胡曉偉，包家爍，安實*，唐鵬程

（1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，交通科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱 150090；2.黑龍江省智能交通管理與技術(shù)重點實驗室，哈爾濱 150090；3.中交遠(yuǎn)洲交通科技集團有限公司，石家莊 050035）

0 引言

隨著我國城市化進程的不斷加快和機動車數(shù)量的快速增長，交通運輸行業(yè)已經(jīng)成為溫室氣體和污染物排放的重點領(lǐng)域，據(jù)統(tǒng)計，僅2010年我國交通領(lǐng)域CO2排放就達(dá)到了7.7 億噸[1]。日益增長的交通碳排放不僅對城市氣候和環(huán)境造成影響，也嚴(yán)重阻礙了城市生態(tài)文明建設(shè)和可持續(xù)發(fā)展。中共中央國務(wù)院印發(fā)的《交通強國建設(shè)綱要》中強調(diào)將生態(tài)文明建設(shè)和交通運輸發(fā)展相融合，推進城市交通綠色低碳發(fā)展[2]。我國中央經(jīng)濟工作會議中提出落實2030年應(yīng)對氣候變化國家自主貢獻目標(biāo)，力爭實現(xiàn)2030年前碳達(dá)峰、2060年前碳中和的目標(biāo)。城市交通領(lǐng)域作為主要的碳排放源之一，是實現(xiàn)我國碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的重要發(fā)力點。因此，如何通過政策手段優(yōu)化交通結(jié)構(gòu)，減少城市交通能源消耗和排放，從而在2030年前實現(xiàn)城市交通領(lǐng)域碳達(dá)峰目標(biāo)并促進城市交通可持續(xù)發(fā)展是亟待研究的問題。

國內(nèi)外學(xué)者對城市交通可持續(xù)問題及減排治理策略進行了廣泛研究。PARRY 等[3]運用福利經(jīng)濟理論研究公共交通補貼對城市交通減排的有效性。POOJA 等[4]從社會、經(jīng)濟和環(huán)境這3 個角度進行分析，提出發(fā)展公共交通，減少高能耗車輛的使用等實現(xiàn)城市交通可持續(xù)發(fā)展的對策。HICKMAN 等[5]建立城市交通碳排放仿真模型，模擬采用低排放車輛、替代燃料、定價制度、公共交通等政策的效用，并認(rèn)為實現(xiàn)減排目標(biāo)需要在廣泛的政策機制中采取更有效的行動。LI 等[6]從人、車、路、交通基礎(chǔ)設(shè)施和交通環(huán)境這5個方面提取了衡量低碳交通對城市交通生態(tài)環(huán)境貢獻的主要指標(biāo)。CHATZIIOANNOU 等[7]揭示了交通負(fù)外部性之間的相互關(guān)系，評估可持續(xù)交通策略對社會產(chǎn)生的共同利益。ARIOLI等[8]的研究表明，實現(xiàn)低碳交通目標(biāo)需要在出行方式、技術(shù)和燃料方面作出巨大改變，并需要加大當(dāng)前的政策實施力度。

國內(nèi)的研究中，王波等[9]通過自下而上的計算方法核算廣州市交通領(lǐng)域的碳排放清單，并探討了廣州市交通領(lǐng)域碳達(dá)峰的實現(xiàn)路徑。高怡[10]基于LEAP 模型建立城市交通碳排放測算模型，運用情景分析法設(shè)定不同的政策集合，分析不同情景下城市交通碳排放總量的變化。陳銘等[11]以蘇州市為例，提出提高車輛能源使用效率，發(fā)展公共交通，推進低碳物流技術(shù)等可持續(xù)發(fā)展策略。趙繼敏[12]提出城市交通碳減排的激勵機制與實現(xiàn)途徑，包括發(fā)展TOD 模式，推進節(jié)能減排技術(shù)應(yīng)用以及培育低碳出行文化。

制定城市交通碳達(dá)峰策略的關(guān)鍵在于如何有效量化不同減排治理政策的效用。城市交通運輸系統(tǒng)是一個非線性的復(fù)雜系統(tǒng)，城市交通碳排放受到多種因素的影響，交通減排政策的應(yīng)用能否獲得相應(yīng)或更高的效果尚不確定，因此，需要從系統(tǒng)的角度思考并解決交通碳達(dá)峰問題。系統(tǒng)動力學(xué)是一種模擬系統(tǒng)動態(tài)行為的仿真方法，WELLAR[13]認(rèn)為系統(tǒng)動力學(xué)方法(System Dynamics，SD)能夠有效評估城市交通可持續(xù)發(fā)展政策。張毅等[14]、高妍南等[15]分別運用系統(tǒng)動力學(xué)方法建模分析城市交通可持續(xù)問題。WEN等[16]、王繼峰等[17]分別建立城市交通系統(tǒng)動力學(xué)模型，分析不同交通治理政策對城市交通發(fā)展的影響作用。

城市交通能耗與排放系統(tǒng)包含人口、經(jīng)濟、交通、能源等眾多子系統(tǒng)，具備了復(fù)雜系統(tǒng)所具備的一切特征，并且城市交通在日益發(fā)展和變化，城市交通低碳化與可持續(xù)發(fā)展是一個長期問題，系統(tǒng)動力學(xué)在處理這類高階非線性的復(fù)雜系統(tǒng)和長期性問題時有著顯著優(yōu)勢。除此之外，系統(tǒng)動力學(xué)能夠適用于宏觀管理政策的仿真，具有定性和定量分析相結(jié)合的特點，因此，本文在既有研究基礎(chǔ)之上，深入剖析城市交通能耗與排放系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，利用系統(tǒng)動力學(xué)方法建立碳達(dá)峰下城市交通運輸減排治理的決策模型，以哈爾濱市為例標(biāo)定模型參數(shù)，仿真模擬各類交通減排策略產(chǎn)生的實際效果，并研究如何通過不同的策略組合實現(xiàn)城市交通碳達(dá)峰目標(biāo)，為制定交通碳達(dá)峰政策提供決策依據(jù)。

1 城市交通減排治理決策的系統(tǒng)動力學(xué)模型

1.1 建模流程

根據(jù)系統(tǒng)動力學(xué)方法的建模流程，建立城市交通減排治理決策系統(tǒng)動力學(xué)模型的步驟為：(1)對研究對象進行全面、系統(tǒng)的分析，確定城市交通能源消耗與排放系統(tǒng)的邊界；(2)分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，劃分城市交通能耗與排放系統(tǒng)的子塊，并分析系統(tǒng)要素之間的因果關(guān)系，建立總體和局部的反饋機制；(3)對系統(tǒng)建立定量、規(guī)范的數(shù)學(xué)模型，對模型進行評估和檢驗；(4)依據(jù)模型進行模擬與減排政策分析，尋求實現(xiàn)城市交通碳達(dá)峰的決策方案。建模流程如圖1所示。

圖1 城市交通減排治理決策系統(tǒng)動力模型的構(gòu)建流程Fig.1 Modeling process of system dynamic model of urban transportation emission reduction governance decision-making

1.2 系統(tǒng)邊界確定

合理確定系統(tǒng)邊界是保證系統(tǒng)動力學(xué)模型準(zhǔn)確性的重要前提[18]，城市交通能源消耗與排放系統(tǒng)是一個內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，不僅包括各類交通工具的保有量和排放量，還包括城市人口、經(jīng)濟、交通基礎(chǔ)設(shè)施、交通運行和各類交通政策等組成部分。城市人口、經(jīng)濟和交通政策影響著城市交通需求、供給和運行，因此，將其作為系統(tǒng)的輸入，交通能源消耗、溫室氣體和污染物排放構(gòu)成系統(tǒng)的輸出，系統(tǒng)邊界如圖2所示。

圖2 城市交通能耗與排放系統(tǒng)邊界Fig.2 Boundary of urban transportation energy consumption and emission system

1.3 系統(tǒng)因果關(guān)系

利用因果鏈表示城市交通能耗與排放系統(tǒng)要素間的相關(guān)關(guān)系，得到系統(tǒng)的因果回路圖。人口是城市發(fā)展的重要驅(qū)動力，人口的增加會使城市經(jīng)濟增長，同時也會導(dǎo)致交通需求的增加。經(jīng)濟的增長會使居民的購車意愿提高，導(dǎo)致機動車保有量和出行量的增加。然而，城市交通網(wǎng)絡(luò)的供給能力是有限的，城市機動車出行量的增加會加劇交通供需矛盾，導(dǎo)致交通擁堵，而交通擁堵則會導(dǎo)致能源消耗的額外增加，進而加劇交通排放和污染。從長遠(yuǎn)來看，交通污染排放的增加會導(dǎo)致大氣和環(huán)境污染問題，進而會對城市人口和經(jīng)濟產(chǎn)生負(fù)面影響。城市交通能耗與排放系統(tǒng)因果回路如圖3所示。

圖3 城市交通能耗與排放系統(tǒng)因果回路Fig.3 Causal diagram of urban transportation energy consumption and emission system

1.4 系統(tǒng)流圖

為了清晰、定量地描述城市交通能耗與排放系統(tǒng)的積累效應(yīng)，在因果關(guān)系圖的基礎(chǔ)上建立流圖對模型變量進行詳細(xì)、具體的分析。為方便研究，本文將城市交通能耗與排放系統(tǒng)劃分為7個子系統(tǒng)：人口子系統(tǒng)、經(jīng)濟子系統(tǒng)、私家車子系統(tǒng)、公共交通子系統(tǒng)、物流與貨運子系統(tǒng)、交通基礎(chǔ)設(shè)施子系統(tǒng)、能源消耗與排放子系統(tǒng)。每個子系統(tǒng)內(nèi)部分別包含：狀態(tài)變量、速率變量、輔助變量和常量，各子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4～圖10所示。

圖4 人口子系統(tǒng)Fig.4 Population subsystem

圖5 經(jīng)濟子系統(tǒng)Fig.5 Economy subsystem

圖6 私家車子系統(tǒng)Fig.6 Private car subsystem

圖7 公共交通子系統(tǒng)Fig.7 Public transportation subsystem

圖8 物流與貨運子系統(tǒng)Fig.8 Logistics and freight subsystem

圖9 交通基礎(chǔ)設(shè)施子系統(tǒng)Fig.9 Transportation infrastructure subsystem

圖10 能源消耗與排放子系統(tǒng)Fig.10 Energy consumption and emission subsystem

城市交通減排治理決策系統(tǒng)動力學(xué)模型中的主要方程如表1所示。

表1 模型主要方程Table 1 Main equations of model

2 模型參數(shù)估計與有效性檢驗

本文以哈爾濱市為例，對所建立的城市交通減排治理決策系統(tǒng)動力學(xué)模型進行參數(shù)估計和有效性檢驗。本文主要應(yīng)用現(xiàn)狀調(diào)查、資料搜尋、經(jīng)驗估計和計量經(jīng)濟學(xué)等方法對模型中的變量進行參數(shù)估計。模型中的城市統(tǒng)計數(shù)據(jù)主要來自《哈爾濱統(tǒng)計年鑒》，能源和排放參數(shù)主要來自《國家溫室氣體清單指南》《道路機動車排放清單編制技術(shù)指南》，模型中參數(shù)的初始值(2010年)如表2所示。

表2 模型參數(shù)初始值Table 2 Initial values of model parameters

在Vensim 軟件中輸入模型方程和參數(shù)取值，對2010—2019年系統(tǒng)中的關(guān)鍵變量進行仿真模擬和有效性檢驗。本文選取城市人口數(shù)量、地區(qū)生產(chǎn)總值、私家車保有量、公交車保有量和貨運汽車保有量作為主要的檢驗變量，對比其模擬值與實際值，并計算出兩者的相對誤差，如表3所示。

由表3可知，2010—2019年城市人口、地區(qū)生產(chǎn)總值、私家車保有量、公交車保有量和貨運汽車保有量這5 個變量仿真模擬的相對誤差最大值為8.87%，最小值為-2.92%，每個變量每年的相對誤差絕對值均不超過10%，說明構(gòu)建的模型與歷史趨勢有較好的一致性，可以用于交通減排策略情景模擬。

表3 模型有效性檢驗結(jié)果Table 3 Model validity test results

為進一步檢驗系統(tǒng)動力學(xué)模型的有效性，對所建立的模型進行敏感度分析，從而檢驗系統(tǒng)的行為模式對參數(shù)變化的敏感程度。本文對公交車和出租車的新能源化率進行敏感度分析，不同新能源化率下公交車和出租車碳排放的變化如圖11所示。

由圖11可知，當(dāng)公交車和出租車的新能源化率增加時，會直接影響碳排放，使交通碳排放顯著降低，表明模型在數(shù)值上具有敏感性，且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

圖11 新能源化率敏感度分析Fig.11 Sensitivity analysis of new energy conversion rate

3 哈爾濱市交通減排策略仿真模擬

不同的城市交通減排治理策略會對城市交通能耗與排放的發(fā)展趨勢造成影響。在系統(tǒng)動力學(xué)模型中，通過調(diào)整某些政策變量的值，可以模擬系統(tǒng)在不同政策情景下的發(fā)展趨勢，從而分析不同策略對系統(tǒng)發(fā)展的影響作用。本文在建立模型時為了簡化非關(guān)鍵因素的影響，降低模型的復(fù)雜程度，對模型做出如下假設(shè)：

(1)主要研究城市內(nèi)部交通的溫室氣體與污染排放，城市外部交通(鐵路、水運、航空等)不在研究范圍內(nèi)。

(2)納入中央財政補貼范圍的新能源汽車包括：純電動汽車(BEV)、插電式混合動力汽車(PHEV)和燃料電池汽車(FCEV)，由于燃料電池汽車的技術(shù)尚未成熟，短時間內(nèi)難以形成規(guī)模，因此，模型中的新能源汽車類型只考慮純電動汽車和插電式混合動力汽車。

(3)在計算燃油汽車排放時，不計算燃料開采、生產(chǎn)、運輸階段產(chǎn)生的排放，僅計算使用階段的燃燒排放；在計算電動汽車的排放時，將電力生產(chǎn)的碳排放計算在內(nèi)。

(4)目前我國的火力發(fā)電量占比超過70%，有關(guān)研究表明短期內(nèi)我國以煤炭發(fā)電為主的現(xiàn)象仍將持續(xù)[19]，因此，假設(shè)2030年前仍以火力發(fā)電為主。

本文基于情景分析法設(shè)定不同的交通減排策略情景，選取交通需求管理策略(TDM)、新能源汽車推廣策略(PEV)、公交優(yōu)先策略(DPT)、交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)策略(TIC)和技術(shù)發(fā)展策略(DT)這5 類策略作為哈爾濱市可以采取的減排治理手段，并設(shè)置每類策略的具體方案，如表4所示。

表4 交通減排策略情景設(shè)置Table 4 Traffic emission reduction strategy scenario settings

在Vensim 軟件中調(diào)整相關(guān)變量的取值，仿真模擬5 種減排策略情景下哈爾濱市交通能源消耗與碳排放的變化趨勢，仿真結(jié)果如圖12和圖13所示。

圖12 單一策略情景下城市交通能源消耗總量變化趨勢Fig.12 Trend of urban transportation energy consumption under single strategy scenario

圖13 單一策略情景下城市交通碳排放總量變化趨勢Fig.13 Trend of urban transportation carbon emissions under single strategy scenario

由仿真結(jié)果可知，5 種策略均能使城市交通能源消耗和碳排放總量降低，但是實施效果不盡相同。短期內(nèi)降低車輛百公里油耗和燃料排放系數(shù)能取得顯著的減排效果，但從長期來看，交通需求管理策略的實施效果最好。而交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)策略實施所帶來的碳減排量甚微，表明增加交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)盡管能在一定程度上緩解交通擁堵，但是會帶來更多潛在的交通需求，對碳減排的效果是有限的。綜合來看，2022—2030年5 種減排策略實施所帶來的累積CO2減排量分別為：2065 萬t、720萬t、610萬t、330萬t和2100萬t，從大到小排列為：發(fā)展技術(shù)＞交通需求管理＞推廣新能源汽車＞發(fā)展公共交通＞交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。

盡管上述幾種交通減排策略的實施能有效降低城市交通碳排放，但是每年的城市交通碳排放總量仍呈上升趨勢，表明僅采用單一的策略工具難以實現(xiàn)2030年前碳達(dá)峰的目標(biāo)，因此，需要對單一策略進行整合。根據(jù)5 種單一策略實施的減排效果，設(shè)置5 種策略組合方案，仿真運行結(jié)果如圖14所示。

圖14 組合策略情景下城市交通碳排放總量變化趨勢Fig.14 Trend of urban transportation carbon emissions under combined strategy scenario

由仿真結(jié)果可知，實施組合策略取得的減排效果和單一策略相比更為顯著，能夠在2030年前實現(xiàn)碳達(dá)峰的策略組合為：TDM+PEV、TDM+DT+PEV和TDM+DT+PEV+DPT，3種情景下哈爾濱市交通CO2排放峰值分別為：1571 萬t、1437 萬t 和1369 萬t，相較基準(zhǔn)情景下的累積減排率分別為：22.6%、31.1%和33.2%。這表明交通需求管理策略和推廣新能源汽車是使得城市交通碳排放達(dá)到峰值的關(guān)鍵舉措，而發(fā)展技術(shù)策略實施后雖然能夠降低汽車的百公里油耗，但同時也降低了燃油汽車的出行成本，反而會促進燃油汽車的使用，從長遠(yuǎn)來看仍會使得交通碳排放呈增長趨勢，無法從根本上治理交通排放。

除了CO2排放之外，模型中也包含了污染物排放的計算，組合策略情景下CO 和HC 兩種交通污染物排放的變化如圖15和圖16所示。

圖15 組合策略情景下城市交通CO排放總量變化趨勢Fig.15 Trend of urban transportation CO emissions under combined strategy scenario

圖16 組合策略情景下城市交通HC排放總量變化趨勢Fig.16 Trend of urban transportation HC emissions under combined strategy scenario

可以看出，組合策略的實施對于降低交通污染物排放的成效也是顯著的，綜合實施交通需求管理策略和新能源汽車推廣策略能夠使污染物排放量逐年下降，同樣能夠?qū)崿F(xiàn)2030年前交通污染物排放達(dá)峰。

4 結(jié)論

本文對城市交通能耗與排放系統(tǒng)進行詳細(xì)的剖析與子系統(tǒng)劃分，將不同種類的交通能源消耗考慮在內(nèi)，利用系統(tǒng)動力學(xué)方法建立碳達(dá)峰目標(biāo)下的城市交通運輸減排治理決策模型，以哈爾濱市為案例進行策略仿真分析，考察了交通需求管理策略、新能源汽車推廣策略、公交優(yōu)先策略、交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)策略和技術(shù)發(fā)展策略的實施效果，研究了單一減排治理策略和組合策略情景下城市交通CO2排放和污染物排放的變化趨勢，得出如下結(jié)論：

(1)2022—2030年哈爾濱市通過交通需求管理、新能源汽車推廣策略、公交優(yōu)先策略、交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)策略和技術(shù)發(fā)展策略這5 種減排策略的實施，帶來的累積CO2減排量分別為：2065萬t、720萬t、610萬t、330萬t和2100萬t。從長期來看，交通需求管理策略能夠取得最優(yōu)的減排效果，而交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)策略的效果是有限的。發(fā)展技術(shù)策略情景下短期內(nèi)城市交通碳排放總量下降顯著，但是會使燃油汽車的使用成本降低，從長遠(yuǎn)來看會促進燃油汽車的使用，仍會使交通碳排放呈增長趨勢。

(2)根據(jù)仿真結(jié)果，采用單一的策略工具后城市交通碳排放總量仍會逐年增長，實現(xiàn)交通碳達(dá)峰目標(biāo)需要綜合實施多種策略。交通需求管理和推廣新能源汽車是實現(xiàn)城市交通碳達(dá)峰的關(guān)鍵舉措，2022—2030年哈爾濱市采用包含交通需求管理和推廣新能源汽車策略的3 種策略組合方案均能夠使2030年前城市交通CO2和污染物排放達(dá)到峰值，其中CO2排放峰值分別為：1571 萬t、1437 萬t 和1369 萬t，相較基準(zhǔn)情景下的累積減排率分別為：22.6%、31.1%和33.2%。

(3)推進城市交通碳達(dá)峰需要科學(xué)施策，首先，應(yīng)將交通需求管理策略作為最優(yōu)先實施的調(diào)控策略，從行政法規(guī)、經(jīng)濟杠桿等多個方面綜合施策，限制燃油私家車增長和出行。其次，在實施新能源汽車推廣策略時，應(yīng)繼續(xù)提高新能源汽車補貼，率先在共享出行、公共交通和貨運物流領(lǐng)域推廣純電動汽車，并制定燃油汽車更新計劃，不斷提高純電動汽車在各個領(lǐng)域的運營比重。最后，在發(fā)展技術(shù)方面，現(xiàn)階段減排技術(shù)的研發(fā)應(yīng)著眼于提高燃料質(zhì)量，降低燃料的排放系數(shù)，當(dāng)新能源汽車市場走向成熟時，應(yīng)大力發(fā)展清潔車輛技術(shù)，降低新能源汽車的百公里能耗，同時，應(yīng)盡早制定更加嚴(yán)格的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，并建立對車輛和能源生產(chǎn)商發(fā)展新技術(shù)的激勵機制。