碳達峰目標下私家車限行政策效應的動態仿真

陳 振， 葉向陽

（河南農業大學信息與管理科學學院，鄭州 450002）

近年來，隨著經濟的高速增長以及人們生活水平的提高，交通業也在持續高速發展，機動車保有量增長率在近十年高達36.69%. 隨著交通運輸活動的持續增長，交通工具已經成為全球溫室氣體的重要排放源. 機動車已成為CO2排放最重要和增長最快的領域之一［1］，高濃度的污染物如CO2、PM2.5和氮氧化物等排放物質，不僅會對大氣造成污染，帶來經濟損失，還會影響居民健康. 為控制全球氣候變化，如何在2030年前實現碳達峰目標已經成為國際熱點問題.

為降低大氣污染、緩解交通擁堵，中國已經采取了很多方法來解決. 例如擁堵收費［2-3］、限行政策［4］、限購政策［5］、提高停車收費等措施，其中限行政策被廣泛使用. 現有研究中，關于機動車限行政策能否降低空氣污染、降低交通擁堵效應的討論始終存在，討論的結果主要分為兩種不同觀點：第一種觀點認為限行政策能夠很好地解決空氣污染和交通擁堵，孫傳旺和徐淑華［6］基于雙重差分模型認為一般限行政策和特殊限行政策均不同程度地緩解了大氣污染，并且限行區域越大，限行的車輛越多，減排效果越顯著；雷淥瑨等［7］運用線性回歸和時間序列自回歸分布滯后模型，回歸結果顯示，日常工作日實行的尾號限行政策能顯著改善空氣質量；袁曉玲等［8］通過研究西安市各項空氣質量指標，得出機動車限行政策的實施雖不能有效降低空氣污染程度，但可以相對減緩空氣污染進一步加重的速度；陳志梅和阮婷［9］利用系統動力學模型研究天津市限行政策效果，研究結果表明，采取實施機動車尾號限行政策來抑制小汽車的出行需求，從而能夠在一定程度上緩解城市交通擁堵的狀況.另一種觀點認為限行政策在短期內有明顯效果，但隨著時間的推移，限行政策的效果在逐漸消退，陳振等［10］運用系統動力學與灰色Verhulst預測相結合的方法，探究限行政策的作用效果，認為限行政策沒有從根本上提升空氣質量、緩解交通擁堵，只是把問題往后推遲. 王亞偉和錢子航［11］認為對載客汽車實施限行政策短期內能夠緩解交通問題，但從長期來看存在副作用，對載貨汽車實施限行政策總體來說弊大于利；王振振等［12］的研究表明，隨著限行政策實施周期的延長，政策效果呈逐漸減弱趨勢；Tu等［13］采用反距離加權模型得到DRP在南京市交通分析區域可顯著降低NO2含量的升高速度，但由于決策者選擇不同，在某些地區NO2含量的上升速度會更快.

機動車大氣污染物及CO2減排對于改善空氣質量和緩解氣候變化具有重要的作用［14］，因此越來越多的學者研究如何降低機動車尾氣造成的環境污染. 陳振［10］提出將發展公共交通與限行政策相結合可以有效緩解交通擁堵，改善空氣質量，提升環境承載力；Dey等［15］和Zhang等［16］采用COPERT模型分別建立了柏林和北京機動車主要大氣污染物排放清單，為機動車污染防治和協同控制提供參考和支撐；馬壯林等提出提高公共交通服務水平有助于吸引僅有一輛車的出行者在限行日選擇公共交通方式出行，道路暢通有助于吸引有多輛車的出行者在限行日選擇公共交通方式出行［17］；Chen和Lei［18］采用通徑分析模型估算機動車對北京市交通CO2排放的直接、間接和總影響，提出要想進一步抑制交通運輸碳排放增長，應適當提高人口素質，控制機動車規模，開發和推廣清潔能源，降低交通能源強度和交通強度.

在上述的研究基礎上，本文采用系統動力學方程構建一種私家車限行政策效應模型，以北京市為例，對私家車限行政策的CO2和PM2.5減排效果進行動態評估. 針對長期蘊藏的副作用，引入財政政策，通過調試財政政策影響因子，探究相對優化的情景方案，進一步推進城市交通碳達峰的進程.

1 邊界分析

1.1 因果回路分析

本文將環境管理模型分為經濟、交通、環境和人口四個子系統，各個子系統的因果反饋關系是系統動力學建模的基礎與前提. 本文主要討論限行政策對CO2和PM2.5的影響，主要因果回路見圖1. 其中對CO2的影響見回路1～2，對PM2.5的影響見回路3～4.

圖1 因果回路圖Fig.1 Causal circuit diagram

回路1和回路3為正反饋. 當限行政策實施時，會誘發一些家庭購買第二輛車［19］，導致私家車數量及私家車出行量也會隨之增加，私家車排放的CO2和PM2.5量增加，導致CO2污染程度和PM2.5污染程度增加. 限行政策未能降低CO2污染程度和PM2.5污染程度，造成的溫室效應影響程度增加，溫室效應影響程度增加又反過來促使政府加大限行政策的實施力度.

回路2和回路4為負反饋. 當政府實施財政政策后，通過加大環境投資占GDP的比重，從而使CO2環保投資比重和PM2.5環保投資比重增加，從而使CO2和PM2.5處理量變大，那么CO2污染量和PM2.5年均濃度就會相應減少，溫室效應影響程度降低，從而削弱CO2和PM2.5存量.

因此，限行政策雖然短期內可以降低環境污染，減少交通擁堵程度. 但長期來看，會刺激第二輛車的購買，導致私家車排放的CO2和PM2.5量增加，具有一定的副作用. 財政政策能夠抑制CO2和PM2.5的排放，通過增加處理量降低空氣中的CO2和PM2.5的存量，進而達到保護環境的作用，助推城市交通碳達峰目標的順利實施.

1.2 系統動力學模型建立

系統動力學是系統科學理論與計算機仿真緊密結合、研究系統反饋結構與行為的一門科學. 利用系統動力學是將定性與定量結合、系統綜合推理的方法［20］. 北京市作為中國第一個實施限行政策的城市，對北京市的限行政策進行效應分析具有重要意義. 根據圖1的因果分析圖，以北京市2010—2020年歷史數據為依據，建立一個包含限行政策、財政政策、CO2污染量和PM2.5年均濃度等變量的私家車系統動力學模型，見圖2.

圖2 私家車交通系統流圖Fig.2 Private car traffic system flow diagram

1.3 主要參數與方程

參考《中國機動車環境管理年報》《北京交通發展年度報告》和《中國統計年鑒》等資料，在進行仿真時對模型中的一些常數、狀態變量的初始值和非線性函數進行賦值. 其中主要常數和狀態變量初始值見表1.

表1 主要變量參數及初始值（2010年）Tab.1 Main variable parameters and initial values（2010）

模型的主要方程如下所示.

1）人口=INTEG（出生人口+遷入人口-死亡人口，1.961 9×107）.

2）出生人口=人口×出生率.

3）私家車汽油燃油量=私家車出行量×私家車年均行駛里程×百公里油耗×汽油氧化系數÷100.

4）車均道路面積=年末實際道路面積÷機動車出行量.

5）年末實際道路面積=INTEG（道路面積增長量，9.395×107）.

6）私家車增長率表函數=WITH LOOKUP（人均GDP，（［（0，0）-（300 000，0.3）］，（75 360，0.03），（83 547，0.030 443），（89 778，0.040 715），（97 178，0.045 324），（102 869，0.026 7），（109 603，0.004 668），（118 198，0.019 912），（128 994，0.032 538），（150 962，0.027 311），（161 776，0.049 08），（164 889，0.040 983 6），（165 324，0.029），（169 198，0.029），（176 239，0.029），（180 001，0.029），（186 321，0.029），（192 123，0.029），（197 374，0.029），（200 798，0.029），（205 498，0.029），（211 001，0.029）））.

7）私家車報廢量=私家車數量×私家車報廢率.

8）私家車增長量=私家車增長率×私家車數量.

9）私家車數量=INTEG（私家車增長量-私家車報廢量，3.9×106）.

10）私家車出行量=私家車數量×私家車出行比例×限行政策.

11）實際停車位數量=WITH LOOKUP（Time，（［（2010，0）-（2030，2×106）］，（2010，1.394 5×106），（2011，1.471 43×106），（2012，1.611 37×106），（2013，1.574 13×106），（2014，1.757 72×106），（2015，1.905 95×106），（2016，1.931 48×106），（2017，1.905 95×106），（2018，1.757 72×106），（2019，1.703 61×106），（2020，1.707 98×106），（2021，1.833 81×106），（2022，1.839 83×106），（2023，1.844 48×106），（2024，1.848 08×106），（2025，1.852 99×106），（2026，1.854 64×106），（2027，1.855 98×106），（2028，1.855 92×106），（2029，1.856 9×106），（2030，1.857 65×106）））.

12）CO2環保投資=CO2環保投資比重×環保投資.

13）CO2排放量=私家車燃油量×CO2排放因子.

14）PM2.5年均濃度=INTEG（PM2.5排放量-PM2.5處理量，90）.

15）溫室效應影響程度=CO2污染程度×a+PM2.5污染程度×b，其中a＞0，b＜1.

1.4 模型檢驗

為確保模型的合理性與魯棒性，對模型進行歷史性檢驗. 以GDP和私家車數量為例，將歷史數據與模擬數據進行比較，對比結果如表2所示.

表2 GDP和私家車數量誤差檢驗結果Tab.2 GDP and the number of private cars error test results

由表2 可以發現，在2010—2020 年內，GDP 和私家車數量最大誤差分別為3.88%和-3.97%. 誤差均在5%以內，說明模型擬合程度高，模型能反映現實情況，合理可用，可進行下一步仿真.

2 仿真結果

2.1 限行政策

限行政策最先于2007年在北京試用，隨后我國一些城市，例如天津、上海、成都、鄭州等也相繼實行限行政策，有的城市是劃分區域限行，有的是時間段不同進行限行，限行政策也分為單雙號限行和按尾號與對應日期限行等. 限行區域、時間和程度不同，進行的機動車數量也不相同，根據城市的不同特點，城市的限行效果也不同.

將北京市目前實行的每天限制兩個機動車尾號定量化輸入系統動力學模型中，得到CO2污染程度、PM2.5污染程度、溫室效應程度和車均道路面積的仿真圖，如圖3所示. 可以看出，在仿真前期，PM2.5污染程度和溫室效應影響程度有了下降趨勢，但只維持了四年左右，CO2污染程度在前期增長十分緩慢. 但在仿真末期，CO2持續上升，2030年沒能實現碳達峰目標；PM2.5在2030年屬于穩定情況，沒有降低的趨勢；溫室效應影響程度與CO2污染程度和PM2.5污染程度相關，所以溫室效應影響程度在仿真后期也在持續上升.

圖3 限行政策下仿真圖Fig.3 Simulation diagram under driving restriction policies

這是限行政策所存在的一個副作用，雖然限行政策短期來看可以降低溫室效應影響程度，提高空氣質量. 但長期來看，限行政策并不能降低溫室效應影響程度. 可能是公共交通設施的完善程度和路網設計的合理程度跟不上限行政策所實施的前提條件，人們乘坐公共交通的不方便、時間過長和“最后一公里”等問題，導致一些家庭選擇購買尾號不同的私家車來出行，至使私家車保有量增加，限行后的路面車輛并未減少，反而私家車保有量的增加還會引發停車位緊張和交通事故率增加等問題. 因此環境污染問題并沒有得到解決，私家車排放的CO2和PM2.5依然在增加.

2.2 財政政策

針對限行政策的副作用，本文引入財政政策來治理空氣污染問題. 選取環境保護投資比重、CO2環境保護投資比重和PM2.5環境保護投資比重作為財政政策的調控因子. 在保證其他變量不變的情況下，通過兩種不同情景賦予不同的參數值進行比較，見表2. 根據國家統計局歷年環境污染治理投資總額計算可知，目前我國環境保護投資比重為1.59%，環境保護投資占GDP的比重最高不會超過2%. 根據財政政策的實施力度大小，將減排分為綠色低碳和強化低碳兩種不同情景. 本文將綠色低碳情景下環境保護投資比重系數調整為2%，強化低碳情景下環境保護投資比重系數調整為3%. 將CO2污染程度、PM2.5污染程度、溫室效應程度和車均道路面積作為考察變量，考察不同情景下的變量變化趨勢，結果見圖4.

表2 財政政策調控因子Tab.2 Fiscal policy adjustment factor

圖4 財政政策下仿真圖Fig.4 Simulation diagram under fiscal policy

財政政策是從污染治理方面增加污染物處理量，從而減少大氣中的污染物存量. 觀察圖5（a）可以看到，在仿真前期，綠色低碳和強化低碳情景對CO2污染程度的影響趨勢一致. 但隨著時間的推移，兩條曲線的差距逐漸拉開，尤其在仿真末期，從2028年CO2污染程度增長率開始下降，在2030年強化低碳情景下達到碳達峰目標，綠色低碳依然在上升趨勢. 同理，PM2.5污染程度也是在仿真前期兩條曲線變化幅度一致，但仿真后期，強化低碳情景下PM2.5污染程度越來越低，直至2030年仿真結束，兩種情景導致污染程度相差越來越大. 財政政策對交通子系統中的道路面積也有一定的影響，提高加大財政政策力度，年末道路面積會提高，車均道路面積也隨之提高. 在仿真前期，兩種情景對車均道路面積影響一樣，隨著時間的推移，政策實施的力度越大，車均道路面積越大，直至2030年差距最明顯. 究其原因可能是財政政策存在時效性，效果并不會立刻顯現，需要一些時間來實現其效果. 所以當政府想要采取財政政策時，要考慮政策顯現效果的時間，做好提前規劃.

對比強化低碳與綠色低碳方案，當實施財政政策力度更大的強化低碳時，與綠色低碳相比CO2污染程度降低18.3%，PM2.5污染程度降低24%，溫室效應影響程度降低8.47%，車均道路面積提高了2.94%. 雖然四種主要變量都有優化，但與CO2污染程度和PM2.5污染程度相比，溫室效應影響程度和車均道路面積的優化程度較低. 究其原因可能是因為財政政策具有激勵作用，尤其是有針對性財政政策，比如加大CO2環境保護投資比重和PM2.5環境保護投資比重，因此那么污染物的存量就會相應降低.

2.3 組合政策

將限行政策與財政政策相組合，由上述財政政策可知，在強化低碳情景下可以實現碳達峰，因此使財政政策的調控因子處于強化低碳情景下，見圖5. 對比限行政策與強化低碳情景的組合政策下CO2污染程度、PM2.5污染程度、溫室效應程度和車均道路面積，如表3所示.

圖5 組合政策下仿真圖Fig.5 Simulation diagram under combined policy

表3 限行政策與組合政策對比表Tab.3 Comparative table of driving restriction policies and combined policy

從圖5（a）中可以看到，在限行政策下，環境子系統中的CO2污染程度、PM2.5污染程度和溫室效應影響程度在仿真后期仍在繼續上升，車均道路面積處于下降趨勢. 再從圖5（b）中我們可以看到，在組合政策下，CO2污染程度的增長率在仿真末期出現下降趨勢（曲線1），有利于城市交通碳達峰目標的實現. 同時在碳達峰目標的導向下，組合政策使PM2.5污染程度持續下降（曲線2），溫室效應影響程度在2028年之后得到有效改善（曲線3），車均道路面積在仿真中后期持續上升（曲線4）. 這說明了組合政策對環境子系統和交通子系統的改善具有積極作用.

從表3中我們也可以看到，在2015年、2020年、2025年和2030年，組合政策下的CO2污染程度比限行政策降低了5.6%、4.4%、5.6%和22.9%. 對比組合政策和限行政策下的PM2.5污染程度，分別下降了0.4%、2.0%、8.2%和43.5%. 溫室效應影響程度在2015 年、2020 年、2025 年和2030 年分別降低了1.1%、3.2%、6.2%和36.3%. 車均道路面積在組合政策下和限行政策下分別提高了1.0%、1.9%、2.9%和3.8%. 在仿真期2010—2030年內，組合政策下的CO2污染程度、PM2.5污染程度、溫室效應影響程度和車均道路面積比其在限行政策下平均優化了9.6%、13.6%、11.6%和2.4%.

3 結論及建議

3.1 結論

本文以北京市私家車排放的CO2和PM2.5作為研究對象，通過分析系統內部和外部各因素之間的聯系，圍繞經濟、交通、環境和人口四個子系統建立系統動力學模型. 從中長期視角來分析限行政策的實施效果，并引入財政政策的兩種不同實施力度，考察財政政策在綠色低碳和強化低碳兩種情景下對CO2污染程度、PM2.5污染程度、溫室效應影響程度和車均道路面積的影響. 得到以下結論：

1）雖然短期內限行政策可以降低環境污染，緩解交通擁堵. 但長期來看限行政策具有副作用，并不能降低CO2和PM2.5的污染程度.

2）綠色低碳和強化低碳情景下的財政政策均能降低CO2和PM2.5的污染程度. 尤其在強化低碳情景下效果更好，CO2污染程度、PM2.5的污染程度和溫室效應影響程度在2030 年比綠色低碳情景下的分別降低了18.3%、24%和8.47%，車均道路面積增加了2.94%.

3）組合政策不僅降低了CO2、PM2.5污染程度和溫室效應影響程度，而且在一定程度上改善了車均道路面積，助推了城市交通碳達峰目標的實施效率.

3.2 建議

基于上述研究結果，本文提出以下建議：

1）現有限行政策模式有待提高，不適用于長期實行. 環境治理是一個復雜且長期的過程，需要各子系統的相互配合協作. 因此要考慮多方面，做到政策之間的協同，形成一個事半功倍的治理系統.

2）是利用財政政策的激勵作用，加大環保投資比重，尤其是重點性增加對CO2和PM2.5的專項投資比重.通過增加污染物的治理量來減少污染物的存量，從而降低其污染程度. 財政政策可能存在時滯效應，隨著時間推移，效果更能顯現出來. 政府要根據現實情況與目標，動態調整政策調控因子，合理安排以達到政策實施的意義.