面向节水的工业企业生产用水决策模拟及调控政策优化探讨

本文是一篇决策模拟论文，本文采用情景仿真和智能优化方法来研究节水政策下企业生产用水决策问题以及实现不同规模企业节水政策组合的优化。
第一章 绪论
1.1 研究背景
近年来，工业化和城市化的快速发展、人类生产和生活方式的转变使得水资源的需求量不断增大。联合国近期发布的一份报告称，全球用水量每年增长约1%，到2050年，估计用水量将增加20%~30%。有限的自然水资源和不断增长的用水需求之间的矛盾制约着社会经济的发展，同时也促进了需水管理的深入实践[1]。面对用水需求的突飞猛涨，我国早在2012年就发布了通过资源管理制度建设节水型社会的文件，目标是设定水资源使用的上限，以规范和防止工业和城市过度发展造成资源短缺[2]。建设节水型社会作为中国特色“生态文明”的体现，已被写入十四五规划并成为重要的规划之一。党的十八大以来，我国始终坚持新时期治水方针，强化需求管理，把“节水优先”放在首要地位[3]。同样，党的二十大报告强调，中国式现代化是人与自然和谐共生的现代化，我国始终坚持节约优先，坚持可持续发展。节水作为需水管理的重要内容，把水资源作为城市建设的前置刚性约束条件，对破解我国复杂水问题保障我国水安全至关重要，对于节水型社会建设具有重要意义[4, 5]。
工业作为我国第二大用水主体，具有利益相关者多、社会辐射面广、带动作用强等特点。抓好工业节水，尤其是高耗水行业节水，不仅可以缓解水资源供需矛盾，还可产生示范作用带动全社会共同节水[6]。近年来，我国工业用水量呈现下降趋势，但仍然存在用水粗放、用水效率低等问题，总体形势不容乐观。具体表现为：（1）用水量大，且存在浪费现象。据水资源公报显示，2021年全国用水总量为5920.2亿m3，其中工业用水量为1049.6亿m3。除了存在严重的缺水问题，另一方面由于企业节水意识不强、水价偏低导致水资源严重浪费。（2）用水效率较低。2021年水资源公报显示，我国万元国内生产总值（当年价）用水量51.8m3，万元工业增加值（当年价）用水量28.2m3，和国际上先进水平相比仍存在一定差距。这表明工业节水潜力巨大，工业企业节水不仅能够为我国用水总量控制提供坚实的基础，而且可以减少废水排放，改善水环境。

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1.2 研究目的及意义
1.2.1 研究目的
从水资源供需矛盾的严峻现状来说，建设节水型社会的目标需要三大用水主体的共同努力。目前我国节水工作的重点多聚焦在生活用水以及农业用水上，实际上企业作为用水大户，具有极大的节水潜力。由于企业盈利的特殊性以及作为经济发展的中坚力量，企业节水工作进行缓慢，节水积极性不高，节水的意识不强。另外，近年来国家虽然陆续出台了针对工业企业节水的相关政策文件，但缺乏具体的实施细则和操作办法，政策落实情况较差，工业企业节水的成效并不显著。在一定条件下，企业可以通过减产以实现节水的目标，或通过加大节水资金投入提高用水效率实现目标。鉴于此，本文的研究目的如下：
（1）探究水价、补贴和惩罚力度对整个行业生产用水的控制效果 从企业节水的动力来说，经济效益是企业决策的基础，因此本研究聚焦企业生产用水，基于计划用水量、平均用水量、最大用水量设置奖惩标准，提出一种根据节水量和超水量进行精细补贴和罚款的机制。考虑到三种需水管理政策对企业成本效益的影响，基于仿真研究水价、补贴和惩罚力度变动下企业用水决策问题，为实现企业积极参与节水，履行社会责任提供必要的理论参考。
（2）明晰水价、补贴和惩罚力度变动对不同规模企业用水决策的影响 企业具有异质性，因此在研究水价、补贴和惩罚力度对整个行业生产用水控制效果的基础上，进一步根据计划用水量将企业按规模分成大中小三种类型，通过设置不同政策情景，对比分析不同规模企业的节水参与情况，讨论不同节水政策力度对不同规模企业生产策略选择的影响。希望能更好地实现企业和政府之间的良好互动，同时也为相关部门制定需水管理政策提供一定的理论参考。
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第二章 理论基础及框架
2.1 相关理论基础
2.1.1 需水管理理论
20世纪70年代，美国能源需求快速增长，出现了电力供不应求的困境。为缓解用电压力，相关部门开始强调需求侧管理。实践证明，需求侧管理相关实践能够有效缓解能源供需矛盾问题。其后，需求管理被逐步应用于包括水资源领域在内的其他资源稀缺领域，从而促进了需水管理理论的发展。需水管理是相对于供水管理提出的，以往针对水资源短缺对人类正常活动及社会发展的制约，多采用超采地下水、开发新的水源、跨流域远距离调水等措施来满足日益增长的用水需求。而这种从供水角度出发的“以需定供”的配水方式和管理模式不符合可持续发展理念，容易对水安全产生巨大威胁。在国际上，以色列受自然禀赋的制约率先研究需水管理。20世纪70年代，美国等一些水资源相对丰富的国家也逐步转向需水管理。直到2000年，社会经济快速发展产生的资源供需矛盾迫使寻求更适合的水资源管理方式，我国才开始重点关注需水管理实践问题。有研究[81, 82]提出我国供水管理应向需水管理转变，走可持续发展之路。在此基础上，Jiang等[83]总结了中国实施水资源供需管理对策的过程，还有研究[84]则进一步阐述了从供水管理向需水管理转变的关键。近年来，我国政府在制定和实施水资源管理相关的法律、政策等方面，已融入了需水管理的一些理念，使得需水管理理论得到进一步拓展。
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2.2 企业生产用水控制理论分析框架
对高耗水企业而言，受水资源相关政策的管制，其水资源的获得是有限的。而水资源的可用性决定了企业的生产规模和经济效益，直接影响到企业的生存发展。在我国需水管理背景下，如何在企业的生产经营环节融入“节水优先”治水理念，必将成为高耗水企业用水的重要决策前提。
2.2.1 工业节水需求分析
（1）政府需求分析
为实现经济社会可持续发展，“十四五”规划强调优先节水、依法治水，把握节水工作的新机遇，努力全面推进节水型社会建设。对于政府来说，促进工业企业节水是缓解水资源供需矛盾的重要举措，同时也是保障我国水安全的重要任务。在需水管理实施过程中，政府承担着举足轻重的作用，其对工业节水工作的重视程度和落实程度关系到整个经济社会节能减排的进展与成效。政府之所以积极引导工业企业进行节水，一方面是因为工业企业作为我国第二大用水主体，具有巨大的节水潜力；而深层次的原因主要在于节水是一项多重目标决策，能够同时兼顾社会效益、资源环境效益和经济效益。其中，工业节水的社会效益主要体现在可以提高工业用水效率，有助于促进经济可持续发展以及保障社会和谐稳定；其次，工业节水的资源环境效益主要体现在可以遏制水资源的过度开发和浪费，用水量的减少和用水效率的提升间接减少了工业企业污水废水排放，从而降低了对生态环境的破坏，促进了绿色发展；最后，其经济效益主要体现在工业节水可以促进工业企业工艺流程以及技术的升级，从而实现以更少的水资源创造更多的经济价值。因此，政府倡导工业企业实施节水的行为从本质上来说就是实现这三重效益。另外，从政府角度来看，在节水层面工业企业节水首先考虑的是社会效益和资源环境效益，其次是经济效益，但经济效益反过来会间接影响到社会效益和资源环境效益，具体表现为经济效益的保障推动了资源环境的治理和社会的稳定。因此，对政府来说，在节水工作推进的过程中如何根据现实情况做出这三重效益的权衡至关重要。
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第三章 考虑节水政策的工业企业生产用水决策模型构建 ................ 24
3.1 问题描述和基本假设 .................................... 24
3.2 企业生产用水决策模型的构建 ..................... 25 
第四章 不同政策组合情景下工业企业生产用水决策仿真 ................ 36
4.1 数据来源及参数设定 ............................ 36
4.2 不同政策因素对企业生产用水控制效果研究 ............................ 37
第五章 基于粒子群算法的工业企业生产用水调控政策优化 ............ 54
5.1 研究思路 .............................. 54
5.2 粒子群算法 ........................... 55
第五章 基于粒子群算法的工业企业生产用水调控政策优化
5.1 研究思路
由于不同规模企业对政策变动幅度的敏感性不同，导致企业的用水决策在不同类型节水政策的约束或激励下呈现出不一致性。另外，节水工作是兼顾环境效益和经济效益的多目标决策。对政府而言，不仅需要关注企业生产过程中节水的总量，还要考虑到税收和市场稳定，保证企业的经营利润不受太大影响。而政府作为工业企业生产用水调控政策的设计主体，如何在明晰不同规模企业对不同政策响应规律的基础上，权衡企业节水的环境效益和经济效益，分别制定适用于大中小企业生产用水的调控政策组合对工业需水管理的深入实践意义重大。因此，本研究在第四章研究结果的基础上，对由水价、补贴力度和惩罚力度构成的政策组合进行优化，探寻政策力度变动下不同规模企业的最优调控政策组合，希望能为政策制定提供理论参考。
根据前文研究可知，情景分析方法虽然能够在一定程度上分析节水政策的有效性以及比较政策的优劣，却很难能找到满足目标要求的最优政策组合。而粒子群优化算法作为经典的智能优化算法之一，因其易于理解、收敛速度快、设置参数少、简单易实现等优点，已被广泛用于解决水资源优化问题[105]。该算法利用个体之间的交互实现群体信息共享，不断更新搜寻到的当前最优解从而得到全局最优解。基于此基本思想，可知本研究政策组合优化的具体思路。

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第六章 结论与展望
6.1 主要结论
用水总量和用水强度双控目标实施以来，相关部门采用行政、技术等手段对工业进行用水量的宏观调控。工业作为用水大户，如何通过优化政策组合实现企业节水是经济高质量发展的内在要求，也是建设节水型社会的重要工作。
在此背景下，本研究运用仿真和优化方法探究不同政策情景下高耗水工业企业生产用水决策的响应规律以及适用于不同规模企业的最优节水政策组合。首先，基于需水管理理论从政府和企业两个角度分别分析工业节水需求，在此基础上对企业生产策略的选择机理进行描述；其次，通过对政府职能和企业生产决策过程的分析构建企业生产用水决策模型；再者，通过赋予变量实验参数，基于MATLAB软件实现模型的仿真，从而探究不同政策因素对企业生产用水的控制效果以及对不同规模企业的生产用水决策影响；最后，基于粒子群算法优化出不同权重情景下不同规模企业的最优政策组合。本研究的主要结论如下：
（1）提高水价和惩罚力度能够控制企业用水，但会造成企业经济效益下降；提高补贴力度能实现节水和经济效益增长的双重红利。总之，从节水量来看，三种政策因素都能在一定程度上有效控制企业用水。另外，补贴力度对节水企业的节水力度影响很大，能大幅降低企业生产用水，但对企业的节水参与度影响不明显。惩罚力度则与之相反，能够督促更多企业参与到节水的行列中，但对节水企业的节水力度作用不明显。而水价的上升不仅能提高节水企业的节水力度，还能促使原本不参与节水的企业实施节水行为。
（2）对于计划用水量在平均用水量和最大用水量之间的企业而言，因不受罚款的约束，企业节水的积极性较小，更倾向于保持现状。同时，补贴力度对企业用水决策有影响，且随企业规模的增大作用效果更明显；对于计划用水量大于最大用水量的企业而言，发现水价和补贴力度对于规模越大的企业影响作用越大，而惩罚力度对于规模越小的企业影响作用越大。
参考文献（略）