李立峰 ,胡 靜 ,邵 丹 (.上海市環(huán)境科學(xué)研究院,上海 0033；.上海市城市綜合交通規(guī)劃研究所,上海 00040)

近年來上海的軌道交通系統(tǒng)迅速發(fā)展,尤其是2007～2010年,為了迎世博,軌道交通建設(shè)比往年有了較大提速.到2010年世博會(huì)召開時(shí),上海軌道交通線路達(dá)11條,運(yùn)營(yíng)里程達(dá)420km(不含磁懸浮)僅次于紐約,居世界大城市第2位.這一長(zhǎng)度比2008年增長(zhǎng)70%,超過了同期客運(yùn)量的增幅(約40～50%),從而使總體客運(yùn)強(qiáng)度得到了降低[1].初步完善的軌道交通網(wǎng)絡(luò)不僅有力保障了世博參觀客流的通暢,也為全市的日常交通與環(huán)境質(zhì)量做出了重要貢獻(xiàn),在后世博時(shí)期仍然發(fā)揮著長(zhǎng)遠(yuǎn)、持續(xù)的作用.

2010年我國(guó)交通運(yùn)輸領(lǐng)域的溫室氣體排放約占全社會(huì)的7.9%,如不采取特別措施,到2050年將上升到14.4%[2];上海市交通運(yùn)輸?shù)臏厥覛怏w排放比重在2007年已高達(dá)23.8%,且年均增長(zhǎng)率達(dá)15.1%[3].國(guó)內(nèi)外已有不少研究者指出發(fā)展軌道交通等公共出行方式、并減少私人汽車出行,有利于城市的節(jié)能減排及環(huán)境改善[4-7]. 一項(xiàng)研究指出紐約的交通能耗與碳足跡都低于舊金山與芝加哥,原因就是紐約的公交交通出行(尤其是軌道交通出行)比例高于后兩座城市[4].中國(guó)鐵道部科學(xué)研究院的一項(xiàng)研究指出城市軌道交通對(duì)節(jié)地、節(jié)能、緩解空氣污染、改善聲環(huán)境、減少水土流失、緩解熱污染等方面均有良好效益[6].貴陽(yáng)學(xué)院與貴陽(yáng)城市軌道交通有限公司等單位合作探索了城市軌道交通運(yùn)行階段地鐵車輛和車站碳排放的計(jì)算,運(yùn)用 VB程序建立了簡(jiǎn)單的計(jì)算模型[7].但是,在計(jì)算城市軌道交通發(fā)展所產(chǎn)生的碳減排效益方面,尚未見相關(guān)研究.在此背景下,本文重點(diǎn)研究了2007年以來上海軌道交通建設(shè)的提速帶來的溫室氣體減排效益.

1 方法

1.1 情景分析法

情景分析法是假定某種現(xiàn)象或某種趨勢(shì)將持續(xù)到未來的前提下,對(duì)預(yù)測(cè)對(duì)象可能出現(xiàn)的情況或引起的后果做出預(yù)測(cè)的方法.通過設(shè)定各種不同情景,還可以達(dá)到定性對(duì)比和定量計(jì)算情景差異的效果.該方法在軌道交通相關(guān)研究中的應(yīng)用還不常見.

本研究借用情景分析的思路,將已經(jīng)發(fā)生的實(shí)際情景與一個(gè)假定的基準(zhǔn)情景進(jìn)行了對(duì)比,計(jì)算了2007年1月初(軌道交通線路建設(shè)與客運(yùn)量均開始提速)～2010年10月底(世博會(huì)結(jié)束)期間,上海因軌道交通快速發(fā)展引起居民出行結(jié)構(gòu)變化所產(chǎn)生的相對(duì)碳減排效益.如圖1所示,2000～2006年,上海軌道交通網(wǎng)絡(luò)總里程年均增長(zhǎng)量15km,日客運(yùn)量年均增長(zhǎng) 28萬(wàn)人次;而2007～2010年總里程年均增長(zhǎng)65.5km,日客運(yùn)量年均增長(zhǎng)69萬(wàn)人次.為此,本研究將2007～2010年全市實(shí)際的交通設(shè)施建設(shè)與出行情景設(shè)為“實(shí)際情景”,即“軌道交通加速發(fā)展”情景;2007～2010年,假設(shè)軌道交通仍按2000～2006年常規(guī)速度建設(shè),而每年城市規(guī)模及全市總出行量與實(shí)際情景相同,這一情景設(shè)為“基準(zhǔn)情景”,即“軌道交通常速發(fā)展”情景.

基準(zhǔn)情景中設(shè)定以下3項(xiàng)假設(shè):

假設(shè) 1:2007～2010年總體市內(nèi)出行特性(出行目的、出行距離)、出行者特性(年齡、性別、收入、車輛擁有情況、以及環(huán)保傾向性等)均與實(shí)際情景一致,因此每年的全市總客運(yùn)量均與實(shí)際情景一致.

圖1 實(shí)際情景與基準(zhǔn)情景下的軌道交通運(yùn)營(yíng)線路長(zhǎng)度與日均客運(yùn)量[8]Fig.1 Total railway length and daily passenger volume for Shanghai rail transit in the real scenario and the Business-As-Usual scenario[8]

假設(shè) 2:軌道交通 2007年以來仍按 2000～2006年速度興建,軌交日均客運(yùn)量也僅按這幾年的平均年增長(zhǎng)率增長(zhǎng)(線性外推),因此基準(zhǔn)情景軌交日均客運(yùn)量低于實(shí)際情景(圖1).

假設(shè)3:為保證每年總客運(yùn)量等于實(shí)際情景,因此將基準(zhǔn)情景下軌交日均客運(yùn)量比實(shí)際情景減少的部分按相應(yīng)比例分?jǐn)偟狡渌煌ǚ绞?加上其他交通方式的實(shí)際出行量,構(gòu)成基準(zhǔn)情景的出行結(jié)構(gòu).

上述假設(shè)3相當(dāng)于實(shí)際情景中軌道交通提速興建的部分所吸引的其他交通方式客流,在基準(zhǔn)情景中由于沒有這部分提速興建,因此退回給各交通方式.其中慢速交通(步行與非機(jī)動(dòng)車)對(duì)軌道交通的替代性較低,按僅占待分?jǐn)偪瓦\(yùn)量的2%計(jì)(參考觀博出行中的慢速交通比例),其中假定步行與非機(jī)動(dòng)車各 1%(兩者相對(duì)比例不影響計(jì)算結(jié)果,因?yàn)槠涮寂欧啪J(rèn)為是零);其余98%的待分?jǐn)偭堪凑掌溆嘟煌ǚ绞?公交、出租、輪渡、個(gè)體機(jī)動(dòng))的當(dāng)年實(shí)際相對(duì)比例分?jǐn)?

2.2 減排效益計(jì)算

2.2.1 交通工具溫室氣體排放量計(jì)算方法 因交通工具所產(chǎn)生的CH4、N2O排放一般可忽略不計(jì),因此本文僅計(jì)算CO2排放.出行CO2排放量的基本計(jì)算思路遵循國(guó)際通用的溫室氣體議定書(GHG Protocol)[9],其中的移動(dòng)源排放量計(jì)算首選方法是按照出行距離、燃料消耗及排放因子來計(jì)算,公式如下:

2.2.2 碳排放因子的建立 根據(jù)上海市交通領(lǐng)域?qū)嶋H能源消費(fèi)量數(shù)據(jù)來推導(dǎo)排放因子,公式如下:

式(2)中的能耗換算因子是根據(jù)《2010上海市綜合交通年度報(bào)告》[8]中的每年各交通方式實(shí)際能源消費(fèi)量除以總客運(yùn)量得到(表1).其中,個(gè)體機(jī)動(dòng)車能源消費(fèi)量采用社會(huì)客車數(shù)據(jù),具體包括私人客車、單位客車和摩托車.公交車雖然使用能源品種不同(柴油、天然氣、電力等),但由于是直接采用總能源消費(fèi)量計(jì)算,因此不需考慮具體能源品種.

根據(jù)上海市每種交通方式的實(shí)際能源品種結(jié)構(gòu)(表2),以及各能源品種的CO2排放強(qiáng)度(kg CO2-e/kg標(biāo)準(zhǔn)煤)[10],加權(quán)得到上海各交通方式的CO2排放強(qiáng)度(kg CO2-e/kg標(biāo)準(zhǔn)煤,表3).

為建立通用的排放因子[kg CO2-e/(乘次?km)],需要用乘距,而最終計(jì)算排放量時(shí)又將乘距消去了,見式(2)、式(3),因此乘距的偏差并不影響最終的排放量.上海各類交通方式平均乘距見表4.

表1 能耗換算因子(t標(biāo)準(zhǔn)煤/萬(wàn)乘次)Table 1 Energy consumption calculation factor (tons coal-e/10000 boardings)

表2 上海各類交通方式的能源比例(%)Table2 Energy source structure for Shanghai’s different commuting modes(%)

表3 上海各類交通方式能源使用的CO2排放強(qiáng)度(kg CO2-e/kg標(biāo)準(zhǔn)煤)Table 3 CO2 emission intensity of energy use for Shanghai’s different commuting modes (kg CO2-e/kg coal-e)

根據(jù)上述數(shù)據(jù),按照式(2),計(jì)算得到2007～2009年上海各交通方式的CO2排放因子,見表5.如果按照 GHG Protocol[9]等推薦的通用碳排放因子會(huì)有一些不足,如無法反映車輛實(shí)際運(yùn)行狀況、擁堵因素等,但本研究中的排放因子是基于當(dāng)?shù)亟煌▽?shí)際能耗量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),反映了所有實(shí)際運(yùn)行狀況,有效避免了這一不足.

2.2.3 兩種情景下各出行方式的溫室氣體排放比較按照以下4步計(jì)算出2007～2010年基準(zhǔn)情景下的客運(yùn)結(jié)構(gòu),以日均客運(yùn)量計(jì).

表4 上海各類交通方式平均乘距(km)Table 4 Average distance for Shanghai’s different commuting modes (km)

表5 上海各類交通方式的CO2排放因子[kg CO2-e/(乘次?km)]Table 5 CO2 emission factor for Shanghai’s different commuting modes [kg CO2-e/(boarding?km)]

第1步:計(jì)算實(shí)際情景下每年公交、出租、輪渡、個(gè)體機(jī)動(dòng)4種交通方式日均客運(yùn)量的相對(duì)比例.

式中:V為實(shí)際情景全市總?cè)站瓦\(yùn)量,乘次/d; Vi為實(shí)際情景每種交通方式日均客運(yùn)量,乘次/d;i=1,2,…,7分別對(duì)應(yīng)軌道交通、公交、出租、輪渡、個(gè)體機(jī)動(dòng)、非機(jī)動(dòng)車、步行; Vb為公交、出租、輪渡、個(gè)體機(jī)動(dòng)4種交通方式日均客運(yùn)量之和,乘次/d; Pi為4種交通方式日均客運(yùn)量占Vb的相對(duì)比例.

第2步:計(jì)算基準(zhǔn)情景下每年軌道交通日均客運(yùn)量V1′(按照2000～2006年趨勢(shì)線性外推),并計(jì)算其比實(shí)際情景軌道交通日均客運(yùn)量V1減少的部分.

第3步:將每年這部分減少量(V1-V1′)分?jǐn)偟狡渌煌ǚ绞?步行1%,非機(jī)動(dòng)車1%,其余 98%按公交、出租、輪渡、個(gè)體機(jī)動(dòng)占 V’的相對(duì)比例分?jǐn)?

第4步:計(jì)算出基準(zhǔn)情景下每年各方式日均客運(yùn)量Vi′,其中軌道交通日均客運(yùn)量在第2步中已經(jīng)產(chǎn)生,其他每種方式客運(yùn)量為實(shí)際情景客運(yùn)量與第3步中的分?jǐn)偭恐?基準(zhǔn)情景下總?cè)站瓦\(yùn)量與實(shí)際情景相等.

式中:V′為基準(zhǔn)情景全市總?cè)站瓦\(yùn)量,乘次/d;Vi′為基準(zhǔn)情景每種交通方式日均客運(yùn)量,乘次/d;i=1,2,…,7分別對(duì)應(yīng)軌道交通、公交、出租、輪渡、個(gè)體機(jī)動(dòng)(汽車與摩托車)、非機(jī)動(dòng)車、步行.

最后將2種情景下每種出行方式2007年1月初至2010年10月底的客運(yùn)總量與CO2排放因子相乘,分別匯總2種情景下的溫室氣體排放總量,并進(jìn)行比較.

3 結(jié)果

3.1 軌道交通的快速發(fā)展使上海市內(nèi)出行碳排放增速放緩

近年來上海市內(nèi)出行的總?cè)站瓦\(yùn)量快速增長(zhǎng),到2010年突破5000萬(wàn)乘次大關(guān)(圖2).其中,非機(jī)動(dòng)車、步行占總客運(yùn)量比例都在不斷下降;個(gè)體機(jī)動(dòng)車比例總體略有上升;而公共交通比例自2007年以來持續(xù)上升,其中軌道交通比例更是持續(xù)大幅上升.2007年以來全市總客運(yùn)增長(zhǎng)量中有50%被軌道交通吸收,僅21%被個(gè)體機(jī)動(dòng)車吸收.軌道交通具有綠色、高容量、低排放等優(yōu)點(diǎn),很大程度上緩解了個(gè)體機(jī)動(dòng)車迅速增長(zhǎng)帶來的擁堵和污染等問題.此外,黃浦江輪渡逐年下降的客運(yùn)量實(shí)際上也被轉(zhuǎn)移到了軌道交通的數(shù)條越江線路.可見,軌道交通對(duì)保障上海的客運(yùn)出行、并緩解其他一些交通方式的新增負(fù)荷做出了重要貢獻(xiàn),上海軌道交通網(wǎng)絡(luò)的迅速完善對(duì)于優(yōu)化本市出行結(jié)構(gòu)發(fā)揮了重要作用.

圖2 上海各交通方式日均客運(yùn)量變化(實(shí)際情景)Fig.2 Annual change of daily passenger volume for Shanghai’s different commuting modes(real scenario)

圖3 2005～2010年上海市內(nèi)各種客運(yùn)交通方式的碳排放量Fig.3 CO2 emissions for Shanghai’s different commuting modes in 2005～2010

2005～2010年上海市內(nèi)各客運(yùn)交通方式的碳排放量計(jì)算結(jié)果見圖3.從絕對(duì)碳排放量來看,隨著城市發(fā)展與居民出行量的增加,總碳排放量的增長(zhǎng)不可避免.然而,隨著2007年以來軌道交通的快速發(fā)展,其消耗電力的間接碳排放略有增長(zhǎng),但同時(shí)占排放量比重最大的個(gè)體機(jī)動(dòng)方式(包括汽車與摩托車)的碳排放增長(zhǎng)速度從2008年開始明顯放緩,年均增長(zhǎng)率從2005～2008年的13.9%放緩為2008～2010年的3.3%.此外,相對(duì)排放比重最低的黃浦江輪渡排放量逐年下降,地面公交車與出租車排放量也僅緩慢增長(zhǎng),這些都與軌道交通的快速發(fā)展不無關(guān)系.因此,從圖4可見,市內(nèi)客運(yùn)交通碳排放總量的增長(zhǎng)速度從2008年開始也有了明顯放緩,年均增長(zhǎng)率從2005～2008年的10.9%放緩為2008～2010年的4.3%.

圖4 實(shí)際情景與基準(zhǔn)情景下2007年1月初至2010年10月底的總客運(yùn)量與客運(yùn)結(jié)構(gòu)對(duì)比Fig.4 Total passenger volume and structure from the beginning of 2007 to the end of October, 2010 in real and BAU scenario

3.2 軌道交通快速發(fā)展產(chǎn)生了明顯的相對(duì)碳減排效益

實(shí)際情景與基準(zhǔn)情景下上海市內(nèi)各種出行方式的日均客運(yùn)量結(jié)果見表6,如前所述,2種情景在2007年以后的客運(yùn)量開始出現(xiàn)差異,但每年的總客運(yùn)量彼此一致.本文中使用客運(yùn)量而非出行量,因?yàn)榭瓦\(yùn)量更反映方式出行,出行量則更反映目的出行.一次從A地到B地的目的出行可能包含不止一次方式出行,如軌道換乘公交,因此客運(yùn)量會(huì)大于出行量.

2種情景下2007年1月初至2010年10月底的總客運(yùn)量與客運(yùn)結(jié)構(gòu)對(duì)比見圖4.如前所述,在基準(zhǔn)情景下,由于假設(shè)軌道交通發(fā)展未提速,因此相對(duì)縮水的軌道交通客運(yùn)量部分相應(yīng)分?jǐn)偟搅似溆喔鹘煌ǚ绞?而客運(yùn)總量與實(shí)際情景一致.

表6 2005～2010年上海市內(nèi)各種出行方式日均客運(yùn)量(萬(wàn)乘次/d)Table 6 Daily passenger volume for Shanghai’s different commuting modes in 2005～2010 (×10000 boardings/d)

通過情景分析,2007年1月初至2010年10月底世博會(huì)結(jié)束這段時(shí)期內(nèi),由于上海軌道交通網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展,實(shí)際情景下的上海市內(nèi)出行碳排放總量比基準(zhǔn)情景相對(duì)減排了78.3萬(wàn)tCO2-e,約減少了2.0%(表7).

3.3 上海軌道交通快速發(fā)展的污染物減排量

相對(duì)于個(gè)體機(jī)動(dòng)車等交通工具來說,軌道交通運(yùn)行中幾乎沒有空氣污染物排放.按照與碳減排計(jì)算同樣的情景分析方法,參考黃成等[11]研究中的排放因子,結(jié)果表明: 2007年1月初至2010年10月底的46個(gè)月期間,上海軌道交通快速發(fā)展使上海的交通體系相對(duì)少排放了CO 105.4t、NOx15.2t、HC 17.1t,為保護(hù)上海的空氣質(zhì)量做出了重要貢獻(xiàn).

表7 軌道交通快速發(fā)展的相對(duì)碳減排效益分析(2007-01-01～2010-10-31)Table 7 GHG emission reduction due to rapid development of rail transit (Jan. 1, 2007-Oct. 31, 2010)

4 討論

4.1 碳減排效益評(píng)價(jià)的保守性

本文的減排量計(jì)算僅考慮了迎世博所導(dǎo)致的軌道交通建設(shè)提速,即根據(jù) 2007～2010年新建軌道交通中比往年常規(guī)建設(shè)相對(duì)提速的額外部分進(jìn)行計(jì)算.通常情況下,一座大型城市里凡新建軌道交通,即使沒有加速興建,也會(huì)吸引出租車、私家車等高碳出行的轉(zhuǎn)移,因此一般來說都會(huì)發(fā)揮一定減排效益(除非當(dāng)?shù)赜幸恍┨厥馇闆r——如部分中小型城市私家車出行量較少、地面公交較完善且完全能滿足出行需求、軌道交通建設(shè)規(guī)模遠(yuǎn)超過實(shí)際客流需求、或當(dāng)?shù)剀壍澜煌ńㄔO(shè)期成本過大或碳排放過高等).在今后的類似研究中可以計(jì)算所有新建軌道交通所發(fā)揮的碳減排效益.本文如采用該算法,則減排比例還會(huì)有大幅提高.

4.2 全生命周期分析

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于交通工具的碳排放計(jì)算多應(yīng)用全生命周期分析(LCA)原則[4],理論上應(yīng)包括燃料、交通工具乃至交通設(shè)施的全生命周期分析,但目前IPCC指南、GHG Protocol[9]等仍主要集中于燃料的全生命周期,僅美國(guó)能源部 Argonne實(shí)驗(yàn)室的GREET模型中考慮了燃料和車輛兩方面.對(duì)于軌道交通而言,其直接能源——電力在運(yùn)行過程中基本可以視為零排放,而本文將電力的全生命周期排放納入考慮范圍,與其他交通工具的燃料使用進(jìn)行對(duì)比.隨著今后上海的電力結(jié)構(gòu)逐漸清潔化,軌道交通的排放因子還將繼續(xù)降低.本文未考慮列車及軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施在生產(chǎn)制造過程中產(chǎn)生的碳排放,因?yàn)槠渌煌üぞ吲c相關(guān)道路等設(shè)施的生產(chǎn)制造碳排放也未考慮.相關(guān)領(lǐng)域可作為今后研究的一個(gè)方向.不過,即使考慮交通工具與設(shè)施的全生命周期,由于軌道交通相關(guān)設(shè)施的壽命期相對(duì)較長(zhǎng)(倫敦、紐約的軌道交通運(yùn)營(yíng)均已超過100a),同時(shí)考慮其巨大的客流容量,其年均減排量有可能仍然相當(dāng)可觀.

4.3 軌道交通發(fā)展的誘增客流量

軌道交通的誘增客流量是指由于軌道交通項(xiàng)目的興建,使原有的交通體系得到改善,誘發(fā)了部分居民的出行欲望,導(dǎo)致具體出行行為的調(diào)整和新出行量的產(chǎn)生.軌道交通的網(wǎng)絡(luò)化使出行、換乘更為便捷,常會(huì)使多條線路的客流同時(shí)出現(xiàn)增長(zhǎng),甚至對(duì)沿線的土地開發(fā)和人口密度產(chǎn)生一連串復(fù)雜的影響,還可能誘增部分外地游客前來旅游[12-14].由于誘增客流量的預(yù)測(cè)和判定有很多難點(diǎn),包括城市發(fā)展帶來的不確定因素、常規(guī)公交系統(tǒng)的變化、票價(jià)因素、以及政府交通政策的影響等[5,12],因此本研究在進(jìn)行基準(zhǔn)情景客流分?jǐn)倳r(shí),暫未考慮軌道交通發(fā)展的誘增客流影響.

5 結(jié)語(yǔ)

2007年以來,隨著上海軌道交通網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展,全市總客運(yùn)增長(zhǎng)量有50%被軌道交通吸收,很大程度上緩解了個(gè)體機(jī)動(dòng)車迅速增長(zhǎng)帶來的擁堵和污染等問題;同時(shí)也使得上海在市內(nèi)客運(yùn)量迅速攀升的同時(shí),碳排放總量的增長(zhǎng)速度卻有了明顯放緩.通過實(shí)際情景與基準(zhǔn)情景的對(duì)照得出:2007年1月初至2010年10月底世博會(huì)結(jié)束這段時(shí)期內(nèi),上海軌道交通網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展使上海市內(nèi)出行碳排放總量相對(duì)減排了78.9萬(wàn)tCO2-e.

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致謝：本文在數(shù)據(jù)收集、方法探討等方面得到了上海市城市綜合交通規(guī)劃研究所張玨、程杰、以及印度專家Vivek Gilani等人的幫助和支持,在此表示誠(chéng)摯感謝.