代洪娜, 曾煜磊, 施慶利, 孫 婷

(1. 山東交通學(xué)院交通與物流工程學(xué)院, 濟南 250357; 2. 山東交通學(xué)院頓河學(xué)院, 濟南 250357;3. 山東省交通規(guī)劃設(shè)計院集團有限公司, 濟南 250357)

2021年國務(wù)院發(fā)布《國家綜合立體交通網(wǎng)規(guī)劃綱要》,推進低碳交通運輸體系建設(shè),推動經(jīng)濟、社會低碳轉(zhuǎn)型[1-2]。作為我國碳排放量增長最快的行業(yè)之一,公路運輸在我國所有交通運輸方式中占據(jù)主體位置,也是碳排放的主要排放源[3]。高速公路作為公路運輸網(wǎng)的重要組成部分,因其安全性高、速度快、可達性好等特點承擔(dān)了大部分的公路運輸任務(wù)[4],其碳排放的減排潛力大。鑒于此,如何精細化測度高速公路碳排放至關(guān)重要,準(zhǔn)確評估高速公路網(wǎng)絡(luò)中各個區(qū)域的碳排放水平,深入分析區(qū)域內(nèi)高速公路網(wǎng)的碳排放空間分布特征,有助于揭示不同區(qū)域之間的差異以及潛在原因,進而有效控制高速公路的碳排放量、對推動區(qū)域交通運輸雙碳目標(biāo)的實現(xiàn)具有重要現(xiàn)實意義,進一步推動我國低碳經(jīng)濟發(fā)展。

目前,國內(nèi)外學(xué)者主要采用總量-結(jié)構(gòu)法、全生命周期法、“自上而下法”、“自下而上法”等交通運輸碳排放測算方法,并對不同區(qū)域、不同交通方式的交通碳排放進行研究。例如,運用“全生命周期法”對城市公共交通和鐵路基礎(chǔ)設(shè)施的碳排放進行分析[4-6];運用“總量-結(jié)構(gòu)法”測算合肥市城市交通的碳排放量[7];通過總量結(jié)構(gòu)法分析中國2004—2019年航空碳排放效率的時空分布與格局演化過程[8];采用IPCC(Intergovernmental Panel on Climate Change)自上而下模型[9-11]分別對國內(nèi)城市能源消耗碳排放和西班牙水路運輸碳排放水平進行測算[12-14];通過IPCC自下而上法[15-19](車輛的詳細參數(shù)例如行駛里程與單位里程能耗)評估北京碳排放的結(jié)構(gòu)、減排潛力和成本[20-21];采用IPCC自下而上法計算比利時、南非和萊索托的道路溫室氣體排放[22-23];以國家和州為單位,應(yīng)用IPCC法測算土耳其1971—2014年間交通CO2排放量和美國50個州和哥倫比亞特區(qū)的CO2排放量[24-25]。通過自下而上法分析高速公路、高速鐵路行車運營階段的碳排放效應(yīng)[26-27];通過LEAP模型測算京津冀縣市2005—2014年的公路客運交通碳排放[28]。眾多學(xué)者對交通碳排放的測算方法展開了分析研究,但是仍有不足:一是多數(shù)未考慮機動車車型和行駛路況的差異,測算精度較低;二是多數(shù)以微觀的局部路段為研究對象,缺少從宏觀路網(wǎng)層級對碳排放高值路段進行綜合分析;三是多數(shù)研究以鐵路和航空為研究對象,但以公路特別是高速公路精細化碳排放測算的研究較少。

本研究通過高速公路門架數(shù)據(jù)、2019年道路貨運量專項調(diào)查等多源交通數(shù)據(jù),綜合考慮新能源車型、客貨車全類型車輛及路段飽和度Rv/C(路段實際交通流量與路段通行能力的比值),構(gòu)建改進的“自下而上法”以測度高速公路網(wǎng)碳排放量,并以山東省為例進行實證分析,研究不同車型、不同路段、不同市縣的高速公路網(wǎng)車輛碳排放量分布特性,為區(qū)域交通碳排放相關(guān)政策監(jiān)管、交通運輸“碳達峰”時間點研判提供理論支撐。

1 高速公路車輛能耗的精細化測算

1.1 數(shù)據(jù)分類

本研究依據(jù)高速公路的門架數(shù)據(jù)和高速公路計費標(biāo)準(zhǔn)將車輛類型分為10類(見表1),其中,客車按座位數(shù)量的規(guī)格分為I～Ⅳ類,貨車按車軸數(shù)的規(guī)格分為I～Ⅵ類。

表1 高速公路機動車分類標(biāo)準(zhǔn)

1.2 不同車型能耗的精細化測算方法

本研究選擇不同車型油耗量和電耗量作為直接觀測量,其中客車油耗來自汽車能源查詢平臺與客車網(wǎng),貨車油耗來自卡車網(wǎng)與實地調(diào)研數(shù)據(jù)。

根據(jù)高速公路收費數(shù)據(jù)預(yù)處理后表明,Ⅰ類客車能耗使用為汽油的車輛數(shù)量占比88.6%,Ⅱ～Ⅳ類客車能耗使用為柴油的車輛占88.4%,Ⅰ～Ⅵ類貨車能耗使用為柴油的車輛占98.9%。新能源車輛占高速公路通行車輛總數(shù)的1.7%。客車中I類客車在能源查詢平臺取其油耗均值,I類客車平均百公里油耗為7.6 L;山東省客車Ⅱ～Ⅳ類主要品牌有4種,通過客車網(wǎng)獲取不同車型油耗均值信息(見表2)。

表2 山東省Ⅱ～Ⅳ類客車品牌的油耗

目前,Ⅰ～Ⅳ類貨車各品牌保有量前4名的車型的油耗均值為參照(見表3)。Ⅴ～Ⅵ類貨車具體油耗由2019年公路貨運量專項調(diào)查進行實地調(diào)研獲取。調(diào)研結(jié)果表明,Ⅴ類貨車平均百公里油耗為33.9 L;Ⅵ類貨車平均百公里油耗為41.8 L。同時,考慮車輛能耗真實數(shù)值與理論能耗有差異,故根據(jù)1 479輛貨車、590輛客車進行校準(zhǔn),將能耗實際值除以能耗理論值得到理論能耗修訂系數(shù)(見表4)。

表3 山東省Ⅰ～Ⅳ類貨車主要品牌的油耗

表4 不同車型的理論能耗修訂系數(shù)

2 基于改進IPCC的高速公路網(wǎng)碳排放精細化測算方法

2.1 高速公路網(wǎng)碳排放模型的計算流程

本研究首先根據(jù)各大平臺和實際調(diào)研實測數(shù)據(jù)對高速公路10種不同收費車型、新能源車輛進行能耗數(shù)據(jù)校準(zhǔn),針對高速公路門架收費數(shù)據(jù)和調(diào)研數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,綜合考慮高速公路10種不同收費車型、新能源車輛,確定高速公路網(wǎng)碳排放模型的相關(guān)變量,從而構(gòu)建模型框架,針對高速公路網(wǎng)進行實例驗證,計算流程如圖1所示。

圖1 基于改進IPCC的高速公路網(wǎng)碳排放模型計算流程

2.2 高速公路車輛碳排放的測算模型

基于“自下而上”法構(gòu)建高速公路路網(wǎng)碳排放的測算模型,根據(jù)實際路網(wǎng)不同路段的飽和度測算實際耗油量,包含10種機動車車型和新能源車型。該模型在高能耗和高排量車輛的識別以及分析結(jié)果的全面性和可信度上具有優(yōu)勢。

根據(jù)“IPCC碳排放核算方法”:

CEFi=NCVPFCOFρiK,

(1)

CDEi=FCCEFi,

(2)

其中,CEFi為i型燃油碳排放系數(shù)(每kg燃油排放的CO2質(zhì)量kg,全文同);NCV為燃料平均低位發(fā)熱量(kJ/kg:每kg質(zhì)量的物體燃燒產(chǎn)生的熱量kJ);PF為潛在碳排放系數(shù),通過單位熱值燃料所含碳元素的質(zhì)量表示(t-C/TJ為每TJ熱值染料所含C的質(zhì)量t,后文用單位“t/TJ”表示);COF為燃料碳氧化率(%);ρi為i型燃油的密度;K為碳轉(zhuǎn)化效率,取3.67;CDEi為i型燃油二氧化碳排放量(kg);FC為燃料消耗量(L)。

參考《中國能源統(tǒng)計年鑒2021》,式(1)～式(2)中參數(shù)的取值范圍如表5所示。按照式(1)計算得到我國柴油的CEF為3.10、汽油的CEF為2.93。根據(jù)《中國汽車低碳行動計劃研究報告》,新能源車輛的平均碳排放系數(shù)為164.5 g/km(每km排放的CO2質(zhì)量)。

車輛在高速公路w路段的碳排放測算模型:

(3)

(4)

Nbw=CwYw,

(5)

其中,CDEaw表示a類車在w路段的碳排放量(kg);FCa表示a類燃油車百公里油耗(L);Dw表示w路段的長度(km);Naw表示w路段a類車數(shù)量;CDEbw表示b類新能源車行駛在w路段的碳排放量(kg);FCb表示b類新能源車輛百公里平均碳排放系數(shù),Nbw表示w路段b類新能源車的數(shù)量;Cw表示w路段的車輛總數(shù);Yw表示w路段的新能源車輛數(shù)量占比。

2.3 考慮不同飽和度的高速公路不同路段碳排放的測算模型

由于機動車在不同飽和度路段行駛時,不同程度的擁堵、車速等均會對車輛的能耗產(chǎn)生影響,進而影響車輛的碳排放量,因此結(jié)合飽和度,參考車輛能耗試驗表(表6、表7)[29],將“區(qū)域行駛工況”納入計算模型(由于新能源汽車相比燃油車碳排放數(shù)值較小,故新能源采用統(tǒng)一碳排放系數(shù),不區(qū)分工況差異):

表6 客車油耗及碳排放率數(shù)據(jù)

表7 貨車油耗及碳排放率數(shù)據(jù)

FCa=FCa(kw)=61.783(Rv/C)2-54.251(Rv/C)+79.695

(6)

FCa=FCa(hw)=25.465(Rv/C)2-23.093(Rv/C)+22.484

(7)

在式(6)～式(7)中,FCa(kw)表示客車各類車輛行駛在不同Rv/C高速公路上w路段的油耗實測值(L),FCa(hw)表示貨車各類車輛行駛在不同Rv/C的高速公路上w路段的實測耗油量(L)。

2.4 區(qū)域高速公路碳排放的測算模型

考慮客貨車全車型、路段飽和度、新能源車輛占比,建立全高速公路網(wǎng)的碳排放測算模型:

(8)

(9)

其中,CDES表示市域內(nèi)X個縣的高速公路網(wǎng)碳排放總量和(kg);CDEX表示縣域內(nèi)高速公路網(wǎng)m條路段全部車型的碳排放總量(kg);CDEw表示全部車型在w路段的碳排放總量(kg);n表示車輛類型的數(shù)量(取10);m表示在當(dāng)前高速公路范圍內(nèi)精細化測算的路段總數(shù)。

3 實例分析

3.1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)來源

山東省經(jīng)濟實力強勁且發(fā)展較快,作為全國首個交通強國省域示范區(qū),近年來山東省綜合立體交通網(wǎng)建設(shè)實現(xiàn)跨越發(fā)展,良好的經(jīng)濟社會發(fā)展環(huán)境吸引了大量的客流和貨流。2021年山東省公路里程居全國第三,高速公路里程居全國第五,公路貨運量居全國第一。本研究日均高速公路車流數(shù)據(jù)從高速公路收費系統(tǒng)中獲取,選取數(shù)據(jù)的時間為2021年9月份,數(shù)據(jù)中包括省域范圍內(nèi)的1 445個門架,門架日均數(shù)據(jù)包含每輛車途經(jīng)門架的時間、門架編號、車牌號、車型、車重等信息,日均數(shù)據(jù)量約為2 100萬條。

3.2 高速公路客貨車碳排放的空間特征

3.2.1 客車碳排放空間特性分析 運用ArcGIS軟件將Ⅰ～Ⅳ類客車的碳排放等級分為5個梯度(圖2～圖3)。Ⅰ類客車碳排放量高值路段主要集中在G20青銀高速濟南繞城高速段、G2011青新高速青島繞城高速段、G35濟廣高速殷家林立交至長清段等。Ⅱ類客車的數(shù)量以商務(wù)出行為主,在客車總量中占比最小、碳排放總量最低。Ⅲ和Ⅳ類客車的碳排放高值路段分布(圖3)與Ⅰ類、Ⅱ類客車存在差異,主要原因在于兩類車型主要以市際或省際出行,碳排放高值路段相對于Ⅰ類、Ⅱ類客車,向濟南、青島靠攏的趨勢更加明顯,尤其是Ⅳ類客車其碳排放高值路段在濟南市、青島市周圍路段。

圖2 山東省高速公路客車(Ⅰ～Ⅱ)碳排放空間格局

圖3 山東省高速公路客車(Ⅲ-Ⅳ)碳排放空間格局

總體來看,Ⅰ～Ⅳ類客車碳排放高值路段主要集中于濟南、青島和濟青通道沿線地區(qū),高值碳排放路段常年因客流量大,較易發(fā)生擁堵,從而易造成高油耗高碳排放的情況,碳排放低數(shù)值路段往往分布在省域邊緣地區(qū)或者交通網(wǎng)絡(luò)末梢等交通量不大、運行狀況良好的區(qū)域。其差異性表現(xiàn)在Ⅰ類到Ⅳ類客車碳排放高值路段在省域內(nèi)覆蓋范圍不斷擴大、連續(xù)高值路段不斷延伸的趨勢。

3.2.2 貨車碳排放的空間特性分析 運用ArcGIS軟件將Ⅰ～Ⅵ類貨車碳排放等級分為5個梯度(圖4～圖6)。Ⅰ類貨車(圖4A)碳排放量在6種貨車類型中處于首位,碳排放高值路段聚集在濟南、青島的中心區(qū)域,外圍區(qū)域的碳排放量相對較低。Ⅱ類貨車(圖4B)碳排放高值路段以濟南、青島為核心區(qū)域,開始向山東省南部和北部延展。Ⅰ～Ⅱ類貨車屬于輕型貨車,考慮其輕便、短途出行的特性,其碳排放較高的地市亦集中于經(jīng)濟圈內(nèi)的城市內(nèi)部出行,從而造成了濟南和青島為中小型貨車“碳排放高值區(qū)”。

圖4 山東省高速公路貨車(Ⅰ～Ⅱ)碳排放的空間格局

Ⅲ類貨車(圖5A)碳排放高值路段包括山東省多條南北向國家級高速公路(G1511日蘭高速)和北部東西向省級高速公路(S12濱德高速)。Ⅳ類貨車(圖5B)與其他類型貨車相比,碳高值路段除了中心區(qū)域外,分布相對零散。Ⅴ類貨車碳(圖6A)排放量在所有貨車類型中占比最少。Ⅵ類貨車(圖6B)碳排放高值路段覆蓋范圍最廣,特別在省域的北部和南部路段,尤其是國家級高速G1511、G18。這是由于該類車型以大于500 km的長距離出行為主。Ⅲ～Ⅵ類貨車與其他車型對比,碳排放量較高的地市地理位置布局出現(xiàn)顯著差異,除了濟南市、青島市外,濰坊市、泰安市、德州市、煙臺市地區(qū)的貨車碳排放量亦相對較高,這些市毗鄰濟南和青島,一方面由于過境交通產(chǎn)生出行需求,另一方面這些城市自身的工業(yè)、農(nóng)業(yè)優(yōu)勢,腹地服務(wù)輻射范圍較廣,產(chǎn)生了較大的貨物運輸需求。

圖5 山東省高速公路貨車(Ⅲ～Ⅳ)碳排放的空間格局

圖6 山東省高速公路貨車(Ⅴ～Ⅵ)碳排放的空間格局

Ⅰ～Ⅵ類貨車碳排放空間分布的趨近性為碳排放高值路段在山東省省會和膠東兩大經(jīng)濟圈和濟青通道均有分布,在魯東北沿海、魯南部分路段碳排放量整體較低;差異性為貨車載重越少,碳排放空間分布越密集,Ⅰ類貨車碳排放高值路段主要匯聚于山東省兩大經(jīng)濟圈和濟青通道,Ⅱ類貨車的碳排放高值路段覆蓋范圍相比Ⅰ類在全省范圍內(nèi)有一定擴大。Ⅲ類貨車至Ⅵ類貨車,碳排放高值路段在省域內(nèi)的覆蓋范圍不斷擴大,出現(xiàn)連續(xù)的長距離高值路段。

3.2.3 高速公路網(wǎng)全車型碳排放量分析 運用ArcGIS軟件將全類型客貨車日均碳排放量等級分為5個梯度(圖7)。

圖7 山東省高速公路客貨車全車型碳排放空間格局

(1)從車型分布看,山東省高速公路網(wǎng)客貨車日均碳排放總量為17 301 t,貨車為山東省高速公路網(wǎng)碳排放的主要來源,碳排放量為9 465 t,為碳排放總量的54.71%;客車碳排放量為 7 836 t,為碳排放總量的45.29%。根據(jù)各類車型分析,省域高速公路網(wǎng)碳排放的主要來源是中小型機動車和大型貨車,其中Ⅰ類客車,Ⅰ類和Ⅵ類貨車的影響最大,特別是Ⅰ類客車碳排放量7 110 t,為高速公路碳排放總量的41.1%和客車排放總量的91.8%;Ⅰ類和Ⅵ類貨車碳排放量分別為3 104、2 699 t,為高速公路碳排放總量的19.1%、15.6%。

(2)從路段分布看,高速公路網(wǎng)碳排放高值路段主要匯聚在國家高速公路,如G2011青新高速(夏莊-李村段)、G20青銀高速等路段;碳排放低值路段分布于省域西南部、東北部和沿海的部分省級高速公路,如S62青島膠東機場高速、S29濱臺高速等。

(3)從收費站看,交通樞紐節(jié)點、沿海港口、高鐵、機場等附近路段碳排放量整體較高。(a)省域內(nèi)的交通樞紐節(jié)點,如遙墻機場、華山北樞紐、青島西站;(b)主要的海港附近路段的碳排放量整體較高,如青島市、煙臺市、日照市內(nèi)的港口;(c)立交路段,如濟樂青銀立交、長深濟東立交的碳排放量也相對較高。

3.3 市縣尺度下高速公路網(wǎng)碳排放空間特征

3.3.1 市域視角高速公路碳排放空間特征 基于圖5分析山東省地市級高速公路網(wǎng)碳排放空間分布特征。

(1)從經(jīng)濟圈分布看,省域內(nèi)高速公路碳排放較高的城市主要匯聚在綜合交通便捷、經(jīng)濟基礎(chǔ)良好、人口密集的省會經(jīng)濟圈、膠東經(jīng)濟圈,其中省會經(jīng)濟圈的碳排放量最高,為8 358 t,是全省碳排放總量的48.3%,膠東經(jīng)濟圈的碳排放量位列其次,為6 445 t,是山東省碳排放總量的37.2%。

(2)從地市分布看,碳排放量相對較高的地市為濟南市、青島市和濰坊市,其中青島市碳排放量最高(3 044 t),是全省碳排放總量的17.6%,濟南市碳排放量位列其次(2 508 t),是全省碳排放總量的14.5%。在濟青沿線的城市,其主要碳排放來源為Ⅰ類客車,如濟南市Ⅰ類客車碳排放量(1 198 t)是濟南市碳排放總量的47.8%,青島市Ⅰ類客車碳排放量(1 431 t)是青島市碳排放總量的46.7%。碳排放量相對較低的地市(例如東營市、威海市、棗莊市)主要處于省域邊緣地區(qū),其中威海市碳排放量為全省最低,全車型碳排放總量僅為726 t,占全省碳排放總量的4.2%。

濟南市和青島市都為經(jīng)濟發(fā)達且人口密集的區(qū)域,是高速交通交織成網(wǎng)的重要區(qū)域,以濟青通道連接濟南、青島,以濟南為節(jié)點橫貫山東中部通道,南北縱向京滬通道,所以客貨流量呈現(xiàn)高值,碳排放量相對較高;山東省域邊緣市通常高速交通模式較為單一,處在高速交通網(wǎng)神經(jīng)末梢,形成了高速交通相對弱勢地區(qū),所以客貨流量呈現(xiàn)低值,形成了碳排放低值路段。

3.3.2 縣域視角高速公路碳排放的空間特征 基于圖8的區(qū)域分析,高速公路碳排放格局呈現(xiàn)明顯的空間差異性,客貨全類型車輛碳排放量較高的縣區(qū)由濟青通道連接,主要分布于山東省中部的省會經(jīng)濟圈、東部的膠東經(jīng)濟圈內(nèi)以及在濟南市和青島市所轄縣區(qū)。例如,濟南市的歷城區(qū)和槐蔭區(qū)以及青島市的膠州區(qū)和黃島區(qū)等。碳排放高值區(qū)縣內(nèi)的高速公路網(wǎng)密集且覆蓋率高、區(qū)縣人口多、高速公路通行需求大,區(qū)縣內(nèi)依靠高鐵、機場、港口等吸引了大量資源和客貨流。碳排放高值區(qū)的歷城區(qū)是濟南市人口最多的區(qū)縣,交匯了多條南北向國家級高速公路與繞城高速;設(shè)有遙墻機場,也為歷城區(qū)帶來巨大的客貨流出行需求。碳排放低值縣區(qū)主要分布在省域邊緣地界和遠離綜合交通樞紐地域,這些地區(qū)的經(jīng)濟基礎(chǔ)較弱、自身地形環(huán)境復(fù)雜、交通基礎(chǔ)設(shè)施不完善。

圖8 客貨車市域碳排放空間格局

4 結(jié)論

為實現(xiàn)雙碳背景下的低碳公路發(fā)展目標(biāo),本研究基于高速公路門架收費數(shù)據(jù)和實際調(diào)研實測數(shù)據(jù),綜合考慮高速公路10種不同收費車型、新能源車輛及路段飽和度,構(gòu)建改進“自下而上法”的高速公路網(wǎng)碳排放精準(zhǔn)測算模型,從“都市圈-市級-縣級”層面分析了高速公路碳排放的空間差異,主要結(jié)論如下:

(1)高速公路碳排放主要來自于出行頻次較高的Ⅰ類客車、Ⅰ類和Ⅵ類貨車等,貨車是主要碳排放源,碳排放量為9 465 t,占總量的54.71%;客車碳排放量為7 836 t,占比45.29%。高速公路的碳排放測算需根據(jù)車型分類進行分析。

(2)高速公路碳排放量高值路段總體呈現(xiàn)出在毗鄰經(jīng)濟較為發(fā)達和人口密集城市的繞城高速,鄰近機場、港口、高鐵等綜合交通樞紐,東西方向濟青通道、南北方向京滬通道上,呈空間集聚分布特征。Ⅰ～Ⅳ類客車的碳排放高值路段分布覆蓋范圍不斷擴大、路段長度不斷增加。Ⅰ類至Ⅵ類貨車的碳排放高值路段大體分布在山東省主要通道G2、G3、G18、G20京滬、濟青的高速公路上。

(3)山東省高速公路碳排放較高的核心地市濟南市、青島市領(lǐng)頭效應(yīng)突出,形成濟青通道帶連接雙核的“碳排放高值帶”。從縣區(qū)角度看,高速公路網(wǎng)碳排放的空間差異明顯,濟南市、青島市所轄縣區(qū)大部分都是碳排放量較高的縣區(qū)。

針對不同類型的機動車輛差異化碳排放特征,在制定碳排放治理政策時,由于Ⅰ類客車的數(shù)量龐大、碳排放總量較高,需考慮從控制機動車保有量增長、優(yōu)化客車的能源結(jié)構(gòu),推廣新能源汽車,給予新能源汽車購車優(yōu)惠補貼等措施;針對Ⅵ類貨車碳排放量和耗油量較高的問題,可通過差異化收費、優(yōu)化貨車的行駛路線、優(yōu)化高速公路的服務(wù)區(qū)物流資源,以減少貨車的“空載”行為。針對高速公路碳排放高值的市縣,可結(jié)合區(qū)域高速公路瓶頸路段的擴容,提升路段的通行能力,降低路段的擁堵程度,從而提高全路網(wǎng)尤其是鄰近中心城區(qū)的車輛行駛速度以降低車輛碳排放量。本研究受數(shù)據(jù)等因素限制,不同等級公路的設(shè)計速度、交通組成、天氣等都存在差異,故車輛的油耗和行駛狀況也可能表現(xiàn)不同,后續(xù)將在不同天氣條件下的碳排放量測算以區(qū)域碳排放時空演化規(guī)律等方向繼續(xù)深入研究。