潘鵬飛，王 平，李 偉，宋冠良，徐廣印

(1.河南農(nóng)業(yè)大學機電工程學院，河南 鄭州 450002; 2.南陽市地方海事局，河南 南陽 473004)

隨著中國城市化進程、人口增加和社會經(jīng)濟的高速發(fā)展，交通運輸?shù)男枨罅亢头樟坎粩嗌仙?，從而加大了交通能源需求量和對環(huán)境的負面影響.在運輸能耗不斷增加、能源相對短缺、環(huán)境問題日益嚴重的形勢下，有必要建立一個“交通-能源-環(huán)境”模型，科學分析未來交通能耗需求、探究節(jié)能減排途徑、制定合理發(fā)展策略.長期能源替代規(guī)劃系統(tǒng)(Longrange Energy Alternatives Planning system，LEAP)是由瑞典斯德哥爾摩環(huán)境研究所及美國波士頓Telles研究所共同研究開發(fā)的能源—環(huán)境情景分析模型，該模型具備結(jié)構性強、數(shù)據(jù)靈活且輸入透明易操作、附有環(huán)境數(shù)據(jù)庫等特點,可通過數(shù)學模型來預測各部門的能源需求、消費及環(huán)境影響,實現(xiàn)了對能源消費系統(tǒng)的仿真，通常稱為“終端能源消費模型”.斯德哥爾摩環(huán)境科學研究機構曾利用LEAP模型對發(fā)展中國家多個部門的減排潛力進行分析.目前，LEAP模型在能源需求及大氣污染物預測[1～5]、工業(yè)發(fā)展規(guī)劃[6]、居民生活[7]、建筑[8]等領域已經(jīng)得到了廣泛的應用.交通方面，張清宇等[9]應用改進的LEAP模型研究了機動車排放控制標準對污染物排放因子的影響；周健等[10]基于LEAP模型構建Xiamen-2008Tra交通模型，評估各種節(jié)能減排措施的效果；王曉華[11]基于LEAP模型的北京市物流發(fā)展對節(jié)能減排影響進行研究.本研究應用LEAP模型建立了河南省交通運輸能源與環(huán)境模型，以2010年為基準期，研究不同情景下2010—2030年的河南省交通運輸能源消耗量和環(huán)境排放，探究科學合理的節(jié)能減排途徑與對策，以期為河南省的交通運輸節(jié)能減排提供決策依據(jù).

1 河南省交通運輸能源與環(huán)境模型

1.1部門劃分

根據(jù)國家統(tǒng)計體系，本研究從終端用能的角度來分析，將河南省交通運輸分為客運、貨運、城市客運3個部門，分別研究了鐵路、公路、水路、航空、公共交通等子部門的能源消耗和環(huán)境排放情況.具體部門劃分見表1.

1.2驅(qū)動因素

按照社會可持續(xù)發(fā)展的目標，影響交通能源需求的驅(qū)動因素包括人口、GDP、人均GDP、第一產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值、第二產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值、第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值、工業(yè)產(chǎn)值、居民消費水平和城鎮(zhèn)化率10個因素[7].本研究所引用的數(shù)據(jù)來自1990—2010年的《河南統(tǒng)計年鑒》，由于中國國家統(tǒng)計制度中的能源消耗統(tǒng)計數(shù)據(jù)將交通運輸業(yè)與倉儲、郵政進行合并統(tǒng)計，考慮到后兩者所占比重較小，因此將此項整合數(shù)據(jù)作為交通運輸業(yè)中的能源消耗水平.

1.3參數(shù)設置

本研究應用LEAP模型的終端能源需求模塊，根據(jù)各部門的活動水平和各種活動所對應的能源強度、能源消費品種和環(huán)境排放因子，進行能源需求量和環(huán)境排放量計算.

表1 LEAP模型中的部門結(jié)構

1.3.1 活動水平 對交通運輸部門而言，活動水平指交通周轉(zhuǎn)量，包括客運周轉(zhuǎn)量和貨運周轉(zhuǎn)量.

1.3.2 能源強度 指終端利用層次中各種技術承擔單位服務量所需要的能源.

EIi=FCi·ρi·ECi

式中：EIi為第i種終端設備的能源強度；FCi為第i種終端設備的單位油耗；ρi為第i種終端設備使用燃料的密度；ECi為第i種終端設備使用燃料的含能量.

1.3.3 排放因子 本研究所有的環(huán)境排放因子均取自LEAP模型TED中的IPCC默認排放因子，主要研究NOx，SO2，CO23種氣體的排放(表2).在終端利用層次中，使用電能的能源技術可以實現(xiàn)無污染氣體排放的“零排放”，故不計算其環(huán)境排放.

表2 TED中的環(huán)境排放因子

2 交通周轉(zhuǎn)量預測

不同因素對各部門的交通周轉(zhuǎn)量影響程度各不相同，為保證預測數(shù)據(jù)的科學性與合理性，本研究基于河南省1990—2010年交通運輸周轉(zhuǎn)量和驅(qū)動因素的歷史數(shù)據(jù)，應用SPSS軟件建立了交通周轉(zhuǎn)量和驅(qū)動因素的回歸關系，并對河南省2011—2030年的交通周轉(zhuǎn)量進行了預測.

城市客運部門的交通周轉(zhuǎn)量的具體計算公式如下：

公共交通=城市居民人口數(shù)*日出行次數(shù)*日出行距離*年平均出行天數(shù).

個體交通=車輛保有量*年平均行駛距離*車輛平均載客量.

為便于研究，本研究選取了2010年、2015年、2020年、2025年和2030年為時間節(jié)點.

交通周轉(zhuǎn)量的預測結(jié)果如表3所示.

表3 交通周轉(zhuǎn)量預測結(jié)果

3 情景設定

考慮到交通行業(yè)的能源需求和節(jié)能潛力會受到多種因素的影響，本研究采用情景分析法，設置了基準情景(A)、發(fā)展情景(B)、政策性節(jié)能情景(C)、結(jié)構性節(jié)能情景(D)、技術性節(jié)能情景(E)、綜合節(jié)能情景(F)6種不同情景，以基準情景為參照，分別從社會經(jīng)濟發(fā)展、政策引導、交通結(jié)構優(yōu)化和技術創(chuàng)新4個層面上，研究不同節(jié)能措施對河南省交通運輸能源消耗的影響.LEAP模型的情景結(jié)構如圖1所示.

3.1基準情景

依據(jù)歷史發(fā)展趨勢，假設在情景時間內(nèi)河南省交通部門沒有采取任何措施來減少能源消耗量和各種污染物排放量，交通運輸結(jié)構及能源消費模式?jīng)]有發(fā)生轉(zhuǎn)變.

圖1 LEAP模型的情景結(jié)構

3.2發(fā)展情景

考慮社會發(fā)展對交通部門的影響，假設 “十二五”河南省發(fā)展規(guī)劃能夠順利實施，到2015年河南省現(xiàn)代綜合交通運輸綜合體系能夠建成.并在此基礎上，對2015—2030年的驅(qū)動因素預測模型、活動水平預測模型進行相應的調(diào)整.

表4 調(diào)整后的交通周轉(zhuǎn)量預測結(jié)果

3.3政策性節(jié)能情景

從政策引導的角度，假設國家及河南省政府部門制定的各項節(jié)能減排政策能夠順利執(zhí)行.具體數(shù)據(jù)來自中國交通運輸部頒布的《公路水路交通節(jié)能中長期規(guī)劃綱要》、河南省人民政府頒布的《加快推進河南省低碳交通運輸體系建設指導意見》、中國交通運輸部頒布的《資源節(jié)約型、環(huán)境友好型公路水路交通發(fā)展政策》.

3.4結(jié)構性節(jié)能情景

基于政策性節(jié)能情景，假設交通部門從以下4個方面調(diào)整運輸結(jié)構，以降低能源消耗量.1)公路方面，逐步提升柴油車的運輸比例.2)鐵路方面，逐步提升電力機車的運輸比例.3)城市客運方面，大力發(fā)展公共交通，限制小汽車和摩托車的使用.4)推進CNG車、混合動力車和純電動車等可替代能源車在交通運輸工具中的應用.

3.5技術性節(jié)能情景

基于政策性節(jié)能情景，假設隨著社會的發(fā)展和技術的創(chuàng)新，到2030年中國交通運輸部門的能源利用率達到國外先進水平，公路部門和水路部門的油耗相比2010年分別下降30%和20%，航空部門的年平均能耗下降率達到3%，個體交通工具的年平均能耗下降率達到1%.考慮到鐵路部門、公共交通的服務需求量不斷增加，為滿足人們對車輛快速、舒適的要求，假設其油耗基本維持不變.

3.6綜合節(jié)能情景

相對而言比較理想的情景，綜合政策性節(jié)能情景、結(jié)構性節(jié)能情景和技術性節(jié)能情景，研究其共同作用下的節(jié)能潛力.

4 預測結(jié)果與分析

4.1能源需求量

根據(jù)LEAP模型的計算結(jié)果，2010年的交通運輸能源消費量達到38.72 Mtce，約占整體社會能源消費量的16.37%.到2030年，基準情景下的能源需求量將達到1 394.2 Mtce，發(fā)展情景下的能源需求量將達到1 078.67 Mtce，比基準情景下降22.6%；政策性節(jié)能情景的能源需求量達到906.93 Mtce ，比基準情景下降34.95%；結(jié)構性節(jié)能情景的能源需求量達到876.73 Mtce，比基準情景下降37.11%；技術性節(jié)能情景的能源需求量達到755.05 Mtce，比基準情景下降45.84%；綜合節(jié)能情景的能源需求量達到729.98 Mtce，比基準情景下降47.64%.4個節(jié)能情景中，綜合節(jié)能情景下的節(jié)能潛力最大，其次是技術性節(jié)能情景、結(jié)構性節(jié)能情景和政策性節(jié)能情景.各情景的能源需求總量如表5所示.

表5 能源需求總量

4.2分部門能源需求

客運部門、貨運部門和城市客運部門在不同情景下的能源需求量見圖2～圖4.

從圖2可以看出，2010年客運部門的能耗是3.02 Mtce，占整體交通能耗的7.79%.2030年客運部門能耗將達到11.56～19.55 Mtce，比2010年增長了3.82～5.71倍.各情景中，基準情景的能耗最高，綜合節(jié)能情景下的能耗最低，與基準情景相比，節(jié)能潛力達到7.99 Mtce，其次是技術性節(jié)能情景，節(jié)能潛力達到7.79 Mtce.

從圖3可以看出，2010年貨運部門的能耗是29.58 Mtce，占整體交通能耗的76.39%.2030年貨運部門能耗將達到672.62～1 322.89 Mtce，比2010年增長了22.74～33.4倍.各情景中，基準情景的能耗最高，綜合節(jié)能情景下的能耗最低，與基準情景相比，節(jié)能潛力達到650.27 Mtce，其次是技術性節(jié)能情景，節(jié)能潛力達到640.26 Mtce.

從圖4可以看出，2010年城市客運部門的能耗是6.12 Mtce，占整體交通能耗的15.8%.2030年城市客運部門能耗將達到45.81～73.49 Mtce，比2010年增長了7.49～12.01倍.基準情景下，2030年的城市客運能耗將達到51.76 Mtce，相比基準情景，發(fā)展情景和政策性節(jié)能情景的能耗增加了21.73 Mtce，結(jié)構性節(jié)能情景的能耗增加了3.76 Mtce，技術性節(jié)能情景的能耗增加了8.9Mtce，綜合節(jié)能情景的能耗下降了5.95 Mtce.可見，運輸結(jié)構調(diào)整及可替代能源車的推廣，有力促進了城市客運的節(jié)能降耗.

3個部門中，由于貨運部門承擔著80%以上的交通周轉(zhuǎn)量，且終端設備的能源強度相對較高，以致貨運部門的能耗增長量最大，增長速度也最快.

圖2 客運部門能源需求量

圖3 貨運部門能源需求量

圖4 城市客運部門能源需求量

4.3分品種能源需求

LEAP模型的計算結(jié)果表明，在河南省交通運輸行業(yè)，2010年柴油消費24.16 Mtce,占總體能耗的62.41%；汽油消費9.56 Mtce，占總體能耗的24.7%；煤油消費2.48 Mtce，占總體能耗的6.41%；CNG消費2.2 Mtce，占總體能耗的5.68%；電力消費0.3 Mtce，占總體能耗的0.77%；LPG消費0.01 Mtce，占總體能耗的0.03%.到2030年，公路貨運車輛的能耗將達到總能耗的75%～90%，導致柴油在河南省交通運輸?shù)哪茉唇Y(jié)構中將保持主導地位，且能源比例不斷上升，其次是汽油,煤油，電力，CNG，LPG.

綜合節(jié)能情景下，到2030年，柴油需求量將達到652.07 Mtce，年平均增長率129.94%，汽油需求量將達到66.98 Mtce，年平均增長率30%，煤油需求量將達到6.48 Mtce，年平均增長率8.06%.電力需求量將達到2093.72ktce,年平均增長率29.49%，CNG需求量將達到2.35 Mtce，年平均增長率3.4%.由于LPG車輛的燃油效率低下且環(huán)境排放嚴重，將逐步被CNG車輛、混合動力車輛和純電動車量替代.

4.4環(huán)境排放量

環(huán)境排放量的預測結(jié)果見圖5～圖7.從圖5～圖7可以看出，到2030年，在不采取任何措施的基準情景下，CO2排放量將由2010年的79.87 Mt增長到2 940.76 Mt, NOX排放量將由2010年的0.81 Mt增長到30.83 Mt，SO2排放量將由2010年的150.71 kt增長到6 003.64 kt，這勢必會對河南省的環(huán)境和空氣質(zhì)量帶來巨大壓力.與基準情景相比，發(fā)展情景下的CO2排放量減少了670.29 Mt, NOX排放量減少了7.14 Mt，SO2排放量減少了1 485.11 kt.政策性節(jié)能情景下的CO2排放量減少了1 150.53 Mt, NOX排放量減少了10.56 Mt，SO2排放量減少了1 931.93 kt.結(jié)構性節(jié)能情景下的CO2排放量減少了1 202.68 Mt, NOX排放量減少了10.78 Mt，SO2排放量減少了1 677.44 kt.技術性節(jié)能情景下的CO2排放量減少了1 451.18 Mt, NOX排放量減少了13.96 Mt，SO2排放量減少了2 610.84 kt.綜合節(jié)能情景下的CO2排放量減少了1 494.48 Mt, NOX排放量減少了14.14 Mt，SO2排放量減少了2 399.3 kt.就整體效果而言，綜合節(jié)能情景的減排效果最佳，其次是技術性節(jié)能情景、結(jié)構性節(jié)能情景.

圖5 CO2排放量

圖6 NOX排放量

圖7 SO2排放量

5 結(jié)論

1) 河南省2010—2030年的交通周轉(zhuǎn)量和能源需求量將呈顯著增長趨勢，并伴隨著大量的環(huán)境氣體排放.

2)受到社會經(jīng)濟發(fā)展、產(chǎn)業(yè)結(jié)構、技術進步、能源結(jié)構、節(jié)能政策與實施等諸多因素影響，河南省2030年的交通運輸能源需求將在1 394.2～729.98 Mtce之間的范圍內(nèi)波動，最大差異量達到664.22 Mtce.

3)綜合節(jié)能情景的能源需求量和環(huán)境排放量最低，是最理想的節(jié)能減排情景.河南省2030年的交通運輸能源需求量、CO2排放量、NOX排放量和SO2排放量分別達到729.98 Mtce，1 446.28 Mt，16.69 Mt和3 604.34 kt，相應的比基準情景下降47.64%，50.82%，45.86%和39.96%，但該情景對社會經(jīng)濟發(fā)展、政府政策執(zhí)行、交通結(jié)構優(yōu)化和技術創(chuàng)新4個層面上都提出了相應的要求.

4)公路貨運是河南省交通運輸能源需求增長的主要貢獻部門，能源需求量占總能源需求的75%～90%，其次是城市客運部門小汽車，能源需求比例達到5.53%～11%，導致行業(yè)在能源品種方面對柴油和汽油的依賴程度太高.從節(jié)能減排政策的實施力度出發(fā)，建議政府部門要重點對公路貨運部門的組織管理進行優(yōu)化，提高公路貨運車輛的能源利用率和柴油在車用燃油消耗中的比重，加速淘汰高耗能的運輸車輛.

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