基于主成分分析的我国天然气市场高质量发展评价

肖建忠 肖雨彤 李佳锶

摘要：天然气作为优质、高效的清洁能源，在我国经济高质量发展和能源转型过程中扮演着重要角色。以往对天然气市场高质量发展的研究多采用定性分析方式，并未实际测评高质量发展水平。为了客观评价我国天然气市场高质量发展水平，从供需规模、基础设施、市场效率、低碳环保和经济发展五方面构建评价指标体系，选取30个省份的天然气相关数据，运用主成分分析法和分层聚类法定量测评我国天然气市场区域和省域间差异。结果表明：我国天然气市场高质量发展水平差异较大，区域间呈东部发展最优、中部其次、西部和东北发展水平较低的特征，省域间呈两极分化较大的特征;通过聚类分析可将我国30个省份天然气市场发展质量分为好、较好、一般和较差4类。为促进天然气市场高质量发展，我国应推进天然气市场供给侧结构性改革，以五大发展理念引领高质量发展，因地制宜制定区域和省域天然气市场发展战略，构建低碳清洁、经济高效且安全可靠的天然气市场。

关键词：天然气市场;高质量;区域差异;主成分分析;聚類分析

一、引言

当前我国经济已由高速增长阶段转向高质量发展阶段，能源是支持经济社会发展的重要基础，要实现经济高质量发展离不开能源高质量发展。习近平在党的十九大报告中指出要“推进能源生产和消费革命，构建清洁低碳、安全高效的能源体系”，这描绘了新时代我国能源高质量发展的宏伟蓝图。天然气作为不可或缺的优质、高效的清洁能源，在我国经济高质量发展和能源转型过程中扮演着重要角色，对打赢蓝天保卫战和应对气候变化等国家战略具有重大意义。近年来，我国天然气需求量逐年上升，对外依存度迅速增加。2019年中国天然气消费量3 064亿立方米，对外依存度43.4%。[1]预计2035年中国天然气消费量将达到6 100亿立方米，天然气对外依存度将超过50%。[2]因此保障天然气供应是天然气市场高质量发展的关键。十八大以来，我国按照“管住中间、放开两头”的总体思路稳步推进天然气市场化改革，国务院先后发布了《加快推进天然气利用的意见》和《关于促进天然气协调稳定发展的若干意见》等多个文件对天然气产业进行了系统的规划布局。研究我国天然气市场高质量发展的水平可以客观地评估我国天然气市场化改革成效，同时有助于找出区域天然气市场发展差距，更好地发挥天然气的经济环境价值，真正实现高质量发展。

二、文献综述

“高质量发展”这一说法最早由习近平在党的十九大报告中提出，之后较多学者对高质量发展的内涵进行解读和阐释。张震等[3]、韩君等[4]指出高质量发展是经济发展的一种高级状态，是以创新、协调、绿色、开放和共享五大理念为指导。李金昌等[5]、钞小静等[6]认为高质量发展是通过不断提高全要素生产率实现经济可持续发展。金碚[7]认为高质量发展的根本目的是为了满足人民日益增长的美好生活的需要。高质量发展的内涵可以定性阐释，其发展水平需要定量测量。

目前，多采用构建指标体系来评价高质量发展水平，但对于指标的选择没有统一的标准。[8]在能源领域，学者们对能源高质量发展的研究多停留在定性研究层面，[9]研究内容主要分为两个方面：一是能源高质量发展内涵的界定。李伟[10]创造性地提出高质量发展的能源体系包含低碳清洁、经济高效和安全可靠三层内涵。何强等[11]认为能源的高质量发展是指通过优化能源结构，实现低碳、清洁和高效地发展。陈彬[12]指出能源高质量发展的特征包括安全有保障、供需更协调、市场更高效和结构更优化。二是能源高质量发展的途径。马建堂[13]认为要实现能源高质量发展必须推动能源转型，应推动能源消费革命、供给革命、技术革命，加强能源国际合作。张玉清[14]指出我国天然气产业高质量发展的关键是政策的连续性、气源的可获性和稳定性及气价的竞争性，应从资源勘探、上游体制、储气调峰、基础设施等方面入手推进天然气产业高质量发展。郭焦锋等[15]认为要实现天然气市场高质量发展必须深化天然气市场体制改革，促进源—网—荷—储协同发展，建立高效的产供储销体系。李雷等[16]认为要推进天然气产业高质量发展应从保障供气安全、强化基础设施建设和推进市场化改革入手补齐短板。

综上所述，已有文献虽然从理论上阐述了天然气高质量发展的方向，但并未实际评估当前天然气高质量发展水平，也并未从区域差异视角探讨造成发展质量差异的原因。本文根据高质量发展理论提出天然气市场高质量发展内涵，并从市场供需、基础设施、市场效率、经济发展和低碳环保5个方面构建天然气市场高质量发展评价指标体系，运用主成分分析和分层聚类法定量测算我国30个省份天然气市场高质量发展指数，从区域及省域视角探讨造成高质量发展差异的原因，并提出我国天然气市场高质量发展的政策建议。

三、天然气市场高质量发展内涵与指标体系

（一） 天然气市场高质量发展内涵

综合高质量发展理论和能源高质量发展的内涵，本文认为天然气市场高质量发展也要遵循创新、协调、绿色、开放和共享五大发展理念。具体来说，创新指天然开采技术创新和天然气市场制度政策创新;协调是指天然气产业与经济社会发展相协调，产业链上中下游相互协调;绿色是指天然气勘探开发中尽量减少对地表环境的破坏和废气的排放;开放包括对内开放市场准入，对外加强国际合作;共享是指油气公司间建立共享机制。此外，根据已有研究对能源高质量发展内涵的阐述，本文认为天然气市场高质量发展的内涵包括：天然气市场上游勘探开发低碳清洁，较少污染环境;中游基础设施完善，管网互联互通且配输经济高效;下游供应渠道多元化，供应安全有保障。简而言之，其内涵主要包括生产低碳清洁、配输经济高效和供应安全可靠三方面，其中供应安全可靠为高质量发展的关键。[8，17]

（二）评价指标体系构建

本文按照科学性、可比性、系统性、可操作性的原则，构建了天然气市场高质量发展评价指标体系，选取了市场供需规模、基础设施建设、市场利用效率、地区经济发展和低碳环保水平5个一级指标，涵盖了天然气产业上中下游市场，并设置18个二级指标（见表1）。

（1）市场供需规模。天然气市场高质量发展需保证天然气供需协调以满足人们对优质能源的需求。伴随我国经济的发展和“煤改气”政策的推进，我国天然气需求量显著提升，当前供需市场处于紧平衡状态，季节性供需矛盾较为突出。因此本文选取天然气生产量、供气总量、用气人口以及天然气终端消费量作为衡量天然气市场供需规模的重要指标。

（2）基础设施建设。天然气基础设施互联互通是天然气市场高质量发展的必要条件。我国是全球最大的能源消费国，当前天然气供给大量依赖进口，对外依存度较高。2018我国天然气进口量首次超越日本成为全球天然气第一大进口国。2019年天然气进口量达9 656万吨，同比增长6.9%。[18]良好的基础设施建设可为供气安全提供保障，2019年，我国地下储气库总储气能力为190亿立方米，工作气量约95亿立方米，新增储气能力超30亿立方米，增幅高达10%。[19]因此本文选取管道建设长度、储气能力、燃气普及率、省外调入量和天然气汽车加气站数来衡量天然气基础设施建设水平。

（3）市场利用效率。天然气市场利用效率是其高质量发展水平的重要体现。天然气利用效率的高低反映了资源优化配置能力和低碳清洁程度。近年来我国经济逐步由粗放型向集约化转变，天然气产业结构不断优化，天然气市场利用效率也稳步提升。但国家统计局公布的数据显示，2018年天然气占一次能源消费的比重为8%，远低于煤炭的59%，[20]仍存在资源配置和消费结构不合理等问题。本文借鉴杨俊等[21]的做法选用单位GDP耗气量、单位工业增加值耗气量和石油天然气开采业投资作为天然气利用效率的主要衡量指标。

（4）地区经济发展。经济发展水平对天然气市场高质量发展水平有重要影响。一般来说，经济发展水平高的地区天然气市场发展更完善、发展质量更高。本文选取较有代表性的人均国内生产总值、居民消费水平指标衡量经济发展水平。天然气门站价格由国家统一制定，各省价格不同，虽然2019年11月已取消门站价格，但本文采用2017年的數据，天然气门站价格对当时经济发展水平仍有一定影响，因此将其作为衡量地区经济发展水平的指标之一。

（5）低碳环保水平。能源高质量发展要坚持以低碳清洁为发展方向。天然气作为低碳清洁能源是我国现阶段重要的过渡能源，对我国能源高质量发展具有重要贡献。低碳环保水平是衡量天然气利用效率的重要指标。天然气燃烧相较于煤炭、石油燃烧会产生较少的二氧化硫和二氧化碳等温室气体，因此天然气的高效利用会减少高污染气体排放。因此本文选择人均二氧化硫排放量、万元GDP碳排量和环境污染治理投资占GDP比重为衡量低碳环保水平的重要指标。

（三）数据来源

本文以我国天然气市场高质量发展为研究对象，基于数据可得性，选取全国30个省份（西藏数据缺失;香港、澳门、台湾地区除外）2017年18个指标的数据。数据来自《中国能源统计年鉴》《中国城市建设统计年鉴》《中国环境统计年鉴》和国家发改委官网。

四、天然气市场高质量发展测度

（一）实证分析过程

主成分分析法（PCA）是进行综合评价的常用方法，原理是通过降维将多个指标问题转化为少数几个综合指标，把高维空间问题简化成低维空间问题，使问题直观简化。[22]通过降维形成的综合指标是原始变量的线性组合，它们之间互不相关且能解释大多数原有指标包含的信息。具体步骤如下：

（1）对原始数据进行标准化处理，并根据所选的18个指标构建天然气市场高质量发展评价的标准化矩阵。zij表示第i个省的第j个指标的标准化数据。其中i=1，2，…，30，j=1，2，…，18。

（2）可行性检验。在进行主成分分析前，先对各变量进行KMO和Bartlett检验，KMO值越接近1，变量相关性越好，越适合用该方法。测算得到KMO检验值为0.618，Bartlett检验值为746，说明各变量间存在相关性，P<0.001拒绝变量独立的原假设，即数据符合进行主成分分析的条件。

（3）进行主成分的提取。通常根据特征值大于等于1的原则来确定主成分的个数。运用SPSS软件求解可得到矩阵特征值与累计贡献率的分析结果，如表2所示。从表2可以看出前4项的特征值均大于1，分别为7.547、3.261、1.935和1.335。4个相互独立的主成分反映了上述的18个指标信息，特征值贡献率分别为41.93%、18.11%、11.75%和8.42%，累计贡献率80.21%，包含了全部指标的绝大部分信息，故提取4个主成分较合适。

为了具体分析4个主成分的含义，用四次方最大旋转的方法得到各变量在4个主成分上新的负荷。F1中变量X1～X9的载荷系数较高，这些指标主要体现供需规模和基础设施建设水平，综合来看体现了供应能力，因此将F1定义为供应能力指数。F2中变量X16和X18的载荷系数较高，F3中变量X10、X11和X12的载荷系数较高，F4中变量X14和X15的载荷系数较高，因此用F2、F3和F4代表低碳环保指数、利用效率指数和经济发展指数。

（4）绘制各成分特征值的碎石图，如图1所示。

从图1中可看出第1主成分和第2主成分之间斜率最大，第3主成分到第4主成分之间斜率较大，之后折线趋于平缓，斜率趋近于零，证明了提取4个主成分的合理性。

（5）计算各主成分值。根据各主成分的载荷系数Yij（i表示第i个主成分，j表示第j个指标）与表2中的特征值Zj，通过式（2）计算可得到各主成分的特征向量aj。再

用标准化后的评价矩阵元素与对应特征值相乘，可以得到各省高质量发展水平评价的4个主成分得分F1、F2、F3和F4。各主成分测量值如表3所示。

（6）计算综合得分。提取出来的主成分乘以各指标成分所占比重并进行排序得到综合指标F，即表3中的综合得分。其中，各指标成分所占比重分别由表2中4个主成分的方差贡献率保留两位小数得到，分别为0.42、0.18、0.12和0.08。

将测量值F从大到小进行排序，可得到表3中的综合排序，F值越高表示天然气市场高质量发展水平越高。

（二）实证结果分析

从表3可以看出发展水平排名前5的省份为江苏、北京、山东、上海和浙江，排名后5的省份分别是陕西、贵州、吉林、广西和云南，可以看出高质量发展水平与区域经济发展水平有较大的关系。

为了全面评价我国天然气市场高质量发展水平，本文采取了区域差异分析评价的方法，根据自然地理划分标准将我国划分为东部、中部、西部和东北四大地区。将前文中综合计算结果按地区分类（见表3），从表3可以看出高质量发展指数区域差异较大，东部地区（0.592）远高于全国平均水平，中部地区（0.087）次之，西部（-0.35）和东北（-0.44）地区偏低。为更直观地分析四大区域在供应能力、利用效率、低碳环保、经济发展以及综合水平的得分情况，本文绘制了图2的柱状图，从中可以看出各项指标中东部和中部天然气市场发展质量较高，西部和东北地区天然气发展质量相对较低。

（1）供应能力方面，呈东部>中部>西部>东北的特征。我国东部地区人口密集，是我国天然气主要消费地，虽然天然气产量低，但西气东输、川气东送等重大工程的实施，加之我国LNG接收站集中于东部沿海，使得该地区气源保障率较高;此外我国东部地区天然气管网较密集，基础设施较完善，因此供应能力相对较高。我国中部地区长期为高碳消费结构，天然气消费占比较低且天然气产量低、开采成本高，天然气供应多依赖省外调配，因此供应能力不及东部。我国西部地区天然气产量虽高，但经济发展相对落后，基础设施不完善，且天然气需求量较小，用于本地生产消费较少，主要向东中部地区供应，因此总体供应能力较差。东北地区天然气开采率较低且冬季取暖天然气用气量大，用气季节差异明显，加之近年来“煤改气”政策使天然气供不应求，因此供应能力最差。

（2）利用效率方面，呈东部>中部>东北>西部的特征。我国东部地区临海且靠近国际市场，市场经济发展成熟，经济发展水平走在全国的前列，天然气利用技术更先进，因此天然气利用效率最高。我国中部地区重工业较聚集，能源需求总量较大，且中部地区与东部临近，经济较发达，利于及时学习引进东部地区先进技术，天然气利用效率仅次于东部。东北地区天然气普及率不高、利用率较低且总体供气能力较差，市场效率较低。西部地区虽然是天然气主要产地，但经济发展较为落后，天然气勘探技术、生产水平、企业规模和生产效率等多方面因素受限制，不少油气企业仍出现政策性亏损，因此天然气利用效率最低。[23，24]

（3）低碳环保方面，呈东部>中部>西部>东北的特征。

东部地区低碳环保指数平均值为0.235，

这主要得益于东部地区较早开始产业结构调整，大力发展高新技术产业，逐渐淘汰高污染高耗能产业，此外，东部地区经济发达，天然气普及率高，对污染治理重视且投资较多，因此情况总体较好。中部地区低碳环保指数平均值为-0.128，低于东部地区，这是由于该地区经济增长在很大程度上长期依赖于煤炭的过度消耗，尤其是山西、河南等地，长期以来以高碳消费结构为主，天然气等清洁能源占比小，污染排放量较大。西部地区平均值-0.27，低于中部地区，东北地区平均值-0.43，低于西部地区，这主要由于这些地区经济发展总体较差，且经济发展长期依赖高耗能产业，加之东部地区一些高耗能高污染产业逐渐向这些地区转移，因此环境质量较差。

（三）天然气市场高质量发展分层聚类分析

聚类分析是寻找数据集中的相似元素分组的方法，通常根据数据与所选择的聚类中心的距离对数据进行分类。[23，25]本文对提取出的主成分进行分层聚类分析，聚类方式选择WARD法（离差平方和法），最后根据SPSS软件得出聚类结果。

第Ⅰ聚类主要分布在东部沿海经济发达地区，高质量发展综合得分平均较高，且远高于全国平均水平。这得益于东部地区较早进行天然气市场化改革。在国家政策的大力支持下，2011年我国在东部地区率先实施天然气市场化改革，因此沿海地区天然气市场发展较成熟。此外，该地区产业结构优化升级较快，高耗能产业不断淘汰，天然气等低碳清洁能源发展较快，市场利用效率较高。因此该聚类天然气市场发展水平最高。

第Ⅱ聚类主要分布在华北、华中和华东地区，高质量发展水平较好。该聚类区位于重工业发达且人口众多的中部地区，能源需求量较大。近年来“煤改气”政策利好促使许多企业开始改变以往高碳能源消费结构，使用低碳清洁的天然气作为替代能源，一定程度上优化了能源结构，提升了发展质量。该聚类区虽天然气产量较低，但多省市为“西气东输”战略的重要节点，因此供气总体有保障。另外，该聚类区经济发展较快且技术不断更新，因此天然气利用效率较高。

第Ⅲ聚类主要分布在西部地区或油气资源丰富的地区，高质量发展水平一般。该聚类区分布着我国三大陆上气区，即川渝气区、鄂尔多斯气区和塔里木气区。其中川渝气区是我国最早开发气田的地区，是“川气东送”工程的气源地。鄂尔多斯气区是我国首个探明储量超万亿立方米的大气田，其年产量超过230亿立方米。该地区开采的天然气承担着向北京、天津、河北等十几个城市输送的重任。塔里木气区是“西气东输”的气源地，开采出的天然气通过管道从南疆的轮台镇一路输送到上海。

第Ⅳ聚类主要位于东北地区和西部偏远地区，高质量发展水平较低。该聚类区远离气源，天然气普及率较低，天然气开发技术较落后，配套基础设施建设相对不完善，开发成本较高。尽管天然气作为重要的工业原料一定程度上推动了当地经济发展，但勘探技术、生产水平、企业规模和生产效率等多方面因素制约了天然气市场发展，不少油气企业仍出現政策性亏损。此外，西部地区经济发展相对落后，人口稀少，资源消耗率低，多方面原因使其天然气市场高质量发展指数总体较低。

五、结论与政策建议

经济高质量发展和能源革命的背景下，本文基于30个省份18项指标数据从市场供需规模、基础设施建设、市场利用效率、地区经济发展和低碳环保水平5方面构建高质量评价指标体系，采用主成分分析法和分层聚类法定量测算了我国天然气市场高质量发展水平。分析可知我国天然气市场区域和省域发展差异较大。从区域视角看，东部地区天然气市场发展质量最高，中部地区次之，西部和东北较落后。从省域视角看，可将我国30个省份的天然气市场发展质量分成四类：第Ⅰ聚类分布在经济较发达的东部沿海地区;第Ⅱ聚类主要分布在华北、华中和华东地区;第Ⅲ聚类主要分布在油气资源较为丰富的地区;第Ⅳ聚类主要分布在远离气源地且经济发展较落后的地区。基于此，本文提出天然气市场高质量发展政策建议：

（1）从国家视角，应推动天然气市场供给侧改革，以创新、协调、绿色、开放和共享理念引领天然气市场高质量发展。加强天然气产输技术创新，加速突破核心技术，同时加强天然气市场政策创新。此外，协调天然气上中下游产业链，加强天然气产业链与高新技术产业融合;加快天然气勘探、开发和生产中绿色环保技术研发和应用，推进节能环保工业技术改造，建立绿色绩效考核制度，构建绿色低碳循环的天然气产业体系;开放天然气市场第三方准入，将社会资本引入上游环节，逐步形成“X+1+X”发展模式，同时对外与多国建立天然气合作机制，鼓励联合开发，实现天然气进口渠道多元化;发挥共享机制，促进国有资本、民营资本和国外资本油气公司间资源共享、机会共享、技术共享、成果共享和设施共享[26]。

（2）从区域视角，应充分发挥区域优势，因地制宜制定高质量发展战略。我国东部地区天然气市场发展水平较高，建议基于良好的经济基础加大科技创新投入，研发并推广节能生产工艺技术，提高天然气综合利用效率。中部地区应加快改变以往刚性的高碳能源消费结构，提高天然气等低碳清洁能源在生产和生活中的使用比例，同时加大政府财政支持力度，降低经济增长对煤炭消费的依赖。[27]我国西部地区油气资源丰富，建议加大勘探力度发挥资源优势，同时加快调整产业结构，加快发展节能减排且附加值较高的产业，提高天然气附加值，充分发挥天然气竞争优势，带动西部地区经济良性发展。

（3）从省域视角，虽然东部地区总体高质量发展水平较高，但天津、上海、海南和福建的天然气供应能力相较东部其他省份还有待提高，应完善这些省市天然气供应机制，进一步加强管网和储气库等基础设施建设;中部地区中山西、江西环境质量较差，这些省份应加大天然气推广力度，鼓励用天然气作为替代能源，重点解决山西省高污染问题;西部地区以新疆、宁夏、青海、陕西、甘肃、贵州为代表的省份天然气市场利用效率明显较低，这些省份应重点优化产业结构，提升天然气利用技术，降低生产成本;黑龙江和吉林因供气能力较差，可以发挥内蒙古区位临近优势，增加内蒙古对黑吉辽的天然气供应量。

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责任编辑：曲 红