我國城市間客運交通能源消耗趨勢的分解＊

常世彥胡小軍歐訓民張希良

(1.清華大學能源環境經濟研究所,北京 100084;2.清華大學中國車用能源研究中心,北京 100084;3.上海交通大學能源研究院,上海 200240)

我國城市間客運交通能源消耗趨勢的分解＊

常世彥1,2胡小軍3歐訓民1,2張希良1,2

(1.清華大學能源環境經濟研究所,北京 100084;2.清華大學中國車用能源研究中心,北京 100084;3.上海交通大學能源研究院,上海 200240)

隨著我國城鎮化水平不斷提高,城市作為重要的交通網絡節點,其銜接交通運輸線路、產生和承擔客貨流轉換的功能日益顯著。定量地探討城市間客運交通能源消費變化的影響因素對于我國未來城市間客運交通能源需求的研究及溫室氣體減排具有重要意義。本文采用終端能源需求MAED模型,對我國城市間客運交通能耗的歷史基期數據進行處理,同時對未來能耗進行預測,在形成ASIF結構的數據基礎上,利用對數平均迪氏指數法(Logarithmic Mean Index,LMDI)對城市間客運交通能耗的活動效應、結構效應和強度效應進行分解分析。結果表明,從歷史數據來看,我國“十五”期間城市間客運交通能耗的快速增加同時取決于客運周轉量的增加、客運交通模式和能耗強度的轉變,若延續這一發展趨勢,我國中長期城市間客運交通模式將快速增長。未來城市間軌道交通網絡的發展和高效利用及交通節能減排政策的落實將是促進能源消耗增速降低的可能選擇。

城市;交通;能源;分解分析

交通領域是能源的重要消費領域之一。IPCC第四次評估報告[1]對交通領域的能源消耗和溫室氣體排放問題進行了專題分析,該報告預測,除非當前的能源使用模式有巨大轉變,否則全球交通能源使用量預計將以每年約2%的速度增長,到2030年,交通能源使用總量和二氧化碳排放量預計將比現在高出約80%。

交通領域的節約能源和減緩溫室氣體排放問題日益受到廣泛關注,國際主要能源和氣候變化研究機構都十分重視這一領域的研究。2003年,IEA開發了IEA/SMP模型,專門用于交通領域的能源研究,2004-2005年,又將該模型發展為新一代IEA/MoMo(Mobility Model)模型[1]。這一系列模型,為近幾年的世界能源展望(WEO)、世界可持續發展工商理事會WBCSD(World Business Council for Sustainable Development)的研究報告和IPCC第四次評估報告(Transport and its infrastructure)等提供了模型和數據支撐。此外,美國能源部、歐盟委員會和美國阿貢實驗室等能源管理和研究機構都將交通能源的研究作為重要領域之一。

與大能源系統相似,交通領域的節能與減排途徑也可以分為兩種:一種是結構節能,另一種是技術節能。1994年,世界經濟合作組織(OECD)在墨西哥召開大會,會上首次出現了可持續交通的提法,而當時會議主題偏向于討論清潔交通能源和節能汽車等技術途徑。此后,研究者們開始注重實現可持續交通的結構途徑。2002年聯合國約翰內斯堡峰會(Johannesburg Summit)上,就明確提出了可持續交通的發展目標是改變現有交通發展模式,減少交通污染和對人體健康的危害。公共交通和軌道交通是實現可持續交通理念和低碳經濟的重要模式。

隨著我國綜合交通運輸網絡布局的日益清晰,城市作為交通網絡的節點,作為重要的客貨流轉換中心,其銜接交通運輸線路的功能日益顯著。我國城鎮人口由2003年的33 173萬增加到2007年59 379萬,城鎮化水平從27.99%提高到44.99%。因此,對城市間交通方式及能源消耗的探討,具有重要的理論意義和現實意義,有必要對我國未來城市間客運交通能源消耗趨勢進行定量的探討,并對影響其發展的主要因素進行結構化分析。

1 研究方法

我國能源統計年鑒上的交通運輸行業能源未將客運和貨運能耗區分開來,但是兩者在產生機理上有很大區別,因此對未來交通能耗進行預測的時候,需要對歷史數據進行適當處理。為此,我們運用國際原子能機構(IAEA)開發的IAEA/MAED模型進行交通能源需求及政策情景分析,并且對數據進行前期處理。MAED模型(Model for Analysis of Energy Demand)可以通過外生的人口變化路徑,經濟增長路徑和技術變化路徑計算未來的能源服務需求。采用MAED模型的優點在于,既可以完成需求預測,同時可以得到ASIF構造的數據。ASIF是活動水平(Activity)、交通結構(Structure)、能耗強度(Intensity)和燃料使用(Fuel Use)的簡稱,是交通能耗研究中一種常用的方法,在國家級、地區級和全球層面的交通能源預測方面都有應用的實例。根據ASIF所采用的數據單位的不同,ASIF可以有多種表示方法,本文采用其中一種,具體的內涵為活動水平指城市間客運周轉量,交通結構指不同交通模式所承擔的周轉量的份額,此處交通模式主要包括鐵路、公路、民航和水運。能耗強度用單位周轉量的能源消費量來表示。

圖1 本文研究方法基本示意圖Fig.1 Schematic framework of research method

基于MAED模型所得到的城市間客運交通能耗數據,本文運用對數平均Divisa指標分解方法(Log mean Divisia index method,LIMD),分別對由交通服務量變化對能源消費的影響(活動效應)、由交通結構的變化對能源消費的影響(結構效應)和由能耗強度變化對能源消費的影響(強度效應)進行分析。LIMD方法是指數分解方法中較為常用的一種,近期的研究表明,從理論基礎、實用性、可操作性和結果表達來看,相比Laspeyres指標分解方法,該方法較為理想[3-4]。關于這種方法,本文不再贅述。基本計算公式為:

其中,ΔEt為城市間客運總能耗變化;

ΔEact為由城市間客運活動量變化帶來的交通能耗變化,

ΔEstr為由城市客運結構變化帶來的交通能耗變化,

ΔEint為由城市間客運能耗強度變化帶來的交通能耗變化。

本文以2000年為起點,分別對我國2000-2005,2005-2010以及2010-2020年三個階段城市間客運交通能源消費進行分解分析,并分別以ΔEact/ΔEt、ΔEstr/ΔEt和ΔEint/ΔEt表示活動效應、結構效應和強度效應。

2 數據和假設

2.1 城市間客運周轉量

按照能源需求產生的驅動力和交通方式特征的不同,可將交通領域能源消費行為劃分為三個部分,城市間客運(Inter-city passenger)、城市內客運(Intra-city passenger)和貨運(Freight)。其中城市內客運主要指城市內部公共運輸,由道路交通和地鐵(或輕軌)等方式完成[5-6]。本文側重于城市間客運交通的研究。我國城市間客運周轉量持續增長,從1980年的2 281.3億人km增長到2007年的21 592.6億人km。到2008年底,客運量為240億人,客運周轉量為23 304億人km。

城市間客運周轉量的增長與我國經濟發展水平和交通基礎設施能力密切相關。到2008年底,我國鐵路營業里程8萬km,公路368萬km,民航運輸機場160個。相比1978年,鐵路里程增長了0.5倍,公路里程增長了3.1倍[7]。如果實現我國《綜合交通網中長期發展規劃》的遠期規劃(2020年前)的基本要求,則我國有望在2020年前實現全國所有城鎮、口岸和具備條件的建制村的公路連接,目前人口在20萬以上的城市、沿海主要港口主要口岸的鐵路或高速公路連接,直轄市、省會城市、沿海發達城市、具備條件的內陸偏遠城市、重要旅游城市及旅游區的民用航空線路連接。可以預期,未來我國城市間客運周轉量仍將保持持續增長的態勢。

根據我國人口發展態勢及經濟增長趨勢,預計未來相當長時期我國交通運輸業還將保持較快速度的增長。基于人均G DP與人均客運周轉量的數量關系進行回歸預測,可以預期2010年我國旅客周轉量將達到26 447.9億km,2020年為47 035.9億人km。

2.2 城市間交通模式的構成

各種不同交通方式之間的構成,是決定交通能源需求的重要因素之一。從我國城市間客運周轉量來看,從1980年到現在,各種交通模式所占比例變化較大。從20世紀90年代初期開始,我國城市間客運交通模式開始以公路為主,2007年公路交通運輸周轉量為11 506.8億人km,遠大于鐵路交通運輸周轉量7 216.3億人km。

2.2.1 公路

我國公路實行分省管理體制,公路建設市場開放較早,公路建設投資渠道較為寬廣。我國公路人均旅行次數由1978年的不到1.55次增長到2007年的人均15.5次,公路的平均運距也由1978年的35公路增長到了2007年的56km。國家公路運輸樞紐布局規劃(2007)國家公路運輸樞紐總數為179個,其中12個為組合樞紐,共計196個城市(見表1)。

目前,我國高速公路僅覆蓋了省會城市和城鎮人口超過50萬的大城市,在城鎮人口超過20萬的中等城市中,只有60%有高速公路連接。得益于“貸款修路,收費還貸”及特許經營政策的實施[5],我國高速公路的建設發展具有強有力的內部激勵,截至2008年底,國家高速公路網總規模約8.6萬km,已建成4.9萬km,占57%;在建約1.37萬km,占16%;未開工項目約2.33萬km,占27%。根據《國家高速公路網規劃》,我國將形成連接全國所有的省會級城市、目前城鎮人口超過50萬的大城市以及城鎮人口超過20萬的中等城市,覆蓋全國10多億人口的高速公路網(表1),可以預見的是“十二五”到2020年,高速公路將成為我國綜合運輸體系客貨集疏運系統的主要支撐[7]。

表1 我國交通運輸網覆蓋的城市范圍Tab.1 City nodes in transport network in China

2.2.2 鐵路

盡管鐵路運輸大有被公路運輸所替代的勢頭,但是由于鐵路運能大、價格較低、比較安全,更適合長途運輸,因此公路的平均運距集中于44 km到55 km范圍內,而鐵路的旅客運輸平均運距從1995年的345 km增加到2005年的524 km。2004年國務院審議通過《中長期鐵路網規劃》后,從2005年開始,鐵道部陸續出臺了多項政策鼓勵外資和民營資本投入鐵路,但收效甚微。相比較公路,我國鐵路網的建設相對滯后。我國鐵路行業外部資本進入面臨的諸多障礙和壁壘,阻礙了我國鐵路網的建設[8]。為了促進鐵路網的加速發展,《中長期鐵路網規劃(2008年調整)》將2020年全國鐵路營業里程規劃目標由10萬km調整為12萬km以上,其中客運專線由1.2萬km調整為1.6萬km,電化率由50%調整為60%,在維持原“四縱四橫”客運專線基礎骨架不變的情況下,增加了4 000 km客運專線。這一快速客運網,連接所有省會及50萬人口以上的大城市,覆蓋全國90%以上人口。

2.2.3 城際軌道

從網絡化角度、服務對象及功能角度來看,我國的軌道交通網絡可以劃分為三個層次,即國家干線軌道交通網、區域軌道交通網、城市軌道交通網[9]。城際軌道交通屬于區域軌道交通的范疇。相比較傳統的鐵路(國鐵)管理體智,我國區域和城市群(圈)間城際軌道交通的投資管理和規劃相對靈活,地方政府參與其建設具有一定激勵相容性。鐵道部在編制《中長期鐵路網規劃》中,專門列入了“區域城際軌道交通布局規劃”的內容,共規劃線路15條,路網長度總計1 659 km,投資規模約1 373億元。2008年調整后的規劃,在已批準的規劃基礎上,又新增城際軌道網絡規劃線路18條,新增加建設里程3 887 km,新增加投資規模2 357.2億元[10]。目前我國已形成以京津冀地區、長三角地區和珠三角地區城市群為依托的城際軌道交通建設格局。預計在不遠的將來,城際軌道將在城市間客運交通中發揮越來越重要的作用。按照現在的規劃,到2020年全國城際軌道總規模將達到5 546 km[10]。

2.2.4 民航

我國民用航空發展迅速。根據《全國民用機場布局規劃》,到2010年,全國75%的縣級行政單元能夠在地面交通100 km或1.5小時的車程內享受到航空服務(現狀為52%);到2020年全國80%以上的縣級行政單元能夠在地面交通100 km或1.5小時車程內享受到航空服務,所服務區域的人口數量占全國總人口的82%。

2.2.5 水運

在我國綜合運輸體系中,水路是重要的貨物方式,完成客運量較少。預計在未來,水路客運也不會有太大改觀。

2.3 城市間客運交通模式的能源強度

2.3.1 公路

公路運輸是石油消耗的主要部門,主要燃料是汽油和柴油。2000年前,我國大部分客運車輛附屬設施少、乘坐舒適性差,營業性公路運輸客車的車輛單耗相對較低。但隨著客運交通工具舒適性的提高,單位服務量能耗將有所上升。2000-2005年,我國公路營運性汽油客車和柴油客車的千人公里油耗分別上漲18.2%和33.3%。盡管交通部《公路水路交通節能中長期規劃綱要》中提到2015年,與2005年相比,營運客車單位運輸周轉量能耗下降3%左右;到2020年,與2005年相比,營運客車單位運輸周轉量能耗下降5%左右,客運交通能耗是否能按規劃下降仍然存在一定不確定性。

2.3.2 鐵路

我國鐵路能源消費與牽引動力密切相關。由于發展內燃和電力牽引替代蒸汽牽引,我國鐵路能源消費強度在“八五”期間和“九五”期間總體上沒有增長。目前,蒸汽機車牽引已經完全退出鐵路正線運輸,我國鐵路牽引動力主要由內燃和電力機車兩種方式構成。近幾年,我國鐵路單位運輸工作量綜合能耗逐步下降,從2000年的104.1 kg標煤/萬換算噸公里下降到2006年的88.6千克標煤/萬換算噸公里。但是,由于鐵路提速和鐵路客運舒適度的提高,客運能耗下降較為困難。例如,2000-2007年間,我國鐵路客運軟臥車擁有量增長了63.6%,而鐵路客運硬座車擁有量降低了4.7%。預計未來鐵路客運能耗的下降將主要依靠電力機車承擔工作量比例的上升。

2.3.3 城際軌道

城際軌道在運營里程、運行速度、站間距等方面與鐵路和城市內軌道交通都有較大差異,從目前我國建設的城際軌道交通項目的速度指標來看,大多數都選擇了200-250 km/h,且個別如京津城際、滬寧城際甚至選擇了更高的速度目標值。盡管在微觀層面有關于動車組能耗的研究,如文獻[11]中提到在不考慮坡道、曲線附加阻力的情況下,直達200 km/h動車組(龐巴迪的CRH1型動車組)能耗約為0.039 kWh/人·km,而時速160 km/h的站站停動車組的能耗是0.014 kWh/人·km,但目前還缺乏宏觀層面城際軌道交通客運周轉量能源強度的測定,且城際軌道交通在我國軌道交通網絡中所占的比例較小,所以本文中我們將城際軌道交通的能耗強度按鐵路來計算。

2.3.4 民航

相比較而言,民航是能耗強度最高的城市間客運交通方式。民航運輸企業能源利用效率可以按照換算噸公里航煤消耗水平和按照生產飛行小時航煤消耗水平計算衡量[12]。我國民航換算噸公里耗油由2000年的0.58 kg標準煤/換算噸公里降至2006年的0.48 kg標準煤/換算噸公里。

2.4 情景設計

為了能識別未來我國城市間客運節能的可能選擇,本研究共設定了三種情景,具體參數見表2,表3:

情景1(S1):城市間客運交通發展的基準情景,是延續當前交通模式和交通技術態勢,我國城市間客運能源消費可能的情景;

情景2(S2):軌道交通加速發展情景,設定我國軌道交通(包括國家干線軌道交通網和區域軌道交通網)加速發展,在2010與2020年總客運周轉量中比例較S1有一定提高;

情景3(S3):綜合節能情景,嚴格貫徹節能規劃,并在中長期實現交通節能技術市場滲透率的提高。

表2 我國城市間不同交通方式的客運周轉量占總客運周轉量的比例(%)T ab.2 Share of passenger turnover by intercity transport m ode

表3 我國城市間不同交通方式的能耗強度Tab.3 Energy intensity by intercity transport mode

3 分析結果

3.1 我國城市間客運交通消耗的基本趨勢

我國城市間客運交通能耗總體上持續上升,2010年我國城市間客運交通能耗約6 893.74-7 336.7萬t標準煤,2020年城市間客運能源消耗約為11 451.35-14 059.10萬t標準煤。從三個情景對比來看,S1情景到S3情景,能耗依次降低。綜合節能措施的落實將在2020年帶來2 607.75萬t標準煤的節能量。

3.2 我國城市間客運能源消耗的分解分析

客運周轉量的增長是決定我國中長期城市間客運能源消耗的增加的主要因素。無論在哪個情景下,三個階段的活動效應都相當明顯。2000-2005年,我國客運活動水平、交通結構和能耗強度對客運能耗整體表現為增長貢獻。情景S1下,無論是從短期來看,還是從長期來看,活動水平與交通結構對能源消耗的增長都表現了正面影響。情景S2下,由于軌道交通的加速發展,從長期來看可以較大幅度降低交通結構效應。在采取綜合節能政策的情景S3下,結構效應與強度效應都有相應幅度的降低。

4 討論及建議

我國尚處于工業化階段,人口多,經濟體量大,發展速度快,隨著我國交通網絡的日漸完善和居民生活水平的提高,城市間客運交通能源消費在今后相當長時期內呈較快增長趨勢。通過推進軌道交通基本網絡建設,尤其是城際軌道交通,通過引導和鼓勵居民采用大容量、低能耗的軌道出行方式,可以在一定程度上緩解交通能源消耗快速增長的勢頭。這就需要在政策管理體制上、投融資體制上給與軌道交通更大的優惠政策,將城際軌道交通劃入公共交通的范疇,實現優先發展。

圖2 城市間客運能源消耗的因素分解圖Fig.2 Decomposition analysis of intra-city passenger energy consumption

在20世紀90年代之前,地方鐵路的營業里程客運量、旅客周轉量均呈逐年上升趨勢,進入20世紀90年代后客運量、旅客周轉量就開始下降;從1998年開始,地方鐵路的營業里程也開始縮短;而貨運量和貨運周轉量仍然持續上升。這種變化與修建地方鐵路的初衷——滿足地方經濟發展的需要有關,而客運的公益性更強,地方投資建設用于客運鐵路線的積極性不高。因此,尋找合理的投融資模式,促進地方政府在客運軌道交通方面的建設,將有可能給我國城市間客運交通能源消耗帶來實質性的變化。

需要注意的是,由于缺乏足夠的數據支撐,本文中所討論的城間客運并未包含城市間私人交通方式,如家用轎車等的能耗。這在一定程度上將使我們所計算的城間交通能耗偏小。從現實意義上來講,更應該強調城市間軌道交通的必要性以及城際軌道交通的重要性。

(編輯:于 杰)

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AbstractAs important transport network nodes and convergence of transport routes,the cities’function of passenger and freight flow generation and transportation increasingly become noteble.Exploring inter-city passenger transport energy consumption and the key factors impacting China’s future inter-city passenger transport energy demand quantitatively is of great significance for transport energy research and greenhouse gas emissions.In this article,the final energy demand model MAED was conducted to estimate inter-citypassenger transport energy consumption based on historical data.At the same time,the future energy consumption was projected.Based on the ASIF data structure,the decomposition analysis method and logarithmic mean Divisia index method(LMDI)were used to analyze inter-city passenger transport activity effect,structural effect and intensity effect.The results show that,during the tenth Five Year period,China’s rapid inter-city passenger transport energy increasingly.depends on rapid increase in passenger turnover,passenger traffic patterns change,as well as energy intensity.The development and efficient utilization of rail transport network and the fulfillment of energy conservation and greenhouse gas mitigation policy are potential options for the medium and long term inter-city passenger transport energy consumption reduction.

Key wordscity;transportation;energy;decomposition analysis

Decomposition Analysis of Intercity Passenger Transportation Energy Consumption in China

CHANG Shi-yan1,2HU Xiao-jun3OU Xun-min1,2ZHANG Xi-liang1,2
(1.Institute of Energy and Environmental Economics,Tsinghua University,Beijing 100084,China;
2.China Automotive Energy Research Center,Tsinghua University,Beijing 100084,China;
3.Energy Research Institute,Shanghai Jiaotong University,Shanghai 200240,China)

U291.73;S211

A

1002-2104(2010)03-0024-06

10.3969/j.issn.1002-2104.2010.03.005

2009-09-20

常世彥,博士,助研,主要研究方向為能源系統分析與氣候變化政策研究。

張希良,教授,博導,主要研究方向為能源系統分析與低碳技術和政策研究。

＊國家自然科學基金重大國際(地區)合作研究項目(編號:50246003),清華大學低碳經濟研究院985課題(編號:L08E23)