不同货物运输方式的大气污染物排放对比及减排潜力分析*

许康利 田 野 王聘玺 薛亦峰# 魏小强 张世豪,5

(1.北京市环境保护科学研究院，国家城市环境污染控制工程技术研究中心，北京 100037；2.北京市生态环境局，北京 100048；3.北京市交通发展研究院，北京 100045；4.中国交通信息中心有限公司，北京 100101；5.首都师范大学资源环境与旅游学院，北京 100048)

机动车和非道路机械等移动源正逐步成为中国城市大气污染主要的来源之一[1-4]，根据主要城市PM2.5污染来源解析结果，移动源对PM2.5的贡献逐年增加，贡献率最高可达50%[5-6]。货物运输行业中，机动车(主要包括货车)、非道路机械铁路内燃机和飞机是移动源的重要组成部分，其使用的化石燃料在燃烧过程中会产生大量的大气污染物，主要包括颗粒物(PM)、NOx、挥发性有机物(VOCs)和CO等，对大气环境造成较大影响[7-8]。因此，控制货物运输行业的大气污染物排放对于移动源污染减排以及城市空气质量的改善具有重要作用。

当前国内外对于机动车和非道路机械污染排放及其对空气质量的影响研究较多。SUN等[9]利用COPERT模型估算了2000—2030年天津市机动车多种大气污染物排放量，并对不同车辆类型排放贡献进行识别。VIJAYARAGHAVAN等[10]采用MOVES模型核算了美国佐治亚州1995—2009年道路行驶的机动车CO、NOx和VOCs排放量，并与环境空气质量进行了相关性分析。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，对中国铁路和民航飞机大气污染物排放量进行了估算。货物运输主要通过重型柴油车、火车和飞机等运输工具，目前的研究多集中在不同运输方式的节能方法上[13-16]，谭晓雨等[17]分析了京津冀地区13个城市2001—2015年货物运输总能耗的变化情况，并从货物运输需求和货物运输市场等方面对降低货物运输能耗提出了相关建议，而对不同货物运输方式的污染物排放强度及排放量的对比和分析研究较少。

为探讨不同货物运输方式的污染排放差异，本研究基于北京市当前的货物运输车辆结构及不同车型的大气污染物排放因子，对比分析了3种不同货物运输方式(公路、铁路和民航)的大气污染物排放强度，核算了北京市货物运输主要大气污染物排放量，并着重探讨分析不同货物运输方式的污染物排放差异和排放贡献，对货物运输行业的污染减排潜力进行评估和分析，进而提出调整和优化货物运输结构的建议，为北京市移动源污染防治工作提供研究参考。

1 材料和方法

1.1 研究对象

北京市是超大型城市，常住人口超过2 100万，还有大量的流动人口[18]，人口密度较大，对食物、日用品和工业产品需求大[19]，货物运输量大。

北京市货物运输主要通过公路、铁路和民航3种方式，2017年北京市公路运输、铁路运输和民航运输货物周转量分别为2.46×1014、1.59×1014、7.40×1013t·km。北京市现有两个民用机场在用，分别为首都国际机场和大兴国际机场，机场也承担了一部分的货物运输，但比例不大。北京市铁路里程多年未有变化，约为0.13万km，占全国总铁路里程的1%，主要与客流相对集中有关。北京市道路交通体系较为发达，且公路里程逐年增加，2017年为2.2万km，约是铁路里程的17倍。

1.2 大气污染物排放强度核算方法

以单位运输距离和单位质量的货物运输所产生的污染物排放量来表征不同货物运输方式污染物排放强度。公路运输所用的机动车种类较多，包括轻型、中型和重型机动车，燃料主要包括汽油和柴油，其污染物排放标准从国Ⅱ到国Ⅴ不等，本研究以北京市2018年货物运输车辆的实际保有量情况为基准进行考虑，不同类型车辆单位运输距离的大气污染物排放量数据来自《城市大气污染物排放清单编制手册》[20]。

不同货物运输方式的污染物排放强度计算见式(1)：

Q=I÷M

(1)

式中：Q为不同货物运输方式下气态污染物排放强度，g/(t·km)；I为不同货物运输方式下气态污染物平均排放系数，g/km，取值来自《城市大气污染物排放清单编制手册》中道路移动源排放系数、非道路移动源排放系数；M为不同货物运输方式平均货物运输载货吨位，t。其中，公路货物运输平均载货吨位取2011—2017年北京市公路营运载货汽车吨位的平均值(5 t)；铁路货物运输平均载货吨位取4 000 t；航空平均载货吨位取60 t。

道路移动源排放系数根据2018年北京市不同车型及不同排放标准等级的货物运输车辆实际保有量占比情况进行修正，2018年北京市货物运输车辆中轻型、中型、重型机动车数量占比分别为79.6%、4.9%、15.4%，国Ⅲ前、国Ⅳ、国Ⅴ排放标准的车辆数量占比分别为14.0%、18.9%、67.1%，根据不同车辆类型和排放等级的数量占比对排放系数进行加权平均，得到公路货物运输污染物平均排放系数。不同货物运输方式污染物排放系数对比情况见表1。

表1 不同货物运输方式污染物排放系数Table 1 The emission coefficient of pollutants of different modes of freight transportation g/km

1.3 不同货物运输方式排放量核算方法

不同货物运输方式各类污染物排放量计算见式(2)：

P=Q×T×10-6

(2)

式中：P为不同货物运输方式下气态污染物排放量，t；T为货物运输周转量，t·km。

2 结果和讨论

2.1 北京市货物运输结构现状特征

货物运输与城市人口规模、经济发展息息相关[21]。北京市人口多、经济持续快速发展，因此整体货物运输量较大。根据2007—2017年北京市公路、铁路、民航的货物运输量变化情况(见表2)[22]可以看到，2014年前货物运输量总体增长，从2007年的19 895 万t增长到2014年的26 697万t，年均增长率4.9%，且2007—2014年北京市经济年均增长率8.6%，可见，随着经济的发展，运输业的发展水平也在不断地提高，呈现出正向发展趋势；2015年后受首都功能疏解，一般制造业逐渐外迁，第二产业国内生产总值(GDP)贡献下降，2015年比2014年降低1.6百分点，2015年常住人口增长也比较有限，流动人口大幅减少[23]，因此货物运输量出现大幅下降；到2017年货物运输量为20 253万t，与2007年货物运输量19 895万t和2008年货物运输量20 515万t基本相当，因此根据上述分析，预估未来10年内北京市货物运输量基本保持在20 000万t左右。

表2 2007—2017年北京市货物运输量及北京市人口变化Table 2 The freight volume and population of different modes of freight transportation in Beijing

在货物运输结构上，北京市货物运输方式较为单一，公路运输占绝对比例，且贡献比例逐年上升，从2007年的89.8%增长到2017年的95.7%。公路运输比例大，一方面与北京市公路货物运输配套设施较好、方便灵活有关，另一方面与货物运输距离短以及北京市的交通规划有关。铁路运输占比呈现逐年减少的趋势，从2007年的9.7%下降到2017年的3.5%，主要是铁路资源偏重客运，铁路货物运输配套设施不够完善[24]，运输到终端仍需要经过公路周转，最后几千米的货物运输障碍问题未完全破除。因此，应大幅提升铁路货物运输比例，推进多式联运运输网络建设，协调利用现有铁路运输资源，推动重点工业企业、物流园区和产业园区等大宗货物运输优先采用铁路货物运输方式，提升铁路运输比例，建立城市绿色货物运输体系。

2.2 不同货物运输方式污染物排放强度对比分析

持续增强的货物运输能力和不断扩大的货物运输规模在推动城市经济发展的同时，也产生大量的污染物排放[25]，而不同的货物运输方式因燃料类型不同在污染物排放强度方面也存在差异。基于北京市货物运输车辆结构现状，结合1.2节核算方法，得到不同货物运输方式主要大气污染物(CO、NOx、PM2.5、PM10和VOCs)的排放强度。由表3可见，公路货物运输大气污染物排放强度较大，5种大气污染物总排放强度为1.746 g/(t·km)，分别是铁路货物运输大气污染物排放强度和民航货物运输大气污染物排放强度的17.0、4.0倍。

表3 不同货物运输方式大气污染物排放强度对比Table 3 Comparison of air pollutants emission intensity of different modes of freight transportation g/(t·km)

从不同大气污染物种类来看，公路货物运输CO排放强度最大，为1.029g/(t·km)，分别是铁路和民航的85.8、7.5倍；VOCs排放强度为0.127 g/(t·km)，分别是铁路和民航的31.8、3.1倍；NOx排放强度为0.564 g/(t·km)，分别是铁路和民航的7.0、2.3倍，由此可以看到公路货物运输在CO、VOCs和NOx的排放上具有更好的减排潜力。

通过上述3种不同货物运输方式大气污染物排放强度的对比分析，可以看到公路运输大气污染物排放强度要远高于铁路运输，通过情景预测和排放强度核算，要使公路运输大气污染物排放强度与铁路运输基本相当，需要在现有公路运输车辆结构的基础上，将全部国Ⅳ及国Ⅳ前排放标准等级、约90%的国Ⅴ排放标准等级燃油车辆进行新能源替代。而目前对于货物运输车辆的新能源替代还受技术发展水平、续航能力、价格及配套设施建设等方面因素的影响，新能源替代仍存在较大的压力和阻力。因此减少货物运输污染物排放，还需要依赖于货物运输结构的调整，不断提高铁路运输比例；另一方面也要促进公路货物运输车辆结构调整，提高新能源车辆使用比例，降低其大气污染物排放。

2.3 北京市货物运输污染物排放量及排放贡献

结合北京市不同运输方式的货物运输周转量，按1.3节给出的不同货物运输方式大气污染物排放量核算方法，得到2017年北京市3种货物运输方式CO、NOx、PM2.5、PM10和VOCs的排放量(见图1)。2017年北京市货物运输5种大气污染物排放量近3.4万t，占全市大气污染物排放总量的3.1%。其中NOx排放量约1.3万t，占全市NOx排放总量的10.5%，CO、PM2.5、PM10和VOCs排放量分别为1.78万、0.03万、0.04万、0.24万t，占各自全市排放总量的3.4%、0.8%、0.2%、1.0%，货物运输带来的大气污染物排放对空气质量具有较大的影响，尤其是NOx排放贡献较大。

图1 2017年北京市不同货物运输方式大气污染物排放情况Fig.1 Air pollutants emissions of different modes of freight transportation in Beijing in 2017

从不同货物运输结构来看，公路货物运输5种大气污染物排放量为2.80万t，分别占货物运输和全市大气污染物排放总量的82.7%和2.6%，其中NOx排放量为0.90万t，分别占货物运输和全市排放总量的26.7%和0.8%；铁路货物运输5种大气污染物排放量为0.25万t，分别占货物运输和全市排放总量的7.5%和0.2%；民航货物运输5种大气污染物排放量为0.33万t，分别占货物运输和全市排放总量的9.8%、0.3%。因此无论是从污染物排放量角度还是污染物排放贡献占比角度，提高北京市铁路货物运输比例，减少公路货物运输大气污染物排放对于未来空气质量改善具有重要的作用。

2.4 北京市货物运输结构存在问题及减排潜力分析

北京市面临货物运输结构分配不合理、运输方式优势未充分发挥、运输组织化水平低、基础设施衔接不畅等问题，具体表现为北京市货物运输结构较为单一，公路运输占95.7%，远高于全国平均水平(76.8%)。不同运输方式的优势未能得到充分发挥，铁路运输能力不足，铁路专用线建设滞后[26]。综合运输组织化水平还有待进一步提高，跨方式、一体化运输组织程度较低，各种运输方式规划建设、统筹协调不够[27]。货物运输车辆结构过度依赖化石燃料，替代能源、可再生能源使用率较低。

针对当前货物运输污染排放问题，未来的污染控制需要从改善运输结构、调整和优化货物运输车辆结构、提高能源利用率、减少化石燃烧消耗、加强执法和监管等来进行综合污染防治，具体为：(1)提高铁路运输比例和水平。铁路运输污染强度较小，要统筹推进多式联运运输网络建设，协调利用现有铁路运输资源，推动重点工业企业、物流园区和产业园区等大宗货物运输优先采用铁路货物运输方式；(2)公路货物运输车辆结构调整和优化。对于近距离的货物运输，公路货物运输具有一定的不可替代性，可以进行车辆结构的调整和升级，促进国Ⅲ以下柴油货车的替代和更新，推广使用节能环保型和新能源货车，逐步建立城市绿色货物运输体系，在通行便利等相关政策给予一定的倾斜；(3)加强排放达标的监管和执法。利用遥感监测、远程排放管理终端等手段对货物运输车辆排放情况进行监管，有效、快速地识别超标排放行为，建立维修复检的闭环管理制度，督促超标车辆及时维修整改，加强日常维护和保养，确保在实际使用阶段达标排放，切实降低污染排放。

3 结 论

货物运输结构的调整和优化对于大气污染物减排和空气质量改善具有重要的作用。本研究通过对比不同货物运输方式污染物排放强度差异，结合北京市货物运输的现状特征，核算了北京市货物运输大气污染物排放量，识别了其对大气污染物排放贡献，并进行了货物运输领域减排潜力分析。研究表明：(1)公路货物运输大气污染物排放强度较大，5种大气污染物(CO、NOx、PM2.5、PM10和VOCs)排放强度为1.746 g/(t·km)，分别为铁路和民航运输的17.0、4.0倍，提升铁路运输比例具有较好的环境效益；(2)2017年北京市货物运输5种大气污染物排放量约为3.4万t，占北京市排放总量的3.1%，其中NOx排放量约为1.3万t，占北京市NOx排放总量的10.5%，货物运输污染物排放对大气环境质量具有较大影响；(3)北京市货物运输结构不尽合理，公路运输比重过大，公路、民航和铁路运输对排放量的贡献分别为82.7%、9.8%、7.5%，从大气质量改善的角度出发，货物运输结构需要进一步调整和优化；(4)对于污染减排，一方面要充分利用铁路资源，提高铁路货物运输比例，另一方面对于近距离不可替代的公路货物运输，要推动新能源运输车辆的应用。