基于城市流和引力模型的我國西部地區(qū)能源輸送格局研究

李 帆，李效順，2①，卞正富，閆慶武，張 琦，夏嘉南（.中國礦業(yè)大學(xué)江蘇省資源環(huán)境信息工程重點實驗室，江蘇 徐州 226；2.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)中國土地問題研究中心，江蘇 南京 20095）

我國西部地區(qū)礦產(chǎn)資源儲量豐富，品種齊全，是我國礦產(chǎn)資源的主要富集區(qū)，擁有我國60%的礦產(chǎn)資源［1］，礦石產(chǎn)量最大，綜合利用產(chǎn)值最高，礦產(chǎn)品的銷售收入和礦產(chǎn)品利潤也最高，在全國占據(jù)重要地位。一些能源物質(zhì)如煤炭、天然氣等的儲量位居全國前列，石油等儲備礦種大多數(shù)也都分布在西部地區(qū)［2］。礦產(chǎn)資源的開發(fā)和利用對西部地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展起到重要的推動作用。由于各個省份能源的產(chǎn)銷和供需差異，西部地區(qū)已成為我國重要的能源基地并向各地輸送能源。2000年以來，在西部大開發(fā)戰(zhàn)略的推動下，西部地區(qū)取得了重大成就，如青藏鐵路，西氣東輸、西電東送、北煤南運等重點工程，成為全國經(jīng)濟發(fā)展的重要支柱［3］。但是隨著礦產(chǎn)資源快速開采，很多城市面臨著資源枯竭甚至不能自給的問題，環(huán)境惡化也越來越突出，大量企業(yè)職工面臨失業(yè)，豐富的礦產(chǎn)資源并沒有轉(zhuǎn)化為地區(qū)經(jīng)濟優(yōu)勢，而是形成“資源詛咒”現(xiàn)象［4］。因此，了解西部地區(qū)礦產(chǎn)資源現(xiàn)狀，評估西部地區(qū)能源供給能力，探究符合能源城市供給量和消費城市需求量的能源輸送格局對實現(xiàn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展顯得尤為重要［5］。一些學(xué)者通過構(gòu)建評價指標(biāo)體系對礦產(chǎn)資源綜合競爭力進行評價，進而判斷礦產(chǎn)資源分布格局和各地區(qū)優(yōu)勢，并對重要能源基地的地域類型進行劃分［6］。但是針對礦產(chǎn)資源的對外服務(wù)能力以及基于能源城市供給能力和消費城市需求量的城市之間引力格局的研究還較少，消費城市應(yīng)當(dāng)選擇哪些能源城市運輸能源，能源城市如何實現(xiàn)有利于區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展的有效供給值得探究。鑒于此，基于研究可行性和數(shù)據(jù)可獲得性，筆者采用城市流模型對西部地區(qū)陜西、甘肅、四川、云南、貴州、新疆、內(nèi)蒙古7個省、自治區(qū)（以下簡稱省區(qū)）礦產(chǎn)資源綜合競爭力和外向服務(wù)能力進行評價，進而通過引力模型對礦產(chǎn)資源服務(wù)能力較強省區(qū)的主要能源城市與我國主要能源消費城市之間的能源引力進行分析，以此探究我國西部主要能源城市更為優(yōu)化的能源輸送空間格局。

雖然從城市流視角，尤其是通過構(gòu)建引力模型來研究我國西部省區(qū)能源現(xiàn)狀和能源輸送的研究還較少，但是城市流強度模型已被廣泛用于評價不同城市各產(chǎn)業(yè)的外向功能量，已有學(xué)者采用由物理學(xué)中的萬有引力定律發(fā)展而來的引力模型進行較多拓展和研究。如WILLIAM［7］第一次將引力模型應(yīng)用于地理學(xué)研究，提出了“零售引力定律”。ZIPF［8］首次將引力模型用于研究城市之間的空間相互作用。TINBERGEN［9］則最早將引力模型應(yīng)用于國際貿(mào)易領(lǐng)域研究。VAZ等［10］將引力模型用于研究城市擴張。國內(nèi)多數(shù)學(xué)者主要是在改進城市引力模型的基礎(chǔ)上，對其進行應(yīng)用分析和實證研究。其中，模型的改進主要包括對“城市質(zhì)量”、“城市間距離”和“引力常數(shù)”等參數(shù)進行修正。相關(guān)應(yīng)用研究集中在探討經(jīng)濟聯(lián)系強度、城市群引力格局劃分、對外貿(mào)易發(fā)展分析和對外投資等各個方面。基于引力模型，趙雨霖等［11］定量分析了我國與東盟10國之間的農(nóng)產(chǎn)品貿(mào)易狀況。類淑霞等［12］、蔣奕廷等［13］、劉夢麗等［14］對區(qū)域經(jīng)濟聯(lián)系的強度和方向進行測算分析，杜相佐等［15］運用引力模型測算了農(nóng)村居民點之間的吸引力。朱妮娜等［16］通過引力模型對中國與50國的雙邊貿(mào)易和便利化指數(shù)進行分析。引力模型應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，相關(guān)研究也較為成熟，是地理學(xué)中研究城市貿(mào)易、城市經(jīng)濟聯(lián)系等的重要工具。筆者認(rèn)為類比城市之間的經(jīng)濟聯(lián)系，為實現(xiàn)能源城市能源的有效供給，消費城市在能源城市購入的能源量應(yīng)該與能源城市的生產(chǎn)量以及消費城市的能源需求量呈正比，與兩個城市之間的距離呈反比；能源城市生產(chǎn)量越高，消費城市能源需求量越高，當(dāng)兩地之間運輸成本更低時，兩個城市之間應(yīng)加強聯(lián)系，能源城市的能源將會得到更有效的利用。因此，城市流模型和引力模型為西部地區(qū)能源輸送格局研究提供了新思路和新方法，研究結(jié)果可為我國能源政策創(chuàng)新提供定量參考和決策依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

我國西部地區(qū)包括12個省區(qū)市，基于研究可行性和數(shù)據(jù)可獲得性，選取的主要能源分布區(qū)域為西部地區(qū)的陜西、甘肅、四川、云南、貴州、新疆和內(nèi)蒙古7個省區(qū)。省會城市通常是各省區(qū)的核心城市，發(fā)展也相對較快，故選擇除西寧、拉薩和蘭州以外的28個省會城市和直轄市作為主要能源消費城市。西部7省區(qū)大致位于21°08′～53°23′N、73°40′～126°04′E之間，所選取的省區(qū)均為全國重要的能源基地。其中，新疆9種礦產(chǎn)儲量位居全國第1，32種礦產(chǎn)資源儲量位居西北地區(qū)第1；內(nèi)蒙古煤炭保有資源儲量位居全國第1；四川已探明天然氣儲量位居全國第1；云南有“有色金屬王國”之稱；陜西和貴州也均是礦產(chǎn)資源大省。

2 研究方法與數(shù)據(jù)來源

2.1 研究方法

2.1.1 城市流模型

城市在社會經(jīng)濟發(fā)展中發(fā)揮著重要作用。隨著經(jīng)濟的發(fā)展，各城市的影響范圍不斷擴大，不僅僅局限于單一城市，而是逐漸出現(xiàn)了“大都市圈”、“都市連綿區(qū)”和“城市群”等概念。城市流指城市之間存在的人流、物流、信息流、技術(shù)流和資金流等各種流向數(shù)據(jù)，表示一個城市群體內(nèi)城市之間單向或雙向的聯(lián)系，城市流強度是城市群內(nèi)各個城市的外向功能所產(chǎn)生的相互影響量［17］，其計算模型為

式（1）中，F(xiàn)i為城市流強度；Ni為城市的功能效益，即各城市單位外向功能所產(chǎn)生的實際影響；Ei為城市外向功能量，即外向功能的大小。

假設(shè)i城市有m個行業(yè)，則i城市m個行業(yè)的總外向功能量Ei計算模型為

式（2）中，Eij為i城市j行業(yè)的外向功能量，計算模型為

式（3）中，Pij為i城市j行業(yè)的從業(yè)人員數(shù)；Pi為i城市從業(yè)人員總數(shù)；Pj為全國j行業(yè)的從業(yè)人員數(shù)；P為全國的從業(yè)人員總數(shù)。

Ni通常用單位從業(yè)人員GDP（PGD）表示，計算模型為

則i城市的城市流強度Fi的計算模型為

式（4）～（5）中，Ki為城市流傾向度，即城市外向功能量對城市流強度的影響比例；PGD，i為城市經(jīng)濟總量。根據(jù)式（5），可以將城市流強度的影響因素概括為PGD，i和 Ki。

筆者認(rèn)為各個省區(qū)之間也存在著類似城市流的現(xiàn)象，特別是能源貿(mào)易流動，因此通過城市流模型，探究西部各省區(qū)采礦業(yè)的外向功能量和城市流強度。

2.1.2 熵值法

根據(jù)熵值法計算各省區(qū)能源綜合競爭力。采用熵值法得到的結(jié)果較為客觀，克服了多指標(biāo)變量的信息交叉重疊問題，基本步驟如下：

（1）數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理。將各項指標(biāo)分為正向指標(biāo)和負(fù)向指標(biāo)，對其進行標(biāo)準(zhǔn)化:

正向指標(biāo)：

負(fù)向指標(biāo)：

（2）計算第i個省區(qū)第j項指標(biāo)值的比重（Yij）：

（3）計算指標(biāo)信息熵（ej）：

（4）計算信息熵冗余度（dj）：

（5）計算指標(biāo)權(quán)重（Wi）：

（6）計算單指標(biāo)評價得分（Sij）：

式（6）～（12）中，Xij′為第i個省區(qū)第j項評價指標(biāo)數(shù)值；Xj，min和 Xj，max分別為所有省區(qū)中第 j項評價指標(biāo)最小值和最大值；k=1/ln m，m為省區(qū)數(shù)；n為選取的指標(biāo)數(shù)。

2.1.3 引力模型

通過構(gòu)建引力模型測度和分析能源城市與消費城市的能源輸送引力格局，所構(gòu)建的引力模型為

式（13）中，F(xiàn)為消費城市向能源城市購入能源時的能源輸送引力；G為引力常數(shù)，設(shè)為1；m1、m2分別為能源城市的能源生產(chǎn)總量和消費城市的能源消費總量；r為能源城市與消費城市之間的物理距離。

2.2 數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)來源包括2017年《中國統(tǒng)計年鑒》、《中國城市統(tǒng)計年鑒》、各省區(qū)統(tǒng)計年鑒以及2011、2014和2017年各州市統(tǒng)計年鑒。通過查詢《中國統(tǒng)計年鑒》全國從業(yè)人員總數(shù)和采礦業(yè)從業(yè)人員數(shù)、各省區(qū)從業(yè)人員總數(shù)和采礦業(yè)從業(yè)人員數(shù)計算各省區(qū)城市流強度。由于采礦業(yè)生產(chǎn)總值總額無法準(zhǔn)確查詢，故通過省區(qū)采礦業(yè)人均工資和省區(qū)人均工資的比值按省區(qū)人均GDP進行換算，得到采礦業(yè)人均生產(chǎn)總值。計算各省區(qū)能源綜合競爭力的各項指標(biāo)主要來自《中國城市統(tǒng)計年鑒》及各省區(qū)統(tǒng)計年鑒，根據(jù)數(shù)據(jù)選取的代表性、可獲取性和科學(xué)性等原則，從能源生產(chǎn)狀況、能源消費狀況、能源流動狀況和主要能源供給能力4個方面選取9個指標(biāo)構(gòu)建各省區(qū)能源綜合競爭力指標(biāo)體系（表1）。能源城市的能源生產(chǎn)總量和消費城市的能源消費總量通過各州市統(tǒng)計年鑒的煤、石油、天然氣和電力等主要能源的生產(chǎn)量和消費量相加計算得到，能源城市和消費城市之間的距離為兩個城市幾何中心的距離。

表1 能源綜合競爭力指標(biāo)體系Table 1 The energy service capability index system

3 結(jié)果與分析

3.1 省級能源競爭力和服務(wù)功能測度

對各省區(qū)能源競爭力和外向服務(wù)功能進行測度是探究西部地區(qū)能源輸送格局的關(guān)鍵，也是判斷西部地區(qū)重要能源供給城市分布區(qū)域的基礎(chǔ)，通過式（6）～（12）計算得到，陜西、甘肅、云南、貴州、四川、新疆和內(nèi)蒙古能源綜合競爭力得分分別為19 696.440、3 616.443、5 763.228、6 735.487、7 830.455、9 469.727和24 205.210。可見，內(nèi)蒙古能源綜合競爭力最高，其次是陜西，計算結(jié)果均約為20 000，是甘肅的6～7倍。新疆能源綜合競爭力也較高，得分超過9 000。云南、貴州和四川能源綜合服務(wù)實力相當(dāng)，且四川＞貴州＞云南，甘肅能源綜合競爭力最低。

通過式（1）～（5）計算西部各省區(qū)采礦業(yè)的城市流強度（Fi）、城市流傾向度（Ki）和城市采礦業(yè)經(jīng)濟總量（PGD，i），并對各省區(qū)進行比較，結(jié)果見圖 1～2。Ki和PGD，i是影響城市流強度的兩大因素。通過對Ki和 PGD，i進行比較可以發(fā)現(xiàn)，陜西的 Ki和 PGD，i均居于西部7個省區(qū)第1位，并且優(yōu)勢明顯。這說明陜西采礦業(yè)的外向服務(wù)能力很高，其創(chuàng)造的經(jīng)濟效益也高。新疆和內(nèi)蒙古也處于優(yōu)勢地位，Ki和PGD，i也較高，而內(nèi)蒙古采礦業(yè)的經(jīng)濟效益更高。陜西和內(nèi)蒙古的Ki分別為0.60和0.52，表明其超過50%的從業(yè)人員可以為省區(qū)以外區(qū)域服務(wù)。將云南、貴州和四川進行比較可以發(fā)現(xiàn)，貴州的Ki最高，表明其礦產(chǎn)資源對外服務(wù)能力較強，四川Ki為負(fù)值，雖然其采礦業(yè)經(jīng)濟總量較高，但從業(yè)人員比例相對較低。云南的Ki和PGD，i都較低，表明云南采礦業(yè)能滿足自身需求，對外服務(wù)能力較差，創(chuàng)造的經(jīng)濟效益也不高。雖然四川外向功能量低，但其經(jīng)濟總量居于3個省份之首，表明四川采礦業(yè)綜合實力較強。

圖1 各省區(qū)采礦業(yè)城市流傾向度和經(jīng)濟總量比較雷達(dá)圖Fig.1 Comparison of urban flow tendency and economic aggregate radar maps of mining industry by provinces

西部7個省區(qū)Fi存在著明顯的空間分異特征，呈現(xiàn)“一超二核多強”格局。陜西、內(nèi)蒙古和新疆Fi較高，其中，陜西Fi超過100億元，內(nèi)蒙古和新疆Fi在40億～80億元之間，陜西以絕對優(yōu)勢超過內(nèi)蒙古和新疆，處于西部省區(qū)的核心地位。雖然內(nèi)蒙古和新疆的外向功能量基本一致，但是內(nèi)蒙古Fi是新疆的近2倍，表明內(nèi)蒙古采礦業(yè)經(jīng)濟總量高于新疆。內(nèi)蒙古和新疆屬于二級區(qū)域聯(lián)系中心。甘肅、云南和貴州Fi在0～20億元之間，F(xiàn)i較低，屬于三級地方性聯(lián)系中心。唯有四川Fi為負(fù)值，表明四川采礦業(yè)從業(yè)人員比例較低，采礦業(yè)相比其他產(chǎn)業(yè)不是非常繁榮，對外服務(wù)能力相對較弱。

3.2 城市能源引力測度與分析

陜西、內(nèi)蒙古和新疆具有較高的城市流強度和對外服務(wù)能力，且綜合競爭力也較高，通過查詢3個省區(qū)各州市工業(yè)產(chǎn)品產(chǎn)量，可以計算出各州市的能源生產(chǎn)總量（圖3）。

圖2 各省區(qū)采礦業(yè)城市流強度比較雷達(dá)圖Fig.2 Comparison of urban flow intensity radar maps of mining industry by provinces

圖3 顯示，在陜西、內(nèi)蒙古和新疆3個省區(qū)，榆林和鄂爾多斯能源生產(chǎn)總量在近些年以絕對優(yōu)勢領(lǐng)先于其他城市。2013年錫林郭勒能源生產(chǎn)總量最高，咸陽、渭南、昌吉和巴音郭楞等城市能源生產(chǎn)量也較高。利用式（13）計算了3個省區(qū)各州市對各消費城市的引力，將各能源城市對所有消費城市能源輸送引力相加得到其能源供給潛力（表2）。

由表2可知，榆林市2010年以來能源供給潛力遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于其他城市，均在10 000以上，其次是鄂爾多斯，其能源供給潛力在2013和2016年也在10 000以上。咸陽市能源供給潛力近年來穩(wěn)定在2 600～2 900水平，渭南和錫林郭勒約為1 000，昌吉在2016年達(dá)1 000以上，巴音郭楞相對較低。榆林、鄂爾多斯和咸陽可作為主要的能源供給城市。

圖3 2010、2013和2016年陜西、內(nèi)蒙古和新疆各州市能源生產(chǎn)總量Fig.3 Total energy production of Shaanxi，Inner Mongolia and Xinjiang in 2010，2013 and 2016

表2 主要能源城市能源供給潛力Table 2 Energy transmission potential of major energy cities

為探究榆林、鄂爾多斯和咸陽3個能源城市如何有效地對消費城市進行能源供給并實現(xiàn)資源有效利用，通過幾何間隔分級法將能源城市與消費城市的能源輸送引力劃分為一～五級引力，引力級別越高，表示引力越強。將二～五級引力進行可視化表示，結(jié)果見圖4～6。

對比圖4～6可知，2010、2013和2016年能源城市和消費城市能源輸送引力格局基本一致。筆者認(rèn)為一個消費城市若要從省外購入能源，應(yīng)當(dāng)選擇與其引力最大的能源城市，2016年我國榆林、鄂爾多斯和咸陽3個主要能源城市供給格局見表3。

圖4 2010年能源城市和消費城市能源輸送引力Fig.4 Gravity map of energy transmission in energy cities and consumption cities in 2010

由圖4～6及表3可以發(fā)現(xiàn)以下規(guī)律和特征：

（1）五級引力存在于與陜西、內(nèi)蒙古相鄰的省會城市，如太原、銀川和石家莊，應(yīng)將其作為能源城市優(yōu)先供給區(qū)域。其中，榆林與石家莊引力更強，2013年鄂爾多斯與呼和浩特形成五級引力，咸陽與西安轉(zhuǎn)變?yōu)槲寮壱Γ梢园l(fā)現(xiàn)這幾個能源消費城市都是重要的重工業(yè)城市，能源生產(chǎn)量和消費量均較大，如需從省外購入能源，太原和銀川均可考慮將榆林和鄂爾多斯作為能源供給地，呼和浩特可優(yōu)先考慮從鄂爾多斯購入，石家莊則優(yōu)先考慮從榆林購入。

（2）與能源城市形成四級引力的消費城市最多，其中，榆林覆蓋范圍最廣，且北方和南方的省會城市數(shù)量相當(dāng)。雖然上海、南京、武漢和重慶距離能源城市相對較遠(yuǎn)，但是能源城市仍然對其有四級引力，可以看出這4個城市作為我國經(jīng)濟發(fā)展的核心城市，能源消費量較高，能源城市也應(yīng)當(dāng)著重向這些城市供給能源。如果從外省購入能源，上海、武漢和濟南可優(yōu)先考慮榆林，北京、天津、鄭州、南京和重慶可選擇榆林或鄂爾多斯。

圖5 2013年能源城市和消費城市能源輸送引力Fig.5 Gravity map of energy transmission in energy cities and consumption cities in 2013

（3）三級引力的消費城市延伸到了更南方的廣州、昆明等城市。這些城市能源需求量一般，距離也相對較遠(yuǎn)，其中，杭州、廣州和成都的能源均可通過榆林或鄂爾多斯供給，昆明、沈陽、南昌和合肥可優(yōu)先從榆林采購。

（4）二級引力地區(qū)集中于東北三省、烏魯木齊、福州、貴陽、南昌、長沙和合肥，一級引力地區(qū)包括海口和南寧。這些地區(qū)能源需求量較低，距離能源城市也相對較遠(yuǎn)，運輸成本較大，可通過新型能源和清潔能源的開發(fā)以滿足自身的需要。

（5）部分城市同時與榆林和鄂爾多斯有著相同的引力，如太原、北京、天津等。但是與榆林有著較高引力的城市多于鄂爾多斯，因此這些城市可優(yōu)先考慮鄂爾多斯，以促進資源協(xié)調(diào)發(fā)展。

4 討論與結(jié)論

首先通過構(gòu)建城市流模型對陜西、甘肅、云南、貴州、四川、內(nèi)蒙古和新疆各省區(qū)采礦業(yè)城市流強度進行計算，分析各省區(qū)能源外向服務(wù)能力，然后基于引力模型對外向服務(wù)能力較強省區(qū)的能源城市和我國主要消費城市之間的能源運輸引力進行測算和分析，得到如下結(jié)論：

（1）陜西為西部各省區(qū)的區(qū)域聯(lián)系中心。通過計算城市流強度和外向功能量發(fā)現(xiàn)，陜西遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于其他幾個省區(qū)。這表明陜西采礦業(yè)從業(yè)人員為省外地區(qū)服務(wù)的比例較高，創(chuàng)造的經(jīng)濟效益也高，并且陜西能源綜合競爭力僅次于內(nèi)蒙古，也彰顯了陜西在7個省區(qū)中的核心地位。

圖6 2016年能源城市和消費城市能源輸送引力Fig.6 Gravity map of energy transmission in energy cities and consumption cities in 2016

表3 2016年能源輸送引力格局Table3 Gravitationalpatternofenergytransmissionin2016

（2）內(nèi)蒙古和新疆為西部7個省區(qū)能源綜合實力強大的核心地區(qū)。通過城市流強度和外向功能量計算，2個自治區(qū)的城市流強度和外向功能量僅次于陜西，對外服務(wù)能力較強。內(nèi)蒙古和新疆能源綜合競爭力分別位居第1和第3位，能源儲量豐富。

（3）榆林、鄂爾多斯和咸陽能源供給潛力較強，可作為主要的能源供給城市。渭南、昌吉、錫林郭勒和巴音郭楞的能源生產(chǎn)總量也較高，能源供給潛力相對較弱，可主要對同省區(qū)城市或者周邊省區(qū)城市進行能源輸送。

（4）能源城市可優(yōu)先為能源需求較大的重工業(yè)城市進行能源供給，其次是直轄市地區(qū)和城市群中心城市。太原、銀川和石家莊2010、2013和2016年均與榆林或鄂爾多斯形成五級引力。北京、上海、天津和重慶4個直轄市消費城市均與能源城市形成四級引力。鄭州、南京、武漢分別為中原城市群、長三角城市群和長江中游城市群中心城市，具有較強的經(jīng)濟實力，與能源城市形成四級引力。

（5）東北三省以及廣州、福州和烏魯木齊等距離能源中心地帶較遠(yuǎn)的城市與能源城市引力較弱，供給需求較小。這些地區(qū)能源運輸成本較高，應(yīng)當(dāng)更加注重新能源的開發(fā)。成都和貴陽與咸陽的引力較強，2個城市應(yīng)當(dāng)加強其與陜西的聯(lián)系。

該研究雖然對西部7個能源省區(qū)的采礦業(yè)城市流強度進行了定量分析，并通過引力模型對主要能源城市和消費城市之間的能源運輸引力進行測算，進而分析得到西部地區(qū)更為優(yōu)化的能源輸送格局。然而，西部地區(qū)的西藏、青海和寧夏3省區(qū)由于數(shù)據(jù)缺失而無法納入研究對象范疇，而廣西和重慶能源儲量較少，不是能源大省，因此未對其進行深入研究，一定程度上都可能會給研究結(jié)果應(yīng)用的廣泛性帶來偏差，這些都需要在后續(xù)研究中進一步完善。