建成環(huán)境的機(jī)動(dòng)車尾氣減排潛力評(píng)估及控污分區(qū)調(diào)控研究
——以天津市中心城區(qū)為例

趙瑩楠，林 耕，曾穗平

（天津城建大學(xué) 建筑學(xué)院，天津 300384）

大氣污染是城市環(huán)境問(wèn)題的重要體現(xiàn)之一.天津市生態(tài)環(huán)境公報(bào)顯示，2019 年部分行政區(qū)PM2.5、CO、NO2的年平均濃度未達(dá)到國(guó)家年平均濃度標(biāo)準(zhǔn).根據(jù)天津市大氣污染物排放清單：PM2.5、CO、NO2三種污染物的20%～40%來(lái)源于機(jī)動(dòng)車尾氣.同時(shí)，研究表明城市建成環(huán)境中的相關(guān)因素不合理將會(huì)導(dǎo)致居民選擇低污出行的頻率減少，進(jìn)而加劇城市空氣污染[1].

目前國(guó)內(nèi)的相關(guān)研究中，在研究?jī)?nèi)容方面：多集中于城市建成環(huán)境對(duì)居民通勤方式的影響，偏重于對(duì)低碳城市的研究，還較少考慮到城市建成環(huán)境與大氣污染之間的關(guān)系，缺少基于城市建成環(huán)境的低污策略的研究[2-7].在研究數(shù)據(jù)方面：目前大多數(shù)的研究數(shù)據(jù)主要基于出行調(diào)查數(shù)據(jù)來(lái)探究建成環(huán)境與居民出行之間的關(guān)系，缺少運(yùn)用大數(shù)據(jù)分析城市建成環(huán)境與大氣污染之間關(guān)系的研究[8-10].

因此，本文將建成環(huán)境與機(jī)動(dòng)車尾氣聯(lián)系起來(lái)，定量分析機(jī)動(dòng)車尾氣的質(zhì)量濃度與城市建成環(huán)境之間的耦合關(guān)系，構(gòu)建減排潛力評(píng)估框架，力求通過(guò)改善城市建成環(huán)境來(lái)促使居民選擇公交、步行等低污出行方式，減少機(jī)動(dòng)車尾氣的產(chǎn)生，進(jìn)而緩解大氣污染.

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究對(duì)象

天津市位于中國(guó)的北部，市轄區(qū)分為中心城區(qū)、環(huán)城區(qū)、濱海新區(qū)和遠(yuǎn)郊區(qū).中心城區(qū)是天津的發(fā)祥地，也是政治、文化、教育、經(jīng)濟(jì)、商業(yè)中心.本文選擇中心城區(qū)作為研究區(qū)域，總面積173 km2，包括和平區(qū)、南開區(qū)、河西區(qū)、河?xùn)|區(qū)、河北區(qū)、紅橋區(qū).

1.2 研究思路

首先，運(yùn)用Spss 統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)城市建成環(huán)境因子與機(jī)動(dòng)車尾氣質(zhì)量濃度進(jìn)行Pearson 相關(guān)性分析，基于二者之間的Pearson 相關(guān)系數(shù)利用層次分析法構(gòu)建減排潛力評(píng)價(jià)體系，得出城市建成環(huán)境的減排潛力；然后，利用GIS 的反距離權(quán)重插值法對(duì)NO2、CO、PM2.5三種污染物的質(zhì)量濃度進(jìn)行可視化分析，得出天津市中心城區(qū)的機(jī)動(dòng)車尾氣質(zhì)量濃度空間分布分區(qū)；最后，對(duì)比建成環(huán)境的減排潛力分區(qū)與機(jī)動(dòng)車尾氣濃度分布分區(qū)，得出天津市中心城區(qū)的機(jī)動(dòng)車尾氣控污分區(qū)，進(jìn)而對(duì)各分區(qū)提出相應(yīng)的優(yōu)化策略.

1.3 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究所需要的數(shù)據(jù)包括城市建成環(huán)境與空氣污染物濃度兩類，其中城市建成環(huán)境包括天津市人口數(shù)據(jù)、POI 興趣點(diǎn)數(shù)據(jù)、路網(wǎng)數(shù)據(jù)以及公交站點(diǎn)數(shù)據(jù)等.

（1）天津市人口數(shù)據(jù)：國(guó)家統(tǒng)計(jì)局，第六次全國(guó)人口普查數(shù)據(jù)公報(bào).

（2）興趣點(diǎn)及公交站點(diǎn)數(shù)據(jù)：百度POI 獲取，包括教育、餐飲、醫(yī)療、金融服務(wù)、休閑娛樂(lè)、停車場(chǎng)等興趣點(diǎn)信息，以及公交站點(diǎn)、地鐵站點(diǎn)經(jīng)緯度.

（3）路網(wǎng)數(shù)據(jù)：Open Street Map，包括城市主干路、次干路、支路及停車場(chǎng).

（4）污染物數(shù)據(jù)：天津市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，包括每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的經(jīng)緯度信息及2019 年各區(qū)環(huán)境空氣質(zhì)量綜合排名及主要污染物濃度.

1.4 研究方法

1.4.1 建成環(huán)境指標(biāo)選取及量化

城市建成環(huán)境指的是城市范圍內(nèi)人為建設(shè)所產(chǎn)生的各種建筑物和場(chǎng)所. 本文借鑒了Cervero 與Kockelman、Ewing 等人提出的“D”變量概念，選取密度（density）、多樣性（diversity）、設(shè)計(jì)（design）、目的地可達(dá)性（destination accessibility）、到公交站點(diǎn)距離五大要素（distance to transit）[11].

密度要素是反映土地開發(fā)強(qiáng)度或人口密集程度的要素，選取的指標(biāo)多為人口密度、容積率等.相關(guān)研究顯示，容積率對(duì)居民出行方式的影響不大[12]，因此本文將人口密度作為密度變量的控制指標(biāo).

多樣性要素是反映土地利用豐富程度的要素，通過(guò)土地使用性質(zhì)的調(diào)整，可以促使居住、工作達(dá)到平衡分布，減少鐘擺式交通引發(fā)的污染.本文用POI 興趣點(diǎn)密度作為衡量混合度的指標(biāo)，將教育、餐飲、醫(yī)療、金融服務(wù)、休閑娛樂(lè)等興趣點(diǎn)數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)整合，然后計(jì)算POI 數(shù)量與街區(qū)面積的比值作為多樣性變量的控制指標(biāo).

設(shè)計(jì)要素是反映研究區(qū)域形態(tài)結(jié)構(gòu)狀況的要素，在以往的研究中其指標(biāo)的選取較為豐富，其中交叉口密度、百輛車停車位數(shù)會(huì)對(duì)居民是否選擇私家車出行產(chǎn)生影響，綠化覆蓋率會(huì)對(duì)居民是否選擇步行或騎行產(chǎn)生影響[13].因此，將選取以上三個(gè)變量作為設(shè)計(jì)變量的控制指標(biāo).

目的地可達(dá)性要素是反映居民出行便利程度的要素，相關(guān)研究中多采用的指標(biāo)為到城市中心距離、到片區(qū)中心距離等.考慮數(shù)據(jù)的可獲取性等因素，本文以路網(wǎng)密度作為目的地可達(dá)性變量的控制指標(biāo).

到公交站點(diǎn)距離要素是反映城市公共交通服務(wù)質(zhì)量的指標(biāo)，居民出行是否選擇公共交通出行的影響因素較多，還包括公交換乘系數(shù)、公交平均行駛速度等因素.本文選取公交站點(diǎn)密度、地鐵站點(diǎn)密度作為到公交站點(diǎn)距離變量的控制指標(biāo).

建成環(huán)境5“D”要素具體描述性統(tǒng)計(jì)如表1 所示.

表1 城市建成環(huán)境變量的描述性統(tǒng)計(jì)

運(yùn)用GIS 將收集到的天津市的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析計(jì)算，以中心城區(qū)六區(qū)下屬的65 個(gè)街區(qū)為本研究的基本尺度對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行空間連接，在該尺度上對(duì)天津市中心城區(qū)建成環(huán)境要素進(jìn)行分析，然后將得到的結(jié)果按行政歸屬匯總求均值，結(jié)果如表2 所示.

表2 市內(nèi)六區(qū)建成環(huán)境要素量化結(jié)果

1.4.2 機(jī)動(dòng)車尾氣污染狀況統(tǒng)計(jì)

基于環(huán)保部《道路機(jī)動(dòng)車大氣污染物排放清單編制技術(shù)指南（試行）》中選擇的評(píng)價(jià)指標(biāo)，以PM2.5、NO2、CO 作為機(jī)動(dòng)車尾氣質(zhì)量濃度評(píng)價(jià)因子.根據(jù)天津市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心發(fā)布的2019 年全年各區(qū)環(huán)境空氣質(zhì)量綜合排名及主要污染物濃度，整理得到表3.

表3 2019 年全年各區(qū)主要污染物濃度

1.4.3 建成環(huán)境與機(jī)動(dòng)車尾氣質(zhì)量濃度耦合關(guān)系

運(yùn)用SPSS 分析建成環(huán)境變量中的人口密度、POI密度、交叉口密度、路網(wǎng)密度、公交站點(diǎn)密度與NO2、CO、PM2.5質(zhì)量濃度之間的相關(guān)性，本文采用的相關(guān)系數(shù)為Pearson 相關(guān)系數(shù)[14]，該相關(guān)系數(shù)是用來(lái)衡量?jī)蓚€(gè)變量集合是否排列在一條線上，是用來(lái)反映兩個(gè)變量線性相關(guān)程度的統(tǒng)計(jì)量.分析結(jié)果如表4 所示.

表4 Pearson 線性相關(guān)分析結(jié)果

由于城市建成環(huán)境對(duì)三種污染物影響的正負(fù)相關(guān)性不同，且三種污染物之間存在多重共線性，因此為得出城市建成環(huán)境對(duì)機(jī)動(dòng)車尾氣的綜合影響，本文運(yùn)用主成分分析法將PM2.5、NO2、CO 進(jìn)行因子降維處理，得出新的因子——“機(jī)動(dòng)車尾氣”，新的因子表達(dá)式為

之后將得到的新的機(jī)動(dòng)車尾氣因子與城市建成環(huán)境5 因素再次進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果如表5 所示.

表5 建成環(huán)境與機(jī)動(dòng)車尾氣耦合關(guān)系

根據(jù)Pearson 相關(guān)系數(shù)的定義，表中N 為樣本個(gè)數(shù)，相關(guān)系數(shù)的取值在-1 到1 之間，若相關(guān)系數(shù)大于0，表明兩個(gè)變量呈正相關(guān)，若相關(guān)系數(shù)小于0，表明兩個(gè)變量呈負(fù)相關(guān)；相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值越大，則兩組變量的相關(guān)性越強(qiáng)[15-18].從表5 中可以看出：因子降維處理后，城市建成環(huán)境5 因素中，與機(jī)動(dòng)車尾氣相關(guān)性最強(qiáng)的為綠化覆蓋率，相關(guān)性最弱的為人口密度，且只有人口密度、地鐵站點(diǎn)密度與其呈正相關(guān)，其余均呈負(fù)相關(guān).

2 研究結(jié)果與分析

2.1 建成環(huán)境的機(jī)動(dòng)車尾氣減排潛力評(píng)價(jià)體系構(gòu)建

建成環(huán)境的機(jī)動(dòng)車尾氣減排潛力指的是依托城市建成環(huán)境與居民出行產(chǎn)生良性互動(dòng)，促使居民選擇低污的出行方式，進(jìn)而減少機(jī)動(dòng)車尾氣排放的能力.

運(yùn)用層次分析法，以減排潛力作為目標(biāo)層，將密度、多樣性、設(shè)計(jì)、目的地可達(dá)性、到公交站點(diǎn)距離五個(gè)因素作為準(zhǔn)則層，其下屬的8 個(gè)指標(biāo)作為指標(biāo)層，構(gòu)建建成環(huán)境的機(jī)動(dòng)車尾氣減排潛力評(píng)價(jià)體系.基于表5 中城市建成環(huán)境5D 因素與機(jī)動(dòng)車尾氣之間的Pearson 相關(guān)系數(shù)，評(píng)估各指標(biāo)的屬性及權(quán)重[19-21]，結(jié)果如表6.

表6 建成環(huán)境的機(jī)動(dòng)車尾氣減排潛力評(píng)價(jià)體系

為使各組數(shù)據(jù)之間的差異最大化，將數(shù)據(jù)分成性質(zhì)相似的群組，運(yùn)用自然斷裂法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分級(jí)，將建成環(huán)境的減排潛力分成5 級(jí)，分別為：低、較低、中、高、較高5 級(jí).結(jié)果如表7 所示.

表7 減排潛力等級(jí)劃分

2.2 天津市中心城區(qū)機(jī)動(dòng)車尾氣減排潛力分區(qū)

基于減排潛力評(píng)價(jià)體系，運(yùn)用GIS 的加權(quán)總和疊加分析工具對(duì)天津市中心城區(qū)各指標(biāo)進(jìn)行加權(quán)，得到建成環(huán)境的機(jī)動(dòng)車尾氣減排潛力值，如表8 所示.

表8 天津市中心城區(qū)減排潛力評(píng)價(jià)結(jié)果

運(yùn)用GIS 的屬性連接工具，將建成環(huán)境各指標(biāo)加權(quán)后得到的減排潛力值與中心城區(qū)六區(qū)下屬的65 個(gè)街區(qū)進(jìn)行空間連接，得出建成環(huán)境的機(jī)動(dòng)車尾氣減排潛力分區(qū)（見(jiàn)圖1）.由圖1 可以看出：南開區(qū)的廣開街區(qū)、興南街區(qū)、河北區(qū)的月牙河街區(qū)、河?xùn)|區(qū)的上杭路街區(qū)等區(qū)域綜合潛力較高；總體來(lái)看，減排潛力較高的區(qū)域較為分散，且面積占中心城區(qū)總面積的比例不高，呈點(diǎn)狀分布.

圖1 減排潛力分區(qū)

2.3 天津市中心城區(qū)機(jī)動(dòng)車尾氣質(zhì)量濃度空間分布分區(qū)

基于2019 年天津市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心六個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的主要污染物濃度數(shù)據(jù)，運(yùn)用GIS 的反距離權(quán)重插值法（IDW）對(duì)PM2.5、NO2、CO 三種污染物進(jìn)行可視化分析（見(jiàn)圖2）. 可以看出，污染物的空間分布呈現(xiàn)出“雙峰雙谷”的規(guī)律.高污染區(qū)主要集中在河北區(qū)以及河西區(qū)，而南開區(qū)、紅橋區(qū)的空氣污染相對(duì)較低.對(duì)比中心城區(qū)的交通流量和公交地鐵站點(diǎn)分布，河北區(qū)及河西區(qū)屬于交通流量大，公交地鐵站點(diǎn)分布少的區(qū)域，一定程度上反映了城市建成環(huán)境與空氣污染之間的關(guān)聯(lián)性.

圖2 機(jī)動(dòng)車尾氣質(zhì)量濃度分布

3 天津市中心城區(qū)機(jī)動(dòng)車尾氣控污分區(qū)及提升策略

對(duì)比減排潛力分區(qū)與機(jī)動(dòng)車尾氣質(zhì)量濃度的空間分布，發(fā)現(xiàn)二者之間的關(guān)系即存在空間相關(guān)區(qū)域，也有相異區(qū)域.如南開區(qū)的興南街區(qū)、廣開街區(qū)既是高潛力區(qū)，又是低污染區(qū)；河北區(qū)的王串場(chǎng)街區(qū)、月牙河街區(qū)即是高潛力區(qū)又是高污染區(qū).因此，將二者運(yùn)用GIS 的疊加分析進(jìn)行可視化，得出天津市中心城區(qū)的機(jī)動(dòng)車尾氣控污分區(qū)（見(jiàn)圖3），包括低污低潛區(qū)、高污高潛區(qū)、高污低潛區(qū)以及低污高潛區(qū).基于控污分區(qū)結(jié)果，對(duì)不同區(qū)域提出相應(yīng)的管控措施以及提升策略.

圖3 控污分區(qū)

3.1 低污低潛區(qū)：提升建成環(huán)境，規(guī)劃慢行交通體系

交通污染物濃度低且減排潛力也低的區(qū)域，主要分布在南開區(qū)的王頂?shù)探謪^(qū)、河西區(qū)的陳塘莊街區(qū)、河?xùn)|區(qū)的唐家口街區(qū)、河北區(qū)的鐵東路街區(qū)以及紅橋區(qū)的西沽街區(qū)等區(qū)域.該區(qū)域污染狀況較輕；但同時(shí)POI 密度、公交站點(diǎn)密度也較低，因此在未來(lái)發(fā)展中應(yīng)以維持大氣環(huán)境為主.

低污低潛區(qū)是重點(diǎn)開發(fā)建設(shè)的區(qū)域，應(yīng)注重基礎(chǔ)設(shè)施和公共交通的建設(shè)，規(guī)劃慢行交通體系，利用建設(shè)發(fā)展契機(jī)，提高慢行交通路網(wǎng)密度，增設(shè)公交站點(diǎn)，打造成以公共出行或步行為主的慢行片區(qū)；同時(shí)，豐富該街區(qū)的功能多樣性，打造以家為中心的15 min 步行或騎行可達(dá)范圍內(nèi)公共設(shè)施完善的15 min 生活圈，減少居民選擇汽車出行，避免出現(xiàn)城市機(jī)動(dòng)車尾氣方面的空氣污染問(wèn)題.

3.2 高污高潛區(qū)：協(xié)調(diào)建成環(huán)境，促使居民低污出行

交通污染物濃度高且減排潛力也高的區(qū)域，主要分布在南開區(qū)的嘉陵道街區(qū)、河西區(qū)的越秀路街區(qū)、河?xùn)|區(qū)的富民路街區(qū)以及紅橋區(qū)的咸陽(yáng)北路街區(qū)等區(qū)域.該區(qū)域污染狀況較嚴(yán)重，但同時(shí)路網(wǎng)密度及交叉口密度較高，因此在未來(lái)發(fā)展中應(yīng)充分利用建成環(huán)境，促使居民選擇低污出行方式.

高污高潛區(qū)是較易改善空氣質(zhì)量的區(qū)域，因其路網(wǎng)密度較高，可以通過(guò)更改道路的使用性質(zhì)，增加公共交通路線，優(yōu)化非機(jī)動(dòng)車道，增設(shè)共享單車投放點(diǎn)等措施，促使居民選擇以公共交通、步行或騎行作為主要的出行方式，進(jìn)而緩解交通污染狀況，提高大氣環(huán)境質(zhì)量.

3.3 低污高潛區(qū):利用建成環(huán)境，打造綠色交通示范區(qū)

交通污染物濃度低且減排潛力高的區(qū)域，主要分布在南開區(qū)的萬(wàn)興街區(qū)、興南街區(qū)、和平區(qū)的南市街區(qū)、勸業(yè)場(chǎng)街區(qū)、河北區(qū)的鴻順里街區(qū)、望海樓街區(qū)、河西區(qū)的下瓦房街區(qū)、掛甲寺街區(qū)等區(qū)域.該區(qū)域污染狀況較輕，同時(shí)路網(wǎng)密度、公交站點(diǎn)密度較高，因此在未來(lái)發(fā)展中可以將該區(qū)域打造成綠色交通示范區(qū).

低污高潛區(qū)是中心城區(qū)中較為優(yōu)質(zhì)的區(qū)域，在未來(lái)發(fā)展中應(yīng)進(jìn)一步控制城市建設(shè)強(qiáng)度，綠色發(fā)展，結(jié)合現(xiàn)狀交通及出行環(huán)境，大力推廣綠色出行；在保護(hù)提升的同時(shí)，注意對(duì)機(jī)動(dòng)車通行及停放的控制，避免該區(qū)域機(jī)動(dòng)車保有量及使用率增長(zhǎng).

3.4 高污低潛區(qū)：優(yōu)化建成環(huán)境，限制機(jī)動(dòng)車出行

交通污染物濃度高且減排潛力低的區(qū)域，主要分布在河?xùn)|區(qū)的向陽(yáng)樓街區(qū)、河西區(qū)的東海街區(qū)、天塔街區(qū)、河北區(qū)的寧園街區(qū)等區(qū)域.該區(qū)域污染狀況較高，但同時(shí)POI 密度、公交站點(diǎn)密度又較低，因此在未來(lái)發(fā)展中應(yīng)適當(dāng)限制機(jī)動(dòng)車出行，以提升大氣環(huán)境質(zhì)量.

高污低潛區(qū)是要對(duì)機(jī)動(dòng)車出行進(jìn)行嚴(yán)格管控的區(qū)域，可適當(dāng)采取激勵(lì)政策，通過(guò)打造特色步行環(huán)境、提高綠化覆蓋率、增設(shè)公交站點(diǎn)、增加共享單車投放、轉(zhuǎn)變機(jī)動(dòng)車道為公共交通車道、提高機(jī)動(dòng)車停車收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)等措施，促使該地區(qū)居民放棄機(jī)動(dòng)車出行，選擇綠色出行方式，進(jìn)而緩解空氣污染問(wèn)題.

4 結(jié) 語(yǔ)

本文采取定量加定性的方法對(duì)天津市中心城區(qū)進(jìn)行大氣控污分區(qū)，進(jìn)而針對(duì)性地提出各區(qū)優(yōu)化策略，對(duì)城市機(jī)動(dòng)車尾氣污染問(wèn)題的解決具有借鑒意義.本文提出的通過(guò)改善城市建成環(huán)境來(lái)減少居民選擇機(jī)動(dòng)車出行進(jìn)而緩解城市空氣污染問(wèn)題的策略，具有作用效果顯著、社會(huì)成本經(jīng)濟(jì)、惠及人群廣泛等優(yōu)勢(shì).但由于數(shù)據(jù)獲取的局限，對(duì)于建成環(huán)境所選擇的指標(biāo)還有待完善，在未來(lái)研究中還應(yīng)該進(jìn)一步豐富其內(nèi)容，進(jìn)而提高科學(xué)性.