王仁杰 魏艷楠 許倫輝

（華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院 廣州510640）

0 引 言

近百年來，全球大氣層平均溫度上升了0.74℃，氣候變暖已成為世界各界學(xué)者關(guān)注的焦點?？茖W(xué)界普遍認(rèn)為溫室效應(yīng)是造成全球變暖的重要原因，而人類活動則是溫室效應(yīng)加劇的重要驅(qū)動因子［1－2］。在此背景下，碳循環(huán)和碳減排開始引起世界各國的高度重視，碳足跡［3－5］的研究也隨之受到人們的關(guān)注。碳足跡起源于加拿大生態(tài)經(jīng)濟(jì)學(xué)家William Rees等［6－7］在1992年提出的生態(tài)足跡，作為節(jié)能減排的基本量化參數(shù)，主要用來評價人類活動產(chǎn)生的溫室氣體對環(huán)境的影響，并且已成為目前各國公認(rèn)的度量碳排放的有力依據(jù)。

美國《國家科學(xué)院學(xué)報》的研究表明，過去10年全球二氧化碳排放總量增加13%，而源自交通工具的碳排放增長率卻達(dá)25%。報告預(yù)測，到2050年，全球交通領(lǐng)域的碳排放將增長30%～50%［8－9］。國際能源機(jī)構(gòu)（IEA）的統(tǒng)計數(shù)據(jù)也表明，交通領(lǐng)域的石油消耗占全球石油消費的57%，而預(yù)計到2020年，這個數(shù)字將達(dá)到62%以上［10］。

由于國外碳足跡研究起步較早，至今已經(jīng)有了許多研究成果，其計算方法大致可以分為4種：投入產(chǎn)出法（IO）、生命周期評估法（LCA）、IPCC碳排放計算法以及碳排放計算器［11］。Stokenberga［12］與L.Hillsman［13］分別對墨西哥和美國佛羅里達(dá)洲的公路運輸領(lǐng)域進(jìn)行了碳足跡的計算，研究表明通過鼓勵市民乘坐公共交通工具，能夠有效減少交通碳排放，但并未繼續(xù)對城市客運系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。我國作為能源消耗世界第二大國，交通領(lǐng)域的能耗比占全社會的18%，但對于碳足跡的研究仍還處于初級階段，蘇城元等［14］人利用IPCC2006提供的碳足跡公式對上海市城市交通發(fā)展模式進(jìn)行了測算分析，但并未提出具體的碳足跡計算結(jié)果來進(jìn)一步論證減排效果，胡瑩菲等［15］則對廈門BRT系統(tǒng)和普通公交出行方式在碳足跡測算方面進(jìn)行了對比分析，證明BRT是降低碳排放的有力手段，但其分析的目標(biāo)僅針對公交系統(tǒng)。

而在現(xiàn)今對城市客運系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的研究中，大部分是將能源消耗或客運周轉(zhuǎn)量等作為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，而本文則從另一角度出發(fā)，選擇對基于低碳模式下的城市客運交通系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。在結(jié)合碳排放相關(guān)主要特征的基礎(chǔ)上，利用交通出行方式和交通出行需求等各方面與碳排放之間的關(guān)系構(gòu)建城市客運交通碳足跡計算模型，并把城市客運交通運輸效率代替?zhèn)鹘y(tǒng)的客運周轉(zhuǎn)量作為目標(biāo)，最終確定以最小單位客運周轉(zhuǎn)量碳足跡和最大城市客運交通運輸效率為目標(biāo)，尋求滿足城市客運需求、發(fā)展需求以及能源需求等各個方面的城市客運交通發(fā)展模式，依此對客運交通結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化并對其進(jìn)行驗證。

1 模型目標(biāo)分析

交通模式是指在城市各因素的影響下，城市交通系統(tǒng)中不同交通方式所分擔(dān)的客運量的比例關(guān)系，反映了不同交通方式在交通系統(tǒng)中的功能與地位，標(biāo)志了城市交通系統(tǒng)中一定交通需求在一定供給平衡下的本質(zhì)特征?；谔甲阚E的城市交通發(fā)展模式，應(yīng)在滿足人們出行需求、促進(jìn)社會發(fā)展的基礎(chǔ)上，提倡與環(huán)境和諧相處的有利于可持續(xù)發(fā)展的城市低碳交通發(fā)展模式。可通過構(gòu)建以單位客運周轉(zhuǎn)量碳足跡作為一目標(biāo)函數(shù)的交通結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型，同時因為交通運輸效率為交通結(jié)構(gòu)優(yōu)化的重要指標(biāo)，因此將其作為另一目標(biāo)函數(shù)，從而建立雙目標(biāo)規(guī)劃模型來進(jìn)行城市發(fā)展模式研究。

1.1 城市客運交通碳足跡測算

城市交通系統(tǒng)復(fù)雜多變，影響因素涉及面廣，所以造就了城市交通碳排放問題研究的復(fù)雜性，城市交通碳排放主要是有各種交通工具的尾氣排放產(chǎn)生。筆者主要研究城市客運交通，忽略城市內(nèi)部貨運。城市客運交通出行方式除步行外還包括常規(guī)公交、地鐵、私家車、出租車及自行車等，因此根據(jù)出行方式不同也可以用下列公式測算城市客運交通碳足跡。

式中Ti為各交通方式的客運周轉(zhuǎn)量，人·km；ωi為各種交通方式CO2排放因子，g／（人·km），據(jù)1999年美國能源基金會測算，不同交通方式CO2排放因子見表1［16］。

因此在此城市客運交通測算模型的基礎(chǔ)上，城市單位客運周轉(zhuǎn)量碳足跡應(yīng)滿足：

表1 各交通方式的二氧化碳排放因子Tab.1 Carbon dioxide emission factors of each transportation mode g／（人·km）

1.2 城市客運交通運輸能效

運輸效率是反映交通結(jié)構(gòu)是否合理化的重要指標(biāo)，在一定的運輸距離內(nèi)，運輸效率高則運輸時間和成本相應(yīng)較低，產(chǎn)生的無效交通也就越少，減少了對社會造成的負(fù)面效應(yīng)。在低碳經(jīng)濟(jì)下城市客運交通結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目標(biāo)之一是城市交通方式總的運輸效率最高。但是，呂慎等人［17］提出城市交通系統(tǒng)中的不同交通方式所承擔(dān)的單位客運周轉(zhuǎn)量對交通效率的影響也不同，即對城市交通運輸效率改善的貢獻(xiàn)程度大小不一，各種交通方式客運周轉(zhuǎn)量的權(quán)重，見表2。

表2 各種交通方式客運周轉(zhuǎn)量的權(quán)重值Tab.2 The weight of transportation passenger turnover of the various modes

城市各種交通方式客運周轉(zhuǎn)量對運輸效率的影響滿足下式：

式中：Ci為各種交通方式客運周轉(zhuǎn)量的權(quán)重值。

2 研究模型構(gòu)建

2.1 模型假設(shè)條件

1）城市客運交通方式組成是已知的、相對固定的，不考慮貨運交通。

2）所研究的城市為一個封閉系統(tǒng)，忽略城市間交通的影響，包括污染物排放影響、能耗影響和客流量影響。

3）所研究城市的交通需求狀況相對確定。

2.2 模型約束條件

在過往對于碳足跡模型的研究當(dāng)中，研究者們往往僅僅針對居民的出行需求以及能源消耗進(jìn)行研究，將其列為主要約束條件，忽略了每個城市中每種交通方式存在的運輸限值與其可達(dá)性的不同，包括其未來的相關(guān)變化。本文為了能夠更科學(xué)地基于低碳模式對交通客運系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，根據(jù)影響碳足跡的相關(guān)因素，同時結(jié)合低碳理念，將模型的約束條件設(shè)置為以下四點：城市居民的出行需求約束、居民可達(dá)性約束、城市交通能源的消耗約束以及各種交通方式發(fā)展規(guī)模約束。

1）城市居民的出行需求約束。交通結(jié)構(gòu)優(yōu)化的先決條件應(yīng)滿足城市居民的出行需求，城市客運周轉(zhuǎn)量是反映城市客運交通系統(tǒng)供給能力的重要指標(biāo)，因此，要求所有交通方式提供的客運周轉(zhuǎn)量之和必須大于等于規(guī)劃所預(yù)測的該年客運周轉(zhuǎn)量（人·km），即

城市居民出行的需求總量的確定，目前有2種方法：①四階段法，計算較為復(fù)雜；②簡略算法，是以基準(zhǔn)年居民的平均出行距離為基礎(chǔ)進(jìn)行測算，計算公式如下。

式中：T為規(guī)劃年城市居民出行總量，人次／d；d為現(xiàn)狀居民的平均出行距離，km；A為規(guī)劃年城市用地面積，km2；NA為現(xiàn)狀城市用地面積，km2。

2）居民可達(dá)性約束。交通可達(dá)性指的是整個城市交通的暢達(dá)性，指居民選用某種出行方式，在合理出行時間預(yù)算內(nèi)能夠完成一定的出行距離，也是指采用某種交通方式的便利程度。約束公式如下。

式中：vi為i種交通方式平均速度，km／h；t為規(guī)劃年城市居民出行的平均時間；R為規(guī)劃年城市等效半徑。

3）城市交通能源的消耗約束。城市交通需求必然帶來城市能源消耗，同時帶來大氣污染，造成城市碳排放加劇，因此要控制交通能耗。此約束條件表明城市交通所消耗的能源不能超過城市交通能耗的承載力，計算如下。

式中：ecpi為各交通方式的能源消耗因子，見表3；enc［17－18］為城市客運交通的能源消耗限值。

表3 各種交通方式的能源消耗因子ecpTab.3 Energy consumption factor of each transportation mode MJ／（人·km）

4）各種交通方式發(fā)展規(guī)模約束。城市客運交通結(jié)構(gòu)優(yōu)化還應(yīng)該考慮各種交通方式的可能發(fā)展規(guī)模，反映到約束條件上，就是每種交通方式所承擔(dān)的客運周轉(zhuǎn)量應(yīng)在交通規(guī)劃范圍內(nèi)，約束條件表達(dá)為

式中：Timin為各種交通方式承擔(dān)的客運周轉(zhuǎn)量下限；Timax為各種交通方式承擔(dān)的客運周轉(zhuǎn)量上限。各種交通方式承擔(dān)的客運周轉(zhuǎn)量的上限是由城市相關(guān)資源及各種交通工具發(fā)展水平等條件所決定的，體現(xiàn)了社會可持續(xù)性；下限則體現(xiàn)了交通容量，主要考慮各種交通方式的供給不過分閑置。

2.3 模型的構(gòu)建

通過構(gòu)建以單位客運周轉(zhuǎn)量碳足跡作為目標(biāo)函數(shù)的交通結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型，同時因為交通運輸效率為交通結(jié)構(gòu)優(yōu)化的重要指標(biāo)，因此將其作為另一目標(biāo)函數(shù)，從而建立雙目標(biāo)規(guī)劃模型來進(jìn)行城市發(fā)展模式研究。綜上所述，建立模型如下。

式中：Ti為各交通方式的客運周轉(zhuǎn)量，人·km；ωi為各種交通方式CO2排放因子，g／（人·km）；Ci為各種交通方式客運周轉(zhuǎn)量的權(quán)重；D為城市居民出行的需求總量；vi為i種交通方式平均速度，km／h；t為規(guī)劃年城市居民出行的平均時間；R為規(guī)劃年城市等效半徑；ecpi為各交通方式的能源消耗因子；enc為城市客運交通的能源消耗限值；Tmini為各種交通方式承擔(dān)的客運周轉(zhuǎn)量下限；Tmaxi為各種交通方式承擔(dān)的客運周轉(zhuǎn)量上限。

3 案例分析

以北京市作為實例研究對象。運用上述模型對北京市城市客運交通模式進(jìn)行研究，并探討驗證上述模型的實用性。選取2020年作為此次研究的規(guī)劃年限。根據(jù)北京市的發(fā)展現(xiàn)狀和各項交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的情況，在本次規(guī)劃中的交通方式構(gòu)成為：常規(guī)公交、地鐵、私家車、出租車，以及自行車這5種，即｛T1，T2，T3，T4，T5｝＝｛常規(guī)公交，地鐵，私家車，出租車，自行車｝。

3.1 北京市城市交通需求總量

根據(jù)北京《2011北京市交通發(fā)展年度報告》得到北京市2010年日均居民出行總量為2 904萬人次，人口規(guī)模為1961萬，城市用地規(guī)模為1 377km2；根據(jù)《北京城市總體規(guī)劃（2004～2020年）》可以得出2010年北京市居民平均出行距離從2000年的8km增至10km，則根據(jù)北京市發(fā)展推測2020年北京市居民平均出行距離有同樣增幅，則為12.5km，2020年北京市的交通出行總量（不含步行）為122.08億人次，計算得出日均出行總量為3 364.4萬人次；根據(jù)《北京城市總體規(guī)劃（2004～2020年）》可得到2020年城市人口規(guī)模為1 800萬，用地規(guī)模為1 650km2；具體見表4。

表4 北京市城市交通現(xiàn)狀Tab.4 Urban traffic situation of Beijing MJ／（人·km）

由此可得北京市2020年的城市客運交通居民出行需求總量為

3.2 城市交通可達(dá)性相關(guān)參數(shù)

《2010中國新型城市化報告》中得出北京市居民平均上班所需交通時間達(dá)到52min，位居全國之首。據(jù)調(diào)查，北京城市居民交通出行來回時間大致為80～120min，根據(jù)居民出行特征，推得北京市居民出行單程平均時耗為50min，與前面報告吻合，所以經(jīng)計算北京市在規(guī)劃年的城市等效半徑為22.92km。

通過組織社會調(diào)查實踐，結(jié)合第3次北京市居民出行調(diào)查結(jié)果，經(jīng)分析得到北京市現(xiàn)狀各交通方式的平均運行速度。公交出行由于設(shè)置了公交專用道，速度較為穩(wěn)定，但速度仍小于小汽車的運行速度；并在主城區(qū)實施現(xiàn)場問卷調(diào)查居民出行，統(tǒng)計分析得到選擇不同交通方式的平均出行距離。具體結(jié)果見表5。

表5 各交通方式平均運行速度與平均出行距離Tab.5 Average running speed and average traveddistance of each transpor modes MJ／（人·km）

3.3 城市能耗限制

Carlsson等［19－20］在對城市交通活動的能源研究的基礎(chǔ)上，得出在可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)下，保證居民正常出行所需的能源消費量為每年人均11 000 MJ。我國發(fā)達(dá)城市年人均能耗為85.7GJ，一般發(fā)達(dá)國家的交通能耗約占總能耗的20%，而我國還不能達(dá)到此水平，則按15%計算，客運、貨運各占50%，則我國城市人均客運交通能耗上限為18.04MJ，故北京2020年城市客運交通的能源消耗限值enc＝18.04×18 000 000＝324 720 000 MJ。

3.4 北京市交通發(fā)展規(guī)模

根據(jù)北京《2011北京市交通發(fā)展年度報告》以及《北京城市總體規(guī)劃（2004～2020年）》得到2010交通方式的客運量周轉(zhuǎn)量分擔(dān)比例和2020年各種方式的客運量，見表6、表7。

表6 2010年北京市各交通方式出行構(gòu)成Tab.6 Beijing daily average turnover ratio of passenger transport modes in 2010

表7 2020年北京市各種交通方式承擔(dān)的日均客運量Tab.7 Beijing daily average passenger traffic volume of each transpor modes （萬人／d）

城市交通方式的上下限根據(jù)北京市現(xiàn)狀年及規(guī)劃年的日均出行總量、不同交通方式的平均出行距離以及各交通方式的出行比例構(gòu)成得到。經(jīng)計算得到北京市客運交通方式的規(guī)模限制，見表8。

表8 北京市客運交通出行方式規(guī)模限制Tab.8 The limit of Beijing passenger transport modes（萬人·km／d）

3.5 模型求解與分析

根據(jù)上述分析及數(shù)據(jù)，計算模型如下。

利用Matlab軟件選擇目標(biāo)到達(dá)法，在上述約束條件下對目標(biāo)函數(shù)求解，求得2020年北京市各交通方式的日均客運周轉(zhuǎn)量（不含步行），結(jié)果見表9。

表9 2020年北京市客運交通模式Tab.9 Beijing passenger transport modes in 2020

通過上表結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)各類交通出行方式的客運周轉(zhuǎn)量所占比例由大到小依次為：常規(guī)公交、軌道交通、自行車、小汽車和出租車，這表明為了滿足人均碳排放最低及客運周轉(zhuǎn)量最大的目標(biāo)，人們的出行方式需要進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。通過計算，公共交通客運量的分擔(dān)比重（軌道交通＋常規(guī)公交）由當(dāng)前的39.7%增長為53.1%，私人小汽車的比重由34.2%下降為17.6%，與此同時，城市單位客運周轉(zhuǎn)量碳足跡由原先的43.672g／人·km下降為37.707g／人·km，下降了13.7%，而城市客運交通運輸效率貢獻(xiàn)值也由原來的1 408.382上升為1 974.533，大致提高了40%。證明了通過低碳模式優(yōu)化后的城市客運交通結(jié)構(gòu)具有一定的合理性，對于研究符合城市發(fā)展的低碳客運交通發(fā)展模式具有促進(jìn)意義。

鑒于城市人口、機(jī)動車擁有量以及客運周轉(zhuǎn)量的增長都會對城市交通碳排放起促進(jìn)作用，增加公共交通的投入使用力度、增加其在交通模式中所占比重能有效抑制未來城市交通碳排放的發(fā)展，同時顯著增加城市客運交通運輸效率。而針對北京市如今的客觀情況，構(gòu)造公共交通與慢行交通為主，小汽車為輔的交通模式，營造和諧、低碳、高效率的城市客運交通發(fā)展模式將成為未來的主要趨勢。

4 結(jié)束語

本文基于碳足跡理論的發(fā)展和各國對交通發(fā)展模式的探索，提出了一種低碳高效的城市客運交通優(yōu)化模型，該模型以單位客運周轉(zhuǎn)量碳足跡和城市客運系統(tǒng)運輸效率為目標(biāo)，城市居民的出行需求、居民可達(dá)性、城市交通能源消耗限值和各類交通方式發(fā)展作為約束條件進(jìn)行構(gòu)建。并以北京市客運模式為例驗證了模型的可行性，基本確定以碳足跡理論來指導(dǎo)優(yōu)化城市交通發(fā)展模式，可以在降低碳排放的同時增加交通運輸效率，具有一定的可行性。而由于數(shù)據(jù)統(tǒng)計等客觀原因，本文模型并未考慮諸如道路交通結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)及不同車輛能耗等方面的差異對模型結(jié)果的影響，同時碳排放因子的取值也會在不同區(qū)域不同環(huán)境下有所變化，筆者也將會在往后的實驗研究中將上述條件引入模型，繼續(xù)對該模型進(jìn)行深入研究，保證模型的科學(xué)和嚴(yán)謹(jǐn)性。

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