城市基礎設施系統供給效益影響因素的動態分析

陶志梅，孫 鈺

(1.天津商業大學 公共管理學院，天津 300134；2.天津大學 經濟與管理學部，天津 300072)

一、問題的提出

城市公共基礎設施系統由能源、交通、郵政電信、水資源與給排水、環境保護、防災等子系統組成，對于人類福祉和經濟生產力來說都是至關重要的[1]。全球各國政府越來越依重通過投資基礎設施來刺激和增強長期的經濟競爭力。自1981年以來，中國城市公共基礎設施固定資產投資持續增長。1981—2015年城市公共基礎設施固定資產投資年均增長率為23.9%，占同期國內生產總值比重1.8%。城市各類公共基礎設施供給服務能力顯著提高，其中供排水設施的供給水平提升明顯，2015年城市用水普及率達到98.1%，全國供水總量達到560億立方米，供水管道長度達到29 678公里，排水管道長度達到539 567公里。城市環保設施供給水平也有明顯改善，城市生活垃圾無害化處理量18 013萬噸，污水處理廠日處理能力14 038萬立方米。全國城市交通設施投資水平和投資總量在公共基礎設施固定資產投資中名列第一，2015年城市軌道交通投資占比為22.9%，道路橋梁投資占比為45.8%[2]。

盡管如此，中國城市公共基礎設施供給仍然難以滿足社會需求。暴雨后城市排水不暢、“到城市去看海”成為夏季很多城市的現象[3]；部分城市存在“垃圾圍城”現象，甚至有些地方“垃圾靠風刮、污水靠蒸發”[4]，城市交通擁堵、空氣、噪聲、水污染等問題普遍存在。面對城市化發展的需要，城市管理者面臨的重要課題是如何在增加城市公共基礎設施供給總量的同時，進一步提升城市公共基礎設施的供給效益。2017年《全國城市市政基礎設施建設“十三五”規劃》發布，該規劃改變了以往各專業部門單獨編制行業規劃的方式，首次提出以系統考慮城市基礎設施的總體規劃問題，既要考慮各專業的發展特點和差異，又注意不同專業部門之間的統籌和協調，提出城市暴雨內澇、垃圾圍城、馬路拉鏈、城市擁堵等城市問題不是相互割裂的，要協同各城市公共基礎設施部門，共同治理各類城市病問題。

一些學者就城市公共基礎設施對社會福利產生的影響從不同角度進行了研究。姚文琪和鄭玉顏[5]認為城市軌道交通具有很強的外部效能，能夠改善沿線地區居住人口容量，增加就業崗位。鄭思齊等[6]認為軌道交通作為一種典型的地方公共品，其巨大的社會效益凝聚在周邊的土地溢價上，形成典型的正外部性。李向春等[7]通過組合評價法實證分析天津市2004—2013年城市公共基礎設施的相關數據，提出城市公共基礎設施社會效益提升的基本路徑。Mohring[8]認為軌道基礎設施轉移城市邊緣地區機動車駕駛者，達到緩解交通擁堵、減少空氣污染的作用。孫鈺等[9]通過DEA交叉效率模型和聚類分析法對中國35個大中城市公共基礎設施的環境效益進行了實證分析，分別從短期和長期分析改善城市公共基礎設施環境效益的方法。

城市公共基礎設施系統及其子系統都是多組分、異構的復雜超大系統，能源、電信、交通、水資源、環境、防災分別包含電力、燃氣、供熱、取水、給水、排水、軌道交通、道路交通、郵政、電信、綠化、環衛等部門，各部門體系復雜，內容豐富。城市公共基礎設施各子系統組分具有專業性、技術性強、涵蓋內容廣泛等特點，各組分的特征和類型差別巨大，組分之間關系復雜多樣。Rinalidi等[10]對公共基礎設施各子系統和組成部件的相互依賴性進行了六維度描述，包括相互依賴性的類型、基礎設施的環境、耦合和應對行為、基礎設施的特性、失敗的類型、運營的狀態。Bartos和Chester[11]分析美國亞利桑那州的水資源與能源關系，發現節約用水能夠降低全州0.8%—3.1%的用電需求，采取節能措施和可再生能源發電的投資組合可以有效減少1.9%—15.0%的非農業用水需求。Roelich等[12]分析資源與公共設施宏觀系統的相互依存關系，明確資源需求之間的相互依賴及公共設施系統的復雜性，強調宏觀層面的供給與需求的整合管理可以提高公共設施供給效益。Otto等[13]認為公共基礎設施系統之間日益增長的相互依賴和未來融合的挑戰需要采用綜合的系統方法管理基礎設施。

城市公共基礎設施中的能源、交通、郵政電信、水資源與給排水、環境保護、防災等子系統為城市發展提供不同的、必備的、完備的、產品和服務。這些基礎設施分別歸屬不同的專業、學科領域，由不同的行政部門負責管理和提供，是具有復雜性、多體性的超大系統。城市公共基礎設施系統作為城市功能的基礎載體，其系統整體向城市提供產品和服務，為城市發展提供經濟、社會和環境效益。作為復雜系統，不能簡單通過加和各子系統供給效益替代城市公共基礎設施系統的供給效益，而需要探索各子系統的作用規律和相互依賴關系。受研究視野和管理體系的束縛，現有文獻對城市公共基礎設施系統供給效益研究仍非常稀缺。然而，復雜系統理論研究的綜合微觀分析法為城市公共基礎設施系統的供給效益影響規律探討提供了研究思路，即分別從宏觀總體和微觀子系統兩個層面探索城市公共基礎設施供給效益的實現問題。

二、研究方法、變量選擇、數據來源及處理

研究城市公共基礎設施投資的經濟增長作用一般是通過生產函數法，該方法將城市公共基礎設施資本作為生產要素，納入宏觀生產函數，研究基礎設施的經濟效益，但是生產函數法不能表現出各變量間相互依賴性演化的動態關系。VAR模型是一種非結構化的時間序列動態模式，該模型不需有先驗的理論基礎，也不需要考慮變量內生、外生及因果關系，將各變量直接視為內生變量，由一組回歸方程來表示變量間的動態關系。考慮到城市公共基礎設施系統是多層次、多組分、多體復雜系統，本文分別構建城市公共基礎設施系統供給效益VAR模型和子系統供給效益VAR模型，從宏觀、微觀兩個層面探討城市公共基礎設施系統的供給效益實現問題。

本文選取城市公共基礎設施的資本存量(INCAP)代表城市公共基礎設施系統的供給水平；分別選取郵政電信業務總量(PROEMAIL)、交通設施密度(PROTRA)、能源消費量(PROENE)、自來水綜合生產能力(PROWATER)表示郵政電信、交通、能源、水資源與給排水等子系統的供給水平。城市公共基礎設施供給效益是經濟效益、社會效益和環境效益的統一，本文使用城市公共基礎設施經濟、社會、環境效益形成的城市公共基礎設施綜合效益反映城市公共基礎設施供給效益(SNY)，如表1所示。經濟效益是地區生產總值，社會效益包含人均家庭總收入和三次產業從業人員數，環境效益由污水處理率、生活垃圾清運量、城市綠化覆蓋率表示。城市人口是城市公共基礎設施主要服務對象。參考Eusgeld等[14]與Scott等[15]的研究方法，選擇城市人口(POP)作為城市公共基礎設施供給效益的重要影響因素。

表1城市公共基礎設施綜合效益評價指標體系

資料來源：《2016年北京統計年鑒》。

本文以北京為例，對1981—2015年北京城市公共基礎設施系統供給效益影響因素進行研究。交通設施密度通過鐵路和公路里程數加和再除以北京國土面積得到。考慮到城市能源設施類產品不宜儲存，能源供給即為能源的消費，且能源生產量的部分能源產品被儲存，并未對城市發展做出貢獻，因而選取能源消費總量表示城市能源設施子系統供給水平。家庭收入水平已經包含在城市公共基礎設施效益綜合指數中，因而不再單獨設定。本文構建的城市公共基礎設施系統供給效益VAR模型的主要變量包括城市公共基礎設施資本存量、城市人口、城市公共基礎設施供給效益；城市公共基礎設施子系統供給效益VAR模型的主要變量包括郵政電信業務總量、交通設施密度、能源消費總量、自來水綜合生產能力、城市人口、公共基礎設施綜合效益。為消除異方差現象，本文對相關變量取對數。

(一)城市公共基礎設施系統供給的綜合效益核算

本文通過查閱文獻，采用理論分析法和專家咨詢法，從城市公共基礎設施的經濟、社會、環境效益三個層面篩選城市公共基礎設施綜合效益的評價指標體系，以北京城市公共基礎設施的經濟、社會、環境效益為研究對象，測算北京城市公共基礎設施綜合效益。為去除各指標單位不統一、不宜于加總的問題，先對各指標數據進行標準化處理，然后采用均方差決策法求解經濟、社會、環境三個層面的六個評價指標權重，結合綜合指數評價模型測算1981—2015年北京城市公共基礎設施的綜合效益指數。結果發現，北京城市公共基礎設施綜合效益指數的均值為0.414，標準差0.311。自1981年以來，北京城市公共基礎設施綜合效益指數平緩上升，到2000年略有回調。

(二)城市公共基礎設施供給的資本存量核算

城市公共基礎設施固定資產投資代表了政府的投資行為，對城市經濟生活發展產生效益的主要是公共基礎設施的資本存量，因此，本文設定城市公共基礎設施資本存量作為基礎設施系統供給變量。物質資本存量的核算方法一般采用Goldsmith 開創的永續盤存法。張軍等[19]、金戈[20]也采用了永續盤存法對投資額進行資本存量估計。本文對于北京公共基礎設施資本存量的核算也采用了這一方法，計算公式如式(1)所示:

Kjt=Kjt-1(1-δj)+Ijt

(1)

三、城市公共基礎設施系統供給效益 VAR模型的構建與分析

(一)平穩性檢驗

變量的平穩性是分析時間序列模型的重要前提，如果時間序列模型是非平穩的，則可能出現偽回歸現象。為避免出現“偽回歸”現象，確保各項統計檢驗存在意義，先進行系統變量時間序列數據穩定性檢驗。為解決變量數據的高階自相關問題，本文采用ADF檢驗法，滯后階數根據AIC準則自動選取，最大滯后階數取3，檢驗結果如表2所示。

表2部分變量的ADF單位根檢驗結果

注：D表示一階差分；檢驗形式(C，T，P)分別表示常數項、時間趨勢、滯后階數,N表示不含常數項或時間趨勢項。

通過單位根檢驗，ln(SNY)時間序列數據是平穩的，ln(INCAP)和ln(POP)數據不平穩。在對ln(SNY)、ln(INCAP)、ln(POP)三個變量的一階差分序列做單位根檢驗，其在5%顯著性水平上拒絕有單位根的原假設，即三個變量的一階差分序列是平穩的。

(二)滯后階數的確定

本文構建了城市公共基礎設施效益系統VAR模型，選擇View-Lag Structure-Lag Length Criteria確定最優滯后階數。由于VAR模型結果對滯后階數的選擇極為敏感，故采用LR、FPE、AIC、SC和HQ三種方法確定最優滯后階數[21]。通過運行EViews7.2軟件，本文確定VAR模型的最優滯后階數為2期。

(三)協整檢驗

協整檢驗是指兩個或多個非平穩的時間序列經過一定的時期后具有的長期均衡關系。由上述單位根檢驗結果發現，除綜合效益指數，其他各變量均為非平穩序列，同時所選變量均為I(1)，符合協整檢驗條件。本文采用 Johanson 法進行協整關系檢驗，檢驗結果表明，在5%水平下協整關系跡檢驗和最大特征根檢驗結果分別存在一個協整關系，可以建立城市公共基礎設施系統供給效益VAR模型。

(四)城市公共基礎設施系統供給效益VAR模型的實證分析

1.AR根檢驗

對北京城市公共基礎設施系統供給效益的VAR模型進行AR根檢驗，選擇View-Lag Structure-AR Roots Graph進行檢驗。結果顯示，該VAR模型共有6個根，且都位于單位圓內，表明北京城市公共基礎設施系統供給效益VAR模型滿足穩定性條件。

2.脈沖響應函數分析

脈沖響應函數分析方法可以用來描述一個內生變量對由誤差項所帶來的沖擊反應，即在隨機誤差項上施加一個標準差大小的沖擊后，對于內生變量當期值和未來值所產生的影響程度。

給公共基礎設施資本存量一個正沖擊后，綜合效益指數在第1期達到極大值0.016后衰減，第12期后持續正向作用于綜合效益指數，說明城市公共基礎設施資本存量對綜合效益指數的正向拉動作用具有一定的滯后效果。對資本存量的正沖擊會對人口會產生長期正向作用，第2期達到0.011，到第10期基本穩定在0.013。對人口變量的正沖擊對綜合效益指數僅有小幅拉升，第1期為0，第2期小幅拉升到0.002，從第3期開始一直表現為負作用。表明城市公共基礎設施資本存量的增加，會引起城市公共基礎設施綜合效益的提升。城市公共基礎設施資本存量的增加會對城市人口具有長期正向作用，人口數量的提高對城市公共基礎設施綜合效益有減損的作用。

四、城市公共基礎設施子系統供給效益

(一)平穩性檢驗

本文采用ADF檢驗對系統變量對數值進行平穩性檢驗，滯后階數根據AIC準則自動選取，最大滯后階數取3，檢驗結果見表3所示。

表3部分變量的ADF單位根檢驗結果

注：D表示一階差分；檢驗形式(C，T，P)分別表示常數項、時間趨勢、滯后階數,N表示不含常數項或時間趨勢項。

通過對城市公共基礎設施各子系統變量的對數值的單位根檢驗，其檢驗結果均無法拒絕有單位根的原假設，說明變量序列不平穩，其一階差分變量平穩。

(二)滯后階數的確定

本文采用LR、FPE、AIC、SC和HQ三種方法確定最優滯后階數，通過運行EViews7.2軟件，確定該VAR模型的最優滯后階數為3期。

(三) 協整檢驗

通過 Johanson 法進行協整關系檢驗可知，變量的跡檢驗在5%顯著性水平下存在六個協整方程，最大特征根檢驗在5%顯著性水平下存在四個協整方程，可以建立城市公共基礎設施子系統供給效益VAR模型。

(四)城市公共基礎設施子系統供給效益VAR模型的實證分析

1.AR根檢驗

對北京城市公共基礎設施子系統供給效益的VAR模型進行AR根檢驗，選擇View-Lag Structure-AR Roots Graph進行檢驗。結果顯示，該VAR模型共有18個根，且都位于單位圓內，表明北京城市公共基礎設施子系統供給效益VAR模型滿足穩定性條件。

2.脈沖響應函數分析

當期給郵政電信業務總量一個正沖擊后，綜合效益指數在第2期達到極小值，然后開始穩定增長，到第13期達到極大值。當期給郵政電信業務總量一個正沖擊對自來水綜合生產能力、交通設施密度、能源消費總量、城市人口都產生一個推動力量，其中對交通設施密度當期產生推動較大，當期到達極大值，然后回落仍在正值范圍波動，到第15期之后產生變為負值。說明郵電設施的供給增加會對其他子系統產生直接的正向影響，綜合效益指數則是先下降后上升。

當期給交通設施密度一個正沖擊后，綜合效益指數的波動不大，在第3期達到極小值，然后在第4期達到極大值。當期給交通設施密度一個正沖擊對能源消費總量當期產生一個強烈推動，達到一個極大值，在小幅回調后第3期產生第二個極大值，說明交通設施供給需要能源設施的支撐，會對能源設施供給產生較強的正向推動作用。

當期給自來水綜合生產能力一個正沖擊后，綜合效益指數反應滯后，第6期之前是負值小幅震蕩，第6期后開始轉變為正值，到第8期達到一個極大值，小幅波動后，到第13期開始回落。當期對自來水綜合生產能力的一個正沖擊后，當期交通設施密度產生較大影響，當期達到極大值，然后迅速回落，到第3期達到極小值。對自來水綜合生產能力的一個正向沖擊反應會對能源消費總量當期產生負向影響，然后到第6期開始產生長期的正向影響。自來水綜合生產能力的供給對城市人口產生較強影響，說明城市供水資源的豐富對城市人口具有一定的吸引力。

當期給能源消費總量一個正沖擊后，綜合效益指數產生較大拉升作用，在第3期達到極大值，然后衰落，說明能源消費總量提升會對城市綜合效益指數產生較明顯的正向拉升作用。當期給能源消費總量一個正沖擊對自身和城市人口當期產生一個強烈推動，第6期達到一個極大值。當期給城市人口一個正沖擊后，各變量變化幅度不大。當期給城市人口一個正沖擊，郵電設施先在負值回落，第3期達到極小值-0.053；交通設施在小幅波動后，第7期達到極大值0.040。

五、研究結論和政策建議

(一)研究結論

本文通過整理北京1981—2015年相關數據分別建立城市公共基礎設施系統供給效益VAR模型和城市公共基礎設施子系統供給效益VAR模型，分析北京城市公共基礎設施系統、子系統供給效益影響因素的動態反應規律。研究發現，城市公共基礎設施的資本存量對于城市綜合效益水平提升具有長期作用；城市公共基礎設施的資本存量增長，對于城市人口具有長期正向作用。城市人口增加會加大城市公共基礎設施承載壓力，對于城市綜合效益指數具有負向作用。伴隨城市人口的增加，需要城市公共基礎設施投資加大力度，以增加城市公共基礎設施承載能力。

北京郵政電信業務總量受到正向沖擊對其他各類設施的供給均產生正向影響，其中對交通設施密度的當期產生較大影響，郵政電信業務總量對城市綜合效益作用的反應相對滯后。交通設施密度的正向沖擊對能源設施密度當期產生較大影響。城市公共基礎設施各子系統供給水平的當期沖擊都對城市人口產生正向影響，說明城市公共基礎設施供給的增加對城市具有較強的外來人口吸引力。

通過動態分析北京城市公共基礎設施各子系統供給水平、城市發展水平、城市人口之間的關系，本文認為，城市公共基礎設施各子系統之間具有相互影響關系，且對城市發展水平產生影響作用。長期來看，提升城市能源、郵政電信設施供給水平會對城市綜合效益指數產生較好的作用；郵政電信設施供給水平提升會對交通設施供給水平產生正向拉動，提升交通設施供給會帶動能源設施供給。

(二)政策建議

城市公共基礎設施建設對城市綜合發展具有長期影響，而不僅僅是拉動區域經濟增長。城市公共基礎設施投資形成的資本存量對城市綜合效益影響是長期存在的，能帶動城市長期可持續發展；同時，城市公共基礎設施供給需要超前發展，城市公共基礎設施規劃、建設需要為城市未來發展留有一定的空間，促進長期的城市綜合效益水平的提高。

城市公共基礎設施之間的相互依賴性與城市公共基礎設施各子系統的技術經濟特性有關，也與城市公共基礎設施的既有存量有關。北京郵政電信設施的供給對交通、能源、水資源設施會產生積極的推動作用；北京城市能源基礎設施供給水平的提高會明顯改善城市綜合效益水平；北京城市交通設施供給與城市能源設施供給的相互依賴關系明顯，表明交通設施供給水平提升會較大程度上影響城市能源設施供給水平。城市管理者應根據城市公共基礎設施既定存量設施，研究城市公共基礎設施系統總體及其系統之間的相互依賴性，作為城市公共基礎設施系統供給規劃的依據，有效地改善城市公共基礎設施系統的供給水平和供給效益。