“十四五”時期中國天然氣國家安全預(yù)警分析

鄭明貴 王 萍 曾健林 曹天琦

1. 江西理工大學(xué)礦業(yè)發(fā)展研究中心 2. 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)管理學(xué)院

0 引言

隨著中國能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化，天然氣占一次能源消費(fèi)量比重不斷提高，2020年達(dá)8.4%，與石油、煤炭共同構(gòu)成三大主體能源。根據(jù)《BP能源統(tǒng)計(jì)年鑒2021》，截至2020年，中國天然氣資源探明儲量為8.4×1012m3，僅占世界總探明儲量的4.5%，人均資源儲量不足世界人均值的1/5，且儲采比為43.3，低于世界平均水平48.8。然而，中國天然氣年消費(fèi)量高達(dá) 3 306×108m3，約占世界總消費(fèi)量 8.6%，居全球第三位。受制于資源條件，中國天然氣資源2006年開始依賴進(jìn)口，2020年進(jìn)口依存度達(dá)42.08%，能源安全保障面臨巨大壓力。尤其自2019年底以來，海外氣源供應(yīng)不穩(wěn)定、市場價格波動劇烈、季節(jié)性矛盾突出等問題對中國天然氣穩(wěn)定供應(yīng)帶來了極大的考驗(yàn)。《中華人民共和國國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》指出，需加緊完善經(jīng)濟(jì)安全風(fēng)險預(yù)警、防控機(jī)制建設(shè)，確保戰(zhàn)略性礦產(chǎn)資源領(lǐng)域安全可控。因此，對天然氣供應(yīng)安全進(jìn)行預(yù)警研究具有重要的意義。預(yù)警研究指圍繞天然氣安全發(fā)展態(tài)勢，開展監(jiān)測和評估的理論和方法體系，主要包括明確警源、分析警情、尋找警兆和預(yù)估警度的分析流程[1]?；趪野踩暯牵M(jìn)行天然氣安全預(yù)警研究，可以更好地了解全球能源發(fā)展趨勢，為國家能源安全戰(zhàn)略布局提供參考。

1 天然氣國家安全等級評估與預(yù)警指標(biāo)體系的設(shè)計(jì)

1.1 指標(biāo)體系

關(guān)于天然氣安全目前尚無統(tǒng)一的定義，相關(guān)研究主要從供氣的安全性、穩(wěn)定性和可持續(xù)性方面考慮[2-5]。在已有研究的基礎(chǔ)上，從國家安全視角出發(fā)，將天然氣國家安全定義為：一國能以合理價格及方式，持續(xù)、穩(wěn)定、足量地獲得當(dāng)前與未來經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活所需的天然氣資源?；诖硕x，在識別天然氣國家安全等級主要影響因素的基礎(chǔ)上，參考周云亨等[2]、郭明晶等[6]的研究，遵循系統(tǒng)性、一致性、獨(dú)立性、可測性、科學(xué)性、可比性以及目標(biāo)導(dǎo)向性等原則，構(gòu)建了中國天然氣國家安全等級評估與預(yù)警指標(biāo)體系（表1）。

表1 中國天然氣國家安全等級評估與預(yù)警指標(biāo)體系表

1.2 指標(biāo)權(quán)重

參考李剛等的做法[7]，采用兼顧序信息和強(qiáng)度信息的組合賦權(quán)法，分別運(yùn)用德爾菲法和熵權(quán)法確定主觀和客觀權(quán)重。該方法既考慮到主觀權(quán)重可體現(xiàn)專家的豐富知識和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，又兼顧客觀權(quán)重可有效體現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的優(yōu)勢。經(jīng)測算，中國天然氣國家安全等級評估與預(yù)警指標(biāo)體系權(quán)重如表2所示。從全局權(quán)重來看，保障系數(shù)、地緣政治風(fēng)險、儲采比、進(jìn)口依存度指標(biāo)權(quán)重較大，說明其對天然氣國家安全影響程度更大。從各一級指標(biāo)來看，在資源稟賦維度中，相對于儲量指數(shù)來說，儲采比指標(biāo)更為重要。在國際依賴維度中，地緣政治風(fēng)險是威脅天然氣進(jìn)口安全更為直接的因素。在獲取成本維度中，價格波動率權(quán)重更大。在保障能力維度中，保障系數(shù)權(quán)重最大，其次是人均管道長度和供儲比。

表2 中國天然氣國家安全等級評估與預(yù)警指標(biāo)權(quán)重表

1.3 指標(biāo)分級

將各二級指標(biāo)分級量化至（0,10]，消除指標(biāo)數(shù)量級和量綱對研究結(jié)果產(chǎn)生的影響。借鑒亞太能源研究中心國際公認(rèn)分級規(guī)則[8]，并參考李云鶴等[9]的研究，在對2006—2020年中國天然氣國家安全等級深入分析的基礎(chǔ)上，得到每個二級指標(biāo)在緊張或?qū)捤蔂顟B(tài)下的極端參考值作為區(qū)間的上下限。則中國天然氣國家安全等級評估與預(yù)警指標(biāo)分級規(guī)則如表3所示。

1.4 評估與預(yù)警等級劃分

根據(jù)表3指標(biāo)分級規(guī)則，參考楊欣等[10]的風(fēng)險預(yù)警等級，劃分出中國天然氣國家安全等級評估與預(yù)警等級（表4）。

表4 中國天然氣國家安全評估與預(yù)警等級劃分表

2 2006—2020年天然氣國家安全等級評估

為更好地明確中國天然氣國家安全致險因素，達(dá)到明確警源、分析警兆的目的，基于變權(quán)評估模型，分別對2006—2020年中國天然氣國家安全等級進(jìn)行綜合評估和一級指標(biāo)評估及結(jié)果分析，為后續(xù)天然氣國家安全等級預(yù)警研究奠定基礎(chǔ)。

2.1 數(shù)據(jù)來源

各國家和地區(qū)天然氣探明儲量以及美國亨利中心天然氣價格數(shù)據(jù)均來自《BP能源統(tǒng)計(jì)年鑒2007—2021》；世界人口、國家風(fēng)險指數(shù)數(shù)據(jù)均來自世界銀行；中國人口、匯率數(shù)據(jù)均來自國家統(tǒng)計(jì)局；2006—2019年中國天然氣產(chǎn)量、進(jìn)口量、消費(fèi)量數(shù)據(jù)來自《中國能源統(tǒng)計(jì)年鑒2007—2020》，2020年數(shù)據(jù)由《BP能源統(tǒng)計(jì)年鑒2021》的數(shù)據(jù)補(bǔ)充；2006—2019年中國天然氣供氣能力、儲氣能力、用氣人口、管道長度數(shù)據(jù)來自《中國城市建設(shè)年鑒2007—2020》，2020年數(shù)據(jù)由國家統(tǒng)計(jì)局的數(shù)據(jù)補(bǔ)充。由此，整理得到2006—2020年中國天然氣國家安全等級評估與預(yù)警指標(biāo)數(shù)據(jù)（表5）。

表5 2006—2020年中國天然氣國家安全等級評估與預(yù)警指標(biāo)數(shù)據(jù)表

2.2 評估模型

由組合賦權(quán)模型得到的指標(biāo)權(quán)重僅為靜態(tài)權(quán)重，無法衡量極端指標(biāo)值變動對整體評估結(jié)果的影響。為反映特殊情況變化下中國天然氣國家安全等級的真實(shí)狀態(tài)，采取變權(quán)評估模型對2006—2020年中國天然氣國家安全等級進(jìn)行評估。在變權(quán)評估模型中，指標(biāo)權(quán)重隨極端指標(biāo)值的變化而變化。依據(jù)評估對象變化情況，采取激勵型或懲罰型變權(quán)，以弱化或強(qiáng)化極端指標(biāo)值帶來的影響。

映射：

滿足歸一性：

連續(xù)性：wj(x1,…,xm)關(guān)于每個變元xk連續(xù)。

懲罰性：wj(x1,…,xm)關(guān)于每個變元xk單調(diào)遞減。

均衡函數(shù)為：

變權(quán)公式為：

式中wj(x1,…,xm)表示評估指標(biāo)權(quán)重，xj表示評估指標(biāo)分級值 ；α表示參數(shù)。式（4）當(dāng) 0 ＜α＜ 1 時表示懲罰型變權(quán)公式；當(dāng)α=1時，表示常權(quán)公式；當(dāng)α＞ 1時，表示激勵型變權(quán)公式。

變權(quán)綜合評估值ν*，計(jì)算公式為：

2.3 評估結(jié)果與分析

2.3.1 綜合評估

參考謝為等[11]變權(quán)評估模型，在選取α=1進(jìn)行常權(quán)評估的基礎(chǔ)上，選擇α=0.75進(jìn)行懲罰型變權(quán)評估。常權(quán)與變權(quán)測算結(jié)果對比如表6所示。從變權(quán)評估結(jié)果來看，2006—2020年中國天然氣國家安全等級評估值介于3.92～5.68，除2006年為橙色、不安全等級，其余年份皆處于黃色、基本安全等級。從具體年份來看，2006年，中國天然氣國家安全等級發(fā)生明顯變動，由黃色、基本安全等級轉(zhuǎn)至橙色、不安全等級。原因在于，2006年國內(nèi)天然氣供不應(yīng)求，中國開始進(jìn)口天然氣以彌補(bǔ)國內(nèi)需求。但進(jìn)口來源較為單一，主要資源國風(fēng)險偏高，且運(yùn)輸距離較遠(yuǎn)，存在接替氣源不足風(fēng)險。此外，2007—2009年，中國天然氣國家安全等級評估值下降也較為明顯，降幅皆在0.5以上，該時期中國天然氣管網(wǎng)和儲氣設(shè)施建設(shè)處于起步階段，調(diào)峰能力短板尚未改善。2010年，隨著進(jìn)口來源的逐步拓展，通道多元化一定程度上提升了供氣穩(wěn)定性，國家安全評估值有所提高。2011—2015年，國際天然氣價格上升，獲取成本增加，國家安全評估值再度下降。2016—2019年，國內(nèi)天然氣需求強(qiáng)勁態(tài)勢不減，進(jìn)口依存度升至43.20%。2020年，新冠疫情和國際油價暴跌給世界天然氣市場帶來沖擊，國內(nèi)天然氣市場也受到連帶波動，進(jìn)口氣源不穩(wěn)定，季節(jié)性矛盾突出，中國天然氣應(yīng)急保障體系和應(yīng)急能力面臨嚴(yán)峻考驗(yàn)，國家安全評估值再度下滑。

表6 常權(quán)和變權(quán)評估對比結(jié)果表

2.3.2 一級指標(biāo)評估

相對于綜合評估，一級指標(biāo)更能夠反映2006—2020年中國天然氣國家安全等級各評估維度變動情況（圖1）?？傮w來看，獲取成本維度安全狀況最佳，其次分別為國際依賴、保障系數(shù)和資源稟賦維度：①從資源稟賦維度來看，其安全等級由橙色、不安全等級轉(zhuǎn)至黃色、基本安全等級。這主要是受天然氣資源探明儲量不斷提升的影響。近年來，中國常規(guī)和非常規(guī)天然氣勘探和開采工作取得較大突破，提高了中國天然氣資源可供性。②從國際依賴維度來看，其安全等級基本處于黃色、基本安全等級。全球供需格局調(diào)整、地緣沖突與大國博弈等因素，均加劇了進(jìn)口氣源供應(yīng)的不穩(wěn)定性。③從獲取成本維度來看，其安全等級由黃色、基本安全等級轉(zhuǎn)至綠色、很安全等級。2006—2020年，中國人民幣總體呈現(xiàn)升值趨勢，國際天然氣價格波動逐漸平緩，有利于降低天然氣獲取成本。特別是2020年，受新冠疫情影響，市場需求量縮減，國際天然氣價格有所下降。④從保障能力維度來看，其安全等級由橙色、不安全等級轉(zhuǎn)至黃色、基本安全等級。受儲運(yùn)基礎(chǔ)設(shè)施不斷完善的影響，中國天然氣供氣和儲氣能力日益增強(qiáng)，保障能力不斷提升。但與發(fā)達(dá)國家相比，“全國一張網(wǎng)”建設(shè)仍需不斷推進(jìn)，儲氣調(diào)峰能力和互聯(lián)互通能力亟待加強(qiáng)。

圖1 2006—2020年中國天然氣國家安全等級雷達(dá)圖

3 2021—2025年天然氣國家安全等級預(yù)警分析

為監(jiān)測天然氣國家安全等級未來變化趨勢，達(dá)到尋找警兆、預(yù)估警度的目的，對2021—2025年中國天然氣國家安全等級進(jìn)行預(yù)警及結(jié)果分析。預(yù)警基本步驟如下：首先，對中國天然氣國家安全等級評估與預(yù)警指標(biāo)體系中的10個二級指標(biāo)進(jìn)行預(yù)測；其次，利用2006—2020年的樣本數(shù)據(jù)對BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行訓(xùn)練；最后，將10個二級指標(biāo)的預(yù)測值輸入訓(xùn)練好的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型中，得到2021—2025年中國天然氣國家安全等級預(yù)警值。

3.1 預(yù)警模型

3.1.1 GM(1,1)模型

GM(1,1)模型可以排除或過濾掉樣本數(shù)據(jù)中的不規(guī)則變動，反映趨勢性變動特征，預(yù)測出序列變化的主要趨勢，對不確定系統(tǒng)的中短期預(yù)測具有較好的效果[12]。引入GM(1,1)模型，對通過級比檢驗(yàn)、適用于GM(1,1)模型的部分指標(biāo)進(jìn)行預(yù)測，步驟如下所示。

3.1.2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是高度非線性動力學(xué)系統(tǒng)，由大規(guī)模神經(jīng)元互聯(lián)組成。它從自然生理結(jié)構(gòu)出發(fā)研究人的智能行為，模擬人腦的信息處理功能，具備高度容錯、自組織和自學(xué)習(xí)的特性，能夠并行處理信息、連續(xù)學(xué)習(xí)和分布式存儲，為解決復(fù)雜的礦業(yè)問題提供了強(qiáng)有力的工具[13]。本文建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型如下：

1）輸入神經(jīng)元：包括儲采比、儲量指數(shù)、進(jìn)口依存度、進(jìn)口集中度、地緣政治風(fēng)險、匯率、價格波動率、供儲比、人均管道長度、保障系數(shù)。

2）輸出神經(jīng)元：包括中國天然氣國家安全等級預(yù)警值。

3）隱含層神經(jīng)元數(shù)目：

式中nh表示隱含層神經(jīng)元數(shù)目；ni、no分別表示輸入和輸出神經(jīng)元數(shù)目。因此取nh=9。

3.2 二級指標(biāo)預(yù)測

針對各二級指標(biāo)的不同特點(diǎn)以及預(yù)測的難度，選用合適方法進(jìn)行預(yù)測。首先，對呈現(xiàn)趨勢性變動的指標(biāo)進(jìn)行級比檢驗(yàn)后，采用GM(1,1)模型進(jìn)行預(yù)測，如世界天然氣儲量、進(jìn)口集中度、供氣能力、儲氣能力、管道長度、用氣人口。采用平均相對誤差、后驗(yàn)差比值和小誤差概率檢驗(yàn)GM(1,1)模型有效性（表7）可知，模型精度滿足要求。其次，對于呈現(xiàn)周期性變動的指標(biāo)，參考蘭海強(qiáng)[14-15]等的研究，采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)滾動法進(jìn)行預(yù)測，如地緣政治風(fēng)險和匯率。最后，對于已有大量研究成果的指標(biāo)，如世界人口、中國人口、儲量、產(chǎn)量、消費(fèi)量和價格，直接借鑒已有成果[16-21]。2021—2025年中國天然氣國家安全等級評估與預(yù)警指標(biāo)預(yù)測數(shù)據(jù)如表8所示。

表7 預(yù)測精度測試結(jié)果表

表8 2021—2025年中國天然氣國家安全等級評估與預(yù)警指標(biāo)預(yù)測數(shù)據(jù)表

3.3 預(yù)警結(jié)果與分析

利用訓(xùn)練好的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，對2021—2025年中國天然氣國家安全等級進(jìn)行預(yù)警，結(jié)果如表9所示。

表9 2021—2025年中國天然氣國家安全等級預(yù)警分析表

由表9可知，2021—2025年中國天然氣國家安全等級預(yù)警值介于4.61～5.63，皆處于黃色、基本安全等級。受進(jìn)口依存度、進(jìn)口集中度、地緣政治風(fēng)險、供儲比、價格波動率、人均管道長度、保障系數(shù)等風(fēng)險因素的影響，2021—2025年中國天然氣國家安全等級仍較低，安全風(fēng)險大?！笆奈濉睍r期，預(yù)計(jì)中國天然氣需求量將進(jìn)一步攀升，資源保障系數(shù)將低于臨界值1。為保障國內(nèi)資源供應(yīng)，進(jìn)口量將繼續(xù)增加，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注進(jìn)口來源和進(jìn)口通道的穩(wěn)定性。除此之外，仍需繼續(xù)加強(qiáng)天然氣管網(wǎng)建設(shè)，助力天然氣工業(yè)發(fā)展。

3.4 進(jìn)一步討論

為檢驗(yàn)本文研究結(jié)果的可靠性，利用國家發(fā)展和改革委員會、國家統(tǒng)計(jì)局、國家能源局和國家海關(guān)總署等公布的2021年1—10月部分指標(biāo)數(shù)據(jù)與本文預(yù)測結(jié)果進(jìn)行對比分析（表10）。

表10 本文預(yù)測結(jié)果與2021年1—10月部分實(shí)際指標(biāo)數(shù)據(jù)對比分析表

由表10可知，中國天然氣產(chǎn)量、消費(fèi)量和進(jìn)口量指標(biāo)2021年預(yù)測值與實(shí)際值相對誤差均在5%以內(nèi)，表明本文預(yù)測結(jié)果具有較好的科學(xué)性和可靠性。從2021年1—10月實(shí)際數(shù)據(jù)和2021年全年預(yù)測數(shù)據(jù)來看，中國天然氣市場機(jī)遇和風(fēng)險并存。一方面，隨著中國《“十四五”循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃》推出，“雙碳”目標(biāo)正穩(wěn)步推進(jìn)，綠色經(jīng)濟(jì)助推了天然氣行業(yè)快速發(fā)展，同時主要油氣企業(yè)加大勘探開發(fā)力度，常規(guī)和非常規(guī)資源勘探陸續(xù)取得重大進(jìn)展，國內(nèi)天然氣產(chǎn)量延續(xù)增長勢頭。另一方面，受世界經(jīng)濟(jì)逐漸恢復(fù)和極端天氣頻繁影響，天然氣需求量大幅增加，資源供不應(yīng)求，世界天然氣價格觸底反彈、震蕩上行，波動較為明顯。

4 結(jié)論與建議

4.1 主要結(jié)論

基于國家安全視角，從資源稟賦、國際依賴、獲取成本和保障能力四個維度出發(fā)，構(gòu)建了中國天然氣國家安全等級評估與預(yù)警指標(biāo)體系，采取組合賦權(quán)法確定指標(biāo)權(quán)重，運(yùn)用變權(quán)評估模型對2006—2020年中國天然氣國家安全等級進(jìn)行評估，建立GM(1,1)模型和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對2021—2025年中國天然氣國家安全等級進(jìn)行預(yù)警分析。主要結(jié)論如下：①賦權(quán)結(jié)果表明，保障系數(shù)、地緣政治風(fēng)險、儲采比和進(jìn)口依存度等對中國天然氣國家安全等級的影響程度更大。②變權(quán)評估結(jié)果表明，2006年中國天然氣國家安全等級評估結(jié)果處于橙色、不安全等級，2007—2020年均處于黃色、基本安全等級。2006—2020年，受儲采比、儲量指數(shù)上升等影響，中國天然氣國家安全等級水平有所回升，但總體狀況仍不容樂觀，主要原因在于國內(nèi)天然氣資源供需失衡，進(jìn)口依存度提升、供儲比和保障系數(shù)下降等。③安全等級預(yù)警結(jié)果表明，2021—2025年中國天然氣國家安全等級預(yù)警結(jié)果均處于黃色、基本安全等級。其中，進(jìn)口依存度、進(jìn)口集中度、供儲比為各時期共有風(fēng)險因素，需特別關(guān)注。除此之外，2021—2022年，地緣政治風(fēng)險、價格波動率和人均管道長度為主要風(fēng)險因素；2023—2025年，保障系數(shù)為主要風(fēng)險因素，仍需注意防范。

4.2 保障建議

根據(jù)上述研究結(jié)論，提出 “十四五”期間保障我國天然氣國家安全的建議：

1）針對進(jìn)口依存度風(fēng)險，采取常規(guī)和非常規(guī)天然氣協(xié)調(diào)并行的路線，穩(wěn)定常規(guī)天然氣產(chǎn)量的同時助推非常規(guī)天然氣發(fā)展。采用新技術(shù)、新方法、新理論，力爭實(shí)現(xiàn)找礦重大突破，增加資源探明儲量和產(chǎn)量，降低進(jìn)口依存度過高風(fēng)險。

2）針對進(jìn)口集中度和地緣政治風(fēng)險，一方面繼續(xù)鞏固與現(xiàn)有資源進(jìn)口國的貿(mào)易關(guān)系，防范因突發(fā)風(fēng)險導(dǎo)致天然氣外部供應(yīng)中斷；另一方面采取多元化、分散化的進(jìn)口優(yōu)化策略，進(jìn)一步優(yōu)化天然氣進(jìn)口來源。

3）針對價格波動風(fēng)險，進(jìn)一步健全天然氣資源戰(zhàn)略儲備體系，加快天然氣期貨市場的建設(shè)，建立良好的供需預(yù)期機(jī)制，有效應(yīng)對沖金融投機(jī)和特定需求沖擊所引起的價格波動。

4）針對供儲比風(fēng)險，擴(kuò)大天然氣儲備規(guī)模，建設(shè)大型儲氣庫、LNG調(diào)峰站以及特定區(qū)域小型應(yīng)急儲備庫，形成天然氣國家戰(zhàn)略儲備體系，同時鼓勵企業(yè)自建LNG儲氣庫等設(shè)施，建立健全政府儲備與企業(yè)社會責(zé)任儲備互為補(bǔ)充、有機(jī)結(jié)合的天然氣儲備體系。

5）針對人均管道長度風(fēng)險，加快天然氣管道建設(shè)步伐，力爭形成更高密度的天然氣管網(wǎng)體系，以滿足天然氣運(yùn)輸需求。以“放開兩頭，管住中間”為改革目標(biāo)，進(jìn)一步完善天然氣管網(wǎng)價格機(jī)制，有序地向第三方市場主體公平開放，激發(fā)市場活力，提高管道運(yùn)行效率。

6）針對保障系數(shù)風(fēng)險，合理管控天然氣需求量增速，避免出現(xiàn)短時間內(nèi)大幅度用氣增加造成的斷供現(xiàn)象。從居民生活用氣來看，可設(shè)立專題研究不同地區(qū)、不同時段的天然氣需求情況，結(jié)合供應(yīng)成本，適度調(diào)整天然氣供應(yīng)價格；從工業(yè)用氣來看，各工業(yè)部門應(yīng)積極開展節(jié)能降耗研究，推動油氣生產(chǎn)智能化，提高天然氣利用效率。