村镇选择性共享类基础设施共享门槛分析——以污水处理设施为例

苗展堂，运迎霞，黄焕春

(天津大学建筑学院，天津300072)

长期以来，我国城乡建设发展很不平衡。农村发展滞后，基础设施短缺，特别是在给水、排水、供热等基础设施方面，城乡有很大的差距。2009年底，全国共有266.6万个自然村庄，59.7万个行政村(村委会驻地)，19 322个镇，14 848个乡，696个农场［1-2］。一方面，村镇基础设施存在短缺滞后的问题;另一方面，已有的基础设施规模偏小且运行维护成本高，资源浪费与重复建设等问题突出。当前村镇基础设施的建设与改进则成为当务之急，它对进一步加快农村城镇化步伐，实现社会主义新农村建设的目标，以及对我国农业问题解困［3］均具有重要的意义。

一、基础设施共享类别的概念

村镇基础设施体系是保证村镇生存、可持续发展的支撑体系，为村镇经济、社会、文化发展及农民生活提供公共服务的各种要素的总和［4］。以是否适宜共享为标准，可将基础设施划分为共享类、非共享类、选择性共享类共三类。其中选择性共享类基础设施指的是在一定距离、规模条件约束下实现区域共享具有比较优势的基础设施，如污水基础设施、给水基础设施、供热基础设施等;共享类基础设施指自身具有共享特性或者基础设施具有外部输入性时，通过共享输配设施可以减少固定投资的基础设施类别，如供电基础设施、燃气基础设施、区域供水等;非共享类基础设施是指基础设施的布局为就近、分散的原则，共享不具有优势的基础设施类别，主要为雨水基础设施。

中国广大村镇基础设施独立建设较为普遍。在规模门槛规律的约束下，若每个村庄均在自己行政范围内进行基础设施建设，必然带来基础设施的重复投资与资源浪费问题，同时也降低了基础设施的利用效率。如果能够恰当安排基础设施的共建共享，必然会对村镇经济发展起到积极的促进作用［5-7］。已有的研究表明，村镇基础设施建设对其经济发展具有内在作用机制［8］，村镇基础设施的投资效益也存在明显的数量规律［9］。但这些研究在国内鲜有，且多停留在宏观层面，难以深入落实，本文拟就选择性共享类基础设施的共享门槛进行详细的深入分析。

二、研究框架

本文以污水处理设施为例，对区域内村镇基础设施共享前后进行分析比对。首先做以下前提假设。

假设1:地区限定于均质平原上，进行污水处理厂建设和管理的自然地形条件一致，不存在任何条件差别。

假设2:将所有污水按二级污水对待，污水处理厂、管网等均按此项标准。

假设3:根据中心地理论聚落分布呈六边形或变形的六边形［10］，我们以一定范围内的6个村镇是否共享污水处理设施为研究对象。假设各村镇到共享污水处理厂的距离均为s。

假设4:将污水基础设施简化为三个大的部分，即污水处理厂、由村镇至污水处理厂的总输送管渠和村镇内部污水汇集管线及设施。村镇至污水处理厂的管道运行费用很小，可以忽略不计。整个系统的成本分别由三个部分的固定投资和运行成本构成。

假设5:由于无论是否共享污水设施，均需要铺设村镇内部管线及设施，且固定投资和运行成本大小基本与是否共享无关。因此，不考虑村镇内部铺设污水汇集管线及设施的固定投资和运行费用。

根据以上分析，各村分别建立污水处理厂与共享建立集中污水处理厂二者的费用曲线可表示为

式中:G为各村单独设置污水处理厂的总费用;g为共享建一座污水处理厂的费用;U和u分别为非共享和共享的污水处理成本，与单位污水处理成本和污水产生量相关;t是各村至污水处理厂的输送管道固定投资总和，非共享时为0。

本文首先对每万吨处理污水费与污水处理厂的规模、污水处理厂规模与固定投资的相关性进行了计算分析，并对他们之间的关系进行了回归拟合分析;然后，对区域内污水处理基础设施是否共享进行了两种情形的定量对比分析。最后，基于上述分析论证得出本文的结论。

三、成本分析

1.单位污水处理成本分析

以笔者对36个污水处理厂处理规模和处理成本的调研数据为基础，对每万吨处理污水费与污水处理厂的规模进行相关性分析，发现二者的相关系数R=－0.861，通过信度为0.027的双尾检验，为明显的负相关。通过单位污水处理成本的拟合曲线，发现幂函数形式拟合度最好(见图 1)。拟合曲线方程为m=0.8347×x－0.112(统计检验 F =369.46，R2= 0.989，sig.=0)，表明单位污水处理成本m随着污水处理厂规模x的扩大而减小，其中，0～5×107kg时单位污水处理成本随着规模的扩大迅速减小。

图1 单位污水处理成本曲线

2.污水处理厂的固定投资分析

根据表2污水处理厂规模和固定投资额对照表数据，利用SPSS18.0对二者进行分析拟合，得出:污水处理厂规模与固定投资的具有显著的相关性，相关系数R=0.998，通过信度为0.00的双尾检验，污水处理厂固定投资拟合曲线 f=2 000.936×x0.806(F = 13 176.05，R2=0.99，sig.=0)，表明污水处理厂的固定投资总额随着污水处理厂规模的扩大增速逐渐变慢。从图2可以看出，单位污水处理量的成本投资随着污水处理厂的规模增加而逐渐递减，递减到一定程度后趋于平稳。

表1 污水处理厂固定投资额和处理成本

图2 固定投资与处理规模的关系

3.村镇间输送管渠及设施成本

输送管渠是将各村镇的污水输送至污水处理厂的总输送管渠的总和。村镇间输送设施主要是指因重力流而形成的管线排水坡度增加到一定深度后设置的污水提升泵站。村镇间污水的输送成本主要包括管渠及设施的固定投资和运行成本。输送管渠的投资成本主要受污水量(管径大小)、埋深(槽深)两个因素影响。

笔者参照《村镇规划标准》(GB 50188—93)和《镇规划标准(GB 50188—2007》中关于村庄和镇区的划分标准，本文以人口规模为200～100 000人的村镇为研究对象。通过查询多省市相关造价标准取其平均值，根据污水管网的坡度要求，将不同的管网造价综合计算分析。

通过拟合发现线性最好，污水管道铺设费用的函数关系表达式为:Z =s×1 508.91+43.28×p－1 636 814(F=432.95，R2=0.956，sig.=0)。通过该函数发现输送管渠成本与管渠输送长度s和人口p成正比，也就是与村庄的分散程度和人口数量有关。从变量系数来看，其中距离的影响因素远大于人口，即村庄越分散，村庄间的距离越远，其输送管渠的成本越高。

但对于我国农村实际而言，大部分村庄人口低于8 000人，其产生的污水量一般采用DN300 mm的混凝土管输送至污水处理厂。相应的污水管道铺设费用的函数为Z=1 255.98×s－485 537(F=654 325.04，R2=0.989，sig.=0)。此种情况下，因管道铺设受最小管径限制约束，故管道铺设费用仅与村至污水处理厂的距离s有关。

四、选择性共享类基础设施共享门槛分析

为减小研究误差，实现村镇研究的差别化，注重研究结果在小型居民点的应用，故8 000人以下的村镇单独分析计算。本文基于MATLAB软件平台，通过编程进行相关运算分析和公式推导。共享与非共享污水基础设施运行15年的总费用曲线可表示为

式3与式4分别为非共享、共享污水处理设施的总费用;G(6p)为各村单独设置污水处理厂的固定投资;g (6p)为各村共享建一座污水处理厂的固定投资;U (6p)为非共享15年(依据主干道路使用年限为15年)的污水处理运行成本;u(6p)为共享15年的污水处理运行成本;t(6s)是各村至污水处理厂的输送管道固定投资总和。

非共享时仅涉及污水处理厂固定投资和单位污水处理成本曲线，故大小村镇计算均相同。将污水处厂固定投资曲线f=2 000.936×x0.806和单位污水处理成本曲线m=0.8347×x－0.112代入

当人口p＞8 000时，共享费用计算涉及污水处理厂固定投资、污水处理运行成本、各村至污水处理厂的输送管道固定投资三个因素，且管径随着人口的变化而变化。将单位处理成本曲线m=0.834 7×x－0.112、固定投资曲线f=2 000.936×x0.806、输送管渠固定投资曲线Z=s×1 508.91+43.28×p－1 636 814(p＞8 000)代入

当人口p≤8000时，共享费用计算涉及污水处理厂固定投资、污水处理运行成本、各村至污水处理厂的输送管道固定投资三个因素，但管径固定均为DN300 mm。将单位污水处理成本曲线 m =0.834 7× x－0.112、固定投资曲线f=2 000.936×x0.806、输送管渠固定投资曲线Z=1 255.98×s－485 537(p≤8 000)代入

由非共享函数不难看出，非共享的费用只与人口有关，而共享后的总费用与人口p和各村至污水处理厂的输送管道的固定投资相关。从函数与图像可看出，共享后的固定投资系数13 837.39和单位污水处理成本系数5 373.13均要小得多，也就是说共享后固定投资和污水处理成本要小。

根据上式计算分析，可构造出共享后的效益曲线Y

当p＞8 000时，

当p≤8 000时，

即村镇污水处理设施共享的效益曲线为

将该函数绘制成共享效益三维趋势面，如图3、图4所示。图中:z轴为污水处理厂非共享与共享运行15年的费用差，正值代表非共享的成本高于共享状态，反之亦然;x轴为村镇人口数;y轴为村庄总距离。其中在xy平面上的每一个点的坐标所代表一组人口和距离数据，向对应的在曲线平面就有一个对应的投影点，表示共享污水处理设施运行15年的节约费用。从图3、图4可以看出，村镇人口越多，村镇距离越小，越适宜进行污水处理设施的共享。随着村庄间距离的增加和人口的减少，村庄间输送管渠的成本将持续增加，最终抵消或超过共享带来的固定投资减少额和污水处理成本的节约。

图3 共享效益趋势面(p≤8000)

图4 共享效益趋势面(p＞8000)

五、结 语

本文通过分析研究，按基础设施的是否可共享的特性，将村镇基础设施划分为共享类、非共享类、选择共享类三种。对选择性共享类基础设施而言，其共享存在严格的门槛限制，并非单纯一味的共享就是合理的。该类基础设施的共享应注意共享村镇人口和距离这两个主要影响因素。因此在实际规划与建设中应遵循客观规律的合理共享，方能够促进新农村建设和资源的合理利用。

通过以污水处理设施共享与否的分析，发现影响村镇污水处理设施共享的距离和人口两个影响最主要的因素，即村镇距离越近、人口越多就越有利于基础设施的共享，其共享与否的门槛可表述为

参照国家《村镇规划标准》(GB 50188—93)和《镇规划标准》(GB 50188—2007)的村镇规模划分标准，利用共享效益曲线计算出小、中、大、特大型村庄和镇区的污水处理设施共享效益(见表2)，以供村镇规划和实践参考。

表2 村镇污水处理设施共享门槛距离

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