基于期權契約的南水北調(diào)東線水資源配置研究

基于期權契約的南水北調(diào)東線水資源配置研究

銀川東路工程是緩解中國北方嚴重缺水水資源短缺問題，優(yōu)化水資源配置的戰(zhàn)略基礎設施。該工程建成后將形成連結長江、淮河、黃河、海河的多流域、多水源、多目標的水資源大系統(tǒng),供水、防洪、排澇、航運并舉,涉及5個省市和眾多用水部門利益。如何進行該系統(tǒng)的水資源配置與調(diào)度,已成為東線工程面臨的緊迫課題。目前,我國水資源配置和管理存在著很多不足,主要表現(xiàn)在:①傳統(tǒng)水資源配置方式僅僅以技術經(jīng)濟效益最優(yōu)化為目標,沒有體現(xiàn)溝通和協(xié)調(diào);②傳統(tǒng)的水資源供需關系,主要是行政指令性的、強制性的剛性關系,易導致“市場失靈”和“行政失靈”;③傳統(tǒng)的水資源配置中,水價形成機制及水權的規(guī)定性往往不能適應社會、經(jīng)濟、生態(tài)及環(huán)境的較快變化。因此如何尋找一種新的水資源配置方式來彌補傳統(tǒng)配置方法的缺陷,便成為東線亟待解決的問題。本文將探討金融期權理論與方法應用于南水北調(diào)水資源配置的可行性,并對其中關鍵問題進行分析。1水權契約的引入使水資源的配置更加完善期權,是指某一標的物的買賣權或選擇權,具有在某一限定時間內(nèi)按某一指定的價格買進或賣出一定數(shù)量某一特定商品或合約的權利,而不是義務。期權由于實行未來實物交割,可以規(guī)避標的物市場價格波動的風險。和期貨不同,期權的買方只有權利而沒有義務,增加了資源配置的柔韌性,降低交易風險。對于南水北調(diào)東線這樣一個大型的跨流域調(diào)水工程,使用基于水期權交易的水資源配置方式將使水權交易變得更加方便、可行,大大減少水權交易買、賣方的風險,降低水資源配置的成本,并且能夠解決傳統(tǒng)理論和方法難以處理的問題:(1)期權契約本身就是一種契約關系,是市場經(jīng)濟的產(chǎn)物,采用期權契約理論研究中國水資源配置和管理問題,能夠適應市場經(jīng)濟下的管理體制。在水期權契約中不以組織機構和行政隸屬關系作為支撐,而以強調(diào)合作和簽訂契約作為管理職能實施的基礎。成員通過供需“協(xié)議”,實現(xiàn)“溝通與協(xié)調(diào)”,使整個水資源系統(tǒng)處于“雙贏”平衡狀態(tài)。(2)天氣是影響水資源需求和供給的重要因素,由于天氣的復雜多變,降水量、蒸發(fā)量的時空變化較大,從而使水資源的合理配置面臨著較大的不確定。另外,經(jīng)濟社會發(fā)展等因素也進一步加劇了水資源供給和需求的不確定。各種衍生金融產(chǎn)品的產(chǎn)生主要是出于規(guī)避風險的目的,由于期權契約的引入可以規(guī)避各種因素導致的水資源供給量變動的風險,從而使期權契約的交易變得可信(reliable)。通過水期權契約交易可以降低水資源供給和需求的不確定性,規(guī)避水資源配置風險。(3)傳統(tǒng)的剛性水資源配置,由于實行水交易量全額買賣,資源配置成本較高。期權契約實行權利金交易,由于權利金遠低于標的資產(chǎn)價格,這樣可以降低現(xiàn)時資金占用,減少成本,實現(xiàn)低成本的資源配置。和傳統(tǒng)的剛性水價形成機制和水權規(guī)定性相比,期權契約具有價格發(fā)現(xiàn)、調(diào)劑余缺等功能,進一步降低了水資源配置的交易成本。(4)為了實現(xiàn)水資源價值的高效利用,剩余水權的轉讓便會很頻繁。由于永久水權的轉讓手續(xù)較繁瑣、成本較高,大大阻礙了水權的流轉,影響了水資源價值由低向高的轉移。水期權契約的引入使得水權的流轉更具靈活性,只有水期權執(zhí)行時才會產(chǎn)生水權的轉讓。(5)建立以期權契約為基礎的水資源配置方式,較好地克服了傳統(tǒng)的剛性水資源配置。以看漲期權為例,期權購買者在付出權利金以后就獲得了一個靈活性,當未來水價上漲或水資源供給量減少時將執(zhí)行該期權,否則放棄執(zhí)行該期權。增加了期權購買者應對水量供給、水價格以及水質(zhì)不確定能力,擴大了水資源分配范圍,增加了水資源配置的靈活性。(6)規(guī)避水價波動風險。隨著市場經(jīng)濟的發(fā)展,尤其是我國加入世貿(mào)組織后,南水北調(diào)將形成我國最大的水市場,當市場中由于供求關系的變化帶來水價的波動時,供水企業(yè)和用水企業(yè),尤其是華北地區(qū)廣大的需水企業(yè),都將面臨著水價上漲導致的成本增加、利潤下降問題,使企業(yè)處于競爭中的劣勢地位。因此,用水企業(yè)有規(guī)避水價波動風險的內(nèi)在要求,而水資源配置方式的引入,利用其風險轉移機制,可以很好地防范和調(diào)控市場風險,同時,期權市場的價格發(fā)現(xiàn)機制也十分有利于水價的形成,從而實現(xiàn)水資源的合理配置。另外還需強調(diào)的一點是,南水北調(diào)東線需水從用途上分為農(nóng)業(yè)用水、工業(yè)用水、生活用水和生態(tài)環(huán)境用水。在這幾類用水中,生活用水和生態(tài)用水量較小,用途和用量相對固定,受不確定性因素影響較小。而工業(yè)用水,特別是農(nóng)業(yè)用水不僅用量大(約占總用水的70%),而且用水的不確定性也大,存在的變數(shù)多,增加了東線水資源配置的難度。因此,在水期權交易時主要針對工業(yè)用水和農(nóng)業(yè)用水。2關于高校畢業(yè)生間距的約定2.1水保方案的引入—東線水期權契約涵義水期權契約是一種標準化的合約或協(xié)議,規(guī)定了期權買方有權在未來的某一特定時間內(nèi)以某一特定價格從賣方處購買某一定量的水。買方僅僅購買了水資源的使用權,只有執(zhí)行該期權時才能獲得實物水資源。期權賣方有義務在買方要求執(zhí)行期權時按契約規(guī)定的價格出售定量的水。買方為了獲得購買水的權利,需向賣方支付權利金(optionpremium)以做補償,即期權價格。根據(jù)國內(nèi)外水期權理論和實踐,結合中國水情和南水北調(diào)東線工程水資源系統(tǒng)實際,水期權的有效期較一般商品期權的有效期長,一般為3~20年,因此,我們引入多次執(zhí)行期權契約(也叫干旱水期權契約),用以方便水權交易、規(guī)避東線受水區(qū)用水戶水價波動的風險。這里所引入的多次執(zhí)行水期權比普通的奇異期權更加奇異:它是一個美式和歐式看漲期權的混合期權,既不像美式期權那樣可以在期權有效期內(nèi)的任一時間執(zhí)行,也不像歐式期權那樣只可以在期權到期日執(zhí)行,它可以在有效期內(nèi)執(zhí)行多次,即期權持有者在m時期內(nèi)最多可以執(zhí)行RˉˉˉRˉ次,這里m＞Rˉˉˉ＞0m＞Rˉ＞0,在某一時期內(nèi)可以執(zhí)行也可以放棄,但m時期內(nèi)總的執(zhí)行次數(shù)不超過RˉˉˉRˉ次,但執(zhí)行前須提前一定的時間通知期權賣方。期權的執(zhí)行價格K在契約中規(guī)定,如果現(xiàn)貨市場上標的資產(chǎn)的價格為St,那么立即執(zhí)行期權的收益等于St-K。假定各用水戶獲得了初始水權,各用水戶間可通過水期權交易所實現(xiàn)水權的買賣,水期權賣方支付一定的權利金購買水期權,以獲得在未來某一段時間以某一特定價格購買一定量水的權利,而不是義務。當期權買方缺水或現(xiàn)貨水價高于執(zhí)行價格時,則執(zhí)行該期權,水期權賣方則有義務按合約中規(guī)定的價格和量售水。如期權買方不缺水,則放棄執(zhí)行,期權賣方還可以獲得權利金大小的收入。2.2執(zhí)行通知提前期月之后南水北調(diào)各用水戶間簽訂的水期權契約條款的基本內(nèi)容包括:①期權執(zhí)行價格;②水質(zhì)要求;③開始日期;④結束日期;⑤最大執(zhí)行次數(shù);⑥出售水量;⑦契約執(zhí)行通知提前期;⑧違約行為約束等。3關于北銀東街水權的價格研究3.1進程的同時,水系必然以自然降水為主、經(jīng)濟增長為輔在市場機制下,水價主要受水資源供給和需求的影響,對于東線沿線某一特定受水區(qū),水資源供給來自于本地水和外地水,水資源需求主要有工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活和生態(tài)環(huán)境需水,由于本地水價格較調(diào)水價格高,東線受水區(qū)用戶則優(yōu)先使用本地水,當本地水供給不足時,才會使用價格較高的外調(diào)水。通過綜合分析,東線沿線某流域內(nèi)水價的影響因素主要有以下幾個方面:(1)南水北調(diào)東線調(diào)水價格。由于南水北調(diào)東線工程從長江下游取水,長江下游水量豐富,多年平均入海水量約9600億m3,即使在特枯年也有6000多億m3,東線工程從長江下游抽水,水源充沛,調(diào)水量取決于引水工程規(guī)模,而引水工程規(guī)模的設計足以保證干旱年份東線工程沿線需水的要求,因此東線調(diào)水價格主要受工程投資、固定資產(chǎn)折舊、貸款利率、泵站費用等因素的影響,在長時間內(nèi)不會發(fā)生大的波動。同時調(diào)水價格越高,受水區(qū)水價越高。(2)東線沿線本地可供給水資源總量和本地水價格。本地可供給水資源總量包括地表水、地下水和中水回用量。可開采地下水量通常用多年平均地下水可開采量表示,中水回用量受污水處理技術、污水設備投資等的影響,兩者長期波動不大,可以假定其在某一段時期內(nèi)為常量。地表水是影響本地可供給水資源量的最主要因素,主要受降雨量的影響,其變化具有很大的波動性和隨機性,從而使得水價具有隨機變動性。一般情況下,降雨量越小,本地可供給水資源量越少,外調(diào)水越多,受水區(qū)水價越高;反之,水價則越低。由于中國的水市場是國家宏觀調(diào)控和市場相結合的“準市場”,本地水價格主要受社會經(jīng)濟發(fā)展水平、供水工程狀況、用戶承受能力、政策因素、環(huán)境保護、水質(zhì)、水資源豐缺程度等因素的影響,與調(diào)水價格相比,本地水價格較低。(3)工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活和生態(tài)環(huán)境需水量。工業(yè)用水量受季節(jié)因素影響比較小,每月用水量相差不大。而我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)多在自然環(huán)境下進行,因而對自然降水的依賴性大,自然降水的不確定性導致農(nóng)業(yè)用水的不確定性。由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對水資源的依存度高,而且大部分生產(chǎn)類用水又不能重復利用,因此自然降水不足的部分必須依靠地表水、地下水或調(diào)水補足,由此導致農(nóng)業(yè)用水的不確定性。生活需水量則主要受人口和生活水平等因素的影響。生態(tài)環(huán)境需水量受植被類型、河道狀況等因素的影響。根據(jù)南水北調(diào)東線水資源調(diào)配規(guī)則可知,需水量越大,本地可供水資源量越低,則水價越高。從上面的分析可以看出在市場機制下,對東線沿線某一流域而言,本地水供給量和實際需求量之間的供求缺口會對水價產(chǎn)生重要的影響,缺口越大,水價越高,反之,則越低。而影響水資源供求缺口的本質(zhì)因素是流域降雨量,由于降雨量呈現(xiàn)很大的隨機性、高變動性和均值回復性,使得市場機制下東線沿線水價也表現(xiàn)為高變動和均值回復的特性。3.2重新設定價值變化的均值回復特性由以上的分析可知,水期權的標的資產(chǎn)水價與一般金融市場中商品的價格不同,不具有完全市場機制下的隨機游走特性,而變現(xiàn)出極大的均值回復特性;另一方面,在中國水市場中引入的多次執(zhí)行水期權具有很大的奇異性。因此,我們不能依據(jù)簡單的Black-Scholes期權定價模型對東線水期權進行定價,而必須尋求一種新的方法。這里我們考慮用標準動態(tài)規(guī)劃方法對水期權價值求解。自1994年Dixit和Pindyck提出將動態(tài)規(guī)劃作為“實物期權”或“投資機會”定價的一種方法后,該方法就成為解決一些具有不確定性和不可逆性的投資決策的基本理論。動態(tài)規(guī)劃方法可以考慮到離散時間和連續(xù)時間序列分析,并且也涉及到一系列引起不確定性的隨機過程。在水期權契約中,將這個多次執(zhí)行期權契約的定價問題轉變成一個標準動態(tài)規(guī)劃公式需要一個控制變量和兩個狀態(tài)變量?？刂谱兞縳t表示當前時期是否執(zhí)行期權,xt=1表示執(zhí)行,xt=0表示不執(zhí)行。兩個狀態(tài)變量分別為Pt(水的當期價格)和Rt(期權所剩余的執(zhí)行次數(shù)):Pt∈S1=[P??P∧]Rt=S2={0,1,2?,Rˉˉˉ}xt∈X={0,1}t∈{0,1,2,?,m}Ρt∈S1=[Ρ??Ρ∧]Rt=S2={0,1,2?,Rˉ}xt∈X={0,1}t∈{0,1,2,?,m}這里,P?Ρ?和P∧Ρ∧分別表示水價的最低和最高值;RˉˉˉRˉ表示期權有效期內(nèi)的最多執(zhí)行次數(shù)。需強調(diào)的一點是,既然期權最多執(zhí)行次數(shù)執(zhí)行完后便不可執(zhí)行,自然當Rt=0時xt=0。兩個狀態(tài)變量都隨著時間的變化而變化,但他們的動態(tài)變化過程則截然不同。如果當期買方執(zhí)行期權則剩余執(zhí)行次數(shù)下降,即Rt+1=Rt-xt(1)描述水價變動趨勢的狀態(tài)變量更加復雜,我們可用Ornstein-Uhlenbeck均值回復過程描述水價的均值回復特性:dP=η(Pˉˉˉ?P)dt+σdp(2)dΡ=η(Ρˉ-Ρ)dt+σdp(2)這里,η和PˉˉˉΡˉ分別表示回復速度和均值回復水平。這些參數(shù)均可從價格數(shù)據(jù)中估計出。當然,水價變動趨勢模型并不一定局限于均值回復過程,也可能是其他隨機過程。目標函數(shù)是通過優(yōu)化每一期是否執(zhí)行期權的決策,最大化期權有效期內(nèi)期權期望收益之和:maxx∈{0,1}Σt=0T(11+r)rxt(Pt?K)+(3)maxx∈{0,1}Σt=0Τ(11+r)rxt(Ρt-Κ)+(3)上式狀態(tài)函數(shù)中,P,K和R非負,約束條件如下:Σt=0mxt≤Rˉˉˉ(4)Σt=0mxt≤Rˉ(4)在每一給定時期內(nèi),收益是關于兩個狀態(tài)變量水價和剩余執(zhí)行次數(shù)的函數(shù):f(xt,Pt)=xt(Pt-K)+(5)這里,價值函數(shù)Vt(Pt,Rt)指在t時期期權的價值,Pt表示t期水價,Rt表示剩余可執(zhí)行次數(shù)。價值函數(shù)需滿足貝爾曼方程,尋求即期執(zhí)行期權的收益與后期執(zhí)行期望收益現(xiàn)值之和的最大值:Vt(Pt,Rt)=maxx∈{0,1}{xt(Pt?K)++11+rE[Vt+1(Pt+1,Rt+1)]}(6)Vt(Ρt,Rt)=maxx∈{0,1}{xt(Ρt-Κ)++11+rE[Vt+1(Ρt+1,Rt+1)]}(6)在邊界條件下,即當t>m時,期權價值等于0:Vt(Pt,Rt)=0t>m(7)對于這里所引入的多次執(zhí)行水期權而言,盡管用動態(tài)規(guī)劃方法能求解出多次執(zhí)行期權的數(shù)值解,但與其他期權定價方法相比,用計算機程序求解動態(tài)規(guī)劃問題比較繁瑣,但我們可以通過使用功能強大的計算機和編寫有效率的求解算法來解決這個問題。4多次執(zhí)行水優(yōu)化管理水經(jīng)驗由于南水北調(diào)東線一期工程剛投入運行,國內(nèi)水市場的建設也僅處于初期階段,因此由市場供求關系形成的水價還沒歷史數(shù)據(jù)可參考,為了驗證該模型的可行性,我們對受水區(qū)水價波動趨勢的參數(shù)進行假設。根據(jù)上述分析,受水區(qū)的水價表現(xiàn)出均值回復的特性,依據(jù)國外水市場經(jīng)驗和南水北調(diào)東線實際,假設水價波動的均值Pˉˉˉ=2.71Ρˉ=2.71,均值回復速度η∧=1.92η∧=1.92。假定在市場內(nèi)有A、B兩方,A是一農(nóng)業(yè)用水戶,B是一工業(yè)用水戶,B為規(guī)避水資源供給不足風險向A購買一有效期為10年的水期權契約,契約規(guī)定在有效期內(nèi)最多可執(zhí)行5次,期權的執(zhí)行價格為2.6元/t,假定當前市場年利率為0.05。由此可得水期權價值求解的輸入?yún)?shù)(見表1):其中a、b可根據(jù)東線水價實際得出,xbar、eta和sigma由均值回復模型進行參數(shù)估計計算得出(這里均為假設數(shù)據(jù)),價格波動均值一般為0,T、Rmax和k可在期權合約中規(guī)定。將式(1)~(7)的動態(tài)規(guī)劃步驟用Matlab程序實現(xiàn),輸入上述參數(shù),可得計算結果(見表2):根據(jù)表2所示,該多次執(zhí)行期權在第1年的價值取決于當時的水價,水價實時價格越高,期權價值越高。當?shù)谝黄谒畠r較高或較低時,水價的均值回復特性使得其降低或升高并趨于2.71元/t。假如第一期水價較低,為2.3元/t,水資源擁有者希望水價升至2.71元/t。期權購買者將不會執(zhí)行期權,直到水價升至2.6元/t以上。當?shù)谝黄谑袌鏊畠r為2.3元/t時,該期權的價值為1.56元/t。當?shù)谝黄谑袌鏊畠r高于均值回復水平,期權購買者希望水價的均值回復特性將其降至均值回復水平上下。在這種情況下,期權購買者將會立即執(zhí)行期權以獲得高的收益。假設當水價為3.83元/t時,該期權價值為2.75元/t。根據(jù)表1的基本參數(shù),我們比較了該多次執(zhí)行水期權在10年內(nèi)具有不同剩余執(zhí)行次數(shù)的價值(見圖1)。5條線對應于剩余執(zhí)行次數(shù)分別為1、2、3、4、5次的水期權價值,圖中最下面的一條線代表了只有一次執(zhí)行機會的水期權價值,最上面的一條線代表有5次機會可執(zhí)行的期權價值。顯而易見,隨著期權可執(zhí)行次數(shù)的增加,其價值也增加。隨著可執(zhí)行次數(shù)的減少,水期權價值也急劇降低,然后趨于常數(shù)不變。同樣,這也是由水價的均值回復性決定的,隨著水價向其均值范圍內(nèi)趨近,期權持有者可獲得的期望收益逐漸減少。5水權交易交易的外部條件基于期權契約的水資源配置方式的有效實施需以水期權交易的正常進行為基礎,因此我們有必要參照普通金融市場中期權的交易流程,設計符合東線水市場實際的水期權交易流程,基本步驟如下:(1)水期權交易雙方收集水期權交易資料,預測水權價格走勢,并選擇各自的經(jīng)紀人,支付經(jīng)紀人