毛显强 ,邢有凯,高玉冰 ,何 峰,曾 桉 ,蒯 鹏 ,胡 涛 (1.北京师范大学环境学院,全球环境政策研究中心,北京 10087；.交通运输部规划研究院,交通排放控制监测技术实验室,北京 10008；3.北京亚太展望环境发展咨询中心,北京 100191；.中国科学院科技战略咨询研究院,北京 100190；.合肥工业大学经济学院,安徽 合肥 30009；.湖石可持续发展研究院,广东 深圳 18081)

伴生效益、次生效益、协同效益等概念指在实施温室气体减排措施时产生附带的局地大气污染物减排及其人群健康等效益,或者在实施局地大气污染物减排时所产生的温室气体减排效益[1-9].国内外学者在不同地区、不同行业,采用自下而上、自上而下、混合模型等多种方法,开展了协同效益评估研究,量化分析温室气体减排政策或大气污染控制政策所带来的局地大气污染物与温室气体减排,以及大气环境质量提升和人群健康改善协同效益[10-16].

尽管因温室气体和局地大气污染物大多源自化石燃料燃烧,二者之间存在的“同根同源性”[17]直接导致协同效益的存在,但另一方面,温室气体与局地大气污染物减排措施之间既有协同的方面,也存在非协同的情况.“协同控制”即试图将二者的控制目标和控制措施有机结合,以减少资源的重复配置,达到事半功倍的效果[18-20].目前国内外协同控制研究的核心是:选取减排措施,评估减排措施的环境、经济效益,再根据减排目标设计相应的协同控制路径规划[21-32].

自2013年以来,中国大气污染防治取得显著成效,主要大气污染物排放量明显下降[33].但是,多数城市PM2.5浓度相比世界卫生组织(WHO)指导值依然有明显差距,区域大气污染问题依然突出.另一方面,中国的温室气体排放一直备受国际关注.2020年我国提出将提高国家自主贡献力度,二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和目标[34].在局地大气污染物与温室气体减排的双重压力下,协同控制策略的重要性越发凸显,并已经融入中国的宏观政策制定之中.此外,一系列法律、规划,均提出协同控制局地大气污染物和温室气体要求.

目前,实施协同控制的相关导则或指南尚未出台,亟需构建协同控制评估方法体系,以科学评估不同减排措施(减排主体)的协同控制效果、筛选最优措施组合、合理规划协同减排路径,以实现局地大气污染物与温室气体减排的双赢.因此,本文总结并提出协同控制效应评价和规划方法体系,并通过多个行业和城市案例应用证实该方法体系的科学性和可行性.

1 协同控制评估与规划方法

1.1 协同减排量核算方法

1.1.1 基于排放因子法的排放量(Q)核算 针对每项生产和消费活动,收集其相关活动水平数据和第 j种局地大气污染物或第 k种温室气体排放系数,分别估算其排放量.计算公式如下:

式中:Qj为 第j种局地大气污染物的排放量;Qk为第k种温室气体的排放量;A为生产或消费的活动水平;Cj为第j种局地大气污染物的排放系数;Ck为第k种温室气体的排放系数.

1.1.2 综合大气污染物排放量(QIAP) 局地大气污染物和温室气体的性质和环境影响差异较大,为了合理比较不同措施针对其综合减排效果,本文将多种局地大气污染物排放量和多种温室气体排放量折算为综合大气污染物(IAP)排放量(QIAP)(目前人类活动导致的温室气体排放已经过量,导致全球气候变化,危及人类生存,因此本文将其界定为污染物[35]),其计算公式如下:

式中:QIAP为综合大气污染物排放量(以综合大气污染物当量(IAPeq)计);QLAP为局地大气污染物(LAP)排放量(以局地大气污染物当量(LAPeq)计):

式中:αi是将第j类局地大气污染物(如 SO2、NOx、PM、CO等,当涉及相关性、同质性强的多个污染物指标,如颗粒物指标TSP、PM10、PM2.5时,应仅选择其中一种参与评估,避免过高估计多污染物协同减排效应)折算为LAPeq的折算系数;

QGHG为温室气体(Greenhouse gases, GHGs)排放量(以二氧化碳当量(CO2eq)计);

式中:βk是将第 k 类温室气体(如 CO2、CH4、N2O 等)折算为 CO2eq的折算系数;WLAP、WGHG为将 QLAP与QGHG折算为QIAP的系数,可以反映二者的相对重要性.

折算系数的取值有多种方法,可以是基于污染物的化学、物理、生物、毒理等特性,即对人类健康、生态系统功能等影响的大小;也可以基于其外部性影响的货币化评估值;抑或是基于公众和决策者对某一类污染物控制的紧迫性的认识和判断等.

首先,本文以《中华人民共和国环境保护税法》(简称《环境保护税法》)规定的局地大气污染物的污染当量值为依据,将各类局地大气污染物折合为“局地大气污染物当量(LAPeq)”;以 IPCC 发布的各类温室气体的全球增暖潜势(或全球变暖潜势)参数[36]为依据,将各类温室气体折合为“二氧化碳当量(CO2eq)”.

其次,本文仍基于《环境保护税法》附表一“环境保护税税目税额表”规定的局地大气污染物当量的税额,以及全国碳排放权交易试点平均二氧化碳当量价格参数,确定将局地大气污染物当量(LAPeq)和二氧化碳当量(CO2eq)折算为综合大气污染物当量(IAPeq)的折算系数.《环境保护税法》规定的环境保护税税额既反映出平均减排成本,也反映出全社会对局地大气污染物的人类健康、生态系统功能影响的综合评价值.我国虽然尚未开征碳税,但碳排放权交易试点工作已开展多年,碳交易价格一方面可反映碳减排成本或碳排放权的机会成本,另一方面也反映了政府、企业、社会公众对于温室气体排放及其气候变化潜在影响的综合评价值.

将各种局地大气污染物和温室气体分别折算为局地大气污染物当量(LAPeq)、二氧化碳当量(CO2eq)以及综合大气污染物当量(IAPeq)的折算系数见表1.

表1 局地大气污染物当量、二氧化碳当量及综合大气污染物当量折算系数Table 1 Weight coefficient of LAPeq, CO2 eq and IAPeq

1.1.3 综合大气污染物协同减排量(ICER) 在测算某项节能减排措施或减排主体的综合大气污染物协同减排效果时,首先,分别计算该措施或减排主体对各类局地大气污染物或各类温室气体的减排量,公式如下:

式中: ERi,j,ERi,k为i措施或主体对第j种局地大气污染物或第k种温室气体的减排量;Qi,j,o为i措施实施前或i主体实施减排前,第j种局地大气污染物的排放量(减排基线); Qi,j,1为i措施实施后或i主体实施减排后,第j种局地大气污染物的排放量;Qi,k,o为i措施实施前或i主体实施减排后,第k种温室气体的排放量(减排基线); Qi,k,1为i措施实施后或i主体实施减排后,第k种温室气体的排放量.

然后,分别计算 i措施(或 i主体)的局地大气污染物减排量(ERLAP)和温室气体减排量(ERGHG),公式如下:

式中:ERi,LAP为i措施或i主体的局地大气污染物减排量(以LAPeq计);ERi,GHG为i措施或i主体的温室气体减排量(以CO2eq计);Qi,LAP,0为i措施实施前或i主体实施减排前的局地大气污染物排放量(减排基线);Qi,LAP,1为i措施实施后或i主体实施减排后的局地大气污染物排放量; Qi,GHG,0为i措施实施前或i主体实施减排前的温室气体排放量(减排基线);Qi,GHG,1为i措施实施后或i主体实施减排后的温室气体排放量.

最后,计算综合大气污染物协同减排量(ICER)的方式有2种,二者仅计算顺序不同,计算结果一致:

(1)将 i措施实施前后(或 i主体实施减排前后)的综合大气污染物排放量(QIAP)值相减得到,公式如下:

式中:ICERi为i措施或i主体产生的综合大气污染物协同减排量;Qi,IAP,0为i措施实施前或i主体实施减排前的综合大气污染物排放量(减排基线); Qi,IAP,1为i措施实施后或i主体实施减排后的综合大气污染物排放量;三者均以综合大气污染物当量(IAPeq)计量.

(2)将局地大气污染物减排量(ERLAP)与温室气体减排量(ERGHG)折算为ICER(以IAPeq计),公式如下:

所有N项减排措施(或N个减排主体)的综合大气污染物协同减排量为:

ICER指标可用于展示某项或多项措施、政策,某个或多个减排主体(企业、行业、行政单元等)的协同减排效果.须注意的是,在将各项措施的减排量(潜力)进行加总时,应考虑各项措施的相互关系,避免减排量(潜力)的重复或遗漏计算.

1.2 协同控制效应评估方法

1.2.1 协同控制效应坐标系 协同控制效应坐标系是在二维或多维欧氏空间坐标系中,以不同的坐标表达某减排措施(或某减排主体)对于不同局地大气污染物或温室气体的减排效果.如图 1所示,坐标系中的每个点分别对应某项减排措施(或某减排主体),各点的横、纵坐标则直观地表达了该措施(或减排主体)对局地大气污染物和温室气体的减排效果及其“协同”状况(表2).

图1 减排措施(或减排主体)协同控制效应坐标系示意Fig.1 Co-control effects coordinate system of emission reduction measures (or entity)

表2 减排措施(减排主体)代表点位分布的含义Table 2 The meaning of points in the coordinate system

以第一象限为例,某点到原点连线与横坐标的夹角越大,表明该点所代表的措施或主体在减排等量温室气体的同时,对局地大气污染物的减排效果越好(如图1中点E优于点A);该连线与横坐标夹角相同时,距原点越远则表明该措施或主体对局地大气污染物和温室气体的减排强度越大(如图1中点N优于点M).

1.2.2 协同控制交叉弹性 “协同控制交叉弹性”记为Elsj/k,j、k分别代表不同的局地大气污染物或温室气体.这一指标也能够反映某项措施(或主体)对于不同污染物是否具有协同控制效应及其“协同程度”.其计算公式如下:

式中:Elsj/k为第j种局地大气污染物与第k种温室气体协同控制交叉弹性;ERj/Qj为第j种局地大气污染物减排率,即第j种局地大气污染物减排量与排放量之比;ERk/Qk为第 k种温室气体减排率,即第 k种温室气体减排量与排放量之比.

式中:ElsLAP/GHG为局地大气污染物与温室气体协同控制交叉弹性;ERLAP/QLAP为局地大气污染物减排率,即局地大气污染物减排量与排放量之比;ERGHG/ QGHG为温室气体减排率,即温室气体减排量与排放量之比.

协同控制交叉弹性值的含义如表3所示.

表3 协同控制交叉弹性值的含义Table 3 The meaning of the co-control cross elasticity

1.2.3 单位污染物减排成本 综合考虑措施的财务成本和环境效益,使用“单位污染物减排成本”(UCER)指标对减排措施或主体进行成本有效性评价,计算公式如下:

式中:UCERi,j为i措施或主体的单位j局地大气污染物减排成本;UCERi,k为i措施或主体的单位k温室气体减排成本;UCERi,LAP为 i措施或主体的单位局地大气污染物量减排成本;UCERi,GHG为i措施或主体的单位温室气体量减排成本; UCERi,IAP为i措施或主体的单位综合大气污染物减排成本;Ci为i措施或主体的年化成本(包括资本成本和运行维护成本,并减去收益);ACCi为 i措施或主体的年化资本成本;CCi为 i措施或主体的资本成本(假设初期即发生);OMi为i措施或主体的年化运行维护成本;Bi为i措施或主体的年化收益;N为固定资产折旧年限;r为社会折现率.

ACCi的计算除可按公式(21)计算外[23],也可参考资产折旧中的年限平均法进行折算[37].

单位污染物减排成本反映了减排单位量的局地大气污染物或温室气体所必须付出的经济代价.单位污染物减排成本较低的措施在制定协同控制方案和规划时应优先选用.

1.3 协同控制程度判断

以综合大气污染物减排量、协同控制效应坐标系、协同控制交叉弹性等评估指标和方法,可比较、评估各减排措施或主体的协同控制程度和绩效.判断依据见表4.

表4 减排措施或主体的协同控制绩效评估Table 4 Co-control performance evaluation of measures/entities

1.4 边际减排成本曲线(MAC)与协同控制规划

基于措施的减排量/减排潜力和单位污染物减排成本的排序结果,可以绘制污染物边际减排成本曲线(MAC),如图2所示.

图2 不同减排措施的边际减排成本曲线示意Fig.2 Skeleton map of marginal abatement cost curve of various abatement measures

依据MAC曲线,可以很方便地考虑如何在实现一定的减排量目标的同时取得成本最小化,或在一定的成本约束下实现减排量最大化.这与追求目标函数最优的线性规划方法完全一致,即:

式中:TC为总减排成本;Ai为i措施的活动水平(决策变量);Ci为 i措施的单位污染物减排成本(UCER);(Ai)max为措施 i的最大活动水平;N为措施个数;Ri,j为 i措施对第 j种局地大气污染物的减排系数;TRj为第j种局地大气污染物的总量减排目标;Jmax目标局地大气污染物个数;Ri,k为i措施对第k种温室气体的减排系数;TRk为第k种温室气体的总量减排目标;Kmax为目标温室气体个数.

2 案例应用

上述协同控制效应评估方法已经在多个领域的研究中得到整体或部分应用,包括针对城市蓝天保卫战措施的协同控制效应评价[28,38],针对钢铁[25,30-31,39-41]、交通[26-27,42-46]、电力[29,32]等重点行业减排措施的协同控制效应分析,针对城市开展协同控制评价与规划研究[47-49],等等.

以亚洲开发银行技术援助项目《中国交通行业大气污染与碳排放协同控制战略性政策研究(51027)》[50-51]为例,该项目基于协同控制交叉弹性、综合大气污染物协同减排量等概念以及减排成本评估,针对中国交通运输部门开展电动汽车和燃料电池汽车,SCR和DPF减排技术,京津冀区域的“公转铁”结构调整,环境经济政策等案例研究.研究认为,绿色协同愿景下,2025和2030年交通行业大气污染物协同减排量将分别占到基准情景总排放量的8.61%和 11.83%.该研究向交通运输主管部门提出建议:制定基于综合大气污染物协同减排量的交通运输污染物和温室气体排放协同控制战略,并纳入“十四五绿色协同交通发展规划”.该项目还产出了《交通行业协同控制导则》(草案),为相关领域从业人员开展协同控制工作提供指导.

《钢铁、水泥行业深度脱碳的协同控制效果评估与路径设计(G-1809-28536)》项目[52],则采用协同控制效应坐标系分析、协同效应系数、污染物减排量交叉弹性分析、协同控制减排当量、单位污染物减排成本等评估指标和方法,针对中国钢铁、水泥行业,按消费减量、结构调整、原(燃)料回收与替代、节能与能效提升、末端脱碳等类别的深度脱碳措施/技术,开展协同控制效果量化评估;通过绘制边际减排成本曲线,设计中国钢铁、水泥行业协同控制路径.研究发现,结构调整措施的协同控制效果显著,减排潜力较大;钢铁行业的高温高压干熄焦技术协同控制效果评估综合排序最为靠前,烧结余热发电技术、燃气轮机值班燃料替代、大型焦炉用新型高导热高致密硅砖节能技术等次之;水泥行业方面,水泥企业可视化能源管理系统、低温余热发电技术协同控制效果评估综合排序最为靠前,辊压机半终粉磨系统、辊压机终粉磨系统、外循环生料立磨技术等次之.

这2项工作的成果,可以为中国交通、钢铁、水泥行业/企业实施协同控制策略提供参考,为制定相关政策提供依据.

3 讨论

本研究开发这一方法体系的目的,在于提供适应多个场景运用的具有科学性、简明性和可操作性的协同控制评估与规划工具.

在实际应用过程中应注意,将多种类型污染物减排量归并为综合计量单位,虽然便于对各项减排措施和减排主体进行综合减排绩效的比较排序,但在对不同污染物进行归并的过程中会丢失部分单项污染物特征信息,因此,基于综合指标的减排效果评估应结合单项污染物减排信息.另外, 在指标归时,对温室气体与局地大气污染物以及不同污染物之间的折算系数的选择和决定,原则上应基于污染物的化学、物理、生物特性及其对人群健康、生态系统功能等影响的大小,也可以基于其他环境外部性影响的价格化评估值,甚至是公众和决策者对控制不同类型污染物的紧迫性的认识和判断.本文结合当前形势和科学认知给出了系数推荐,未来可根据形势发展和科学认知的进步逐步完善系数的确定方法和依据,增强其决策指导意义.

4 结论

4.1 构建了协同控制效应评估与规划方法体系,该方法体系基于综合大气污染排放量和减排量,核算某减排措施(或减排主体)对局地和全球两类污染物的综合减排效果,通过协同控制效应坐标系、协同控制交叉弹性指标分析某减排措施(或减排主体)对两类污染物减排的协同性,以单位污染物减排成本评估减排的经济性,并以边际减排成本曲线及线性规划方法等开展行业或区域协同控制规划.

4.2 应用此方法体系开展典型行业减排措施的协同控制评估,城市协同控制规划,以及城市协同控制绩效比较评估等结果表明,该方法体系可为政策制定者、行业和企业管理者开展协同控制评估和规划工作提供方法论支持.未来可以此方法体系为基础,结合相关领域研究成果,编制温室气体与局地大气污染物协同控制评估与规划方法指南或导则.同时,未来的协同控制工作应不局限于大气环境领域,而应推广至水环境、固废、生态系统等更多要素或领域,在更广大和丰富的层面上开展协同控制研究和实践.