高速鐵路和航空運(yùn)輸?shù)母?jìng)爭(zhēng)：對(duì)環(huán)境的影響以及緩解策略

李傳勇

（中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司 四川 成都 610031）

高速鐵路和航空運(yùn)輸?shù)母?jìng)爭(zhēng)：對(duì)環(huán)境的影響以及緩解策略

李傳勇譯

（中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司 四川 成都 610031）

本文建立了一個(gè)雙寡頭模型來(lái)分析高鐵和航空運(yùn)輸二者之間的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)環(huán)境所產(chǎn)生的影響，將誘發(fā)運(yùn)輸需求、班次頻率和高鐵時(shí)速等因素納入考慮。研究表明這兩種模式之間的競(jìng)爭(zhēng)有可能對(duì)環(huán)境的影響是負(fù)面的，這取決于高鐵對(duì)航空運(yùn)輸?shù)奶娲?yīng)和高鐵對(duì)交通需求的誘發(fā)效應(yīng)二者之間的權(quán)衡。本文對(duì)倫敦—巴黎的運(yùn)輸市場(chǎng)進(jìn)行了模擬研究，因?yàn)楦哞F占據(jù)了兩地之間70%的運(yùn)輸市場(chǎng)份額。高鐵的引入對(duì)空氣中顆粒物的作用是負(fù)面的，但對(duì)溫室氣體排放的作用是正面的。當(dāng)高鐵和航空運(yùn)輸排放之間的比率相對(duì)較小時(shí)，高鐵的引入既沒(méi)有增加空氣中顆粒物也沒(méi)有增加溫室氣體。然而，當(dāng)高鐵目標(biāo)函數(shù)中的社會(huì)福利的權(quán)重增大時(shí)，這種競(jìng)爭(zhēng)可能對(duì)環(huán)境的影響變?yōu)樨?fù)面。與航空運(yùn)輸相比，高鐵的環(huán)境友好程度取決于用于發(fā)電的能源組合（這受運(yùn)營(yíng)高鐵國(guó)家很大程度的約束）。因此，管理當(dāng)局在評(píng)估引入高鐵對(duì)環(huán)境的影響時(shí)，應(yīng)將能源政策和減排措施納入考慮。

高速鐵路；航空運(yùn)輸；競(jìng)爭(zhēng)；環(huán)境；緩解策略；倫敦—巴黎運(yùn)輸市場(chǎng)

1 引言

保護(hù)環(huán)境和阻止全球氣候變暖一直是歐盟的政策優(yōu)先方向。歐盟領(lǐng)導(dǎo)人已簽署了減排目標(biāo)，到2050年，歐洲溫室氣體（GHG）的排放量同比1990年要減少80-95%。具體來(lái)說(shuō)，到2020年減少20%的排放，到2030年減少40%，到2040年減少60%。航空運(yùn)輸對(duì)環(huán)境的影響越來(lái)越引人關(guān)注，主要是原因在于航空運(yùn)輸需求預(yù)計(jì)將會(huì)進(jìn)一步增加。第37屆國(guó)際民用航空組織（ICAO）大會(huì)的研究預(yù)計(jì)從2010年到2030年世界范圍內(nèi)航空運(yùn)輸旅客周轉(zhuǎn)量每年將增長(zhǎng)4.7%。氣候變化委員會(huì)預(yù)測(cè)未來(lái)航空運(yùn)輸?shù)亩趸寂欧帕?，在目前高增長(zhǎng)情形下，2050年排放量將是1990年的7-8倍（Adler等，2013）。盡管技術(shù)在不斷進(jìn)步和革新，但交通量的持續(xù)增長(zhǎng)仍將導(dǎo)致航空運(yùn)輸總排放量的增加（Socorro和Betancor，2011）。大部分的研究觀點(diǎn)認(rèn)為，通過(guò)技術(shù)革新，航空部門(mén)每年每飛行公里的排放量減少不超過(guò)1-1.5%，這也印證了前面的說(shuō)法（Anger，2010; Morrell，2007; Scheelhaase和Grimme，2007年）。

在這種背景下，出于環(huán)保方面的考慮，高鐵替代航空運(yùn)輸?shù)玫胶芏嗟闹С?。比如，歐盟提出，到2050年大部分的中長(zhǎng)距離旅客運(yùn)輸應(yīng)通過(guò)高鐵，到2030年現(xiàn)有高鐵網(wǎng)的長(zhǎng)度將增加兩倍（EC，2011）。目前政策鼓勵(lì)將客流從航空轉(zhuǎn)移至高鐵的理由在于高鐵每坐席的排放量更低。事實(shí)上，一些實(shí)證研究也表明，航空公司（每坐席）本地空氣污染（LAP）和溫室氣體排放（或其經(jīng)濟(jì)影響）高于高鐵（Givoni和Banister，2006; Givoni，2007; Janic， 2003，2011）。然而，高鐵的引入并不一定會(huì)帶來(lái)整體的環(huán)境改善（D'Alfonso et al.，2015）。其對(duì)環(huán)境的影響也可能是負(fù)面的，因?yàn)橐胄碌倪\(yùn)輸模式常常會(huì)誘發(fā)新的運(yùn)輸需求。換句話來(lái)說(shuō)，高鐵引入所帶來(lái)的替代效應(yīng)（從航空運(yùn)輸轉(zhuǎn)移至高鐵的客運(yùn)量）和誘發(fā)需求效應(yīng)（高鐵誘發(fā)產(chǎn)生新的客運(yùn)量）二者之間存在一個(gè)權(quán)衡。

現(xiàn)有文獻(xiàn)的研究主要集中在航空運(yùn)輸與高鐵二者競(jìng)爭(zhēng)的市場(chǎng)均衡（考慮交通量和價(jià)格水平因素），而沒(méi)有從環(huán)境方面來(lái)分析，主要是通過(guò)實(shí)證方法（Behrens和Pels，2012; Dobruszkes，2011;González-Savignat，2004; Park和哈，2006），博弈論方法（Adler等人，2010）或從分析的視角（楊和張，2012）。另外一些研究探討了航空運(yùn)輸與高鐵合作的可能性，以及二者合作給航空公司和社會(huì)帶來(lái)的潛在利益。同樣，大部分主要是實(shí)證論文（Cokasova，2006; Givoni和Banister，2006），只有少部分對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行了理論分析（Jiang和Zhang，2014; Jiang等人，2016年; Socorro和Viecens，2013）。最近的一些文章研究了高鐵與航空運(yùn)輸之間的競(jìng)爭(zhēng)所帶來(lái)的長(zhǎng)期影響，航空運(yùn)輸應(yīng)從市場(chǎng)覆蓋率和運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)選擇上應(yīng)對(duì)主干航線上高鐵的競(jìng)爭(zhēng)（Jiang和Zhang，2016）。

航空運(yùn)輸和高鐵的替代效應(yīng)對(duì)環(huán)境影響的研究多為針對(duì)具體路線的案例研究。部分研究將重點(diǎn)放在評(píng)估高鐵取代一些短途航班后每坐席污染的減少量（本地空氣污染或溫室氣體排放）（Janic，2011; Givoni和Banister，2006; Miyoshi和Givoni，2013）。然而，這些文獻(xiàn)都沒(méi)有考慮引入新的交通工具后，誘發(fā)所產(chǎn)生的這部分運(yùn)輸需求對(duì)環(huán)境的影響。 D'Alfonso et al.（2015）對(duì)此做了進(jìn)一步的研究，構(gòu)建了一個(gè)分析框架，來(lái)評(píng)估航空運(yùn)輸和高鐵之間的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)環(huán)境和社會(huì)福利的影響，同時(shí)指出誘發(fā)需求的影響。研究結(jié)果表明，兩種模式之間的競(jìng)爭(zhēng)可能對(duì)環(huán)境是不利的，取決因素在于運(yùn)輸市場(chǎng)的擴(kuò)張，運(yùn)輸模式之間的轉(zhuǎn)換，運(yùn)輸市場(chǎng)的規(guī)模和不同運(yùn)輸模式排放率的差異。

在本文中，我們建立了一個(gè)雙寡頭模型，考慮有誘發(fā)需求產(chǎn)生情況下，航空運(yùn)輸和高鐵的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)環(huán)境的影響。允許運(yùn)營(yíng)商同時(shí)決定乘坐人數(shù)及班次頻率，也允許運(yùn)營(yíng)商改變高鐵運(yùn)行速度。文中采用倫敦-巴黎之間的運(yùn)輸市場(chǎng)進(jìn)行了仿真模擬，高鐵占據(jù)的運(yùn)輸市場(chǎng)份額為70%（Barrón等人，2009）。從政策的角度來(lái)看，這些研究是必要的。一方面，航空與鐵路二者的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)環(huán)境影響的辯論觀點(diǎn)可能會(huì)導(dǎo)致政策制定者在考慮未來(lái)交通政策時(shí)有所傾向。另一方面，高鐵引入可能會(huì)涉及大量的投資，因此更深入地了解其影響是必要和適時(shí)的。到目前為止，高鐵替代部分短途航班，將機(jī)場(chǎng)連接到跨歐洲高速鐵路網(wǎng)，從而達(dá)到兩種運(yùn)輸模式的競(jìng)爭(zhēng)和合作，已經(jīng)在世界主要的機(jī)場(chǎng)發(fā)生，比如法蘭克福、巴黎戴高樂(lè)機(jī)場(chǎng)，馬德里巴拉哈斯國(guó)際機(jī)場(chǎng)和阿姆斯特丹史基浦國(guó)際機(jī)場(chǎng)等。中國(guó)，英國(guó)，意大利，比利時(shí)和韓國(guó)已有高鐵線路在運(yùn)營(yíng)。此外，許多其他國(guó)家，如巴西，印度，俄羅斯，土耳其和美國(guó)正在評(píng)估是否投資修建高鐵。

本文與D'Alfonso等人（2015）的研究具有相似之處，但在如下兩個(gè)方面做了進(jìn)一步的探究。

首先，文中在考慮對(duì)環(huán)境影響時(shí)將誘發(fā)需求，班次頻率和高鐵時(shí)速等因素同時(shí)納入考慮。這里研究了高鐵時(shí)速相同時(shí)，航空運(yùn)輸和高鐵的客運(yùn)量和班次頻率的變化情況。而D'Alfonso（2015）等人的研究構(gòu)建了三種獨(dú)立的場(chǎng)景，每種場(chǎng)景側(cè)重于一個(gè)方面。他們的模型框架中缺乏的是，將高鐵時(shí)速和班次頻率都作為狀態(tài)變量時(shí)，如果提高高鐵時(shí)速的成本比增加班次頻率的成本低，運(yùn)營(yíng)商可能更有動(dòng)力提高列車的速度并同時(shí)降低班次頻率。一方面，這可能有益于環(huán)境，因?yàn)楦哞F開(kāi)行的班次可能會(huì)減少。但另一方面，也可能會(huì)對(duì)環(huán)境有害，因?yàn)楦哞F的污染取決于機(jī)車車輛的能量消耗（CflT，2001），其隨著高鐵的速度而增加（Kemp，2004; Garcia，2010; Andersson和Lukaszewicz，2006; Bousquet等，2013）。

其次，通過(guò)數(shù)值分析，我們可以衡量高鐵引入對(duì)本地空氣污染和溫室氣體的影響，而D'Alfonso（2015）等人對(duì)此沒(méi)有進(jìn)行仿真模擬。這樣我們就可以理清航空和高鐵的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)本地空氣污染和氣候變化的影響。通過(guò)仿真模擬，可以用來(lái)分析兩種運(yùn)輸模式下的緩解策略，也可以作為歐盟政策措施的基礎(chǔ)，長(zhǎng)期來(lái)看這兩者會(huì)共同影響高鐵和航空運(yùn)輸排放之間的比率。本文的研究表明，兩種模式之間的競(jìng)爭(zhēng)可能會(huì)對(duì)環(huán)境有害，這主要取決于高鐵相對(duì)于航空運(yùn)輸對(duì)環(huán)境影響的大小。特別的是，本文研究發(fā)現(xiàn)高鐵的引入會(huì)加重本地空氣污染，而減少了溫室氣體的排放。這與大多數(shù)觀點(diǎn)相一致，即由于CO2排放量低，高鐵對(duì)氣候變化沒(méi)有顯著影響（Archer，1993; Dings等，2002）。文中還研究了高鐵和航空運(yùn)輸排放之間的比率對(duì)結(jié)果的敏感性，以及社會(huì)福利的權(quán)重對(duì)高鐵目標(biāo)函數(shù)變化的影響。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)高鐵和航空運(yùn)輸排放之間的比率相對(duì)較低時(shí)，高鐵引入不會(huì)加重本地空氣污染和溫室氣體排放。然而，當(dāng)二者的排放比率增加時(shí)，或者當(dāng)高鐵目標(biāo)函數(shù)中社會(huì)福利的權(quán)重變大時(shí)，二者的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)環(huán)境的影響很大可能是負(fù)面的。

本文的結(jié)構(gòu)組織如下：第2節(jié)和第3節(jié)分別介紹了歐洲航空運(yùn)輸和高鐵競(jìng)爭(zhēng)的概況，以及兩種模式對(duì)環(huán)境影響的比較，第4節(jié)建立模型，而第5節(jié)進(jìn)行仿真模擬，第6節(jié)包含了緩解策略和政策措施的討論結(jié)果。第7節(jié)給出了結(jié)論性意見(jiàn)。

2. 歐洲航空運(yùn)輸和高鐵的競(jìng)爭(zhēng)

隨著列車時(shí)速的提高，高鐵可能對(duì)航空運(yùn)輸施加更大的競(jìng)爭(zhēng)壓力。 Janic（1993）認(rèn)為，高鐵可以在400-2000公里的距離范圍與航空運(yùn)輸進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)。Rothengatter（2011）的研究發(fā)現(xiàn)，航空運(yùn)輸和高鐵之間最可能的競(jìng)爭(zhēng)發(fā)生在1000公里距離以內(nèi)，大部分可能在400和800公里之間。 Steer Davies Gleave（SDG，2004）的研究結(jié)論認(rèn)為，高鐵對(duì)航空運(yùn)輸?shù)耐{在運(yùn)輸距離在200-800公里之間的國(guó)家是最強(qiáng)的，特別是在300-600公里的范圍內(nèi)。對(duì)于短于150-200公里的距離，高鐵不具備優(yōu)勢(shì)。對(duì)于800-1000公里以上的距離，高鐵與航空運(yùn)輸相比，也不具有競(jìng)爭(zhēng)力。圖1為英國(guó)和其他四個(gè)歐洲國(guó)家（SDG，2004年）的五條主要通道上200公里以上距離的潛在高鐵客流估計(jì)。

以馬德里 - 巴塞羅那之間620公里的通道為例，González-Savignat（2004）的研究發(fā)現(xiàn)，高鐵對(duì)航空運(yùn)輸?shù)氖袌?chǎng)份額有非常大的影響，且總行程時(shí)間是決定運(yùn)輸市場(chǎng)份額的最大因素。在同一條路線上，Románet al.（2010）基于一組混合的顯示偏好和陳述偏好數(shù)據(jù)來(lái)分析航空運(yùn)輸與高鐵的競(jìng)爭(zhēng)，并且得出旅客為改善服務(wù)質(zhì)量的支付意愿，比如縮短行程時(shí)間或提高班次頻率。Dobruszkes（2011）研究了西歐高鐵和航空運(yùn)輸之間的競(jìng)爭(zhēng)，并選取了五對(duì)城市進(jìn)行實(shí)證分析。他的研究發(fā)現(xiàn)，除了行程時(shí)間，班次頻率和票價(jià)之外，航空樞紐和城市地區(qū)的地理結(jié)構(gòu)等變量也對(duì)兩種模式之間的競(jìng)爭(zhēng)造成影響。Behrens和Pels（2012）對(duì)倫敦-巴黎之間的運(yùn)輸市場(chǎng)進(jìn)行了研究，并指出行程時(shí)間和班次頻率是影響旅客選擇行為的兩個(gè)主要決定因素。

圖1 高鐵的潛在運(yùn)輸需求和優(yōu)勢(shì)

在一些情況下，高鐵引入對(duì)航空運(yùn)輸需求的影響是巨大的。在巴黎南特的線路上，TGV的引入使航空的運(yùn)量減少了30%（Dobruszkes，2011）。在巴黎雷恩（Paris-Rennes）和巴黎布雷斯特（Paris-Brest）等路線上也發(fā)生了類似的情況（Chi，2004）。根據(jù)法國(guó)鐵路運(yùn)營(yíng)公司—法國(guó)國(guó)家鐵路公司（SNCF）的資料，在巴黎-里昂路線上，航空/鐵路的聯(lián)運(yùn)占了運(yùn)輸市場(chǎng)份額的90%以上（AECOM Australia Pty Ltd，2013）。一般來(lái)說(shuō)，在高鐵運(yùn)行時(shí)間約為3小時(shí)的運(yùn)輸走廊上，高鐵的市場(chǎng)份額約為60%（Logistics Design Management, 2014）。同樣，西班牙在20世紀(jì)90年代初馬德里和塞維利亞建設(shè)高鐵之前，航空與鐵路的運(yùn)輸市場(chǎng)份額分別為67%和33%。引入高鐵后，二者變?yōu)?6%和84%。根據(jù)Barrón等人（2009）的預(yù)測(cè)，到2020年預(yù)計(jì)將分別為13%和87%。高鐵的引入嚴(yán)重影響了非歐洲國(guó)家航空運(yùn)輸?shù)母?jìng)爭(zhēng)力。在臺(tái)灣臺(tái)北與高雄之間高鐵連通的情況下，據(jù)報(bào)道，高鐵已經(jīng)將島內(nèi)航空運(yùn)量減少了50%（Aerospace America, 2012）。韓國(guó)第一條高鐵線路的開(kāi)通顯著降低了韓國(guó)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的航空運(yùn)輸需求（Park和Ha，2006）。在中國(guó)，鄭州和西安（505公里）之間的所有航班在2010年3月暫停，也就是在高鐵服務(wù)開(kāi)通48天后，而武漢-廣州航線（1069公里）每日航班數(shù)從15班減少到9班，僅僅發(fā)生在高鐵開(kāi)通一年后（Fu et al., 2012）。

3. 航空和高鐵對(duì)環(huán)境影響的比較

通過(guò)對(duì)本地空氣污染，氣候變化和噪聲等指標(biāo)的影響，來(lái)衡量?jī)煞N運(yùn)輸模式替代的環(huán)境效益。目前的科學(xué)研究已證實(shí)空氣污染對(duì)人類健康有直接影響，并且使過(guò)早死亡的風(fēng)險(xiǎn)增加（Dailey，2012）。本地空氣質(zhì)量直接受排放量的影響，并且每天都有變化，而對(duì)健康的影響可能需要更長(zhǎng)時(shí)間才會(huì)顯現(xiàn)，并且會(huì)隨著時(shí)間的推移而持續(xù)（Adler等，2013）。本地空氣污染物包括碳?xì)浠衔铮℉C），一氧化碳（CO），氮氧化物（NOx），二氧化硫（SO2）和顆粒物（PM）。對(duì)氣候變化的影響主要是由于溫室氣體排放，如二氧化碳（CO2）（Seinfeld和Pandis，2012）。一般來(lái)說(shuō)，由于二氧化碳排放率較低，高鐵運(yùn)行不會(huì)對(duì)氣候變化產(chǎn)生重大影響。此外，與地平面相比，在高海拔地區(qū)排放二氧化碳對(duì)氣候變化的影響要明顯增大（高于100的系數(shù)）（Archer，1993; Dings等，2002）。對(duì)于NO2，SO2和PM10等對(duì)人類有毒性的物質(zhì)，高鐵與飛機(jī)相比，表現(xiàn)出每換算席位排放量低的優(yōu)勢(shì)（Givoni，2007）。高鐵運(yùn)行所產(chǎn)生的二氧化硫排放量較低，這主要取決于用作發(fā)電的煤炭或其他燃料的份額（Button，1993）。通常，發(fā)電廠遠(yuǎn)離人口稠密的地區(qū)，這意味著高鐵運(yùn)行對(duì)局部空氣污染的實(shí)際影響較低，因?yàn)槭芘欧庞绊懙娜藬?shù)相對(duì)較少（Givoni，2007）。例如，Givoni（2007）對(duì)倫敦-巴黎走廊的研究報(bào)告顯示，（基于Huijbregts等人在2000年對(duì)毒性因子的研究）對(duì)本地空氣污染的指標(biāo)航空為86.1單位，高鐵為32.2單位（路線上提供的每座位）。在同一條路線上，航空運(yùn)輸NOx（二氧化碳）的排放量為198.92（4,495）克，高鐵（路線上提供的每座位）的排放量為17.57（7194）克。最后，雖然飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的排放具有局部和整體影響，但噪聲卻對(duì)機(jī)場(chǎng)周圍的社區(qū)有直接影響（Marais和Waitz，2009）。雖然，高鐵運(yùn)行在很高速度下會(huì)導(dǎo)致較高水平的噪聲（Brons等人，2003），然而這種影響（其取決于所聽(tīng)到的實(shí)際噪聲和受影響人的數(shù)量）低于預(yù)期，因?yàn)樵谌丝诔砻艿牡貐^(qū)，由于列車需要減速進(jìn)站，在接近車站時(shí)，列車的速度就會(huì)逐漸降低。

總的來(lái)說(shuō)，我們可以得出結(jié)論，飛機(jī)運(yùn)行對(duì)本地空氣污染和氣候變化的環(huán)境影響取決于飛行時(shí)間，飛機(jī)的座位數(shù)，燃料消耗，混合層高度，航空模式所占的運(yùn)輸市場(chǎng)份額，以及機(jī)場(chǎng)到市中心的距離。高鐵運(yùn)行對(duì)環(huán)境的影響主要取決于產(chǎn)生電力的燃料，路線距離和能源消耗（Givoni，2007; Janic，2003）。

事實(shí)上，我們應(yīng)該對(duì)這兩種運(yùn)輸模式的全生命周期進(jìn)行分析，而不僅僅是運(yùn)營(yíng)階段。這些其它階段（建設(shè)/生產(chǎn)，維護(hù)和垃圾處理）也可能對(duì)環(huán)境造成重大影響。例如，與鐵路建設(shè)相關(guān)的影響，是在建設(shè)新的鐵路線路時(shí)需要征用土地，從而影響景觀，城市風(fēng)貌，生物多樣性和自然遺產(chǎn)（Westin和Kageson，2012）。國(guó)際鐵路聯(lián)盟（Railway Handbook, 2012）的報(bào)告指出，平均來(lái)說(shuō)，考慮“從油井到車輪（Well to Wheel）”的能量轉(zhuǎn)換方式來(lái)推進(jìn)車輛時(shí)，高鐵顯示出比航空運(yùn)輸更有效。圖2顯示了“從油井到車輪”的能量轉(zhuǎn)換方式下，每乘客公里平均溫室氣體排放量的比較。從圖中可以看出，即使將高鐵建造和運(yùn)營(yíng)維護(hù)的碳排放也納入考慮，高鐵每人公里的碳排放只額外增加5g / kpm，這并不會(huì)顯著改變兩者的對(duì)比。

圖2 高鐵每人公里GHG排放相對(duì)于航空運(yùn)輸?shù)膬?yōu)勢(shì)

4. 模型建立

我們下面來(lái)定義乘客的價(jià)格感知函數(shù)：

和Flores-Fillol（2009）的文章類似，本文將班次頻率加入公式（3）的價(jià)格函數(shù)中。某一航空公司或高鐵運(yùn)營(yíng)商提供較多班次的航班或班列，增加了乘坐的靈活性，提高了旅客服務(wù)質(zhì)量(Adler et al., 2010; Behrens and Pels, 2012; Gonzá lez-Savignat, 2004; Román et al., 2010; Yang and Zhang, 2012)。除了減少總行程時(shí)間之外，較高的班次頻率還可以在多站式行程時(shí)間協(xié)調(diào)方面增加乘客的行程選擇或旅行機(jī)會(huì)（Cokasova，2006; Vespermann和Wald，2011）或減少由于低準(zhǔn)時(shí)性或低可靠性造成與下一個(gè)行程銜接不上的擔(dān)心。同樣，較高的列車運(yùn)行速度減少了行程時(shí)間，并增加了旅客的支付意愿。更高列車運(yùn)行速度的其他好處包括增加與其他運(yùn)輸模式的協(xié)調(diào)機(jī)會(huì)，或當(dāng)不能預(yù)計(jì)出發(fā)時(shí)間時(shí)利用一些其它服務(wù)的可能性。

從公式（2）和（3）可得出：

此外，和D'Alfonso等（2015年）的研究類似，我們假定航空公司是一家純粹的私人公司，追求的目標(biāo)是利潤(rùn)最大化，而高鐵是最大化其利潤(rùn)和社會(huì)福利的加權(quán)和。有了這些假定，高鐵的目標(biāo)函數(shù)是：

δ是社會(huì)福利相對(duì)于利潤(rùn)的權(quán)重。在模型中，航空公司和高鐵運(yùn)營(yíng)商之間的競(jìng)爭(zhēng)被視為同步的博弈，即，本文著眼于短期運(yùn)營(yíng)期間，兩個(gè)運(yùn)營(yíng)商決定其具體的運(yùn)營(yíng)方式。特別是，在文中的模型中，航空公司可以決定乘客的服務(wù)數(shù)量和服務(wù)頻率，而高鐵可以決定乘客的服務(wù)數(shù)量，班次頻率和平均運(yùn)行速度。因此，運(yùn)營(yíng)商需同時(shí)解決以下兩個(gè)決策問(wèn)題：

為了衡量對(duì)環(huán)境的影響，本文區(qū)分LAP和GHG的排放，在評(píng)估航空運(yùn)輸和高鐵競(jìng)爭(zhēng)對(duì)環(huán)境影響時(shí)，將只有航空運(yùn)輸時(shí)總排放水平作為基準(zhǔn)情況，與競(jìng)爭(zhēng)模型處于平衡態(tài)時(shí)總排放水平進(jìn)行比較。于是，高鐵引入后的總體環(huán)境效益測(cè)量如下：

5. 仿真模擬研究

在本節(jié)中，我們進(jìn)行了一個(gè)仿真模擬研究，以了解航空運(yùn)輸和高鐵之間競(jìng)爭(zhēng)對(duì)環(huán)境的影響。本文將倫敦—巴黎運(yùn)輸市場(chǎng)作為基準(zhǔn)案例進(jìn)行數(shù)值模擬研究。兩地之間的鐵路線路由歐洲之星鐵路公司運(yùn)營(yíng)，從1994年到2011年，共運(yùn)送了大約1.15億乘客。倫敦和巴黎之間的飛行距離是380公里，這就使得兩種運(yùn)輸模式的競(jìng)爭(zhēng)異常激烈（Givoni，2007; Janic，1993 ; Rothengatter，2011）。2007年，高鐵占據(jù)了70%的市場(chǎng)份額（Barrónet al.，2009），乘客從短途航空運(yùn)輸轉(zhuǎn)移到高鐵減少了4萬(wàn)噸二氧化碳總排放。然而，考慮到高鐵引入后的誘增運(yùn)量需求，評(píng)估高鐵對(duì)環(huán)境整體影響時(shí)應(yīng)更加仔細(xì)。

文中假設(shè)倫敦和巴黎之間乘客的出發(fā)地和目的地均為市中心。實(shí)際上，盡管乘客的行程起點(diǎn)和終點(diǎn)通常分散在較大的城市范圍，但一般情況下，市中心是吸引大多數(shù)乘客的位置，將其視為乘客的起終點(diǎn)從地理平均值上來(lái)看是合理的（Givoni，2007 ）。

5.1 參數(shù)估計(jì)

本文數(shù)值模擬的相關(guān)參數(shù)的估計(jì)取值來(lái)源于相關(guān)文獻(xiàn)和官方網(wǎng)站的數(shù)據(jù)，詳見(jiàn)表1。

表1 數(shù)值模擬的相關(guān)參數(shù)估值

其次，來(lái)看運(yùn)輸服務(wù)的提供方，將運(yùn)輸總成本分為每次飛行（或高鐵開(kāi)行）的固定成本和每乘客的可變成本。由于沒(méi)有收集到高鐵和航空運(yùn)輸?shù)墓潭ǔ杀竞涂勺兂杀镜男畔?，本文將每乘客的邊際成本用提供單位乘客服務(wù)和產(chǎn)品的支出來(lái)替代，即航空運(yùn)輸總運(yùn)營(yíng)成本的6.70%（Belobaba等人，2009）和高鐵的12.70%（Shirocca Consulting, 2013），來(lái)作為每席位運(yùn)營(yíng)成本的估計(jì)。

先來(lái)分析高鐵方面。首先，估算每增加高鐵1kph平均運(yùn)行速度所需的電力成本（每乘客），即μ。為求得其取值，（i）根據(jù)Kemp（2004）的研究得出每kph每乘客的平均能量消耗，即0.31 kWh /kph·pax；ii）參照歐盟統(tǒng)計(jì)局（2013年）報(bào)告中每kWh的成本，0.1 / kW h。

表2 計(jì)算結(jié)果分析

5.2 計(jì)算結(jié)果與分析

求解決策目標(biāo)函數(shù)（9），以及公式（10），分別計(jì)算LAP和GHG的排放。數(shù)值計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

6. 緩解策略和環(huán)境政策

我們的分析表明，不能簡(jiǎn)單的說(shuō)高鐵引入有利于環(huán)境：是否有利取決于高鐵的環(huán)境友好性。例如，由于電力機(jī)車較高的技術(shù)效率和不同的運(yùn)行條件（較少的停站，即更少的能源用于加速），如電力機(jī)車的二氧化碳排放量明顯低于內(nèi)燃機(jī)車。盡管如此，要說(shuō)電力機(jī)車比飛機(jī)有多環(huán)保卻并不那么直觀，這取決于緩解策略對(duì)這兩種方式的有效程度，減排政策評(píng)估也不同程度地影響著兩種方式的污染水平。下面的部分旨在分析如何從上述兩個(gè)方面在上述這交通運(yùn)輸方式排放量進(jìn)行權(quán)衡，因此，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，高鐵和航空競(jìng)爭(zhēng)對(duì)環(huán)境影響可能會(huì)發(fā)生改變。

圖3 當(dāng)δ=1，不同eH/eA時(shí)，高鐵引入對(duì)環(huán)境影響的敏感性分析

6.1 航空運(yùn)輸和高速鐵路緩解策略的對(duì)比

緩解策略是指一組行動(dòng)，這些行動(dòng)是限制、停止或徹底改變長(zhǎng)期氣候變化和當(dāng)?shù)乜諝馕廴镜乃俣?。航空公司減少自身環(huán)境影響的機(jī)會(huì)包括技術(shù)效率和運(yùn)營(yíng)的改進(jìn),以及替代燃料的使用(Capoccitti et al., 2010; Green, 2009;IPCC, 1999; Lawrence, 2009; Sgouridis et al., 2011; Winchester et al., 2013)。通常情況下，技術(shù)效率的改進(jìn)包括：

—改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)（如，3D壓縮機(jī)葉片）；

—推進(jìn)力和機(jī)翼跨度的變化；

—通過(guò)使用輕質(zhì)材料減輕飛機(jī)空車的重量（如，復(fù)合材料）

—重新配置飛機(jī)內(nèi)部

歷史上，發(fā)送機(jī)和空氣動(dòng)力效率改進(jìn)每年分別達(dá)到了1.5% and 0.4% (Lee et al.2001)，運(yùn)營(yíng)效率的改進(jìn)包括：

—航空公司運(yùn)營(yíng)的變化(如,替代燃料的使用,限制行李的數(shù)量和重量),優(yōu)化燃料消耗(如，降低巡航速度,爬升/下降路徑的優(yōu)化),優(yōu)化地面操作；

—負(fù)荷系數(shù)最大化，以便于填滿飛機(jī)的座位容量;

—空中交通管制(ATC)操作的改變,如使用最少燃料航線,飛行高度的變化,減少延誤。

根據(jù)政府間氣候變化專門(mén)委員會(huì)的估計(jì)(IPCC, 1999)，運(yùn)營(yíng)效率的改進(jìn)可以達(dá)到6%-12%。替代燃料一般分為：

—合成燃料也叫費(fèi)托 (FT)燃料;

—來(lái)自生物產(chǎn)生的生物燃料。

Sgouridis等人預(yù)測(cè)，到2024年，生物燃料占總?cè)剂舷牧康谋壤龑⑸仙?5.5%（溫和的估計(jì)），樂(lè)觀估計(jì)這一比例將達(dá)到30.5%。在這些假設(shè)的前提下，作者估計(jì)，到2024年，相對(duì)于參考案例，生物燃料使得航空業(yè)二氧化碳的排放量減少5.5% -9.5%。

對(duì)高鐵運(yùn)輸而言,普遍認(rèn)為, 通過(guò)技術(shù)和運(yùn)營(yíng)效率的改進(jìn)，無(wú)論是短期還是長(zhǎng)期，潛在能源效率的節(jié)約都是可以實(shí)現(xiàn)的(Cucala and Cardador, 2011;Gunselmann, 2005; UIC, 2003; US DOT, 2014)。高速鐵路技術(shù)效率的改進(jìn)包括：

—減量化，包括：使用Jacob-type轉(zhuǎn)向架的鉸接列車，以及更多的創(chuàng)新方法，如轉(zhuǎn)彎單軸轉(zhuǎn)向架或未來(lái)基于機(jī)電一體化的懸掛技術(shù);

—減少轉(zhuǎn)換損失,再生制動(dòng)和能量?jī)?chǔ)存；

—空氣動(dòng)力學(xué)和摩擦措施，如用整流罩罩在轉(zhuǎn)向架外面。

高速鐵路運(yùn)營(yíng)效率的改進(jìn)包括：

—空間利用（如使用雙層和寬體列車,用動(dòng)車組代替機(jī)車牽引，以增加每列車長(zhǎng)度的作為數(shù)量);

—降低舒適功能的能源消耗，包括用于鐵路機(jī)車車輛維護(hù)的能源；

—節(jié)能駕駛，如降低停站時(shí)間，駕駛建議系統(tǒng)，交通順暢；

—靈活的班列以使得滿載率最大化；

—改進(jìn)采購(gòu)戰(zhàn)略。

盡管這兩種交通方式都有有改進(jìn)技術(shù)和運(yùn)營(yíng)效率的余地，航空公司有機(jī)會(huì)轉(zhuǎn)用非傳統(tǒng)噴氣燃料，并且這項(xiàng)措施是獨(dú)立于航空公司運(yùn)營(yíng)的國(guó)家，而混合動(dòng)力的列車則嚴(yán)重受限于高鐵運(yùn)營(yíng)的國(guó)家（如，電力資源的可獲得性和利益分配規(guī)則）。因此，盡管有一些方法可以降低發(fā)電廠SO2和其他氣體的排放—如，轉(zhuǎn)而使用低硫燃料油或天然氣(Chaaban et al., 2004) —這些措施在高鐵上應(yīng)用的程度是有限的。

6.2 環(huán)境政策的作用

高鐵和航空運(yùn)輸運(yùn)營(yíng)所在國(guó)家的環(huán)境政策對(duì)他們從事與環(huán)境影響緩解策略的激勵(lì)有著很大的影響。歐洲氣候和能源方案中兩項(xiàng)關(guān)鍵的立法成績(jī)就是歐洲碳排放交易體系和可再生能源利用的國(guó)家目標(biāo)。歐洲碳排放交易體系是溫室氣體排放管理的限額與交易系統(tǒng)。這個(gè)方案涵蓋了28個(gè)歐盟成員國(guó)、冰島、列支敦士登和挪威的11000多個(gè)發(fā)電站和工廠。自2013年以來(lái)，拍賣成為了該部門(mén)分配排放限額的主要方式。通過(guò)關(guān)聯(lián)，通過(guò)市場(chǎng)，每一噸碳排放的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，該方案產(chǎn)生兩方面的效應(yīng)：一方面，它鼓勵(lì)電廠運(yùn)營(yíng)企業(yè)投資于減排技術(shù)；另一方面，它使綠色能源發(fā)電的邊際成本相對(duì)于碳密集型技術(shù)更具競(jìng)爭(zhēng)力。對(duì)環(huán)境有益影響的進(jìn)一步提高，是通過(guò)旨在對(duì)抗氣候變化項(xiàng)目中排放拍賣資金所得的一半以上資金的再投資來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

這個(gè)系統(tǒng)不直接限制高速鐵路的排放，但是它限制發(fā)電部門(mén)的排放，因此又間接地影響了高速鐵路對(duì)環(huán)境的影響。特別是，歐洲國(guó)家都明確地致力于可再生能源發(fā)電的目標(biāo)，并且正在通過(guò)可再生能源激勵(lì)計(jì)劃，促進(jìn)向綠色發(fā)展轉(zhuǎn)變?？偟脕?lái)說(shuō)，這些措施正推動(dòng)減少電力部門(mén)的排放，進(jìn)而導(dǎo)致高速鐵路排放的降低。例如，2001-2007年，歐盟成員國(guó)中，可再生能源發(fā)電量增長(zhǎng)了96%。同時(shí)，自2012年1月以來(lái)，航空業(yè)已經(jīng)被直接納入到歐洲碳排放交易體系。這個(gè)方案涵蓋了28個(gè)歐盟成員國(guó)以及冰島、列支敦士登和挪威機(jī)場(chǎng)的起降航班，但不包括非歐洲國(guó)家機(jī)場(chǎng)的起降航班。歐洲碳排放交易體系向航空公司提供了不同方式的選擇來(lái)符合排放的限制要求：1.自己減少排放；2.在市場(chǎng)上購(gòu)買(mǎi)其他部門(mén)的額外限額；3.在《京都議定書(shū)》減排項(xiàng)目上投資。2012年，有價(jià)值560億歐元的79億限額進(jìn)行交易，也就是說(shuō)，每頓二氧化碳排放限額的平均價(jià)格是7.09歐元EC (2014b)。

在這種情況下，重要的是要注意市場(chǎng)上限額價(jià)格預(yù)計(jì)將低于燃料(特別是生物燃料)的價(jià)格，而高于一些發(fā)電廠能源投入的成本。此外，與歐洲碳排放交易體系的其他部門(mén)相比，航空公司的減排成本預(yù)計(jì)會(huì)很高。因此，航空公司可能更愿意去從其他工業(yè)部門(mén)去購(gòu)買(mǎi)限額，而不是努力去減少排放量 (見(jiàn)Anger and K?hler, 2010) 。

在評(píng)估航空運(yùn)輸和高速鐵路競(jìng)爭(zhēng)的環(huán)境影響時(shí)，這是一個(gè)重要的參數(shù)需要考慮，因?yàn)橄揞~市場(chǎng)可能不同程度地影響兩種運(yùn)輸方式的投入成本。航空方面，無(wú)論航空公司是致力于緩解策略，還是從其他工業(yè)部門(mén)購(gòu)買(mǎi)限額，限額的價(jià)格都將會(huì)增加航空公司的成本，但是增加額預(yù)計(jì)不會(huì)太高。相反，在高鐵方面，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看氣候和能源方案可能會(huì)降低能源成本。事實(shí)上，隨著發(fā)電技術(shù)向可再生能源發(fā)電轉(zhuǎn)變，平均成本將會(huì)降低（如，光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電的邊際成本接近于零），電廠直接連接到的分布式的網(wǎng)格中（分散式發(fā)電）使得電網(wǎng)增長(zhǎng)。因此，現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的補(bǔ)強(qiáng)可能會(huì)被推遲（分散式發(fā)電比較接近用戶,通過(guò)電網(wǎng)提供的凈需求可能減少），總得來(lái)說(shuō)，歐盟氣候和能源方案可能導(dǎo)致溫室氣體排放的減少，這取決于受制于歐洲碳排放交易體系的所有行業(yè)減排的邊際成本和未來(lái)航空業(yè)限額和交易機(jī)制的演變。

7. 結(jié)論

本文建立了一個(gè)雙寡頭壟斷模型，以闡明引入高鐵作為航空運(yùn)輸?shù)母?jìng)爭(zhēng)對(duì)手對(duì)環(huán)境的影響，同時(shí)考慮誘發(fā)運(yùn)輸需求，班次頻率和高鐵運(yùn)行速度的影響。以倫敦—巴黎的運(yùn)輸市場(chǎng)為例進(jìn)行仿真模擬，高鐵在兩地之間運(yùn)輸市場(chǎng)所占份額為70 %，來(lái)分析航空和鐵路二者之間的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)LAP和GHG排放的影響。研究表明，兩種模式之間的競(jìng)爭(zhēng)可能對(duì)環(huán)境有害，主要取決于高鐵相對(duì)于航空運(yùn)輸對(duì)環(huán)境影響的大小。特別的是，研究發(fā)現(xiàn)高鐵引入對(duì)LAP的排放是有害的，但對(duì)GHG的排放是有益的。文中還研究了目標(biāo)函數(shù)對(duì)高鐵和航空運(yùn)輸排放比率的敏感性，以及高鐵目標(biāo)函數(shù)中福利相對(duì)于利潤(rùn)的權(quán)重。當(dāng)高鐵和航空運(yùn)輸排放之間的比率相對(duì)較低時(shí)，研究發(fā)現(xiàn)高鐵的引入既不增加LAP的排放，也不增加GHG的排放。然而，當(dāng)二者的比率變大時(shí)，或高鐵目標(biāo)函數(shù)中社會(huì)福利的權(quán)重較高時(shí)，二者的競(jìng)爭(zhēng)更有可能對(duì)環(huán)境有害。

這項(xiàng)研究對(duì)運(yùn)輸領(lǐng)域的意義是雙重的。首先，部分人士在提出運(yùn)輸政策建議時(shí)重點(diǎn)在高鐵的綠色環(huán)保上，可能導(dǎo)致管理機(jī)構(gòu)在考慮未來(lái)交通政策時(shí)存在偏見(jiàn)。本文的研究結(jié)果表明，兩種模式之間的競(jìng)爭(zhēng)也可能對(duì)環(huán)境是有害的，這主要取決于市場(chǎng)擴(kuò)張，模式轉(zhuǎn)移和市場(chǎng)規(guī)模，以及高鐵相對(duì)于航空運(yùn)輸對(duì)環(huán)境的友好程度。第二，電力機(jī)車比飛機(jī)對(duì)環(huán)境更友好并不是直接的，取決于兩種模式可用的緩解策略和減排的政策措施，這將對(duì)兩種模式的污染程度產(chǎn)生不同的影響。由于高鐵的環(huán)境友好程度取決于用于發(fā)電的能源（受高鐵運(yùn)營(yíng)所在國(guó)家的限制）組合。監(jiān)管機(jī)構(gòu)在估計(jì)高鐵引入的影響時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮能源政策（例如可再生能源的目標(biāo)）和運(yùn)輸模式的增效技術(shù)或緩解策略。

本文的研究具有一些局限性，在進(jìn)行政策建議時(shí)需要考慮。首先，文中的假設(shè)是同質(zhì)客戶。第二，是基于特定的倫敦—巴黎線路的數(shù)據(jù)來(lái)估算模型的參數(shù)。第三，認(rèn)為航空運(yùn)輸—高鐵的伙伴關(guān)系是外生的，而實(shí)際上，這是一個(gè)戰(zhàn)略決策（Jiang et al。，2015）。本文還提出了可進(jìn)一步研究的問(wèn)題。首先，我們考慮了單一航空公司和單一高鐵運(yùn)營(yíng)商的情況。實(shí)際上，對(duì)于航空業(yè)，可能有更多的公司在市場(chǎng)上競(jìng)爭(zhēng)，將研究擴(kuò)展到多競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的情況下將是好的研究角度。第二，除了運(yùn)營(yíng)之外，高鐵全生命周期分析（建造/生產(chǎn)，維護(hù)和垃圾處理）也可能對(duì)環(huán)境有顯著影響。以后的研究可進(jìn)一步考慮建設(shè)新線路的情況下，不同的交通模式競(jìng)爭(zhēng)對(duì)環(huán)境的影響。

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G322

B

1007-6344（2017）05-0288-06

李傳勇（1968-），男，四川樂(lè)至人，高級(jí)工程師，研究方向：鐵路樞紐及車站規(guī)劃設(shè)計(jì)和鐵路運(yùn)輸組織及物流規(guī)劃。

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