溫室氣體與大氣污染物協(xié)同控制效應(yīng)評估與規(guī)劃

毛顯強(qiáng) ,邢有凱,高玉冰 ,何 峰,曾 桉 ,蒯 鵬 ,胡 濤 (1.北京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院,全球環(huán)境政策研究中心,北京 10087；.交通運(yùn)輸部規(guī)劃研究院,交通排放控制監(jiān)測技術(shù)實(shí)驗(yàn)室,北京 10008；3.北京亞太展望環(huán)境發(fā)展咨詢中心,北京 100191；.中國科學(xué)院科技戰(zhàn)略咨詢研究院,北京 100190；.合肥工業(yè)大學(xué)經(jīng)濟(jì)學(xué)院,安徽 合肥 30009；.湖石可持續(xù)發(fā)展研究院,廣東 深圳 18081)

伴生效益、次生效益、協(xié)同效益等概念指在實(shí)施溫室氣體減排措施時產(chǎn)生附帶的局地大氣污染物減排及其人群健康等效益,或者在實(shí)施局地大氣污染物減排時所產(chǎn)生的溫室氣體減排效益[1-9].國內(nèi)外學(xué)者在不同地區(qū)、不同行業(yè),采用自下而上、自上而下、混合模型等多種方法,開展了協(xié)同效益評估研究,量化分析溫室氣體減排政策或大氣污染控制政策所帶來的局地大氣污染物與溫室氣體減排,以及大氣環(huán)境質(zhì)量提升和人群健康改善協(xié)同效益[10-16].

盡管因溫室氣體和局地大氣污染物大多源自化石燃料燃燒,二者之間存在的“同根同源性”[17]直接導(dǎo)致協(xié)同效益的存在,但另一方面,溫室氣體與局地大氣污染物減排措施之間既有協(xié)同的方面,也存在非協(xié)同的情況.“協(xié)同控制”即試圖將二者的控制目標(biāo)和控制措施有機(jī)結(jié)合,以減少資源的重復(fù)配置,達(dá)到事半功倍的效果[18-20].目前國內(nèi)外協(xié)同控制研究的核心是:選取減排措施,評估減排措施的環(huán)境、經(jīng)濟(jì)效益,再根據(jù)減排目標(biāo)設(shè)計(jì)相應(yīng)的協(xié)同控制路徑規(guī)劃[21-32].

自2013年以來,中國大氣污染防治取得顯著成效,主要大氣污染物排放量明顯下降[33].但是,多數(shù)城市PM2.5濃度相比世界衛(wèi)生組織(WHO)指導(dǎo)值依然有明顯差距,區(qū)域大氣污染問題依然突出.另一方面,中國的溫室氣體排放一直備受國際關(guān)注.2020年我國提出將提高國家自主貢獻(xiàn)力度,二氧化碳排放力爭于2030年前達(dá)到峰值,努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)[34].在局地大氣污染物與溫室氣體減排的雙重壓力下,協(xié)同控制策略的重要性越發(fā)凸顯,并已經(jīng)融入中國的宏觀政策制定之中.此外,一系列法律、規(guī)劃,均提出協(xié)同控制局地大氣污染物和溫室氣體要求.

目前,實(shí)施協(xié)同控制的相關(guān)導(dǎo)則或指南尚未出臺,亟需構(gòu)建協(xié)同控制評估方法體系,以科學(xué)評估不同減排措施(減排主體)的協(xié)同控制效果、篩選最優(yōu)措施組合、合理規(guī)劃協(xié)同減排路徑,以實(shí)現(xiàn)局地大氣污染物與溫室氣體減排的雙贏.因此,本文總結(jié)并提出協(xié)同控制效應(yīng)評價和規(guī)劃方法體系,并通過多個行業(yè)和城市案例應(yīng)用證實(shí)該方法體系的科學(xué)性和可行性.

1 協(xié)同控制評估與規(guī)劃方法

1.1 協(xié)同減排量核算方法

1.1.1 基于排放因子法的排放量(Q)核算 針對每項(xiàng)生產(chǎn)和消費(fèi)活動,收集其相關(guān)活動水平數(shù)據(jù)和第 j種局地大氣污染物或第 k種溫室氣體排放系數(shù),分別估算其排放量.計(jì)算公式如下:

式中:Qj為 第j種局地大氣污染物的排放量;Qk為第k種溫室氣體的排放量;A為生產(chǎn)或消費(fèi)的活動水平;Cj為第j種局地大氣污染物的排放系數(shù);Ck為第k種溫室氣體的排放系數(shù).

1.1.2 綜合大氣污染物排放量(QIAP) 局地大氣污染物和溫室氣體的性質(zhì)和環(huán)境影響差異較大,為了合理比較不同措施針對其綜合減排效果,本文將多種局地大氣污染物排放量和多種溫室氣體排放量折算為綜合大氣污染物(IAP)排放量(QIAP)(目前人類活動導(dǎo)致的溫室氣體排放已經(jīng)過量,導(dǎo)致全球氣候變化,危及人類生存,因此本文將其界定為污染物[35]),其計(jì)算公式如下:

式中:QIAP為綜合大氣污染物排放量(以綜合大氣污染物當(dāng)量(IAPeq)計(jì));QLAP為局地大氣污染物(LAP)排放量(以局地大氣污染物當(dāng)量(LAPeq)計(jì)):

式中:αi是將第j類局地大氣污染物(如 SO2、NOx、PM、CO等,當(dāng)涉及相關(guān)性、同質(zhì)性強(qiáng)的多個污染物指標(biāo),如顆粒物指標(biāo)TSP、PM10、PM2.5時,應(yīng)僅選擇其中一種參與評估,避免過高估計(jì)多污染物協(xié)同減排效應(yīng))折算為LAPeq的折算系數(shù);

QGHG為溫室氣體(Greenhouse gases, GHGs)排放量(以二氧化碳當(dāng)量(CO2eq)計(jì));

式中:βk是將第 k 類溫室氣體(如 CO2、CH4、N2O 等)折算為 CO2eq的折算系數(shù);WLAP、WGHG為將 QLAP與QGHG折算為QIAP的系數(shù),可以反映二者的相對重要性.

折算系數(shù)的取值有多種方法,可以是基于污染物的化學(xué)、物理、生物、毒理等特性,即對人類健康、生態(tài)系統(tǒng)功能等影響的大小;也可以基于其外部性影響的貨幣化評估值;抑或是基于公眾和決策者對某一類污染物控制的緊迫性的認(rèn)識和判斷等.

首先,本文以《中華人民共和國環(huán)境保護(hù)稅法》(簡稱《環(huán)境保護(hù)稅法》)規(guī)定的局地大氣污染物的污染當(dāng)量值為依據(jù),將各類局地大氣污染物折合為“局地大氣污染物當(dāng)量(LAPeq)”;以 IPCC 發(fā)布的各類溫室氣體的全球增暖潛勢(或全球變暖潛勢)參數(shù)[36]為依據(jù),將各類溫室氣體折合為“二氧化碳當(dāng)量(CO2eq)”.

其次,本文仍基于《環(huán)境保護(hù)稅法》附表一“環(huán)境保護(hù)稅稅目稅額表”規(guī)定的局地大氣污染物當(dāng)量的稅額,以及全國碳排放權(quán)交易試點(diǎn)平均二氧化碳當(dāng)量價格參數(shù),確定將局地大氣污染物當(dāng)量(LAPeq)和二氧化碳當(dāng)量(CO2eq)折算為綜合大氣污染物當(dāng)量(IAPeq)的折算系數(shù).《環(huán)境保護(hù)稅法》規(guī)定的環(huán)境保護(hù)稅稅額既反映出平均減排成本,也反映出全社會對局地大氣污染物的人類健康、生態(tài)系統(tǒng)功能影響的綜合評價值.我國雖然尚未開征碳稅,但碳排放權(quán)交易試點(diǎn)工作已開展多年,碳交易價格一方面可反映碳減排成本或碳排放權(quán)的機(jī)會成本,另一方面也反映了政府、企業(yè)、社會公眾對于溫室氣體排放及其氣候變化潛在影響的綜合評價值.

將各種局地大氣污染物和溫室氣體分別折算為局地大氣污染物當(dāng)量(LAPeq)、二氧化碳當(dāng)量(CO2eq)以及綜合大氣污染物當(dāng)量(IAPeq)的折算系數(shù)見表1.

表1 局地大氣污染物當(dāng)量、二氧化碳當(dāng)量及綜合大氣污染物當(dāng)量折算系數(shù)Table 1 Weight coefficient of LAPeq, CO2 eq and IAPeq

1.1.3 綜合大氣污染物協(xié)同減排量(ICER) 在測算某項(xiàng)節(jié)能減排措施或減排主體的綜合大氣污染物協(xié)同減排效果時,首先,分別計(jì)算該措施或減排主體對各類局地大氣污染物或各類溫室氣體的減排量,公式如下:

式中: ERi,j,ERi,k為i措施或主體對第j種局地大氣污染物或第k種溫室氣體的減排量;Qi,j,o為i措施實(shí)施前或i主體實(shí)施減排前,第j種局地大氣污染物的排放量(減排基線); Qi,j,1為i措施實(shí)施后或i主體實(shí)施減排后,第j種局地大氣污染物的排放量;Qi,k,o為i措施實(shí)施前或i主體實(shí)施減排后,第k種溫室氣體的排放量(減排基線); Qi,k,1為i措施實(shí)施后或i主體實(shí)施減排后,第k種溫室氣體的排放量.

然后,分別計(jì)算 i措施(或 i主體)的局地大氣污染物減排量(ERLAP)和溫室氣體減排量(ERGHG),公式如下:

式中:ERi,LAP為i措施或i主體的局地大氣污染物減排量(以LAPeq計(jì));ERi,GHG為i措施或i主體的溫室氣體減排量(以CO2eq計(jì));Qi,LAP,0為i措施實(shí)施前或i主體實(shí)施減排前的局地大氣污染物排放量(減排基線);Qi,LAP,1為i措施實(shí)施后或i主體實(shí)施減排后的局地大氣污染物排放量; Qi,GHG,0為i措施實(shí)施前或i主體實(shí)施減排前的溫室氣體排放量(減排基線);Qi,GHG,1為i措施實(shí)施后或i主體實(shí)施減排后的溫室氣體排放量.

最后,計(jì)算綜合大氣污染物協(xié)同減排量(ICER)的方式有2種,二者僅計(jì)算順序不同,計(jì)算結(jié)果一致:

(1)將 i措施實(shí)施前后(或 i主體實(shí)施減排前后)的綜合大氣污染物排放量(QIAP)值相減得到,公式如下:

式中:ICERi為i措施或i主體產(chǎn)生的綜合大氣污染物協(xié)同減排量;Qi,IAP,0為i措施實(shí)施前或i主體實(shí)施減排前的綜合大氣污染物排放量(減排基線); Qi,IAP,1為i措施實(shí)施后或i主體實(shí)施減排后的綜合大氣污染物排放量;三者均以綜合大氣污染物當(dāng)量(IAPeq)計(jì)量.

(2)將局地大氣污染物減排量(ERLAP)與溫室氣體減排量(ERGHG)折算為ICER(以IAPeq計(jì)),公式如下:

所有N項(xiàng)減排措施(或N個減排主體)的綜合大氣污染物協(xié)同減排量為:

ICER指標(biāo)可用于展示某項(xiàng)或多項(xiàng)措施、政策,某個或多個減排主體(企業(yè)、行業(yè)、行政單元等)的協(xié)同減排效果.須注意的是,在將各項(xiàng)措施的減排量(潛力)進(jìn)行加總時,應(yīng)考慮各項(xiàng)措施的相互關(guān)系,避免減排量(潛力)的重復(fù)或遺漏計(jì)算.

1.2 協(xié)同控制效應(yīng)評估方法

1.2.1 協(xié)同控制效應(yīng)坐標(biāo)系 協(xié)同控制效應(yīng)坐標(biāo)系是在二維或多維歐氏空間坐標(biāo)系中,以不同的坐標(biāo)表達(dá)某減排措施(或某減排主體)對于不同局地大氣污染物或溫室氣體的減排效果.如圖 1所示,坐標(biāo)系中的每個點(diǎn)分別對應(yīng)某項(xiàng)減排措施(或某減排主體),各點(diǎn)的橫、縱坐標(biāo)則直觀地表達(dá)了該措施(或減排主體)對局地大氣污染物和溫室氣體的減排效果及其“協(xié)同”狀況(表2).

圖1 減排措施(或減排主體)協(xié)同控制效應(yīng)坐標(biāo)系示意Fig.1 Co-control effects coordinate system of emission reduction measures (or entity)

表2 減排措施(減排主體)代表點(diǎn)位分布的含義Table 2 The meaning of points in the coordinate system

以第一象限為例,某點(diǎn)到原點(diǎn)連線與橫坐標(biāo)的夾角越大,表明該點(diǎn)所代表的措施或主體在減排等量溫室氣體的同時,對局地大氣污染物的減排效果越好(如圖1中點(diǎn)E優(yōu)于點(diǎn)A);該連線與橫坐標(biāo)夾角相同時,距原點(diǎn)越遠(yuǎn)則表明該措施或主體對局地大氣污染物和溫室氣體的減排強(qiáng)度越大(如圖1中點(diǎn)N優(yōu)于點(diǎn)M).

1.2.2 協(xié)同控制交叉彈性 “協(xié)同控制交叉彈性”記為Elsj/k,j、k分別代表不同的局地大氣污染物或溫室氣體.這一指標(biāo)也能夠反映某項(xiàng)措施(或主體)對于不同污染物是否具有協(xié)同控制效應(yīng)及其“協(xié)同程度”.其計(jì)算公式如下:

式中:Elsj/k為第j種局地大氣污染物與第k種溫室氣體協(xié)同控制交叉彈性;ERj/Qj為第j種局地大氣污染物減排率,即第j種局地大氣污染物減排量與排放量之比;ERk/Qk為第 k種溫室氣體減排率,即第 k種溫室氣體減排量與排放量之比.

式中:ElsLAP/GHG為局地大氣污染物與溫室氣體協(xié)同控制交叉彈性;ERLAP/QLAP為局地大氣污染物減排率,即局地大氣污染物減排量與排放量之比;ERGHG/ QGHG為溫室氣體減排率,即溫室氣體減排量與排放量之比.

協(xié)同控制交叉彈性值的含義如表3所示.

表3 協(xié)同控制交叉彈性值的含義Table 3 The meaning of the co-control cross elasticity

1.2.3 單位污染物減排成本 綜合考慮措施的財務(wù)成本和環(huán)境效益,使用“單位污染物減排成本”(UCER)指標(biāo)對減排措施或主體進(jìn)行成本有效性評價,計(jì)算公式如下:

式中:UCERi,j為i措施或主體的單位j局地大氣污染物減排成本;UCERi,k為i措施或主體的單位k溫室氣體減排成本;UCERi,LAP為 i措施或主體的單位局地大氣污染物量減排成本;UCERi,GHG為i措施或主體的單位溫室氣體量減排成本; UCERi,IAP為i措施或主體的單位綜合大氣污染物減排成本;Ci為i措施或主體的年化成本(包括資本成本和運(yùn)行維護(hù)成本,并減去收益);ACCi為 i措施或主體的年化資本成本;CCi為 i措施或主體的資本成本(假設(shè)初期即發(fā)生);OMi為i措施或主體的年化運(yùn)行維護(hù)成本;Bi為i措施或主體的年化收益;N為固定資產(chǎn)折舊年限;r為社會折現(xiàn)率.

ACCi的計(jì)算除可按公式(21)計(jì)算外[23],也可參考資產(chǎn)折舊中的年限平均法進(jìn)行折算[37].

單位污染物減排成本反映了減排單位量的局地大氣污染物或溫室氣體所必須付出的經(jīng)濟(jì)代價.單位污染物減排成本較低的措施在制定協(xié)同控制方案和規(guī)劃時應(yīng)優(yōu)先選用.

1.3 協(xié)同控制程度判斷

以綜合大氣污染物減排量、協(xié)同控制效應(yīng)坐標(biāo)系、協(xié)同控制交叉彈性等評估指標(biāo)和方法,可比較、評估各減排措施或主體的協(xié)同控制程度和績效.判斷依據(jù)見表4.

表4 減排措施或主體的協(xié)同控制績效評估Table 4 Co-control performance evaluation of measures/entities

1.4 邊際減排成本曲線(MAC)與協(xié)同控制規(guī)劃

基于措施的減排量/減排潛力和單位污染物減排成本的排序結(jié)果,可以繪制污染物邊際減排成本曲線(MAC),如圖2所示.

圖2 不同減排措施的邊際減排成本曲線示意Fig.2 Skeleton map of marginal abatement cost curve of various abatement measures

依據(jù)MAC曲線,可以很方便地考慮如何在實(shí)現(xiàn)一定的減排量目標(biāo)的同時取得成本最小化,或在一定的成本約束下實(shí)現(xiàn)減排量最大化.這與追求目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)的線性規(guī)劃方法完全一致,即:

式中:TC為總減排成本;Ai為i措施的活動水平(決策變量);Ci為 i措施的單位污染物減排成本(UCER);(Ai)max為措施 i的最大活動水平;N為措施個數(shù);Ri,j為 i措施對第 j種局地大氣污染物的減排系數(shù);TRj為第j種局地大氣污染物的總量減排目標(biāo);Jmax目標(biāo)局地大氣污染物個數(shù);Ri,k為i措施對第k種溫室氣體的減排系數(shù);TRk為第k種溫室氣體的總量減排目標(biāo);Kmax為目標(biāo)溫室氣體個數(shù).

2 案例應(yīng)用

上述協(xié)同控制效應(yīng)評估方法已經(jīng)在多個領(lǐng)域的研究中得到整體或部分應(yīng)用,包括針對城市藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)措施的協(xié)同控制效應(yīng)評價[28,38],針對鋼鐵[25,30-31,39-41]、交通[26-27,42-46]、電力[29,32]等重點(diǎn)行業(yè)減排措施的協(xié)同控制效應(yīng)分析,針對城市開展協(xié)同控制評價與規(guī)劃研究[47-49],等等.

以亞洲開發(fā)銀行技術(shù)援助項(xiàng)目《中國交通行業(yè)大氣污染與碳排放協(xié)同控制戰(zhàn)略性政策研究(51027)》[50-51]為例,該項(xiàng)目基于協(xié)同控制交叉彈性、綜合大氣污染物協(xié)同減排量等概念以及減排成本評估,針對中國交通運(yùn)輸部門開展電動汽車和燃料電池汽車,SCR和DPF減排技術(shù),京津冀區(qū)域的“公轉(zhuǎn)鐵”結(jié)構(gòu)調(diào)整,環(huán)境經(jīng)濟(jì)政策等案例研究.研究認(rèn)為,綠色協(xié)同愿景下,2025和2030年交通行業(yè)大氣污染物協(xié)同減排量將分別占到基準(zhǔn)情景總排放量的8.61%和 11.83%.該研究向交通運(yùn)輸主管部門提出建議:制定基于綜合大氣污染物協(xié)同減排量的交通運(yùn)輸污染物和溫室氣體排放協(xié)同控制戰(zhàn)略,并納入“十四五綠色協(xié)同交通發(fā)展規(guī)劃”.該項(xiàng)目還產(chǎn)出了《交通行業(yè)協(xié)同控制導(dǎo)則》(草案),為相關(guān)領(lǐng)域從業(yè)人員開展協(xié)同控制工作提供指導(dǎo).

《鋼鐵、水泥行業(yè)深度脫碳的協(xié)同控制效果評估與路徑設(shè)計(jì)(G-1809-28536)》項(xiàng)目[52],則采用協(xié)同控制效應(yīng)坐標(biāo)系分析、協(xié)同效應(yīng)系數(shù)、污染物減排量交叉彈性分析、協(xié)同控制減排當(dāng)量、單位污染物減排成本等評估指標(biāo)和方法,針對中國鋼鐵、水泥行業(yè),按消費(fèi)減量、結(jié)構(gòu)調(diào)整、原(燃)料回收與替代、節(jié)能與能效提升、末端脫碳等類別的深度脫碳措施/技術(shù),開展協(xié)同控制效果量化評估;通過繪制邊際減排成本曲線,設(shè)計(jì)中國鋼鐵、水泥行業(yè)協(xié)同控制路徑.研究發(fā)現(xiàn),結(jié)構(gòu)調(diào)整措施的協(xié)同控制效果顯著,減排潛力較大;鋼鐵行業(yè)的高溫高壓干熄焦技術(shù)協(xié)同控制效果評估綜合排序最為靠前,燒結(jié)余熱發(fā)電技術(shù)、燃?xì)廨啓C(jī)值班燃料替代、大型焦?fàn)t用新型高導(dǎo)熱高致密硅磚節(jié)能技術(shù)等次之;水泥行業(yè)方面,水泥企業(yè)可視化能源管理系統(tǒng)、低溫余熱發(fā)電技術(shù)協(xié)同控制效果評估綜合排序最為靠前,輥壓機(jī)半終粉磨系統(tǒng)、輥壓機(jī)終粉磨系統(tǒng)、外循環(huán)生料立磨技術(shù)等次之.

這2項(xiàng)工作的成果,可以為中國交通、鋼鐵、水泥行業(yè)/企業(yè)實(shí)施協(xié)同控制策略提供參考,為制定相關(guān)政策提供依據(jù).

3 討論

本研究開發(fā)這一方法體系的目的,在于提供適應(yīng)多個場景運(yùn)用的具有科學(xué)性、簡明性和可操作性的協(xié)同控制評估與規(guī)劃工具.

在實(shí)際應(yīng)用過程中應(yīng)注意,將多種類型污染物減排量歸并為綜合計(jì)量單位,雖然便于對各項(xiàng)減排措施和減排主體進(jìn)行綜合減排績效的比較排序,但在對不同污染物進(jìn)行歸并的過程中會丟失部分單項(xiàng)污染物特征信息,因此,基于綜合指標(biāo)的減排效果評估應(yīng)結(jié)合單項(xiàng)污染物減排信息.另外, 在指標(biāo)歸時,對溫室氣體與局地大氣污染物以及不同污染物之間的折算系數(shù)的選擇和決定,原則上應(yīng)基于污染物的化學(xué)、物理、生物特性及其對人群健康、生態(tài)系統(tǒng)功能等影響的大小,也可以基于其他環(huán)境外部性影響的價格化評估值,甚至是公眾和決策者對控制不同類型污染物的緊迫性的認(rèn)識和判斷.本文結(jié)合當(dāng)前形勢和科學(xué)認(rèn)知給出了系數(shù)推薦,未來可根據(jù)形勢發(fā)展和科學(xué)認(rèn)知的進(jìn)步逐步完善系數(shù)的確定方法和依據(jù),增強(qiáng)其決策指導(dǎo)意義.

4 結(jié)論

4.1 構(gòu)建了協(xié)同控制效應(yīng)評估與規(guī)劃方法體系,該方法體系基于綜合大氣污染排放量和減排量,核算某減排措施(或減排主體)對局地和全球兩類污染物的綜合減排效果,通過協(xié)同控制效應(yīng)坐標(biāo)系、協(xié)同控制交叉彈性指標(biāo)分析某減排措施(或減排主體)對兩類污染物減排的協(xié)同性,以單位污染物減排成本評估減排的經(jīng)濟(jì)性,并以邊際減排成本曲線及線性規(guī)劃方法等開展行業(yè)或區(qū)域協(xié)同控制規(guī)劃.

4.2 應(yīng)用此方法體系開展典型行業(yè)減排措施的協(xié)同控制評估,城市協(xié)同控制規(guī)劃,以及城市協(xié)同控制績效比較評估等結(jié)果表明,該方法體系可為政策制定者、行業(yè)和企業(yè)管理者開展協(xié)同控制評估和規(guī)劃工作提供方法論支持.未來可以此方法體系為基礎(chǔ),結(jié)合相關(guān)領(lǐng)域研究成果,編制溫室氣體與局地大氣污染物協(xié)同控制評估與規(guī)劃方法指南或?qū)t.同時,未來的協(xié)同控制工作應(yīng)不局限于大氣環(huán)境領(lǐng)域,而應(yīng)推廣至水環(huán)境、固廢、生態(tài)系統(tǒng)等更多要素或領(lǐng)域,在更廣大和豐富的層面上開展協(xié)同控制研究和實(shí)踐.