唐 藝，尹 航，黃志輝，于 雷,3,4，宋國(guó)華

（1.北京交通大學(xué)城市交通復(fù)雜系統(tǒng)理論與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100044；2.生態(tài)環(huán)境部機(jī)動(dòng)車排污監(jiān)控中心，北京100012；3.德克薩斯南方大學(xué) 理工技術(shù)學(xué)院，美國(guó)休斯頓77004；4.許昌學(xué)院，河南許昌461000）

0 引言

自2016年修訂環(huán)境影響評(píng)價(jià)法后，我國(guó)對(duì)于環(huán)境影響評(píng)價(jià)愈發(fā)重視。除了法規(guī)約束，《“十三五”現(xiàn)代綜合交通運(yùn)輸體系發(fā)展規(guī)劃》[1]中對(duì)規(guī)劃階段的排放評(píng)價(jià)提出了更高的要求。為實(shí)現(xiàn)在交通規(guī)劃階段進(jìn)行交通排放的定量評(píng)估，需要選擇適當(dāng)?shù)慕煌ㄅ欧拍Ｐ筒⑵渑c交通規(guī)劃模型進(jìn)行對(duì)接。

國(guó)外對(duì)規(guī)劃階段的交通排放評(píng)價(jià)已有較為成熟的探索。如美國(guó)的《交通一致性》（Transportation Conformity）[2]和英國(guó)的《氣候變化法案》（Climate Change Act 2008）[3]。我國(guó)在京津冀等地區(qū)的交通規(guī)劃[4]中也進(jìn)行過(guò)較系統(tǒng)的運(yùn)用。作為大氣環(huán)境影響分析的一部分，交通排放的量化計(jì)算需要使用排放模型。常用方法根據(jù)道路行駛里程（Vehicle Miles Traveled,VMT）的計(jì)算方法不同可以分為基于保有量的測(cè)算模型和基于交通量的測(cè)算模型[5]?；诒Ｓ辛康呐欧艤y(cè)算方法在國(guó)內(nèi)應(yīng)用廣泛[6-10]，但此類測(cè)算方法對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、交通排放政策的變化（如運(yùn)輸結(jié)構(gòu)調(diào)整，限號(hào)通行等）影響不敏感，也難以刻畫(huà)交通排放的時(shí)空分布特征。基于交通量的排放測(cè)算方法[11-20]自20世紀(jì)90年代后期開(kāi)始受到重視，該方法更能反映交通行為，測(cè)算區(qū)域和時(shí)間粒度也逐漸細(xì)化。然而，由于車輛類型、排放標(biāo)準(zhǔn)、后處理技術(shù)等的不同，本地化修正是應(yīng)用國(guó)外模型的重要問(wèn)題。另外，由于交通規(guī)劃模型和排放模型開(kāi)發(fā)者源于不同領(lǐng)域，導(dǎo)致二者在銜接應(yīng)用時(shí)出現(xiàn)諸多不兼容的問(wèn)題。諸多學(xué)者[21-26]對(duì)兩者的對(duì)接問(wèn)題進(jìn)行了較為全面的研究和梳理，但目前的研究多集中于對(duì)交通仿真模型與微觀排放模型的分析，較少有研究涉及交通規(guī)劃模型與排放模型對(duì)接并應(yīng)用模型對(duì)接計(jì)算成果對(duì)政策進(jìn)行評(píng)價(jià)。應(yīng)用交通排放模型進(jìn)行規(guī)劃方案量化計(jì)算時(shí)需滿足如下三點(diǎn)要求：（1）對(duì)不同交通規(guī)劃方案的輸出參數(shù)敏感，從而能反映不同方案的排放差異；（2）體現(xiàn)交通排放的時(shí)間/空間分布，從而有助于結(jié)合環(huán)境約束制定交通減排對(duì)策；（3）能夠與交通規(guī)劃模型進(jìn)行合理有效的對(duì)接，在模型結(jié)構(gòu)、參數(shù)定義等方面具有兼容和一致性，從而保證排放測(cè)算和評(píng)估的科學(xué)性。

在上述背景與問(wèn)題下，本文設(shè)計(jì)了中國(guó)機(jī)動(dòng)車排放模型（China Vehicle Emission Model,CVEM）[27]在交通規(guī)劃階段的應(yīng)用方法。作為基于國(guó)內(nèi)參數(shù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)開(kāi)發(fā)的機(jī)動(dòng)車排放模型，經(jīng)過(guò)模型應(yīng)用方法設(shè)計(jì)，有可能滿足上述要求。本文將從CVEM排放模型的結(jié)構(gòu)和計(jì)算方法，CVEM排放模型應(yīng)用于綜合交通規(guī)劃中的對(duì)接方法，成渝城市群綜合交通規(guī)劃方案的環(huán)境影響評(píng)價(jià)應(yīng)用案例3個(gè)方面進(jìn)行論述。

1 CVEM排放模型

CVEM排放模型由我國(guó)環(huán)保部機(jī)動(dòng)車排污監(jiān)控中心建立，是我國(guó)移動(dòng)源排放清單模型，能夠測(cè)算車輛的CO,HC,NOX,PM排放[30]。該模型綜合多種國(guó)外交通排放模型，利用本地化的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分車輛類型和污染物排放過(guò)程計(jì)算車輛或地區(qū)的污染物排放[31]。

1.1 模型結(jié)構(gòu)

CVEM模型的排放測(cè)算分為尾氣排放和蒸發(fā)排放兩部分。其中，尾氣排放又包括冷啟動(dòng)過(guò)程和熱運(yùn)行過(guò)程兩部分。受車型與排放過(guò)程的影響，CVEM排放模型針對(duì)不同車型參考了不同的國(guó)外排放模型方法。

污染物尾氣排放總量的計(jì)算方法如下：

式（1）～（2）中：EMAi,j為由車型i排放的污染物j的總量（g）；VMTi為車型為i的車輛行駛里程（km）；EFi,j為車型為i,污染物為j的排放因子（g/km），該排放因子為經(jīng)過(guò)速度、溫度、海拔等修正因子修正后的排放因子；VAi為車型為i的機(jī)動(dòng)車保有量（輛）；AMi為車型為i的機(jī)動(dòng)車年均行駛里程（km）。

從以上VMT計(jì)算方法可知，CVEM是基于保有量的排放模型，其難以體現(xiàn)交通政策變化產(chǎn)生的排放差異，亦難以刻畫(huà)排放的時(shí)空分布特征。因此，需將其與交通規(guī)劃模型對(duì)接，利用交通規(guī)劃模型的輸出交通量和路段長(zhǎng)度計(jì)算VMT，以克服上述問(wèn)題。

此時(shí)，污染物排放的計(jì)算方法可表示為：

式（3）中：EMi為第i種污染物的排放量（g）；qlink,vt,es為某路段內(nèi)特定車型和特定排放標(biāo)準(zhǔn)的車輛數(shù)（輛）；llink為link的路段長(zhǎng)度（km）；f( )EFi,vt,es為i類型的污染物在特定車型和排放標(biāo)準(zhǔn)下的排放因子修正函數(shù)；i為污染物種類；vt為車輛類型，詳見(jiàn)表2；es為排放標(biāo)準(zhǔn)，包括國(guó)0～國(guó)V。

1.2 排放因子及其修正

CVEM排放模型的排放因子和修正因子主要考慮環(huán)境、車輛活動(dòng)和車輛技術(shù)屬性3類要素，具體影響因素如表1所示。

表1 在CVEM中影響機(jī)動(dòng)車尾氣排放的主要因素

考慮上述影響因素后，根據(jù)車型不同，車輛的排放因子分為：（1）輕型車輛與摩托車（Light Diesel Vehicle&Motorcycle,LDV&MC）的熱啟動(dòng)排放因子；（2）重型柴油車與低速車輛（Heavy Diesel Vehicle&Low-Speed,HDV&Low-Speed）排放因子。計(jì)算及修正過(guò)程分別如式（4）和（5）所示。

輕型車輛與摩托車的排放因子EFLDV&MC計(jì)算公式如下：

EFLDV&MC=BEF×SCF×TCF×LCF×FCF×ACF （4）式（4）中：BEF為基本排放因子；SCF為速度修正因子；TCF為溫度修正因子；LCF為載重修正因子；FCF為燃料修正因子；ACF為海拔修正因子。

重型車輛與低速車輛的排放因子EFHDV&Low-Speed計(jì)算公式如下：

式（5）中：ERk為VSP區(qū)間為k的車輛排放率；Fk為車輛在VSP為k區(qū)間的時(shí)間；TCF為溫度修正因子；LCF為載重修正因子；FCF為燃料修正因子；ACF為海拔修正因子；v為車輛行駛速度（km/h）。

其中，行駛周期數(shù)據(jù)源于我國(guó)17個(gè)城市的調(diào)查；道路分擔(dān)率源于我國(guó)6個(gè)城市的駕駛員問(wèn)卷調(diào)查；車輛信息數(shù)據(jù)從我國(guó)345個(gè)城市的車輛維修中心收集；機(jī)動(dòng)車保有量源于我國(guó)公安部門(mén)的車輛注冊(cè)數(shù)據(jù)。CVEM排放模型的車型劃分按照我國(guó)公安部的車型劃分標(biāo)準(zhǔn)，按車輛類型、車輛規(guī)格、燃料類型以及排放標(biāo)準(zhǔn)分為34類，如表2所示。

表2 CVEM模型車型劃分表

2 交通規(guī)劃模型與CVEM排放模型對(duì)接

普遍應(yīng)用于交通規(guī)劃的交通需求預(yù)測(cè)模型（如TransCAD中的內(nèi)置模型），其輸出結(jié)果無(wú)法直接應(yīng)用于CVEM排放模型進(jìn)行規(guī)劃方案的排放評(píng)估，需要經(jīng)過(guò)VMT及其車型分布、排放標(biāo)準(zhǔn)分布測(cè)算的對(duì)接流程，如圖1所示。

圖1 交通規(guī)劃模型與交通排放模型對(duì)接流程

2.1 交通量獲取

交通量獲取是指在應(yīng)用預(yù)測(cè)周轉(zhuǎn)量計(jì)算排放時(shí)，將周轉(zhuǎn)量分布在各類型車輛上的過(guò)程。該方法適用于計(jì)算規(guī)劃排放總量。受限于周轉(zhuǎn)量無(wú)法體現(xiàn)運(yùn)輸?shù)目臻g分布，若希望表現(xiàn)規(guī)劃方案的空間分布，需要利用交通需求模型對(duì)周轉(zhuǎn)量進(jìn)行交通流分配獲得預(yù)測(cè)交通量。

交通量可以通過(guò)式（6）進(jìn)行計(jì)算：

式（6）中：qvt為運(yùn)載工具為vt的輛數(shù)（輛）；ZZLvt為運(yùn)載工具為vt的周轉(zhuǎn)量（t·km,人·km）；ULvt為運(yùn)載工具的單位載重（t/輛,人/輛）；ATMvt為運(yùn)載工具的平均行駛里程（km）；vt為運(yùn)載工具類型。

交通量獲取過(guò)程可以通過(guò)歷史數(shù)據(jù)中各車型的工作量占比來(lái)計(jì)算各車型對(duì)周轉(zhuǎn)量的貢獻(xiàn)率，以歷史貢獻(xiàn)程度對(duì)規(guī)劃周轉(zhuǎn)量進(jìn)行換算，計(jì)算公式如式（7）、式（8）所示：

式（7）～（8）中：ZZLi為運(yùn)輸方式為i的周轉(zhuǎn)量（t·km,人·km）；i為客運(yùn)或貨運(yùn)； PGZLvt為車輛類型為vt的工作量占比（%）；為歷史數(shù)據(jù)中車輛類型為vt的車輛行駛里程（km）；為歷史數(shù)據(jù)中車輛類型為vt的車輛平均載重（t/輛,人/輛）；為歷史數(shù)據(jù)中客貨運(yùn)周轉(zhuǎn)量。

2.2 車型比例分布

車型比例分布是指將預(yù)測(cè)的當(dāng)量交通量PVlink（單位為pcu）換算為預(yù)測(cè)交通量（單位為輛）的過(guò)程。其方法是利用預(yù)測(cè)客貨運(yùn)量和歷史車型比例以及當(dāng)量交通量折算系數(shù)進(jìn)行換算。計(jì)算方法如式（9）、式（10）所示：

式（9）～（10）中：qlink為路段預(yù)測(cè)交通量（輛）；PVlink為路段預(yù)測(cè)當(dāng)量交通量（pcu）；pcuf為綜合標(biāo)準(zhǔn)車折算系數(shù)；pcufvt為車型為vt的車輛的標(biāo)準(zhǔn)車折算系數(shù)；αvt為車型為vt的車輛數(shù)占統(tǒng)計(jì)車型車輛總數(shù)的百分比；vt為車輛類型。

2.3 排放標(biāo)準(zhǔn)比例分布

排放標(biāo)準(zhǔn)比例分布是指對(duì)分車型的預(yù)測(cè)交通量進(jìn)行排放標(biāo)準(zhǔn)劃分的過(guò)程。排放標(biāo)準(zhǔn)比例分布由車齡分布決定，與車輛類型、排放標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)政策、車輛淘汰速率相關(guān)。因此，可利用歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)明確現(xiàn)狀車輛壽命、排放標(biāo)準(zhǔn)分布情況；利用車輛存活概率曲線估計(jì)規(guī)劃年的車齡分布，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的排放標(biāo)準(zhǔn)年限估算相應(yīng)車齡的車輛排放標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)楊方等[32]、劉森等[33]對(duì)基于存活概率的車齡分布研究，在假定車輛的存活概率保持不變的情況下，存活概率隨車齡的變化符合兩參數(shù)威布爾分布，計(jì)算方法如式（11）所示：

式（11）中：bj為失效陡度，當(dāng)bj>1時(shí)，可以認(rèn)為是用于反映老化淘汰狀態(tài)；Tj為預(yù)期壽命（年）。

為求解式中的bj與Tj，需要?dú)v年車輛報(bào)廢數(shù)據(jù)或新車注冊(cè)數(shù)據(jù)。根據(jù)歷史數(shù)據(jù)確定存活概率φj,i后，再利用式（12）和式（13）計(jì)算車輛存活率sj,i和k+1年各車齡車輛數(shù)(k+1)。計(jì)算各車齡的車輛數(shù)占當(dāng)年機(jī)動(dòng)車保有量的比例之后，各排放標(biāo)準(zhǔn)的車輛比例即為相應(yīng)車齡的比例之和。

2.4 排放因子修正

排放因子修正是指對(duì)CVEM排放模型的基本排放因子進(jìn)行修正的過(guò)程。CVEM基本排放因子是基于行駛周期，利用臺(tái)架排放測(cè)試收集而得的。而車輛在實(shí)際行駛過(guò)程中受到環(huán)境、交通狀態(tài)等多方面的影響，需要對(duì)基本排放因子進(jìn)行修正。一般包括速度、溫度、海拔修正等。CVEM模型的修正因子源于測(cè)試、文獻(xiàn)研究和國(guó)際經(jīng)驗(yàn)。圖2所示為NOX排放因子在不同排放標(biāo)準(zhǔn)下，不同速度的排放因子曲線。可以看出，NOX排放因子隨速度的增加而降低。

3 模型應(yīng)用

圖2 NOX排放因子隨車輛速度變化曲線

本文利用CVEM排放模型為成渝城市群綜合交通運(yùn)輸規(guī)劃[34]中的不同規(guī)劃方案進(jìn)行環(huán)境影響評(píng)價(jià)，測(cè)算規(guī)劃方案的交通污染物排放總量并分析其空間分布。規(guī)劃以2030年為目標(biāo)年，以鐵路建設(shè)強(qiáng)度最主要考量因素設(shè)計(jì)3種方案，分別為：激進(jìn)方案（高強(qiáng)度）、適中方案（適中強(qiáng)度）和保守方案（低強(qiáng)度）。

具體規(guī)劃方案下客貨運(yùn)周轉(zhuǎn)量及各交通方式占比如表3和表4所示。

表3 規(guī)劃方案的客運(yùn)周轉(zhuǎn)量和運(yùn)輸結(jié)構(gòu)列表

表4 規(guī)劃方案的貨運(yùn)周轉(zhuǎn)量和運(yùn)輸結(jié)構(gòu)列表

根據(jù)規(guī)劃輸出結(jié)果和要求，該案例的計(jì)算流程為：利用交通需求模型計(jì)算預(yù)測(cè)交通量→測(cè)算車型比例分布→測(cè)算排放標(biāo)準(zhǔn)比例分布→排放因子修正→規(guī)劃方案排放測(cè)算。各流程階段輸出結(jié)果見(jiàn)表5～表10。

3.1 計(jì)算預(yù)測(cè)交通量

利用交通規(guī)劃傳統(tǒng)四階段法模型，獲得在規(guī)劃路網(wǎng)下不同規(guī)劃方案各路段的預(yù)測(cè)當(dāng)量交通量PVlink，結(jié)果示例見(jiàn)表5。

表5 預(yù)測(cè)規(guī)劃方案的路段日均當(dāng)量交通量示例

3.2 測(cè)算車型比例分布

根據(jù)規(guī)劃要求與數(shù)據(jù)收集，測(cè)算車輛類型及其折算系數(shù)與車型占比，結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 成渝城市群規(guī)劃測(cè)算的車輛類型及其折算系數(shù)與車型占比

經(jīng)過(guò)計(jì)算，成渝城市群綜合標(biāo)準(zhǔn)車折算系數(shù)pcuf為1.64。

將表5的當(dāng)量交通量PVlink換算為交通量qlink，結(jié)果示例見(jiàn)表7。

表7 預(yù)測(cè)規(guī)劃方案的路段日均交通量示例

3.3 測(cè)算排放標(biāo)準(zhǔn)比例分布

根據(jù)規(guī)劃要求和收集的數(shù)據(jù)，獲得成渝城市群現(xiàn)狀車輛的排放標(biāo)準(zhǔn)比例分布。利用車輛存活概率曲線預(yù)測(cè)規(guī)劃年車齡分布，并根據(jù)車齡估算車輛的規(guī)劃年排放標(biāo)準(zhǔn)比例分布，結(jié)果見(jiàn)表8。

表8 現(xiàn)狀與規(guī)劃年的車輛排放標(biāo)準(zhǔn)分布（%）

3.4 排放因子修正

對(duì)CVEM模型的基本排放因子進(jìn)行車型、燃料、排放標(biāo)準(zhǔn)及速度分布等修正因子計(jì)算后，獲得成渝城市區(qū)綜合交通規(guī)劃公路污染物排放因子，如表9所示。

表9 公路污染物排放因子

3.5 污染物排放總量及空間分布

根據(jù)模型測(cè)算方法，利用表7和表9，根據(jù)式（1）和式（2）測(cè)算路段各污染物排放量，結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同方案的污染物排放總量測(cè)算結(jié)果

從計(jì)算結(jié)果可以看出，受鐵路運(yùn)輸承擔(dān)更多的旅客、貨物周轉(zhuǎn)量的影響，污染物排放總量隨著方案中公路運(yùn)輸周轉(zhuǎn)量占比的降低而降低。

除了對(duì)規(guī)劃方案的污染物排放總量進(jìn)行計(jì)算外，還可以根據(jù)規(guī)劃要求，分別對(duì)客運(yùn)、貨運(yùn)的污染物排放進(jìn)行計(jì)算。以3種規(guī)劃方案的客貨運(yùn)NOx排放量為例，可得到分線路、分客貨運(yùn)的污染物排放測(cè)算結(jié)果，示例見(jiàn)表10。

表10 不同方案分客貨運(yùn)的污染物路段測(cè)算結(jié)果示例

將路段污染物排放測(cè)算結(jié)果分布在路網(wǎng)上，可以直觀地反映污染物排放預(yù)測(cè)中重點(diǎn)路段和政策措施影響范圍的變化。圖4為3種方案NOX在路網(wǎng)上的分布情況。利用路網(wǎng)分布圖可以較為清晰直觀地反映污染物排放嚴(yán)重的區(qū)域或路段，以此對(duì)規(guī)劃方案的環(huán)境影響進(jìn)行評(píng)價(jià)。

圖4 成渝城市群規(guī)劃情景NOx強(qiáng)度分布（單位：t/km）

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)CVEM排放模型在交通規(guī)劃中應(yīng)用的研究，得出如下結(jié)果。

（1）為滿足交通規(guī)劃方案評(píng)價(jià)和決策支持，應(yīng)用于交通規(guī)劃的排放模型需滿足3方面的要求：①對(duì)規(guī)劃方案及輸出參數(shù)敏感；②反映交通排放結(jié)果的時(shí)空分布；③能夠與交通規(guī)劃模型進(jìn)行合理有效的對(duì)接。

（2）CVEM模型作為基于保有量的交通排放模型，經(jīng)過(guò)應(yīng)用方法設(shè)計(jì)，可與交通規(guī)劃模型進(jìn)行合理對(duì)接，充分利用交通規(guī)劃模型預(yù)測(cè)的VMT及其分布，可滿足交通規(guī)劃方案的排放分析。

（3）根據(jù)交通規(guī)劃模型的輸出結(jié)果，應(yīng)用CVEM模型的重要過(guò)程包括交通量獲取、車型比例分布測(cè)算、排放標(biāo)準(zhǔn)比例分布測(cè)算、排放因子修正、污染物排放總量測(cè)算及空間分布等。

此外，從CVEM排放模型的應(yīng)用實(shí)例可知，利用交通排放的空間分布，可以結(jié)合規(guī)劃方案分客貨運(yùn)、分通道/走廊、分樞紐分析污染物排放；亦可結(jié)合交通流的時(shí)變特征與當(dāng)?shù)乜諝赓|(zhì)量（包括其他排放源）模型耦合，進(jìn)一步開(kāi)展基于空氣質(zhì)量的交通策略研究。CVEM模型在環(huán)保領(lǐng)域的用途廣泛，但在交通領(lǐng)域應(yīng)用受限，主要原因是該模型對(duì)于交通運(yùn)行的敏感度低。因此，未來(lái)需要對(duì)交通運(yùn)行方面的參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)刻畫(huà)，例如路網(wǎng)密度、行駛里程、運(yùn)行速度等。