基礎設施服務水平與城市規模的關系研究

岳宜寶 戴慎志

0 引言

對城市的基礎設施系統來說，其無論對于保障城市功能的正常運轉，還是對于提高城市的整體環境質量和綜合競爭力來說都起著極其重要的作用。合理的規劃基礎設施水平能積極有效地引導城市功能的發揮，反之，過于超前或落后的基礎設施服務水平，要么會造成城市有限建設資金的浪費，要么會制約城市進一步發展。這種基礎設施的規劃建設與城市發展不相協調的狀況時有出現。以三峽庫區重慶萬州按照規劃建設的沱口、明鏡灘兩個污水處理廠為例，這兩個污水處理廠按照2020年當地人口規模設計，其中沱口污水處理廠的設計能力是日處理2萬噸污水，按照2006年的數據來說，這個污水處理廠覆蓋的人口卻只能產生1萬噸污水，就是說即便所有的污水都能收集過來，沱口污水處理廠也只能吃飽一半，有相當一部分設備閑置。而明鏡灘污水處理廠日處理能力3萬噸的規模卻只能吃到8,000噸污水[1]。這種狀況的出現，主要原因就是由于沒有合理地準確地預測城市基礎設施負荷水平并將其與城市的滾動發展相結合。因此合理地預測城市的基礎設施服務水平就顯得尤為重要。

城市基礎設施固然具有網絡性、公益性、系統性以及自然壟斷性等特點，但最重要的一點就是它必須與需求增長的連續性和建設的階段性相適應，如圖1所示。在城市不同的發展階段，應該有不同的基礎設施服務水平。所以本文的研究目的就是分析不同城市發展階段基礎設施的服務水平，通過這種關系的揭示可以為今后合理的預測基礎設施服務水平提供一個重要的參考。當然與城市基礎設施服務水平相關的因素是多方面的，如城市的經濟發展水平、用地的開發強度，以及城市規模等方面的因素，等等。本文主要研究的，就是與城市規模相關的各方面因素。

1 研究方法、范圍與對象

1.1 研究方法的選取

圖1 基礎設施需求與建設關系示意圖

在城市基礎設施服務水平與城市規模的關系研究中，本文的研究方法是通過將我國不同城市的基礎設施服務水平加以比較來體現出這種規律性。之所以可以通過比較不同城市基礎設施的服務水平來進行研究是基于這樣一個前提，即城市在不同的城市化階段有不同的規律性，那么作為城市系統中重要一環的基礎設施系統也應該體現出一定的規律性。目前國外的許多關于城市的研究中，就是基于這一理論前提，如美國學者YongMei Lu在研究Dalsas-Fort Worth區域中的道路網絡與城市增長的關系時，對選取的11個不同規模的城鎮進行分析的過程就采用了這一假定[2]。

1.2 研究范圍與指標

1.2.1 研究范圍界定

基礎設施系統包含道路交通、能源、水務、通訊、環衛、防災等六大系統。這六大系統中的通訊系統，由于近年來無線通訊技術逐漸成為通訊技術的主流，而且通訊基站等通訊設施可以在相應的用地中加以解決，同時電信管道可以僅作為一種線狀的形式敷設于道路下面，因此通訊系統的發展，今后更加體現的是一種流動的空間，與建設用地的關系比較弱。六大系統中的環衛及防災系統，其主要的配置方式是按照一定的服務半徑進行環衛以及防災設施的配置，因此它們與城市規模變化的因素也不是十分密切。對于城市的道路系統來說，目前的研究表明其與城市的規模之間確實存在一定的關聯，如YongMei Lu的研究表明隨著城市規模的逐漸增加，城市路網的密度以及可達性會逐漸增加[2]。但是對于城市道路用地來說，合理的用地比例不僅與交通量有關，更大程度上與城市的交通模式以及交通需求管理等方面的政策導向因素有關，因此很難直接從城市的用地開發強度推導出合理的道路用地面積（或者比例），故本文將基礎設施的研究范圍界定為給水系統和能源系統。

1.2.2 研究指標

在本文的研究中，數據來源主要為住房和城鄉建設部主編的《中國城市建設統計年鑒（2002-2007）》和國家統計局編寫的《中國城市統計年鑒（2003-2008）》[3]-[13]。其中中國城市建設統計年鑒由于缺少2005年的數據，本文采用插值數據進行處理，由于城市基礎設施的需求變化是相對連續的，因此盡管采用了插值處理但仍能夠反映出基礎設施服務水平的基本面。

基礎設施服務水平方面采用以下指標：

（1）人均綜合用水量。城市的用水一般包含生活用水、生產用水、消防用水以及市政綠化用水，此外還包含一部分未可見用水量。為了研究的方便，本文采用人均綜合用水量指標作為分析的指標。

（2）人均日燃氣用量。在我國的燃氣系統中，不同的城市有著不同的氣源構成，目前主要有天然氣、人工煤氣和液化石油氣三種，本文以這三種燃氣的人居日用氣量作為基礎設施服務水平的衡量指標。

（3）單位面積供熱量。對于北方城市來說，供熱系統是基礎設施系統中重要的組成部分，本文采用單位建筑面積供熱量作為分析的指標。

（4）人均生活用電量。不同的城市由于產業結構的不同而在產業用電量方面存在較大差異，難以進行橫向比較，因而本文采用較能比較的居民人均生活用電量這一指標來進行分析。

在城市規模方面，本文采用建成區規模這一指標。這一指標不僅與基礎設施服務的統計范圍相同，而且更能實際地反映城市這一社會經濟綜合體在發展過程中的特點。

1.3 研究對象選取

在分析不同城市的基礎設施服務水平與城市規模之間的關系時，需要有一個比較明確的前提，即選取的對象必須具備一定的代表性。本文在選取研究對象的過程中，為體現這種代表性主要考慮了以下三個原則。

（1）考慮到不同規模的城市相結合，既要有大城市，又要有中等城市和小城市，以便比較全面地反映不同規模的城市在發展過程中的特點。

（2）考慮地域之間的分布。我國地域范圍廣闊，區域之間的發展很不平衡，因此即使同等規模的城市，由于地域的差異也很可能會在發展過程中表現出一些不同的特點。通過平衡研究對象在地域上的分布就能使研究更具有代表性。

（3）考慮不同發展階段城市的分布。這里包含了經濟發展水平和產業結構兩個方面，其中以城區人均GDP作為衡量經濟水平的指標，不同的經濟收入水平有可能導致居民在基礎設施需求方面的差異。同樣，不同的城市產業結構在基礎設施的需求方面也會表現出一定的差異性。

在以上三原則指導下，本文選取了全國38個城市作為研究對象，具體選點如圖2所示。從研究對象的選取結果來看，無論在規模分布、地域分布還是經濟發展階段方面都基本做到了平衡，因而分析的結果也就具有一定的代表性。

圖2 研究對象分布圖

2 研究結果分析

2.1 城市人均綜合用水量分析

用水量可說是城市“最基礎的”基礎設施。它不同于其它基礎設施系統的地方在于它的天然屬性——城市人均綜合用水量的多少，與水資源在地域空間的分布有不可分割的關系。關于這一點，在我國的《城市給水工程規劃規范（GB 50282—98）》中已有了明顯的體現。參照《規范》的分區，本文也以長江流域為界將研究對象分為南北兩個城市組；同時，為了體現用水量在我國東西部城市之間的差異，本文在這一基礎上按照所處區位的不同將城市劃分為東部城市、中部城市和西部城市。在城市的規模劃分上，目前我國的規劃體系將我國的城市劃分為小城市、中等城市、大城市和特大城市，本文本著既能體現城市規模之間的合理梯度差、又能簡化分析的原則，將城市分為特大城市和一般規模的城市，其中特大城市是指人口規模大于100萬的城市，一般規模的城市是指人口規模低于100萬的城市。各個城市分組的人均綜合用水量回歸后的關系參見表1和表2中所列項。

同時值得注意的是關于用水量與城市規模的回歸分析中還需要進行回歸分析的顯著性檢驗，在檢驗過程中，根據自由度（n-m,其中n為樣本容量，m為回歸模型中待定參數的個數，本文m為2）和給定的顯著性水平ɑ，從相關系數檢驗表中查出臨界值rɑ（n-m），由此判斷回歸關系是否成立。如果︱r︱≥rɑ（n-m）,則表明在顯著水平ɑ條件下變量之間的關系是顯著的，因此建立的回歸模型是有意義的，反之則說明回歸得出的模型是沒有意義的。本文中顯著性水平ɑ取值為0.1。人均綜合用水量與城市規模的顯著性檢驗結果如表1和表2所示。

通過回歸分析檢驗可以看出，不是所有城市分組的回歸分析都具有意義，對具有回歸意義的關系進行分析可以得出城市的人均綜合用水量存在著以下幾點規律。

（1）同區位條件下不同規模城市用水量之間的差異性

一般來說，規模較大的城市由于其生產服務業較發達，集聚能力較強，居民的生活水平較高，因此人均綜合用水量上也就會較高。而規模較小的城市在生活質量方面與大城市有一定的差距，其用水量也存在一定的差距。當然，統計分析也發現，單純從分組城市內部的城市人均綜合用水量分析來看，這種正相關的關系甚至并不存在，如南方西部地區特大城市用水量，它實際上它呈現的是一種微弱負相關關系，這種負相關可以解釋為可持續發展理念下居民用水的節約以及近年來節水技術提高的結果。但是如果把城市規模的概念放在更大的范圍內進行考察的話就會發現不同規模的城市與用水量之間存在著相對一定的正相關性。以南方西部地區的城市為例，特大城市的人均綜合用水量在每日370升左右，而一般規模城市的人均綜合用水量平均僅為200升左右。

（2）同規模城市下的用水量南北城市之間的差異性

從我國的水資源分布來看，北方地區水資源比較缺乏，相應的導致了城市的人均綜合用水量較低；而南方的城市多雨水加之天氣炎熱，居民的生活習慣與北方城市有著較大的差別。因此同樣的城市發展階段下，南方城市的人均綜合用水量較北方城市要高。以特大城市為例，北方中部地區的特大城市人均綜合用水量在每日350升左右，而南方中部地區的特大城市一般則在500升左右。

（3）同規模條件下東西部城市之間的差異性

我國的水資源不僅存在著南北差異，而且也存在東西差異。從我國的地形分析來看，我國的東部沿海地區多平原，西部地區多山區丘陵，因此東部地區的水資源總體上要較西部地區豐富。同時由于我國的經濟重心集中在沿海一線，因此較高的經濟發展程度同樣也需要較高的用水量。在這種條件下，我國東部、中部與西部城市在人均綜合用水量上也就表現出了較大的差距。以南方特大城市為例，中部地區的人均綜合用水量集中在每日500升左右，而西部地區則集中在每日400升左右。

表1 北方城市人均綜合用水量回歸檢驗統計表

表2 南方城市人均綜合用水量回歸檢驗統計表

2.2 城市燃氣用量分析

對城市的燃氣系統來說，我國城市的燃氣氣源包含了天然氣、人工煤氣和液化石油氣，往往一個城市就存在著兩種或者兩種以上的氣源構成。不同燃氣種類的用量與城市規模之間的關系分析如圖3至圖5所示。

從圖中可以看出，對于不同的燃氣用量來說，其不同于用水量隨著人口密度的增加有增加或減少的趨勢。當然在圖中個別城市在人均燃氣消耗量上與其它城市差距較大，如成都等個別燃氣資源豐富的城市。如果剔除個別我們稱之為奇點的數據，可以看出三種燃氣的用量基本上圍繞一個固定值上下波動，這主要歸因于城市燃氣的基本生活屬性，因此城市燃氣的消耗量在不同的城市規模中應該是一個相對固定的值。除去個別瑕疵點后可以得出三種氣源人均日消耗量的期望值，即人工煤氣為0.26立方米/人·天，天然氣為0.23立方米/人·天，液化石油氣為0.15千克/人·天。在城市規劃中尤其是總體規劃階段，在缺少城市歷年數據的情況下，這一數據可以作為城市燃氣消耗量預測的一個參考數據。

2.3 城市供熱量分析

在城市的熱力供應中，規模越大的鍋爐房或者熱電廠熱效率越高。因此在城市的發展過程中，隨著建成區面積的增加，為了給更大范圍內的居民供熱，一般會采用更大規模的供熱單位，如區域鍋爐房或者熱電廠，這種熱效率的提高對單位面積的供熱量必然產生影響，研究對象供熱量的變化與城市規模的關系如圖6所示。

圖3 人工煤氣用量與建成區規模的關系

圖4 天然氣用量與建成區規模的關系

圖5 液化石油氣用量與建成區規模的關系

從圖6的分析可以看出，城市單位面積的供熱量隨著面積的增長呈現出遞減的趨勢。當然，在現有的條件下，鍋爐房等供熱單位供熱效率的提高不可能是無限的，同時，居民冬季的采暖也需要保持一定的水平，因此這種供熱量的遞減趨勢不可能是線性遞減，而更加可能的是呈現出對數遞減的形式。經過回歸后的方程為：y =-0.2434Ln(x) + 2.0542，R2 = 0.1763，如圖6所示。

2.4 居民生活用電量分析

在城市的發展過程中，隨著規模的擴展，城市的各項配套服務設施也逐步完善起來，相應的居民的生活方式也就會發生巨大的變化，如與北京、上海等城市豐富的夜生活相比，榆林等小城市的夜生活就比較貧乏，這種生活方式的不同必然帶來居民在電力消耗上的差異性。不同規模城市用電量的差異統計分析如圖7所示。

圖6 供熱量與城市規模變化分析

同樣對用電量與城市規模的線性回歸關系需要進行顯著性檢驗，取顯著性水平0.1，樣本數量為226，回歸的相關系數為0.53，大于相關系數臨界值0.11，因此回歸結果有意義。同時從分析結果來看，居民生活用電量與建成區的規模呈現出比較明顯的正相關性，即城市建成區面積的增加必然導致居民生活用電量的增加，回歸方程為：y = 0.5574x + 315.87，R2 = 0.2849。

圖7 用電量與城市規模變化分析

這種現象的根本原因在于不同城市規模所帶來的集聚效益以及居民生活方式的差異。對于特大城市來說，城市完善的配套服務設施造就了城市居民豐富的城市生活，而其他城市在生活觀念以及消費方式上與特大城市仍有著較大的差別。居民在人均生活用電量上的差別，往往反映出這樣一種關系。

3 結論

3.1 本文研究的意義

本文的研究意義，主要在于從實際供求的角度研究了基礎設施的服務水平與城市規模之間的關系。

通過分析發現，在城市的用水量與城市規模之間存在著三個方面的關系，即同區位條件下不同規模城市用水量之間的差異性、同規模條件下南北城市之間以及東西部城市之間用水量的差異性。燃氣用量則是一個相對固定的值，原因是它具有一種基本生活屬性。城市的單位建筑面積的供熱量與城市的規模之間表現出一定的負相關關系，這在很大程度上是由于大城市供熱效率的提高以及熱損耗的減少所導致。而居民的人均生活用電量，則與城市的規模之間表現出一定的正相關關系。這種基礎設施服務水平與城市規模之間的關系，可以為今后基礎設施負荷的合理預測提供一個重要的參考。

3.2 與規劃層次的銜接

對于與規劃層次的銜接問題，研究成果對應的主要是城市的總體規劃階段。因為本文的研究方法是將不同城市的總體數據進行回歸分析，所得到的結論主要反映城市的總體狀況。而在詳細規劃階段，用地的建設量都相對具體明確，因此若繼續將本文的結論作為詳細規劃階段的重要參考，最終的誤差可能比較大。

3.3 下一步的工作

對于本文的研究，由于主要是選取了不同的城市進行分析，也就是這種分析是橫向視角的，實際上不同的城市由于發展背景、資源條件等各方面都存在一定的差異，因此分析的結果難免出現誤差，如已經提到的數據離散性較大的問題。因此下一步的研究應該主要以具體的城市為分析對象，從城市發展的縱向角度來分析基礎設施服務水平與城市規模變化之間的關系，當然這一分析過程是相當復雜漫長的，它需要足夠時間序列的數據，所以這將是下一步的研究方向。

[1]三峽庫區污水處理廠設計規模超前,運行成本過高[EB/OL].(2006-06-20)[2010-07-07].ht tp://www.ce.cn/macro/gnbd/dq/zdb/200606/20/t20060620_7431381.shtml.

[2]Yongmei Lu,Junmei Tang. Fractal dimension of a t ranspor tation network and its relationship with urban growth:a study of the Dal las-Fort Worth area[J].Environment and Planning B:Planning and Design.2004,31:895-911.

[3]國家統計局城市社會經濟調查司.中國城市統計年鑒2002[G].北京:中國統計出版社,2003.

[4]國家統計局城市社會經濟調查司.中國城市統計年鑒2003[G].北京:中國統計出版社,2004.

[5]國家統計局城市社會經濟調查司,中國城市統計年鑒2004[G].北京:中國統計出版社,2005.

[6]國家統計局城市社會經濟調查司,中國城市統計年鑒2005[G].北京:中國統計出版社,2006.

[7]國家統計局城市社會經濟調查司.中國城市統計年鑒2006[G].北京:中國統計出版社,2007.

[8]國家統計局城市社會經濟調查司.中國城市統計年鑒2007[G].北京:中國統計出版社,2008.

[9]建設部綜合財務司.中國城市建設統計年鑒2002[G].北京:中國建筑工業出版社,2003.

[10]建設部綜合財務司.中國城市建設統計年鑒2003[G].北京:中國建筑工業出版社,2004.

[11]建設部綜合財務司.中國城市建設統計年鑒2004[G].北京:中國建筑工業出版社,2005.

[12]建設部綜合財務司.中國城市建設統計年鑒2006[G].北京:中國建筑工業出版社,2007.

[13]建設部綜合財務司.中國城市建設統計年鑒2007[G].北京:中國建筑工業出版社,2008.

岳宜寶

同濟大學建筑與城市規劃學院博士研究生

戴慎志

同濟大學建筑與城市規劃學院，教授，博導