基础设施服务水平与城市规模的关系研究

岳宜宝 戴慎志

0 引言

对城市的基础设施系统来说，其无论对于保障城市功能的正常运转，还是对于提高城市的整体环境质量和综合竞争力来说都起着极其重要的作用。合理的规划基础设施水平能积极有效地引导城市功能的发挥，反之，过于超前或落后的基础设施服务水平，要么会造成城市有限建设资金的浪费，要么会制约城市进一步发展。这种基础设施的规划建设与城市发展不相协调的状况时有出现。以三峡库区重庆万州按照规划建设的沱口、明镜滩两个污水处理厂为例，这两个污水处理厂按照2020年当地人口规模设计，其中沱口污水处理厂的设计能力是日处理2万吨污水，按照2006年的数据来说，这个污水处理厂覆盖的人口却只能产生1万吨污水，就是说即便所有的污水都能收集过来，沱口污水处理厂也只能吃饱一半，有相当一部分设备闲置。而明镜滩污水处理厂日处理能力3万吨的规模却只能吃到8,000吨污水[1]。这种状况的出现，主要原因就是由于没有合理地准确地预测城市基础设施负荷水平并将其与城市的滚动发展相结合。因此合理地预测城市的基础设施服务水平就显得尤为重要。

城市基础设施固然具有网络性、公益性、系统性以及自然垄断性等特点，但最重要的一点就是它必须与需求增长的连续性和建设的阶段性相适应，如图1所示。在城市不同的发展阶段，应该有不同的基础设施服务水平。所以本文的研究目的就是分析不同城市发展阶段基础设施的服务水平，通过这种关系的揭示可以为今后合理的预测基础设施服务水平提供一个重要的参考。当然与城市基础设施服务水平相关的因素是多方面的，如城市的经济发展水平、用地的开发强度，以及城市规模等方面的因素，等等。本文主要研究的，就是与城市规模相关的各方面因素。

1 研究方法、范围与对象

1.1 研究方法的选取

图1 基础设施需求与建设关系示意图

在城市基础设施服务水平与城市规模的关系研究中，本文的研究方法是通过将我国不同城市的基础设施服务水平加以比较来体现出这种规律性。之所以可以通过比较不同城市基础设施的服务水平来进行研究是基于这样一个前提，即城市在不同的城市化阶段有不同的规律性，那么作为城市系统中重要一环的基础设施系统也应该体现出一定的规律性。目前国外的许多关于城市的研究中，就是基于这一理论前提，如美国学者YongMei Lu在研究Dalsas-Fort Worth区域中的道路网络与城市增长的关系时，对选取的11个不同规模的城镇进行分析的过程就采用了这一假定[2]。

1.2 研究范围与指标

1.2.1 研究范围界定

基础设施系统包含道路交通、能源、水务、通讯、环卫、防灾等六大系统。这六大系统中的通讯系统，由于近年来无线通讯技术逐渐成为通讯技术的主流，而且通讯基站等通讯设施可以在相应的用地中加以解决，同时电信管道可以仅作为一种线状的形式敷设于道路下面，因此通讯系统的发展，今后更加体现的是一种流动的空间，与建设用地的关系比较弱。六大系统中的环卫及防灾系统，其主要的配置方式是按照一定的服务半径进行环卫以及防灾设施的配置，因此它们与城市规模变化的因素也不是十分密切。对于城市的道路系统来说，目前的研究表明其与城市的规模之间确实存在一定的关联，如YongMei Lu的研究表明随着城市规模的逐渐增加，城市路网的密度以及可达性会逐渐增加[2]。但是对于城市道路用地来说，合理的用地比例不仅与交通量有关，更大程度上与城市的交通模式以及交通需求管理等方面的政策导向因素有关，因此很难直接从城市的用地开发强度推导出合理的道路用地面积（或者比例），故本文将基础设施的研究范围界定为给水系统和能源系统。

1.2.2 研究指标

在本文的研究中，数据来源主要为住房和城乡建设部主编的《中国城市建设统计年鉴（2002-2007）》和国家统计局编写的《中国城市统计年鉴（2003-2008）》[3]-[13]。其中中国城市建设统计年鉴由于缺少2005年的数据，本文采用插值数据进行处理，由于城市基础设施的需求变化是相对连续的，因此尽管采用了插值处理但仍能够反映出基础设施服务水平的基本面。

基础设施服务水平方面采用以下指标：

（1）人均综合用水量。城市的用水一般包含生活用水、生产用水、消防用水以及市政绿化用水，此外还包含一部分未可见用水量。为了研究的方便，本文采用人均综合用水量指标作为分析的指标。

（2）人均日燃气用量。在我国的燃气系统中，不同的城市有着不同的气源构成，目前主要有天然气、人工煤气和液化石油气三种，本文以这三种燃气的人居日用气量作为基础设施服务水平的衡量指标。

（3）单位面积供热量。对于北方城市来说，供热系统是基础设施系统中重要的组成部分，本文采用单位建筑面积供热量作为分析的指标。

（4）人均生活用电量。不同的城市由于产业结构的不同而在产业用电量方面存在较大差异，难以进行横向比较，因而本文采用较能比较的居民人均生活用电量这一指标来进行分析。

在城市规模方面，本文采用建成区规模这一指标。这一指标不仅与基础设施服务的统计范围相同，而且更能实际地反映城市这一社会经济综合体在发展过程中的特点。

1.3 研究对象选取

在分析不同城市的基础设施服务水平与城市规模之间的关系时，需要有一个比较明确的前提，即选取的对象必须具备一定的代表性。本文在选取研究对象的过程中，为体现这种代表性主要考虑了以下三个原则。

（1）考虑到不同规模的城市相结合，既要有大城市，又要有中等城市和小城市，以便比较全面地反映不同规模的城市在发展过程中的特点。

（2）考虑地域之间的分布。我国地域范围广阔，区域之间的发展很不平衡，因此即使同等规模的城市，由于地域的差异也很可能会在发展过程中表现出一些不同的特点。通过平衡研究对象在地域上的分布就能使研究更具有代表性。

（3）考虑不同发展阶段城市的分布。这里包含了经济发展水平和产业结构两个方面，其中以城区人均GDP作为衡量经济水平的指标，不同的经济收入水平有可能导致居民在基础设施需求方面的差异。同样，不同的城市产业结构在基础设施的需求方面也会表现出一定的差异性。

在以上三原则指导下，本文选取了全国38个城市作为研究对象，具体选点如图2所示。从研究对象的选取结果来看，无论在规模分布、地域分布还是经济发展阶段方面都基本做到了平衡，因而分析的结果也就具有一定的代表性。

图2 研究对象分布图

2 研究结果分析

2.1 城市人均综合用水量分析

用水量可说是城市“最基础的”基础设施。它不同于其它基础设施系统的地方在于它的天然属性——城市人均综合用水量的多少，与水资源在地域空间的分布有不可分割的关系。关于这一点，在我国的《城市给水工程规划规范（GB 50282—98）》中已有了明显的体现。参照《规范》的分区，本文也以长江流域为界将研究对象分为南北两个城市组；同时，为了体现用水量在我国东西部城市之间的差异，本文在这一基础上按照所处区位的不同将城市划分为东部城市、中部城市和西部城市。在城市的规模划分上，目前我国的规划体系将我国的城市划分为小城市、中等城市、大城市和特大城市，本文本着既能体现城市规模之间的合理梯度差、又能简化分析的原则，将城市分为特大城市和一般规模的城市，其中特大城市是指人口规模大于100万的城市，一般规模的城市是指人口规模低于100万的城市。各个城市分组的人均综合用水量回归后的关系参见表1和表2中所列项。

同时值得注意的是关于用水量与城市规模的回归分析中还需要进行回归分析的显著性检验，在检验过程中，根据自由度（n-m,其中n为样本容量，m为回归模型中待定参数的个数，本文m为2）和给定的显著性水平ɑ，从相关系数检验表中查出临界值rɑ（n-m），由此判断回归关系是否成立。如果︱r︱≥rɑ（n-m）,则表明在显著水平ɑ条件下变量之间的关系是显著的，因此建立的回归模型是有意义的，反之则说明回归得出的模型是没有意义的。本文中显著性水平ɑ取值为0.1。人均综合用水量与城市规模的显著性检验结果如表1和表2所示。

通过回归分析检验可以看出，不是所有城市分组的回归分析都具有意义，对具有回归意义的关系进行分析可以得出城市的人均综合用水量存在着以下几点规律。

（1）同区位条件下不同规模城市用水量之间的差异性

一般来说，规模较大的城市由于其生产服务业较发达，集聚能力较强，居民的生活水平较高，因此人均综合用水量上也就会较高。而规模较小的城市在生活质量方面与大城市有一定的差距，其用水量也存在一定的差距。当然，统计分析也发现，单纯从分组城市内部的城市人均综合用水量分析来看，这种正相关的关系甚至并不存在，如南方西部地区特大城市用水量，它实际上它呈现的是一种微弱负相关关系，这种负相关可以解释为可持续发展理念下居民用水的节约以及近年来节水技术提高的结果。但是如果把城市规模的概念放在更大的范围内进行考察的话就会发现不同规模的城市与用水量之间存在着相对一定的正相关性。以南方西部地区的城市为例，特大城市的人均综合用水量在每日370升左右，而一般规模城市的人均综合用水量平均仅为200升左右。

（2）同规模城市下的用水量南北城市之间的差异性

从我国的水资源分布来看，北方地区水资源比较缺乏，相应的导致了城市的人均综合用水量较低；而南方的城市多雨水加之天气炎热，居民的生活习惯与北方城市有着较大的差别。因此同样的城市发展阶段下，南方城市的人均综合用水量较北方城市要高。以特大城市为例，北方中部地区的特大城市人均综合用水量在每日350升左右，而南方中部地区的特大城市一般则在500升左右。

（3）同规模条件下东西部城市之间的差异性

我国的水资源不仅存在着南北差异，而且也存在东西差异。从我国的地形分析来看，我国的东部沿海地区多平原，西部地区多山区丘陵，因此东部地区的水资源总体上要较西部地区丰富。同时由于我国的经济重心集中在沿海一线，因此较高的经济发展程度同样也需要较高的用水量。在这种条件下，我国东部、中部与西部城市在人均综合用水量上也就表现出了较大的差距。以南方特大城市为例，中部地区的人均综合用水量集中在每日500升左右，而西部地区则集中在每日400升左右。

表1 北方城市人均综合用水量回归检验统计表

表2 南方城市人均综合用水量回归检验统计表

2.2 城市燃气用量分析

对城市的燃气系统来说，我国城市的燃气气源包含了天然气、人工煤气和液化石油气，往往一个城市就存在着两种或者两种以上的气源构成。不同燃气种类的用量与城市规模之间的关系分析如图3至图5所示。

从图中可以看出，对于不同的燃气用量来说，其不同于用水量随着人口密度的增加有增加或减少的趋势。当然在图中个别城市在人均燃气消耗量上与其它城市差距较大，如成都等个别燃气资源丰富的城市。如果剔除个别我们称之为奇点的数据，可以看出三种燃气的用量基本上围绕一个固定值上下波动，这主要归因于城市燃气的基本生活属性，因此城市燃气的消耗量在不同的城市规模中应该是一个相对固定的值。除去个别瑕疵点后可以得出三种气源人均日消耗量的期望值，即人工煤气为0.26立方米/人·天，天然气为0.23立方米/人·天，液化石油气为0.15千克/人·天。在城市规划中尤其是总体规划阶段，在缺少城市历年数据的情况下，这一数据可以作为城市燃气消耗量预测的一个参考数据。

2.3 城市供热量分析

在城市的热力供应中，规模越大的锅炉房或者热电厂热效率越高。因此在城市的发展过程中，随着建成区面积的增加，为了给更大范围内的居民供热，一般会采用更大规模的供热单位，如区域锅炉房或者热电厂，这种热效率的提高对单位面积的供热量必然产生影响，研究对象供热量的变化与城市规模的关系如图6所示。

图3 人工煤气用量与建成区规模的关系

图4 天然气用量与建成区规模的关系

图5 液化石油气用量与建成区规模的关系

从图6的分析可以看出，城市单位面积的供热量随着面积的增长呈现出递减的趋势。当然，在现有的条件下，锅炉房等供热单位供热效率的提高不可能是无限的，同时，居民冬季的采暖也需要保持一定的水平，因此这种供热量的递减趋势不可能是线性递减，而更加可能的是呈现出对数递减的形式。经过回归后的方程为：y =-0.2434Ln(x) + 2.0542，R2 = 0.1763，如图6所示。

2.4 居民生活用电量分析

在城市的发展过程中，随着规模的扩展，城市的各项配套服务设施也逐步完善起来，相应的居民的生活方式也就会发生巨大的变化，如与北京、上海等城市丰富的夜生活相比，榆林等小城市的夜生活就比较贫乏，这种生活方式的不同必然带来居民在电力消耗上的差异性。不同规模城市用电量的差异统计分析如图7所示。

图6 供热量与城市规模变化分析

同样对用电量与城市规模的线性回归关系需要进行显著性检验，取显著性水平0.1，样本数量为226，回归的相关系数为0.53，大于相关系数临界值0.11，因此回归结果有意义。同时从分析结果来看，居民生活用电量与建成区的规模呈现出比较明显的正相关性，即城市建成区面积的增加必然导致居民生活用电量的增加，回归方程为：y = 0.5574x + 315.87，R2 = 0.2849。

图7 用电量与城市规模变化分析

这种现象的根本原因在于不同城市规模所带来的集聚效益以及居民生活方式的差异。对于特大城市来说，城市完善的配套服务设施造就了城市居民丰富的城市生活，而其他城市在生活观念以及消费方式上与特大城市仍有着较大的差别。居民在人均生活用电量上的差别，往往反映出这样一种关系。

3 结论

3.1 本文研究的意义

本文的研究意义，主要在于从实际供求的角度研究了基础设施的服务水平与城市规模之间的关系。

通过分析发现，在城市的用水量与城市规模之间存在着三个方面的关系，即同区位条件下不同规模城市用水量之间的差异性、同规模条件下南北城市之间以及东西部城市之间用水量的差异性。燃气用量则是一个相对固定的值，原因是它具有一种基本生活属性。城市的单位建筑面积的供热量与城市的规模之间表现出一定的负相关关系，这在很大程度上是由于大城市供热效率的提高以及热损耗的减少所导致。而居民的人均生活用电量，则与城市的规模之间表现出一定的正相关关系。这种基础设施服务水平与城市规模之间的关系，可以为今后基础设施负荷的合理预测提供一个重要的参考。

3.2 与规划层次的衔接

对于与规划层次的衔接问题，研究成果对应的主要是城市的总体规划阶段。因为本文的研究方法是将不同城市的总体数据进行回归分析，所得到的结论主要反映城市的总体状况。而在详细规划阶段，用地的建设量都相对具体明确，因此若继续将本文的结论作为详细规划阶段的重要参考，最终的误差可能比较大。

3.3 下一步的工作

对于本文的研究，由于主要是选取了不同的城市进行分析，也就是这种分析是横向视角的，实际上不同的城市由于发展背景、资源条件等各方面都存在一定的差异，因此分析的结果难免出现误差，如已经提到的数据离散性较大的问题。因此下一步的研究应该主要以具体的城市为分析对象，从城市发展的纵向角度来分析基础设施服务水平与城市规模变化之间的关系，当然这一分析过程是相当复杂漫长的，它需要足够时间序列的数据，所以这将是下一步的研究方向。

[1]三峡库区污水处理厂设计规模超前,运行成本过高[EB/OL].(2006-06-20)[2010-07-07].ht tp://www.ce.cn/macro/gnbd/dq/zdb/200606/20/t20060620_7431381.shtml.

[2]Yongmei Lu,Junmei Tang. Fractal dimension of a t ranspor tation network and its relationship with urban growth:a study of the Dal las-Fort Worth area[J].Environment and Planning B:Planning and Design.2004,31:895-911.

[3]国家统计局城市社会经济调查司.中国城市统计年鉴2002[G].北京:中国统计出版社,2003.

[4]国家统计局城市社会经济调查司.中国城市统计年鉴2003[G].北京:中国统计出版社,2004.

[5]国家统计局城市社会经济调查司,中国城市统计年鉴2004[G].北京:中国统计出版社,2005.

[6]国家统计局城市社会经济调查司,中国城市统计年鉴2005[G].北京:中国统计出版社,2006.

[7]国家统计局城市社会经济调查司.中国城市统计年鉴2006[G].北京:中国统计出版社,2007.

[8]国家统计局城市社会经济调查司.中国城市统计年鉴2007[G].北京:中国统计出版社,2008.

[9]建设部综合财务司.中国城市建设统计年鉴2002[G].北京:中国建筑工业出版社,2003.

[10]建设部综合财务司.中国城市建设统计年鉴2003[G].北京:中国建筑工业出版社,2004.

[11]建设部综合财务司.中国城市建设统计年鉴2004[G].北京:中国建筑工业出版社,2005.

[12]建设部综合财务司.中国城市建设统计年鉴2006[G].北京:中国建筑工业出版社,2007.

[13]建设部综合财务司.中国城市建设统计年鉴2007[G].北京:中国建筑工业出版社,2008.

岳宜宝

同济大学建筑与城市规划学院博士研究生

戴慎志

同济大学建筑与城市规划学院，教授，博导