供应链视角下废弃物资源化收益共享研究
金友良 唐美德
【摘 要】 工业废弃物综合利用是实现工业转型升级、提高资源利用效率的重要途径，但目前我国工业废弃物综合利用率仍然不高。如何改善工业废弃物再利用产业普遍存在的低效益现状，调动企业工业废弃物回收利用积极性，是当前实现工业废弃物资源化的关键。基于上游工业废弃物综合利用企业给下游制造商提供再生原料这一背景，建立了工业废弃物资源化的基本模型——分散决策和集中决策模型，得出集中决策结果更优;在此基础上以集中决策结果为标杆构建收益共享模型，实現了对工业废弃物再利用供应链的协调优化，并引入案例验证模型结果。研究表明：收益共享可有效提高供应链整体的经济效益与环境效益，在收益共享情形下，大大降低了上下游企业之间再生原料的交换价格及产品生产成本，并且各企业可获得更高的收益;同时，收益共享关系的建立，能在一定程度上减轻工业废弃物综合利用企业的投资压力，促进大宗固体废弃物综合利用产业的集聚发展。
【关键词】 废弃物资源化; 收益共享; 供应链; 案例应用
一、引言
改革开放40年来，我国工业迅猛发展，成为全球生产体系最为完备、生产能力最大的工业大国，但与此同时，环境和资源压力也在不断加大，工业废物排放影响和制约了产业经济的高质量发展[ 1 ]。2017年，全国202个大中城市一般工业固体废弃物产生量达13.1亿吨，综合利用量仅7.7亿吨，工业废弃物综合利用率不高，这不仅造成了资源的巨大浪费，而且造成了严重的环境污染[ 2 ]。2019年1月，发改委和工信部印发了《关于推进大宗固体废弃物综合利用产业集聚发展的通知》，引导企业推动工业固体废弃物资源综合利用，实现产业规模化、高值化、集约化发展。但是，在推进工业废弃物综合利用产业集聚发展的实践当中，废弃物综合利用企业面临技术研发、高额投资成本和经济效益不确定性等问题，很多企业缺乏积极性，阻碍了废弃物资源化。有学者就此展开了研究，如金友良和沈玖柒[ 3 ]提出，由于存在废弃物再利用成本，且环境效益难以通过成本或价格的形式收回，企业开展废弃物资源化的动力不足。如何提升供应链中各企业的经济效益，驱动企业积极开展废弃物资源化活动，仍是目前需要解决的关键问题。为此，本文尝试将收益共享契约引入废弃物综合利用供应链中，试图解决废弃物回收利用企业只循环不经济的“瓶颈”，以便提升供应链整体的经济与环境效益，并将收益共享模型运用于具体案例，进行详细分析，为提升企业工业废弃物的综合利用水平提供实践指导。
梳理现有文献，国内外学者有关废弃物资源化的研究主要集中在废弃物定价、废弃物管理、废弃物回收以及产业共生等方面。陈军和杨影[ 4 ]构建了政府与工业生态链上下游核心企业间的博弈模型，研究了政府财政补贴下企业的均衡定价策略。刘三红等[ 5 ]从废弃物制造商、回收商和政府三个市场参与者的角度出发，利用决策者利润最大化和动态最优化原理，分析了废弃物价格形成的机制。这是站在废弃物产出企业的角度进行决策，没有考虑第三方废弃物综合利用企业的产品定价问题。赵丽萍等[ 6 ]建立了环境管理水平、废弃物排放、环保财务以及资源循环利用四个方面的环境绩效评价指标，丰富了环境绩效评价的指标体系。袁广达和黄超[ 7 ]通过PDCA循环管理模式“计划、实施、诊断、改进”四个阶段管理内容的研究，构建了一整套燃煤发电厂环境成本控制模式。有关废弃物管理，学者主要以城市固体废物为研究对象，探讨城市固体废物管理对发展新能源的重要意义。如Bong等[ 8 ]回顾了马来西亚政府关于废弃物管理的重要政策，特别强调要通过有效利用有机废物发展可再生能源。有关废弃物回收方面，Tansel等[ 9 ]分析了电子废物回收面临的主要挑战，提出需要在全球范围内建立电子废物运输和处理的会计机制。Jafari等[ 10 ]研究了包括收集商、回收商、制造商的三级双渠道供应链下的废物回收过程，全面讨论了渠道选择问题以及权力结构对均衡定价决策的影响。Giri和Dey[ 11 ]在Jafari等的研究基础上，在模型中加入了一个备用供应商，当再生材料不足时，制造商可以选择从备用供应商处购买新鲜原材料。学者主要以电子废物、建筑废物为研究对象，多采取逆向物流或者闭环供应链方式研究废弃产品再制造问题，产业共生作为实现废弃物资源化的最终和最重要的创新途径，逐渐受到关注。鲁圣鹏等[ 12 ]提出影响产业共生网络形成的因素可归纳为经济、技术与资源、企业认知与能力、政策制度、合作氛围、环境意识与效益六方面。Yu等[ 13 ]通过中国综合性大型企业集团的案例研究，表明产业共生对碳减排有积极影响，碳减排主要得益于副产品交换和能源共生。
大量文献证明供应链契约能够协调供应链成员之间的复杂关系，对提高供应链效率具有十分重要的意义。收益共享契约作为常见的供应链契约之一，不少学者对此展开了研究。例如，代建生[ 14 ]在销售商实施促销努力并拥有部分定价权的背景下，设计了能协调供应链的收益共享契约机制。何彬斌等[ 15 ]分析了制造商市场力量对制造商和供应商R&D活动及收益共享契约的影响。应珊珊和蒋传海[ 16 ]研究收益共享契约实现供应链协调时对上游厂商定价行为、配置效率和社会福利的影响。Song和Gao[ 17 ]将消费者对绿色产品的敏感性考虑在内，得出了收益共享契约可以有效提高产品绿化水平和供应链整体盈利能力的结论。有关废物再利用供应链协调，Heydari和Ghasemi[ 18 ]考虑零售商从消费者处回购废旧产品、制造商通过再制造流程翻新合格的退回产品的两阶段反向供应链，设计了一种收益共享契约，以说服零售商分担制造商的生产能力风险，确定合适的回购价格。Panda等[ 19 ]考虑制造商—零售商供应链，指出制造商除了生产新产品外，还通过反向渠道收集旧产品来履行社会责任，使用收益共享机制可以解决渠道冲突和划分盈余利润。
大部分文献关注的是收益共享契约在废旧产品再制造供应链中的协调作用，且以反向供应链和闭环供应链为主，收益共享契约在废弃物资源化中的应用领域和范围值得拓展。当前，在国家大力推进大宗固体废弃物综合利用产业集聚发展背景下，固体废弃物综合利用产业普遍存在只有循环没有效益的状况严重打击了环保企业的积极性，从而影响到废弃物资源化。鉴于此，本文尝试将收益共享契约应用到上下游企业基于工业废弃物再利用而构建的供应链中，主要探讨收益共享情形下供应链的废弃物资源化。
本文的主要贡献在于：（1）综合考虑了供应链核心企业的经济收益与环境收益，构建了上下游企业基于工业废弃物再利用的博弈模型，为企业的再生原料及产成品定价提供决策参考。（2）首次以工业废弃物为切入点，研究收益共享契约对工业废弃物再利用供应链的协调，既是对收益共享契约在研究对象上的细化，也有助于推动供应链废弃物的协同处理，促进跨行业循环经济产业链的建立。此外，学者在对模型进行检验时多为数值仿真模拟，本文引入QJ市大宗工業固体废弃物综合利用基地的案例，对模型合理性进行了验证，具有实践引导价值。
二、问题描述与符号说明
为落实《工业绿色发展规划》和《循环发展引领行动》，促进产业集聚，提高资源综合利用水平，部分省市已经开展大宗固体废弃物综合利用基地建设，其中，加强工业废弃物综合利用企业与上下游企业的联系和合作是基地建设最重要的一环。工业废弃物综合利用企业（以下简称制造商1）创新工业废弃料利用方式，开发高附加值综合利用产品，销售给下游制造企业（以下简称制造商2）。模型的基本结构如图1所示。
在图1中，制造商1为上游企业，它回收废弃物进行加工处理提炼成再生材料进行销售，并可以通过增加投资来更新设备、提升技术、人员教育培训等，从而提高废弃物回收利用率。参照Savaskan等[ 20 ]的研究，假设回收率是回收商所付出努力的函数，浊是缩放参数，E表示回收商所付出的努力。本文假设制造商1的废弃物回收利用率？，T表示投资成本，由于回收利用对节约资源、改善环境具有重要意义，政府会给予制造商1一定的价值补偿，政府对制造商1回收每单位再生原料并实现交换利用时，给予的单位补偿为k。再生原料接收方为制造商2，它利用再生原料及其他原材料生产出最终产品，再面向市场销售，假设消费者对产成品的需求是制造商2设定的价格线性函数，P2。制造商2生产1单位产品需要从制造商1处购买1单位的再生原料，即制造商2对再生原料的需求函数为制造商1需要的废弃物总量为DW。如何保证制造商1的收益，调动其废弃物回收的积极性，同时使制造商2获得比新鲜原材料更低的价格，下游企业效益不受损，促进基地循环经济产业链的建立，实现工业废弃物综合利用，这是本文想要解决的问题。文中涉及的符号与说明见表1。
三、模型构建与分析
（一）基本模型
为了与收益共享模型进行比较分析，本文首先构建基本的供应链博弈模型：分散决策模型与集中决策模型。
1.分散决策模型（M模型）
分散决策模型的核心思想是制造商1与制造商2根据各自的成本做出决策，以最大化自身的收益。制造商1在废弃物资源化过程中承担了设备购置成本、技术引进成本、人员培训成本等高昂投资，前期的成本投入会使制造商1对与制造商2的合作望而却步，而制造商2可以直接从制造商1处购买再生原料代替新的材料进行生产，节约采购成本，因此，制造商2会更愿意促成与上游企业的合作，使得制造商1在这一博弈中占据主导地位，成为领导者。本文研究了制造商1主导的Stackelberg博弈模型，动态博弈顺序如下：首先，制造商1决定再生原料的价格;其次，制造商2决定产品售价。两者决策的目的是使自身利益最大化。
制造商1通过对废弃物回收处理，将再生原料销售给制造商2时，会获得再生原料销售收入以及来自政府的补助收入，相应会产生废弃物购买成本以及为提升废弃物回收率所付出的投资成本。制造商2获得产品销售收入，相应付出产品生产成本以及再生原料购买成本。根据上述分析，可以得到式（1）—式（3）：
不容忽视的是，在废弃物再利用过程中，通过提高资源的综合利用效率，能减少废弃物的排放以及新鲜原材料的使用，保护生态环境，产生环境收益。文中考虑的环境收益主要包括：制造商1回收废弃物，避免了废弃物直接外排对环境造成的损害;制造商2利用再生原料代替新材料，减少了新材料的使用，减轻环境损害。废弃物再利用产生的环境收益函数表示为：
定理1表明，在分散决策情形下，制造商1为了提升废弃物综合利用率，所付出的成本是巨大的，会影响到经济效益。可见政府对废弃物综合利用企业给予价值补偿是十分必要的，同时也说明，分散决策情形下，制造商1对提高废弃物回收利用率的积极性不高，这不利于资源的充分利用，需要采取措施来提高废弃物综合利用企业废物回收的积极性。
定理2表明，当政府对废弃物综合利用企业的价值补偿满足一定条件时，提高废弃物回收利用率可以提高供应链总体的经济收益。但是政府的价值补偿不是任意和不可变更的，要随着经济条件、市场形势的变化适时做出调整，这样才能激励企业通过提升回收技术、改善提炼流程等方式尽力提高废弃物回收率，使资源得到充分有效利用。
2.集中决策模型（C模型）
集中决策情形下，制造商1和制造商2不再根据自身利益做出个人决策，而是将废弃物再利用供应链视为一个整体来决策，以最大限度地提高供应链整体盈利能力。供应链整体收益函数为：
定理3表明，集中决策情形下，产品销售价格比分散决策时更低，消费者能以更实惠的价格获得产品。由需求函数D2=？琢-？茁P2可知，当市场总需求？琢一定时，由于产品价格更低，消费者对产品的需求量也更加高，有利于扩大制造商2的产品销售量，相应会增加对制造商1再生原料的需求，促进供应链废弃物再利用，推动废弃物综合利用产业的发展。
定理4表明，与分散决策相比，集中决策情形下供应链整体经济收益更大。然而集中决策是供应链管理的理想状态，现实中很难实现。因此，需要采取措施使制造商1与制造商2的决策趋于集中决策，优化废弃物再利用供应链整体收益。
定理5表明，在集中决策情形下，供应链整体环境收益大大提升，是以制造商1为主导进行决策时的两倍。
（二）收益共享模型（S模型）
集中决策是供应链管理的理想状态，现实生活中不同企业很难以一个整体进行决策，收益共享模型的建立为使供应链双方决策趋于集中状态下的水平提供了可能。它的核心思想是制造商2将与制造商1分享部分销售额，以减轻制造商1为实现废弃物综合利用产生的高昂投资压力，并协调供应链企业间的利润分配，从而鼓励废弃物综合利用企业积极参与废弃物回收，实现资源综合再利用。本文建立了以制造商1为主导的收益共享模型，博弈的顺序如下：制造商1先确定再生原料价格P1，在此基础上，制造商2在确保自身利益的前提下，确定销售价格P2并提供收益分享比例λ（0 <λ<1），λ表明制造商2从最终销售额中获得的百分比，剩下的（1-λ）与制造商1共享。此时供应链核心企业的收益函数表示为：
定理8表明，收益共享模型能够提升整个供应链的经济收益与环境收益。收益共享模型的建立，将有效缓解废弃物综合利用企业的投资压力，对提高废弃物综合利用技术水平与装备能力具有重要意义。
四、模型的案例应用
（一）案例背景
QJ市大宗固体废弃物综合利用基地主要以现有工业园区为载体，点、线、片、面紧密结合，构建企业、产业、园区三个层次环环紧扣的循环经济体系。按照总量控制、科学规划、合理布局的思路，重点延伸钢铁、化工、电力、建材等循环经济产业链，推进工业固体废弃物减量化、资源化，促进循环经济快速发展。QJ市围绕示范基地建设，增强企业间横向联合，完善产品中间物质环节，培育扶持了一批高附加值工业固体废弃物综合利用企业，积极开展有色冶炼渣、钢渣、高炉水渣等工业固体废弃物的深层次利用，形成了废弃物综合利用产业集群。基地内资源综合利用效率不断提高，经济效益、社会效益和环境效益明显。2018年，QJ市产业固体废弃物综合利用累计1 304.08万吨以上，累计实现工业总产值149.76亿元，利税18.72亿元，实现就业人数6.5万人。
（二）模型应用
QJ市大宗固体废弃物综合利用基地包括多条生态产业链，考虑到钢铁行业是本地区的支柱产业，且对钢铁废渣的再利用起步早、技术完备，因此，本文选择钢铁行业废弃物综合利用企业与其下游企业建立的两条循环经济产业链为具体研究对象，对模型的合理性进行验证。“十三五”期间，为了进一步提升高炉渣综合利用率，QJ市鼓励企业创新利用方式，开发高附加值综合利用产品。水渣综合利用企业采用集烘干、粉磨、选粉于一体的新型碾磨装置生产出超细矿渣微粉，主要销售给建材厂用于生产水泥和混凝土，形成了水渣—矿渣微粉—混凝土产业链。此外，利用本地区大型钢铁厂产生的高炉除尘灰，高炉除尘灰综合利用企业将高炉布袋除尘灰及其他含锌废渣掺入少量白煤，按一定热值均匀配料生产出次氧化锌，销往锌锭加工企业，形成了高炉除尘灰—次氧化锌—氧化锌产业链。基于实地调研收集的数据资料，对应本文所构建的废弃物资源化供应链博弈模型。
图2展示了水渣与高炉固体废弃物综合再利用两条产业链。依据本文所构建的废弃物资源化供应链博弈模型，可以求解出不同决策情形下各企业的产品定价及收益，如表2所示。
（三）结果分析
从表2中可以看到，不同决策情形下，产品价格及企业的收益不同。与分散决策相比，集中决策情形下建材厂的混凝土砌块售价降低了100.92元，锌锭加工企业的氧化锌售价降低了322.62元。与此同时，水渣、高炉固体废物再利用供应链总的经济收益分别提升了11 203.68元、135 305元，比分散决策时的收益增长了33%，环境收益是原来的两倍。
为了使双方决策的结果达到集中状态下的水平，本文引入了收益共享模型，此时，建材厂混凝土砌块售价定为集中决策下的价格252.70元，氧化锌的价格保持893.23元不变，可以得0.25≤λ≤0.50，以0.04为步长变动，求得λ取不同值下各个决策变量及最优收益，其中高炉固体废物再利用供应链产品售价及收益情况变化如表3所示。为了使结果更加直观，本文以折线图呈现收益共享模型下水渣再利用供应链的博弈结果。
表3中显示，收益共享情形下，高炉固废再利用产业链总的经济收益达到集中决策情形，比分散决策时提高了135 305元，且高炉固废综合利用企业与锌锭加工企业各自的收益均比分散决策时要高，而次氧化锌的交换价格远远低于分散决策情形。
图3反映的是收益共享系数对水渣再利用供应链再生原料价格的影响，可以看到，随着系数λ的提高，矿渣微粉售价也上升，这是因為水渣利用企业获得的收益在不断减少，会设法提高再生原料交换价格。但是与分散决策时相比，由于建材厂会将收益与水渣综合利用企业共享，双方的决策趋于集中决策，收益共享下矿渣微粉交换价格大大降低，水渣综合利用企业提供给建材厂物美价廉的原材料。图4反映出收益共享情形下建材厂产品售价显著低于分散决策情形，说明收益共享模型的引入可以使消费者获得价格更低的产品，相应能扩大建材厂产品销量以及对再生原料的需求量，激励供应链废弃物资源化。
进一步分析可知，随着收益共享系数的提高，上游水渣综合利用企业的收益在不断减少，而下游企业建材厂的收益在持续增加，但无论如何，收益都要高于分散决策情形，收益共享模型可以明显增加供应链企业的经济收益。
五、结语
本研究在国家积极推进大宗固体废弃物综合利用产业集聚发展的背景下，以废弃物综合利用企业与下游制造商组成的二级供应链为研究对象，探讨了分散和集中式供应链的最优决策，并以集中决策为标杆设计了收益共享模型，在此基础上，以QJ市大宗固体废弃物综合利用基地为例，验证了模型结果。
通过研究，得到以下结论：（1）随着废弃物回收利用率的提升，废弃物综合利用企业所获得的经济收益会降低。但是当政府给予企业的价值补偿满足一定条件时，随着废弃物综合利用率的提升，供应链总的经济收益会提高。（2）当制造商与废弃物综合利用企业共享部分收益时，能够降低再生原料交换价格，节约制造商产品生产成本。（3）收益共享情形下，制造商的产品销售价格更低，消费者能以更实惠的价格获得产品，产品销量及再生原料的销量也会增加。（4）收益共享关系的建立使废弃物再利用供应链整体经济效益与环境效益得到提升。
基于研究结论，提出以下建议：政府应当给予废弃物综合利用企业一定的价值补偿，并且应该随着经济条件、市场形势的变化对补贴额度进行调整，为企业提供资金支持，充分调动企业废弃物资源化的主动性和积极性;政策制定者应该认识到，供应链成员之间合理的契约可以改善整个供应链绩效，迫切需要建立适当的机制，使渠道成员在谈判中达成协议，从而促进经济增长与环境改善;对企业来说，上下游企业之间应建立良好的信任机制，积极开展合作。
当然，本研究也存在一定的局限性。首先，为了便于研究，本文假设需求函数是线性的，而不考虑随机需求。其次，出于数据易处理性，本文的讨论局限于单一供应链模型，进一步研究可以考虑多渠道模型。
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