秦云松，張吉軍，王小林，戴 勝

(1.中國石油化工股份有限公司天然氣分公司，北京100120;2.中國地質大學經濟管理學院，湖北武漢430074;3.中國地質大學資源環(huán)境經濟研究中心，湖北武漢 430074)

一、引言

能源是一個地區(qū)和一個國家發(fā)展的必要物質基礎，能源數量短缺或消費結構不合理都將嚴重影響地區(qū)和國家的安全與發(fā)展［1］1280-1285。國際能源署(IEA)2010年報告對中國天然氣市場進行了全面評估，報告顯示，2010年中國天然氣消費量為1 070×108m3，比2009年增長18.2%，已成為世界第四大天然氣消費國，并預計2015年消費量將達到2 600×108m3左右，占一次能源消耗量的7%，2020年約為3500×108m3。［2］目前中國天然氣市場定價主要采用成本加成法，其市場價格遠低于替代能源價格(如煤、LPG等)，雖然極大推動了市場消費與擴張，但導致了天然氣消費結構比較單一，結構不合理，其市場價值沒有得到充分體現，天然氣資源在市場中沒有得到合理配置［3-4］。中國天然氣消費模式正逐步由供應驅動消費向需求拉動消費模式轉變，天然氣市場結構如何變化直接關系到能源消費安全，從長遠來看，中國天然氣利用形勢依然十分嚴峻［5］。故研究天然氣消費結構演變規(guī)律和演變趨勢有利于國家天然氣能源政策和產業(yè)政策的調整、天然氣市場的結構優(yōu)化、市場價值的實現和天然氣資源的合理配置。

天然氣市場具有較強的區(qū)域消費特征，目前中國形成了西南、環(huán)渤海灣、西北等8大不同類型區(qū)域性消費市場。大華北市場涵蓋陜西、山西、內蒙古、山東、河南、北京等省市區(qū)，整個地區(qū)天然氣管網密布，四通八達。該區(qū)域產業(yè)結構復雜，需求主體多樣，經濟水平差異較大，既有東部的發(fā)達地區(qū)山東、北京，又有中西部的欠發(fā)達地區(qū)山西、內蒙古、河南。該地區(qū)資源稟賦差異大:山西富產煤炭;陜北和內蒙古交界的鄂爾多斯氣田和長慶氣田為兩省提供了可靠的供氣保障;山東屬于沿海LNG輻射地區(qū)，除接收管道氣、海上氣外，還接收進口氣，用氣結構比較復雜。整個大華北地區(qū)天然氣需求主體主要以城市燃氣、工業(yè)和發(fā)電為主，其市場需求量大且價格承受能力較強。由于中石油、中石化、中海油及內蒙古煤制天然氣多個供氣主體的并存，大華北地區(qū)氣源結構也日趨多樣化。該區(qū)現有管道氣、海上氣、煤制氣、LNG等多種天然氣能源，種類豐富。內蒙古、寧夏天然氣汽車試點的推行，使得LNG、CNG項目在大華北地區(qū)迅速開展，中石油、中海油和中石化積極布局LNG項目搶占天然氣市場。由此可見，大華北地區(qū)具有鮮明的區(qū)域特征，對該地區(qū)天然氣消費結構的演變研究將為中國天然氣的區(qū)域配置、下游消費結構的優(yōu)化配置以及天然氣市場化提供必要的參考價值。

能源消費系統(tǒng)是一個復雜的耗散系統(tǒng)，其結構在外部擾動和內部漲落影響下不斷演變，表現出自發(fā)的、不可逆的演化特征。信息熵(Information entropy)從信息源系統(tǒng)角度出發(fā)，利用概率測度和統(tǒng)計方法度量耗散系統(tǒng)無序狀態(tài)，揭示系統(tǒng)內部結構演變過程［6-7］。耿海青等考慮到能源消費結構的區(qū)域差異性，利用信息熵分析了區(qū)域市場內居民能源消費結構(電力、煤炭、LPG和煤氣等)的演變，認為電力和天然氣將成為城市居民主要的消費能源［8］。田志勇等分析了中國2001—2006年能源消費結構中的煤炭、石油和天然氣的信息熵特征指標的動態(tài)變化，認為資源稟賦及煤炭、石油和天然氣的儲量影響能源消費結構的優(yōu)化［9］。揣小偉等從信息熵、均衡度和優(yōu)勢度等指標對中國1991—2006年煤炭、石油、天然氣和電力等能源消費數量和結構進行了動態(tài)分析，并深入研究了經濟發(fā)展水平、技術進步、產業(yè)結構對能源消費結構的影響［1］1280-1285。目前信息熵理論用于天然氣消費結構演變的研究還不多見，天然氣能源系統(tǒng)作為整個能源系統(tǒng)的一個子系統(tǒng)，其消費結構演變既與其他能源有關(尤其是替代能源，如煤炭)，又在工業(yè)、商業(yè)、民用等消費結構上呈現出自身演變的特點，為此，本文將采用信息熵、均衡度、優(yōu)勢度等方法分析研究區(qū)域市場天然氣消費結構時空演變過程和規(guī)律，以及影響天然氣消費結構演變差異性的因素，以便更加清晰地認識和準確把握中國天然氣消費結構的變化規(guī)律、動態(tài)發(fā)展趨勢和消費結構的差異性，為中國天然氣政策制定和調整提供依據，促進天然氣消費結構進一步優(yōu)化。

二、研究方法和數據來源

(一)研究方法

假設一個地區(qū)的天然氣消費總量為Q，該地區(qū)利用天然氣的行業(yè)有m種，每種行業(yè)的天然氣使用量為qi(i=1，2，…，m)，則各行業(yè)天然氣的消費量占該地區(qū)天然氣消費量總和的比例為pi=qi/Q，∑pi=1。

據此，根據信息論的原理，同時參照申農公式［9］，可以定義天然氣消費結構的信息熵為

式(1)可以用來描述某一地區(qū)天然氣消費結構的有序度或復雜程度，揭示其動態(tài)演變規(guī)律。

一般來說，當一個地區(qū)的經濟發(fā)展水平很低時，天然氣消費結構比較單一，可能只有一兩個行業(yè)使用量較大。假設處于極端狀態(tài)，整個地區(qū)只有一個行業(yè)使用天然氣，此時Hmin=0;相反，若該地區(qū)所有行業(yè)天然氣使用量的比例相等，即p1=p2=…=pm=1/m，則此時Hmax=lnm。事實上，這兩種情況均不會出現，信息熵一般會介于兩者之間，其值的大小反映該地區(qū)天然氣消費結構的復雜程度，而均衡度和優(yōu)勢度則描述各行業(yè)天然氣利用的差別和結構格局［10-11］。一個系統(tǒng)越是有序，信息熵就越低;反之，一個系統(tǒng)越是混亂，信息熵越高。在這里，定義天然氣消費結構均衡度的表達式為

即均衡度是信息熵和最大熵之間的比值，取值范圍為J∈［0，1］，其值越大，各行業(yè)天然氣使用量的比例差別就越小;當J=0時，天然氣消費結構的復雜程度最低。優(yōu)勢度的表達式為

反映了一種或幾種行業(yè)支配天然氣消費的程度。

(二)數據來源

根據《中國能源統(tǒng)計年鑒》(2001—2011)、《中國統(tǒng)計年鑒》(2001—2011)、《中國國土資源統(tǒng)計年鑒》(2001—2011)，整理選取出2000—2010大華北地區(qū)的北京、山東、內蒙古、山西、河北、陜西、寧夏以及河南等地各行業(yè)使用天然氣的消費量數據作為本文研究的基礎數據。

三、大華北地區(qū)天然氣市場發(fā)展特征

(一)市場規(guī)模不斷擴大

2010年，中國天然氣消費量達到1070×108m3，比2009年增長了18.2%，是2000年的4.4倍。大華北地區(qū)各省市區(qū)2010年天然氣消費總量為335.28×108m3，遠高于2000年46.88×108m3的消費總量(見圖1)。由于大華北地區(qū)天然氣需求主體以城市燃氣、工業(yè)和發(fā)電為主，價格承受能力較強，其天然氣利用前景較為廣闊。根據大華北地區(qū)各省市區(qū)“十二五”天然氣利用規(guī)劃，預計到2015年，大華北地區(qū)天然氣需求總量將達到1 014×108m3，占全國天然氣需求預測總量(2 600×108m3)的39%，大華北地區(qū)天然氣市場規(guī)模將快速擴大。

圖1 2000—2010年大華北地區(qū)天然氣消費量

(二)供氣主體由單一趨于多樣

2005年之前，大華北地區(qū)天然氣主要由中石油供給，近年來隨著中石化和中海油對大華北地區(qū)資源投放量的不斷增加，該地區(qū)已經形成了多元的供氣主體、多樣化的氣源結構，大大推動了大華北地區(qū)天然氣消費量的迅速增加。預計到2015年，大華北地區(qū)天然氣供應總量約為937×108m3，其中中石油的供氣量約為546×108m3，占總供氣量的58.3%;中石化供氣量約為243×108m3，占總供氣量的26%;中海油供氣量約為73×108m3，占總供氣量的7.7%;內蒙古煤制天然氣量約為75×108m3，占總供氣量的8%。同一市場多元化的供氣格局的出現，“競爭中合作，共贏中發(fā)展”的模式將日趨完善，這將有利于實現管網、儲氣庫等資源的優(yōu)化配置和合理利用，避免重復建設，提高輸氣效益。

(三)輸氣管網網絡化

目前整個大華北地區(qū)已經形成了橫跨東西、縱貫南北的天然氣管網布局。截至2010年底，山東省境內長輸天然氣管道近4700km，主要有榆濟管線、泰威線以及多條支線、青島—威海干線及其支線。河南境內的主要管網通道有:陜京二線安平站—山東管網—河南;陜京二線石家莊站—河北省管網—河南;陜京二線安平站—冀寧聯(lián)絡線—中滄線—河南。陜西省現已建成靖西線、咸寶線、西渭線、靖西復線等4條長輸管道。山西省境內主干管道包括陜京線、陜京二線、西氣東輸管線等主要管道以及規(guī)劃的陜京三線，還有榆濟管線。2008年末，內蒙古自治區(qū)境內已建成7條長距離輸氣管道，以化工用戶為主，城市燃氣用戶次之。

四、大華北地區(qū)天然氣消費結構演變研究

(一)大華北地區(qū)能源消費結構演變

從2001—2010年大華北地區(qū)能源消費結構變化來看，該地區(qū)以煤炭消費為主，占整個能源消費的90%左右，而石油、天然氣和電力等能源消費僅占10%(見圖2)。該地區(qū)能源信息熵值變化在2003年之前逐年下降，而2003年后熵值不斷增加，這表明盡管大華北地區(qū)能源消費以煤炭為主，但天然氣、電力在整個能源消費結構中的比例正逐年上升，且天然氣消費量從2001年的50×108m3增加到2010年的350×108m3左右(見圖1)，這表明大華北地區(qū)天然氣消費量的增加推動了能源消費結構逐步改善。

圖2 大華北地區(qū)能源消費結構信息熵與消費結構變動趨勢

從大華北地區(qū)各省市能源消費結構熵值變化來看，總體上各省市能源消費結構熵值不斷增大，天然氣消費比例不斷上升，但熵值變化與波動呈現出較為明顯的聚類特征，見圖3、圖4。因而，可依據熵值變化范圍將大華北地區(qū)劃分為4個能源消費次區(qū)域:北京為次區(qū)域一;陜西為次區(qū)域二;寧夏、山東、河南、河北和內蒙古為次區(qū)域三;山西為次區(qū)域四。北京地區(qū)能源消費信息熵值不斷增加，且天然氣消費比例急劇上升，主要是北京地區(qū)經濟發(fā)展迅速，對清潔能源需求旺盛;同時中石油陜京一、二線投產運行，推動了北京市天然氣消費量的迅速增長(見圖3)，極大地改善和調整了北京市能源消費結構。陜西、內蒙古、河南和山東等地區(qū)能源消費熵值總體增大，消費比例增長也保持同樣的趨勢，但增長緩慢(見圖4)，而中石油、中石化和中海油三大公司積極培育該區(qū)域的天然氣市場、逐步加大對這些地區(qū)天然氣資源的投放量，客觀上改善了這些省市區(qū)的能源消費結構。而山西作為中國的煤炭供給基地，盡管天然氣比例增加和能源消費結構有所改善，但豐富的煤炭資源和價格優(yōu)勢制約了作為清潔能源的天然氣在該地區(qū)的消費。

總體上來說，盡管大華北地區(qū)仍以煤炭為主要消費能源，但該地區(qū)天然氣管網網絡化、供應主體多元化和市場中工業(yè)及燃氣用戶對清潔能源天然氣的旺盛需求，推動了整個大華北地區(qū)能源結構的改善。同時由于各省市區(qū)資源稟賦和天然氣市場發(fā)育程度不同，使得能源消費結構呈現出明顯的區(qū)域特征。

(二)大華北地區(qū)天然氣消費結構時間變化

本文根據中國能源統(tǒng)計年鑒公布的2000—2010年大華北地區(qū)工業(yè)、居民生活、公共服務和商業(yè)等天然氣消費量數據，并依此計算這11年該地區(qū)天然氣消費結構、信息熵、均衡度和優(yōu)勢度(見圖5、圖6)，其中公共服務和商業(yè)消費包括建筑業(yè)、交通運輸業(yè)、餐飲和批發(fā)零售業(yè)。從信息熵和均衡度變化來看，熵值在0.5～0.7之間波動，均衡度在0.4以下，即表明該地區(qū)消費結構變化較大，且單一。從消費結構變化來看，該地區(qū)以工業(yè)用氣為主，消費比例占50%左右，其波動變化直接影響整個區(qū)域熵值變化，同時居民生活用氣、公共服務和商業(yè)用氣比例逐漸趨于穩(wěn)定，在20%左右小幅度波動。

2001—2010年大華北地區(qū)天然氣市場是從初步開發(fā)到快速發(fā)展的階段，依據信息熵變化過程，可將該地區(qū)天然氣消費結構變化按照時間劃分為3個階段，具體如下:

2003年之前市場處于初始開發(fā)階段。該地區(qū)主干管網沒有形成，天然氣主要消費市場集中在油氣田周邊，中原油田和勝利油田通過氣田集輸管網向附近城市的工業(yè)、居民生活供氣，僅長慶蘇里格氣田通過陜京一、二線跨區(qū)域向北京供氣。由于天然氣價格由政府規(guī)制，化肥、工業(yè)原料和居民用氣出廠價分別為0.69元/m3，1.27元/m3和0.92元/m3左右，過低的氣價極大地刺激了市場消費，使得天然氣消費在氣田周邊局部市場形成了短期有序結構(熵值接近1.3)。

2004—2008年為市場培育與發(fā)展階段。2004年以后，中石油西氣東輸一、二線管線貫通，而各省級支線管網與主干管網對接，極大地推動了沿線市場天然氣消費;中石化鄂爾多斯大牛地氣田勘探開發(fā)取得突破，并利用陜京一、二線代輸到山東、河南、北京等市場。由此，大華北地區(qū)初步形成了較為完善的網絡，中石油和中石化加大了該地區(qū)資源投放量，利用上述管網實現跨區(qū)域供氣，積極進行市場培育。而大華北地區(qū)以工業(yè)用戶居多，因此整個用氣結構逐漸以工業(yè)為主，雖然商業(yè)和公共服務用氣比例、居民生活用氣比例有所下降，但用氣絕對量明顯增加(見圖1、圖5)。然而，由于天然氣價格采用成本加成法，且化工原料用氣受到政府規(guī)制，其價格低于工業(yè)燃料價格，導致化工用氣從2004年的43%上升到2008年的55%，而工業(yè)燃料用氣比例則從57%下降到45%。由此可見，在此階段，大華北地區(qū)管網逐步完善推動了市場需求，而上游氣田采取的低價銷售策略，既刺激了消費進一步增加，也客觀上造成了消費結構不合理(熵值從1.3降到1.0)，天然氣資源未能在市場中得到合理配置。

2008年以后為市場快速發(fā)展和市場消費結構調整階段。2008年金融危機對大華北地區(qū)的工業(yè)影響較大，特別是對化工企業(yè)形成較大沖擊，工業(yè)用氣量相對下降，而居民、商業(yè)和公共服務用氣穩(wěn)定增長，同時，國家上調天然氣價格，限制化工原料等低附加值行業(yè)天然氣消費，鼓勵工業(yè)燃料、發(fā)電和商業(yè)等高附加值的行業(yè)用氣。根據等熱值法計算的天然氣市場價值可以看出，出租車、公共汽車、工業(yè)燃料以及制氫等行業(yè)天然氣市場價值較高，而尿素、甲醛和發(fā)電等領域經濟價值較低(見表1)。因此，2008年后，整個大華北地區(qū)天然氣消費結構逐步改善(熵值上升到1.3，均衡度上升到0.7)，天然氣資源逐步流向附加值較高和價格承受力較強的行業(yè)。特別是2010年后，國家發(fā)改委制定的天然氣利用政策突出強調了要節(jié)約、高效使用天然氣，大量消耗天然氣的化工項目、部分發(fā)電項目和甲醇項目被列為禁止范圍，而居民炊事、生活熱水等用氣、天然氣分布式能源項目等被列為優(yōu)先用氣類。因此，國家對天然氣利用政策的出臺將進一步引導大華北地區(qū)天然氣消費結構的優(yōu)化。

表1 等熱值法天然氣市場價值

(三)大華北地區(qū)天然氣消費結構空間差異

2010年大華北地區(qū)8個省市區(qū)天然氣消費結構信息熵的空間差異性較為顯著(見表2)，地理空間上由東部向西部逐漸降低，即北京最大(1.46)，其次是山東(1.26)，內蒙古最小 (1.02)。如果從各省人均GDP來看，則可發(fā)現經濟發(fā)達省市區(qū)的天然氣消費結構信息熵高，消費結構也較為多樣化(如北京);而GDP低的省，其信息熵則較小，天然氣消費結構較為單一(如寧夏、陜西)。由此可見，經濟發(fā)達的地區(qū)天然氣消費承受能力較高，其消費結構多樣性顯著，反之則消費結構趨于單一。

表2 2010年大華北地區(qū)各省市區(qū)信息熵、均衡度、優(yōu)勢度和人均GDP

如上所述，大華北地區(qū)能源消費結構呈現出明顯4個區(qū)域特征，故本文對這4個次區(qū)域天然氣消費結構比例和信息熵變化過程進一步分析，可以發(fā)現這4個次區(qū)域的天然氣消費結構各有其特點并且在空間上呈現出不同的演變規(guī)律(見圖7)。

次區(qū)域一:北京市天然氣消費結構信息熵從2001年的1.3上升到2010年的1.4，用氣結構逐步多樣化，主要以非工業(yè)用氣為主(見圖7a)。2005年以來中石油通過陜京線加大了對北京市的天然氣供應，其供氣氣源逐漸豐富，天然氣消費量在能源消費結構中的比例從2007年急劇增加后有穩(wěn)定的趨勢。由于北京市人均GDP較高(71938元)，價格承受能力較強，第三產業(yè)比例大(2010年比例為75%)，同時考慮到北京市碳減排壓力，可以預見未來北京市天然氣消費在交通運輸、公共服務和商業(yè)等經濟價值較高的第三產業(yè)的天然氣消費比例會進一步提高。

次區(qū)域二:陜西省天然氣消費結構信息熵從2001年的1.3下降到2010年的1.2左右，用氣結構較為單一，主要以工業(yè)為主，居民生活、公共服務、商業(yè)和交通運輸業(yè)次之(見圖7b)。主要原因是陜西省第二產業(yè)比重過大(約占53.8%)，而第三產業(yè)較小(約為36.4%)。目前陜西省已基本形成“四縱兩橫一樞紐”的天然氣管網體系，“十二五”期間隨著“氣化陜西”工程的推進，靖西三線、榆林—西安等管線將在“十二五”后期陸續(xù)建成，最終形成“六縱兩橫一環(huán)”的管網體系。同時，該地區(qū)毗鄰長慶氣田和大牛地氣田，以及西氣東輸一線、二線管道，能就近獲取價格較低的天然氣?？深A見，在“十二五”期間，陜西地區(qū)居民生活用氣和交通運輸業(yè)用氣將大幅增長，工業(yè)用氣比例將有所降低，天然氣消費將轉向價格承受力較高的第三產業(yè)，天然氣消費結構逐漸趨于合理。

圖7 大華北地區(qū)分區(qū)域天然氣消費結構信息熵差異

次區(qū)域三:寧夏、內蒙古和山東等5省區(qū)天然氣消費信息熵值較小，該地區(qū)天然氣消費結構單一，仍然以工業(yè)為主，居民消費較為穩(wěn)定(見圖7c)。主要原因是該地區(qū)第二產業(yè)比重過大(約占53%)，第三產業(yè)較小(約為37%)，同時，除山東和內蒙古以外，其他各省區(qū)人均GDP不到30000元(見表2)，總體上制約了該地區(qū)居民用氣和第三產業(yè)用氣的消費能力。可以預見，在“十二五”期間該區(qū)域天然氣消費仍以工業(yè)為主，第三產業(yè)中的交通運輸、公共服務和商業(yè)用氣有提升空間。

次區(qū)域四:山西省天然氣消費信息熵值在上升，工業(yè)比重在下降，交通運輸業(yè)和生活消費比重上升(見圖7d)。工業(yè)用氣分布在太原、忻州、陽泉、運城等城市，用氣行業(yè)以鋼鐵、陶瓷和鎂業(yè)為主，而居民天然氣消費主要以液化氣為主。該省擁有豐富的煤層氣(資源量約10×108m3)，隨著2010年山西省“氣化山西”戰(zhàn)略的提出，可以預見，在“十二五”期間居民用氣、運輸業(yè)用氣比例將增加。

五、結束語

本文利用信息熵對天然氣區(qū)域消費結構演變進行研究，以大華北地區(qū)的北京、山東、山西以及內蒙古等8個省市區(qū)天然氣消費結構變化為例，分析與研究了該地區(qū)2000—2010年天然氣消費結構信息熵變化過程，得出如下幾點認識:

第一，大華北地區(qū)天然氣管網網絡化、供應主體多元化推動了大華北地區(qū)天然氣需求的快速增長和工業(yè)、民用、商業(yè)、交通運輸、發(fā)電等領域的消費，天然氣消費結構信息熵將進一步增加。隨著城市化進程加快和環(huán)境保護力度加大，大華北地區(qū)天然氣消費結構逐漸由化工和工業(yè)燃料轉向城市居民、公共服務、商業(yè)和交通運輸等領域，將形成多元化消費結構。

第二，2008年以后天然氣市場進入快速發(fā)展和市場消費結構調整階段，大華北地區(qū)天然氣消費結構逐步改善，天然氣資源逐步流向附加值較高和價格承受力較強的出租車、公共汽車、工業(yè)燃料以及制氫等天然氣市場價值較高的行業(yè)。特別是2010年以后，國家發(fā)改委制定的天然氣利用政策突出強調要節(jié)約、高效使用天然氣，將進一步引導大華北地區(qū)天然氣消費結構的優(yōu)化。

第三，大華北地區(qū)天然氣消費結構空間差異性較為顯著，天然氣消費結構信息熵由東部向西部逐漸降低。經濟發(fā)達的東部地區(qū)天然氣消費承受能力較高，消費結構多樣性顯著，商業(yè)、公共服務和交通業(yè)等附加值較高的第三產業(yè)消費比例將進一步提高。而西部地區(qū)則由于天然氣消費承受力較弱，消費結構趨于單一，主要以工業(yè)燃料和化工原料為主，但隨著管網的完善和供氣氣源的豐富，城市燃氣中的居民消費比例將進一步提高，消費結構逐步優(yōu)化。

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［責任編輯:張巖林］