基于高精度清单的京津冀机动车控污政策研究

杨 雯,王学军,张倩茹



基于高精度清单的京津冀机动车控污政策研究

杨 雯,王学军*,张倩茹

(北京大学城市与环境学院,地表过程分析与模拟教育部重点实验室,北京 100871)

为研究京津冀机动车污染控制政策对CO、HC、NO、PM2.5、PM10等污染物的减排效果,建立了2014年高精度机动车排放清单,选取过去已经实施,未来规划实施及优化/劣化后的若干政策,设置4类共13种政策情景,与实际清单基准情景进行对比,识别各政策情景的排放变化,并对其中由政府给予补贴的政策进行成本收益核算.结果显示,淘汰低排放标准机动车带来的污染减排效果最好,在天津和河北对CO和HC的排放削减分别为53.19%,49.75%和51.28%,50.87%,达半数及以上;升级机动车发动机和燃油标准也能显著削减排放,在天津和河北对PM2.5、PM10的削减分别为17.01%,17.00%和21.95%,21.93%.政府补贴政策存在明显边际效应特征,排放标准高,重污染车少的北京单位成本的减排收益明显低于天津和河北,.河北和天津在考虑成本因素的基础上,应当逐步采纳北京的高标准减排政策;北京则可在一定条件下,将一部分低效的政府补贴通过合理方式转移支付给天津和河北,以提高政府投入的减排效率.

京津冀；机动车排放清单；政策；情景分析；政府补贴

近年来我国很多地区重污染天气频发,遍及主要城市的灰霾天气不仅使城市大气能见度下降,影响了城市居民正常的社会生活秩序,也危害了城市居民的健康与安全,影响了农作物的生长发育,给社会经济发展造成了严重的损失[1-2].出于区域联防治污,改善环境的需要,并考虑到大气流动性的特点,2013年国家多部门联合出台了《大气污染防治行动计划》,将大气环境治理扩展到区域协作层面,京津冀是重点部署地区之一.研究表明,机动车保有量增加对于空气污染,尤其是城市地区的空气污染有显著作用,是重要的污染排放源[3],京津冀地区机动车数量近年来不断上升,北京市、天津市、河北省2014年的机动车保有量分别比2005年增加了1.53倍、2.56倍和3.70倍,达到531万、274万和930万辆[4],机动车尾气中含有多种污染物,机动车尾气排放会直接向大气环境中排放多种一次污染物质,其中对城市空气有重要影响的主要是一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)、氮氧化物(NO)、细颗粒物(PM2.5)、可吸入颗粒物(PM10)等[5-6],机动车数量的迅猛增长给区域空气污染控制带来严峻挑战.

我国于1990年代起开始对城市机动车排放进行控制,采取的主要措施包括控制机动车总量,持续提升新车发动机排放标准,改善车用燃料品质,推广替代燃料与新能源车辆等[7].许多学者对各类控制政策的大气减排效果进行了研究,郭秀锐等[8]以北京市2010年机动车排放清单为基准进行了情景设置,研究表明在各类单一政策减排效果中淘汰高污染高排放车的减排效果最大,综合实施各类政策的效果最为显著,还预测了到2015和2020年的减排量.刘永红等[9]对2010年亚运会期间佛山市部分道路限流的污染减排效果进行评估,发现各类车型变化差异较大,并估测了全面开展机动车限行的减排效果.张启钧等[10]分析了机动车挥发性污染物对环境及人群健康的影响,评估得到不容忽视的致癌风险.此外,实施政策时付出的成本也不容忽视,唐葆君等[11]利用生命周期方法比较了纯电动和混合动力公交车的成本和经济性,认为我国应在2015年后大规模推广混合动力公交车,到2020年时混合动力公交车和纯电动公交车可逐步取代传统柴油公交车.谢鹏飞等[12]通过计算燃油升级成本,估算了在京津冀地区不同年份升级机动车标准和整体减排效果的费效情况,结果显示越早实现燃油升级费效性就越好,可以考虑尽早全面实现更高的燃油质量标准.

目前北京、天津、河北政府除制定本地机动车污染防控政策外,还参与实施京津冀政策联动,促进区域协同发展.本研究将首先建立高排放精度的2014年京津冀机动车排放清单,在此基础上选取该地区近年实施的机动车污染防控典型措施,根据政策趋势进行一定的实施强度和范围的优化,得到更加多样化的政策措施,对这些政策措施进行情景设置,估算在这些政策情景下机动车主要污染物的排放变化量,并选择其中政府给予补贴的政策计算政府的削减成本,分析政府投入和减排量之间的成本收益关系,对京津冀地区机动车减排控制政策进行评估,并提出建议.

1 研究方法

1.1 基础排放清单

本研究根据生态环境部《道路机动车大气污染物排放清单编制技术指南》[13]中的计算方法编制了2014年京津冀地区机动车排放清单,使用的公式如下:

=SP´VKT´EF(1)

式中:为污染物排放总量,t;为机动车车型,是将道路机动车分为微型轻型客车,中型客车,重型客车,微型轻型货车,中型货车,重型货车,公交车,出租车8类车型;为机动车保有量,根据相关年鉴获取京津冀3地分车型的机动车数量,并参考其他研究、统计资料等[14-16],获取各类车型中对应各排放标准和燃油类型的机动车数量,单位辆;VKT为各类车型年均行驶里程,从地方统计数据和文献[14,17]中获取,单位km/辆;EF为5类主要污染物CO、HC、NO、PM2.5、PM10的排放因子,根据城市气象条件,行驶工况,燃油品质[1,18-19]等修正基准系数后得出,单位g/km.这样计算得到2014年京津冀机动车污染物排放清单.将总排放量根据路网车流量在空间上进行插值,可以得出1km×1km的高精度空间排放分布,用于对特定空间区域进行政策削减分析.

1.2 情景设置

表1 政策情景设置说明

本文选取京津冀地区过去、现在已经实施和未来将要实施的政策,并在现行政策的基础上设定范围更大,标准更严格的优化/劣化政策,将这些政策量化为相应的控制情景,与2014年机动车排放清单表示的基准情景进行比较.情景设置均为单一政策,使用控制变量法,保持其他相关因素不变,以此观察单一政策改变对不同地区、不同车型、不同污染物排放产生的影响.本研究共设置13种情景,将其归为机动车数量控制情景、油品及减排技术情景、清洁能源车辆替代情景及交通管制4类,详见表1.

其中0为基准政策, B1、D1、E1、F1、G出自地方环保政策,A和C1为现行政策的劣化情景,B2、C2、D2、E2、E3、F2为现行政策扩大实施范围,加大实施力度后的理想化情景.

1.3 成本收益分析

在政策实施过程中会产生各种各样的成本,本研究将主要核算政府成本的部分,主要是指为推动机动车淘汰和更换新能源电动车,政府建立了一些补贴资金,这些资金被用于刺激淘汰高污染排放车辆等,因此可在这些政策情景下计算政府为促进政策实行而产生的这些成本.本研究选取B2、E3和F2 3项在实施过程中政府会提供补贴的政策情景,计算政府投入单位补贴对应的各类污染物的减排量,分析这些政府投入的污染减排效率.

2 结果与讨论

2.1 基准情景

在本研究所建立的2014年排放清单中,计算得到北京当年机动车产生的CO、HC、NO、PM2.5、PM10的排放量分别为285560t、33665t、83404kt、2781kt、3061kt;天津分别为291300t、32806t、69676t、3204t、3557t;河北分别为1045553t、121042t、391616t、17535t、19455t.各地区分车型排放贡献比例如图1所示,以此情景作为政策模拟情景的基准情景.

图1 2014年京津冀不同车型对污染物的排放贡献

2.2 模拟情景

2.2.1 机动车数量控制情景 机动车数量控制情景包括机动车总量控制和淘汰老旧机动车两类政策.根据中国统计年鉴[1],北京市微型、小型客车占有机动车总量的绝对优势地位(图2),其增长趋势在2010年出现明显拐点,增长速度放缓,总量控制出现成效.对机动车总量的增长情况进行了预测,A情景模拟了北京地区机动车按照2010年之前的微型、小型客车增长率增长,到2014年北京市总机动车保有量可达835.38万辆(2=0.995).这一情景下,2014年北京机动车CO、HC、NO、PM2.5、PM10的排放会比基准情景分别高出32.47%, 31.38%, 36.27%, 34.91%,34.56%.可见机动车总量控制对污染物整体削减效果很好.

关于淘汰老旧机动车,《北京市“十三五”时期移动源污染防治工作方案》明确提出要淘汰国II及以下排放标准的车辆.本研究将B1情景设定为2014年北京范围淘汰所有国I前,国I及国II排放标准机动车,由于机动车总量保持不变,假定这些低标准机动车由当年次低排放标准的车辆即国III替代,据此得到当年北京机动车CO、HC、NO、PM2.5、PM105类污染物排放总量分别比基准情景削减40.56%, 38.17%,11.96%,26.87%,26.91%.B2情景设定2014年京津冀三省市均淘汰全部国II及以下排放标准的机动车,由此得到天津CO、HC、NO、PM2.5、PM10排放总量的削减比例为53.19%, 49.75%,16.09%, 33.40%,33.23%,河北CO、HC、NO、PM2.5、PM10排放总量的削减比例为51.28%, 50.87%, 11.87%, 33.76%, 33.61% (图3(b)).淘汰老旧机动车带来的排放量削减十分显著,CO、HC、PM2.5、PM104种污染物在天津和河北的减排比例较接近,均高出北京,NO在三地的减排比例比较一致.

2.2.2 油品及减排技术情景 北京实际实施的机动车排放和车用燃油标准处于国内领先位置,C1情景设定北京在2014年使用全国统一的机动车排放和燃油标准,即京津冀地区均使用国IV汽油和国III柴油,北京市当年国V车辆数目由国VI的车辆替代,为劣化情景.在这样的情景下,北京市各污染物的排放总量要高于实际水平,CO、HC、NO、PM2.5、PM10分别增加了13.92%,6.10%,12.67%, 30.91%,31.17%. C2情景则设定天津和河北在2014年使用同北京一样的国V标准,当年新增机动车皆为国V标准车辆,这样计算得到天津市的CO、HC、NO、PM2.5、PM10排放分别比基准值削减10.45%,9.72%,0.21%, 17.01%,17.00%,河北省分别削减11.12%、9.55%、7.39%、21.95%、 21.93%(图3(c)).油品标准的提升可以全面有效地削减各类污染物的排放.

柴油颗粒过滤器是安装在柴油车排气系统中,通过过滤来降低排气中颗粒物(PM)的装置,它能够有效地净化排气中70%~90%的颗粒物,是净化柴油机颗粒物最有效、最直接的方法之一.DPF可使CO,HC和PM的排放因子分别下降80%, 10%, 10%,但会导致NO的排放量增加10%[20-21].北京,天津均对城市新增重型柴油车安装DPF提出了要求,《北京市“十三五”时期移动源污染防治工作方案》要求新增重型柴油货车均安装DPF,《天津市2017~2018年秋冬季大气污染综合治理攻坚行动方案》要求新增车辆安装数量在2000辆以上.图3(d)中D1情景设定2014年北京市新增全部重型柴油货车和天津市新增重型柴油货车中的2000辆安装了DPF设备,得到北京市2014年CO、HC、PM2.5、PM10的排放量比基准减少0.024%, 0.012%, 0.18%, 0.18%,天津市分别减少0.00024%, 0.00013%,0.011%,0.011%,北京和天津的NO排放量分别增加0.19%和0.0025%. D2情景延展了政策实施的广度和深度,要求天津和河北2014年新增重型柴油车也全部安装DPF设备,这样计算得到天津市4类污染物的减排比例分别为0.03%, 0.02%, 1.33%, 1.33%,河北省为0.14%, 0.07%, 4.32%.4.32%,天津和河北的NO排放增加率分别为0.29%,0.92%.由于DPF技术的针对性,主要应用于特定车型特定污染物的排放削减,短期来看对排放总量削减程度比较有限,但因为会使每年新增的车辆都减少排放,从长期来看减排效果是可持续的,不过在实际操作中也应当平衡与NO增排的效果.

2.2.3 清洁能源车辆替代情景 京津冀地区推广清洁能源车辆的政策覆盖了公共交通和私家车,但目前对私家车尚处于鼓励为主的阶段,对公交车和出租车则对企业下达特定指标,在更新换代上有更加明确的要求,并设立了专项资金,故本文选取公交车和私家车的清洁能源使用开展研究.E1情景根据《北京市“十三五”时期移动源污染防治工作方案》设定2014年北京地区清洁能源公交车比例占公交车总量的70%,图3(f)显示在此情景下北京市CO、HC、NO、PM2.5、PM10五种污染物排放分别减少了1.04%,0.38%,3.08%,4.99%,5.16%.E2情景将E1推及京津冀全域,令天津和河北清洁能源公交车比例达到70%,天津市的五类污染物排放减少比例为1.41%, 0.73%,3.24%,8.69%,8.80%,河北省的减少比例为0.53%,0.27%,0.78%,2.16%,2.18%.近年来国家逐年减少对燃油燃气公交车的补贴,旨在鼓励发展无污染的电动公交车.本研究设置E3情景,对2014年三地新增公交车均为电动车的情景进行模拟,得到北京市5类污染物的减排比例为0.37%,0.14%,1.69%, 1.72%,1.74%,天津市为0.28%,0.14%,1.60%,1.73%, 1.74%,河北省为0.11%,0.05%,0.39%,0.43%,0.43%.

如图3(h)所示,F1情景中,依据《北京市2013~ 2017年清洁空气行动计划》模拟了2014年北京市当年新增850辆电动出租车,以及由4000辆天然气出租车取代低标准出租车的情景,这种情景下北京市CO、HC、NO、PM2.5PM10排放减少分别为3.32%、2.51%、0.46%、0.53%、0.54%.在《京津冀及周边地区2017年大气污染防治工作方案》中,提出了北京新增出租车全部更换为电动车,其他城市更换为电动车或天然气车的要求,据此设置F2情景为三地当年新增的出租车均为电动车,得到2014年北京市5类污染物减排比例分别为4.47%, 3.85%, 0.82%, 0.78%, 0.78%,天津市为4.48%, 3.46%, 0.71%, 0.34%, 0.34%,河北省则是1.98%, 1.49%, 0.20%,0.10%, 0.10%.

更换新能源公共营运车辆的减排量虽然从短期看不突出,但长期效果可观.在目前缺乏私家车强制报废规定的情况下,由政府引导企业发展新能源公交车,出租车一方面能提升区域环境质量,一方面也能够促进充电站等公共设施的建设,为在全域范围内鼓励民众使用新能源车起到示范作用.

2.2.4 交通管制情景 本文编制清单时使用了全国统一的技术标准,由于机动车行驶数据获取的难度,确定的基准情景中并未体现北京市的尾号限行政策.北京市于2008年奥运会期间开始实施城区机动车限行方案,此后实行工作日的7:00~20:00时五环路以内道路(不含五环路)每日限制2个车牌尾号出行的区域交通管理措施,公交车和出租车不受限制,本文将这一政策设定为G情景.根据本研究获得的高精度机动车空间排放清单,可划分出五环以内的区域,对五环内的排放量按限行的时间比重进行削减,得到在北京市实施限号政策的情景下,2014年全市范围内机动车排放量与未进行限号相比的减排情况.结果显示,五环内道路排放的CO、HC、NO、PM2.5、PM10分别削减了6.67%,6.79%,5.91%,6.55%, 6.55%.这一数值虽然不十分突出,但交通限行政策除环境减排功能以外,在缓解首都交通拥堵方面也有着十分突出的作用,是应当继续坚持推行的政策.

政策在实际执行的过程中不是孤立的,以上各单一情景还可进行多种组合,形成复合政策情景.对复合政策进行排放变化分析,还可以得到更加全面的结果.

2.3 政府成本-环境减排收益分析

2.3.1 报废老旧机动车——B2情景 在政府制定的老旧机动车报废激励方案中,会给予主动报废的机动车车主一定补贴.由于每年的补贴政策均有变动,本研究采用2014年国家及各省市实施的方案.按照京津冀地区当年各类排放标准车辆占机动车总量比例可计算得到国II及以下各排放标准车辆保有数目,即为B2情景下需全部淘汰的机动车,根据单车补贴金额计算得到各类机动车类型对应的补贴总额,如表2所示.

表2 政府补贴成本(亿元)

已知该政策情景下5类机动车排放污染物的排放削减量,可计算得到京津冀三地每万元政府补贴投入对应的污染物排放削减量.由图4(a)可见,对于各类污染物,河北省单位政府补贴的减排收益最高,天津市次之,最低的是北京市.北京市机动车保有量虽较高,但其中对污染排放贡献最大的国I及以下车辆占比低,由于采取统一补贴政策,未针对不同排放标准的机动车报废划分不同的梯度,致使补贴效率相对较低.

2.3.2 更换新能源公共营运车辆——E3,F2情景 新能源公共营运车辆一般指电动公交车和电动出租车,2014年我国尚未有完善的国家和地方对新能源车辆的补贴政策,本研究以2016年国家和地方公布的推广新能源车辆的政策为准,进行成本估算(表2),并计算单位补贴投入的污染减排量(图4(b)~图4(c)).

计算结果显示,更换新能源公交车情景下天津市各类污染物的单位成本减排收益最高,河北省次之,最低为北京市.更换新能源出租车情景下河北省和天津市的减排效率接近,北京市远低于津冀地区.这主要还是因为北京市的排放标准已经比较严格,发展新能源车带来的减排边际效应不如天津和河北大.同时北京市对新能源车的补贴力度在三地为最高,使得成本和环境收益的综合效率相对较低.

3 结论

3.1 当前实施的机动车减排政策是行之有效的,其中淘汰高污染排放标准的机动车能够最为显著地削减各类污染物,尤其对于北京、天津和河北的CO和HC的削减可以达到40.56%,38.17%,和53.19%, 49.75%,和51.28%,50.87%.此外,提高机动车排放标准和更换油品是未来的必然趋势,天津和河北应当在顾及成本的前提下,尽早推行北京的严格标准和政策,在平稳过渡中促进京津冀区域乃至全国的污染物整体减排.本文由于篇幅所限,未能涵盖更多的情景,未来还需开展更多情景的组合分析,并与污染物大气迁移转化模拟及全面的经济社会成本分析结合起来,以期得到更准确的结果.

3.2 由于边际效应的差别,政府补贴的单位环境收益在机动车标准更严格,高污染车辆更少的北京低于天津和河北, 更换新能源公共营运车辆政策情景下北京PM2.5、PM10的单位减排收益甚至只是天津和河北地区的20%.但补贴仍应作为激励政策在三地继续实施.此外,北京可以在一定条件下尝试对天津,河北开展转移支付,以提高区域总体减排效率.

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Vehicle pollution control policy study on the Beijing-Tianjin-Hebei region, based on a high-precision emission inventory.

YANG Wen, WANG Xue-jun*, ZHANG qian-ru

(Ministry of Education Laboratory of Earth Surface Process, College of Urban and Environmental Sciences, Peking University, Beijing 100871, China)., 2018,38(8)：2803~2810

In order to identify the emission reduction effects of vehicle pollution control policies for CO, HC, NO, PM2.5and PM10in the Beijing-Tianjin-Hebei region, a high-precision vehicle emission inventory of 2014 was established, and some policies which have been implemented in the past, existing policies, policies intended to be implemented in the future, and optimized policies were selected to set up 13policy scenarios in four categories, which were used to be compared with the business as usual scenario of actual emission inventory. The cost-benefit analysis was made on the policies in which subsidies were provided by the government. The most efficient emission reduction policy was eliminating low emission standard vehicles, and the upgrades of vehicle and fuel standards could also reduce emissions significantly. Government subsidy policies had obvious marginal effects. The marginal emission reduction benefit in Beijing was significantly lower than Hebei and Tianjin, while Beijing had the highest emission standard and the least heavy-pollution vehicles among the three regions. Hebei and Tianjin should adopt more stringent pollution control policies gradually as did in Beijing, and Beijing could transfer part of the inefficient government subsidies to Tianjin and Hebei so as to increase the emission reduction efficiency of government subsidy.

Beijing-Tianjin-Hebei；vehicle emission inventory；policy；scenario analysis；government subsidy

X323

A

1000-6923(2018)08-2803-08

杨 雯(1992-),女,河北石家庄人,北京大学硕士研究生,主要研究方向为区域环境科学.

2018-01-07

国家自然科学基金资助项目(41571130010,41630748,41571484, 41671492)

* 责任作者, 教授, xjwang@urban.pku.edu.cn