城市交通大气污染物与温室气体协同控制效应评价——以乌鲁木齐市为例

高玉冰,毛显强*,Gabriel Corsetti,魏 毅(.北京师范大学环境学院,北京 00875；.乌鲁木齐市污染控制中心,新疆 乌鲁木齐 830063)

城市交通大气污染物与温室气体协同控制效应评价
——以乌鲁木齐市为例

高玉冰1,毛显强1*,Gabriel Corsetti1,魏 毅2(1.北京师范大学环境学院,北京 100875；2.乌鲁木齐市污染控制中心,新疆 乌鲁木齐 830063)

针对乌鲁木齐城市交通领域12项减排措施开展协同控制效应评估,构建空气污染物与温室气体协同减排当量(APeq)指标进行减排效果归一化,识别措施是否具有协同减排效果,并进一步计算单位APeq减排成本,从成本有效性角度对各项减排措施进行排序.研究结果表明,出租车、私家车油改气以及纯电动轿车替代汽油轿车3项措施不具有协同控制效应;而提高尾气排放标准、天然气公交替代柴油公交、提升小客车燃油经济性、油品升级、淘汰黄标车、发展轨道交通、引入快速公交等措施可以实现局地大气污染物与温室气体的协同减排.费用-效果分析表明,提高小客车燃油经济性的单位APeq减排成本最低,具有良好的成本有效性;而发展轨道交通虽然单位APeq减排成本较高,但总体减排效果较好.

乌鲁木齐；城市交通；协同控制

大气污染物与温室气体之间的同源性使得大气污染物控制措施与应对气候变化措施相互交织、相互影响.某项减排措施在实现单一污染物减排目标的同时可能伴随产生次生环境效益,但也可能出现污染物之间或污染物与温室气体之间“此消彼长”的互斥效果.因此,有必要对各项措施的协同控制效应进行评估.

自联合国政府间气候变化专门委员会IPCC第三次评估报告首次提出“协同效应”的概念[1]以来,国内外学者在区域协同效应潜力分析、协同效应定量化评价等方面开展了一系列研究[2-4].国内研究人员在协同效应评价研究的基础上[5-7],提出应以“协同控制”为手段,设计最优减排路径以实现最佳“协同效应”[8-9].而行业性减排措施的协同控制效应评价分析是“协同控制”研究的必要前提[10-13].

交通是城市中重要的能源消耗部门,也是主要的大气污染物和温室气体排放部门.机动车尾气是形成灰霾、光化学烟雾的重要原因.国外交通领域的协同效应研究在伦敦[14]、德班[15]等城市均有开展,而在国内仅见于对交通行业实施碳税、能源税、燃油税、清洁能源汽车补贴和公共交通补贴政策的协同减排效果研究[16]及对珠江三角洲地区机动车排放控制措施的协同效应分析[17].交通行业协同控制研究仍需加强.

近年来乌鲁木齐城市交通发展迅速,2001至2011年,机动车保有量年均增长率高达16%[18].据乌鲁木齐车辆管理所统计,2010年该市机动车共排放氮氧化物5.45万t、颗粒物0.44万t,分别占全市总排放量的34.7%和10%;二氧化碳排放约500万t,较2009年增长了11.6%.面对日益增加的局地污染物与温室气体减排压力,乌鲁木齐市交通部门采取了多项减排措施.本文筛选出12项减排措施,对其局地大气污染物与温室气体的协同控制效应进行评估,以便为乌鲁木齐及其他城市制定交通领域的协同减排规划方案提供参考.

1 乌鲁木齐城市交通减排措施

通过实地调研、文献查阅和资料分析,本文筛选出乌鲁木齐城市交通领域12项减排措施.这些措施按其性质可分为3类:新车准入标准提高、燃料改进和结构调整.各项措施的具体描述见表1.其中,“燃油经济性提升”措施以小型客车为例,计算其实施第三阶段燃料消耗限值所实现的协同控制效果.“汽油油品升级”、“柴油油品升级”分别以小型客车、重型货车为例计算.“发展轨道交通”以乌鲁木齐市规划最早开建的地铁1号线为例计算.

2 协同控制效应评价方法及数据来源

2.1 协同控制效应评价方法

本文使用的协同控制效应评价方法包括:减排效果归一化与费用-效果分析.首先进行减排效果归一化,将措施实现的多种污染物与温室气体减排(或增排)效果统一为一项综合指标,并以该指标值的正负为依据判别该措施是否具有协同控制效应;然后对具有协同控制效应的措施开展费用-效果分析,根据单位污染物及温室气体减排成本(UPRC)指标[10,20]对各项措施进行优先度排序.本文考虑的机动车污染物包括NOχ、PM10、CO、NMHC(非甲烷碳氢化合物),温室气体包括CO2和CH4.

2.1.1 减排效果归一化 由于某项减排措施能够同时实现多种污染物及温室气体的减排或增排,而其减排或增排污染物及温室气体的种类、数量均存在差异.为了对各项措施进行减排效果的综合比较,需采取归一化指标度量其协同控制效应.由于目前并没有统一的方法,研究者在进行归一化的过程中可根据污染物及温室气体的化学、物理、生物、健康影响,或依据污染物的定价,甚至根据决策者对污染物及温室气体控制的紧迫性的认识等,赋予其适当的权重[10,21].参考毛显强等[10,20]在相关领域的工作,基于我国空气质量标准构建的空气污染物与温室气体协同减排当量指标APeq,其计算公式如下:

式中:α、β、γ、δ、ε为各污染物或温室气体对应的当量系数.

表2 空气污染物与温室气体当量系数Table 2 The equivalent weight coefficients of air pollutants

本文以NOχ的当量系数α为1,PM10、CO的当量系数为空气质量二级标准[22]24h平均值中NOχ浓度与该污染物浓度的比值.空气质量二级标准是我国空气质量标准的基本要求,其浓度的确定基于各种污染物的综合危害和影响.由于我国目前没有“NMHC”的环境质量标准,借鉴以色列同类标准的24h平均值,即2mg/m3[23].根据IPCC第四次评估报告[24],需要将大气中CO2等效浓度控制在(420～400)×10-6,故本文将CO2浓度标准确定为400×10-6,即458mg/m3.根据IPCC第二次评估报告[25],CH4的全球变暖潜值(GWP)为CO2的21倍,在后文计算中,将CH4排放量按此比例折算为CO2当量.本文的APeq当量系数见表2.

2.1.2 费用-效果分析 进一步计算单位污染物及温室气体减排成本(UPRC),从而对减排措施进行费用-效果评价.单位污染物及温室气体减排成本低说明该措施成本有效性较好,在选择时具有较高的优先度.单位污染物及温室气体减排成本的计算公式如式(2):

式中:Ci,j为i措施减排单位j污染物(温室气体)的成本,元/g;CCi,j为i措施减排j污染物(温室气体)的总成本,元;Qi,j为i措施可减排j污染物(温室气体)的量,g.

2.2 数据来源

各类型交通工具的年均行驶里程数据参考李珂等[26]在乌鲁木齐的研究结果.参考文献[27-28]的结果,推算得到各类型交通工具的年周转量数据.为了便于载客车与载货车之间的比较,本文按照10“人⋅km”相当于1“t⋅km”的标准[29]将载客周转量与载货周转量统一为“换算周转量”,单位为“tkm”.年均行驶距离与换算周转量数据见表3.

机动车排放因子与燃料质量、尾气处理技术、行驶工况、车辆新旧程度、驾驶员水平等众多因素相关,具有较大的不确定性.因此在数据选择时,需要采用能够代表我国城市机动车一般工况下的平均排放因子.由于乌鲁木齐市的统计数据相对欠缺,因此参考国内相关研究得到各种排放标准下的各车型的排放因子(表4).CO2排放因子根据能耗水平及文献[30]中的CO2排放系数折算得到.由于轨道交通与纯电动轿车以电能为能源,其大气污染物及温室气体排放系数采用乌鲁木齐市电力行业大气污染物及温室气体排放数据.

表3 乌鲁木齐各类交通工具年均行驶里程及换算周转量Table 3 Annual average driving distance and equivalent turnover volume of different types of vehicles in Urumqi

3 城市交通减排措施协同控制效应评估

3.1 减排措施的环境、经济属性及协同控制效果归一化

由表5可以看出,3项结构调整类措施(淘汰黄标车、发展轨道交通、引入快速公交系统)在局地大气污染物与温室气体减排方面均有较好效果.但是提高尾气排放标准仅对大气污染物排放限值提出要求而未对燃油消耗量加以限制;油品升级措施能够降低燃油中硫含量,同样未对燃料消耗提出要求;CO2等温室气体的产生主要与化石燃料燃烧相关,因此这两类措施虽可减排大气污染物,但基本没有协同减排温室气体的效果.

参照前文的归一化方法,将各项措施的减排量综合为“大气污染物与温室气体协同减排当量”(APeq)指标,见图1.从图1可以看出,结构调整类3项措施(淘汰黄标车、发展轨道交通、引入快速公交系统)的减排系数最大,说明通过优化城市交通结构可以取得明显的减排效果.其中又以发展轨道交通的减排系数最大,淘汰黄标车次之.黄标车虽然保有量少,但污染严重[31].因此,乌鲁木齐市在“十二五”期间通过淘汰黄标车将取得良好的环境效益.

出租车、私家车油改气以及推广纯电动轿车3项措施的APeq减排系数为负值,说明这3项措施不具有综合协同减排效果.出租车、私家车改烧天然气虽可减排CO、PM10、NMHC与CO2,但CH4与NOχ出现增排.改装天然气车辆的CH4排放较汽油车略有增加是由于少量CH4未经燃烧随尾气溢出,且因其化学结构稳定,三元催化装置难以对其催化氧化[32].由于CH4的全球变暖潜值(GWP)为CO2的21倍,油改气车辆的温室气体减排优势在一定程度上被抵消.在NOχ排放方面,由于燃烧室温度的升高,空气中更多的氮被氧化导致NOχ增排.车辆改装工艺也是导致CH4与NOχ增排的原因:改装车为保障双燃料的使用,对影响天然气使用效率的发动机压缩比、点火系统一般不进行调整,从而影响了排放特性.在乌鲁木齐市的实际尾气检测中曾发现改装车NOχ、CH4排放难以达标[33],国内外相关研究也曾指出改装天然气汽车存在CH4与NOχ增排现象[34-36].

推广纯电动轿车措施的APeq为负值的原因主要是新疆电网的NOχ与PM10排放系数偏高.虽然纯电动轿车对于削减市区低空污染物排放具有重要贡献,但若考虑电力生产过程的排放,纯电动轿车并不具备污染物总量减排优势.从区域总量控制角度来看,乌鲁木齐市推广纯电动轿车的同时应加强发电厂废气处理.

3.2 费用-效果分析

为了综合反映措施的成本有效性,本文进一步计算各减排措施的单位APeq减排成本.9项具有协同控制效应的措施的单位APeq减排成本区间为-2.31～0.49元/g,其优先度排序如图2所示.其中,提高小客车燃油经济性的单位APeq减排成本最低.提高燃油经济性、从源头减少燃油的使用既可降低车辆的使用成本,令其减排成本为负值,也能协同减排各种局地大气污染物与温室气体.引入快速公交(BRT)后,原线路客运量可增加13万人次/d,替代了部分私家车出行.因此,引入BRT的总减排成本也为负值,优先度排序靠前.凭借乌鲁木齐市低廉的天然气价格,天然气公交车替代柴油公交车后,燃料成本明显降低.同时,天然气作为柴油的替代燃料,可以实现较好的污染物减排效果.因此,该项措施也具有良好的成本有效性.而发展轨道交通虽然减排系数较大,减排效果较好,但由于建设投资成本高,折算为单位APeq减排成本也较高,优先度排序靠后.

表4 符合各级排放标准的不同类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,即使是同一减排措施,其减排系数、减排潜力、减排成本等均有差异,因此在进行协同控制方案设计时,应根据其环境目标、环保预算等因素,综合决策选择最具有成本有效性的措施开展协同控制规划.另外,本文仅核算了轨道交通的建设成本、运营成本及替代公交、私家车出行的直接效益,而其在提高通勤效率、缩短出行时间、缓解地面交通拥堵等方面的效益尚未计算.

3.3 敏感性分析

赋予各污染物及温室气体的权重不同,其归一化为APeq的结果也将不同.可设置不同权重情景对结果进行敏感性分析.将前文述及的基准情景作为情景一,根据世界卫生组织(WHO)欧洲空气质量准则[43]中的污染物浓度指导值(NOχ24h平均值为0.075mg/m³,CO 8h平均值为10mg/m³, PM1024h平均值为0.05mg/m³,CO2、NMHC与情景一相同)设置了第二种情景,其APeq值的计算如下所示:

表5 城市交通主要减排措施的环境、经济属性Table 5 The environmental-economic properties of emission reduction measures

图1 乌鲁木齐城市交通主要减排措施的APeq减排系数Fig.1 Emission reduction coefficient of measures in urban transport system of Urumqi

表6为上述两种情景下乌鲁木齐市城市交通各减排措施的单位APeq减排成本及排序,可以看出,情景一与情景二的排序一致.

图2 主要减排措施的单位APeq减排成本优先度排序Fig.2 Priority ranking of emission reduction measures in urban transport system of Urumqi

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

4 结论

4.1 结构调整措施具有良好的协同减排效果

提高尾气排放标准、天然气公交替代柴油公交、提升小客车燃油经济性、油品升级等技术措施可以实现局地大气污染物与温室气体的协同减排;而淘汰黄标车、发展轨道交通和快速公交等结构调整措施的减排系数较大,具有良好的协同减排效果.通过采取这些措施,乌鲁木齐市“十二五”期间将会取得良好的环境效益和温室气体减排效果.

4.2 出租车油改气、私家车油改气措施协同性不佳

目前,乌鲁木齐市的天然气-汽油两用燃料车多为自行改装而成,其工艺缺陷影响了排放特性,是其NOχ、CH4的排放高于汽油车的主要原因.因此,规范天然气汽车改装市场,加强在用天然气-汽油两用燃料车的排放检测与维修保养十分重要.

4.3 费用-效果分析可为协同控制规划提供支持

费用-效果分析结果表明,提高小客车燃油经济性等措施具有良好的成本有效性;而发展轨道交通等措施虽然减排成本较高,但减排潜力较大.管理者宜应根据环境目标、环保预算等因素,选择最具有成本有效性的措施开展协同控制规划.

[1] IPCC. Climate Change 2001 [M]. Cambridge, UK:Cambridge University Press, 2001.

[2] Mckinley Galen, Zuk Miriam, Höjer Morten, et al. Quantification of local and global benefits from air pollution control in Mexico City [J]. Environmental Science and Technology, 2005,39(7): 1954-1961.

[3] Shrestha Ram M, Pradhan Shreekar. Co-benefits of CO2emission reduction in a developing country [J]. Energy Policy, 2010,38: 2586-2597.

[4] Eto R, Murata A, Uchiyama Y, et al. Co-benefits of including CCS projects in the CDM in India' power sector [J]. Energy Policy, 2013,58:260-268.

[5] 李丽平,周国梅,季浩宇.污染减排的协同效应评价研究——以攀枝花市为例 [J]. 中国人口⋅资源与环境, 2010,20(5):91-95.

[6] 田春秀,李丽平,杨宏伟,等.西气东输工程的环境协同效应研究[J]. 环境科学研究, 2006,19(3):122-127.

[7] 闫文琪,高丽洁,任纪佼,等. CDM项目大气污染物减排的协同效应研究 [J]. 中国环境科学, 2013,33(9):1697-1704.

[8] 王金南,宁 淼,严 刚,等.实施气候友好的大气污染防治战略[J]. 中国软科学, 2010,(10):28-37.

[9] 胡 涛,田春秀,毛显强.协同控制:回顾与展望 [J]. 环境与可持续发展, 2012,(1):25-29.

[10] 毛显强,邢有凯,胡 涛,等.中国电力行业硫、氮、碳协同减排的环境经济路径分析 [J]. 中国环境科学, 2012,32(4):748-756.

[11] 刘胜强,毛显强,胡 涛,等.中国钢铁行业大气污染与温室气体协同控制路径研究 [J]. 环境科学与技术, 2012,35(7):168-174.

[12] Mao Xianqiang, Zeng An, Hu Tao, et al. Co-control of local air pollutants and CO2in the Chinese iron and steel industry [J]. Environmental Science and Technology, 2013,47(21):12002-12010.

[13] Mao X Q, Zeng A, Hu T, et al. Co-control of local air pollutants and CO2from the Chinese coal-fired power industry [J]. Journal of Cleaner Production, 2014,67:220-227.

[14] Beevers Sean D, Carslaw David C. The impact of congestion charging on vehicle emissions in London [J]. Atmospheric Environment, 2005,39(1):1-5.

[15] Thambiran Tirusha, Diab Roseanne D. Air pollution and climate change co-benefit opportunities in the road transportation sector in Durban, South Africa [J]. Atmospheric Environment, 2011,45: 2683-2689.

[16] Mao Xianqiang, Yang Shuqian, Liu Qin, et al. Achieving CO2emission reduction and the co-benefits of local air pollution abatement in the transportation sector of China [J]. Environmental Science and Policy, 2012,21:1-13.

[17] 程晓梅,刘永红,陈永钊,等.珠江三角洲机动车排放控制措施协同效应分析 [J]. 中国环境科学, 2014,34(6):1599-1606.

[18] 乌鲁木齐市统计局.2012年乌鲁木齐统计年鉴 [M]. 北京:中国统计出版社, 2012.

[19] 新疆日报.新疆首批纯电动轿车投入使用 [EB/OL]. http://www.ylxw.com.cn/news/content/2011-01/18/content_5921 4.htm. 2011-01-18.

[20] 毛显强,曾 桉,胡 涛,等.技术减排措施协同控制效应评价研究 [J]. 中国人口⋅资源与环境, 2012,21(12):1-7.

[21] Tollefsen P, Rypdal K, Torvanger A, et al. Air pollution policies in Europe: Efficiency gains from integrating climate effects with damage costs to health and crops [J]. Environmental Science and Policy, 2009,12(7):870-881.

[22] GB3095-2012 环境空气质量标准 [S].

[23] 国家环境保护局科技标准司.大气污染物综合排放标准详解[M]. 北京:中国环境科学出版社, 1997.

[24] IPCC. Climate Change 2007 (AR4) [M]. UK:Cambridge University Press, 2007.

[25] IPCC. Climate Change 1995(SAR) [M]. UK:Cambridge University Press, 1995.

[26] 李 珂,王燕军,王 涛,等.乌鲁木齐市机动车排放清单研究[J]. 环境科学研究, 2010,23(4):407-412.

[27] 张铁映.城市不同交通方式能源消耗比较研究 [D]. 北京:北京交通大学, 2010.

[28] 陈荫三.高速公路运输量研究 [J]. 中国公路学报, 2005, 18(2):94-98.

[29] 交通大辞典编辑委员会.交通大辞典 [M]. 上海:上海交通大学出版社, 2008.

[30] IPCC国家温室气体清单特别工作组.《2006年IPCC国家温室气体清单指南》[M]. 日本全球环境战略研究所, 2006.

[31] 环境保护部.中国机动车污染防治年报 [EB/OL]. http://wfs.mep.gov.cn/dq/jdc/zh/,2012-12-31.

[32] 郑建军,周志恩,张 丹,等.城市在用CNG汽车排放研究 [J].城市环境与城市生态, 2011,24(4):38-42.

[33] 亚心网.乌鲁木齐七成出租车尾气首检不过关 [EB/OL]. http://www.sdjtjt.com/shownews.asp?id=1380, 2013-06-27.

[34] 解淑霞,胡京南,鲍晓峰,等.天然气-汽油双燃料车实际道路排放特性研究 [J]. 环境科学研究, 2011,31(11):2347-2353.

[35] International Energy Agency. The contribution of natural gas vehicles to sustainable transport [R]. Paris: IEA, 2010.

[36] Jahirul M I, Masjuki H H, Saidur R, et al. Comparative engine performance and emission analysis of CNG and gasoline in a retrofitted car engine [J]. Applied Thermal Engineering, 2010,(30): 2219-2226.

[37] 蔡 皓,谢绍东.中国不同排放标准机动车排放因子的确定 [J].北京大学学报(自然科学版), 2010,46(3):319-326.

[38] 羡晨阳.基于比功率参数的北京市常规公交柴油车与BRT车辆排放特征对比分析 [D]. 北京:北京交通大学, 2011.

[39] 邓顺熙,赵剑强,成 平.城市道路机动车排放总烃与非甲烷烃的关系 [J]. 交通环保, 1999,20(3):12-14.

[40] Luz Dondero, José Goldemberg. Environmental implication of converting light gas vehicles: the Brazilian experience [J]. Energy Policy, 2005,33(13):1703-1708.

[41] 陈进杰.城市轨道交通项目广义全寿命周期成本理论与应用研究 [D]. 北京:北京交通大学, 2011.

[42] 谢逢杰.城市轨道交通项目经济效益评价方法初探 [J]. 工业技术经济, 2004,23(3):77-79.

[43] WHO. Air quality guidelines for Europe(second edition) [R]. Copenhagen: World Health Organization Regional Office for Europe, 2000.

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,湖南张家界人,北京师范大学硕士研究生,主要从事多污染物协同控制、交通节能减排研究.

2014-03-10

美国能源基金会中国可持续能源项目课题(G-0911-11642);环境保护行业性公益项目(201009051)

* 责任作者, 教授, maoxq@bnu.edu.cn