城市交通大氣污染物與溫室氣體協同控制效應評價
——以烏魯木齊市為例

高玉冰,毛顯強*,Gabriel Corsetti,魏 毅(.北京師范大學環境學院,北京 00875；.烏魯木齊市污染控制中心,新疆 烏魯木齊 830063)

城市交通大氣污染物與溫室氣體協同控制效應評價
——以烏魯木齊市為例

高玉冰1,毛顯強1*,Gabriel Corsetti1,魏 毅2(1.北京師范大學環境學院,北京 100875；2.烏魯木齊市污染控制中心,新疆 烏魯木齊 830063)

針對烏魯木齊城市交通領域12項減排措施開展協同控制效應評估,構建空氣污染物與溫室氣體協同減排當量(APeq)指標進行減排效果歸一化,識別措施是否具有協同減排效果,并進一步計算單位APeq減排成本,從成本有效性角度對各項減排措施進行排序.研究結果表明,出租車、私家車油改氣以及純電動轎車替代汽油轎車3項措施不具有協同控制效應;而提高尾氣排放標準、天然氣公交替代柴油公交、提升小客車燃油經濟性、油品升級、淘汰黃標車、發展軌道交通、引入快速公交等措施可以實現局地大氣污染物與溫室氣體的協同減排.費用-效果分析表明,提高小客車燃油經濟性的單位APeq減排成本最低,具有良好的成本有效性;而發展軌道交通雖然單位APeq減排成本較高,但總體減排效果較好.

烏魯木齊；城市交通；協同控制

大氣污染物與溫室氣體之間的同源性使得大氣污染物控制措施與應對氣候變化措施相互交織、相互影響.某項減排措施在實現單一污染物減排目標的同時可能伴隨產生次生環境效益,但也可能出現污染物之間或污染物與溫室氣體之間“此消彼長”的互斥效果.因此,有必要對各項措施的協同控制效應進行評估.

自聯合國政府間氣候變化專門委員會IPCC第三次評估報告首次提出“協同效應”的概念[1]以來,國內外學者在區域協同效應潛力分析、協同效應定量化評價等方面開展了一系列研究[2-4].國內研究人員在協同效應評價研究的基礎上[5-7],提出應以“協同控制”為手段,設計最優減排路徑以實現最佳“協同效應”[8-9].而行業性減排措施的協同控制效應評價分析是“協同控制”研究的必要前提[10-13].

交通是城市中重要的能源消耗部門,也是主要的大氣污染物和溫室氣體排放部門.機動車尾氣是形成灰霾、光化學煙霧的重要原因.國外交通領域的協同效應研究在倫敦[14]、德班[15]等城市均有開展,而在國內僅見于對交通行業實施碳稅、能源稅、燃油稅、清潔能源汽車補貼和公共交通補貼政策的協同減排效果研究[16]及對珠江三角洲地區機動車排放控制措施的協同效應分析[17].交通行業協同控制研究仍需加強.

近年來烏魯木齊城市交通發展迅速,2001至2011年,機動車保有量年均增長率高達16%[18].據烏魯木齊車輛管理所統計,2010年該市機動車共排放氮氧化物5.45萬t、顆粒物0.44萬t,分別占全市總排放量的34.7%和10%;二氧化碳排放約500萬t,較2009年增長了11.6%.面對日益增加的局地污染物與溫室氣體減排壓力,烏魯木齊市交通部門采取了多項減排措施.本文篩選出12項減排措施,對其局地大氣污染物與溫室氣體的協同控制效應進行評估,以便為烏魯木齊及其他城市制定交通領域的協同減排規劃方案提供參考.

1 烏魯木齊城市交通減排措施

通過實地調研、文獻查閱和資料分析,本文篩選出烏魯木齊城市交通領域12項減排措施.這些措施按其性質可分為3類:新車準入標準提高、燃料改進和結構調整.各項措施的具體描述見表1.其中,“燃油經濟性提升”措施以小型客車為例,計算其實施第三階段燃料消耗限值所實現的協同控制效果.“汽油油品升級”、“柴油油品升級”分別以小型客車、重型貨車為例計算.“發展軌道交通”以烏魯木齊市規劃最早開建的地鐵1號線為例計算.

2 協同控制效應評價方法及數據來源

2.1 協同控制效應評價方法

本文使用的協同控制效應評價方法包括:減排效果歸一化與費用-效果分析.首先進行減排效果歸一化,將措施實現的多種污染物與溫室氣體減排(或增排)效果統一為一項綜合指標,并以該指標值的正負為依據判別該措施是否具有協同控制效應;然后對具有協同控制效應的措施開展費用-效果分析,根據單位污染物及溫室氣體減排成本(UPRC)指標[10,20]對各項措施進行優先度排序.本文考慮的機動車污染物包括NOχ、PM10、CO、NMHC(非甲烷碳氫化合物),溫室氣體包括CO2和CH4.

2.1.1 減排效果歸一化 由于某項減排措施能夠同時實現多種污染物及溫室氣體的減排或增排,而其減排或增排污染物及溫室氣體的種類、數量均存在差異.為了對各項措施進行減排效果的綜合比較,需采取歸一化指標度量其協同控制效應.由于目前并沒有統一的方法,研究者在進行歸一化的過程中可根據污染物及溫室氣體的化學、物理、生物、健康影響,或依據污染物的定價,甚至根據決策者對污染物及溫室氣體控制的緊迫性的認識等,賦予其適當的權重[10,21].參考毛顯強等[10,20]在相關領域的工作,基于我國空氣質量標準構建的空氣污染物與溫室氣體協同減排當量指標APeq,其計算公式如下:

式中:α、β、γ、δ、ε為各污染物或溫室氣體對應的當量系數.

表2 空氣污染物與溫室氣體當量系數Table 2 The equivalent weight coefficients of air pollutants

本文以NOχ的當量系數α為1,PM10、CO的當量系數為空氣質量二級標準[22]24h平均值中NOχ濃度與該污染物濃度的比值.空氣質量二級標準是我國空氣質量標準的基本要求,其濃度的確定基于各種污染物的綜合危害和影響.由于我國目前沒有“NMHC”的環境質量標準,借鑒以色列同類標準的24h平均值,即2mg/m3[23].根據IPCC第四次評估報告[24],需要將大氣中CO2等效濃度控制在(420～400)×10-6,故本文將CO2濃度標準確定為400×10-6,即458mg/m3.根據IPCC第二次評估報告[25],CH4的全球變暖潛值(GWP)為CO2的21倍,在后文計算中,將CH4排放量按此比例折算為CO2當量.本文的APeq當量系數見表2.

2.1.2 費用-效果分析 進一步計算單位污染物及溫室氣體減排成本(UPRC),從而對減排措施進行費用-效果評價.單位污染物及溫室氣體減排成本低說明該措施成本有效性較好,在選擇時具有較高的優先度.單位污染物及溫室氣體減排成本的計算公式如式(2):

式中:Ci,j為i措施減排單位j污染物(溫室氣體)的成本,元/g;CCi,j為i措施減排j污染物(溫室氣體)的總成本,元;Qi,j為i措施可減排j污染物(溫室氣體)的量,g.

2.2 數據來源

各類型交通工具的年均行駛里程數據參考李珂等[26]在烏魯木齊的研究結果.參考文獻[27-28]的結果,推算得到各類型交通工具的年周轉量數據.為了便于載客車與載貨車之間的比較,本文按照10“人?km”相當于1“t?km”的標準[29]將載客周轉量與載貨周轉量統一為“換算周轉量”,單位為“tkm”.年均行駛距離與換算周轉量數據見表3.

機動車排放因子與燃料質量、尾氣處理技術、行駛工況、車輛新舊程度、駕駛員水平等眾多因素相關,具有較大的不確定性.因此在數據選擇時,需要采用能夠代表我國城市機動車一般工況下的平均排放因子.由于烏魯木齊市的統計數據相對欠缺,因此參考國內相關研究得到各種排放標準下的各車型的排放因子(表4).CO2排放因子根據能耗水平及文獻[30]中的CO2排放系數折算得到.由于軌道交通與純電動轎車以電能為能源,其大氣污染物及溫室氣體排放系數采用烏魯木齊市電力行業大氣污染物及溫室氣體排放數據.

表3 烏魯木齊各類交通工具年均行駛里程及換算周轉量Table 3 Annual average driving distance and equivalent turnover volume of different types of vehicles in Urumqi

3 城市交通減排措施協同控制效應評估

3.1 減排措施的環境、經濟屬性及協同控制效果歸一化

由表5可以看出,3項結構調整類措施(淘汰黃標車、發展軌道交通、引入快速公交系統)在局地大氣污染物與溫室氣體減排方面均有較好效果.但是提高尾氣排放標準僅對大氣污染物排放限值提出要求而未對燃油消耗量加以限制;油品升級措施能夠降低燃油中硫含量,同樣未對燃料消耗提出要求;CO2等溫室氣體的產生主要與化石燃料燃燒相關,因此這兩類措施雖可減排大氣污染物,但基本沒有協同減排溫室氣體的效果.

參照前文的歸一化方法,將各項措施的減排量綜合為“大氣污染物與溫室氣體協同減排當量”(APeq)指標,見圖1.從圖1可以看出,結構調整類3項措施(淘汰黃標車、發展軌道交通、引入快速公交系統)的減排系數最大,說明通過優化城市交通結構可以取得明顯的減排效果.其中又以發展軌道交通的減排系數最大,淘汰黃標車次之.黃標車雖然保有量少,但污染嚴重[31].因此,烏魯木齊市在“十二五”期間通過淘汰黃標車將取得良好的環境效益.

出租車、私家車油改氣以及推廣純電動轎車3項措施的APeq減排系數為負值,說明這3項措施不具有綜合協同減排效果.出租車、私家車改燒天然氣雖可減排CO、PM10、NMHC與CO2,但CH4與NOχ出現增排.改裝天然氣車輛的CH4排放較汽油車略有增加是由于少量CH4未經燃燒隨尾氣溢出,且因其化學結構穩定,三元催化裝置難以對其催化氧化[32].由于CH4的全球變暖潛值(GWP)為CO2的21倍,油改氣車輛的溫室氣體減排優勢在一定程度上被抵消.在NOχ排放方面,由于燃燒室溫度的升高,空氣中更多的氮被氧化導致NOχ增排.車輛改裝工藝也是導致CH4與NOχ增排的原因:改裝車為保障雙燃料的使用,對影響天然氣使用效率的發動機壓縮比、點火系統一般不進行調整,從而影響了排放特性.在烏魯木齊市的實際尾氣檢測中曾發現改裝車NOχ、CH4排放難以達標[33],國內外相關研究也曾指出改裝天然氣汽車存在CH4與NOχ增排現象[34-36].

推廣純電動轎車措施的APeq為負值的原因主要是新疆電網的NOχ與PM10排放系數偏高.雖然純電動轎車對于削減市區低空污染物排放具有重要貢獻,但若考慮電力生產過程的排放,純電動轎車并不具備污染物總量減排優勢.從區域總量控制角度來看,烏魯木齊市推廣純電動轎車的同時應加強發電廠廢氣處理.

3.2 費用-效果分析

為了綜合反映措施的成本有效性,本文進一步計算各減排措施的單位APeq減排成本.9項具有協同控制效應的措施的單位APeq減排成本區間為-2.31～0.49元/g,其優先度排序如圖2所示.其中,提高小客車燃油經濟性的單位APeq減排成本最低.提高燃油經濟性、從源頭減少燃油的使用既可降低車輛的使用成本,令其減排成本為負值,也能協同減排各種局地大氣污染物與溫室氣體.引入快速公交(BRT)后,原線路客運量可增加13萬人次/d,替代了部分私家車出行.因此,引入BRT的總減排成本也為負值,優先度排序靠前.憑借烏魯木齊市低廉的天然氣價格,天然氣公交車替代柴油公交車后,燃料成本明顯降低.同時,天然氣作為柴油的替代燃料,可以實現較好的污染物減排效果.因此,該項措施也具有良好的成本有效性.而發展軌道交通雖然減排系數較大,減排效果較好,但由于建設投資成本高,折算為單位APeq減排成本也較高,優先度排序靠后.

表4 符合各級排放標準的不同類型城市交通工具的排放因子(g/km)Table 4 Emission factors for the urban vehicles of different emission standards (g/km)

需要指出的是,在不同的城市,即使是同一減排措施,其減排系數、減排潛力、減排成本等均有差異,因此在進行協同控制方案設計時,應根據其環境目標、環保預算等因素,綜合決策選擇最具有成本有效性的措施開展協同控制規劃.另外,本文僅核算了軌道交通的建設成本、運營成本及替代公交、私家車出行的直接效益,而其在提高通勤效率、縮短出行時間、緩解地面交通擁堵等方面的效益尚未計算.

3.3 敏感性分析

賦予各污染物及溫室氣體的權重不同,其歸一化為APeq的結果也將不同.可設置不同權重情景對結果進行敏感性分析.將前文述及的基準情景作為情景一,根據世界衛生組織(WHO)歐洲空氣質量準則[43]中的污染物濃度指導值(NOχ24h平均值為0.075mg/m3,CO 8h平均值為10mg/m3, PM1024h平均值為0.05mg/m3,CO2、NMHC與情景一相同)設置了第二種情景,其APeq值的計算如下所示:

表5 城市交通主要減排措施的環境、經濟屬性Table 5 The environmental-economic properties of emission reduction measures

圖1 烏魯木齊城市交通主要減排措施的APeq減排系數Fig.1 Emission reduction coefficient of measures in urban transport system of Urumqi

表6為上述兩種情景下烏魯木齊市城市交通各減排措施的單位APeq減排成本及排序,可以看出,情景一與情景二的排序一致.

圖2 主要減排措施的單位APeq減排成本優先度排序Fig.2 Priority ranking of emission reduction measures in urban transport system of Urumqi

表6 單位APeq減排成本排序敏感性分析表Table 6 Sensitivity analysis of unit APeqreduction cost

4 結論

4.1 結構調整措施具有良好的協同減排效果

提高尾氣排放標準、天然氣公交替代柴油公交、提升小客車燃油經濟性、油品升級等技術措施可以實現局地大氣污染物與溫室氣體的協同減排;而淘汰黃標車、發展軌道交通和快速公交等結構調整措施的減排系數較大,具有良好的協同減排效果.通過采取這些措施,烏魯木齊市“十二五”期間將會取得良好的環境效益和溫室氣體減排效果.

4.2 出租車油改氣、私家車油改氣措施協同性不佳

目前,烏魯木齊市的天然氣-汽油兩用燃料車多為自行改裝而成,其工藝缺陷影響了排放特性,是其NOχ、CH4的排放高于汽油車的主要原因.因此,規范天然氣汽車改裝市場,加強在用天然氣-汽油兩用燃料車的排放檢測與維修保養十分重要.

4.3 費用-效果分析可為協同控制規劃提供支持

費用-效果分析結果表明,提高小客車燃油經濟性等措施具有良好的成本有效性;而發展軌道交通等措施雖然減排成本較高,但減排潛力較大.管理者宜應根據環境目標、環保預算等因素,選擇最具有成本有效性的措施開展協同控制規劃.

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Assessment of co-control effects for air pollutants and green house gases in urban transport: A case study in Urumqi.

GAO Yu-bing1, MAO Xian-qiang1*, GABRIEL Corsetti1, WEI Yi2(1.School of Environment, Beijing Normal University, Beijing 100875, China；2.Environmental Pollution Control Center of Urumqi, Urumqi 830063, China). China Environmental Science, 2014,34(11)：2985～2992

In this study, the co-control effects of 12 typical emission reduction measures used in Urumqi urban transport system were analyzed. An Air Pollutant and Greenhouse Gas Equivalence index (APeq) was built to normalize the effects of the emission reduction of the different pollutants. The unit pollutant or greenhouse gas reduction cost (UPRC) was then calculated to rank these measures according to their cost-effectiveness. The results showed that gasoline-to-CNG retrofit program of taxis and personal vehicles and the application of electric cars were unable to achieve co-reduction. On the other hand, improving exhaust emission standards, application of natural gas buses, improving fuel efficiency of passenger cars, upgrading fuel quality, phasing out heavy-polluting vehicles, rail transit and bus rapid transit could simultaneously reduce local air pollutants and greenhouse gas emissions. The economic analysis indicated that improving the fuel efficiency of passenger cars was the most cost-effective strategy, while rail transit was more expensive than other measures but had promising emission reduction effects.

Urumqi；urban transport；co-control

X51

A

1000-6923(2014)11-2985-08

高玉冰(1988-),女,湖南張家界人,北京師范大學碩士研究生,主要從事多污染物協同控制、交通節能減排研究.

2014-03-10

美國能源基金會中國可持續能源項目課題(G-0911-11642);環境保護行業性公益項目(201009051)

* 責任作者, 教授, maoxq@bnu.edu.cn