基于生态网络分析的中国天然气供应安全评价

崔 巍，康立成，魏文治，苗凤蕾，孙家庆，唐丽敏

(大连海事大学a.航运经济与管理学院；b.交通运输工程学院，辽宁 大连 116026)

习近平在亚信第五次峰会的讲话中提到[1]，谋求共同、综合、合作、可持续安全，就是为了实现地区国家整体安全。近年，对天然气产业发展，国家出台了如蓝天计划、中国能源结构调整以及“一带一路”[2]等政策。我国天然气开采量逐渐增加，但仍无法实现自给自足，供应安全问题仍然存在。全球的天然气进口商越来越受到各种因素的影响，如交易量增加、价格波动、最终能源消费中天然气份额上升以及缺乏多样化等[3-5]。这突出表明，我国外部天然气供应中断的可能性很大，可能会危及社会经济可持续发展的目标。总体而言，我国天然气供需缺口不断加大，天然气对外依存度持续增加，对天然气安全风险的担忧继续上升。因此，需从总体国家安全观层面对天然气进口国家进行区域整合并从系统层面对我国天然气供应安全进行评价。

对于天然气供应安全大多是从某些特定指标如外部供应来源、国际天然气价格、天然气生产和天然气消耗量或将其综合来进行评估[6-10]。通过单个指标或综合不同相互作用的指标难以全面量化总体安全状况，相比之下，基于模型的分析更有利于评估天然气供应安全的总体状况[11-14]。Su 等[15]基于建立的生态网络分析(ecological network analysis，ENA)模型，对2000—2012 年中国原油和天然气供应安全进行了评估和比较；Shaikh 等[16]应用ENA 方法对中国天然气供应系统的结构、发展水平和有效整体运行的可持续性进行了全面调查。相较于其他方法，ENA方法在辨析系统运行内在过程方面具有独特的效果。国内学者对ENA方法在经济系统、城市代谢系统等领域的应用研究较多，而在能源安全尤其是天然气供应安全方面的应用较少，且整合多个主要国家对我国天然气进行安全评价时，未将外部供应来源进行区域整合以获得关键性影响区域并进行分析。鉴于此，基于ENA 模型构建中国天然气供应安全网络模型，从区域合作视角和系统层面对我国天然气供应安全进行评价，定量衡量整个天然气供应系统中不同分室的权重以及相互作用模式，确定对我国天然气供应系统影响较大的关键节点和路径以及关键影响区域，并根据分析结果提出保障我国天然气供应安全的政策建议。

1 方法和数据

1.1 中国天然气供应安全生态网络分析

1.1.1 ENA模型

根据ENA 模型的基本流程，评价中国天然气供应安全(national gas supply security，NGSS)主要包括6个步骤，如图1。对生态网络的物质或能量流动路径、各分室间的相互作用以及状态和性质进行研究，分析网络系统中各种生态流的方向及其相互作用，定量评价系统的可持续性。

图1 评估天然气供应安全的基本程序Fig.1 Basic procedure for assessing the safety of natural gas supply

基于当前国际政治形势新变化，文中在维度选取时重点考虑国家安全与政治风险影响因素。具体而言，建立一个基于生态网络模型的天然气供应安全网络模型(如图2)，内部因素包括天然气生产部门X1、炼油部门X2、消费部门X3、储备部门X4、过境部门X5，外部来源包括中东X6、非洲X7、欧洲X8、亚太X9、南北美洲X10、独联体国家X11。图中：f为不同内外部因素节点间的流量；z与y分别为不同节点与系统外部的流入和流出量。

图2 中国天然气供应系统的生态网络模型Fig.2 Ecological network model of natural gas supply system in China

1.1.2 网络信息分析

对于网络信息分析(network information analysis，NIA)，选取定量评价指标A(Ascendency)[17]表示系统上升性、系统冗余量Φ(Resilience)表示系统恢复能力、上升性A和恢复力Φ的和C描述系统的发展程度(development capacity)。各指标计算公式如下：

其中：fij为从节点j到节点i的流量；fi为流入节点i的室间流量和边界流量之和；fj为来自节点j的室间流量和边界流量之和；T为系统总吞吐量；初始状态下，j=0,i= 1；n为系统中的节点数量。系统稳定性用Φ与A比值表示，定义为

ISS= 1 时，系统处于稳定状态；ISS> 1 时，系统处于成熟发展阶段；ISS< 1 时，系统仍处于开发阶段，效率高于弹性；ISS值接近1时，系统更有可能获得更大的稳定性。与传统的通过加权或打分来组合多个指标的评价方法相比，整体指标A，Φ和C没有不可避免的主观性和不确定性，能够全面客观地评价天然气供应系统的整体水平。

1.1.3 网络结构分析

对于网络结构分析(network structure analysis，NSA)，选取指标W表征不同节点对系统的贡献程度，是一个权重指标，其计算公式如下

其中：dij为从节点j到i的室间流直接效用；uij为效用矩阵U中的元素。结合直接和间接路径，矩阵U可全面地表示网络中节点之间的整体关系。

在网络效用分析(network utility analysis，NUA)中，矩阵中元素的符号D和U可用来确定网络中任何一对节点之间的交互模式，通常用sgn(D)和sgn(U)表示，分别代表网络中两个节点之间的直接关系和整体关系。任何节点对之间都有9种符号关系，见表1。

表1 系统中成对节点之间的9种关系Tab.1 Nine relationships between paired nodes in the system

共生指数(IM)表示天然气供应系统的共生程度，其计算公式如下

1.1.5 情景分析

对我国天然气供应安全网络结构与信息进行初步评估后，为调节天然气供应系统设定不同的情景，改变某些参数，以检验其对天然气供应安全的影响(如可持续性、效率和弹性)。文中借鉴改善能源安全的常用措施和提出的ENA模型，从3个方面进行情景分析。

1)减少外部供应源，假设我国天然气产量、天然气进出口总量、天然气消费量和炼油能力保持不变，通过比较A，Φ和C在减少外部供给源前后的不同变化趋势，以揭示外部供给源的多样化是否会增加天然气供应系统的可持续性。

2)在假定我国天然气产量、天然气进出口总量和炼油能力保持不变的前提下，控制天然气消费量，消费量逐渐减少到原来的1/2，1/3，1/4，以揭示消费量的减少是否会影响天然气供应系统的安全性。

3)在假定我国天然气进出口总量、天然气消费量和炼油能力不变的情况下，增加我国天然气产量，产量逐渐增加到原来的2倍、3倍、4倍、5倍和10倍，以揭示天然气产量增加是否会增强天然气供应系统整体安全性，降低外部来源影响。

1.2 数据及其来源

主要数据来源为《BP世界能源统计年鉴》2018—2020年版，《中国能源统计年鉴》2020年版。样本由内部因素和外部来源组成，共11个个体。内部因素包括天然气生产部门X1，天然气提炼部门X2，天然气消费部门X3，天然气战略储备部门X4，进口天然气过境部门X5；外部来源包括中东X6，非洲X7，欧洲X8，亚太X9，南北美洲X10以及独联体国家X11。

2 结果及分析

2.1 网络信息分析

2006—2020 年中国天然气供应系统网络信息分析结果如图3。由图3 可看出：2006—2020 年，网络结构效率A、网络结构恢复力Φ和天然气供应系统可持续性C均呈稳步上升趋势；系统冗余量Φ值2007 至2008 年的增长率为14.49%，2017 至2018 年的增长率为27.71%。天然气供应系统可持续性C上升，表明中国天然气供应安全稳步提高，网络结构效率A和网络结构恢复力Φ的提高直接促成了这一趋势。2006—2020 年中国天然气供应系统稳定性的变化如图4。由图4 可看出：2006—2020 年，天然气供应系统稳定性整体处于上升趋势；期间出现小幅下降，除2006 年外，其余年份ISS值大于1，表明天然气供应系统处于相对成熟的阶段，弹性大于效率。通过对我国天然气进口的网络信息分析发现：我国天然气进口来源的增长提高了天然气供应的多样性和连通性水平，使天然气供应系统的结构更成熟(NUA 也显示了这一点)，最终有助于提高天然气供应系统的整体安全水平；特别是随着2006 年我国液化天然气的首次进口以及2010 年管道天然气进口的增加，天然气的进口来源多样性也增加，我国天然气供应系统不同分室之间的连接变得更复杂，这提高了系统保持完整性的能力以及抵抗干扰的能力。因此，天然气供应系统的安全性在2006，2010 年得到进一步提高。

图3 2006—2020年中国天然气供应安全的变化Fig.3 Changes in China’s natural gas supply security from 2006 to 2020

图4 2006—2020年中国天然气供应系统稳定性的变化Fig.4 Changes of the stability of China’s natural gas supply system from 2006 to 2020

2.2 网络结构分析

计算天然气供应系统中不同节点的权重W，有助于识别影响系统可持续性的重要部分或因素。以2016，2020 年的情况为例，我国天然气供应系统中不同节点的权重如图5。图中W的下标与图2 中X 对应下标含义同。从图5 可看出：整个天然气供应系统中不同节点的权重呈相似结构；外部供应来源总和(We)最大，消费部门(W3)次之，炼油部门(W2)、储备部门(W4)和过境部门(W5)一致。意味着供应来源对我国天然气供应系统的影响最大，消费部门、炼油部门和储备部门对系统的影响较小。针对网络中不同节点权重，就单个节点而言，生产部门(X1)对整个天然气供应系统的权重基本保持稳定，但还是持缓慢降低的趋势；消费部门(X3)的影响紧随其他部门之后，在整个时期权重大致保持增长；炼油部门和战略储备部门对我国NGS 系统的影响很小，权重较小，在2006—2020 年期间略有波动；其他外部来源，中东(X6)、非洲(X7)、欧洲(X8)、南北美洲(X10)权重接近，并维持缓慢增长的趋势；亚太地区(X9)权重2006—2013 年降低，而后缓慢增加并保持稳定；独联体国家(X11)权重在2006—2020 年增加并于2011 年超过亚太地区权重，居于6个地区权重第一，尽管近两年权重有所降低，但仍与亚太地区居于前两位。

图5 2016，2020年中国天然气供应系统各节点的权重Fig.5 Weight of each node of China’s natural gas supply system in 2016 and 2020

2.3 网络效用分析

根据网络效用分析(NUA)在2006—2020 年的研究结果，网络中任意一对节点之间的相互作用模式大致可分为五类，分别为2006，2007，2011，2012 年及其他年份(2009，2010，2013—2020)，这五类中不同区间之间的关系基本稳定。以2006，2012 和2020 年的情况为例分析各节点之间的直接效用和整体效用关系，发现网络中不同的间接效应会造成整体效应的变化。具体而言，节点间的相互作用可从直接效用中的中立变化到整体效用中的偏害寄生、无利共生、互利共生等，这些可在多对节点中观察到，如消费部门和不同区域来源、生产和进口天然气过境部门等。就不同年份间网络效用变化趋势而言，由于2006年我国开始进口液化天然气，节点之间的联系变得更紧密，因此在2006—2009 年期间，各节点之间出现了直接和间接的关系。此外，随着2010 年管道天然气进口的增加，节点之间的相互作用关系变得比以前几个阶段更紧密，表明中国天然气供应系统得到了进一步发展。限于篇幅，2006，2012，2020 我国天然气供应系统网络效用矩阵关系及类型分析结果不列示，有兴趣的读者资料备索。

共生指数(或者说效用函数)可作为网络共生能源系统的一个目标函数，IM值越大代表系统的共生度越高，即我国天然气供应系统与外部进口来源之间合作与共生水平越高，2006—2020 年间我国天然气供应系统共生指数如图6。图6 显示：在整个期间，IM指数一直保持在1 以上，表明我国天然气供应系统显示出更多节点之间的积极关系，而不是消极关系，甚至会出现互利共生，尽管在2006—2020年间互利共生关系并不是很强。网络效用分析结果表明：2012 年系统之间的相互作用模式强于2006，2007，2008 年，而2020 年又强于2012 年，这意味着系统会进一步发展，并具有更强的抗干扰能力；在2006—2020 间连接的增加在提高系统效率和冗余度方面发挥了重要作用，因此2020 年系统的可持续性强于2012 年及2012 年以前的年份，与NIA 的研究结果一致。由此表明，增加不同分室之间的联系是提高天然气供应系统可持续性的有效途径。

图6 2006—2020年中国天然气供应系统IM值Fig.6 IM of China’s natural gas supply system from 2006 to 2020

2.4 情景分析

借鉴提高能源安全的常用措施和提出的我生态网络模型，从3个方面进行情景分析，探讨改善中国天然气供应安全的有效途径。以2020年为例，情景分析的结果如图7～9。

1) 假设我国天然气产量、天然气进出口总量、天然气消费量和炼油能力保持不变，减少外部供应来源。3 个基于天然气供应安全权重相对较高的外部供应源，即中东(X6)、亚太(X9)、独联体国家(X11)，当其中的1 个、2 个或3 个供应源被逐渐从网络中移除时，A，Φ和C值的变化如图7。图中Orig 代表A、Φ和C的原始值，XI代表从网络中移除1个外部供应源的情况，XⅡ代表移除2个外部供应来源的情况，以此类推。

2)假设我国天然气产量、天然气进出口总量和炼油能力保持不变的情况下，控制天然气消费量，消费量逐渐减至原来的1/2，1/3，1/4 时，A，Φ和C值的变化如图8。图中Orig 表示天然气消耗量的原始值，1/2 Orig表示天然气消耗量减少到原来的1/2，以此类推。

3)在我国天然气进出口总量、天然气消费量和炼油能力保持不变的前提下，增加我国天然气产量至原来的2 倍、3 倍、4 倍、5 倍和10 倍时，A，Φ和C值的变化如图9。图中Orig 表示天然气产量的原始值，2 Orig 表示天然气产量增至原来的2 倍，以此类推。

图9 2020年增加天然气产量前后A，Φ 和C的变化Fig.9 Changes of A,Φ and C before and after increase of natural gas production in 2020

图7显示，A和Φ值都随外部供应来源的减少而减少，导致C值下降。显然，移除具有较大权重的天然气外部供应来源会导致系统发展能力的较大下降，即便移除权重较小的外部来源，系统也有下降趋势，这意味着外部供应来源的多样化对提高我国天然气供应系统的整体安全水平有一定的作用。随着供应源的增加，分室之间形成了更多样的路径，系统中的连接水平提高，系统具备更强的抗干扰能力以及储备能力，最终提高了系统的可持续性。

图7 2020年减少外部天然气供应来源前后A，Φ 和C的变化Fig.7 Changes of A,Φ and C before and after reduction of external sources of natural gas supply in 2020

图8 显示，当减少天然气消耗量时，A值下降后上升、Φ值下降，但最终导致C值下降。表明随着对天然气消耗量的控制，天然气供应上升性先降后升，而抵御干扰的缓冲能力一直下降，最终导致天然气供应系统的发展能力下降。说明控制天然气消费并不能真正增加天然气供应体系的可持续性，虽然控制天然气消费在一定程度上可增强天然气供应体系的可持续性，但系统的上升性并不是持增长趋势的。

图8 2020年降低天然气消费量前后A，Φ 和C的变化Fig.8 Changes of A,Φ and C before and after reducing natural gas consumption in 2020

图9 显示，随着我国天然气产量的增加，A和Φ值不断上升，最终导致C值增加，表明我国天然气供应安全水平随国内天然气产量的增加而提高。显然，增加天然气产量可提高天然气供应系统的可持续性，同时提高效率和冗余。

2.5 主要影响区域分析

生态网络分析结果显示：供应来源中权重较高的亚太地区和独联体国家对我国天然气供应安全的可持续性影响更大，所以需特别关注亚太地区与独联体国家进口来源区域对我国天然气供应安全的影响；多元化的供应来源可提高我国天然气供应安全的稳定性和可持续性。

亚太地区进口来源国主要包括LNG 进口国家澳大利亚、文莱、印度尼西亚、马来西亚、巴布亚新几内亚、韩国、其他亚太地区国家以及管道天然气进口国缅甸，2006—2020 年天然气具体进口量见图10。由图10可看出：我国从亚太地区进口天然气的来源国不低于7个，从澳大利亚进口的LNG达1/2以上；总体而言亚太地区是我国液化天然气主要进口地区，但进口集中于澳大利亚，进口安全的不确定增加。

图10 亚太地区进口来源国天然气进口量Fig.10 Natural gas import volume by source countries in Asia-Pacific region

独联体国家中我国进口来源国主要是哈萨克斯坦、土库曼斯坦、乌兹别克斯坦和其他前苏联国家(管道进口为主)，以及来自俄罗斯的LNG进口，进口具体情况见图11。由图11可看出：独联体国家是我国管道天然气进口的主要区域，2013 年前集中于哈萨克斯坦，占比在90% 以上；2013 年后进口集中于土库曼斯坦和乌兹别克斯坦，占比在80% 以上，这是由于我国第一条跨国管道——中亚天然气管道A，B，C线的成功投产。

图11 独联体国家进口来源国天然气进口量Fig.11 Quantity of natural gas imported by CIS countries

综上分析可看出：我国天然气供应安全的稳定性总体有所提高，但进口来源占比大的两个区域内进口国家单一；亚太地区是我国主要LNG 进口区域，但1/2 以上进口天然气来自于澳大利亚；独联体国家作为我国管道天然气的主要来源地区，前期进口集中在哈萨克斯坦，占比在90%以上，后期进口集中于土库曼斯坦，占比在80%以上。这突出表明我国进口来源比较集中，存在天然气供应安全的风险问题。

3 结论与政策建议

基于ENA模型评估2006—2020年我国天然气供应安全的总体水平，得到影响我国天然气供应安全的关键节点，分析亚太地区和独联体国家对我国天然气供应安全的具体影响。发现：亚太地区和独联体国家对整个系统的可持续性有较大的影响，亚太地区的天然气进口集中于澳大利亚(达1/2 以上)；从独联体国家进口天然气2013年前集中于哈萨克斯坦(占比在90%以上)，2013年后集中于土库曼斯坦(占比在80%以上)，突出表明进口来源国集中，进口的安全性问题存在。基于生态网络分析结果，从天然气供应体系中的三类因素即国内外供应来源、天然气消费以及战略储备等方面提出相应政策建议。

3.1 保障内部供应来源，提高国内天然气生产能力

供应来源在中国天然气供应安全中扮演着最直接和最重要的角色，网络结构分析已证明这一点。天然气国内供给是我国天然气供应安全的坚实后盾，对于内部供应源，即国内生产部门，需生产更多的天然气来提高天然气供应系统的效率和冗余度，可通过在国内获取更多天然气资源和改进我国天然气开采技术来实现。然而，天然气开采难度随着开采量的加大而增大。为保障我国天然气供应安全，一要加大天然气勘探投入，常规天然气与非常规天然气开采并行，以增加天然气探明储量和可开采量；二要在非常规天然气方面，突破技术难关，实现页岩气等非常规天然气资源规模生产。

3.2 加强区域合作，采取多元化进口策略

对于现有的外部来源，需加强与对我国天然气供应安全有重大影响区域—亚太地区和独联体国家的能源合作，进一步维持我国天然气的供应稳定；但也应特别关注向我国出口天然气较少的区域如北美和中东地区，拓宽天然气供应渠道是保障我国能源安全的重要选择。充分利用“一带一路”战略契机，以探索更多的外部供应来源，加强国家间政治和经济交流；大力开展能源外交，加强与其他国家的基础设施互联互通建设，优化天然气进口贸易格局以保障我国天然气供应稳定；随着我国LNG 进口量的不断加大，需加强与其他地区的LNG贸易网络建设，进一步加强LNG进口海上通道安全[22]。

3.3 优化天然气消费结构，降低能源强度

消费部门是天然气供应的驱动力之一，为保障天然气稳定供应，需推进天然气消费结构优化调整以降低天然气供应安全风险。天然气消费占能源消费的比重不断增加，但我国天然气消费强度远高于世界平均水平，有必要提高相应的技术水平以提高天然气单位产值水平，降低天然气消费强度。同时，需加强消费需求管理，履行节能减排职责，抑制低效率使用天然气，优化能源结构，提高天然气使用效率。

3.4 加强战略储备建设，降低能源风险

随着我国天然气供需缺口不断扩大，进口依存度逐年上升，扩大天然气储备势在必行[23]。针对我国天然气对外依存度不断增高的情况，除采取进口来源多元化进口策略外，建立天然气储备也是一个重要的手段。目前我国已初步形成全国石油储备体系，天然气相对于石油而言战略储备发展有所滞后，天然气的安全平稳供应难以得到有效保障，特别是随着近年“气荒”现象的发生。因此，尽快建立天然气战略储备，保障我国天然气供应安全，满足社会生产生活的需要已势在必行[24]。