率的增大而减小,随着降水量的增大而减小,随着调水成本的增大而减小,随着社会责任成本因子的增大而减小。5数值分析5.1系统总体效率分析目前,南水北调东线工程尚未全面投入运营,还没有工程实际运营数据,因此,在数值分析部分,本文依据《南水北调工程总体规划》中的规划数据及调水工程相关经验数据,并设定了部分参数从而进行数值分析。本文为数值分析进行了如下参数设定,且该参数设定满足不等式条件2b1b2cSR>b2k12+b1k22。根据相关水资源公报,江苏和山东多年平均降水总量r1和r2分别为1020.6亿m3和1067.5亿m3,并假设终端用户降水使用比率φ1和φ2均为1%;另据调水工程的经验数据及宋健峰等的研究,抽水成本一般介于(0.2～0.5)元/m3之间,由于南水北调东线工程地势南低北高,假设供应商抽水成本c为0.2元/m3,本地分销商和外地分销商的调水成本c1和c2分别为0.3元/m3和0.4元/m3;由于外地水资源短缺比较严重,外地用户愿意支付较多的费用购买水资源,设定本地和外地用户对水资源的基本支付意愿a1和a2分别为15元/m3和16元/m3;由于水资源是一种特殊的商品,价格变动所带来的需求变动相对较小,设定终端用户需求曲线的斜率b1和b2均为1;分销商一般要比终端用户要承担更多的社会责任,设定本地和外地分销商批发价的社会责任边际影响h1和h2均为0.1,本地和外地用户愿意为单位水资源社会责任边际影响的额外支付k1和k2均为0.005,设定供应商的社会责任成本因子cSR为1;依据前述理论分析,经济效益视角下的分销商保留利润比例介于25%～50%之间,社会责任和经济效益双重视角下的分销商保留利润比例介于24.999%～49.999%之间,可以充分保证供应商和分销商都有足够的经济动因参与契约协调,故本文设定本地和外地分销商均保留各自利润的40%,而将60%的利润分享给供应商。下面分别从经济效益视角及社会责任与经济效益双视角对南水北调供应链的优化和协调进行数值分析,计算结果如表2所示。5.2协调集中决策从数值分析结果来看,本文可以得到以下4种性质:性质1:无论是纯经济效益视角还是社会责任与经济效益双重视角下,协调集中决策情形下的本地和外地分销商最优订购量都高于分散决策,协调集中决策情形下的本地和外地分销商最优批发价和最优零售价都低于分散决策。性质2:无论是纯经济效益视角还是社会责任与经济效益双重视角下,协调集中决策情形下的供应链整体利润、供应商和分销商的利润都高于分散决策。性质3:对比纯经济效益视角和社会责任与经济效益双重视角,社会责任与经济效益双重视角下供应链整体利润、供应商和分销商的利润都不低于纯经济效益视角。性质4:社会责任与经济效益双重视角下,协调集中决策下的社会责任绩效水平也高于分散决策情形。6收益共享协调机制、社会责任与履行成本的匹配从南水北调东线工程运营管理实务角度,研究给我们的启示主要包括:(1)通过Stackelberg分散决策和契约协调决策模型分析及结果分析的性质1和性质2可知,江苏水源公司应积极加强与江苏供水公司、山东干线公司的信息沟通和信息共享,建立契约协调机制以实现南水北调供应链绩效的帕累托改进;可建立如下的收益共享协调机制:江苏水源公司以收益分享因子ϕ1和ϕ2比例的调水成本作为批发价售水给江苏供水公司和山东干线公司,江苏供水公司和山东干线公司则采取供应链最优零售定价决策和供应链社会责任绩效水平决策,而江苏供水公司和山东干线公司则分别将1-ϕ1和1-ϕ2比例的运营收益分享给江苏水源公司。相比于各方分散博弈决策情形,该收益共享协调机制可有效提高南水北调东线各运营主体的运营绩效,实现帕累托改进。同时,收益共享协调机制下的南水北调东线工程社会责任绩效水平也高于分散博弈决策的情形,即收益共享协调机制也有助于保障社会责任的充分履行。(2)作为一项大型的准公益性水利工程,南水北调东线工程运营管理要兼顾社会责任和经济效益,南水北调东线工程的社会责任主要包括:预防和治理南水北调东线工程沿线洪、旱灾害及水污染灾害及其恢复重建,预防和治理调水过程所带来的相应的生态、环境问题,协调和平衡水源地和受水区的生态补偿和利益分配等。为了保障社会责任的履行,达到一定的社会责任绩效水平,需要付出相应的成本(水污染治理、水环境保护、水资源节约和水灾害控制等成本)。通过社会责任和经济效益双重视角下的契约协调决策模型分析及结果分析的性质3和性质4可知,南水北调东线工程社会责任主要由江苏水源公司为主导来履行,江苏供水公司、山东干线公司及终端用水户配合水源公司来履行相关社会责任,由此带来的社会责任履行的成本,除了江苏水源公司的社会责任成本的投入,还由江苏供水公司、山东干线公司及终端用水户则对江苏水源公司进行相应的补偿。这里给定