《武汉工程大学学报》 2013年03期
1-7
出版日期：2013-03-31
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
武汉市客运交通生态足迹的计算与分析
0引言交通运输为人类生活带来便利，促进经济发展，但同时也造成了能源耗用、空气污染、温室效应及交通拥挤等一系列问题.定量分析城市客运交通对生态环境的影响，节约能源，减少污染，减轻对环境的压力，优化城市客运交通结构，建立绿色交通，对交通运输的可持续发展具有重要意义.交通生态足迹分析则是当前定量衡量交通对环境影响的新颖、先进和科学的方法.交通生态足迹是为了满足城市交通持续发展和人类出行需求所消耗的自然资源、能源以及吸纳该系统排放废弃物所需要生物生产性土地与水域面积.近年来，国内外研究人员将生态足迹模型运用于交通可持续发展研究，通过比较不同交通工具的生态足迹，分析讨论各种交通方式对所在地区的不同影响，揭示城市交通可持续发展的矛盾所在\[1-6\].孙鹏（2007）等通过对沈阳交通生态足迹的分析，提出了提升公共交通比例，优化交通车辆结构以推动城市机动车辆生态效率的整体提高\[5\].谭志海（2011）等探讨了西安不同类型的交通工具在城市客运交通压力所占比例组成，揭示了交通生态足迹的供需关系状况\[6\].已有交通生态足迹理论不足之处在于未考虑城市机动车辆排放酸性物质硫氧化物对生态环境的影响、道路建设与维修时的能源消耗及交通工具使用过程中产生污水对水资源的影响.本研究拟克服上述不足，采用改进模型，以武汉市为例，系统介绍城市客运交通生态足迹的计算方法，计算出武汉市的交通生态足迹，并计算交通生态效率和生态强度，以此来反应武汉市客运交通的生态利用效率及面对的环境压力，为城市客运交通结构的优化和可持续发展提供科学依据.1交通生态足迹计算方法交通生态足迹是满足城市交通可持续发展和人类出行需求所消耗的自然资源、能源及吸纳交通系统排放废弃物所需要生物生产性土地与水域面积，主要可划分为三类：建设性用地、化石能源用地与水足迹，分析步骤如下.a.建设性用地：计算出交通运输工具在行驶过程中占用的道路面积及停车站场面积，两部分相加得到交通工具的建设土地面积；b.化石能源用地：包括化石燃料生产土地面积、用于吸收化石能源燃烧后排放的温室气体及吸收酸性污染物硫氧化物（以SO2计）的林地面积.为了统一，将化石能源的消费转化为吸收其燃烧后排放出的温室气体所需的森林面积.由于森林对温室气体的吸收能力是以热量为表征，因此需将化石能源消费量按其燃烧效率转化为热量，转化标准采用世界上单位化石燃料生产土地面积的平均发热量；c.水足迹：主要指各类型交通工具在使用阶段产生的污水量.使用过程中，不考虑漏油等少数情况对水的污染，污水主要为保养（洗车）而产生的洗车废水，为反映城市客运交通对城市水资源的消耗，将水足迹考虑到交通生态足迹分析模型中.将以上3步所得各类生物生产性土地汇总得到各类交通运输工具的生物生产性用地.第3期李杰，等：武汉市客运交通生态足迹的计算与分析武汉工程大学学报第35卷2武汉市客运交通生态足迹的计算通过查阅《2010年武汉统计年鉴》\[7\]、从武汉市交管局、武汉市交通科学研究所、武汉市环境保护局等部门进行调研获取各类交通运输工具保有量、行驶里程、耗油量、用电量等数据；对各类交通运输工具在使用阶段的用水情况进行问卷调查.通过国内外关于生态足迹理论及其在交通领域的应用的重要文献获取相关数据.截止2009年底，武汉市道路长度2 542 km，道路总面积68.02 km2，其中人行道面积20 km2，故车行道面积为48.02 km2.营运公共汽车7 241辆，其中公共汽车6 997辆，无轨电车244辆，客运量165 610万人次；营运出租汽车12 137辆，客运量48 641万人次；轻轨营运车数48辆，客运量1 317万人次；私人轿车243 628辆；摩托车232 670辆.据调研，电动自行车约70万辆，自行车约20万辆.武汉市作为特大型城市，近年来随着经济快速发展，机动车数量以平均每年15.19％的速率递增，机动车保有量每6～7年翻一番，城市交通供求矛盾日益凸显.2.1建设性用地首先，计算出交通运输工具在行驶过程中占用（动态占用）的道路面积及停车站场面积，将这两部分相加得到各种交通运输工具的建设性用地面积.各类交通运输工具的建成地面积根据（1）式计算：EFbuilt=EFroad+EFpark（1）式（1）中，EFbuilt,EFroad,EFpark分别为建成地生态足迹、道路的生态足迹和停车站场的生态足迹，单位为ghm2（全球性公顷）.计算交通运输工具动态占用道路面积时，按（2）式计算：EFroad=2.39×Aroad×Mi×Wi×Ni∑6i=1MiWiNi×100%（2）式（2）中Aroad表示城市道路面积（km2），武汉市2009年道路总面积（扣除人行道面积）为48.02 km2；Mi为计算年内某种交通工具每天行驶里程（km）；Wi为某种交通工具占用道路宽度（m）；Ni为计算年内某种交通工具的数量.计算结果如表1~2所示.表12009年各类客运交通工具的动态占用Table 1The traveling footprint of passenger traffic modes in 2009类型公共汽车出租车私人小汽车摩托车电动车自行车动态占用足迹/ghm217.2270.018 671.86268.562 433.0816.07比例/%0.150.6175.562.3421.20.14表22009年轻轨动态占用足迹Table 2Ligh rail traveling footprint in 2009类型列数用地总面/km2动态占用足迹/ghm2轻轨120.087 29520.86计算各种交通运输工具停车站场的建成地生态足迹时，公共汽车、轻轨的停车站场面积根据调研数据或者规划用地面积计算，如（3）式；对私人小汽车、电动车、摩托车、自行车的停车位面积进行估算，如（4）式.EFpark=2.39×Apark（3）EFpark=2.39×Ni×Li×Bi106（4）式（3）中，系数2.39为建设用地的均衡因子；Apark表示停车站场的面积（km2），为调查或规划数据；Ni为某种交通工具的数量；Li为某种交通工具的长度（m）；Bi为某种交通工具的宽度（m）. 计算结果如表3所示.表3武汉市客运交通停车站场的生态足迹Table 3Passenger traffic parking lots footprint in Wuhan类型公共汽车轻轨出租车私人小汽车摩托车电动车自行车停车场足迹/ghm2196.847.007.62731.40111.22267.6871.70比例/%14.130.500.5552.497.9819.215.14将各种交通运输工具的动态占用及停车场用地相加得到武汉市2009年客运交通建设性用地生态足迹，如表4所示.表4武汉市客运交通建设性用地Table 4Builtup area of passenger traffic in Wuhan类型公共汽车轻轨出租车私人小汽车摩托车电动车自行车动态占用足迹/ghm217.2220.8670.018 671.86268.562 433.0816.07停车场足迹/ghm2196.847.007.62731.40111.22267.6871.70合计/ghm2214.0627.8677.639 403.26379.782 700.7687.77比例/%1.70.20.672.92.921.00.72.2化石能源用地化石能源用地包括化石燃料生产土地面积及用于吸收化石能源燃烧后排放的温室气体的林地面积，按（5）~（8）式计算.EFfossil=EFfuel+EFassimilation+EFacidity（5）式（5）中EFfossil、EFfuel、EFassimilation、EFacidity分别为化石能源用地生态足迹，燃料生产用地，吸收化石能源燃烧后排放的温室气体的林地面积和酸性物质的林地面积（ghm2）.EFfuel=1.25×(1+45%)×∑9j=1(Cj×fjwj)（6）式（6）中，Cj表示某种交通运输工具在计算年内第j种燃料消耗量(t)；fj表示第j种能源的热量(GJ·t-1)；Wj表示第j种燃料的世界平均生态足迹（GJ/hm2）；系数1.25为化石能源用地的均衡因子；45%为考虑城市道路建设、维护、经营的平均每年能源消耗的增加量\[4,9\].单位化石燃料全球平均吸收能力系数\[10\]（GJ/hm2）：煤炭,焦炭-55；燃油-71；原油,汽油,煤油,柴油和天然气-93，电力-1 000.热量折算系数\[11\](GJ·t-1)：煤炭-20.93；焦炭-28.47；燃油-50.20；原油-41.87；汽油,煤油-43.12；柴油-42.71；天然气-0.034 GJ·m-3；电力-0.003 6 GJ·kWh-1.EFassimilation=1.25×(ACO25.2)=1.25×∑5i=1kiAi5.2（7）式（7）中1.25为化石能源用地的均衡因子；ACO2为当量二氧化碳的量（t）; ki为某种温室气体的当量系数；Ai为某种温室气体的量（t）；温室气体当量系数\[12\]：CO-2；CH4-25；CO2-1；N2O-290; NOx-5.对生态系统产生危害的硫氧化合物(以当量的SO2表示)，需要留出一部分生产性土地面积对其进行储备\[8\]，按（8）式计算：EFacidity=1.25×δ×ASO2λ×10-4（8）式（8）中，1.25为化石能源用地的均衡因子；ASO2表示计算年内SO2的排放量（t）；δ为折算系数.计算结果如表5所示.将以上三部分计算结果相加，得到化石能源用地，如表6所示.表5吸收酸性物质用地Table 5Acidity assimilation footprint类型公共汽车轻轨出租车私人小汽车摩托车电动车自行车吸收SO2的足迹/ghm21 212 551.337 142.81989 630.43 457 803.068142 004.728267 316.880比例/%19.860.616.256.632.334.380表6化石能源用地Table 6Fossil energy land类型公共汽车轻轨出租车私人小汽车摩托车电动车自行车能源用地/ghm2127 277.0341.70107 311.2374 949.1515 398.38300.080温室气体用地/ghm2569 321.332 866.44508 538.181 722 153.83518 393.1755 454.100吸收SO2的足迹/ghm21 212 551.337 142.81989 630.43 457 803.068142 004.728267 316.880合计/ghm21 909 149.6370 050.951 605 479.785 554 906.048675 796.278323 071.060比例/%18.830.6915.8454.796.673.1802.3水足迹水足迹主要是指吸收各类交通工具在使用阶段产生的污水量的水域面积.由于交通工具在使用过程中，产生的污水主要是洗车废水，不考虑使用过程中漏油等情况对水的污染，为了反映城市客运交通对城市水资源的消耗，将水足迹考虑到交通生态足迹分析模型中.水足迹的计算公式为：EFwater=f×Awater（9）式（9）中，EFwater为水足迹（ghm2）；Awater为某种交通工具在使用阶段每年产生的污水量(L)；f为工业用水的水足迹换算系数\[13\].武汉市客运交通水足迹计算结果见表7.表7武汉市客运交通水足迹Table 7Grey water footprint of passenger traffic in Wuhan类型公共汽车轻轨出租车私人小汽车摩托车电动车自行车用水量/t47 431.4482 45020 390.16514 1222 326.72 800400水足迹/ghm235 797.3162 226.4215 388.8388 016.601 7562 113.21301.89比例/%7.0812.313.0476.740.350.420.06在各种交通工具使用阶段，私人小汽车、轻轨、公共汽车、出租车耗水量较大，相应的水足迹也较大.这主要是由于在车辆保养时，采取不合理的清洗方式.因此，发展高效节水洗车技术，如无水洗车、泡沫洗车等，以减少水的消耗及污水量的产生，是保护水资源的有效方式.3武汉市客运交通生态足迹的分析与讨论根据上述计算，将结果汇总得到武汉市客运交通生态足迹，如图1和表8所示.图1武汉市各类客运交通工具生态足迹比例Fig.1Scale of different passenger traffics ecological footprint in Wuhan表8武汉市客运交通生态足迹Table 8Passenger traffic ecological footprint in Wuhan类型公共汽车轻轨出租车私人小汽车摩托车电动车自行车合计/ghm2比例/%建设性用地/ghm2214.0627.8677.639 403.26379.782 700.7687.7712 891.120.12化石能源用地/ghm21 909 149.6370 050.951 605 479.785 554 906.048675 796.278323 071.06010 138 453.7595.13水足迹/ghm235 797.3162 226.4215 388.8388 016.601 7562 113.21301.89505 600.234.75合计/ghm21 945 161132 305.231 620 946.215 952 325.908677 932.058327 885.03389.6610 656 945.1—比例/%18.261.2415.2155.856.363.080.00—100由图1和表8可知：a.从交通生态占用土地类型上可知，化石能源用地所占份额最大，为10 138 453.75 ghm2，占客运交通生态足迹总量的95.13%，水足迹次之，为505 600.23 ghm2，占总量的4.75%，而建设性用地只占很少一部分，为12 891.12 ghm2，仅为总量的0.12%；b.从生态足迹构成分析可知，私人小汽车占用为5 952 325.908 ghm2，占总量的55.85%，远高于其他交通方式的生态足迹，公共汽车、出租车和摩托车的生态足迹分别占总量的18.26%、15.21%、6.36%，电动车仅3.08%，自行车与其他出行方式相比很小，可以忽略不计.为更好地反映武汉市客运交通生态利用效率情况，通过计算交通生态效率和生态强度来反应武汉市客运交通的生态利用效率和面对的环境压力. EE=NPEF×100%（9）EP=EFNP×100%（10）式（9）（10）中EF为生态足迹，采用表8计算结果，EE为生态效率，表示一定区域内能容纳的人数或每个人生活需占用的面积，NP表示一定区域内的人口数量，EP表示在一定区域内支撑一定人数生活所需土地面积.武汉市客运交通生态效率与生态强度计算结果如表9所示.表9武汉市客运交通生态效率与生态强度Table 9The ecological efficiency and intensity of passenger traffics ecological footprint in Wuhan类型客运量/（108capita）生态足迹EF/（104ghm2）生态效率EE/(104capita/ghm2)生态强度EP/(ghm2/104capita)公共汽车16.56194．510.08511.75轻轨0.1313.230.01101.77出租车4.86162.090.0333.35私人小汽车2.23595.240.004266.92摩托车1.767.790.02539.88电动自行车5.1132.790.1566.42自行车0.290.047.250.14由表9可知，自行车生态效率最高，电动自行车和公共汽车次之，私人小汽车的利用效率最低，前三者分别为后者的1 812.5、 39和21倍.私人小汽车生态效率最低，其建设性用地、化石能源用地及水足迹方面的占用均为最大，因此，在城市中合理控制私人小汽车发展对城市交通持续发展具有显著的意义.在城市客运交通体系中发挥重要作用的公共汽车和出租车，两者的生态效率较大，对城市环境压力相对较小.但在消耗能源，污染物排放方面仍然占有重要的比重.所以，发展清洁能源，采用能源利用率较高的公共交通工具是城市客运交通持续发展的重要途径.作为短距离出行工具，自行车和电动车生态效率最高.因此，应适当提高这两种绿色运输工具在客运交通的比例，为之提供完善的出行环境和停放设施.4结语a.将生态足迹分析理论应用于交通领域，考虑了交通工具排放的氮氧化物和硫氧化合物对生态环境的影响、道路建设与维修时的能源消耗、各种交通工具在使用过程中产生的污水对水资源的影响，建立完善的交通生态足迹模型.b.计算出武汉市各类交通工具生态足迹的大小，从交通生态占用的土地类型和交通生态足迹构成两个角度分析了武汉市交通领域生态足迹情况.化石能源用地所占份额最大，为10 138 453.75 ghm2，占客运交通生态足迹总量的95.13%，水足迹次之，为505 600.23 ghm2，占总量的4.75%，而建设性用地只占很少一部分，为12 891.12 ghm2，仅为总量的0.12%；从生态足迹构成分析可知，私人小汽车占用为5 952 325.908 ghm2，占总量的55.85%，远高于其他交通方式的生态足迹，公共汽车、出租车和摩托车的生态足迹分别占总量的18.26%、15.21%、6.36%，电动车仅3.08%，自行车与其他出行方式相比很小，可以忽略不计.c.通过分析武汉市客运交通生态效率可知，自行车生态效率最高，电动自行车和公共汽车次之，私人小汽车的利用效率最低，前三者分别为后者的1 812.5、 39和21倍.d.在武汉市各类客运交通工具中，私人小汽车生态足迹最大，生态效率最低，对其保有量需进行合理控制；公共汽车和出租车生态效率较大，对城市环境压力相对较小，但需发展清洁能源及提高能源利用效率；自行车和电动车生态效率高，为短距离出行绿色运输工具，应为之提供完善的出行环境和停放设施.致谢本研究得到教育部、武汉市科技局的资助，在此一并表示感谢！