中国天然气供需重心迁移路径及贡献度分解

摘要 天然气作为优质、高效和清洁的能源正成为中国能源发展的关键，研究天然气供需重心迁移路径可以厘清天然气供需空间迁移的发展方向和平衡问题。本文首先分析了中国天然气供需现状，然后运用重心理论研究了中国天然气2000-2011年供需重心迁移路径，进而采用Shapley分解方法计算不同区域对重心迁移的贡献度。研究结果表明，天然气供需重心迁移路径不存在交叉，其中生产重心向西北方向移动，消费重心向东南方向移动，且天然气生产重心迁移量比消费重心迁移量大，消费重心变动比生产重心变动更加剧烈，天然气供需不均衡加剧。在天然气供需重心迁移过程中，西北片区对产量迁移的贡献度最大，华东片区对消费量迁移贡献度最大。根据天然气供需重心的迁移方向和区域贡献度可以发现，提高国内常规气田产能和非常规油气资源勘探开发力度，加大对国外天然气资源的开发利用，加强天然气管道和储气库等基础设施的建设是平衡天然气供需的关键。

关键词天然气；供需关系；重心迁移；夏普利值；贡献度分解

中图分类号TE09文献标识码A文章编号1002-2104（2013）12-0090-08doi：10.3969/j.issn.1002-2104.2013.12.014

天然气因其清洁、高效、低污染等优势被誉为21世纪的能源，很多国家将其列为首选燃料，并逐步计划加大其在能源供应中的比例。随着中国经济的快速增长和能源消费结构的调整，天然气产业步入快速发展轨道。根据2012年BP世界能源统计年鉴[1]，中国2011年天然气生产量和消费量分别达到1 025亿m3和1 307亿m3，较2010年分别增长了8.1%和21.5%，天然气在中国一次能源消费的比重由2000年的2.4%增长到2011年的5%，消费模式由“供应驱动消费”逐步向“需求拉动消费”转变。虽然天然气生产量和消费量都呈现出逐年快速增加的态势，但是产量的增速跟不上消费量的增速，供需矛盾加剧，对外依存度提高。作为世界上最大的发展中国家，中国正处在工业化、城市化进程中，对能源的需求还会不断增长，而只有处于后工业化阶段增长趋势才会放缓甚至下降，所以在未来很长一段时间，中国对天然气需求将持续高速增长[2]。充分认识工业化和城市化过程中天然气供需重心迁移路径和各个区域对天然气供需变化的贡献程度，可以明确天然气供需中的关键区域，培育天然气市场，还可以为制定天然气行业发展政策提供依据。

重心理论最初来源于物理学的重心概念，其物理学意义是空间重力场中物体各部分所受重力的合力作用点。众多学者利用重心理论研究社会学、经济领域、能源系统的迁移特点和均衡行问题。在社会学中，李仪俊[3]根据弗・沃尔克（Francis A. Warker）提出的人口重心的概念，分析了我国的人口重心及其移动轨迹，并指出人口重心不仅可以用于测定人口分布状况、分析人口分布状况变化，还可以表明人口分布的不均衡程度和人口分布的伸展方向。在经济领域中，其重心是指在经济空间中各个方向的经济力量所集中的那一点，在这一点各方向的经济力量维持均衡，可以用来研究国家或者区域发展趋势、判断发展的均衡性及评估空间发展政策的效果。其中，冯宗宪[4]运用重心理论研究了中国产业与经济空间演变的特征，给出了中国经济和三大产业的动态迁移过程，樊杰等[5]分析了中国经济重心与人口重心耦合态势对区域经济发展的影响。在能源系统中，其重心是指在能源空间中，能在各个方向上保持能源均衡的一个点。其中，Fesharaki[6]在1996年研究指出世界能源重心将转移到亚太区域，并将持续到2010年或以后，显然，这是符合当前世界能源空间格局的。Zhang[7]等研究了中国1997-2009年之间的煤炭、石油、天然气和电力供需市场的空间分布格局和的重心迁移路径，并采用对比分析的方法，解释了上述四种能源的迁移特点。这些研究表明，重心理论可以计算某种要素在空间场中的作用中心，能够较好的揭示该种要素的均衡程度和迁移趋势。

针对天然气供需问题，可以同样采用重心理论分析其供需重心的迁移路径和趋势。然而，仅仅知道其迁移路径或变化趋势，很难判断该变化的背后原因和推力，以及迁移趋势的内在原因。目前，分析重心迁移背后的原因和推力的方法较少，一种做法是运用对比分析方法[8-9]，通过收集一定时间内不同区域内的要素变化，或者分析该要素相关产业格局的动态变化，推测其可能的原因，具有明显的不确定性和主观性。另一种做法是对该要素的影响因素进行回归分析，当某种因素显著时，就可以推断其是推力[10-11]。但存在多个因素影响时，回归变量过多，回归难度增加，同样难以判断主要推动力，并且回归时过多关注能够收集数据的变量，不能给出迁移趋势的直接解释。

张露等：中国天然气供需重心迁移路径及贡献度分解中国人口・资源与环境2013年第12期基于以上分析，本文以中国不同区域2000-2011年天然气产量和消费量数据，首先计算天然气供需重心迁移路径，从时间空间上对比分析各个区域的变化特点。然后借鉴关于收入不平等指数的贡献度分解方法，提出基于Shapley Value的天然气供需迁移过程中区域贡献度分解方法，回答如下的一个典型问题：当天然气供需重心持续向某个方向移动时，主要是由哪些区域推动的，究竟是该方向上整个区域或大部分区域的供需出现了提升，还是仅仅由于某一个或几个该方向区域供需量有了突出的增长，还是因为该方向相反方向的供需速度放缓引起的，或者与该方向或其相反方向的供需变化无关，只是其他方向出现了供需不均衡现象造成的。通过回答这些问题，不仅可以得到各个区域对天然气供需重心迁移的贡献度，还可以更全面地评价不同区域天然气供需变化发展政策，明确天然气供需中的关键区域，培育天然气市场，还可以为制定天然气行业发展政策提供依据。

1计算方法

1.1重心计算方法

物理学中，重心是空间重力场中，物体各部分所受重力的合力作用点。在天然气供需重心研究中，其重心指的是在天然气供需区域中，能在各个方向上保持天然气供需均衡的一个点。假设一个大区域由若干个小区域构成，第i个小区域的中心坐标为（xi，yi），可以取该区域的行政首府的地理坐标，mi为该小区域的天然气供需量，则整个区域的天然气供需重心坐标（X，Y）为：

X=∑n4i=1mixi/∑n4i=1mi

Y=∑n4i=1miyi/∑n4i=1mi（1）

上式给出了重心的计算方法，可以看到天然气重心坐标受到划分区块的中心坐标和对应区块的天然气产量和消费量的影响。

1.2贡献度分解方法

Foster和Shorrocks以贫困度指数为例[12]，指出贫困度指数等于多个地区的贫困度之和，权重为该地区人口占总人口的比例，这是最简单又最清楚的分解，因为每个地区的贡献就是各自的权重与贫困度的乘积。这种简单分解法在重心迁移分析中却不适用。因为按照简单分解法，只考虑了区块自身份额变动的影响，未考虑区块之间的作用，分解结果过于独立。

这里将天然气供需重心的变动分解成各个地区天然气供需变量mi变动的函数，观察一个地区的天然气供需变化对整个天然气供需重心的影响，并将之作为该地区对重心迁移的贡献值。

在天然气供需重心迁移过程中，根据全微分方程，重心迁移量ΔX和ΔY可以表示为：

ΔX=X4m1Δm1+X4m2Δm2+…+X4mnΔmn

ΔY=Y4m1Δm1+Y4m2Δm2+…+Y4mnΔmn（2）

根据重心计算方法可推导出第i项偏导数分别为：

X4mi=（xi-X）/∑n4i=1mi

Y4mi=（yi-Y）/∑n4i=1mi（3）

令M=∑mi，根据式（3）和式（4）可得：

ΔX=x1-X4MΔm1+x2-X4MΔm2+…+xn-X4MΔmn

ΔY=y1-Y4MΔm1+y2-Y4MΔm2+…+yn-Y4MΔmn（4）

根据式（4），在一定程度上达成了分解目标。但是，当所有的Δm1都是正值时，则该分解出现问题。出现该问题的原因是，微分分解方程是近似方程，只有在前后期变化值较小时才有效，即只有在天然气供需总量保持基本稳定不变时，某一地区的天然气供需增加才意味着其贡献率的增加。显然，不同地区的天然气供需量前后的差异比较明显，这种基于微分近似方程分解方式也不合理[13]。

微分近似方程分解方法的分解结果不能合理解释各个区域的贡献度，这里采用Shapley value的分解方法。Shapley value源自博弈论，主要用于研究博弈主体收益或成本分配的方法。Shorrocks[14-15]提出了Shapley value的因子贡献度测算方法。Wan[16]提出了运用回归方程和Shapley value研究收入不平等问题。因为天然气供需重心分解本质上是一种非线性分解，故本研究也应用Shapley value分解方法计算各个片区对天然气重心迁移的贡献度。

假定有n个小的区块组成了一个大的区域K，记K={1，2，…，n}，则第i个区块的对整个区块K的边际贡献为：

MCi=ΔX（K）-ΔX（K＼＼{i}）（5）

采用这种分解方法，得到的分解结果不是精确分解，这将导致各个小区块的边际贡献度之和不一定等于总的贡献度。因此，这里考虑整个区块K中各个小的区块的排列顺序。对于包含n个小的区块的区域，全排列组合包括n！种。若第i个小区块前已有s个小区块进行了边际贡献值计算，则第i个区块的边际贡献为：

MCi=∑4SK，iS（n-s-1）！s！4n！（ΔX（S∪{i}）-ΔX（S））（6）

其中S表示前s个小区块的某一种排列顺序。为了消除全部n个小区块之间排列顺序的影响，需要考虑n！种不同排列组合方式，记作π（n）。设S∈π（n），则第i个区块对区域重心迁移的贡献为：

CXi=∑4S∈π（n）14n！ΔXPrei（S）∪{i}-ΔXPrei（S）

CYi=∑4S∈π（n）14n！ΔYPrei（S）∪{i}-ΔYPrei（S）（7）

其中Prei（S）表示在计算第i个小区块前，其它所有小区块构成的排列组合。这种基于Shapley value的贡献度分解计算方式，不仅考虑了第i个小区块自身地理位置影响，还考虑了其它不同小区块之间影响，而且其分解结果有正有负，既能反映各个区块的贡献度，还能给出其作用方向，在天然气供需重心迁移贡献度分解中具有较好的适应性。

2天然气重心迁移与贡献度分解

2.1中国天然气供需总量概述

中国2000-2011年天然气生产量和消费量数据如图1所示。相对于能源消费总量的增长速度，天然气供需量增长速度明显要高出很多。在2000-2011年之间，中国天然气产量和消费量销增长率均高于世界3%-4%的平均增长水平。就生产量和消费量而言，消费量增速更快，并且从2008年以后，消费量以及超过生产量，并且呈扩大趋势，说明中国天然气对外依存度逐步扩大。

2000年以来，中国天然气生产量和消费量飞速增长，主要原因有两个[17]：一是我国进入了工业化、城镇化的高速发展阶段，能源需求量不断攀升；二是国家对能源消费结构的调整，天然气因其优质、清洁、高效的特性，国家不断提升其在一次能源消费中的比例。

2.2重心计算数据的选取与区域划分

为了分析中国天然气供需重心的迁移路径及各个区块的贡献度，这里选取了中国30个省级区块2000-2011年的天然气产量和销量数据进行分析，其中、香港、澳门和台湾的数据缺失，不在分析之内。由于各个区块的位置、面积和地形均不相同，这里假设各个区块均匀分布在同一个平面，并选取各个区块中省会城市的经度和纬度作为中心坐标，如图2（a）所示。在计算各个区块对重心迁移的贡献度时，由于30个区块的全排列组合达到30！≈2.65×1032个，一般计算难以完成，所以这里按照自然地理，把30个省级区块分为七个片区，分别为华北、华东、华中、华南、西南、东北和西北，如图2（b）所示。其中华北片区包括北京、天津、河北、内蒙古、山西；华东片区包括上海、浙江、江苏、山东、安徽、福建；华中片区包括河南、湖北、湖南和江西；华南片区包括广东、广西和海南；西南片区包括四川、重庆、云南和贵州；东北片区包括黑龙江、吉林和辽宁；西北片区包括陕西、甘肃、宁夏、青海和新疆。

2.3天然气供需重心迁移路径对比分析

在天然气供需重心计算过程中，为了与后面的贡献度分解同步，采用的是七个片区的产量和消费量数据。在计算过程中，由于每个片区的中心坐标未知，就采用各个片区所包含省级区块的省会城市坐标，并把各个区块的面积作为权重，进行加权平均计算而得。最终，中国天然气2000-2011年的供需重心坐标计算结果如表1所示。

根据2000-2011年天然气供需重心经度和纬度坐标，可以得到中国天然气供需重心的时间与空间迁移路径如图3所示。在天然气产量重心迁移路径中，可以看到其

（a）

（b）图2天然气供需重心计算中区块和片区坐标和位置

Fig.2Each block position in calculating gravity center

of natural gas production and consumption

总体向西北方向移动，中间可以分为两个阶段：第一阶段是2000-2009年之间，一直向西北方向移动，移动速度有一定的反复；第二阶段是2009-2011年之间，迁移方向开始向西南方向偏移，移动速度在减缓。在天然气消费量重心迁移路径中，迁移趋势大体也可以分为两个阶段：第一阶段是2000-2004年之间，迁移方向逐步向西移动，移动速度先快后慢；第二阶段是2004-2011年之间，迁移方向逐渐向东南方向移动，移动速度先快后慢，中间存在一定反复。根据经度和纬度坐标值，可以发现，2000年天然气生产重心从陕西省汉中市洋县迁移到2011年的青海省贵南县境内，而消费重心从陕西省咸阳市迁移到陕西省山阳县境内，两个重心的变化范围均偏离中国大地基准点（陕西省泾阳县），突出显示了中国天然气供需总体不平衡的格局和态势。

通过对2000-2011年天然气供需重心变动轨迹的直观刻画，可以看出中国天然气供需市场变动趋势。下面把2000年与2011年各个省级区块的天然气产量和消费量进行直观对比（见图4），从时间和空间分析其中的变化。

从图4中可以发现，在2000年时，中国天然气产量较高的区块比较集中，主要产气区块在四川、新疆、广东、黑龙江和陕西省内，其中四川的产量较高。到2011年，可以发现天然气产量较高依然相对集中，但与2000年相比，产能有较大程度的提高。可见，天然气的生产与区域地理位置与气田分布密切相关。与2000年天然气产量格局相似的是2000年天然气的消费量，消费量较高区块与产量较高的区块比较对应（四川、新疆和黑龙江），但是到2011年，天然气消费量区块分布格局与2000年有着明显的变化，一些产量较低的区域消费量却有很大程度的提高（北京、上海、江苏），这与天然气输配管网的辐射区域密切相

关。总的来说，天然气的生产区域越来越集中，而终端消费市场越来越分散，天然气产能和输配设施的不足已成为制约天然气市场发展的瓶颈。

2.4天然气供需重心迁移路径中的片区贡献度分解

根据2000-2011年的中国天然气供需重心迁移路径，生产和消费重心迁移趋势都分为两个阶段。天然气产量重心坐标在2000-2009年之间向西北方向移动，2009年相对于2000年的重心坐标迁移量为（-6281 8，2536 2），在2009-2011年之间向西南方向移动，2011年相对于2009年的重心坐标迁移量为（-4441 0，-0532 6）。天然气消费量重心坐标在2000-2004年之间向西移动，2004年相对于2000年的重心坐标迁移量为（-2538 2，0415 5），在2004-2011年之间向东南方向移动，2011年相对于2004年的重心坐标迁移量为（3942 2，-1392 0）。根据Shapley Value分解算法，要计算七个片区对2000-2011年天然气供需重心迁移量的贡献度，每一阶段需要进行7！=5 040次迭代，最终的天然气供需重心迁移量不同阶段分解结果如表2所示。

置存在差异，其背后的推力不仅是西北片区产量的快速增加，还与华南、华中片区片区产量降低密切相关。在第二阶段迁移中，只有华中和华东片区迁移方向与其地理位置存在差异，同时华北片区与东北片区产量重心迁移方向相反，说明该阶段迁移的背后推力主要为华东、华中产量的下降，还受华北和东北片区的增长过缓的影响。

在天然气消费量重心迁移路径中，不同片区的贡献度有着明显差异。在第一阶段迁移中，西北、东北和西南片区的贡献度均较大，但是消费重心迁移的推力主要在于西北片区消费量增长过快引起的，同时还受华中和华东地区消费量增长过缓的影响；在第二阶段迁移中，虽然东北、华东、华南、西北片区的贡献度均较大（基数影响），但迁移推力主要来自华东和华南地区消费量的快速增长，同时还受西北地区消费增速过缓的影响。

3天然气重心迁移与贡献度分解结果分析

对中国天然气2000-2011年供需重心变动轨迹的直观刻画，可以看出供需重心迁移具有以下显著特征：首先，供需重心迁移路径不存在交叉，且迁移方向和趋势不同，表明天然气生产和消费具有两种不同的空间分布格局。其中，天然气的产量重心迁移量比消费迁移量大，说明天然气生产区块分布更加不均衡，而天然气消费量重心变动更加剧烈，说明不同区块的天然气消费量变动周期快。其次，从总的轨迹演化路径来看，中国天然气生产的不均衡问题在不断加剧，而不同区块的天然气消费格局正在进行不断调整，说明政府实施的天然气输气工程的建设对天然气消费格局有重大影响，其中2004年“西气东输”工程的贯通投产，直接推动了天然气消费重心在2004-2011年向东南迁移。再次，天然气产量和消费量重心都在2009-2010年发生与总趋势相反的变动，表明在2009年全球性金融危机的冲击下，中国天然气供需均受到影响，相对2008年增速回落。但是，到2010年，随着中国宏观经济企稳回升和国家上调天然气出厂价格，一些大型油气企业新建产能提速，天然气产量强势反弹。同时，2009年12月“西气东输二线”管线的部分投产，2010年“川气东送”、“京陕三线”和“榆济线”的贯通投产，天然气消费市场进一步向东南沿海经济发达区域过渡，天然气消费量快速增长，最终导致天然气供需重心迁移趋势在2009-2010年出现明显的波折。

对中国天然气供需重心迁移中不同片区的贡献度精确分解，可以看出以下明显特征：首先，不同片区的分解结果受其产量和消费量的基数影响较小，与其增幅密切相关。西北片区的产量增幅最快，华东片区的消费量增幅最快，所以在天然气供需重心迁移过程中，西北片区对产量迁移的贡献度最大，华东片区对消费量迁移贡献度最大。其次，不同片区的重心迁移贡献度分解结果反映了天然气供需市场的分散性。可以看到，部分区域的贡献度变化较快（西北、华东），还有部分区域的贡献度基本上未发生变化（华北、华南、华中），表明天然气供需市场并未与地区的经济发展水平匹配，主要受天然气产区分布和输送管网路线的制约。再次，随着天然气需求量的持续增长，各个片区的天然气生产重心迁移贡献度差异化加剧，而各个片区的天然气消费重心迁移的贡献度越来越接近，说明随着天然气输送管网覆盖区域的进一步增加，各个区域的天然气消费量逐步走向均衡。

4结论和建议

本文分析了中国2000-2011年天然气产量和消费量变化情况，利用重心理论刻画了天然气供需重心演化路径，并采用Shapley分解方法精确地得到各个片区对重心迁移量的贡献度，并在此基础上分析了中国天然气供需重心迁移的背后推力和关键要素。主要由以下结论和建议：

（1）中国天然气的生产和消费具有不同的空间分布格局。天然气供需重心迁移路径不存在交叉，且迁移方向和趋势不同。其中，天然气生产重心落在陕西省汉中市洋县到青海省贵南县境内，而消费重心从陕西省咸阳市迁移到陕西省山阳县境内，两个重心的变化范围均偏离中国大地基准点（陕西省泾阳县），突出显示了中国天然气供需总体不平衡的格局和态势。

（2）中国天然气供需市场不均衡性在加剧。其中，天然气的产量重心迁移量比消费迁移量大，说明天然气生产区块分布更加不均衡，而天然气消费量重心变动更加剧烈，说明不同区块的天然气消费量变动周期更快。具体来说，西北片区的产量增幅最快，华东片区的消费量增幅最快，所以在天然气供需重心迁移过程中，西北片区对产量迁移的贡献度最大，华东片区对消费量迁移贡献度最大。

（3）中国天然气的生产区域越来越集中，气源分布和供气结构相对单一，未来发展的关键在于提升国内其他一些尚有开采潜力区域的产量，并加大对国外天然气资源的开发利用。目前，中国天然气探明地质资源量为35万亿m3，累计探明储量为8.61万亿m3，探明率为25%，主要集中在西南、西北片区。随着页岩气、煤层气等非常规油气资源勘探开发力度的提高，西南（四川盆地）、华北（鄂尔多斯盆地、渤海湾盆地）、西北（柴达木盆地、塔里木盆地、准噶尔盆地）和东北（松辽盆地）等地的页岩气开发潜力巨大[18]。同时，中国周边国家天然气资源丰富，俄罗斯、哈萨克斯坦和土库曼斯坦都是天然气资源大国，如果加大对这些气源的开发与利用，可以一定程度上分散气源产地和供气结构，保障供气安全。

（4）制约中国天然气消费市场发展的关键因素是输配管道和储气库等基础设施的建设。目前，中国天然气输配管网初步形成以“西气东输一线”、“西气东输二线”、“川气东送”和“陕京线”系统等管道为骨干，以“兰银线”、“榆济线”、“淮武线”和“冀宁线”为联络线的国家级天然气骨干管网[19]。目前，中国的天然气管道长度超过5.5万km，“十二五”期间预计新增天然气管道4.4万km，到2015年天然气管道总长将接近10万km[20]，届时中国每万人占有的管线长度为0.59km，世界排名处在20名以后，远远落后于美国、俄罗斯等国的现有水平，管道建设仍需大力加强；在储气库建设方面，当前国内储气库能力远远不足。公开资料显示，中国目前投用的储气库储备气量约30亿m3，只占全年消费量的2.5%左右，预计到“十二五”末，总库容达到224亿m3，届时储气规模将占天然气总销量的8%-10%。目前，美国有400多座地下储气库，库存量占美国全年天然气消费量的30%以上，而欧洲已建的各种类型储气库超过60个，天然气储备率也达到15%-25%，因此，中国的天然气储气库建设还需进一步加强。

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