楊洋，王雪純，袁振洲，陳進(jìn)杰，那艷玲

(1.北京航空航天大學(xué)，a.交通科學(xué)與工程學(xué)院，b.車路協(xié)同與安全控制北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100191；2.北京交通大學(xué)，交通運(yùn)輸學(xué)院，北京 100044；3.石家莊鐵道大學(xué)，交通運(yùn)輸學(xué)院，石家莊 050043；4.中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300308)

0 引言

交通運(yùn)輸業(yè)隨著經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展已成為碳排放來源的重要行業(yè)。城市客運(yùn)出行需求總量不斷增加且分布復(fù)雜，同時(shí)，各交通方式的能源消耗與污染物排放也存在較大的波動。城市軌道交通的建成吸引了大量客流[1]，城市交通的出行結(jié)構(gòu)隨之重構(gòu)，城市交通的碳排放構(gòu)成也發(fā)生了相應(yīng)變化。城市軌道交通的發(fā)展有助于解決交通擁堵和空氣污染等城市可持續(xù)發(fā)展問題，可產(chǎn)生可觀的外部效益。對城市軌道交通碳減排效果的有效量化，不僅可以優(yōu)化城市客運(yùn)結(jié)構(gòu)，還可為我國節(jié)能減排政策制定和執(zhí)行提供理論依據(jù)[2-3]。

針對城市軌道交通碳排放計(jì)算方面，有學(xué)者采用情景分析的方式，測算碳排放量，例如，GIAKOUMIS等[4]為探尋新雅典地鐵的碳足跡受道路路網(wǎng)交通量影響的情況，測算有無某條道路兩種情境下，城市軌道交通的碳排放量。大量學(xué)者采用全生命周期評價(jià)方法測算城市軌道交通碳排放量，例如，EDUARDO 等[5]測算了熱內(nèi)盧地鐵在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、列車制造、維護(hù)、基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)營和列車運(yùn)營幾個階段的碳排放總和，研究顯示，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和列車運(yùn)營在總體碳排放中占比最高。CHEN等[6]以深圳為例，運(yùn)用LCA(Life Cycle Assessment)方法量化地鐵在運(yùn)營階段的能耗和碳排放強(qiáng)度，結(jié)果表明，深圳市地鐵運(yùn)營階段的年碳排放量從2005 年的6.3 萬tCO2增加到2021 的130 萬tCO2，歷史累計(jì)碳排放量為950萬tCO2。LI等[7]使用全生命周期評價(jià)方法測算了上海城市軌道交通全生命周期的碳排放總量，計(jì)算顯示，城市軌道交通建設(shè)階段的材料生產(chǎn)、材料運(yùn)輸、現(xiàn)場施工、運(yùn)營階段和維護(hù)階段的碳排放量分別約占總排放量的4.1%，＜0.1%，0.4%，92.1%和3.4%。陳坤陽等[8]基于全生命周期理論，建立了地鐵碳排放強(qiáng)度測算模型。

針對城市軌道交通碳減排效應(yīng)方面，典型的研究包括，NGUYEN等[9]認(rèn)為當(dāng)前的汽車用戶轉(zhuǎn)移到新建城市軌道交通，使私家車的使用減少，城市交通的碳排放量也因交通方式的轉(zhuǎn)變而減少。BOARNET 等[10]采用前后實(shí)驗(yàn)對照組的方法評估洛杉磯新開通的世博輕軌交通線對個人車輛溫室氣體(GHG)排放的影響，研究發(fā)現(xiàn)，城市軌道交通線路的開通對個人機(jī)動車日均CO2排放量產(chǎn)生顯著影響。ANDRADE 等[11]定義5 種計(jì)算方法，合理量化了地鐵對減少交通行業(yè)總排放的實(shí)際貢獻(xiàn)，其研究發(fā)現(xiàn)，圣保羅和里約熱內(nèi)盧的地鐵排放量比汽車少63.5 倍，比公交車少8 倍。JOO 等[12]假設(shè)被檢測城市軌道交通線路未開通的情況下，對整體交通需求重新分配，通過對比有無城市軌道交通的兩種情況，定量分析了城市軌道交通線路的碳減排量。HANG 等[13]通過四階段法預(yù)測了寶雞市客流量需求，測算未來城市軌道交通開通后帶來的碳排放變化以及碳減排量。李立峰等[14]通過對比城市軌道交通加速發(fā)展情景與城市軌道交通常速發(fā)展情景，量化計(jì)算得到上海城市軌道交通快速發(fā)展使市內(nèi)出行CO2排放總量相對減少78.9 萬t。申曉鵬[3]考慮城市軌道交通接駁設(shè)施，建立了城市軌道交通碳減排計(jì)算模型，測算北京市4條典型地鐵線2014年為全市減少52.9萬tCO2排放。

目前，國內(nèi)外相關(guān)研究中涉及的電網(wǎng)碳排放因子和人公里碳排放因子等參數(shù)多采用固定數(shù)值，未能考慮受城市發(fā)展和國家政策等因素影響下的參數(shù)動態(tài)變化情況；此外，全生命周期理論在城市軌道交通碳排放測算中的應(yīng)用較為廣泛，但針對城市軌道交通碳減排效應(yīng)的研究，多數(shù)僅考慮其運(yùn)營期與其他交通方式碳排放的差異，忽略施工建設(shè)等其他階段對總排放效應(yīng)的影響。本文在城市軌道交通碳減排效應(yīng)量化建模中，考慮生命周期各階段的碳排放，構(gòu)建基于碳回收期的城市軌道交通碳減排效應(yīng)量化指標(biāo)；同時(shí)，基于情景分析法測算不同情景下的項(xiàng)目碳回收期，基于算例，量化城市軌道交通的碳減排潛力。

1 問題描述

1.1 城市軌道交通碳減排效應(yīng)

交通碳排放量化評估結(jié)果在不同情景設(shè)定和不同計(jì)算邊界下存在很大差異。在城市軌道交通線路開通運(yùn)營后，原有私家車、出租車、常規(guī)公交以及摩托車的部分客流將轉(zhuǎn)移至城市軌道交通(即更低碳排放的出行方式)；由于城市軌道交通與其他交通方式碳排放因子存在差異，因此，理論上交通方式轉(zhuǎn)移后存在碳減排效應(yīng)。

本文設(shè)置城市軌道交通項(xiàng)目有和無兩種情景，通過客流轉(zhuǎn)移下碳排放的差異建立城市軌道交通碳排放效應(yīng)測算模型。文獻(xiàn)[15]顯示，城市軌道交通的誘增出行比例較低，故本文未予考慮該部分誘發(fā)客流量產(chǎn)生的碳排放效應(yīng)，假設(shè)城市軌道交通客流量全部為轉(zhuǎn)移客流量。

本文定義實(shí)際乘坐城市軌道交通乘客出行產(chǎn)生的碳排放為實(shí)際碳足跡，乘客在沒有城市軌道交通線路下采用其他交通方式的出行為基準(zhǔn)線出行，基準(zhǔn)線出行產(chǎn)生的碳排放量為方式轉(zhuǎn)移虛擬碳足跡。通過對比實(shí)際以及虛擬碳足跡的排放差異，測算碳減排量，具體示意如圖1所示。

圖1 城市軌道交通碳減排效應(yīng)原理示意Fig.1 Carbon reduction effect principle of urban rail transit

1.2 城市軌道交通碳減排效應(yīng)測算邊界

本文采用精簡型全生命周期評價(jià)方法，測算的城市軌道交通線路碳排放范圍包括：線路建設(shè)、運(yùn)營、維護(hù)及拆除回收這4個階段的碳排放。定義項(xiàng)目建設(shè)包含建設(shè)階段，項(xiàng)目活動包含運(yùn)營、養(yǎng)護(hù)以及拆除回收階段，與城市交通系統(tǒng)碳排放相關(guān)聯(lián)的溫室氣體主要包括CO2、CH4及N2O。本文測算邊界排放源清單如表1所示。

表1 測算邊界排放源清單Table 1 Calculation of boundary emission source list

1.3 碳排放基準(zhǔn)線確定

排放基準(zhǔn)線，即“碳排放強(qiáng)度行業(yè)基準(zhǔn)值”，指某行業(yè)代表某生產(chǎn)水平的單位活動水平碳排放量。按照設(shè)置類型，基準(zhǔn)線分為動態(tài)基準(zhǔn)線和靜態(tài)基準(zhǔn)線。在減排計(jì)入期內(nèi)，基準(zhǔn)線排放水平固定不變的，稱靜態(tài)基準(zhǔn)線；反之，就是動態(tài)基準(zhǔn)線。

考慮到城市在不斷發(fā)展中，客流需求增長速率和不同交通方式能效水平變化等隨著時(shí)間的推移而不斷變化；同時(shí)，考慮數(shù)據(jù)的可得性和實(shí)際的操作性，本文采取固定動態(tài)基準(zhǔn)線與變動動態(tài)基準(zhǔn)線相結(jié)合的方法，設(shè)定本文碳排放的基準(zhǔn)線。本文提出的基準(zhǔn)線指不采用城市軌道交通出行，乘客全部轉(zhuǎn)移至道路交通出行的情景，測算范圍包括所有道路交通出行方式。

2 模型構(gòu)建

本文將城市軌道交通碳排放的時(shí)間研究維度分為項(xiàng)目建設(shè)和項(xiàng)目活動兩個階段。其中，項(xiàng)目活動階段具體分為運(yùn)營階段、維護(hù)階段和報(bào)廢回收階段。項(xiàng)目建設(shè)階段碳排放假設(shè)為在線路運(yùn)營前一次性產(chǎn)生，運(yùn)營階段、維護(hù)階段的碳排放量被認(rèn)為是以年為單位在年初發(fā)生變化。

2.1 城市軌道交通碳回收期測算模型

假設(shè)沒有城市軌道交通線路時(shí)，居民的出行需求將全部轉(zhuǎn)移至道路交通。設(shè)定城市軌道交通線路運(yùn)行產(chǎn)生的碳排放量為實(shí)際碳足跡；設(shè)定同樣的客運(yùn)量在轉(zhuǎn)移至道路交通上產(chǎn)生碳排放量為虛擬碳足跡。本文定義前者與后者的碳足跡差值為該城市軌道交通線路年度碳足跡，該指標(biāo)用于評價(jià)城市軌道交通碳減排效應(yīng)。若年度碳足跡為正，則碳減排效應(yīng)為負(fù)；若差值為負(fù)，則碳減排效應(yīng)為正。同時(shí)，定義項(xiàng)目建設(shè)碳排放量與各年碳減排量的累加和為城市軌道交通累積碳足跡。碳回收期即為通過這種碳減排來回收項(xiàng)目建設(shè)產(chǎn)生碳排放量的周期，即多年累計(jì)碳足跡首次由正值轉(zhuǎn)向負(fù)值的時(shí)間。模型為

式中：Rt為目標(biāo)線路t年度累計(jì)碳足跡(tCO2)；E為城市軌道交通線路項(xiàng)目建設(shè)的碳排放量(tCO2)；Dl為l年時(shí)，該城市軌道交通線路實(shí)際運(yùn)營和維護(hù)項(xiàng)目活動產(chǎn)生的碳排放量(tCO2)；Bl為l年時(shí)，城市軌道交通需求被道路運(yùn)輸替代，其道路運(yùn)輸產(chǎn)生的碳排放量，即項(xiàng)目基準(zhǔn)線碳排放(tCO2)；nio為該城市軌道交通建成年份。

碳回收期計(jì)算式為

式中：Y為城市軌道交通線路的碳回收期(年份)。

2.2 基準(zhǔn)線碳排放測算模型

基準(zhǔn)線排放是假設(shè)城市軌道交通項(xiàng)目還沒有被實(shí)施的情況下，使用該項(xiàng)目活動的乘客通過其他交通方式出行產(chǎn)生的排放。依據(jù)沒有該項(xiàng)目時(shí)乘客采用的交通方式的不同(相關(guān)車輛類型)而有所差異。通過問卷調(diào)查得到乘坐目標(biāo)城市軌道交通乘客原出行使用的交通方式、每種交通方式的起訖點(diǎn)及出行距離等，計(jì)算每位乘客的基準(zhǔn)線排放，求出所有被調(diào)研乘客總的基準(zhǔn)線排放量，除以被調(diào)研人數(shù)，得到人均基準(zhǔn)線碳排放量。年基準(zhǔn)線排放是由人均基準(zhǔn)線碳排放量與該線路每年客運(yùn)量相乘得到，模型為

式中：Bl為l年時(shí)的基準(zhǔn)線碳排放(tCO2)；Qa為該城市軌道交通線路在調(diào)查期間被調(diào)查的總客流量(人次)；Ql為該城市軌道交通線路在l年的總客流量(人次)；bp為每個被調(diào)查乘客p的基準(zhǔn)線排放量(tCO2)。

根據(jù)每個被調(diào)查乘客p使用的交通方式、每種方式的行程以及每種交通方式的排放因子計(jì)算得到該乘客基準(zhǔn)線碳排放，計(jì)算式為

式中：，bp為每個被調(diào)查乘客p的基準(zhǔn)線排放量(tCO2)；di為每個被調(diào)查乘客p使用第i種出行方式的基準(zhǔn)線出行距離(km)；Ti為道路交通出行方式為i的每人公里的碳排放因子(kgCO2·(人·km)-1)；i為道路交通出行方式，分別為私家車、出租車及公交車等。

2.3 項(xiàng)目建設(shè)碳排放測算模型

為簡化計(jì)算，本文根據(jù)地鐵建設(shè)過程，對地鐵明挖車站土建工程簡單劃分為明挖土方與主體結(jié)構(gòu)兩部分，針對各部分構(gòu)建材料、機(jī)械、人工的碳排放因子及綜合碳排放因子。利用綜合碳排放因子計(jì)算項(xiàng)目建設(shè)碳排放量，模型為

式中：E為地鐵項(xiàng)目建設(shè)總碳排放(tCO2)；Cn為分項(xiàng)工程n的綜合碳排放系數(shù)(tCO2·單位-1)；Qn為分項(xiàng)工程n的工程量(每單位)。

各分項(xiàng)工程的綜合碳排放系數(shù)模型為

式中：Cn為分項(xiàng)工程n的綜合碳排放系數(shù)(tCO2·單位-1)；e為完成單位分項(xiàng)工程所消耗的材料(m3或kg)；f為完成單位分項(xiàng)工程所消耗的機(jī)械(臺班)；g為完成單位分項(xiàng)工程所消耗的人員數(shù)(人)；Cv,x為材料x的碳排放系數(shù)(tCO2·(單位·m3)-1或tCO2·(單位·kg)-1)；Cz,y為機(jī)械y的碳排放系數(shù)(tCO2·(單位·臺班)-1)；Cu為人工的碳排放系數(shù)(tCO2·(單位·人)-1)。

2.4 項(xiàng)目活動碳排放測算模型

項(xiàng)目活動碳排放是乘客出行使用該城市軌道交通線路產(chǎn)生的碳排放以及項(xiàng)目多年后拆除階段產(chǎn)生的碳排放，主要排放來源是城市軌道交通運(yùn)營階段、維修養(yǎng)護(hù)階段以及拆除回收階段。

城市軌道交通運(yùn)營階段為項(xiàng)目活動的主要碳排放來源。該階段主要分為車輛運(yùn)行和車站運(yùn)營兩部分。城市軌道交通維修養(yǎng)護(hù)階段的碳排放量在城市軌道交通全生命周期的碳排放占比約為1%，故本文忽略維修養(yǎng)護(hù)階段產(chǎn)生的碳排放。城市軌道交通拆除回收階段是生命周期的最后1 個階段，由于城市軌道交通使用年限在30 年左右，考慮到本文研究對象于2021 年建成，整體測算周期均在2051 年前，故對拆除回收階段的碳排放不作考慮。

建立城市軌道交通項(xiàng)目活動碳排放模型為

式中：Dl為目標(biāo)城市軌道交通在l年運(yùn)營階段產(chǎn)生的總碳排放量(tCO2)；Wl為l年目標(biāo)城市軌道交通線路運(yùn)營階段總電能消耗量(kWh)；Td,m為基于綜合邊際的電網(wǎng)發(fā)電碳排放因子(kg·kWh-1)；Q為車輛運(yùn)行總能耗(kWh)；Qz為車輛輔助能耗(kWh)；Wt為車站自動扶梯系統(tǒng)能耗(kWh)；Wz為車站照明系統(tǒng)能耗(kWh)；Wk為車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)能耗(kWh)。

2.5 模型相關(guān)參數(shù)

基準(zhǔn)線、項(xiàng)目建設(shè)期及項(xiàng)目活動期等各個模型涉及的參數(shù)較多，其中，不同交通方式平均載客系數(shù)和不同能源類型的相關(guān)參數(shù)還需根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)一步說明。下面以基準(zhǔn)線模型中的電網(wǎng)碳排放因子和不同交通方式人公里碳排放因子為例，進(jìn)行詳細(xì)介紹。

(1)電網(wǎng)碳排放因子

生態(tài)環(huán)境部應(yīng)對氣候變化司研究確定了2019年度減排項(xiàng)目中國區(qū)域電網(wǎng)基準(zhǔn)線排放因子，并征詢相關(guān)部門和部分指定經(jīng)營實(shí)體的意見。將電網(wǎng)邊界的地理范圍統(tǒng)一進(jìn)行了劃分，其中，北京、天津、河北、內(nèi)蒙古、山東及山西被劃定為華北區(qū)域。2019年度，減排項(xiàng)目中國區(qū)域電網(wǎng)基準(zhǔn)線排放因子如表2所示。

表2 年度減排項(xiàng)目中國區(qū)域電網(wǎng)基準(zhǔn)線排放因子結(jié)果Table 2 Emission factor results of China's regional grid baseline for 2019 emission reduction projects

表2中，O為量邊際排放因子的加權(quán)平均值；B為截至統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的容量邊際排放因子。基準(zhǔn)線碳排放因子是電量邊際碳排放因子和容量邊際碳排放因子的平均值，計(jì)算式為

石家莊屬華北區(qū)域電網(wǎng)范圍，根據(jù)式(8)計(jì)算得出基準(zhǔn)線碳排放因子為0.71 kg·kWh-1。

(2)人公里碳排放因子

每人每公里的碳排放因子簡稱為人公里碳排放因子，表示每位乘客乘坐車輛運(yùn)行1 km 能耗對應(yīng)產(chǎn)生的CO2排放量[3]，是基準(zhǔn)線碳排放效應(yīng)測算模型的重要參數(shù)。

考慮存在不同交通方式的不同能源車輛碳排放因子不同的問題，本文根據(jù)不同能源車輛占比權(quán)重，定義不同交通方式加權(quán)碳排放因子，計(jì)算式為

式中：Ti為加權(quán)后，第i類交通方式碳排放因子(kgCO2·km-1)；Qix為第i類交通方式x能源種類車輛保有量(輛)；Tix為第i類交通方式x能源種類車輛的碳排放因子(kgCO2·km-1)；Q為第i類交通方式總的車輛保有量(輛)。

根據(jù)相關(guān)規(guī)劃成果資料及調(diào)研獲取的數(shù)據(jù)，通過式(9)計(jì)算得出石家莊各種交通方式的人公里碳排放因子，如表3所示。

表3 各交通方式人公里碳排放因子匯總Table 3 Summary of carbon emission factors per person kilometer for various transportation modes

3 算例分析

3.1 算例數(shù)據(jù)收集與處理

本文選取石家莊地鐵3 號線二期作為分析算例。該線路全長7.4 km，均為地下線，設(shè)車站5 座，分別為西仰陵站、中仰陵站、南豆站、太行南大街站以及樂鄉(xiāng)站，平均站間距1.48 km。

首先，針對基準(zhǔn)線碳排放測算模型、項(xiàng)目建設(shè)碳排放測算模型以及項(xiàng)目活動碳排放測算模型中所有參數(shù)進(jìn)行整理并標(biāo)定，為后續(xù)碳回收期模型的測算提供數(shù)值基礎(chǔ)。

進(jìn)而，通過設(shè)計(jì)問卷進(jìn)行信息采集，獲取乘客出行的所有線路、出行方式以及主要線路節(jié)點(diǎn)。本文采用RP(Revealed Preference)調(diào)查與SP(Stated Preference)調(diào)查相結(jié)合的調(diào)查方式，獲取乘客實(shí)際出行狀況以及假定情況下乘客的出行方式以及出行路徑。共收集到895 份樣本，包含：調(diào)研時(shí)間、ip地址、被調(diào)查者性別及年齡等16 個字段。由于本文主要針對石家莊地鐵3號線二期，故對樣本最后出站設(shè)定為西仰陵站至樂鄉(xiāng)站5個站點(diǎn)，清洗篩選后的有效樣本156個。其中，關(guān)于出行鏈屬性的具體選項(xiàng)如圖2所示。

圖2 出行鏈屬性調(diào)查具體選項(xiàng)Fig.2 Specific options for investigating travel chain attributes

最后，為保障數(shù)據(jù)的可靠性和有效性，對平均運(yùn)距統(tǒng)計(jì)的調(diào)查結(jié)果進(jìn)行有效性分析。對石家莊地鐵3 號線實(shí)際調(diào)查得到的樣本線路平均運(yùn)距和官方統(tǒng)計(jì)的石家莊地鐵平均運(yùn)距進(jìn)行比較，利用兩者相對量的百分誤差評估此次調(diào)研結(jié)果，計(jì)算得到百分誤差為4.6%，故認(rèn)定此次調(diào)查數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性在可接受范圍。

3.2 結(jié)果與討論

(1)基準(zhǔn)線碳排放測算結(jié)果分析

通過基準(zhǔn)線碳排放測算模型以及調(diào)研得到的在城市軌道交通不存在時(shí)乘客采用的交通方式和出行距離等相關(guān)信息，得到基準(zhǔn)線碳排放量。其中，2021 年客流量參考相關(guān)部門提供的實(shí)際客流量；初期(2024年)、近期(2031年)及遠(yuǎn)期(2046年)的客流量選用工程設(shè)計(jì)客流量，如表4所示。

表4 石家莊地鐵3號線二期基準(zhǔn)線碳排放量Table 4 Carbon emissions of Shijiazhuang metro line 3 phase II datum line

該線路人均單次出行基準(zhǔn)線碳排量為0.40 kgCO2·人-1，處于較低水平。3 號線二期位于市郊區(qū)域，公交線網(wǎng)還未完善，乘客在不乘坐地鐵線路的情況下，多數(shù)采用電動車、摩托車以及出租車出行，且二期涉及的5 個站點(diǎn)范圍較小，乘客的人均出行距離較短，致使3號線二期基準(zhǔn)線人均單次出行碳排放量較低。線路客流量是基準(zhǔn)線碳排放量大小的影響因素。從表4中可以看出，隨著客流量的逐步增長，基準(zhǔn)線碳排放量也不斷增長，碳減排產(chǎn)生的正效應(yīng)也逐漸凸顯。

(2)項(xiàng)目建設(shè)碳排放測算結(jié)果分析

限于數(shù)據(jù)可得性，該階段參考相關(guān)研究報(bào)告資料，根據(jù)模型推算出石家莊地鐵3號線二期的項(xiàng)目建設(shè)碳排放，具體計(jì)算結(jié)果如表5所示。

表5 項(xiàng)目建設(shè)碳排放計(jì)算結(jié)果Table 5 Calculation results of carbon emissions from project construction

車站主體結(jié)構(gòu)建設(shè)作為地鐵建設(shè)碳排放的主要來源，占整體碳排放的82%。主體工程除人工和機(jī)械碳排放外，碳排放主要來源于建材，而建材主要由混凝土組成，混凝土的碳排放系數(shù)較高，致使主體部分占比較大。相比之下，明挖土方工程沒有建材的消耗，僅機(jī)械和少部分人工碳排放，故該部分僅占整體碳排放的18%。

(3)項(xiàng)目活動碳排放測算結(jié)果分析

根據(jù)模型及標(biāo)定的參數(shù)可以計(jì)算得到石家莊地鐵3號線二期的項(xiàng)目活動碳排放量，如表6所示。

表6 項(xiàng)目活動碳排放(2024年)Table 6 Project activity carbon emissions(2024)

表6 顯示，車站通風(fēng)空調(diào)占比最高，達(dá)31.91%。項(xiàng)目包含的5個車站全部為地下站，相較于地上站，地下站通風(fēng)空調(diào)的單位面積能耗較高；且北方城市四季分明，夏季和冬季需要實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)車站的整體溫度，致使該部分能耗偏大。同時(shí)，車站屬于2021 年新建車站，新建車站整體公共區(qū)域面積較大，影響整個通風(fēng)系統(tǒng)的能耗。自動扶梯系統(tǒng)占整體碳排放比例第2，達(dá)25.78%；由于本文因乘客進(jìn)站的不確定性而忽略自動扶梯間歇時(shí)間，測算自動扶梯時(shí)長選用地鐵整個運(yùn)營時(shí)間，導(dǎo)致測試結(jié)果偏大；若考慮石家莊地鐵實(shí)際情況，即客流量較小的城市，進(jìn)站客流存在不連續(xù)和密度低等問題，電梯低速度或停止運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間偏長，自動扶梯的能耗也將降低。

4 面向情景分析的城市軌道交通碳回收期測算

引入情景分析法，在交通需求增長，能源結(jié)構(gòu)和能效水平發(fā)展的兩種未來發(fā)展情景下，相應(yīng)測算城市軌道交通的碳回收期模型，評估其碳減排效應(yīng)。

4.1 多變交通需求增長的情景

根據(jù)石家莊地鐵開通以來的地鐵客運(yùn)量發(fā)展趨勢進(jìn)行情景分析，設(shè)定客流量常態(tài)化增長、快速增長以及緩慢增長這3種情景，預(yù)測分析該項(xiàng)目未來年累積碳足跡以及測算碳回收期。具體3 種情景的定義如下。

(1)客流量常態(tài)化增長情景

按石家莊社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展目標(biāo)和相關(guān)政策要求，石家莊城市交通體系逐漸完善，客流增長趨勢穩(wěn)定。

(2)客流量快速增長情景

在達(dá)到石家莊社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展目標(biāo)的前提下，政府進(jìn)一步追求高質(zhì)量的城市交通體系，加快城市TOD建設(shè)，從而帶動城市軌道交通客流快速增長。

(3)客流量緩慢增長情景

石家莊社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展未能達(dá)到規(guī)劃預(yù)期，政府不采取任何相應(yīng)的手段和政策引導(dǎo)客流量的增長，整體社會交通體系發(fā)展較為緩慢，客流增長強(qiáng)度較小。

石家莊地鐵年客流量如圖3所示。2018年，石家莊地鐵線路開通，最初呈現(xiàn)9.21%的客流增長趨勢。但受到新冠肺炎疫情沖擊及反復(fù)，2020 年和2022 年，地鐵客流量銳減，降幅達(dá)到25.33%和14.59%。2022 年底，國家疫情政策全面開放，石家莊地鐵客流回暖，增幅高達(dá)41.03%。整體而言，2018—2023 年，石家莊地鐵客流年平均增長率為7.28%，呈現(xiàn)出增長態(tài)勢。

圖3 石家莊地鐵年日均客流Fig.3 Annual daily average passenger flow of Shijiazhuang metro

本文剔除受疫情影響的2020年和2022年客流量數(shù)據(jù)，采用雙線性插值法和Savitzky-Golay 濾波擬合法擬合估計(jì)中遠(yuǎn)期客流情況[16]，對剩余年份進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，回歸預(yù)測，擬定該增長趨勢為客流常態(tài)化增長情況的發(fā)展趨勢，從而得到該情景下2024—2050年的客運(yùn)量。同時(shí)，根據(jù)現(xiàn)有項(xiàng)目研究報(bào)告中對客流量的預(yù)測，對常態(tài)化情景合理調(diào)整系數(shù)，計(jì)算緩慢增長和快速增長情況下的客流量。3種情景下的預(yù)測客流量如圖4所示。結(jié)算結(jié)果得到：至2035 年，在快速增長情景下，項(xiàng)目客流量達(dá)到3640.64 萬人次；在常態(tài)化增長情景下，達(dá)到2660.61 萬人次；在緩慢增長情景下，達(dá)到2127.02萬人次；2045年，快速增長下客流量將接近7000萬人次。

圖4 不同交通需求增長情景下的客流量Fig.4 Passenger flow under different traffic demand growth scenarios

根據(jù)未來客流量以及碳回收期模型，得到不同交通需求增長情景下的多年累積碳排放量，計(jì)算結(jié)果如圖5所示。結(jié)果顯示，多年累積碳足跡的整體呈現(xiàn)先上升達(dá)到峰值后下降的趨勢。石家莊地鐵3號線二期屬于市中心與市郊的連接線，于2021年開通，運(yùn)營前期未有其他軌道線路與之相連通，加之地理位置受限，整體客流量處于較小的階段。導(dǎo)致考慮交通方式轉(zhuǎn)移的碳減排量無法彌補(bǔ)線路車站運(yùn)營和車輛牽引等產(chǎn)生的項(xiàng)目活動碳排放，致使整體的多年累積碳排放逐年遞增。隨著軌道交通網(wǎng)逐漸完善，項(xiàng)目的客流量增長勢頭強(qiáng)勁，碳減排效果日益凸顯，多年累積碳足跡增長趨勢減弱后達(dá)到峰值，之后，逐年遞減，且降幅逐漸擴(kuò)大，最終，由正轉(zhuǎn)負(fù)。

圖5 不同交通需求增長情景下多年累積碳排放量Fig.5 Accumulated carbon emissions under different traffic demand growth scenarios

在常態(tài)化增長情景下，多年累積碳足跡在2032年達(dá)到峰值124740萬t；在客流量快速增長情景下，多年累積碳足跡在2028年達(dá)到峰值112158萬t；在緩慢增長情景下，在2033年達(dá)到峰值，最高達(dá)到了128826 萬tCO2。在快速增長情景下的多年累積碳足跡峰值比緩慢增長情況下的峰值提前5年出現(xiàn)，峰值比緩慢增長情況下少16667.60 萬t?？傮w而言，整體多年累積碳足跡仍呈現(xiàn)下降趨勢。此外，相比之下，2040 年，石家莊3 號線二期多年累積碳足跡范圍較2035 年擴(kuò)大29819 萬t，表明隨著時(shí)間的發(fā)展，客流快速增長情景下的多年累積碳足跡與緩慢增長情景下的多年累積碳足跡差距越來越大。

根據(jù)碳回收期定義可得，客流量常態(tài)化增長情景下，2048 年完成碳回收，碳回收期為27 年；快速增長下，2043 年完成碳回收，回收期為22 年；緩慢增長下，在2050 年完成碳回收，碳回收期為29 年?？土髁靠焖僭鲩L情景下的碳回收期比緩慢增長情景下的碳回收期要少7 年。城市軌道交通系統(tǒng)完成碳回收期后，每年將產(chǎn)生巨大的碳減排正效益。

4.2 多變能源結(jié)構(gòu)和能效水平發(fā)展的情景

設(shè)定能源結(jié)構(gòu)和能效水平常態(tài)發(fā)展、迅速發(fā)展以及緩步發(fā)展這3種情景，量化該城市軌道交通項(xiàng)目未來多年累積碳足跡以及測算碳回收期。由于公交車和出租車在2025 年將基本實(shí)現(xiàn)電動化，故能源結(jié)構(gòu)和能效水平發(fā)展主要體現(xiàn)在新能源汽車規(guī)模不斷發(fā)展下私家車電動化程度占比的不同，以及在未來能源技術(shù)進(jìn)步條件下電網(wǎng)碳排放因子水平降低程度的不同兩個方面。假定能源結(jié)構(gòu)調(diào)整情景下，項(xiàng)目客流量采用常態(tài)化增長情況，交通結(jié)構(gòu)不發(fā)生改變，出租車和公交車電動化程度調(diào)整節(jié)奏一致。具體3種情景的定義如下。

(1)能源結(jié)構(gòu)和能效水平常態(tài)發(fā)展情景

石家莊市逐步實(shí)現(xiàn)低碳可持續(xù)發(fā)展模式，由于政府加大對能源技術(shù)的投入和節(jié)能減排政策的實(shí)施，全市私家車電動化程度達(dá)到一定程度，電網(wǎng)碳排放因子也得到合理地降低。

(2)能源結(jié)構(gòu)和能效水平迅速發(fā)展情景

政府進(jìn)一步追求低碳可持續(xù)城市發(fā)展，不斷加強(qiáng)節(jié)能減排力度，快速實(shí)現(xiàn)能源技術(shù)革新，高效推進(jìn)電動化滲透率提升，全市私家車電動化程度顯著提高，電網(wǎng)碳排放因子大幅降低。

(3)能源結(jié)構(gòu)和能效水平緩步發(fā)展情景

政府不采取相應(yīng)的手段和政策來引導(dǎo)能源結(jié)構(gòu)低碳化調(diào)整，社會能耗仍處于較高水平，全市私家車電動化程度低，電網(wǎng)碳排放因子小幅降低。

根據(jù)不同情景下私家車電動化占比水平、電網(wǎng)碳排放因子水平以及碳回收期模型，得到不同能源結(jié)構(gòu)和能效水平發(fā)展情景下的多年累積碳排放量，具體計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同能源結(jié)構(gòu)、能效水平發(fā)展情景下的多年累積碳排放量Fig.6 Accumulated carbon emissions over years under different energy structures and energy efficiency development scenarios

結(jié)果顯示，多年累積碳足跡的整體呈現(xiàn)略微上升達(dá)到峰值之后不斷下降的趨勢。石家莊地鐵3 號線二期運(yùn)營初期的客流較小，雖然能源結(jié)構(gòu)和能效水平不斷優(yōu)化，但考慮交通方式轉(zhuǎn)移的碳減排量仍無法彌補(bǔ)線路車站運(yùn)營和車輛牽引等產(chǎn)生的項(xiàng)目活動碳排放，導(dǎo)致多年累積碳排放在2021—2028年仍有小幅增長。但隨著清潔能源的引進(jìn)，電網(wǎng)碳排放因子不斷降低，地鐵在車站運(yùn)營和車輛運(yùn)行時(shí)的能耗大大降低，使多年累積碳減排量逐年下降。

在能源結(jié)構(gòu)和能效水平常態(tài)發(fā)展情景下，多年累積碳足跡在2028 年達(dá)到峰值；在能源結(jié)構(gòu)和能效水平迅速發(fā)展的情景下，多年累積碳足跡在2025年達(dá)到峰值；在能源結(jié)構(gòu)和能效水平緩步發(fā)展的情景下，在2028 年達(dá)到峰值。在迅速發(fā)展情景下的多年累積碳足跡峰值比常態(tài)發(fā)展和緩步發(fā)展情況下的峰值早提前3 年出現(xiàn)。與其他兩種情景不同的是，緩步發(fā)展情景下，在多年累積碳排放量總量下降階段，即2028年后，整體下降速度呈現(xiàn)先快后趨緩再逐漸加快的規(guī)律，主要原因是私人小客車電動化比例增長和當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)排放因子降低的協(xié)同作用。一方面，電網(wǎng)碳排放因子的降低和私家車電動化比例的升高均會導(dǎo)致基準(zhǔn)線總碳排放量降低，人均單次出行基準(zhǔn)線碳排量減少，碳減排效果減弱；另一方面，能源技術(shù)不斷革新下能效水平的提升，再疊加電網(wǎng)碳排放因子的降低，導(dǎo)致項(xiàng)目活動的平均排放強(qiáng)度降低，碳排放總量下降，碳減排效果增強(qiáng)。在緩步發(fā)展情景下，這兩方面的持續(xù)博弈，矛盾作用此消彼長，多年累積碳排放產(chǎn)生小幅度波動。但最后技術(shù)革新和能源結(jié)構(gòu)調(diào)整帶來的碳減排正效應(yīng)遠(yuǎn)超另一方面的負(fù)面影響。在公交車、出租車以及私家車電動化，原有道路交通方式人均碳排放降低后，城市軌道交通仍處于節(jié)能減排的優(yōu)勢地位。

從圖4 中可以看出，隨著時(shí)間的發(fā)展，常態(tài)發(fā)展情景下的多年累積碳足跡與緩步發(fā)展情景下的多年累積碳足跡差距越來越大，與迅速發(fā)展情景下的多年累積碳足跡差距卻越來越小。究其原因，在迅速發(fā)展的情景下，公交車、出租車及私家車等道路交通與城市軌道交通的能耗差距相對縮小，城市軌道交通與公交車和電動車等低人均碳排放能耗交通方式的優(yōu)勢趨同。

根據(jù)碳回收期定義可得，能源結(jié)構(gòu)和能效水平常態(tài)發(fā)展情景下，2046 年完成碳回收，碳回收期為25 年；能源結(jié)構(gòu)和能效水平迅速發(fā)展情景下，2045年完成碳回收，回收期為24年；能源結(jié)構(gòu)和能效水平緩步發(fā)展情景下，在2050年完成碳回收，碳回收期為29 年。能源結(jié)構(gòu)和能效水平迅速發(fā)展情景下的碳回收期比緩步發(fā)展情景下的碳回收期要少5 年，優(yōu)勢明顯?？梢园l(fā)現(xiàn)，能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整和能效水平的提升是城市軌道交通項(xiàng)目碳減排正效應(yīng)的重要影響因素。

5 結(jié)論

本文得到的主要結(jié)論如下：

(1)基于本文算例，在城市軌道交通客流量常態(tài)化增長情景、快速增長情景以及緩慢增長這3個情景下，分別計(jì)算得到常態(tài)化增長情景下的碳回收期為27年，快速增長情景下的碳回收期為22年，緩慢增長情景下的碳回收期為29 年；客流量快速增長情景下的碳回收期比緩慢增長情景下的碳回收期要少7年。碳回收期完成后，城市軌道交通運(yùn)營階段每年將產(chǎn)生巨大的碳減排正效益，說明大規(guī)模的客運(yùn)量和與之相匹配高效的客運(yùn)強(qiáng)度是城市軌道交通碳減排正效應(yīng)的重要支撐。

(2)在能源結(jié)構(gòu)和能效水平常態(tài)發(fā)展、迅速發(fā)展以及緩步發(fā)展等3 個情景下，分別計(jì)算得到常態(tài)發(fā)展情景下，2046 年完成碳回收，碳回收期為25 年；迅速發(fā)展情景下，2045 年完成碳回收，回收期為24年；緩步發(fā)展情景下，則在2050年完成碳回收，碳回收期為29 年。能源結(jié)構(gòu)和能效水平迅速發(fā)展情景下的碳回收期比緩步發(fā)展情景下的碳回收期少5年，優(yōu)勢明顯。說明能源結(jié)構(gòu)調(diào)整和能效水平提升帶來各個領(lǐng)域的系統(tǒng)性變革，將對城市軌道交通的碳減排帶來顯著的正效應(yīng)。

(3)本文實(shí)現(xiàn)了城市軌道交通線路在基準(zhǔn)線、項(xiàng)目建設(shè)(生命周期的建設(shè)階段)以及項(xiàng)目活動階段(生命周期的運(yùn)營階段)的參數(shù)采集與標(biāo)定。算例結(jié)果表明，本文提出的考慮交通方式轉(zhuǎn)移的城市軌道交通碳減排測算方法和構(gòu)建的城市軌道交通碳回收期模型，可以為我國城市軌道交通的低碳發(fā)展和綜合交通運(yùn)輸碳減排政策的制定提供一定的理論和技術(shù)支撐。