京津冀城市群能源供需與城市化的關系模式

王 朝,李偉峰,海 霞,周偉奇,韓立建,錢雨果

1 中國科學院生態環境研究中心 城市與區域國家重點實驗室,北京 100085 2 中國科學院大學,北京 100049

能源是人類賴以生存和發展的自然資源,是國家國民經濟運行和社會發展的重要戰略資源。在城市生態學中,能源則是城市作為社會-經濟-自然復合生態系統的重要組成部分,是城市內部生產、生活活動的動力來源,關系著城市命脈,被稱為城市的血液[1-2]。城市對能源的高度依賴性也決定了能源在城市化進程中的重要地位。我國進入21世紀以來,隨著城市化進程的推進,城市對能源的需求急劇增加,而能源供應能力遠不及需求的增長速度,能源供需矛盾日益凸顯[3-4]。同時,能源過量的消費給城市帶來碳排放、空氣污染等一系列生態環境問題。

目前,城市群成為我國重要的城鎮化發展形式[5],組團式的城市連接形式為同一區域內的城市間創造了更多交流與合作機會,同時也對各個城市提出了新的挑戰[6]。我國已經發展了珠三角、長三角、京津冀等大城市群。在眾多城市群中,京津冀城市群的發展備受關注。而在京津冀一體化背景下,京津冀距離成長為世界級城市群的目標仍然有很大的差距[7],特別是在能源方面。京津冀城市各自制定能源規劃,缺少統籌協作,體現了目前城市群存在著的“大而散”、“大而不強”的問題[8- 9]。2017年11月份,京津冀能源協同發展策略——“八大協同”的提出,城市間由分散轉變為協作的關系,有助于充分發揮城市群的“協同效應”[10- 11]。而要實現這一點,還需要對京津冀的能源供需及其與城市化的關系有充分的認識。

國際上,針對能源供需與城市化主要展開了以下3類研究:一是城市化發展對能源的影響,城市化進程的推進增加了對能源的需求量,而達到一定城市化水平則有利于改善能源消費結構[12- 14]。如Navamuel等[15]研究表明城市擴張增加城市能源電力需求,Fan等[16]研究表明城市化進程有助于改善居民能源消費結構,Liu等[17]和Tanaka[18]等研究表明產業聚集效應可有助于提高能源效率;Quan[19]等和周埔等[20]則均研究了城市化效應的區域差異,結果表明對于低收入水平的區域,城市化將加劇能源和碳排放強度,而對于高收入水平的區域,城市化將減少能源和碳排放強度。二是能源供需對城市化的影響,Shen[21]研究指出能源供應對城市化影響重大,長期資源短缺限制城市化發展。三是能源與城市化的雙向作用關系,Shahbaz等[22]和謝利平[23]采用協整分析和Granger因果檢驗對能源消費與城市化的關系進行了評價,證明了二者從長期上看存在相互作用關系。

我國也在國家和區域尺度展開了能源供需的相關研究:國家尺度上,李艷梅[24]圍繞城市化進程中的能源需求及保障展開研究,徐安[25]的研究圍繞城市化與能源消費關系展開,張新春[26]圍繞外部能源利用與我國區域能源供需平衡展開研究,劉金朋[27]圍繞能源供需格局展開研究等;區域尺度上,有單獨圍繞煤炭資源展開的供需研究,也有能源總體供應的研究,常昊[28]針對四川省煤炭資源的供需平衡展開研究,姬春旭[29]圍繞河北省煤炭資源供需展開,金波[30]圍繞北京市能源供應保障展開研究。然而針對城市群尺度的研究還比較少,且目前研究大多僅在省級尺度展開,對能源供應的關注也不足,如Zhang等[31]的研究對京津冀3個區域2002—2007年各部門的間接能耗進行了估計。為真正實現城市群的“協同效應”以突出城市群的競爭優勢,研究更要求著眼于城市群地級市系統角度。

本研究通過刻畫京津冀各地級市城市化進程中能源供需時空差異特征,進而與多指標綜合評價刻畫的城市化水平展開關系探究,對認清當前能源與城市化發展動態具有參考意義,為下一步城市群內能源協作規劃及政策制定提供科學依據,推動城市群協同效應的發揮,進而減緩區域能源供需矛盾問題。

1 研究區概況

京津冀城市群包括北京、天津兩個直轄市和河北省內11個地級市,研究定位于地級市尺度的分析,研究對象確立為13個市。2015年,京津冀城市群能源生產總量占全國能源生產量的3.89%,能源消費總量卻占到了全國消費量的11.07%。因而,相比全國平均水平,京津冀城市群總體能源生產不足而消費偏高。

2 研究方法與數據來源

2.1 研究方法

2.1.1 能源供需指標及其測度

能源供需包括能源供應與需求,通常認為,能源供應量包括能源的生產量和進口量,能源的需求量包括能源的國內需求和出口量[32]。從能源保障安全的角度,能源的供應與需求首先立足于本地生產和消費的能源[32]。根據京津冀目前的能源生產情況,優先考慮本地生產滿足能源需求,再考慮外部能源對城市群內需求的補給[32]。此外,研究認為目前京津冀的能源消費滿足了城市化發展需求才取得了現有的城市化成果。因此,本研究中涉及的地級市能源供應量和需求量定義為本地能源生產量和消費量,“能源供需”特指能源的供應量與需求量。

北京、天津市作為直轄市,其歷年能源生產量和消費量數據可以通過《中國能源統計年鑒》中能源平衡表(標準量)直接獲得,而河北省各地級市能源生產、消費總量數據無法直接獲得,因此研究在基于理論和文獻調研的基礎上,估算地級市相關數據。

(1)能源生產量的估算

能源生產量根據《中國能源統計年鑒》解釋,指一定時期內該地區一次能源生產量的總和,包括原煤、原油、天然氣、水電、核能及其他動力能發電量,不包括低熱值燃料生產量、生物質能、太陽能等的利用和由一次能源加工轉換而成的二次能源生產量。

為了綜合反映能源生產總量情況,研究采用我國現行的實物量轉換為標準量的標準煤單位進行換算。各地級市的能源生產量,以主要工業產品產量中的一次能源,即原煤、原油、天然氣、水電、風電的生產量由實物量換算為標準量后求和獲得,并以河北省省級尺度數據驗證,誤差范圍不超過1%,研究認為所采用的能源生產量換算方法具有一定的科學性[33]。

(2)能源消費量的估算

能源消費量指一定時期內該地區物質生產部門、非物質生產部門和生活消費的各種能源的總和,包括原煤和原油及其制品、天然氣、電力,不包括低熱值燃料、生物質能和太陽能等的利用。

基于河北省各地級市生活消費的數據和能源平衡表的不可獲得性,研究采用各地級市單位GDP能耗乘當年GDP估算當年能源消費量[34]。對于缺少數據的年份,通過其他年份的工業綜合能源消費量占比推算能源消費量數據。

2.1.2 城市化水平綜合指標體系及其測度

研究針對京津冀整體城市化水平特點,本著指標選擇的科學性原則,區別不同指標的影響差異,從人口、社會、土地和經濟4個方面綜合測度京津冀城市群的城鎮化水平,并利用熵權法為每個指標賦權重[35],如表1所示。

表1 京津冀城市群城鎮化水平評價指標體系

2.1.3 統計方法

(1)能源供需特征分析方法——ward系統聚類法

研究對城市群內部城市按能源供應量、需求量進行聚類分析,選用ward系統聚類分析方法。Ward法是一種可用于區域劃分的聚類方法[36- 37],以歐式距離的平方作為兩個類列之間的距離,強調同類城市的內部差異小,而不同類之間的差異大。研究通過對京津冀地級市重新分類,歸納總結不同類型城市的能源供需特征。

Ward系統聚類算法的基本原理為以歐式距離作為兩類之間的距離,先將集合中每個樣本自成一類,再進行類別合并時,計算類重心間方差,將離差平方和增加的幅度最小的兩類首先合并,再依次將所有類別逐級合并。

(2)能源供需與城市化分析方法——z-score標準化方法

研究在城市群能源供需模式和城市化模式的總結上采用z-score標準化方法[38],具體公式表示為:

(1)

2.2 數據來源

本研究以2001—2015年快速城市化階段為例,分析京津冀城市群各地級市能源供給、需求與城市化的關系模式。研究涉及數據來源于《中國能源統計年鑒》(2002—2016)、《河北省經濟統計年鑒》(2002—2016)、京津冀地區各地級市統計年鑒(2002—2016)。

3 研究結果與分析

3.1 京津冀城市群能源供需特征識別

對2001—2015年間的京津冀城市群各地級市能源生產量和消費量數據,利用SPSS 17.0軟件,根據數值高低水平進行ward系統聚類分析分3類,分別為能源高產型城市、能源中產型城市、能源低產型城市,能源高耗型城市、能源中耗型城市、能源低耗型城市,分析結果如下。

3.1.1 城市群能源供應特征

(1)高產型城市:天津、唐山、邯鄲

如圖1所示,天津市2001—2015年平均能源生產量為3550.45萬t標準煤,為京津冀城市群能源生產量最高的城市,整體處于上升的變化趨勢,2010年取得局部產量的峰值;唐山市平均能源生產量為2532.43萬t標準煤,其能源生產量在2008—2011年呈明顯上升趨勢,到2012年產量則回落并逐漸趨于平穩,其中在2011年達到最高值;邯鄲市生產量整體趨于平穩變化,局部略有上升并在2005、2010年出現兩個峰值。綜合來講,高產型城市整體平均能源生產量約2544.13萬t標準煤,呈現總體上升、近年來趨于平穩的趨勢。

(2)中產型城市:北京、滄州、邢臺、張家口

如圖2所示,北京市能源生產量先在2001—2006年經歷了一個先上升后下降的變化,2006年后呈較緩慢回升的趨勢,年平均能源生產量約為552.38萬t標準煤,其中在2004年產量達到最大值;滄州市能源生產量變化呈平穩上升趨勢;邢臺市能源生產量整體趨于波動變化,局部呈現明顯的上升或下降變化,其中以2003—2004年上升變化最為明顯;張家口市能源生產量呈顯著上升趨勢,但在2009年及2013年有較大幅度跌落。綜上所述,中產型城市平均能源生產量約731.32萬t標準煤,整體呈現趨于上升的變化趨勢。

圖1 京津冀能源高產型城市生產量變化 Fig.1 The production change of high-production city in Beijing-Tianjin-Hebei region

圖2 京津冀能源中產型城市生產量變化 Fig.2 The production change of moderate-production city in Beijing-Tianjin-Hebei region

(3)低產型城市:石家莊、秦皇島、保定、承德、廊坊、衡水

如圖3所示,承德市能源生產量變化波動較大,在2003—2007年維持在較高水平,后呈下降趨勢到2011年跌落至產量最低點;石家莊市能源生產整體產量不高且局部變化劇烈,個別年份呈明顯上升趨勢,如2004年、2009年為兩個年際變化的波峰;秦皇島市能源生產總量趨于平穩,個別年份表現為低谷,如2009年產量走低;保定市能源生產總量整體在京津冀城市群處于低水平,變化較平穩;廊坊市、衡水市在此期間無能源生產達到統計要求規模。總體上,能源低產型城市能源生產量平均約46.47萬t標準煤,整體生產不穩定,變化的波動性較大。

3.1.2 城市群能源消費量特征

京津冀城市群各地級市的能源消費量總體均處于上升趨勢,但在總消費量水平和局部年際變化趨勢上存在差異,分析結果如下。

(1)高耗型城市:北京、天津、唐山

如圖4所示的3個城市,即京津唐地區是城市群的高能耗區域,其中北京市能源消費量增速最低,變化相對平穩;而天津市能源消費量在2010年以前低于北京市,但其增速明顯高于北京市,并于2010年后超過北京市能源消費量,保持快速增長到2014年后增速放緩;相比之下,唐山市能源消費量偏高,變化波動較大而不穩定,以2006—2009年增速最快,2013年后呈現下降趨勢。綜合以上,高耗型城市平均消費量約6055.54萬t標準煤,整體呈上升趨勢,近年來趨于平穩變化。

圖3 京津冀能源低產型城市產量變化 Fig.3 The production change of low-production city in Beijing-Tianjin-Hebei region

圖4 京津冀能源高耗型城市消費量變化 Fig.4 The consumption change of high-consumption city in Beijing-Tianjin-Hebei region

(2)中耗型城市:石家莊、邯鄲

如圖5所示,石家莊市和邯鄲市能源消費量相近,且變化趨勢相似,消費量在前期均保持穩步增長趨勢,在2010年后呈現出消費量增速放緩或逐漸下降的趨勢。中耗型城市平均消費量約3729.3萬t標準煤,變化趨勢與高耗型城市類似,呈現先增加后穩定、再減少的變化趨勢。

(3)低耗型城市:滄州、邢臺、秦皇島、保定、張家口、承德、廊坊、衡水

如圖6所示,滄州、邢臺、秦皇島、保定、張家口、承德、廊坊、衡水市的能源消費量增長特征相近,即前期呈明顯的上升趨勢,其中滄州市、保定市、廊坊市和衡水市均在2011—2013年間顯著增長,2013年后能源消費量呈增長放緩或下降趨勢,與河北省2013年后能源消費量趨與平穩的變化趨勢一致;而張家口市在2010年后消費量明顯下降。低耗型城市能源消費量平均約為1305.05萬t標準煤,整體呈增長的趨勢,前期穩定增長而后期變化不穩定。

3.1.3 城市群能源供需對比

綜合城市群能源供應量、需求量及其變化特征分析,表明城市群高、中、低水平城市的能源供應量與需求量顯著不平衡,分別對應不同水平的供不應求。高耗型城市平均能源消費高出高產型城市的平均能源生產3511.41萬t標準煤,中耗型城市能源消費比能源中產型城市能源生產高出2997.98萬t標準煤,低耗型城市能源消費量高于低產型城市能源生產量1258.58萬t標準煤。

圖5 京津冀能源中耗型城市消費量變化 Fig.5 The consumption change of moderate-consumption city in Beijing-Tianjin-Hebei region

圖6 京津冀能源低耗型城市消費量變化 Fig.6 The consumption change of low-consumption city in Beijing-Tianjin-Hebei region

圖7 京津冀能源供應比需求變化 Fig.7 The change of the ratio of enenrgy supply to demand in Beijing-Tianjin-Hebei region

以能源供需比值表示城市供需差異,也反映了能源供給滿足城市自身需求的能力,取平均值后排序如圖7所示?？梢钥闯龈鱾€城市均表現為供不應求,以天津市能源自身供給能力為最高,其生產量卻不到自身消費量的65%;同時,城市間供需比存在差異,以保定、廊坊、衡水市能源自給能力為最弱,均不足2%。在這樣的能源供需水平差異大、分布不均的背景下,城市能源供需對其城市化產生的效應也不同。

3.2 京津冀城市群能源供需與城市化水平的關系模式

3.2.1 京津冀城市群能源供需模式

在分析各城市能源供需現狀的基礎上,研究面向京津冀城市群對象,更強調的是城市在城市群內的相對水平。因此,在對各城市能源生產量和消費量采用z-score標準化方法處理數據,取標準化后數據的正負號對數據水平進行劃分[35]。根據數據正負號對應落在正態分布曲線的左右兩側的情況,以正號表示相對高的數值水平,以負號表示相對低的數值水平,結果如表2所示。研究定義能源生產、消費量標準化后符號全取正為“高供需型”,以正負號均存在為“中供需型”,以全取負為“低供需型”,以此表示各城市能源供需模式。

表2 京津冀城市群能源供需模式

注:數據來源于2001—2015年京津冀城市群各地級市能源供需量均值

就供需模式現實意義而言,能源“高供需型”城市占據城市群的能源高生產量、高消費量,如天津市、唐山市能源產量豐富且都是以重工業為主的城市[39];能源“中供需型”城市表示城市能源生產量與消費量高低混合,供需量處于中間狀態,如北京市能源生產量低而消費量偏高;能源“低供需型”城市表示能源低生產低消費的城市,如廊坊和衡水市幾乎完全依賴外部供給能源以滿足需求,同時能源消費量也偏低。

3.2.2 京津冀城市群城市化模式

基于城鎮化綜合指標體系,數據分析方法同以上能源供需模式,指標數據通過z-score標準化方法處理,以正、負號劃分高、低水平表示各城市的相對城市化水平。各城市分析結果如表3所示,以符號全部取正為“高水平型”、以正負均存在為“中水平型”、以全取負為“低水平型”,以此劃分3種城市化模式。其中,“高水平型”城市表示其城市化水平較高,代表城市有北京、天津市,兩城市作為京津冀城市群的發展中心,經濟、社會、人口、土地城市化水平都處于城市群頂層[40];“中水平型”城市城市化水平發展不均衡,如邯鄲市在經濟城市化上的水平較高,而社會、人口、土地方面的城市化水平發展還有所欠缺[41-43];“低水平型”城市各方面城市化均處于群內落后水平。

表3 京津冀城市群城市化模式

注:數據來源于2001—2015年京津冀城市群各地級市城市化指標體系數據均值

3.2.3 京津冀城市群能源供需與城市化的關系模式

隨著城市化水平的提升,往往認為一個城市的能源生產量隨著其技術水平的提高而提高,能源消費量隨著其發展需求的升高而升高,即城市能源的高供應、需求與其城市化的高水平一致?；谇懊鎸纱箢惸Ｊ降目偨Y,對每個城市相應的能源供需模式與城市化模式比較,來分析一個城市所屬的兩種模式是否一致。結果如表4所示,可以看出京津冀各城市所屬的能源供需模式與城市化模式不完全一致:對于高供需型城市,其中天津市的城市化模式屬于高水平型,與其能源的高供需模式一致,但唐山、邯鄲市屬于中水平型模式而不一致;對于中供需型城市,只有石家莊市屬于中水平型城市化模式,與其能源供需模式一致,而北京市和邢臺市分別屬于高水平型、低水平型城市化模式,與其能源供需模式不一致;對于低供需型模式的城市,秦皇島市、保定市、張家口市、承德市、衡水市的城市化模式與能源供需模式一致,但滄州市和廊坊市屬于中水平型城市化模式,與其能源供需模式不一致。

對于能源供需模式與城市化模式關系不一致的城市,兩種模式有相對的高低之分。其中,城市化模式相對高的城市,說明城市能源的開發利用效率較高,發展達到了相對領先的城市化水平,本研究將這一類城市總結為屬于“先進型”關系模式,主要包括北京市、滄州市和廊坊市;能源供需模式相對高的城市,其城市化水平相對滯后,分析認為城市的發展方式相對粗放、落后,能源開發利用效率偏低,將此類城市的關系模式總結為“滯后型”關系模式,包括唐山市、邯鄲市和邢臺市。將其他城市定義為“一致型”關系模式的城市。不同城市的能源供需量對其城市化產生了不同的效應,二者的關系反映了城市能源開發利用效率的高低。為提高京津冀城市群整體的能源開發利用效率,滯后型城市需要重點提升。

表4 京津冀城市群能源供需與城市化關系模式

4 結論與討論

城市發展過程中,往往認為能源供需隨城市化水平提升而持續增長,而實際變化趨勢并非如此。在城市群發展趨勢下,不同的城市能源供需量對城市化產生的效應不同。本研究對京津冀各地級市能源生產量、消費量估算后,通過ward聚類分析劃分高、中、低三類水平特征,分析表明每種類型對應的變化趨勢并不是持續增加,同時存在波動變化或平緩變化的特征[44-45]。三類水平下的供應與需求的變化特征不相匹配、均值大小不相匹配,反映了京津冀時間上和空間上能源供需間的差異。針對京津冀供應不足、需求過高的能源供需特點,以供應與需求量的比值表征能源供需間差異,也反映了城市本地能源生產滿足需求的能力。在此基礎上,通過多指標綜合分析方法,建立能源供需總量水平與城市化水平的關系模式,即根據能源供需總量水平與城市化水平的相對比較,劃分了一致型、先進型和滯后型的關系模式。研究通過分析得到以下結論:

(1)京津冀城市群不同城市能源的供求特征及變化存在明顯的時空差異。一方面,從能源供給特征來看,平均能源生產量較高的城市(天津市)能源產量由上升轉變為平緩變化趨勢,而低產城市(石家莊市)呈不穩定的變化趨勢,兩類城市平均能源產量相差2497.66萬t標準煤;另一方面,從能源需求特征來看,北京、天津市等能源高耗城市能源消費近年來趨于下降趨勢,而低耗型城市(滄州市)近年來呈波動變化,二者平均差值為4752.49萬t標準煤。

(2)基于能源供需比值,京津冀城市群所有城市的供需關系均表現為供不應求,且不同城市能源供需缺口差異明顯。其中,天津市能源供給能力最強,但其生產量卻不及自身消費的65%,而供給能力相對最弱的城市保定市,其能源需求幾乎完全依賴外部能源供給。

(3)城市能源供需與城市化水平之間關系不相一致。研究對能源供需模式與城市化模式不一致的城市,劃分了先進型和滯后型關系模式。對于先進型的城市,主要有北京市、滄州市和廊坊市,城市化水平相對領先,分析認為其能源開發利用相對集約;而屬于滯后型的城市,主要包括唐山市、邯鄲市和邢臺市,城市化水平偏低,分析認為城市能源開發利用效率低、發展方式相對粗放,是城市群能源效率提升的重點。

根據研究結果,在能源調配上,建議能源供需量水平差異顯著的兩類城市之間加強能源互補合作;在區域規劃上,建議促進能源供需與城市化為先進型關系的城市帶動滯后型關系的城市,即北京、滄州和廊坊市帶動唐山、邯鄲、邢臺市向能源集約型發展方式邁進,提高后者的能源開發利用效率,從而有助于推動群內優勢互補,充分發揮城市群的協同效應。

研究旨在識別京津冀能源供需特征和探究能源供需與城市化水平的互動關系,為未來京津冀地級市城市能源規劃合作提供可靠依據。但研究也存在一些問題,如由于能源供需數據不可直接獲得,估算能耗以單位GDP能耗乘GDP的方法不夠精準,估算出的數據與真實情況具有一定差異。此外,在城市間能源規劃合作的建議上,具體方案實施過程中,不能只考慮能源單一要素,還需要綜合其他方面要素的考量,如水資源、礦產資源等自然資源的城市間協作關系,為城市群發展提供科學系統的理論指導。