污水排放权交易定价机制研究
在过去的几十年里，中国的非点源水污染治理工作进展缓慢，针对非点源污染的监管研究也很少。中国在控制点源水污染方面也做了许多努力，通过制定和实施严格的规章制度，对城市和工业进行集中治理试验污水，传统污染物如化学耗氧废物和细菌的问题已经得以改善。但不幸的是，水生环境条件并没有随着这些点源控制而得到相应的改善。环保局指出该问题主要究于非点源排放仍然存在。中国作为世界上最大的化肥生产国和消费国之一，农业流域的过量营养负荷被认为是非点源污染的主要来源。近几十年来，富营养水越来越多地排入湖泊，造成了前所未有的富营养化。据SEPA报道，富营养化已成为中国大型淡水湖如太湖、巢湖和滇池的主要水环境问题。并有一项研究表明，非点源营养物占输入太湖的总氮（TN）的59%和总磷（TP）的30%。在巢湖和滇池，总氮的贡献率分别为63%和33%，总磷的贡献率分别为73%和41%。中国对非点源污染的研究始于20世纪80年代初，对一些重要的湖泊和河流进行了相关的研究。然而，与点源相比，对非点源的减排努力依然缺乏，针对非点源监管的研究也非常的少。中国非点源污染控制困难的原因主要有以下两个：（1）非点源污染排放部分依赖于降雨量等随机变量。很难在源头确定和测量非点源排放；（2）传统上，农民不负责控制农业活动造成的污染。因此，传统的命令和控制规则对于农业非点源是无效的，应该应用基于经济激励的政策。近年来，点源和非点源之间的流域减排交易备受关注。人们已经注意到，污染减排交易可以作为一种经济有效的方法来处理中国的非点源污染。点-非点源排污交易的开创性尝试已经在一些地方得到成功实施，例如美国环保局显示的在科罗拉多州的Dillon水库和美国北卡罗来纳州的Tar-PAM河流域应用的交易计划。点-非点源交易的论点分为以下两部分：（1）经济论点：一般来说，非点源控制的成本低于点源控制，Crutchfield（2015）等人研究发现，交易将允许具有较高减排成本的点源以相对较低的成本赞助实施非点源减排。因此，实现水质目标的总成本是可以降低的；（2）物理论据：非点源贡献取决于局部特征，如土地利用、气候和地质。点源经营者可能比远处的监管者更有条件确定局部的水质问题；Letson（2018）等人研究发现在非点源占总排污量大部分的流域，未能控制非点源排放可能导致无法实现水质目标。然而，与点源不同，非点源的排放受温度和降水等随机事件的影响。Stephenson（2019）指出这些负荷并不能准确测量，但实际上代表了实际排放负荷的概率分布。非点源排放的内在不确定性会影响点-非点源交易的结果。在早期的研究中，虽然非点控制的不确定性已经得到了一些讨论，但很少关注如何模拟分水岭点-纳入非点源排放不确定性的非点源交易。Shortle（2019）提出了一个相关的分析，是利用边际减排成本比较，分析了随机排放源之间的分配效率。Malik（2016）等人并在此基础上进行了进一步的研究。他们使用Zilberman农业技术采用模型模拟了非点源行为，并分析了执行成本和与非点负载相关的不确定性对最优交易比率的影响。Bystrom（2016）等人研究了湿地用于控制随机非点源污染的经济合理性标准。Zhang等人则指出点源和非点源之间的流域减排交易可能是解决这一问题的一种具有成本效益的有效方式。然而，非点源排放的内在不确定性会影响点源与非点源排污交易的可行性和结果。而这样研究的目的则是建立包含非点源排放不确定性的分水岭点源与非点源减排交易模型，并检验其对交易均衡和交易比率的影响。非点源排放的不确定性是通过设定一个可接受的概率来考虑的，通过该概率实现流域排放约束范围。并可利用流域优化模型，明确说明最优减排分配和交易比例。研究发现，非点源排放的差异、分配给非点源减排的可靠性要求以及点源和非点源的边际减排成本都对它们有着显著的影响。由于非点源排放的变化可能在减排水平上增加或减少，因此在不同情况下讨论这些因素的影响，对中国点源与非点源交易模式的未来发展方向具有深远意义。
Soltani（2020）提出了一种新的河流农业区排污许可证实时交易方法。采用非线性多目标优化模型确定可用地表取水量和污水排放许可量。然后，可用的许可证总量在农业用水者之间进行相当的重新分配，与他们的可耕地成比例，水资源使用者可同时透过双边及循序渐进的方式，申请取水许可证和污水排放许可证，以利用他们在用水效率和农业回流量方面的差异。在每一个步骤中进行的交易，要么带来更多的利益，要么带来更少的回流。合作博弈则用于重新分配通过不同时间步骤的交易产生的利益，该方法适用于伊朗西南部karkheh河流域的payepol地区等。实时优化模型预测，在耕作年度开始时，农田年可利用水量为1.9227亿立方米（mcm），实时优化模型估计年总效益高达4607万美元，需要将631万立方米的回流转入蒸发池。公平地重新分配污水排放许可证，可将这些价值分别转化为3538万美元和1369万美元。结果表明，所提出的方法在实时水和污水负荷分配及排放许可证交易具有强有效性。
从农田返回的水流是邻近水体的重要污染源，例如河流，这些水体通常是这些土地的主要灌溉水源。这种错综复杂的关系使分配有限的水源同时保持可接受的水质水平成为一项复杂而富有挑战性的任务，需要新的方法来解决。很多研究都集中在水和污水负荷分配的优化模拟框架的应用上。在过去的几十年里，基于市场的方法被提倡为一种成本效益高的水资源分配方式，允许不同水生产率的用户之间进行贸易。同样，可交易污水排放许可证也被提议作为一种经济激励措施，Jarvie（2019）等人在鼓励减少污染排放方面具有不同效率水平的用户遵守环境标准。虽然一些研究已经应用了空气污染交易开发的一系列方法，Weber（2018）等的研究还开发了专门针对水污染许可证的系统。这种框架的一个显著例子是Hung等通过关注水流的单向性提出了一个交易比率系统。此外，中国政府亦致力扩大临时发展大纲图的涵盖范围，以纳入多项水质指标，包括以简单的加权方法计算总量多种污染物排放许可证或应用扩展交易比率系统作为对以上交易比率系统的修改。
回顾过往的工作，我们发现研究提倡的水量及污水负荷分配模式通常仅适用于规划阶段所需的基建设施。Soltani（2018）提出的新的双边分步实时交易用水量和污水排放许可证分配方法确定了具有多种作物的各种农业用水用户的实时用水和污水处理许可证和交易政策。为了准确估计农业回流的数量和质量，利用互换农业水文模型。除此之外，还将一部分回流引入蒸发池，被视为控制排入河道的总污染物负荷量的最佳管理方法。
如果用水权不是传统的分配方式，那么在分配可用的取水许可证时通常会考虑公平措施。通过建立非线性优化模型，可以解决在农业用水者之间公平地重新分配最优水量和最优排量的问题。而公平性测度旨在平衡每个用户在地表取水许可总量中所占的份额及其相对耕地面积。排放回流到河流的许可证直接重新分配，即按每个用户的相对可耕地面积成比例分配。由于蒸发池的容量有限，使用所有分配的取水许可证可能会违反回流量和下游水质的限制。因此，模型通过假设农业用水者可以绕过部分未使用的分配的水，直接返回到河流中。由于地表水预测和实时分配是不断更新的，许可证的公平重新分配也应该在每个实时间隔上进行修订。因此，Soltani（2020）还提供了用于公平分配取水和废物排放许可证的非线性优化的完整公式和变量定义。
公平分配取水和污水排放许可证通常不会为整个系统创造具有成本效益的条件。交易公平重新分配的许可证为用水者提供了一个机会，可以利用他们在用水需求、农业效益、水的生产力以及农业回流的数量和质量方面的差异，实现近乎最佳的总效益，并更好地管理水的数量和质量。研究通过展示这种双边的、逐步的方法，用于同时交易取水许可证和污水排放许可证的泛化应用，其主要步骤方法如下：
第一步，要识别潜在买家和卖家及可交易许可证的数量。根据实时优化模型的结果分配取水许可证和废物排放许可证的区别。再通过公平分配模式，确定可交易许可证的数量。获得较多公平分配许可证的用户，与其最佳许可证相比，是可能的取水许可证及/或污水排放许可证的卖家；而获得较少许可证的用户则是潜在的买家。
第二步，要进行潜在的贸易伙伴的匹配。从上游开始，每个潜在的买家都要考虑每一笔可能的许可证交易，与每一个潜在的卖家。从每位卖方提供的取水及/或污水排放许可证总额中，买方将获取所需的金额。就每种可能的交易而言，两个可能的交易参与者的许可证在交易后会按其价值修改，而其他用水者的许可证则不会更改。
第三步，评估交易、选择最佳交易和更新许可。针对所有可能的交易运行实时分配优化模型，并添加修改后的许可作为约束。在水量和水质限制范围内，双边贸易如能产生最佳的目标函数，便会被确定为最佳目标。买卖双方的许可证将相应更新，而其他使用者的许可证则保持不变。
最后，按照每个选定的交易步骤，重复以上三个步骤，直至达到一致，即没有更多的交易许可证，或交易无法改善目标函数。如果忽略交易成本，则双边交易后的最终目标函数将与实时分配模型所得到的最优值相匹配。并对每个实时间隔对未来河流流量预测进行更新，同时对实时优化和公平再分配结果进行相应的修正。根据每个实时间隔分配的取水许可证和污水排放许可证的变化。这种方法对河流的水质改善以及流域整体经济发展都具有重要的指导意义。