CVEM排放模型在綜合交通規(guī)劃中的應(yīng)用
——以成渝城市群為例

唐 藝，尹 航，黃志輝，于 雷,3,4，宋國華

（1.北京交通大學(xué)城市交通復(fù)雜系統(tǒng)理論與技術(shù)教育部重點實驗室，北京100044；2.生態(tài)環(huán)境部機動車排污監(jiān)控中心，北京100012；3.德克薩斯南方大學(xué) 理工技術(shù)學(xué)院，美國休斯頓77004；4.許昌學(xué)院，河南許昌461000）

0 引言

自2016年修訂環(huán)境影響評價法后，我國對于環(huán)境影響評價愈發(fā)重視。除了法規(guī)約束，《“十三五”現(xiàn)代綜合交通運輸體系發(fā)展規(guī)劃》[1]中對規(guī)劃階段的排放評價提出了更高的要求。為實現(xiàn)在交通規(guī)劃階段進行交通排放的定量評估，需要選擇適當(dāng)?shù)慕煌ㄅ欧拍Ｐ筒⑵渑c交通規(guī)劃模型進行對接。

國外對規(guī)劃階段的交通排放評價已有較為成熟的探索。如美國的《交通一致性》（Transportation Conformity）[2]和英國的《氣候變化法案》（Climate Change Act 2008）[3]。我國在京津冀等地區(qū)的交通規(guī)劃[4]中也進行過較系統(tǒng)的運用。作為大氣環(huán)境影響分析的一部分，交通排放的量化計算需要使用排放模型。常用方法根據(jù)道路行駛里程（Vehicle Miles Traveled,VMT）的計算方法不同可以分為基于保有量的測算模型和基于交通量的測算模型[5]?；诒Ｓ辛康呐欧艤y算方法在國內(nèi)應(yīng)用廣泛[6-10]，但此類測算方法對基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、交通排放政策的變化（如運輸結(jié)構(gòu)調(diào)整，限號通行等）影響不敏感，也難以刻畫交通排放的時空分布特征。基于交通量的排放測算方法[11-20]自20世紀(jì)90年代后期開始受到重視，該方法更能反映交通行為，測算區(qū)域和時間粒度也逐漸細(xì)化。然而，由于車輛類型、排放標(biāo)準(zhǔn)、后處理技術(shù)等的不同，本地化修正是應(yīng)用國外模型的重要問題。另外，由于交通規(guī)劃模型和排放模型開發(fā)者源于不同領(lǐng)域，導(dǎo)致二者在銜接應(yīng)用時出現(xiàn)諸多不兼容的問題。諸多學(xué)者[21-26]對兩者的對接問題進行了較為全面的研究和梳理，但目前的研究多集中于對交通仿真模型與微觀排放模型的分析，較少有研究涉及交通規(guī)劃模型與排放模型對接并應(yīng)用模型對接計算成果對政策進行評價。應(yīng)用交通排放模型進行規(guī)劃方案量化計算時需滿足如下三點要求：（1）對不同交通規(guī)劃方案的輸出參數(shù)敏感，從而能反映不同方案的排放差異；（2）體現(xiàn)交通排放的時間/空間分布，從而有助于結(jié)合環(huán)境約束制定交通減排對策；（3）能夠與交通規(guī)劃模型進行合理有效的對接，在模型結(jié)構(gòu)、參數(shù)定義等方面具有兼容和一致性，從而保證排放測算和評估的科學(xué)性。

在上述背景與問題下，本文設(shè)計了中國機動車排放模型（China Vehicle Emission Model,CVEM）[27]在交通規(guī)劃階段的應(yīng)用方法。作為基于國內(nèi)參數(shù)和實驗數(shù)據(jù)開發(fā)的機動車排放模型，經(jīng)過模型應(yīng)用方法設(shè)計，有可能滿足上述要求。本文將從CVEM排放模型的結(jié)構(gòu)和計算方法，CVEM排放模型應(yīng)用于綜合交通規(guī)劃中的對接方法，成渝城市群綜合交通規(guī)劃方案的環(huán)境影響評價應(yīng)用案例3個方面進行論述。

1 CVEM排放模型

CVEM排放模型由我國環(huán)保部機動車排污監(jiān)控中心建立，是我國移動源排放清單模型，能夠測算車輛的CO,HC,NOX,PM排放[30]。該模型綜合多種國外交通排放模型，利用本地化的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分車輛類型和污染物排放過程計算車輛或地區(qū)的污染物排放[31]。

1.1 模型結(jié)構(gòu)

CVEM模型的排放測算分為尾氣排放和蒸發(fā)排放兩部分。其中，尾氣排放又包括冷啟動過程和熱運行過程兩部分。受車型與排放過程的影響，CVEM排放模型針對不同車型參考了不同的國外排放模型方法。

污染物尾氣排放總量的計算方法如下：

式（1）～（2）中：EMAi,j為由車型i排放的污染物j的總量（g）；VMTi為車型為i的車輛行駛里程（km）；EFi,j為車型為i,污染物為j的排放因子（g/km），該排放因子為經(jīng)過速度、溫度、海拔等修正因子修正后的排放因子；VAi為車型為i的機動車保有量（輛）；AMi為車型為i的機動車年均行駛里程（km）。

從以上VMT計算方法可知，CVEM是基于保有量的排放模型，其難以體現(xiàn)交通政策變化產(chǎn)生的排放差異，亦難以刻畫排放的時空分布特征。因此，需將其與交通規(guī)劃模型對接，利用交通規(guī)劃模型的輸出交通量和路段長度計算VMT，以克服上述問題。

此時，污染物排放的計算方法可表示為：

式（3）中：EMi為第i種污染物的排放量（g）；qlink,vt,es為某路段內(nèi)特定車型和特定排放標(biāo)準(zhǔn)的車輛數(shù)（輛）；llink為link的路段長度（km）；f( )EFi,vt,es為i類型的污染物在特定車型和排放標(biāo)準(zhǔn)下的排放因子修正函數(shù)；i為污染物種類；vt為車輛類型，詳見表2；es為排放標(biāo)準(zhǔn)，包括國0～國V。

1.2 排放因子及其修正

CVEM排放模型的排放因子和修正因子主要考慮環(huán)境、車輛活動和車輛技術(shù)屬性3類要素，具體影響因素如表1所示。

表1 在CVEM中影響機動車尾氣排放的主要因素

考慮上述影響因素后，根據(jù)車型不同，車輛的排放因子分為：（1）輕型車輛與摩托車（Light Diesel Vehicle&Motorcycle,LDV&MC）的熱啟動排放因子；（2）重型柴油車與低速車輛（Heavy Diesel Vehicle&Low-Speed,HDV&Low-Speed）排放因子。計算及修正過程分別如式（4）和（5）所示。

輕型車輛與摩托車的排放因子EFLDV&MC計算公式如下：

EFLDV&MC=BEF×SCF×TCF×LCF×FCF×ACF （4）式（4）中：BEF為基本排放因子；SCF為速度修正因子；TCF為溫度修正因子；LCF為載重修正因子；FCF為燃料修正因子；ACF為海拔修正因子。

重型車輛與低速車輛的排放因子EFHDV&Low-Speed計算公式如下：

式（5）中：ERk為VSP區(qū)間為k的車輛排放率；Fk為車輛在VSP為k區(qū)間的時間；TCF為溫度修正因子；LCF為載重修正因子；FCF為燃料修正因子；ACF為海拔修正因子；v為車輛行駛速度（km/h）。

其中，行駛周期數(shù)據(jù)源于我國17個城市的調(diào)查；道路分擔(dān)率源于我國6個城市的駕駛員問卷調(diào)查；車輛信息數(shù)據(jù)從我國345個城市的車輛維修中心收集；機動車保有量源于我國公安部門的車輛注冊數(shù)據(jù)。CVEM排放模型的車型劃分按照我國公安部的車型劃分標(biāo)準(zhǔn)，按車輛類型、車輛規(guī)格、燃料類型以及排放標(biāo)準(zhǔn)分為34類，如表2所示。

表2 CVEM模型車型劃分表

2 交通規(guī)劃模型與CVEM排放模型對接

普遍應(yīng)用于交通規(guī)劃的交通需求預(yù)測模型（如TransCAD中的內(nèi)置模型），其輸出結(jié)果無法直接應(yīng)用于CVEM排放模型進行規(guī)劃方案的排放評估，需要經(jīng)過VMT及其車型分布、排放標(biāo)準(zhǔn)分布測算的對接流程，如圖1所示。

圖1 交通規(guī)劃模型與交通排放模型對接流程

2.1 交通量獲取

交通量獲取是指在應(yīng)用預(yù)測周轉(zhuǎn)量計算排放時，將周轉(zhuǎn)量分布在各類型車輛上的過程。該方法適用于計算規(guī)劃排放總量。受限于周轉(zhuǎn)量無法體現(xiàn)運輸?shù)目臻g分布，若希望表現(xiàn)規(guī)劃方案的空間分布，需要利用交通需求模型對周轉(zhuǎn)量進行交通流分配獲得預(yù)測交通量。

交通量可以通過式（6）進行計算：

式（6）中：qvt為運載工具為vt的輛數(shù)（輛）；ZZLvt為運載工具為vt的周轉(zhuǎn)量（t·km,人·km）；ULvt為運載工具的單位載重（t/輛,人/輛）；ATMvt為運載工具的平均行駛里程（km）；vt為運載工具類型。

交通量獲取過程可以通過歷史數(shù)據(jù)中各車型的工作量占比來計算各車型對周轉(zhuǎn)量的貢獻率，以歷史貢獻程度對規(guī)劃周轉(zhuǎn)量進行換算，計算公式如式（7）、式（8）所示：

式（7）～（8）中：ZZLi為運輸方式為i的周轉(zhuǎn)量（t·km,人·km）；i為客運或貨運； PGZLvt為車輛類型為vt的工作量占比（%）；為歷史數(shù)據(jù)中車輛類型為vt的車輛行駛里程（km）；為歷史數(shù)據(jù)中車輛類型為vt的車輛平均載重（t/輛,人/輛）；為歷史數(shù)據(jù)中客貨運周轉(zhuǎn)量。

2.2 車型比例分布

車型比例分布是指將預(yù)測的當(dāng)量交通量PVlink（單位為pcu）換算為預(yù)測交通量（單位為輛）的過程。其方法是利用預(yù)測客貨運量和歷史車型比例以及當(dāng)量交通量折算系數(shù)進行換算。計算方法如式（9）、式（10）所示：

式（9）～（10）中：qlink為路段預(yù)測交通量（輛）；PVlink為路段預(yù)測當(dāng)量交通量（pcu）；pcuf為綜合標(biāo)準(zhǔn)車折算系數(shù)；pcufvt為車型為vt的車輛的標(biāo)準(zhǔn)車折算系數(shù)；αvt為車型為vt的車輛數(shù)占統(tǒng)計車型車輛總數(shù)的百分比；vt為車輛類型。

2.3 排放標(biāo)準(zhǔn)比例分布

排放標(biāo)準(zhǔn)比例分布是指對分車型的預(yù)測交通量進行排放標(biāo)準(zhǔn)劃分的過程。排放標(biāo)準(zhǔn)比例分布由車齡分布決定，與車輛類型、排放標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)政策、車輛淘汰速率相關(guān)。因此，可利用歷史統(tǒng)計數(shù)據(jù)明確現(xiàn)狀車輛壽命、排放標(biāo)準(zhǔn)分布情況；利用車輛存活概率曲線估計規(guī)劃年的車齡分布，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的排放標(biāo)準(zhǔn)年限估算相應(yīng)車齡的車輛排放標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)楊方等[32]、劉森等[33]對基于存活概率的車齡分布研究，在假定車輛的存活概率保持不變的情況下，存活概率隨車齡的變化符合兩參數(shù)威布爾分布，計算方法如式（11）所示：

式（11）中：bj為失效陡度，當(dāng)bj>1時，可以認(rèn)為是用于反映老化淘汰狀態(tài)；Tj為預(yù)期壽命（年）。

為求解式中的bj與Tj，需要歷年車輛報廢數(shù)據(jù)或新車注冊數(shù)據(jù)。根據(jù)歷史數(shù)據(jù)確定存活概率φj,i后，再利用式（12）和式（13）計算車輛存活率sj,i和k+1年各車齡車輛數(shù)(k+1)。計算各車齡的車輛數(shù)占當(dāng)年機動車保有量的比例之后，各排放標(biāo)準(zhǔn)的車輛比例即為相應(yīng)車齡的比例之和。

2.4 排放因子修正

排放因子修正是指對CVEM排放模型的基本排放因子進行修正的過程。CVEM基本排放因子是基于行駛周期，利用臺架排放測試收集而得的。而車輛在實際行駛過程中受到環(huán)境、交通狀態(tài)等多方面的影響，需要對基本排放因子進行修正。一般包括速度、溫度、海拔修正等。CVEM模型的修正因子源于測試、文獻研究和國際經(jīng)驗。圖2所示為NOX排放因子在不同排放標(biāo)準(zhǔn)下，不同速度的排放因子曲線?？梢钥闯?，NOX排放因子隨速度的增加而降低。

3 模型應(yīng)用

圖2 NOX排放因子隨車輛速度變化曲線

本文利用CVEM排放模型為成渝城市群綜合交通運輸規(guī)劃[34]中的不同規(guī)劃方案進行環(huán)境影響評價，測算規(guī)劃方案的交通污染物排放總量并分析其空間分布。規(guī)劃以2030年為目標(biāo)年，以鐵路建設(shè)強度最主要考量因素設(shè)計3種方案，分別為：激進方案（高強度）、適中方案（適中強度）和保守方案（低強度）。

具體規(guī)劃方案下客貨運周轉(zhuǎn)量及各交通方式占比如表3和表4所示。

表3 規(guī)劃方案的客運周轉(zhuǎn)量和運輸結(jié)構(gòu)列表

表4 規(guī)劃方案的貨運周轉(zhuǎn)量和運輸結(jié)構(gòu)列表

根據(jù)規(guī)劃輸出結(jié)果和要求，該案例的計算流程為：利用交通需求模型計算預(yù)測交通量→測算車型比例分布→測算排放標(biāo)準(zhǔn)比例分布→排放因子修正→規(guī)劃方案排放測算。各流程階段輸出結(jié)果見表5～表10。

3.1 計算預(yù)測交通量

利用交通規(guī)劃傳統(tǒng)四階段法模型，獲得在規(guī)劃路網(wǎng)下不同規(guī)劃方案各路段的預(yù)測當(dāng)量交通量PVlink，結(jié)果示例見表5。

表5 預(yù)測規(guī)劃方案的路段日均當(dāng)量交通量示例

3.2 測算車型比例分布

根據(jù)規(guī)劃要求與數(shù)據(jù)收集，測算車輛類型及其折算系數(shù)與車型占比，結(jié)果見表6。

表6 成渝城市群規(guī)劃測算的車輛類型及其折算系數(shù)與車型占比

經(jīng)過計算，成渝城市群綜合標(biāo)準(zhǔn)車折算系數(shù)pcuf為1.64。

將表5的當(dāng)量交通量PVlink換算為交通量qlink，結(jié)果示例見表7。

表7 預(yù)測規(guī)劃方案的路段日均交通量示例

3.3 測算排放標(biāo)準(zhǔn)比例分布

根據(jù)規(guī)劃要求和收集的數(shù)據(jù)，獲得成渝城市群現(xiàn)狀車輛的排放標(biāo)準(zhǔn)比例分布。利用車輛存活概率曲線預(yù)測規(guī)劃年車齡分布，并根據(jù)車齡估算車輛的規(guī)劃年排放標(biāo)準(zhǔn)比例分布，結(jié)果見表8。

表8 現(xiàn)狀與規(guī)劃年的車輛排放標(biāo)準(zhǔn)分布（%）

3.4 排放因子修正

對CVEM模型的基本排放因子進行車型、燃料、排放標(biāo)準(zhǔn)及速度分布等修正因子計算后，獲得成渝城市區(qū)綜合交通規(guī)劃公路污染物排放因子，如表9所示。

表9 公路污染物排放因子

3.5 污染物排放總量及空間分布

根據(jù)模型測算方法，利用表7和表9，根據(jù)式（1）和式（2）測算路段各污染物排放量，結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同方案的污染物排放總量測算結(jié)果

從計算結(jié)果可以看出，受鐵路運輸承擔(dān)更多的旅客、貨物周轉(zhuǎn)量的影響，污染物排放總量隨著方案中公路運輸周轉(zhuǎn)量占比的降低而降低。

除了對規(guī)劃方案的污染物排放總量進行計算外，還可以根據(jù)規(guī)劃要求，分別對客運、貨運的污染物排放進行計算。以3種規(guī)劃方案的客貨運NOx排放量為例，可得到分線路、分客貨運的污染物排放測算結(jié)果，示例見表10。

表10 不同方案分客貨運的污染物路段測算結(jié)果示例

將路段污染物排放測算結(jié)果分布在路網(wǎng)上，可以直觀地反映污染物排放預(yù)測中重點路段和政策措施影響范圍的變化。圖4為3種方案NOX在路網(wǎng)上的分布情況。利用路網(wǎng)分布圖可以較為清晰直觀地反映污染物排放嚴(yán)重的區(qū)域或路段，以此對規(guī)劃方案的環(huán)境影響進行評價。

圖4 成渝城市群規(guī)劃情景NOx強度分布（單位：t/km）

4 結(jié)論

通過對CVEM排放模型在交通規(guī)劃中應(yīng)用的研究，得出如下結(jié)果。

（1）為滿足交通規(guī)劃方案評價和決策支持，應(yīng)用于交通規(guī)劃的排放模型需滿足3方面的要求：①對規(guī)劃方案及輸出參數(shù)敏感；②反映交通排放結(jié)果的時空分布；③能夠與交通規(guī)劃模型進行合理有效的對接。

（2）CVEM模型作為基于保有量的交通排放模型，經(jīng)過應(yīng)用方法設(shè)計，可與交通規(guī)劃模型進行合理對接，充分利用交通規(guī)劃模型預(yù)測的VMT及其分布，可滿足交通規(guī)劃方案的排放分析。

（3）根據(jù)交通規(guī)劃模型的輸出結(jié)果，應(yīng)用CVEM模型的重要過程包括交通量獲取、車型比例分布測算、排放標(biāo)準(zhǔn)比例分布測算、排放因子修正、污染物排放總量測算及空間分布等。

此外，從CVEM排放模型的應(yīng)用實例可知，利用交通排放的空間分布，可以結(jié)合規(guī)劃方案分客貨運、分通道/走廊、分樞紐分析污染物排放；亦可結(jié)合交通流的時變特征與當(dāng)?shù)乜諝赓|(zhì)量（包括其他排放源）模型耦合，進一步開展基于空氣質(zhì)量的交通策略研究。CVEM模型在環(huán)保領(lǐng)域的用途廣泛，但在交通領(lǐng)域應(yīng)用受限，主要原因是該模型對于交通運行的敏感度低。因此，未來需要對交通運行方面的參數(shù)進行詳細(xì)刻畫，例如路網(wǎng)密度、行駛里程、運行速度等。