王天旻 馮海霞 魏代梅 李永昌 崔紀(jì)鵬 寧二偉

(1.山東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,山東 濟(jì)南250101;2.山東交通學(xué)院交通與物流工程學(xué)院,山東 濟(jì)南250357)

機(jī)動(dòng)車排放已經(jīng)成為我國交通節(jié)能減排的關(guān)鍵要素,機(jī)動(dòng)車碳排放清單是研究碳排放問題的基礎(chǔ),高精度是排放清單的發(fā)展的方向。機(jī)動(dòng)車碳排放清單指機(jī)動(dòng)車排放源在一定的時(shí)間跨度和空間區(qū)域內(nèi)向大氣環(huán)境排放的CO2的量的集合。除了排放總量之外,機(jī)動(dòng)車排放清單還應(yīng)當(dāng)包括機(jī)動(dòng)車排放時(shí)間和空間的具體分布信息。網(wǎng)格化的排放清單是研究機(jī)動(dòng)車排放的時(shí)空分異特征和排放強(qiáng)度規(guī)律的基礎(chǔ),是運(yùn)行空氣質(zhì)量模型,從而制定空氣質(zhì)量目標(biāo)的基礎(chǔ),更是應(yīng)對(duì)氣候變化、制定公共政策、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展評(píng)估的基礎(chǔ)[1-2]。排放清單的時(shí)空分配是獲取網(wǎng)格化排放清單的必要過程,時(shí)空分配是指對(duì)機(jī)。

排放清單技術(shù)是當(dāng)前世界范圍內(nèi)區(qū)域空氣質(zhì)量改善的核心支撐技術(shù),國內(nèi)外學(xué)者們分別基于宏觀、中觀、微觀尺度的機(jī)動(dòng)車排放模型,如MOBILE、COPERT、IVE、MOVES 等,開展了不同區(qū)域的機(jī)動(dòng)車排放清單研究。目前機(jī)動(dòng)車排放清單的估算方法主要包括“自下而上”和“自上而下”?！白韵露稀狈椒ɑ诼肪W(wǎng)的實(shí)際流量、車型等調(diào)查數(shù)據(jù),該類排放清單的時(shí)空分辨率高且不確定性較小,但數(shù)據(jù)收集的工作大,尤其是用于估算城市規(guī)?；蚋笠?guī)模的排放清單時(shí),需要的數(shù)據(jù)量巨大,且獲得相應(yīng)的交通數(shù)據(jù)較困難。交通大數(shù)據(jù)技術(shù)飛速發(fā)展,大數(shù)據(jù)平臺(tái)的支撐,使基于路段、交通流量核算的“自下而上”的機(jī)動(dòng)車高精度的實(shí)時(shí)排放清單構(gòu)建成為可能。一些學(xué)者基于路段的“自下而上”的方法構(gòu)建計(jì)算了不同區(qū)域的高分辨率的機(jī)動(dòng)車排放清單[5-9]。“自上而下”方法基于宏觀交通需求數(shù)據(jù)和交通運(yùn)行數(shù)據(jù)計(jì)算排放總量,再根據(jù)一定的方法對(duì)排放總量進(jìn)行向下的空間和時(shí)間分配,空間分辨率一般低于“自下而上”方法。目前重要的國際大型清單研究計(jì)劃中,道路排放清單的研究都是重要的組成部分。美國的NEI和INTEX-B、歐盟的CORINAIR 和EDGAR、南美洲的PAPILA 以及清華大學(xué)開發(fā)的中國多尺度排放清單模型(MEIC)中,移動(dòng)源排放清單是重要的組成部分,也均屬于網(wǎng)格化的排放清單,空間分辨率為0.01°×0.01°至1°×1°[10-12]。

目前仍主要采用與排放強(qiáng)度相關(guān)的表征參數(shù)確定分配因子,從而進(jìn)行排放清單的空間分配?？紤]的表征參數(shù)有路網(wǎng)、流量、人口密度、經(jīng)濟(jì)水平、交通興趣點(diǎn)(POI)等,采用空間插值、等級(jí)權(quán)重、比例分配、參數(shù)替代等較簡(jiǎn)單的空間分配方法實(shí)現(xiàn)。以道路等級(jí)、權(quán)重為表征參數(shù)構(gòu)建分配模型是較常用的一種空間分配方法[13-14],人口、國內(nèi)生產(chǎn)總值(GDP)等社會(huì)經(jīng)濟(jì)因子也是機(jī)動(dòng)車排放清單空間分配模型的常用表征參數(shù)。如FAMELI等[15]將人口作為排放的空間特征參數(shù),對(duì)希臘和大雅典區(qū)2006—2010年間道路交通排放的CO2等進(jìn)行了空間分配,并對(duì)其空間特征進(jìn)行了研究。CAI等[16]以GDP數(shù)據(jù)作為分配依據(jù),對(duì)中國道路車輛的揮發(fā)性物質(zhì)排放總量進(jìn)行空間分配?；诘乩硇畔⑾到y(tǒng)(GIS)工具,將人口密度、路網(wǎng)分布、土地利用、流量等因子結(jié)合,構(gòu)建分配因子的方法成為研究的熱點(diǎn)[17-18]。交通流量是道路排放的主要影響因素,但實(shí)時(shí)且全面的道路流量獲取較困難,實(shí)際應(yīng)用中常以路網(wǎng)長度結(jié)合不同等級(jí)道路的權(quán)重設(shè)置方法代替。鄭君瑜等[19]提出了一種基于交通流量與道路系統(tǒng)結(jié)合的標(biāo)準(zhǔn)路長的空間分配方法。王堃等[20]在標(biāo)準(zhǔn)路長方法的基礎(chǔ)上,提出了基于交通POI計(jì)算調(diào)解系數(shù)的空間分配方法。

目前機(jī)動(dòng)車的空間分配方法中鮮有考慮對(duì)車輛瞬時(shí)工況影響較大的坡度因素,且對(duì)影響因素之間的關(guān)聯(lián)分析及耦合影響分析不足。因此,本研究擬選擇影響機(jī)動(dòng)車排放的主要因子,在對(duì)影響因子進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析的基礎(chǔ)上,采用主成分分析方法,提取關(guān)鍵主成分,構(gòu)建多因子綜合的空間分配方法,以獲取網(wǎng)格化的高精度的機(jī)動(dòng)車碳排放清單。

1 研究數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)域

選擇濟(jì)南市作為實(shí)驗(yàn)區(qū),濟(jì)南市是山東省省會(huì),屬于暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū),是環(huán)渤海地區(qū)南翼的中心城市,下轄10 個(gè)區(qū)、2 個(gè)縣。濟(jì)南市250 m分辨率的數(shù)字高程模型(DEM)見圖1。全市機(jī)動(dòng)車保有量超過300萬輛,交通擁堵較嚴(yán)重。2016、2018年濟(jì)南市通勤高峰擁堵排名第一。

圖1 研究區(qū)DEM

1.2 數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)預(yù)處理

交通類數(shù)據(jù)包括機(jī)動(dòng)車、路網(wǎng)數(shù)據(jù)。機(jī)動(dòng)車數(shù)據(jù)包括2021年濟(jì)南市機(jī)動(dòng)車保有量、機(jī)動(dòng)車年檢情況、車輛行駛里程、車輛類型、油品、排放系數(shù)等;路網(wǎng)數(shù)據(jù)包括道路類型、道路等級(jí)、長度、車道、設(shè)計(jì)流量等。自然經(jīng)濟(jì)社會(huì)數(shù)據(jù)包括1 km×1 km 分辨率的GDP、人口密度數(shù)據(jù),250 m 分辨率的DEM 數(shù)據(jù)等。

將研究區(qū)劃分成1 km×1 km 的網(wǎng)格,基于研究區(qū)的DEM 數(shù)據(jù),利用ArcGIS提取研究區(qū)1 km×1 km 分辨率的標(biāo)準(zhǔn)路長、GDP、交通POI、人口密度、坡度等數(shù)據(jù),并根據(jù)網(wǎng)格一一對(duì)應(yīng)。

2 研究方法

2.1 機(jī)動(dòng)車排放清單

采用《2006年IPCC國家溫室氣體清單指南》推薦的方法2,即基于分部門、分燃料品種、分設(shè)備的燃料消耗量等活動(dòng)水平數(shù)據(jù)以及相應(yīng)的排放因子等參數(shù),通過逐層累加綜合計(jì)算得到總排放量。計(jì)算公式見式(1):

式中:ECO2為機(jī)動(dòng)車碳排放總量,kg;s為燃料類型,包括汽油、柴油、天然氣、液化氣等;t為機(jī)動(dòng)車類型,包括小型載客汽車、中型載客汽車等,分類標(biāo)準(zhǔn)參考《道路車輛大氣污染物排放清單編制技術(shù)指南(試行)》;k為排放標(biāo)準(zhǔn),覆蓋國一至國六;F s,t,k為使用s型燃料執(zhí)行k標(biāo)準(zhǔn)的t型機(jī)動(dòng)車碳排放因子,kg/TJ;A s,t,k為使用s型燃料執(zhí)行k標(biāo)準(zhǔn)的t型機(jī)動(dòng)車的燃料消耗量,TJ。

因燃料消耗量目前不屬于公開數(shù)據(jù),故采用《省級(jí)溫室氣體清單編制指南(試行)》中推薦的交通油耗計(jì)算方法估算燃料消耗量,見式(2):

A s,t,k=P s,t,k V s,t,kO s,t,k

(2)

式中:P s,t,k為使用s型燃料執(zhí)行k標(biāo)準(zhǔn)的t型機(jī)動(dòng)車保有量;V s,t,k為使用s型燃料執(zhí)行k標(biāo)準(zhǔn)的t型機(jī)動(dòng)車年均行駛里程,km;O s,t,k為使用s型燃料執(zhí)行k標(biāo)準(zhǔn)的t型機(jī)動(dòng)車單位里程燃料消耗量,TJ/km。

濟(jì)南市2021年機(jī)動(dòng)車保有量為325.96 萬輛。年均行駛里程參考了生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的《道路車輛大氣污染物排放清單編制技術(shù)指南(試行)》中的推薦值。各車型燃料消耗數(shù)據(jù),采用了《乘用車燃料消耗量限值》(GB 19578—2021)、《重型商用車輛燃料消耗量限值》(GB 30510—2018)、《輕型商用車輛燃料消耗量限值》(GB 20977—2015)等標(biāo)準(zhǔn)中的最低值。

根據(jù)式(1)和式(2)可得,濟(jì)南市2021年機(jī)動(dòng)車碳排放總量為1 259.9萬t。

2.2 空間分配模型

結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)路長,提出了一種基于主成分調(diào)解系數(shù)的多因子空間分配模型,以濟(jì)南市為例,模型構(gòu)建過程如下:

首先,根據(jù)相關(guān)研究確定對(duì)機(jī)動(dòng)車排放影響較大的標(biāo)準(zhǔn)路長、人口密度、GDP、交通POI、坡度等因子為空間分配模型的特征參數(shù),確定標(biāo)準(zhǔn)路長為基準(zhǔn)因子,其計(jì)算公式如下:

式中:L i為網(wǎng)格i內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)路長,km;b為道路類型,分為高速、一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)、四級(jí)公路共5個(gè)等級(jí)(根據(jù)公路等級(jí)的設(shè)計(jì)流量和城市道路特征,本研究將城市道路的快速路、主干路、次干路、支路分別與一級(jí)公路、二級(jí)公路、三級(jí)公路及四級(jí)公路進(jìn)行了等同劃分);a為網(wǎng)格中的道路編號(hào);L a,b為屬于b類且編號(hào)a的道路長度,km;C b為b類道路的標(biāo)準(zhǔn)長度換算因子。

然后,對(duì)影響機(jī)動(dòng)車排放4個(gè)影響因子(標(biāo)準(zhǔn)路長除外)進(jìn)行相關(guān)性分析,發(fā)現(xiàn)人口密度、GDP、交通POI這3 個(gè)影響因子之間存在較強(qiáng)的相關(guān)性(見表1)。

表1 相關(guān)系數(shù)矩陣

采用主成分分析法,對(duì)人口密度、GDP、交通POI、坡度4個(gè)影響因子進(jìn)行主成分提取,獲得各主成分的特征值、貢獻(xiàn)率(見表2)。

表2 各主成分的特征值和貢獻(xiàn)率

從表2 可知,前兩個(gè)主成分的貢獻(xiàn)率超過85%,故選擇前兩個(gè)主成分根據(jù)式(4)至式(6)構(gòu)建綜合調(diào)解系數(shù):

p1=0.388x1+0.381x2+0.326x3+0.019x4

(5)

分別為歸一化后的人口密度、GDP、交通POI、坡度數(shù)據(jù)。

以標(biāo)準(zhǔn)路長為基準(zhǔn),構(gòu)建基于主成分綜合調(diào)解系數(shù)的多因子空間分配模型(見式(7))。

式中:E i為網(wǎng)格i內(nèi)機(jī)動(dòng)車的碳排放量,t;W i為網(wǎng)格i的分配權(quán)重。

3 結(jié)果與討論

3.1 濟(jì)南市機(jī)動(dòng)車碳排放的空間分配結(jié)果

基于構(gòu)建的主成分綜合調(diào)解系數(shù)的多因子空間分配模型,將2021年濟(jì)南市1 259.9萬t的機(jī)動(dòng)車碳排放分配至1 km×1 km 的空間里,得到網(wǎng)格化的高精度機(jī)動(dòng)車碳排放清單(見圖2(a)),并基于標(biāo)準(zhǔn)路長的空間分配方法也得到了網(wǎng)格化排放清單(見圖2(b))?；诳臻g分配模型與基于標(biāo)準(zhǔn)路長的分配結(jié)果趨勢(shì)類似,但前者高排放區(qū)的數(shù)值更高,低排放區(qū)更低,對(duì)碳排放量的響應(yīng)更敏感,因此后文采用基于空間分配模型的結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步探討。歷下區(qū)等濟(jì)南中心城區(qū)是高排放的熱點(diǎn)區(qū)域,高速公路與一級(jí)公路形成高排放的線狀地帶,中等排放區(qū)主要集中于二級(jí)公路附近,低排放區(qū)則集中于三、四級(jí)公路附近。以青銀高速(G20)為例,其單個(gè)網(wǎng)格碳排放量最低為0.18萬t,最高達(dá)到4.30萬t,而在等級(jí)較低的四級(jí)公路鄉(xiāng)道A62,其碳排放量最高僅為0.06萬t。

選擇排放量最高和最低的10個(gè)網(wǎng)格進(jìn)行分析(見圖3),機(jī)動(dòng)車年排放量最高的10個(gè)網(wǎng)格的碳排放量從高到低依次為:46 511.73、45 518.43、39 939.87、37 046.10、35 430.42、34 668.23、34 408.98、32 255.80、31 636.18、30 752.53 t,這些網(wǎng)格基本都在高等級(jí)道路相交處附近,如:歷下區(qū)的兩個(gè)網(wǎng)格位于經(jīng)十路和二環(huán)東高架路交叉口處;槐蔭區(qū)的網(wǎng)格位于濟(jì)南繞城高速與經(jīng)十西路的交叉口處;歷城區(qū)的兩個(gè)網(wǎng)格分別在濟(jì)南繞城高速與濟(jì)廣高速、繞城高速與青銀高速交匯處。排放量最低的10個(gè)網(wǎng)格的碳排放量從高到低依次為:66.34、57.69、55.15、49.00、42.59、30.99、28.48、22.00、8.56、6.14 t。這些網(wǎng)格位于各個(gè)行政區(qū)邊緣,為人口、GDP、路網(wǎng)密度較低的區(qū)域。排放最低的網(wǎng)格只有3個(gè)位于DEM較高的山區(qū)。低排放量的網(wǎng)格大多位于低山丘陵區(qū),一是本研究的機(jī)動(dòng)車排放清單的空間分配中沒有考慮標(biāo)準(zhǔn)路長為0的網(wǎng)格,二是本研究構(gòu)建的空間分配模型考慮了坡度的影響,使得坡度較大的地區(qū)的分配結(jié)果更符合實(shí)際情況?？梢?本研究提出的基于主成分調(diào)解系數(shù)的多因子空間分配模型提高了網(wǎng)格化排放清單的空間分辨率和分配結(jié)果的精度。

3.2 討 論

本研究只考慮了機(jī)動(dòng)車的碳排放,但機(jī)動(dòng)車尾氣排放的污染物種類很多,包括氣態(tài)污染物和可吸入顆粒物,這些污染物也可以適用本研究構(gòu)建的空間分配方法進(jìn)行排放清單構(gòu)建。

圖2 網(wǎng)格化的濟(jì)南市機(jī)動(dòng)車碳排放清單

圖3 排放量最高與最低的網(wǎng)格

目前,空間分配模型選的影響因素比較單一,本研究選擇了對(duì)機(jī)動(dòng)車的碳排放影響較大的交通POI、人口密度、GDP、坡度等影響因子,其中,人口、GDP、路網(wǎng)密度3個(gè)影響因素具有強(qiáng)相關(guān)性?，F(xiàn)有的機(jī)動(dòng)車排放空間分配模型中鮮有考慮坡度因子,但坡度對(duì)海拔較高地區(qū)的車輛瞬時(shí)排放影響較大;坡度和其他3個(gè)影響因子的相關(guān)性雖然都很弱,但坡度是第2主成分的主貢獻(xiàn)因子。機(jī)動(dòng)車排放的影響因子眾多,未來研究可以考慮其他影響因子。本研究構(gòu)建的濟(jì)南市機(jī)動(dòng)車排放清單采用的是“自上而下”的方法,未來可與“自下而上”方法構(gòu)建的排放清單進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。

此外,臺(tái)架法、便攜式機(jī)動(dòng)車排放測(cè)試系統(tǒng)(PEMS)、隧道法等方法都是基于單車或者車隊(duì)研究其排放情況,與1 km×1 km 網(wǎng)格內(nèi)的機(jī)動(dòng)車碳排放有一定的差距;目前空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)站監(jiān)測(cè)的空氣質(zhì)量參數(shù)主要為CO、碳?xì)浠衔?HC)、NO2、SO2、細(xì)顆粒物(PM2.5)和可吸入顆粒物(PM10),不包括CO2,這也造成了對(duì)機(jī)動(dòng)車碳排放空間分配方法結(jié)果的驗(yàn)證困難。

4 結(jié) 語

針對(duì)目前機(jī)動(dòng)車排放清單的空間分配方法研究中存在的問題,構(gòu)建了基于主成分綜合調(diào)解系數(shù)的多因子空間分配模型,并基于此獲取了濟(jì)南市1 km×1 km 的高精度網(wǎng)格化機(jī)動(dòng)車碳排放清單,將坡度因子引入了空間分配模型,使得坡度較大的地區(qū)的分配結(jié)果更符合實(shí)際情況,研究發(fā)現(xiàn),濟(jì)南市機(jī)動(dòng)車高排放區(qū)集中于各區(qū)縣的中心城區(qū)和高等級(jí)道路附近。