《Agricultural Water Management》：Modeling participation willingness and contract optimization of agricultural water rights options under hydrological uncertainty
研究背景与问题：全球水资源短缺日益制约区域经济发展与人类福祉，农业作为最大用水部门，用水量大、利用效率低，加剧了供需失衡。中国北方和西北地区是保障国家粮食安全的核心农业基地，但传统大水漫灌造成地下水超采、径流减少、土壤盐渍化和生态系统退化，形成稳定粮食生产与可持续用水之间的结构性矛盾。内蒙古河套灌区是典型代表：作为大型灌区和重要商品粮基地，其外部供水依赖度高、灌溉效率低。市场导向的水权交易被视为解决传统农业配水低效的可行方案，中国准市场化水权制度将水所有权与使用权分离，使市场配置水资源成为可能。然而，传统现货水权交易存在固有局限：自然变异与人为干预造成区域水市场风险特征各异，现货交易还存在公平性缺陷，难以保障欠发达地区用水安全和公共用水福利。在中国，灌区是农业用水管理的基本单元，承担水权分配、取水与输配水运行，是农业水权交易的主要参与者，但复合自然与市场风险显著抑制其现货交易意愿与活跃度。水权期权作为创新风险管理工具被引入，赋予购买方在合约期内以预定价格交易固定水量而不承担强制义务的权利，比现货交易更灵活稳定，已广泛用于干旱应急管理和降低农业生产者交易成本。现有研究存在三方面不足：一是多采用基于历史数据的事后分析，缺乏前瞻性预报驱动的期权参与意愿估计，难以满足期权交易的事前决策需求；二是决策机制分析是静态的，忽视历史预报误差对风险感知和市场信心的调节作用，无法解释参与意愿的时间波动；三是机制分解较浅，少有研究区分核心合约参数的差异化作用、界定期权交易的盈亏平衡规模并分析参数敏感性，对精准合约设计的量化指导不足。
研究内容与结论：针对上述不足，研究人员构建了多层耦合模型，整合四部分内容：（i）种植模式与节水的双目标优化；（ii）期权—现货损益的随机分解；（iii）基于累积前景理论（CPT）的意愿测度；（iv）滚动预报误差驱动的动态信任调整。与传统关注静态水—土资源配置的线性规划模型不同，该双目标优化模型充分耦合了水文预报的随机特征与水权期权的市场风险属性。研究边际贡献有三：提出基于历史预报误差的新型滚动信任调整模型，实现风险感知与参与意愿的迭代动态估计；厘清合约量与执行价格的差异化作用路径，定量推导水期权交易的盈亏平衡条件并检验参数敏感性；采用前瞻性水文预报数据预测期权参与意愿，更好适应水期权交易的事前决策特征。研究以河套灌区临河区为研究区，其农业用水矛盾突出、水权市场化改革需求迫切，研究结果可为干旱灌区农业节水、水权期权市场推广和标准化期权合约设计提供理论支撑与实践参考。
关键技术方法：研究采用多层耦合建模框架，按五步级联推进：一是通过双目标作物规划内生确定可交易水权，以ε-约束法求解最大化净种植收益与最小化毛灌溉用水量的Pareto解集；二是评估双重随机不确定性下的水权期权合约收益，将现货水价与买方缺水量设为随机变量并假定统计独立，按三种行权情景计算期权期望收益；三是推导条件于行权情形的现货交易收益（STR）与期权违约金（OLD）权衡；四是基于累积前景理论进行路径分类与静态参与意愿量化；五是利用滚动预报误差信号进行意愿的跨期调整。数据方面，模型输入取自2009—2024年田间统计面板数据，包括灌区年度初始确权水量与实际耕地面积；年度水资源禀赋采用简单指数平滑（SES）预报，平滑参数经估计后生成2010—2025年预报值，2010—2015年为预热期，2016年起采用滚动六年窗口的预报误差校正意愿。作物参数来自实地调查与地方农业生产年鉴，期权参数、现货水价与缺水量分布依据河套灌区历史水权交易价格与灌区供需记录标定，CPT参数采用既有文献设定。
研究结果：
4.1 种植优化结果与可交易水量。4.1.1 单目标规划：在不考虑节水改造时，以最大化种植收益为目标调整小麦、玉米和向日葵种植面积。2016—2025年间小麦面积固定于1.20×104 ha的最低粮食面积约束，种植结构调整主要体现为玉米与向日葵之间的替代；向日葵单位产值较高，其面积总体扩张，玉米面积收缩，总灌溉用水逼近年度确权水量上限；在2022、2024和2025等缺水年份，模型转回玉米并减少向日葵面积以稳定种植收益。从供需看，除2020和2021年出现小幅盈余外，总毛灌溉用水量均等于预报水资源量，盈余不稳定不足以支撑期权合约交割，灌区缺乏可靠可交易水量，无法满足合约量q。收益方面，2016—2023年无节水情景下PI稳定在19.04×108—19.27×108 CNY，2024—2025年预报水资源量降至约9.03×108 m3时，刚性水约束压缩可优化种植面积，PI降至约18.27×108 CNY；由于无稳定可交易盈余，现货交易收益STR基本为零，作物产出是灌区唯一经营收入来源。4.1.2 双目标规划：基于2024年土地与水资源禀赋构建双目标模型，采用ε-约束法求解，Pareto最优解刻画了节水投资、作物节水率、节水量与农业收益之间的权衡。与单目标情形形成关键对比：2024年单目标解受水约束限制未能耕种全部可用土地，而双目标下每个Pareto最优解均耕种全部可用土地，原因是工程措施的节水技术释放了约束单目标解的用水限制，使全部耕地得以投入生产，这是节水措施内生放松约束的直接结果。
4.2 期权合约期望收益。研究人员构建水权期权合约C(Pstr, Ppre, q, t)，其中Pstr为执行价格、Ppre为期权费、q为合约水量、t为合约期，并刻画买方侧两类不确定性：现货水价Pspo~N(μspo, σspo2)与买方缺水量Wlack~N(μlack, σlack2)。比较Pspo与Pstr、Wlack与q，定义三种行权情景：基本行权概率P1=P(Pspo>Pstr)、部分行权概率P2=P(0≤Wlack< />3=P(Wlack≥q)。情景1中现货水价不高于执行价格，买方放弃行权，灌区仅获得固定期权费；情景2中买方部分行权，灌区获得期权费加实际交付水量的行权收益；情景3中买方完全行权，灌区获得期权费加全量行权收益。期权交易总期望收益为三情景收益之和。研究指出，独立性假设是本文局限：若现货水价与缺水量实际正相关，则独立性假设下情景3的联合概率会被低估，进而低估该情景下期权的对冲价值。
4.3 现货与违约损益推导。在期权收益模块确定种植收益、节水成本、可交易水量和独立期权收益后，灌区一旦签约即面临现货收益或违约损失。研究人员设缺水量服从左截断正态密度，令实际交付量D=min(Wlack, q)，推导行权与非行权条件下的条件现货价格期望；未触发行权时收益为可交易水量与平均现货价格之积；触发行权时按可交易水量是否覆盖交付需求分段给出现货交易收益或期权违约金，其中现货价格被用作供给短缺的单位罚金，以弥补期权收益仅按缺水量与合约量关系计算正常交付成本而未能覆盖卖方违约风险的缺口。对行权与非行权两种情形取期望，得到综合期望现货/违约损益，尾部积分与区间积分分别以闭式解和标准截断正态一阶矩表达式解析计算，并在Python 3.11中实现。
4.4 路径分类与静态参与意愿。研究从是否签订水权期权合约与是否实施作物节水措施两个二元选择构造四条互斥路径：S1签约且节水（PI+WROR+E(STR/OLD)?WCC）、S2不签约不节水（PI+STR，作为现状基准）、S3签约不节水（PI+WROR+E(STR/OLD)）、S4不节水签约（PI+STR?WCC），并给出各路径综合期望收益的构成。由于前景值无界且难以跨情景比较，研究采用累积前景理论刻画灌区相对基准路径的收益与损失的非对称感知，构建标准化意愿指标：先设定CPT价值函数，含收益域风险厌恶系数α、损失域风险寻求系数β和损失厌恶系数λ；再设定收益与损失的主观概率权重函数，含曲率参数γ和σ；随后将路径分为签约策略集与不签约策略集，计算累积前景值VOC与VNOC；最后构造标准化相对偏好指标WTPtbase=(VOC,t?VNOC,t)/(|VOC,t|+|VNOC,t|)，取值于?1至1，正值表示签约策略占优，负值表示不签约策略占优，零表示无差异。
4.5 基于滚动预报误差的跨期意愿校正。上述过程仅由当期预报禀赋得到静态基线意愿，未刻画灌区依据历史预报表现更新信任的过程。实践中意愿随信任变化而修正：前期预报准确则增强对当期预报的信心并强化意愿，前期误差大则降低信心并弱化意愿。多数研究采用当期预报误差构造校正因子，需实时观测数据，适用于回测而非前向模拟；本研究采用滚动回推机制，以t?1期相对预报误差构建t期信任信号。设Wkfcst与Wkreal为第k期预报与实际水权，绝对预报误差为二者之差绝对值，历史基准为紧邻t?1期之前五期误差的算术平均，t期相对偏差比为Rt=εt?1/μt，Rt<1表示预报精度提高、>1表示恶化、=1表示不变；将R映射到有界区间得校正信号Δt=(1?Rt)/(1+Rt)，Δt∈(?1,1)。研究假定：若预报可靠性不劣于基准，灌区完全接受基线意愿；若预报表现恶化，则趋于谨慎、意愿收敛至中性观望状态，即校正系数在Δt≥0时取1，Δt<0时取1+Δt，信任校正意愿等于基线意愿乘以校正系数。该校正满足两个现实约束：Δt≥0时校正系数为1，避免人为放大决策偏好；Δt→?1时校正系数趋于0，校正意愿收敛于零，反映风险感知上升和中性观望态度。
讨论与结论：讨论部分围绕路径差异背后的机制、合约设计启示、研究局限与框架可移植性展开。研究结论可概括为：工程节水是农业可交易水权的主要来源；期权合约与节水措施产生协同收益增益；参与意愿随历史预报误差波动；在执行价格与合约量影响下出现盈亏平衡转折点；现货侧损失约束期权合约的无限制扩张。研究结果可为干旱灌区农业节水、水权期权市场推广和标准化期权合约设计提供理论支持与实践参考。
