“十四五”时期中国天然气国家安全预警分析

郑明贵 王 萍 曾健林 曹天琦

1. 江西理工大学矿业发展研究中心 2. 中国科学技术大学管理学院

0 引言

随着中国能源消费结构不断优化，天然气占一次能源消费量比重不断提高，2020年达8.4%，与石油、煤炭共同构成三大主体能源。根据《BP能源统计年鉴2021》，截至2020年，中国天然气资源探明储量为8.4×1012m3，仅占世界总探明储量的4.5%，人均资源储量不足世界人均值的1/5，且储采比为43.3，低于世界平均水平48.8。然而，中国天然气年消费量高达 3 306×108m3，约占世界总消费量 8.6%，居全球第三位。受制于资源条件，中国天然气资源2006年开始依赖进口，2020年进口依存度达42.08%，能源安全保障面临巨大压力。尤其自2019年底以来，海外气源供应不稳定、市场价格波动剧烈、季节性矛盾突出等问题对中国天然气稳定供应带来了极大的考验。《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》指出，需加紧完善经济安全风险预警、防控机制建设，确保战略性矿产资源领域安全可控。因此，对天然气供应安全进行预警研究具有重要的意义。预警研究指围绕天然气安全发展态势，开展监测和评估的理论和方法体系，主要包括明确警源、分析警情、寻找警兆和预估警度的分析流程[1]。基于国家安全视角，进行天然气安全预警研究，可以更好地了解全球能源发展趋势，为国家能源安全战略布局提供参考。

1 天然气国家安全等级评估与预警指标体系的设计

1.1 指标体系

关于天然气安全目前尚无统一的定义，相关研究主要从供气的安全性、稳定性和可持续性方面考虑[2-5]。在已有研究的基础上，从国家安全视角出发，将天然气国家安全定义为：一国能以合理价格及方式，持续、稳定、足量地获得当前与未来经济发展和人民生活所需的天然气资源。基于此定义，在识别天然气国家安全等级主要影响因素的基础上，参考周云亨等[2]、郭明晶等[6]的研究，遵循系统性、一致性、独立性、可测性、科学性、可比性以及目标导向性等原则，构建了中国天然气国家安全等级评估与预警指标体系（表1）。

表1 中国天然气国家安全等级评估与预警指标体系表

1.2 指标权重

参考李刚等的做法[7]，采用兼顾序信息和强度信息的组合赋权法，分别运用德尔菲法和熵权法确定主观和客观权重。该方法既考虑到主观权重可体现专家的丰富知识和实践经验，又兼顾客观权重可有效体现数据信息的优势。经测算，中国天然气国家安全等级评估与预警指标体系权重如表2所示。从全局权重来看，保障系数、地缘政治风险、储采比、进口依存度指标权重较大，说明其对天然气国家安全影响程度更大。从各一级指标来看，在资源禀赋维度中，相对于储量指数来说，储采比指标更为重要。在国际依赖维度中，地缘政治风险是威胁天然气进口安全更为直接的因素。在获取成本维度中，价格波动率权重更大。在保障能力维度中，保障系数权重最大，其次是人均管道长度和供储比。

表2 中国天然气国家安全等级评估与预警指标权重表

1.3 指标分级

将各二级指标分级量化至（0,10]，消除指标数量级和量纲对研究结果产生的影响。借鉴亚太能源研究中心国际公认分级规则[8]，并参考李云鹤等[9]的研究，在对2006—2020年中国天然气国家安全等级深入分析的基础上，得到每个二级指标在紧张或宽松状态下的极端参考值作为区间的上下限。则中国天然气国家安全等级评估与预警指标分级规则如表3所示。

1.4 评估与预警等级划分

根据表3指标分级规则，参考杨欣等[10]的风险预警等级，划分出中国天然气国家安全等级评估与预警等级（表4）。

表4 中国天然气国家安全评估与预警等级划分表

2 2006—2020年天然气国家安全等级评估

为更好地明确中国天然气国家安全致险因素，达到明确警源、分析警兆的目的，基于变权评估模型，分别对2006—2020年中国天然气国家安全等级进行综合评估和一级指标评估及结果分析，为后续天然气国家安全等级预警研究奠定基础。

2.1 数据来源

各国家和地区天然气探明储量以及美国亨利中心天然气价格数据均来自《BP能源统计年鉴2007—2021》；世界人口、国家风险指数数据均来自世界银行；中国人口、汇率数据均来自国家统计局；2006—2019年中国天然气产量、进口量、消费量数据来自《中国能源统计年鉴2007—2020》，2020年数据由《BP能源统计年鉴2021》的数据补充；2006—2019年中国天然气供气能力、储气能力、用气人口、管道长度数据来自《中国城市建设年鉴2007—2020》，2020年数据由国家统计局的数据补充。由此，整理得到2006—2020年中国天然气国家安全等级评估与预警指标数据（表5）。

表5 2006—2020年中国天然气国家安全等级评估与预警指标数据表

2.2 评估模型

由组合赋权模型得到的指标权重仅为静态权重，无法衡量极端指标值变动对整体评估结果的影响。为反映特殊情况变化下中国天然气国家安全等级的真实状态，采取变权评估模型对2006—2020年中国天然气国家安全等级进行评估。在变权评估模型中，指标权重随极端指标值的变化而变化。依据评估对象变化情况，采取激励型或惩罚型变权，以弱化或强化极端指标值带来的影响。

映射：

满足归一性：

连续性：wj(x1,…,xm)关于每个变元xk连续。

惩罚性：wj(x1,…,xm)关于每个变元xk单调递减。

均衡函数为：

变权公式为：

式中wj(x1,…,xm)表示评估指标权重，xj表示评估指标分级值 ；α表示参数。式（4）当 0 ＜α＜ 1 时表示惩罚型变权公式；当α=1时，表示常权公式；当α＞ 1时，表示激励型变权公式。

变权综合评估值ν*，计算公式为：

2.3 评估结果与分析

2.3.1 综合评估

参考谢为等[11]变权评估模型，在选取α=1进行常权评估的基础上，选择α=0.75进行惩罚型变权评估。常权与变权测算结果对比如表6所示。从变权评估结果来看，2006—2020年中国天然气国家安全等级评估值介于3.92～5.68，除2006年为橙色、不安全等级，其余年份皆处于黄色、基本安全等级。从具体年份来看，2006年，中国天然气国家安全等级发生明显变动，由黄色、基本安全等级转至橙色、不安全等级。原因在于，2006年国内天然气供不应求，中国开始进口天然气以弥补国内需求。但进口来源较为单一，主要资源国风险偏高，且运输距离较远，存在接替气源不足风险。此外，2007—2009年，中国天然气国家安全等级评估值下降也较为明显，降幅皆在0.5以上，该时期中国天然气管网和储气设施建设处于起步阶段，调峰能力短板尚未改善。2010年，随着进口来源的逐步拓展，通道多元化一定程度上提升了供气稳定性，国家安全评估值有所提高。2011—2015年，国际天然气价格上升，获取成本增加，国家安全评估值再度下降。2016—2019年，国内天然气需求强劲态势不减，进口依存度升至43.20%。2020年，新冠疫情和国际油价暴跌给世界天然气市场带来冲击，国内天然气市场也受到连带波动，进口气源不稳定，季节性矛盾突出，中国天然气应急保障体系和应急能力面临严峻考验，国家安全评估值再度下滑。

表6 常权和变权评估对比结果表

2.3.2 一级指标评估

相对于综合评估，一级指标更能够反映2006—2020年中国天然气国家安全等级各评估维度变动情况（图1）。总体来看，获取成本维度安全状况最佳，其次分别为国际依赖、保障系数和资源禀赋维度：①从资源禀赋维度来看，其安全等级由橙色、不安全等级转至黄色、基本安全等级。这主要是受天然气资源探明储量不断提升的影响。近年来，中国常规和非常规天然气勘探和开采工作取得较大突破，提高了中国天然气资源可供性。②从国际依赖维度来看，其安全等级基本处于黄色、基本安全等级。全球供需格局调整、地缘冲突与大国博弈等因素，均加剧了进口气源供应的不稳定性。③从获取成本维度来看，其安全等级由黄色、基本安全等级转至绿色、很安全等级。2006—2020年，中国人民币总体呈现升值趋势，国际天然气价格波动逐渐平缓，有利于降低天然气获取成本。特别是2020年，受新冠疫情影响，市场需求量缩减，国际天然气价格有所下降。④从保障能力维度来看，其安全等级由橙色、不安全等级转至黄色、基本安全等级。受储运基础设施不断完善的影响，中国天然气供气和储气能力日益增强，保障能力不断提升。但与发达国家相比，“全国一张网”建设仍需不断推进，储气调峰能力和互联互通能力亟待加强。

图1 2006—2020年中国天然气国家安全等级雷达图

3 2021—2025年天然气国家安全等级预警分析

为监测天然气国家安全等级未来变化趋势，达到寻找警兆、预估警度的目的，对2021—2025年中国天然气国家安全等级进行预警及结果分析。预警基本步骤如下：首先，对中国天然气国家安全等级评估与预警指标体系中的10个二级指标进行预测；其次，利用2006—2020年的样本数据对BP神经网络系统进行训练；最后，将10个二级指标的预测值输入训练好的BP神经网络模型中，得到2021—2025年中国天然气国家安全等级预警值。

3.1 预警模型

3.1.1 GM(1,1)模型

GM(1,1)模型可以排除或过滤掉样本数据中的不规则变动，反映趋势性变动特征，预测出序列变化的主要趋势，对不确定系统的中短期预测具有较好的效果[12]。引入GM(1,1)模型，对通过级比检验、适用于GM(1,1)模型的部分指标进行预测，步骤如下所示。

3.1.2 BP神经网络模型

人工神经网络是高度非线性动力学系统，由大规模神经元互联组成。它从自然生理结构出发研究人的智能行为，模拟人脑的信息处理功能，具备高度容错、自组织和自学习的特性，能够并行处理信息、连续学习和分布式存储，为解决复杂的矿业问题提供了强有力的工具[13]。本文建立BP神经网络模型如下：

1）输入神经元：包括储采比、储量指数、进口依存度、进口集中度、地缘政治风险、汇率、价格波动率、供储比、人均管道长度、保障系数。

2）输出神经元：包括中国天然气国家安全等级预警值。

3）隐含层神经元数目：

式中nh表示隐含层神经元数目；ni、no分别表示输入和输出神经元数目。因此取nh=9。

3.2 二级指标预测

针对各二级指标的不同特点以及预测的难度，选用合适方法进行预测。首先，对呈现趋势性变动的指标进行级比检验后，采用GM(1,1)模型进行预测，如世界天然气储量、进口集中度、供气能力、储气能力、管道长度、用气人口。采用平均相对误差、后验差比值和小误差概率检验GM(1,1)模型有效性（表7）可知，模型精度满足要求。其次，对于呈现周期性变动的指标，参考兰海强[14-15]等的研究，采用BP神经网络滚动法进行预测，如地缘政治风险和汇率。最后，对于已有大量研究成果的指标，如世界人口、中国人口、储量、产量、消费量和价格，直接借鉴已有成果[16-21]。2021—2025年中国天然气国家安全等级评估与预警指标预测数据如表8所示。

表7 预测精度测试结果表

表8 2021—2025年中国天然气国家安全等级评估与预警指标预测数据表

3.3 预警结果与分析

利用训练好的BP神经网络，对2021—2025年中国天然气国家安全等级进行预警，结果如表9所示。

表9 2021—2025年中国天然气国家安全等级预警分析表

由表9可知，2021—2025年中国天然气国家安全等级预警值介于4.61～5.63，皆处于黄色、基本安全等级。受进口依存度、进口集中度、地缘政治风险、供储比、价格波动率、人均管道长度、保障系数等风险因素的影响，2021—2025年中国天然气国家安全等级仍较低，安全风险大。“十四五”时期，预计中国天然气需求量将进一步攀升，资源保障系数将低于临界值1。为保障国内资源供应，进口量将继续增加，应重点关注进口来源和进口通道的稳定性。除此之外，仍需继续加强天然气管网建设，助力天然气工业发展。

3.4 进一步讨论

为检验本文研究结果的可靠性，利用国家发展和改革委员会、国家统计局、国家能源局和国家海关总署等公布的2021年1—10月部分指标数据与本文预测结果进行对比分析（表10）。

表10 本文预测结果与2021年1—10月部分实际指标数据对比分析表

由表10可知，中国天然气产量、消费量和进口量指标2021年预测值与实际值相对误差均在5%以内，表明本文预测结果具有较好的科学性和可靠性。从2021年1—10月实际数据和2021年全年预测数据来看，中国天然气市场机遇和风险并存。一方面，随着中国《“十四五”循环经济发展规划》推出，“双碳”目标正稳步推进，绿色经济助推了天然气行业快速发展，同时主要油气企业加大勘探开发力度，常规和非常规资源勘探陆续取得重大进展，国内天然气产量延续增长势头。另一方面，受世界经济逐渐恢复和极端天气频繁影响，天然气需求量大幅增加，资源供不应求，世界天然气价格触底反弹、震荡上行，波动较为明显。

4 结论与建议

4.1 主要结论

基于国家安全视角，从资源禀赋、国际依赖、获取成本和保障能力四个维度出发，构建了中国天然气国家安全等级评估与预警指标体系，采取组合赋权法确定指标权重，运用变权评估模型对2006—2020年中国天然气国家安全等级进行评估，建立GM(1,1)模型和BP神经网络模型对2021—2025年中国天然气国家安全等级进行预警分析。主要结论如下：①赋权结果表明，保障系数、地缘政治风险、储采比和进口依存度等对中国天然气国家安全等级的影响程度更大。②变权评估结果表明，2006年中国天然气国家安全等级评估结果处于橙色、不安全等级，2007—2020年均处于黄色、基本安全等级。2006—2020年，受储采比、储量指数上升等影响，中国天然气国家安全等级水平有所回升，但总体状况仍不容乐观，主要原因在于国内天然气资源供需失衡，进口依存度提升、供储比和保障系数下降等。③安全等级预警结果表明，2021—2025年中国天然气国家安全等级预警结果均处于黄色、基本安全等级。其中，进口依存度、进口集中度、供储比为各时期共有风险因素，需特别关注。除此之外，2021—2022年，地缘政治风险、价格波动率和人均管道长度为主要风险因素；2023—2025年，保障系数为主要风险因素，仍需注意防范。

4.2 保障建议

根据上述研究结论，提出 “十四五”期间保障我国天然气国家安全的建议：

1）针对进口依存度风险，采取常规和非常规天然气协调并行的路线，稳定常规天然气产量的同时助推非常规天然气发展。采用新技术、新方法、新理论，力争实现找矿重大突破，增加资源探明储量和产量，降低进口依存度过高风险。

2）针对进口集中度和地缘政治风险，一方面继续巩固与现有资源进口国的贸易关系，防范因突发风险导致天然气外部供应中断；另一方面采取多元化、分散化的进口优化策略，进一步优化天然气进口来源。

3）针对价格波动风险，进一步健全天然气资源战略储备体系，加快天然气期货市场的建设，建立良好的供需预期机制，有效应对冲金融投机和特定需求冲击所引起的价格波动。

4）针对供储比风险，扩大天然气储备规模，建设大型储气库、LNG调峰站以及特定区域小型应急储备库，形成天然气国家战略储备体系，同时鼓励企业自建LNG储气库等设施，建立健全政府储备与企业社会责任储备互为补充、有机结合的天然气储备体系。

5）针对人均管道长度风险，加快天然气管道建设步伐，力争形成更高密度的天然气管网体系，以满足天然气运输需求。以“放开两头，管住中间”为改革目标，进一步完善天然气管网价格机制，有序地向第三方市场主体公平开放，激发市场活力，提高管道运行效率。

6）针对保障系数风险，合理管控天然气需求量增速，避免出现短时间内大幅度用气增加造成的断供现象。从居民生活用气来看，可设立专题研究不同地区、不同时段的天然气需求情况，结合供应成本，适度调整天然气供应价格；从工业用气来看，各工业部门应积极开展节能降耗研究，推动油气生产智能化，提高天然气利用效率。