京津冀地區(qū)NOx和VOCs協(xié)同減排成本及減排策略研究

李曉瑜，王 念，劉慧文，張?jiān)鰟P

1. 天津大學(xué)管理與經(jīng)濟(jì)學(xué)部，天津 300072

2. 廈門大學(xué)環(huán)境與生態(tài)學(xué)院，福建 廈門 361102

近年來，我國通過實(shí)施《大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃》等一系列污染防控措施，空氣質(zhì)量水平整體上出現(xiàn)了改善. 但是，京津冀地區(qū)作為我國大氣污染防治的重點(diǎn)區(qū)域，其污染形勢(shì)依然十分嚴(yán)峻[1-2]. 2019年，我國城市環(huán)境質(zhì)量最差的5個(gè)城市中有3個(gè)位于京津冀地區(qū)，分別為石家莊市、邯鄲市和唐山市，且京津冀PM2.5年均濃度下降比例僅為1.7%，O3年均濃度上升比例高達(dá)7.7%，升幅高于其他重點(diǎn)污染區(qū)域(長三角地區(qū)和汾渭平原等). 此外，京津冀及周邊地區(qū)PM2.5和O3超標(biāo)天數(shù)占總超標(biāo)天數(shù)的比例分別為42.9%和48.2%，大幅高于其他污染物超標(biāo)天數(shù)占比. 因此，為打贏“大氣污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)”，提升人民的藍(lán)天幸福感，需要高度重視PM2.5和O3的協(xié)同治理[3].

研究[3-6]表明，PM2.5和O3主要來源于二次轉(zhuǎn)化，而二次轉(zhuǎn)化的共同前體物為NOx和VOCs. 相比于單獨(dú)控制PM2.5，協(xié)同控制NOx和VOCs的排放，對(duì)于京津冀地區(qū)PM2.5和O3協(xié)同治理更具可取性和重要性[7-9]. 由于PM2.5和O3與NOx和VOCs的轉(zhuǎn)化關(guān)系非常復(fù)雜，不合理的減排比例甚至?xí)斐晌廴疚餄舛鹊纳?，因此如何確定NOx和VOCs的具體減排比例，以實(shí)現(xiàn)京津冀地區(qū)PM2.5和O3濃度的協(xié)同達(dá)標(biāo)，是目前大氣污染聯(lián)防聯(lián)控政策制定的一項(xiàng)艱巨任務(wù)和挑戰(zhàn).

隨著大氣污染協(xié)同治理的重要性逐漸凸顯，越來越多的學(xué)者開始關(guān)注污染物的協(xié)同控制. 目前關(guān)于溫室氣體和大氣污染物之間協(xié)同控制的研究較為豐富和成熟，大致可以劃分為政策[10-12]、區(qū)域[13]和行業(yè)[14-16]3個(gè)層面. 但是，關(guān)于大氣污染物之間的協(xié)同減排研究尚不充足，且對(duì)象主要集中在SO2、NOx和PM2.5這3種污染物上，隨著PM2.5與O3成為影響我國城市和區(qū)域空氣質(zhì)量的主要空氣污染物，二者協(xié)同控制研究也開始得到學(xué)者的廣泛關(guān)注，但內(nèi)容主要側(cè)重于評(píng)估不同減排情景或政策措施的實(shí)施效果，而對(duì)同時(shí)實(shí)現(xiàn)PM2.5和O3空氣質(zhì)量目標(biāo)的減排路徑選擇的研究較少，尤其是考慮大氣污染物與PM2.5、O3之間轉(zhuǎn)換關(guān)系的協(xié)同減排路徑研究也較為鮮見.

大氣污染防控政策的實(shí)施勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)成本，而一般利用邊際減排成本(即每削減單位污染物所增加的經(jīng)濟(jì)成本)[17]來反映，如何評(píng)估污染物的邊際減排成本也是學(xué)者們重點(diǎn)關(guān)注的問題，其評(píng)估方法大致可以分為基于減排技術(shù)和基于模型的方法[18-19]. 評(píng)估污染物減排成本的最終目的是確定成本最優(yōu)的大氣污染防治方案[20-23]. 國際社會(huì)應(yīng)用較為廣泛的大氣污染防控成本優(yōu)化模型為溫室氣體和空氣污染協(xié)同作用模型(GAINS)、亞太地區(qū)綜合模型(AIM/Enduse)和控制策略工具(CoST). 但是這些模型并不適合對(duì)中國城市區(qū)域污染物協(xié)同減排的研究，如GAINS模型，雖然其覆蓋的污染物種類較多，但是無法解決污染物與其前體物存在響應(yīng)關(guān)系的問題. 為解決該問題，Xing等[24]將美國環(huán)境保護(hù)局開發(fā)的空氣污染控制成本效益與達(dá)標(biāo)評(píng)估系統(tǒng)(ABaCAS)應(yīng)用到中國的大氣污染防治綜合決策中，構(gòu)建了一套較為完整的科學(xué)決策系統(tǒng)，且其費(fèi)效達(dá)標(biāo)的路徑優(yōu)化模塊已十分完整，但是該系統(tǒng)仍有局限性，如其計(jì)算的減排成本只考慮了技術(shù)端的成本而未納入其他社會(huì)經(jīng)濟(jì)成本.

由于環(huán)境稅能夠?qū)h(huán)境污染和生態(tài)破壞的社會(huì)成本內(nèi)化到生產(chǎn)成本和市場(chǎng)價(jià)格中，然后再通過市場(chǎng)機(jī)制重新分配環(huán)境資源，Bovenberg等[25]認(rèn)為環(huán)境稅應(yīng)等同于邊際減排成本. 可計(jì)算一般均衡模型(CGE)能夠?qū)h(huán)境和經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)聯(lián)系起來[26]，衡量整個(gè)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)受到的影響，而且可以描述整個(gè)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)中各部門和核算賬戶之間的關(guān)系，因此能較為準(zhǔn)確地衡量減排政策產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)成本，筆者利用引入環(huán)境稅的CGE模型來評(píng)估污染物的減排成本.

目前，關(guān)于京津冀地區(qū)PM2.5和O3協(xié)同控制的研究多數(shù)集中于政策層面的建議，而對(duì)于具體的PM2.5和O3的協(xié)同控制路徑研究較少，且從PM2.5和O3二次組分來源角度分析京津冀地區(qū)PM2.5和O3協(xié)同控制路徑的研究更少. 因此，該研究擬通過協(xié)同控制PM2.5和O3中的二次組分來達(dá)到空氣質(zhì)量目標(biāo)的期望值，即在給定PM2.5和O3預(yù)期濃度目標(biāo)下，給出滿足目標(biāo)的NOx和VOCs的排放策略，以期為京津冀地區(qū)PM2.5和O3協(xié)同控制方案提供成本有效的路徑選擇.

1 研究方法

1.1 京津冀城市CGE模型

該研究擬構(gòu)建涵蓋環(huán)境稅的城市尺度京津冀CGE模型來評(píng)估NOx和VOCs的邊際減排成本. 該研究構(gòu)建的CGE模型的結(jié)構(gòu)框架如圖1所示，該框架描述了商品中間投入、居民儲(chǔ)蓄、企業(yè)儲(chǔ)蓄、政府轉(zhuǎn)移支付等社會(huì)要素在整個(gè)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)中的流動(dòng)關(guān)系，可用于評(píng)估某個(gè)社會(huì)要素變動(dòng)對(duì)其他要素的影響. 其基本思想為實(shí)現(xiàn)供求關(guān)系的全局均衡，即保證生產(chǎn)者的供給和消費(fèi)者的需求均衡. 具體包括消費(fèi)者的收支均衡、生產(chǎn)者的供給需求均衡等. 生產(chǎn)者主要指國民經(jīng)濟(jì)中的生產(chǎn)部門，消費(fèi)者主要包括居民、政府和企業(yè). 限于篇幅，重點(diǎn)介紹生產(chǎn)模塊和排放模塊，其中排放模塊的污染物主要基于圖1中生產(chǎn)者用于生產(chǎn)過程以及消費(fèi)者用于滿足需求的能源消耗.

圖 1 構(gòu)建的CGE模型結(jié)構(gòu)框架Fig.1 The structure diagram of CGE model

圖 2 CGE模型中的生產(chǎn)模塊嵌套結(jié)構(gòu)Fig.2 The nesting structures of production module in CGE model

1.1.1生產(chǎn)模塊

生產(chǎn)模塊的嵌套結(jié)構(gòu)如圖2所示，共包含5層嵌套關(guān)系. 第一層的部門總產(chǎn)出由資本-能源-勞動(dòng)合成品與非能源中間投入采用列昂惕夫函數(shù)(Leontief)合成；第二層的非能源中間投入之間的替代關(guān)系利用Leontief描述，同時(shí)資本-能源-勞動(dòng)合成品由勞動(dòng)力與資本-能源合成品采用恒替代彈性生產(chǎn)函數(shù)(CES)進(jìn)行合成；第三層的資本-能源合成品由資本和能源采用CES函數(shù)進(jìn)行合成；在第四層嵌套中將能源劃分為電力和化石能源；第五層生產(chǎn)部門消耗的化石能源主要包含煤炭、石油和天然氣，由于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)中將石油和天然氣的行業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了合并，故生產(chǎn)函數(shù)中表示為“石油和天然氣”一種能源，其與煤炭能源的替代關(guān)系采用CES函數(shù)形式進(jìn)行描述.

1.1.2排放模塊

污染物的排放來自能源的使用，而生產(chǎn)、生活和投資等活動(dòng)都會(huì)涉及能源的消耗，因此污染物的總排放量為生產(chǎn)消費(fèi)活動(dòng)的能源消耗量與相應(yīng)污染物排放系數(shù)的乘積. 由于能源的消耗包括工業(yè)生產(chǎn)、能源投資、居民和政府消費(fèi)四部分，故NOx和VOCs的來源主要為上述四部分. 四部分的能源消耗數(shù)據(jù)主要來源于投入產(chǎn)出表，鑒于數(shù)據(jù)的可獲得性，假定四部分的污染物排放系數(shù)是一樣的. 由于過程排放也是VOCs的重要來源，如工業(yè)生產(chǎn)過程中溶劑的使用也會(huì)產(chǎn)生VOCs的排放，故度量VOCs的排放量時(shí)需要考慮VOCs的過程排放.

式中：T NOxr、 TVOCr分 別為區(qū)域r中NOx、VOCs的排放量，t； Efer,i,j表示區(qū)域r行業(yè)i對(duì)化石能源j的消耗量，108元； ceoi,r,jNOx和 ceoi,r,jVOC分別為區(qū)域r行業(yè)i中化石能源j的NOx和VOCs排放系數(shù)，t/(108元)；H RDj,r、HUDj,r分別為區(qū)域r中農(nóng)村、城鎮(zhèn)居民對(duì)能源j的消耗量，108元； GDj,r為 政府對(duì)能源j的消耗量，108元；INVj,r為能源投資量，108元； Q Xi,r為工業(yè)產(chǎn)出，108元；pceoVOCi,r為過程排放系數(shù)，t/(108元).

區(qū)域r中能源j中間投入部分征收的環(huán)境稅稅額(T AXr,j)的計(jì)算公式如式(3)所示. 計(jì)算出化石能源的環(huán)境稅稅額后，可將環(huán)境稅的稅率(ttcr)轉(zhuǎn)化為從價(jià)稅率(t cvr,j)，即對(duì)某種化石能源征收的環(huán)境稅稅收與該化石能源的國內(nèi)需求的價(jià)值量之比〔見式(4)〕.通過設(shè)置不同的環(huán)境稅率求解相應(yīng)的減排比例，從而得到污染物的邊際減排成本. 由于污染物的邊際減排成本函數(shù)常用二次曲線形式〔見式(5)〕[27]，故利用二次型函數(shù)形式對(duì)污染物的邊際減排成本函數(shù)進(jìn)行評(píng)估，參數(shù)從基于Matlab程序擬合得到的邊際減排成本曲線中獲得.

式中：γ表示將碳稅收入單位與模型中價(jià)值型變量單位進(jìn)行統(tǒng)一的系數(shù)；PQ表示能源商品的價(jià)格，108元；MC 表 示用CGE模型得到的邊際減排成本，元/t；R表示污染物的減排比例，%；a、b與c均表示邊際減排成本曲線擬合得到的參數(shù).

1.2 京津冀PM2.5和O3協(xié)同控制評(píng)估模型

為制定考慮成本的減排策略，構(gòu)建了PM2.5和O3協(xié)同控制評(píng)估模型〔見式(6)~(11)〕. 整體上，該模型為非線性優(yōu)化模型，空氣質(zhì)量目標(biāo)為約束條件，最小減排成本為目標(biāo)函數(shù). 此外，由于區(qū)域間還存在污染物的傳輸效應(yīng)[28]，故也將區(qū)域間的傳輸關(guān)系考慮在區(qū)域最終空氣質(zhì)量的測(cè)算過程中，以保證所制定的模型更加貼近大氣污染來源的現(xiàn)實(shí)狀況.

式中：T Cost 表示污染物減排總成本，108元；n為 區(qū)域r的總個(gè)數(shù)；p為污染物的種類數(shù)； Costrp表示污染物p(NOx和VOCs)在區(qū)域r的減排成本，108元. 區(qū)域r中O3濃度和PM2.5濃度對(duì)污染物p排放比例的響應(yīng)關(guān)系如式(7)(8)所示，其中，函數(shù)和RSMPM2.5為非線性響應(yīng)關(guān)系函數(shù)〔見式(12)〕；表示達(dá)到空氣質(zhì)量目標(biāo)時(shí)的O3濃度，表示達(dá)到空氣質(zhì)量目標(biāo)時(shí)的PM2.5濃度，表示NOx的減排量小于基準(zhǔn)排放量，單位均為t；表示VOCs的減排量小于基準(zhǔn)排放量，單位均為t. 當(dāng)考慮區(qū)域傳輸時(shí)，京津冀地區(qū)各城市PM2.5和O3的最終濃度可用傳輸矩陣(An×n，Bn×n)與污染物初始濃度的乘積表示. 該研究用到的污染物非線性響應(yīng)關(guān)系基于CMAQ模型模擬得到[29].

由于污染物減排與空氣質(zhì)量的改善在很多情況下呈現(xiàn)非線性的復(fù)雜關(guān)系，其對(duì)于污染控制決策的制定帶來很大的困難，因此為達(dá)到協(xié)同控制PM2.5和O3的目的，最為關(guān)鍵的是量化PM2.5和O3與其共同前體物(NOx和VOCs)的非線性響應(yīng)關(guān)系. 非線性響應(yīng)關(guān)系函數(shù)的基本框架有以下幾點(diǎn)：①根據(jù)決策需求確定關(guān)鍵的控制因子，選取NOx和VOCs作為PM2.5和O3的控制因子；②借助采樣方法設(shè)計(jì)一系列排放情景；③確定試驗(yàn)參數(shù)，即控制因子數(shù)、采樣方法及采樣數(shù)；④對(duì)每種情景通過CMAQ模型模擬得到的結(jié)果進(jìn)行非線性歸納來獲取響應(yīng)關(guān)系. 基于此，參考文獻(xiàn)[30]利用多項(xiàng)式函數(shù)對(duì)該非線性響應(yīng)關(guān)系進(jìn)行顯性表達(dá)〔見式(12)〕.

式中：C表示PM2.5和O3對(duì)其前體物排放量變化的響應(yīng)濃度，μg/m3；ENOx、EVOC分別為NOx和VOCs的排放比例，%；au、av和ck分別表示NOx、VOCs和兩污染物組合的排放系數(shù)；m和t分別為NOx和VOCs排放比例的最高階數(shù)；u和v分別為NOx和VOCs不同非線性程度的擬合階數(shù)；h為兩種前體物相互作用的總次數(shù)；ku和kv表示兩種前體物(NOx和VOCs)不同線性程度的相互作用關(guān)系；z為多項(xiàng)式擬合過程中的常數(shù)項(xiàng).

2 結(jié)果與討論

2.1 京津冀地區(qū)NOx和VOCs的邊際減排成本

利用京津冀城市尺度CGE模型評(píng)估NOx和VOCs的邊際減排成本，可得到不同減排比例對(duì)應(yīng)的邊際減排成本，進(jìn)而利用回歸分析的方法得到NOx和VOCs的邊際減排成本函數(shù)以及對(duì)應(yīng)的邊際減排成本曲線，其擬合效果較好，擬合優(yōu)度均高于0.95. 由于京津冀地區(qū)城市較多，考慮到結(jié)果的可視性，該研究只展示幾個(gè)代表城市的NOx和VOCs的邊際減排成本曲線(見圖3).

圖 3 京津冀地區(qū)部分城市NOx和VOCs的邊際減排成本曲線Fig.3 The marginal abatement cost curves of NOx and VOCs in some cities of Beijing-Tianjin-Hebei Region

由圖3可見：隨著減排比例的提高，各城市NOx和VOCs的邊際減排成本均不斷上升，且邊際減排成本的上升速度高于減排比例，即邊際減排成本函數(shù)為凹函數(shù). 此外，在相同減排比例下，NOx的邊際減排成本低于VOCs. 當(dāng)減排率為50%時(shí)，各城市NOx的邊際減排成本不超過515元/污染當(dāng)量，且主要集中在90~150元/污染當(dāng)量范圍內(nèi)；各城市VOCs的邊際減排成本最高值超過750元/污染當(dāng)量，大部分城市的VOCs邊際減排成本在200~300元/污染當(dāng)量之間. 比較各城市的邊際減排成本可以發(fā)現(xiàn)：北京市NOx和VOCs的邊際減排成本相對(duì)較高，且升幅最快，這與北京市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r和減排現(xiàn)狀相符，北京市各部門的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行聯(lián)系較為緊密，一個(gè)部門的生產(chǎn)出現(xiàn)變化(如減少化石能源的投入)，整個(gè)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)就會(huì)受到較大的影響；天津市和河北省各城市的邊際減排成本較低且差距較小，隨著減排比例的上升，成本差距逐漸增大. 若通過減排成本來評(píng)估減排潛力，則張家口市NOx和VOCs的減排潛力最大，因?yàn)橄嗤瑴p排比例下其邊際減排成本最低.

通過對(duì)比已有研究[31-32]發(fā)現(xiàn)，利用自下而上和自上而下的方法構(gòu)造出的污染物邊際減排成本曲線多為二次凹函數(shù)形式，即與筆者構(gòu)建的邊際減排成本曲線形式相同. 為方便與其他研究成果進(jìn)行比較，將筆者研究中邊際減排成本的單位(元/污染當(dāng)量)換算為元/t. 秦昌波等[33]利用GREAT-E模型評(píng)估發(fā)現(xiàn)，當(dāng)NOx總排放量減少1.7%時(shí)，NOx的稅率為5 040元/t，而筆者研究中相應(yīng)NOx減排率下京津冀地區(qū)平均稅率約為5 991元/t. 劉昌新等[34]指出，當(dāng)VOCs的減排量為5.05%時(shí)，間接稅稅率為50%，按照其計(jì)算稅額的方法，可計(jì)算出VOCs的稅率約18.8×104元/t，而筆者發(fā)現(xiàn)，當(dāng)VOCs減排量為5.05%時(shí)對(duì)應(yīng)的京津冀地區(qū)VOCs平均稅率為12.6×104元/t. 筆者研究結(jié)果與已有研究出現(xiàn)偏差的原因可能有以下三點(diǎn)：①各研究的基準(zhǔn)年份不同，不同的基準(zhǔn)方案的設(shè)置會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生一定的偏差；②各研究關(guān)于替代參數(shù)的設(shè)置等基本假設(shè)可能存在偏差；③直接稅和間接稅的稅率值不同，所以導(dǎo)致VOCs的稅率存在差距. 孫新麗等[35]利用大氣污染防治綜合決策支持技術(shù)平臺(tái)評(píng)估得到，當(dāng)NOx總排放量減少20%時(shí)，NOx的稅率為3 000元/t左右，VOCs的稅率為5 000元/t左右，而筆者研究中相應(yīng)減排率下京津冀地區(qū)NOx和VOCs平均稅率分別為3.5×104和6.8×104元/t. 成本差距較大的原因在于孫新麗等[35]研究中以濟(jì)南市《2018年大氣污染治理“十大措施”實(shí)施方案》實(shí)施后的PM2.5濃度為總體減排目標(biāo)，降幅僅為19%，且以60 μg/m3為PM2.5預(yù)期達(dá)到的設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)，減排幅度遠(yuǎn)低于筆者研究設(shè)定的減排目標(biāo)(35 μg/m3)下污染物的減排幅度，故減排成本相對(duì)較低. 雖然，筆者研究與已有研究結(jié)果存在差距，但差值在可接受范圍內(nèi)，故筆者研究中構(gòu)造的邊際減排成本曲線是可行的.

2.2 京津冀地區(qū)PM2.5和O3協(xié)同控制方案

中國計(jì)劃在2035年實(shí)現(xiàn)各城市空氣質(zhì)量達(dá)到《國家環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095?2012)二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值，即PM2.5濃度不超過35 μg/m3，O3濃度不超過160 μg/m3. 因此，以實(shí)現(xiàn)京津冀地區(qū)PM2.5和O3濃度協(xié)同達(dá)到GB 3095?2012二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為目標(biāo)，利用上述PM2.5和O3協(xié)同控制評(píng)估模型，確定經(jīng)濟(jì)成本最小化下京津冀地區(qū)NOx和VOCs的具體減排方案.基準(zhǔn)年份為2017年，將基準(zhǔn)年份的排放數(shù)據(jù)以及其他基礎(chǔ)數(shù)據(jù)代入PM2.5和O3協(xié)同控制評(píng)估模型，進(jìn)而測(cè)算出京津冀地區(qū)各城市NOx和VOCs所需的減排比例，且在該減排比例下減排成本最小(見圖4).

圖 4 京津冀地區(qū)協(xié)同減排方案Fig.4 The collaborative reduction strategy in Beijing-Tianjin-Hebei Region

由圖4可見，為實(shí)現(xiàn)京津冀地區(qū)PM2.5和O3協(xié)同達(dá)標(biāo)，相較于2017年，京津冀各城市需要減少NOx和VOCs的排放比例分別為25%~67%和22%~60%.從污染物減排力度來看，京津冀地區(qū)13個(gè)城市中，NOx減排比例超過60%的城市為北京市和承德市，VOCs減排比例超過60%的城市為天津市和邯鄲市，NOx減排比例為40%~60%的城市包含6個(gè)，VOCs減排比例為40%~60%的城市包含8個(gè). 從污染物類別來看，各城市NOx和VOCs減排比例差距較小，但是超過半數(shù)城市的VOCs減排比例高于NOx，特別是天津市的VOCs和NOx減排比例差值高于30%. 從區(qū)域的角度來看：北京市NOx和VOCs的減排比例均超過50%，與Xing等[24]研究中北京市實(shí)現(xiàn)PM2.5和O3同時(shí)達(dá)標(biāo)時(shí)NOx和VOCs減排比例均高于50%的結(jié)果一致，且與河北省承德市的減排比例較為接近；天津市的VOCs減排比例居于第二位，而其NOx的減排比例處于末位；對(duì)于河北省來說，將河北省的城市分東部(滄州市、秦皇島市、唐山市、廊坊市和保定市)、北部(承德市和張家口市)和南部(邢臺(tái)市、石家莊市、邯鄲市和衡水市)3個(gè)區(qū)域，相較于南部和北部區(qū)域城市，東部區(qū)域城市NOx和VOCs的減排比例較小.

此外，為衡量各城市在協(xié)同減排任務(wù)中的責(zé)任，計(jì)算了各城市的減排量占比(即某城市污染物的減排量與該污染物在京津冀地區(qū)總減排量的比值). 可以發(fā)現(xiàn)，由于唐山市、石家莊市和邯鄲市NOx和VOCs的排放量基數(shù)較大，故其減排量居于前三位，尤其是唐山市，其NOx和VOCs的減排量占比均接近45%，邯鄲市NOx和VOCs的減排量占比分別為15.2%和16.6%. 對(duì)于北京市和天津市，NOx的減排量占比較為接近，分別為3.1%和4.2%，VOCs的減排量占比存在差距，分別為5.9%和9.2%，但是與唐山市和邯鄲市相比，減排量占比較低. 總的來說，相較于北京市和天津市，河北省對(duì)于京津冀地區(qū)協(xié)同減排的責(zé)任更大.

基于邊際減排成本曲線，評(píng)估了京津冀各城市PM2.5和O3達(dá)標(biāo)時(shí)需要的總減排成本，北京市為177.5×108元，天津市為83.6×108元，河北省為731.8×108元，京津冀地區(qū)總減排成本為992.9×108元. 邢佳等[30]研究表明，當(dāng)2035年P(guān)M2.5濃度達(dá)標(biāo)時(shí)，北京市NOx和VOCs的總減排成本在160×108元左右，天津市NOx和VOCs的總減排成本在60×108元左右，略低于筆者研究結(jié)果. 其主要原因是筆者研究考慮了PM2.5和O3同時(shí)達(dá)標(biāo)，減排目標(biāo)更嚴(yán)格，減排成本會(huì)更高，一定程度上也驗(yàn)證了筆者研究結(jié)果的可靠性.多數(shù)城市的減排成本占本城市GDP的比例都不超過1%，減排成本較高的前3個(gè)城市分別為唐山市、邯鄲市和北京市，減排成本均超過100×108元. 由圖5可見，京津冀地區(qū)VOCs的總減排成本高于NOx的總減排成本，VOCs減排成本(超過70×108元)較高的城市為邯鄲市、北京市、天津市、石家莊市，NOx減排成本較高的城市為唐山市、邯鄲市、北京市.

圖 5 京津冀地區(qū)2017年NOx和VOCs的總減排成本Fig.5 The total abatement cost of NOx and VOCs in 2017 in Beijing-Tianjin-Hebei Region

為評(píng)估上述京津冀地區(qū)PM2.5和O3協(xié)同控制方案的實(shí)施效果，進(jìn)一步預(yù)測(cè)了NOx和VOCs減排后PM2.5和O3的濃度. 由圖6可見：北京市和天津市的O3濃度有較大改善，約為140 μg/m3，河北省各城市的O3濃度雖然未低于150 μg/m3，但都達(dá)到了GB 3095?2012二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)；與O3濃度的變化狀況不同，河北省北部和南部區(qū)域城市(除石家莊外)PM2.5濃度相對(duì)較低，北京市、天津市和河北省東部區(qū)域大部分城市的PM2.5濃度在30~32 μg/m3范圍內(nèi)，也均達(dá)到目標(biāo). 此外，減排方案實(shí)施后，唐山市和石家莊市PM2.5和O3的預(yù)測(cè)濃度均居于前列，因此與其他城市相比，這兩個(gè)城市的空氣質(zhì)量改善任重道遠(yuǎn).

圖 6 協(xié)同減排方案實(shí)施后京津冀地區(qū)的PM2.5和O3濃度Fig.6 The concentrations of PM2.5 and O3 in Beijing-Tianjin-Hebei Region under the collaborative emission reduction strategies

2.3 穩(wěn)健性檢驗(yàn)

為了使該研究的結(jié)果更有說服力，首先對(duì)計(jì)算減排成本的CGE模型做了敏感性分析，主要對(duì)生產(chǎn)替代彈性參數(shù)、阿明頓替代彈性參數(shù)和CET替代彈性參數(shù)進(jìn)行了敏感性分析. 該研究隨機(jī)選擇北京市和保定市的1個(gè)或2個(gè)部門的生產(chǎn)替代彈性參數(shù)、阿明頓替代彈性參數(shù)和CET替代彈性參數(shù)進(jìn)行分析. 結(jié)果表明，當(dāng)3個(gè)彈性參數(shù)改變±10%和±20%時(shí)，各變量的變化小于0.01%. 對(duì)模擬結(jié)果的影響較小，說明了該研究所建立模型的可靠性.

此外，考慮到不同前體物對(duì)空氣質(zhì)量影響等方面存在不確定性，該研究從兩方面對(duì)構(gòu)建的協(xié)同控制模型進(jìn)行了穩(wěn)健性檢驗(yàn). 首先，對(duì)模型采用的非線性響應(yīng)關(guān)系函數(shù)的擬合程度進(jìn)行了檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其擬合效果較好，擬合優(yōu)度均高于0.9，表明模型可以較好地反映PM2.5和O3與其共同前體物NOx和VOCs之間的響應(yīng)關(guān)系，進(jìn)而提高測(cè)算出的京津冀地區(qū)各城市NOx和VOCs所需的減排比例的準(zhǔn)確性；其次，通過反算模型給出的減排量及減排方案推算出相應(yīng)的PM2.5和O3濃度，并驗(yàn)證了二者濃度均滿足達(dá)標(biāo)需求，這在一定程度上印證了該研究建立的PM2.5和O3協(xié)同控制模型的可靠性.

3 結(jié)論與展望

3.1 結(jié)論

a) NOx和VOCs的邊際減排成本均隨著減排比例的提高而上升，且邊際減排成本的上升速度高于減排比例. 相同減排比例下，NOx的邊際減排成本低于VOCs. 北京市NOx和VOCs的邊際減排成本明顯高于天津市和河北省各城市，天津市和河北省各城市的邊際減排成本差距較小，但隨著減排比例的升高，差距逐漸增大.

b) 為實(shí)現(xiàn)京津冀地區(qū)PM2.5和O3濃度的協(xié)同達(dá)標(biāo)，并保證減排成本最低，相較于2017年，京津冀地區(qū)13個(gè)城市NOx和VOCs的減排比例分別為25%~67%和22%~60%. 京津冀地區(qū)需要投入的總減排成本為992.9×108元.

c)從具體的減排路徑上來看，北京市和承德市的NOx減排比例，以及天津市和邯鄲市的VOCs減排比例居于前兩位，河北省各城市的污染物減排量遠(yuǎn)高于北京市和天津市，特別是唐山市、石家莊市和邯鄲市，此外河北省東部城市的減排壓力低于北部和南部區(qū)域城市.

3.2 展望

a)該研究結(jié)果的政策啟示體現(xiàn)在以下幾方面：①該研究發(fā)現(xiàn)，北京市、天津市和河北省的邊際減排成本逐步遞增，為我國當(dāng)前環(huán)境保護(hù)稅實(shí)施的差異化稅率提供了支撐. 中國自2018年實(shí)施的《中華人民共和國環(huán)境保護(hù)稅法》規(guī)定大氣污染物的稅率為1.2~12元/污染當(dāng)量，如北京市實(shí)施的是最高上限稅率. 建議京津冀地區(qū)在其他類型大氣污染協(xié)同減排策略設(shè)計(jì)過程中也能進(jìn)一步體現(xiàn)地區(qū)之間的差異性. ②該研究在減排成本最小化目標(biāo)下，設(shè)計(jì)了京津冀地區(qū)PM2.5和O3濃度達(dá)到GB 3095?2012二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)各地區(qū)NOx和VOCs的協(xié)同減排方案，研究結(jié)果可以為京津冀地區(qū)減排目標(biāo)的分解提供參考. 此外，河北省唐山市、石家莊市和邯鄲市是實(shí)現(xiàn)京津冀地區(qū)空氣質(zhì)量改善的關(guān)鍵，承擔(dān)的減排損失也相對(duì)較大，然而目前我國空氣質(zhì)量補(bǔ)償機(jī)制仍局限在各省份內(nèi)部，建議建立京津冀地區(qū)跨區(qū)域橫向空氣質(zhì)量補(bǔ)償機(jī)制，助力京津冀地區(qū)大氣污染協(xié)同治理. ③該研究構(gòu)建的京津冀城市CGE模型以及PM2.5和O3協(xié)同控制評(píng)估模型豐富了京津冀地區(qū)大氣污染治理的分析工具，為京津冀地區(qū)城市層面環(huán)境政策模擬仿真提供了新的平臺(tái).

b)該研究構(gòu)建的模型可以在未來進(jìn)一步改進(jìn)：①污染物之間的響應(yīng)關(guān)系只考慮了PM2.5和O3與其共同前體物之間的關(guān)系，但是其他一次污染物也分別會(huì)對(duì)PM2.5和O3產(chǎn)生作用，因此可以擴(kuò)充污染物響應(yīng)關(guān)系的因子庫. ②PM2.5和O3之間也存在相互影響，研究兩污染物之間的影響機(jī)制對(duì)于二者協(xié)同減排也十分重要. ③深化協(xié)同減排的研究層面，目前研究主要側(cè)重于區(qū)域間污染物的協(xié)同減排，未來的研究可以深化到各區(qū)域行業(yè)層面的污染物協(xié)同減排. ④污染物減排成本不僅包含對(duì)企業(yè)造成的成本，還包括對(duì)宏觀經(jīng)濟(jì)造成的影響，如何耦合經(jīng)濟(jì)成本和減排技術(shù)成本，也是一個(gè)值得關(guān)注的問題.