不同貨物運輸方式的大氣污染物排放對比及減排潛力分析*

許康利 田 野 王聘璽 薛亦峰# 魏小強 張世豪,5

(1.北京市環(huán)境保護科學(xué)研究院，國家城市環(huán)境污染控制工程技術(shù)研究中心，北京 100037；2.北京市生態(tài)環(huán)境局，北京 100048；3.北京市交通發(fā)展研究院，北京 100045；4.中國交通信息中心有限公司，北京 100101；5.首都師范大學(xué)資源環(huán)境與旅游學(xué)院，北京 100048)

機動車和非道路機械等移動源正逐步成為中國城市大氣污染主要的來源之一[1-4]，根據(jù)主要城市PM2.5污染來源解析結(jié)果，移動源對PM2.5的貢獻逐年增加，貢獻率最高可達50%[5-6]。貨物運輸行業(yè)中，機動車(主要包括貨車)、非道路機械鐵路內(nèi)燃機和飛機是移動源的重要組成部分，其使用的化石燃料在燃燒過程中會產(chǎn)生大量的大氣污染物，主要包括顆粒物(PM)、NOx、揮發(fā)性有機物(VOCs)和CO等，對大氣環(huán)境造成較大影響[7-8]。因此，控制貨物運輸行業(yè)的大氣污染物排放對于移動源污染減排以及城市空氣質(zhì)量的改善具有重要作用。

當(dāng)前國內(nèi)外對于機動車和非道路機械污染排放及其對空氣質(zhì)量的影響研究較多。SUN等[9]利用COPERT模型估算了2000—2030年天津市機動車多種大氣污染物排放量，并對不同車輛類型排放貢獻進行識別。VIJAYARAGHAVAN等[10]采用MOVES模型核算了美國佐治亞州1995—2009年道路行駛的機動車CO、NOx和VOCs排放量，并與環(huán)境空氣質(zhì)量進行了相關(guān)性分析。徐雨晴等[11]和何吉成[12]采用基于燃料消耗量的排放因子法，對中國鐵路和民航飛機大氣污染物排放量進行了估算。貨物運輸主要通過重型柴油車、火車和飛機等運輸工具，目前的研究多集中在不同運輸方式的節(jié)能方法上[13-16]，譚曉雨等[17]分析了京津冀地區(qū)13個城市2001—2015年貨物運輸總能耗的變化情況，并從貨物運輸需求和貨物運輸市場等方面對降低貨物運輸能耗提出了相關(guān)建議，而對不同貨物運輸方式的污染物排放強度及排放量的對比和分析研究較少。

為探討不同貨物運輸方式的污染排放差異，本研究基于北京市當(dāng)前的貨物運輸車輛結(jié)構(gòu)及不同車型的大氣污染物排放因子，對比分析了3種不同貨物運輸方式(公路、鐵路和民航)的大氣污染物排放強度，核算了北京市貨物運輸主要大氣污染物排放量，并著重探討分析不同貨物運輸方式的污染物排放差異和排放貢獻，對貨物運輸行業(yè)的污染減排潛力進行評估和分析，進而提出調(diào)整和優(yōu)化貨物運輸結(jié)構(gòu)的建議，為北京市移動源污染防治工作提供研究參考。

1 材料和方法

1.1 研究對象

北京市是超大型城市，常住人口超過2 100萬，還有大量的流動人口[18]，人口密度較大，對食物、日用品和工業(yè)產(chǎn)品需求大[19]，貨物運輸量大。

北京市貨物運輸主要通過公路、鐵路和民航3種方式，2017年北京市公路運輸、鐵路運輸和民航運輸貨物周轉(zhuǎn)量分別為2.46×1014、1.59×1014、7.40×1013t·km。北京市現(xiàn)有兩個民用機場在用，分別為首都國際機場和大興國際機場，機場也承擔(dān)了一部分的貨物運輸，但比例不大。北京市鐵路里程多年未有變化，約為0.13萬km，占全國總鐵路里程的1%，主要與客流相對集中有關(guān)。北京市道路交通體系較為發(fā)達，且公路里程逐年增加，2017年為2.2萬km，約是鐵路里程的17倍。

1.2 大氣污染物排放強度核算方法

以單位運輸距離和單位質(zhì)量的貨物運輸所產(chǎn)生的污染物排放量來表征不同貨物運輸方式污染物排放強度。公路運輸所用的機動車種類較多，包括輕型、中型和重型機動車，燃料主要包括汽油和柴油，其污染物排放標(biāo)準(zhǔn)從國Ⅱ到國Ⅴ不等，本研究以北京市2018年貨物運輸車輛的實際保有量情況為基準(zhǔn)進行考慮，不同類型車輛單位運輸距離的大氣污染物排放量數(shù)據(jù)來自《城市大氣污染物排放清單編制手冊》[20]。

不同貨物運輸方式的污染物排放強度計算見式(1)：

Q=I÷M

(1)

式中：Q為不同貨物運輸方式下氣態(tài)污染物排放強度，g/(t·km)；I為不同貨物運輸方式下氣態(tài)污染物平均排放系數(shù)，g/km，取值來自《城市大氣污染物排放清單編制手冊》中道路移動源排放系數(shù)、非道路移動源排放系數(shù)；M為不同貨物運輸方式平均貨物運輸載貨噸位，t。其中，公路貨物運輸平均載貨噸位取2011—2017年北京市公路營運載貨汽車噸位的平均值(5 t)；鐵路貨物運輸平均載貨噸位取4 000 t；航空平均載貨噸位取60 t。

道路移動源排放系數(shù)根據(jù)2018年北京市不同車型及不同排放標(biāo)準(zhǔn)等級的貨物運輸車輛實際保有量占比情況進行修正，2018年北京市貨物運輸車輛中輕型、中型、重型機動車數(shù)量占比分別為79.6%、4.9%、15.4%，國Ⅲ前、國Ⅳ、國Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)的車輛數(shù)量占比分別為14.0%、18.9%、67.1%，根據(jù)不同車輛類型和排放等級的數(shù)量占比對排放系數(shù)進行加權(quán)平均，得到公路貨物運輸污染物平均排放系數(shù)。不同貨物運輸方式污染物排放系數(shù)對比情況見表1。

表1 不同貨物運輸方式污染物排放系數(shù)Table 1 The emission coefficient of pollutants of different modes of freight transportation g/km

1.3 不同貨物運輸方式排放量核算方法

不同貨物運輸方式各類污染物排放量計算見式(2)：

P=Q×T×10-6

(2)

式中：P為不同貨物運輸方式下氣態(tài)污染物排放量，t；T為貨物運輸周轉(zhuǎn)量，t·km。

2 結(jié)果和討論

2.1 北京市貨物運輸結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀特征

貨物運輸與城市人口規(guī)模、經(jīng)濟發(fā)展息息相關(guān)[21]。北京市人口多、經(jīng)濟持續(xù)快速發(fā)展，因此整體貨物運輸量較大。根據(jù)2007—2017年北京市公路、鐵路、民航的貨物運輸量變化情況(見表2)[22]可以看到，2014年前貨物運輸量總體增長，從2007年的19 895 萬t增長到2014年的26 697萬t，年均增長率4.9%，且2007—2014年北京市經(jīng)濟年均增長率8.6%，可見，隨著經(jīng)濟的發(fā)展，運輸業(yè)的發(fā)展水平也在不斷地提高，呈現(xiàn)出正向發(fā)展趨勢；2015年后受首都功能疏解，一般制造業(yè)逐漸外遷，第二產(chǎn)業(yè)國內(nèi)生產(chǎn)總值(GDP)貢獻下降，2015年比2014年降低1.6百分點，2015年常住人口增長也比較有限，流動人口大幅減少[23]，因此貨物運輸量出現(xiàn)大幅下降；到2017年貨物運輸量為20 253萬t，與2007年貨物運輸量19 895萬t和2008年貨物運輸量20 515萬t基本相當(dāng)，因此根據(jù)上述分析，預(yù)估未來10年內(nèi)北京市貨物運輸量基本保持在20 000萬t左右。

表2 2007—2017年北京市貨物運輸量及北京市人口變化Table 2 The freight volume and population of different modes of freight transportation in Beijing

在貨物運輸結(jié)構(gòu)上，北京市貨物運輸方式較為單一，公路運輸占絕對比例，且貢獻比例逐年上升，從2007年的89.8%增長到2017年的95.7%。公路運輸比例大，一方面與北京市公路貨物運輸配套設(shè)施較好、方便靈活有關(guān)，另一方面與貨物運輸距離短以及北京市的交通規(guī)劃有關(guān)。鐵路運輸占比呈現(xiàn)逐年減少的趨勢，從2007年的9.7%下降到2017年的3.5%，主要是鐵路資源偏重客運，鐵路貨物運輸配套設(shè)施不夠完善[24]，運輸?shù)浇K端仍需要經(jīng)過公路周轉(zhuǎn)，最后幾千米的貨物運輸障礙問題未完全破除。因此，應(yīng)大幅提升鐵路貨物運輸比例，推進多式聯(lián)運運輸網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，協(xié)調(diào)利用現(xiàn)有鐵路運輸資源，推動重點工業(yè)企業(yè)、物流園區(qū)和產(chǎn)業(yè)園區(qū)等大宗貨物運輸優(yōu)先采用鐵路貨物運輸方式，提升鐵路運輸比例，建立城市綠色貨物運輸體系。

2.2 不同貨物運輸方式污染物排放強度對比分析

持續(xù)增強的貨物運輸能力和不斷擴大的貨物運輸規(guī)模在推動城市經(jīng)濟發(fā)展的同時，也產(chǎn)生大量的污染物排放[25]，而不同的貨物運輸方式因燃料類型不同在污染物排放強度方面也存在差異?；诒本┦胸浳镞\輸車輛結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀，結(jié)合1.2節(jié)核算方法，得到不同貨物運輸方式主要大氣污染物(CO、NOx、PM2.5、PM10和VOCs)的排放強度。由表3可見，公路貨物運輸大氣污染物排放強度較大，5種大氣污染物總排放強度為1.746 g/(t·km)，分別是鐵路貨物運輸大氣污染物排放強度和民航貨物運輸大氣污染物排放強度的17.0、4.0倍。

表3 不同貨物運輸方式大氣污染物排放強度對比Table 3 Comparison of air pollutants emission intensity of different modes of freight transportation g/(t·km)

從不同大氣污染物種類來看，公路貨物運輸CO排放強度最大，為1.029g/(t·km)，分別是鐵路和民航的85.8、7.5倍；VOCs排放強度為0.127 g/(t·km)，分別是鐵路和民航的31.8、3.1倍；NOx排放強度為0.564 g/(t·km)，分別是鐵路和民航的7.0、2.3倍，由此可以看到公路貨物運輸在CO、VOCs和NOx的排放上具有更好的減排潛力。

通過上述3種不同貨物運輸方式大氣污染物排放強度的對比分析，可以看到公路運輸大氣污染物排放強度要遠高于鐵路運輸，通過情景預(yù)測和排放強度核算，要使公路運輸大氣污染物排放強度與鐵路運輸基本相當(dāng)，需要在現(xiàn)有公路運輸車輛結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，將全部國Ⅳ及國Ⅳ前排放標(biāo)準(zhǔn)等級、約90%的國Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)等級燃油車輛進行新能源替代。而目前對于貨物運輸車輛的新能源替代還受技術(shù)發(fā)展水平、續(xù)航能力、價格及配套設(shè)施建設(shè)等方面因素的影響，新能源替代仍存在較大的壓力和阻力。因此減少貨物運輸污染物排放，還需要依賴于貨物運輸結(jié)構(gòu)的調(diào)整，不斷提高鐵路運輸比例；另一方面也要促進公路貨物運輸車輛結(jié)構(gòu)調(diào)整，提高新能源車輛使用比例，降低其大氣污染物排放。

2.3 北京市貨物運輸污染物排放量及排放貢獻

結(jié)合北京市不同運輸方式的貨物運輸周轉(zhuǎn)量，按1.3節(jié)給出的不同貨物運輸方式大氣污染物排放量核算方法，得到2017年北京市3種貨物運輸方式CO、NOx、PM2.5、PM10和VOCs的排放量(見圖1)。2017年北京市貨物運輸5種大氣污染物排放量近3.4萬t，占全市大氣污染物排放總量的3.1%。其中NOx排放量約1.3萬t，占全市NOx排放總量的10.5%，CO、PM2.5、PM10和VOCs排放量分別為1.78萬、0.03萬、0.04萬、0.24萬t，占各自全市排放總量的3.4%、0.8%、0.2%、1.0%，貨物運輸帶來的大氣污染物排放對空氣質(zhì)量具有較大的影響，尤其是NOx排放貢獻較大。

圖1 2017年北京市不同貨物運輸方式大氣污染物排放情況Fig.1 Air pollutants emissions of different modes of freight transportation in Beijing in 2017

從不同貨物運輸結(jié)構(gòu)來看，公路貨物運輸5種大氣污染物排放量為2.80萬t，分別占貨物運輸和全市大氣污染物排放總量的82.7%和2.6%，其中NOx排放量為0.90萬t，分別占貨物運輸和全市排放總量的26.7%和0.8%；鐵路貨物運輸5種大氣污染物排放量為0.25萬t，分別占貨物運輸和全市排放總量的7.5%和0.2%；民航貨物運輸5種大氣污染物排放量為0.33萬t，分別占貨物運輸和全市排放總量的9.8%、0.3%。因此無論是從污染物排放量角度還是污染物排放貢獻占比角度，提高北京市鐵路貨物運輸比例，減少公路貨物運輸大氣污染物排放對于未來空氣質(zhì)量改善具有重要的作用。

2.4 北京市貨物運輸結(jié)構(gòu)存在問題及減排潛力分析

北京市面臨貨物運輸結(jié)構(gòu)分配不合理、運輸方式優(yōu)勢未充分發(fā)揮、運輸組織化水平低、基礎(chǔ)設(shè)施銜接不暢等問題，具體表現(xiàn)為北京市貨物運輸結(jié)構(gòu)較為單一，公路運輸占95.7%，遠高于全國平均水平(76.8%)。不同運輸方式的優(yōu)勢未能得到充分發(fā)揮，鐵路運輸能力不足，鐵路專用線建設(shè)滯后[26]。綜合運輸組織化水平還有待進一步提高，跨方式、一體化運輸組織程度較低，各種運輸方式規(guī)劃建設(shè)、統(tǒng)籌協(xié)調(diào)不夠[27]。貨物運輸車輛結(jié)構(gòu)過度依賴化石燃料，替代能源、可再生能源使用率較低。

針對當(dāng)前貨物運輸污染排放問題，未來的污染控制需要從改善運輸結(jié)構(gòu)、調(diào)整和優(yōu)化貨物運輸車輛結(jié)構(gòu)、提高能源利用率、減少化石燃燒消耗、加強執(zhí)法和監(jiān)管等來進行綜合污染防治，具體為：(1)提高鐵路運輸比例和水平。鐵路運輸污染強度較小，要統(tǒng)籌推進多式聯(lián)運運輸網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，協(xié)調(diào)利用現(xiàn)有鐵路運輸資源，推動重點工業(yè)企業(yè)、物流園區(qū)和產(chǎn)業(yè)園區(qū)等大宗貨物運輸優(yōu)先采用鐵路貨物運輸方式；(2)公路貨物運輸車輛結(jié)構(gòu)調(diào)整和優(yōu)化。對于近距離的貨物運輸，公路貨物運輸具有一定的不可替代性，可以進行車輛結(jié)構(gòu)的調(diào)整和升級，促進國Ⅲ以下柴油貨車的替代和更新，推廣使用節(jié)能環(huán)保型和新能源貨車，逐步建立城市綠色貨物運輸體系，在通行便利等相關(guān)政策給予一定的傾斜；(3)加強排放達標(biāo)的監(jiān)管和執(zhí)法。利用遙感監(jiān)測、遠程排放管理終端等手段對貨物運輸車輛排放情況進行監(jiān)管，有效、快速地識別超標(biāo)排放行為，建立維修復(fù)檢的閉環(huán)管理制度，督促超標(biāo)車輛及時維修整改，加強日常維護和保養(yǎng)，確保在實際使用階段達標(biāo)排放，切實降低污染排放。

3 結(jié) 論

貨物運輸結(jié)構(gòu)的調(diào)整和優(yōu)化對于大氣污染物減排和空氣質(zhì)量改善具有重要的作用。本研究通過對比不同貨物運輸方式污染物排放強度差異，結(jié)合北京市貨物運輸?shù)默F(xiàn)狀特征，核算了北京市貨物運輸大氣污染物排放量，識別了其對大氣污染物排放貢獻，并進行了貨物運輸領(lǐng)域減排潛力分析。研究表明：(1)公路貨物運輸大氣污染物排放強度較大，5種大氣污染物(CO、NOx、PM2.5、PM10和VOCs)排放強度為1.746 g/(t·km)，分別為鐵路和民航運輸?shù)?7.0、4.0倍，提升鐵路運輸比例具有較好的環(huán)境效益；(2)2017年北京市貨物運輸5種大氣污染物排放量約為3.4萬t，占北京市排放總量的3.1%，其中NOx排放量約為1.3萬t，占北京市NOx排放總量的10.5%，貨物運輸污染物排放對大氣環(huán)境質(zhì)量具有較大影響；(3)北京市貨物運輸結(jié)構(gòu)不盡合理，公路運輸比重過大，公路、民航和鐵路運輸對排放量的貢獻分別為82.7%、9.8%、7.5%，從大氣質(zhì)量改善的角度出發(fā)，貨物運輸結(jié)構(gòu)需要進一步調(diào)整和優(yōu)化；(4)對于污染減排，一方面要充分利用鐵路資源，提高鐵路貨物運輸比例，另一方面對于近距離不可替代的公路貨物運輸，要推動新能源運輸車輛的應(yīng)用。