基于区块链的水权交易机制重构研究

田贵良; 孙泽辰; 赵秋雅; 杨雨璇; 吴正; TIAN Gui-liang; SUN Ze-chen; ZHAO Qiu-ya; YANG Yu-xuan; WU Zheng

doi:10.12396/jsgg.2024029

节水灌溉 ›› 2024 ›› (8) : 76-84. DOI: 10.12396/jsgg.2024029

灌溉水管理

基于区块链的水权交易机制重构研究

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Research on the Reconstruction of Water Rights Trading Mechanism Based on Blockchain

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摘要

为完善区块链技术下水权交易平台建设，建立统一用水权交易市场，激发水权交易活跃度，结合区块链技术对水权交易机制进行重构研究。将区块链技术与水权交易目前需求进行契合分析，结合微服务技术搭建了水权交易技术框架，初步设计了基于区块链的水权交易流程与奖惩机制，并利用python语言对信用奖惩机制进行仿真。结果表明，区块链技术特征与水权交易需求高度契合，奖惩机制能够保证在不同交易情景下对参与节点进行有效奖励，并对违约节点进行信用和资金处罚，从而激励交易主体积极履行合约，提高整体交易意愿。区块链技术应用在水权全交易流程能够实现水权交易信息的完整性存储、分布式共享和追踪溯源，研究成果可以为优化水权交易机制、提高水权交易活跃度提供参考。

Abstract

To improve the construction of water rights trading platforms under blockchain technology, establish a unified water rights trading market, stimulate the activity of water rights trading. Subsequently, we combined blockchain technology to reconstruct the water rights trading mechanism. We analyzed the compatibility between blockchain technology and the current demand for water rights trading, and combined it with microservices technology to build a water rights trading technology framework. We initially designed a blockchain based water rights trading process and reward and punishment mechanism, and simulated the credit reward and punishment mechanism using Python. The results indicate that the characteristics of blockchain technology are highly compatible with the needs of water rights trading, and the reward and punishment mechanism can ensure effective rewards for participating nodes in different trading scenarios, as well as credit and financial penalties for defaulting nodes, thereby motivating trading entities to actively fulfill contracts and improving overall trading willingness. The application of blockchain technology in the entire water rights trading process can achieve complete storage, distributed sharing, and traceability of water rights trading information. The research results can provide reference for optimizing water rights trading mechanisms and improving water rights trading activity.

关键词

水权交易机制重构 / 区块链 / 奖惩机制 / 交易信用值 / 协同理论

Key words

reconstruction of water rights trading mechanism / blockchain / reward and punishment mechanism / transaction credit value / collaborative theory

基金

国家社会科学基金后期资助项目“我国水权市场治理研究”(19FJYB029)

国家自然科学基金面上项目“变化环境下黄河流域‘实体水-虚拟水’二维循环机理与多空间尺度流动格局优化”(42371312)

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田贵良 , 孙泽辰 , 赵秋雅 , 杨雨璇 , 吴正. 基于区块链的水权交易机制重构研究[J].节水灌溉, 2024(8): 76-84 https://doi.org/10.12396/jsgg.2024029

TIAN Gui-liang , SUN Ze-chen , ZHAO Qiu-ya , YANG Yu-xuan , WU Zheng. Research on the Reconstruction of Water Rights Trading Mechanism Based on Blockchain[J].Water Saving Irrigation, 2024(8): 76-84 https://doi.org/10.12396/jsgg.2024029

0 引言

经济的快速发展与地区水资源供需矛盾日益尖锐，水资源的保护和可持续利用面临严峻的挑战。水权交易作为一项新兴的水资源管理政策能够优化水资源配置、缓解水资源供需矛盾。近年来党和国家高度重视用水权市场建设，2012年，《国务院关于实行最严格水资源管理制度的意见》要求建立健全水权制度、党的十八大要求积极开展水权交易试点工作；2022年，水利部、国家发展改革委、财政部联合印发《关于推进用水权改革的指导意见》提出：到2025年，初步建立全国统一的用水权交易市场。经过多年发展，我国已从政策与实践等多方面为建立全国统一的用水权交易市场提供了宝贵经验^[1]。

水权交易市场的形成将行政命令式的资源配置方式转变为市场配置方式，市场构成要素得到进一步完善，也为其他公共资源交易的开展提供参考。水资源的使用方能以合理的价格换取提供方节约出的水量，实现水权的经济价值。同时，这一交易过程循环激励用水主体提高用水效率，在不突破用水总量的约束下，为水资源可持续发展提供有力支撑。然而在目前的法律框架下，水权交易过程中仍然存在如市场活跃度过低、信息不对称、交易效率低下等许多问题。区块链技术出现后受到了社会各界广泛关注，其去中心化、公正、透明、防篡改、匿名、交易可追溯等特性已在金融、支付、数据储存、医疗行业等领域被广泛应用。区块链技术的智能合约、分布式账本、点对点交互和共识机制等特征与水权交易中共识形成、减少中介介入、提升交易效率及信息共享等需求紧密相连。智能合约能通过自动执行交易协议提高效率并减少人为错误，分布式账本为交易记录提供了一个去中心化、安全可靠的存储方式，点对点交互特征减少了中介环节，共识机制不仅能确保网络参与者之间的一致性，还能通过奖惩机制激励参与者维护网络的安全和稳定。因此，本文分析区块链与水权交易契合之处，构建基于区块链的水权交易平台技术框架，设计区块链赋能水权交易的运作流程与交易信用值奖惩机制，利用python语言进行仿真验证，以期对其交易机制重构以及提高交易积极性提供思路。

1 文献综述

水权是以水资源为基础，包含水资源所有权、使用权、处置权、收益权的权利集合。水权交易对于全球水治理的意义重大，一定程度上能够缓解各国水资源分配不均导致的短缺问题。根据建立水权制度且目前市场运作良好的国家实践结果来看，水权交易制度能对水资源管理提供充分的保障^[2]。发达国家较早开展水权交易实践，1980年美国加州政府开始培育水权交易市场，至1991年“旱季水银行”成立后水权交易市场得以快速发展，水银行作为当时全新的市场化管理方式对激发水权交易市场活力、优化水资源配置、提高用水可持续性起到至关重要的作用^[3]。由于经济发展和人口增加，澳大利亚墨累河沿岸水资源紧缺状况愈发严重，1983年澳大利亚政府将水资源配置从政府调控导向转向市场交易导向，水权交易正式开始实践并逐渐形成了较为成熟的水交易市场^[4,5]。智利作为发展中国家中最先建立水权交易制度的国家，自20世纪80年代重新修订《水法》以来，水市场交易规模不断扩大，形成了具有特色的独立水董事会运作体系和水权金融市场，证明水权市场并不会受限于国家的经济发达程度^[6]。

国外水权交易市场的建立对中国具有借鉴意义，许多学者为提高水权交易效率、优化水权交易机制提出了不同的想法。郭晖^[7]和费小霞^[8]分别从合同节水交易机制和合同节水管理项目全生命周期两方面对合同节水风险及适用性进行探讨，提出要促进合同节水管理与水权交易共同发展。“水银行”交易模式作为供水方和需水方的中介能够更合理地实现水资源配置，田贵良等^[9]设想将“水银行”设立在引汉济渭工程中，利用其跨空间调配和水资源跨期配置功能提升水资源配置效率。杜梦娇^[10]、郭飞^[11]分别从土地实践交易和水质水量双变量角度进行水权交易机制设计，为促进水权交易机制优化提供了参考。事实上现实层面中，水权交易过程中仍然存在流程缺乏统一规范、交易积极性不足等问题^[12]。现有文献多基于理论层面从利用数学模型改变交易规则的角度上优化水权交易机制，并不能对此些问题起到良好的缓解作用。区块链中不可篡改、去中心化、智能合约等特征已广泛应用于电力、产权等交易当中，其中智能合约、共识机制等技术的应用能够为水权交易效率提升与流程优化提供研究视角。

区块链一词最早出现在2008年Nakamoto发表的《Bitcoin：A peer-to-peer electronic cash system》一文中，该技术主要用于缓解通过数字签名进行交易时易出现双重支付的问题^[13]。作者阐述了基于P2P网络、时间戳、非对称加密等技术的电子现金系统的架构理念，其本质是作为去中心化的分布式账本技术，通过在网络中不断地添加数据块形成一个链式结构，保证数据的安全性和不可篡改性，并利用智能合约和共识机制规范并简化交易流程。区块链技术的应用领域主要集中于能源交易、数字版权、金融、物联网等方面，随着研究广度的提高，在水权交易方面也表现出其较高的适用性^[14]。刘云杰等^[15]基于区块链特点与水权交易的契合点构建包含多主体的国家水权交易联盟链，为推动中国水权交易系统向多方协作参与方向发展提出可能性。杨仕亮等^[16]从管理模式的角度基于区块链对水权业务流程进行改造，旨在推动形成更好的交易环境。Liu等^[17]采用联盟链和PBFT共识机制建立了基于区块链的农业水权交易平台，为降低水权交易的成本提出可能性。Zhang等^[18]对水权交易市场设计“联盟链+私有链”双链智能合约，基于区块链探讨了基于区块链技术的智慧水利信息共享平台的创新应用场景，为智能水利信息共享平台的建设打下基础。Li等^[19]选取联盟链作为水权交易系统的底层技术，提出不同场景下的水权交易共享记账模式，旨在简化水权交易流程、提高平台对交易的推动作用。

目前关于区块链技术与水权交易相结合的研究已相对丰富，但仍存在以下问题：一方面，区块链分布式记账、多主体协同管理的技术特点与水权交易具体流程结合的研究相对较少，目前大部分研究仅在框架层面将区块链思想运用至水权交易中，未能在交易流程上厘清区块链为水权交易带来的优越适用性。另一方面，水权交易的过程中易出现信息不对称的情况，受让方在交易时处于天然弱势的地位，有效的奖惩机制对于保证水权交易的公平性和积极性起到重要作用。因此，本文对区块链智能合约、共识机制等特点与水权交易存在需求进行契合分析，通过构建水权交易区块链全流程应用框架来更加清晰地展现区块链各技术的具体应用。在此基础上，引入信用值对传统Raft共识算法进行改进，设计水权交易信用激励与惩罚机制，进而为完善我国水权交易履约管理提供参考。

2 区块链与水权交易契合分析

水权交易具有一般交易的共性，其交易主体包含政府、各用水企业等“水权人”。现阶段中国水权交易过程中需要交易所参与来保证交易的真实性和公平性，流程存在极度依赖政府介入、交易流程复杂、各参与主体精力投入较大等问题，容易导致市场失灵。同时，我国整体水权交易活跃度较低，虽然北方水权交易更为活跃，但交易频次和交易水量不高，整体交易积极性低迷。区块链技术的引进能够通过验证机制和交易流程智能合约使得交易对政府介入的要求降低，进而简化交易程序、减少人力和时间的投入^[20]。智能合约建立统一的交易标准，通过自动化流程履行交易中满足合约代码条件的要求，在减少交易纠纷的同时降低交易复杂度，提升交易效率。交易过程由政府主导转变为由市场主导，能够减少部分政府部门基于自身利益行使水资源管理权的现象发生。基于交易节点间的平等关系使得企业间交易和灌溉水用户间交易能够实现信任，从而减少信息不对等现象的出现，最终形成具备智能合约自动处理、全流程监管、参与主体信用评级的可持续循环水权交易。同时，交易激励与惩罚机制能够有效地将政府监督转变为各交易主体相互监督，提高监督效率，政府机构从而能够将重心转向培育行政区特色化本土水权交易市场中。具体契合之处见表1。

表1 区块链技术与水权交易契合表

Tab.1 Compatibility between blockchain technology and water rights trading

区块链技术/属性	说明	契合之处
数据不可篡改、可追溯	区块链通过加密哈希链和共识机制确保一旦数据被记录在区块中就无法被更改或删除，除非重新获得网络大多数节点的共识	水权交易中处理完成的数据作为一笔区块链交易发送上链，交易信息通过共识机制获得各节点认同成为可被默克尔树查询到的具有可追溯性的数据，形成交易全过程的证据链，实现交易信息去向可查、责任可究，进而保障交易信息的安全性和完整性，减少监管部门工作量
分布式账本、去中心化	分布式账本技术允许交易数据在网络中的多个节点上存储和验证，去中心化的网络结构减少了对单一权威源的依赖，增强了系统的抗干扰能力和容错性	分布式账本技术为水权交易提供了一个去中心化的记录系统，增强了数据的安全性和抗篡改能力，去中心化的交易验证机制降低了对中央管理机构的依赖，减少了交易成本和时间延迟
智能合约	智能合约是自动执行合约条款的程序，一旦预设条件被满足，相关的合约条款将自动执行	智能合约可以自动化处理如验证交易条件、执行支付和记录水权转移等交易流程，减少了人工干预，提高了交易的效率和准确性
共识机制	共识机制如工作量证明（PoW）或权益证明（PoS）允许网络中的多个节点共同验证和记录交易，而无需中央权威机构参与	利用共识机制进行全网广播与用户信用评价，对交易双方进行信用奖惩清算以及对交易表现良好用户进行资金奖励，从而在达到去信任化的同时提高市场活跃度

3 基于区块链的水权交易体系构建

3.1 信息协同理论分析

协同理论认为，系统是由各种相互作用的元素组成的整体，而并非简单地组成元素的总和，其强调系统内各个元素之间的关联和耦合。信息协同治理元素及内涵见图1，从协同理论出发，对水权交易的各元素进行拆解。水权交易从交易关系角度可分为企业与企业间交易、政府与政府间交易、灌溉用水户和政府间交易、不同灌溉用水户间交易，从交易空间上可分为跨省级行政区交易、省内跨市级行政区交易和市级行政区内交易。基于此，水权交易的多主体包括政府及相关职能部门、用水企业和灌溉用水户。多数据源包括：多数据来源端口、多数据类型和数据多模态。在水权交易的过程中，多主体与多源数据进行交互，从而将交易数据整合共享、相互验证，提升交易数据的公开性与透明度并获得协同效应，实现多主体、多维度、多层级的水权交易数据协同。

图1 协同理论元素内涵

Fig.1 Connotation of elements in collaborative theory

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3.2 区块链赋能水权交易技术框架

根据中心化程度、交易速度以及参与者，区块链可以分为公有链、私有链、联盟链和混合链四种类型。水权交易是一种具有一定准入门槛、多方主体共同参与的交易，根据区块链特征的不同，联盟链多中心化、协作性特征多适用于此类系统内不同主体数据流转场景。在中心化程度上，联盟链的多中心化特征更加契合流域内各省份作为水权交易主体的需求。此外，较公有链大多以个人获利为目的建立激励共识机制，联盟链内各主体本身就是业务参与者及价值创造者，其交易利益与现实业务上利益相一致，激励共识机制更能以促进整体水权交易活跃度为目的而设立^[21]。因此，本文选取联盟链作为水权交易区块链体系，对核心技术进行阐述，基于联盟链的水权交易平台技术框架见图2。

图2 基于区块链的水权交易技术框架

Fig.2 Blockchain based water rights trading technology framework

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（1）CouchDB数据库。CouchDB作为一种基于JSON的文档型数据库适用于处理联盟链中的结构化或半结构化数据，在水权交易平台构建中，CouchDB能够以文档的形式存储每笔交易信息，同时通过MapReduce视图执行复杂的数据聚合和分析操作，为联盟链中的数据决策提供支持。此外，CouchDB的数据复制和冲突解决机制能够保持联盟链各节点间数据一致性，CouchDB提供的细粒度的访问控制和用户认证机制在处理水权交易数据和用户信息时也确保了数据安全性和用户隐私保护。

（2）Spring Cloud Alibaba微服务。区块链作为去中心化和分布式的账本技术，具有数据不可篡改和透明共享的特性。Spring Cloud Alibaba提供了基于分布式应用架构的完整微服务解决方案，将其纳入区块链技术框架中可以创建一个既分布式又安全、高度数据完整性又能灵活响应配置变化的系统，其关键组件如下：①Spring Cloud Gateway组件。作为API的网关在微服务架构中充当所有请求的入口点，将外部请求路由到正确的微服务，以支持和增强整个系统的性能和安全性。②Sentinel组件。Sentinel 是面向分布式服务架构的流量控制组件，以数据流量为切入点保证微服务的稳定性。尽管Hystrix在微服务断路器方面非常成熟和可靠，但Sentinel在处理高频交易请求、提供细粒度流量控制和系统负载保护方面更为出色，更加适合成为技术框架的选择^[22]。③RESTful API。RESTful API是一种以资源为基础、统一接口的设计规范，基于Spring MVC进行创建。RESTful API将具体交易数据和功能抽象成资源，并通过URI来唯一标识资源，进而方便扩展和构建复杂的服务。④Nacos组件。Nacos组件用于对微服务中服务发现、配置和服务管理，Nacos作为服务发现和注册中心可较好管理水权交易平台的众多微服务，如将交易请求路由到不同的处理节点，或者在多个用户服务实例之间进行负载均衡。利用Nacos的动态配置管理，可以根据需要调整交易策略、价格模型或验证逻辑，而无需停机或重新部署服务。同时，Nacos的服务健康监测能够确保即使个别服务实例失败，整个系统仍然可以稳定运行。

基于上述技术从数据生命周期管理（DLM）角度出发，水权交易数据经历了从初始创建到长期存储的一系列阶段。数据创建始于应用层，应用层为用户提供操作界面，当交易参与者产生水权交易时，交易时间、交易水量、交易条件和参与方信息等数据通过接口层Nacos等服务管理工具的处理后被传输到合约层，由包含验证交易条件满足情况和执行交易操作等逻辑的智能合约进行交易的自动处理。处理完毕的数据通过共识层的算法验证将真实完整的数据赋予各节点可访问权限，数据加密后在区块链网络的各个节点间进行传播，最终进入数据层进行数据的持久性存储。由此，该框架可以在技术层面实现水权交易数据的高效、安全和公正管理，为各参与方提供了一个公开、透明和可信的交易环境。

3.3 区块链技术赋能水权交易运作流程

水权交易以区块链技术为底座，以联盟链各成员在交易流程中的协同交互为主要运作方式，完成水权交易各主体之间的协作共治，构建水权交易全流程高速交互、迅速响应、实时服务的交易体系。以下从水权交易准备、水权交易执行、交易主体奖惩、数据共享溯源4个阶段阐释区块链技术赋能水权交易运作流程，见图3。

图3 区块链赋能水权交易运作流程图

Fig.3 Blockchain empowered water rights trading operation flow chart

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3.3.1 水权交易准备

在水权交易市场中，多个主体间的协同参与是推动交易流程顺利进行的关键，水权交易主体分为政府机构、用水企业、灌溉用水户，在联盟链中均通过注册成为链上交易节点。不同参与主体通过基于角色的访问控制（RBAC）技术进行身份验证和交易合法性验证，RBAC根据用户的角色分配权限，进而确保交易的安全性、合法性和规范性。通过验证后交易主体发布包含主体公钥、报价区间、交易水量等信息的交易需求，经过系统审核进行意向公示，交易方根据公示信息进行多对多模式交易匹配。

3.3.2 水权交易执行

交易双方协商若确定交易意愿，则通过智能合约实现交易验证和预处理、交易执行、后交易处理和信用评级更新的自动化审核执行4个环节，确保交易的每一环节都得到双方的充分沟通和共同认可。此阶段中，智能合约基于“代码即法则”的准则提前预置触发条件和响应规则，根据交易过程中输入的数据进行计算并将结果进行持久化状态储存。

交易验证和预处理环节对参与者身份进行最终统一验证，确保所有交易主体属于授权身份。随后自动核实包括所有权和使用记录等的水权合法性以及检查交易条件，保证交易环境符合预设协议和市场标准。通过查询交易双方的历史交易信用数据，判定交易风险，对于违约导致的信用值较低的交易方不允交易。

交易执行环节根据智能合约预设条件自动执行交易，确保各项交易条款准确无误地履行。支付处理部分由区块链技术支持的加密支付系统处理，保障资金的安全转移。

交易后处理环节关键在于确保交易信息的持久性和透明性，智能合约自动将每项交易包括交易的时间、参与方、水量和水价等详细记录存档于区块链，利用其不可篡改性质保障数据的永久性和完整性。同时，向相关参与方发送包含交易细节的交易结果通知，确保所有相关方及时准确地了解交易状态，从而保证交易的监管透明度和参与方的信任度。

信用评级更新主要考量交易双方的履约情况，保证交易的质量和可靠性。智能合约对交易结果进行评估并更新参与方的信用评分，这一过程涉及对买卖双方在交易中的行为和信用历史的分析。最终信用评分和相关交易细节被记录在区块链上，广播同步更新各方的信用记录。信用奖惩机制不仅补充了交易的信用管理机制，也为未来的交易决策提供重要的参考信息，进而促进整个交易生态系统的健康发展^[23]。

3.3.3 交易主体奖惩

交易执行顺利完成后，经过基于信用值的Raft共识机制的验证后全网络日志广播并进行上链操作，确保联盟链内所有成员对交易日志达到完全的一致性。合约执行后对此次转让方进行节水研发投入的奖励并对基于信用度选举出的记账节点进行交易激励资金发放，从而对遵守信用的参与者进行有效激励，强化其信用意识。若双方交易时出现违约情况，则对违约方的信用值进行扣除，并参考违约方历史信用值和此次违约水量对其进行资金惩罚，将惩罚资金纳入激励资金池，用于其他履约主体的交易资金激励。排污权交易能有效降低污染控制成本、倒逼企业节能减排，水权和排污权共同属于水量水质管理的范畴，为了更好地维护水资源的利用和环境保护，一些地区将水权和排污权的管理整合在一起，形成了水污染防治综合考核制度^{[24, 25]}。因此，在水权交易信用值的判定上将企业排污规范程度作为评判因素，实现在交易惩罚上对用水企业水权和排污权的交易规范进行双重制约。

传统Raft共识算法通过领导者选举，其中一个节点成为领导者并负责管理日志条目的创建和复制，并将条目发送到其他节点以保持数据一致性。当大多数节点确认日志条目后，它们被提交并应用到各节点的状态机上。在传统Raft共识算法基础上将信用评分考虑在内，信用值主导领导者的选举过程，设立信用值基准线和记账次数，领导人仅可从信用值大于基准线及累计记账次数小于规定值的跟随者中进行选举，同时此次交易中的转让方会作为先行跟随者进行记账节点选主流程。引入信用评分后的交易节点具体奖惩模型如下所示。

基于信用值构建奖惩算法公式，设交易节点i的初始信用值为C_i ^initial，对合规进行交易的节点进行信用奖励，i节点此次交易奖励信用值如式（1）所示：

C_{i}^{r} = m \frac{1}{1 + e^{- 0.1 x}} + r l o g_{e}^{} W_{s}

（1）

式中：m为信用补偿系数；x为连续交易成功的次数；W_s 为转让方的交易水量；r为对用水户进行深度节水控水奖励的节水奖励系数；系数r仅对转让方有效，从而提高节水技术研发投入积极性。

节点违约惩罚与连续违约次数呈斐波那契数列关系，将此次违约水量考虑在内，违约方信用惩罚公式为：

V_{i}^{t} = \{\begin{array}{l} V_{i}^{t - 1} + V_{i}^{t - 2} t > 2 \\ 1 t \leq 2 \end{array}

（2）

C_{i}^{p} = V_{i}^{t} + p \sqrt[]{W_{b}}

（3）

式中：C_i ^p 为该节点这次交易的惩罚的信用值；V_i ^t 为i节点在连续违约t次情况下的惩罚值；若上一次交易不存在违约现象则为1，p为信用惩罚控制系数，p越小违约惩罚力度就越低，W_b 为此次违约的水量。

目前我国水权市场交易的法律规范尚未健全，难以满足对失信企业监督惩处的需求，因此在惩罚机制上将处罚力度与企业信用值挂钩，可以提高企业的违约成本，从而对市场形成有效的规范作用。基于信用值的违约方惩罚水价计算如式（4）所示：

D_{i} = \sqrt[]{q \frac{C_{i}^{i n i t i a l}}{C_{i}^{t - 1}} e^{l o g_{3} (C_{i}^{p})} + 1} D_{t r e a t y}

（4）

式中：D_i 为此次交易惩罚水价；C_i ^t- ¹为该交易节点上一次交易信用值；q为惩罚弹性系数，处罚力度随着q的增加而变大；C_i ^p 为违约节点此次的惩罚信用值；D_treaty 为交易约定水价，式（4）表明，各交易节点的累计信用值以及此次的惩罚信用值可控制惩罚水价的高低，对交易节点违约现象的产生具有一定约束作用。

3.3.4 数据共享溯源

Merkle树作为一种高效的数据结构，当违约事件发生时能够在庞大的交易数据中精确追踪到违约的具体节点，捕获如交易记录和合同违反情况等违约直接证据，以及交易双方的历史行为和信用记录等间接信息。一旦违约信息被捕获将自动触发包括责任归属的明确、交易流程的审核、舆情影响的评估以及违约环节详细分析的一系列响应措施。违约相关信息被汇总并反馈到高价值信息集中，为水权交易的风险管理和政策制定提供关键数据支持。

交易完成后，将区块链上的原始交易数据经过分省和跨地区的数据清洗以及统计处理，得出具体的出省、进省以及省内的交易水量统计信息，能够为流域内各省的年度用水明细提供清晰的数据蓝本。经过处理的数据被转化为高价值信息集，随后共享至P2P网络中各个主体，作为其进行策略制定和市场预测的重要依据。这种高度协同的数据存储与共享方式，不仅为各级行政区提供了精准的水资源分配与利用数据支持，还促进了整个水权交易市场的信息共享和决策透明度。

4 交易仿真

4.1 仿真情景设定

根据最新中国水权交易的现状显示，国家水权交易平台的用水权交易单数累计突破1万单，交易的水量超过了43亿m³。反映出中国水权交易市场的活跃程度和交易规模的增长，也突显区块链技术在提高交易效率和活跃度方面的潜在价值。

为验证区块链赋能的水权交易流程中，交易主体间基于信用值的奖惩机制能够对守信节点进行信用值奖励以及对违约节点进行处罚，最终提升节点交易意愿。研究设定3种情景，分别是交易守约、存在风险和恶意节点，具体情景设定见表2。

表2 仿真模拟方案

Tab.2 Simulation scheme

模拟情景	初始信用（C_i ^initial ）	惩罚弹性系数（q）	信用补偿系数（m）	节水奖励系数（r）	违约概率（P）
交易守约	100	2	0.5	1	0
存在风险	100	2	0.5	1	0.1
恶意节点	100	2	0.5	1	0.3

基于近3年国家水权交易平台记录数据使用Python语言进行交易仿真，交易主体共计40名交易主体进行30次模拟交易。T_ij 表示节点i对节点j的交易意愿，初始值T_ij =0.5。在每次交易后，根据交易结果更新T_ij。具体公式如下所示：

T_{i j}^{t + 1} = T_{i j}^{t} (1 + m I_{s} (j) - q I_{w} (j)) + η (R^{t}) I_{s} (j)

（5）

式中：

T_{i j}^{t + 1}

和

T_{i j}^{t}

表示t和t+1时刻节点i对节点j的交易意愿；

I_{s} (j)

和

I_{w} (j)

分别是节点j违约和守约的指示函数，若节点j守约，则

I_{s} (j)

=1，反之为0，若节点j违约，则

I_{w} (j)

=1，反之为0；

η

是基于奖励资金池分配对交易意愿的影响系数；

R^{t}

为t时刻奖励总额，由违约节点支付罚款组成。

4.2 仿真结果分析

结果见图4，在交易守信模拟情境下，所有交易参与者完全守信，没有任何违约行为发生，所有节点的信用值保持稳定或逐渐增加，交易关系较为稳定。交易意愿矩阵图显示，在供需匹配的情况下，各节点之间的交易意愿保持良好，均大于初始交易意愿，表明信用奖励机制能对交易中守信的主体进行信用奖励。在存在风险模拟情景下，有一定比例的交易可能会违约导致交易受阻或失败，使得个别节点的信用值向下波动，但大多数交易仍然守信。转让方2由于出现交易违约现象，致使其余受让方对其交易意愿大幅下降。此情景下各节点对于存在违约现象的交易节点的交易意愿下降，大部分节点能够保持较好的信用状态。在恶意节点模拟情景下，交易违约的可能性较高，如转让方7、受让方c等节点表现出频繁违约的恶意行为，导致多笔交易失败。信用值良好的节点尝试避免与信用低的节点交易，大幅降低与之交易的意愿，信用低的节点因为频繁违约而陷入恶性循环，使得交易信用值低于平均水平。信用惩罚机制能够对违约方进行基于违约水量与历史违约记录的信用违约惩罚，具有与预期相符的合理性。

图4 仿真结果图

Fig.4 Simulation diagram

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3种仿真情境下的整体交易意愿变化趋势见图5。守信情景下的交易意愿呈现出稳定上升的趋势，从初始的0.503 8逐渐增加到0.626 5。每一次成功且守约的交易都会增加交易双方之间的信任。随着信任的积累，交易主体更愿意参与交易，从而提高了整体的交易意愿。守信行为在区块链平台上会被记录并公开，这种透明性进一步增强了交易主体的信誉。良好的信誉成为吸引更多交易的关键因素，形成一个正向反馈循环，促进了交易意愿的增长。这种积极的交易氛围有利于市场的健康发展，进而提高水权的流动性和交易效率。存在风险情景下的交易意愿从初始的0.503 8逐步增加到0.600 5，表明即使在面对一定风险，随着交易的进行和信任的建立，交易主体仍倾向于参与交易，推动交易意愿整体上升。交易意愿的波动反映了交易过程中遇到的不确定性，第5次和第20次交易时出现的违约现象导致交易主体对未来交易的信心有所动摇，从而暂时降低了交易意愿。恶意节点情境下的交易意愿整体呈现波动下降。恶意行为可能通过包括试图操纵市场、散布虚假信息、进行不公平交易等行为破坏了交易的公平性和透明性，导致交易主体对平台的信任下降，从而影响了他们的交易意愿。

图5 整体交易意愿变化图

Fig.5 Overall transaction willingness change chart

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为进一步探究在恶意节点情境下，交易奖惩机制能否通过干预措施进行交易主体之间信任逐步重建，因此提高违约节点惩罚系数以及成功交易的资金激励系数。结果见图6，尽管交易意愿仍然存在波动，但波动幅度相对较小，且交易意愿的恢复速度更快。结果反映出加大力度的奖惩机制对于激励守信行为、抑制恶意行为具有积极作用，能有效地缓解恶意行为的负面影响，促进信任的快速重建，有助于维持交易活动的连续性和稳定性。

图6 调整参数交易意愿变化图

Fig.6 Adjustment parameter trading willingness change chart

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5 结论

本文将区块链与水权交易进行契合分析，构建水权交易区块链技术框架和交易流程架构，从水权交易准备、水权交易执行、交易主体奖惩、数据共享溯源四个流程详细阐述运作机制，并对基于信用值的奖惩模型进行情景仿真，得出结论如下。

（1）区块链技术特征与水权交易的需求高度切合。我国水权交易采用地方与国家水权交易所混合管理的模式，联盟链去中心化特征更适用于优化我国水权交易流程。基于区块链的水权交易平台建设可以有效地满足交易标准统一、交易信息联通共享等内在需求，既能使交易环节由节点自发进行，又能将验证权交付所有参与者，进而保证交易的自治性和高效率。

（2）信用管理是基于区块链的水权交易流程设计的重要环节。交易主体守约时的信用值逐步上升，违约时的信用值会基于违约水量和历史信用下降。奖惩机制能够保证在不同交易情景下对领导人节点的记账参与进行有效的奖励，以及对进行违约节点的信用和资金处罚。

（3）各主体交易意愿易受到违约事件的影响。违约事件的发生会破坏交易主体间的信任关系，降低各主体之间的交易意愿，整体交易意愿呈现上下浮动趋势。不同的奖惩力度对稳定交易环境、激励守信行为效果不同，力度越大越有助于维持整体交易意愿的稳定。

参考文献

原文顺序 | 文献年度倒序 | 文中引用次数倒序

于立宏,程思佳.生态保护补偿制度能否提高地区水资源利用效率？——基于水权试点的实证研究[J].财经研究,2023,49(2):19-33.

L H

, CHENG

S J

. Can the ecological protection compensation system improve the efficiency of regional water resource utilization—— Empirical research based on water rights pilot projects [J]. Financial Research, 2023,49(2): 19-33.

本文引用 [1]

2	付实.国际水权制度总结及对我国的借鉴[J].农村经济,2017(1):124-128. FU S. Summary of international water rights system and its reference for China [J]. Rural Economy, 2017(1):124-128. 本文引用 [1]

3	王克强,刘红梅,黄智俊.美国水银行的实践及对中国水银行建立的启示[J].生态经济,2006(9): 5 457. WANG K Q, LIU H M, HUANG Z J. The practice of american water bank and its inspiration for the establishment of China water bank [J]. Ecological Economy, 2006(9): 5 457. 本文引用 [1]

4	王亚华,舒全峰,吴佳喆.水权市场研究述评与中国特色水权市场研究展望[J].中国人口·资源与环境,2017,27(6):87-100. WANG Y H, SHU Q F, WU J Z. A review of research on water rights market and prospects for research on Chinese characteristic water rights market [J]. China Population, Resources and Environment, 2017, 27(6):87-100 本文引用 [1]

5	王世群. 澳大利亚水资源市场化改革及其启示[J]. 世界农业,2017(9): 109-114, 244. WANG S Q. Marketization reform of water resources in Australia and its inspiration [J]. World Agriculture, 2017(9): 109-114, 244. 本文引用 [1]

6	BAUER C J. Bringing water markets down to earth: The political economy of water rights in Chile, 1976-1995[J]. World development, 1997, 25(5): 639-656. 本文引用 [1]

7	郭晖,陈向东,董增川,等.基于合同节水管理的水权交易构建方法[J].水资源保护,2019,35(3):33-38, 62. GUO H, CHEN X D, DONG Z C, et al. Method for constructing water rights transactions based on contract water-saving management [J]. Water Resources Protection, 2019, 35(3): 33-38, 62. 本文引用 [1]

8	费小霞,李乾,张鹏超,等.合同节水管理项目全生命周期风险评估[J].中国农村水利水电,2023(8):163-171. FEI X X, LI Q, ZHANG P C, et al. Contract water conservation management project life cycle risk assessment [J]. China Rural Water Resources and Hydropower, 2023(8):163-171. 本文引用 [1]

9	田贵良,杨涛.引汉济渭工程建立“水银行”运作模式设想[J].中国水利,2021(4):17-19, 16. TIAN G L, YANG T. Conception of establishing a "water bank" operation model for the Han to Wei River diversion project [J]. China Water Resources, 2021(4): 17-19, 16. 本文引用 [1]

10	杜梦娇,田贵良.基于土地交易实践的水权交易模式设计[J].节水灌溉,2016(5):102-105, 109. DU M J, TIAN G L. Design of water rights trading model based on land trading practice [J]. Water Saving Irrigation, 2016(5): 102-105, 109. 本文引用 [1]

11	郭飞,陈向东,刘睿,等.水质水量双变量水权交易模式研究[J].人民黄河,2021,43(2):79-83. GUO F, CHEN X D, LIU R, et al. A study on the dual variable water rights trading model of water quality and quantity [J]. People's Yellow River, 2021, 43(2):79-83. 本文引用 [1]

景晓栋,田贵良,胡豪,等.我国水权交易市场改革实践探索：演进过程、模式经验与发展路径——兼析全国统一用水权交易市场建设实践[J].价格理论与实践,2022(9):83-88.

JING

X D

, TIAN

G L

, HU

, et al. Exploration of the reform practice of China's water rights trading market: evolutionary process, model experience, and development path - An analysis of the construction practice of the national unified water rights trading market [J]. Price Theory and Practice, 2022(9): 83-88.

本文引用 [1]

13	NAKAMOTO S. Bitcoin: A peer-to-peer electronic cash system[J]. 2008. 本文引用 [1]

14	管志贵,田学斌,孔佑花.基于区块链技术的雄安新区生态价值实现路径研究[J].河北经贸大学学报,2019,40(3):77-86. GUAN Z G, TIAN X B, KONG Y H. Research on the implementation path of ecological value in Xiong'an new area based on blockchain technology[J]. Journal of Hebei University of Economics and Trade, 2019, 40(3): 77-86. 本文引用 [1]

15	刘云杰,刘睿,邓延利,等.区块链技术在国家水权交易系统中的应用[J].水利经济,2020,38(4): 55-59, 83-84. LIU Y J, LIU R, DENG Y L, et al. The application of blockchain technology in the national water rights trading system [J]. Water Resources Economics, 2020,38(4): 55-59, 83-84. 本文引用 [1]

杨仕亮,王慧敏,陈俊宇.基于区块链技术的水权交易管理模式创新与改善[C]//河海大学.2018（第六届）中国水利信息化技术论坛论文集.河海大学商学院,2018:10.

YANG

S L

, WANG

H M

, CHEN

J Y

. Innovation and Improvement of Water Rights Trading Management Model Based on Blockchain Technology [C]//Hehai University. 2018 (6th) China Water Resources Information Technology Forum Proceedings. School of Business, Hehai University, 2018:10.

本文引用 [1]

17	LIU Y, SHANG C. Application of blockchain technology in agricultural water rights trade management[J]. Sustainability, 2022, 14(12): 7 017. 本文引用 [1]

18	ZHANG Y, LUO W, YU F. Construction of Chinese smart water conservancy platform based on the blockchain: technology integration and innovation application[J]. Sustainability, 2020, 12(20): 8 306. 本文引用 [1]

19	LI Y, XIE J, YANG J, et al. Application of blockchain technology in water rights trading in the irrigation area under the internet-of-things environment[J]. Security and Communication Networks, 2022, 2 022. 本文引用 [1]

20	田贵良.关于水权交易全过程实行行业强监管的若干思考[J].中国水利,2019(20): 45-47, 57. TIAN G L. Several thoughts on implementing industry strong supervision throughout the whole process of water rights trading [J]. China Water Resources, 2019(20): 45-47, 57. 本文引用 [1]

21	邹贤,沈力,张伟,等.基于信用评分的电力交易区块链改进RAFT共识机制[J].南方电网技术,2022,16(6):132-139. ZOU X, SHEN L, ZHANG W, et al. Improvement of RAFT consensus mechanism for power transaction blockchain based on credit scoring [J]. Southern Power Grid Technology, 2022, 16(6):132-139. 本文引用 [1]

22	郑荣,雷亚欣,吴柯莹等.基于微服务架构的多源个人健康信息微服务模式研究[J].情报理论与实践,2023,46(12): 93-103, 112. ZHENG R, LEI Y X, WU K Y, et al. Research on multi source personal health information microservice model based on microservice architecture [J]. Intelligence Theory and Practice, 2023, 46(12): 93-103, 112. 本文引用 [1]

23	谷红梅,张培雯,来和鑫,等.黄河流域农业节水绿色信用体系研究[J].节水灌溉,2021(6): 53-57, 63. GU H M, ZHANG P W, LAI H X, et al. Research on the agricultural water conservation green credit system in the Yellow River Basin [J]. Water Conservation Irrigation, 2021(6): 53-57, 63. 本文引用 [1]

曾维华,解钰茜,陈岩.整合水权和排污权促进黄河流域横向生态补偿机制建设[J].环境保护,2022,50(14):29-31.

ZENG

W H

, XIE

Y Q

, CHEN

. Integrating water rights and pollution discharge rights to promote the construction of horizontal ecological compensation mechanisms in the Yellow River Basin [J]. Environmental Protection, 2022, 50 (14): 29-31.

本文引用 [1]

卢亚丽,翟露雨,李战国.基于政企演化博弈的黄河流域中段水环境排污权交易分析[J].水电能源科学,2021,39(11):102-106.

Y L

, ZHAI

L Y

, LI

Z G

. Analysis of water environment emission rights trading in the middle Yellow River Basin based on the evolutionary game between government and enterprises [J]. Hydroelectric Energy Science, 2021, 39(11): 102-106.

本文引用 [1]

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收稿日期	接受日期	出版日期
2024-01-16	2024-04-09	2024-08-10
发布日期
2024-08-23

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