基于双碳目标的都市圈轨道交通规划技术体系优化研究

Optimization of Urban Rail Transit Planning Technology System in Metropolitan Areas Based on Carbon Peaking and Carbon Neutrality Goals

摘要

为研究都市圈轨道交通规划对碳排放的影响，将轨道交通全生命周期碳排放划分为建设和运营2个阶段的碳排放。基于都市圈轨道交通碳排放特点，系统梳理都市圈轨道交通规划、建设、运营管理全过程的碳排放构成，分析都市圈轨道交通规划对全生命周期碳排放的影响；在传统规划技术路线基础上，基于双碳目标对都市圈轨道交通规划技术体系进行优化，在规划目标及指标中增加能耗及碳排放指标，在规划技术路线中增加碳排放预测、绿色装备、智慧能源、绿色机制等相关内容；建立了涵盖都市圈轨道建设阶段、运营阶段的全生命周期碳排放模型；并以西安都市圈富平—机场市域(郊)铁路作为案例，从建设投资、客流效益、建设阶段碳排放、运营阶段碳排放等方面对轨道工程方案进行了比选。

Abstract

In order to study the impact of rail transit planning in metropolitan areas on carbon emissions, the carbon emissions of rail transit throughout its life cycle were divided into two stages: construction and operation. Based on the carbon emission characteristics of rail transit in metropolitan areas, this paper systematically combed the carbon emission composition of the whole process of rail transit planning, construction, and operation management in metropolitan areas and analyzed the impact of rail transit planning in metropolitan areas on carbon emission in the full life cycle. According to the traditional planning technology route, the rail transit planning technology system in metropolitan areas was optimized based on the carbon peaking and carbon neutrality goals, and energy consumption and carbon emission indicators were added to the planning goals and indicators. In addition, carbon emission prediction, green equipment, smart energy, green mechanisms, and other relevant contents were included in the planning technology route. A full life cycle carbon emission model covering the rail construction stage and operation stage in the metropolitan areas was established. By taking the Airport Urban (Suburban) Railway in the Fuping metropolitan area of Xi'an as an example, the rail project schemes were compared and selected from the aspects of passenger flow benefits, carbon emissions in the construction and operation phase, etc.

Graphical abstract

关键词

城市交通 / 都市圈 / 轨道交通规划 / 碳排放预测模型 / 规划技术体系

Key words

Urban Transportation / Metropolitan Area / Rail Transit Planning / Carbon Emission Prediction Model / Planning Technology System

轨道交通对现代化都市圈培育具有重要支撑作用。国家政策明确要求，打造轨道上的都市圈，在有条件地区编制都市圈轨道交通规划。当前，我国都市圈轨道交通面临层级不完善、衔接不便捷、服务水平不高等诸多问题，正处于规划建设的关键时期。结合“碳达峰、碳中和”目标要求，加强都市圈轨道交通规划方法及关键技术研究，提高都市圈轨道交通有效供给，具有重要理论和现实意义。

1　现状分析

1.1　双碳目标与都市圈轨道交通的关系

实现“碳达峰、碳中和”是全球各个国家正在推进的重大变革。截至2021年底，全球已有136个国家、116个地区、234个城市以及683家企业提出碳中和目标^[1]。自2020年9月我国向世界庄严承诺双碳目标以来，实现我国双碳目标已成为各行各业推进的重大变革。国家层面先后印发关于双碳的系列政策文件，明确要求加快推进低碳交通运输体系建设，积极引导低碳出行，加快城市轨道交通等大容量公共交通基础设施建设^[2-3]。

目前，我国交通运输领域碳排放约占全国碳排放总量的10%^[4]，是工业、建筑之后的第三大主要碳排放源，而都市圈和城市交通占交通运输领域碳排放的80%以上^[5]。从既有研究来看，对于交通运输行业实现双碳目标，主要强调优化能源和交通方式结构、促进交通与城市协调发展、发展智能交通提升交通运行效率等方面^[4-7]。相比于小汽车、公交汽车等道路交通方式，轨道交通主要依靠电力能源，具有大运量、低排放、高能效等诸多优点，本身就是一种绿色交通方式^[4]。同时，轨道交通与城市交通中主要碳排放源——小汽车，也是此消彼长、相互竞争的关系，轨道交通的运行服务水平、对乘客的吸引力将直接影响小汽车交通出行的方式占比，轨道交通对城市交通双碳目标实现具有重要作用。2019年上海城市客运交通领域能源结构及碳排放结构如图1所示，其中上海城市客运交通CO₂排放总量约1 290万t，其中小汽车交通虽只承担25%的出行量，但碳排放量却占到77%；而轨道交通承担约16%的出行量，碳排放量仅占9%^[6]。

1.2　都市圈轨道交通碳排放特点

都市圈是推进实施新型城镇化战略的重要抓手，轨道交通是都市圈可持续发展的重要支撑。随着城镇化进程推进，都市圈轨道交通还将快速增长。当前，全球城市轨道与主要服务于都市圈的轨道交通运营里程之比约1∶3，而我国仅为1∶0.25^[8]。随着都市圈轨道交通建设运营里程增长，其产生的能耗以及碳排放量都会呈继续增长态势。

轨道交通能源消耗以电力为主，而用电也会带来间接碳排放。当前，我国综合用电的碳排放约0.58 kgCO₂/(kW·h)，其中煤电的碳排放约0.8 kgCO₂/(kW·h)^[9]。以北京为例，2020年初北京运营轨道交通线网规模727 km，年总耗电21.9亿kW·h^[4]，按照综合用电的碳排放测算，北京轨道交通运营全年CO₂排放量达127.02万t。因此，要降低轨道交通的碳排放，在优化调整能源结构的前提下，对轨道交通规划建设而言，首先是降低轨道交通的能源消耗。从轨道交通全生命周期来看，无论建设阶段，还是运营管理阶段，节能降耗都有较大优化空间，比如建设阶段对施工工法的优化、施工机械设备的电动化，运营阶段对牵引能耗、空调通风等能耗的优化等^[4，10]。

2　都市圈轨道交通全生命周期碳排放分析

2.1　全生命周期碳排放构成

都市圈轨道交通全生命周期包括规划、建设、运营管理、维护等环节，全生命周期的碳排放主要涉及轨道交通区间、车站、车辆基地及控制中心等，从建筑材料生产与运输、建造施工、建成后的保养维护以及轨道运营、回收利用等全生命周期的碳排放，都市圈轨道交通全生命周期碳排放构成如图2所示。从民用建筑领域的全生命周期碳排放量来看(按照全生命周期70年计)，建筑材料生产约占15%、运输与建造约占3%、运行过程约占70%、维护维修约占7%、拆除处理约占5%^[9]。与民用建筑领域碳排放类似，都市圈轨道交通全生命周期碳排放也主要集中在建设、运营2大环节。以城市地铁为例，2020年我国地铁建设及运营产生的碳排放量约2 800万t，其中建设阶段与运营阶段碳排放占比分别约65.7%，34.3%^[11]。随着城镇化进程推进，我国轨道交通还处于规划建设关键时期，未来轨道交通运营里程将继续增长，建设阶段碳排放比例会逐步下降，运营阶段碳排放占比将快速提升，预计到2025年运营阶段碳排放占比将超过50%，全国城市地铁碳排放量统计及预测如图3所示。

2.2　建设阶段碳排放

轨道交通建设阶段碳排放主要包括建筑材料生产与运输、建设施工过程中的施工机械设备产生的碳排放、施工工法对自然植被影响的碳排放等。其中，建筑材料生产、运输、施工(包括施工燃油机械设备、施工工法等)3个环节碳排放比例分别约75%~81%，2%，17%~23%^[11]。对于轨道交通行业而言，研究重点主要在于施工环节的节能降碳。

2.3　运营阶段碳排放

轨道交通运营是全生命周期中时间相对最长的阶段，也往往是碳排放的绝大部分所在。运营阶段碳排放主要包括车辆运行碳排放、车站运行碳排放、车辆基地运行碳排放、控制中心运行碳排放等。车辆运行碳排放包括车辆牵引、制动、车辆空调、空气压缩机、照明产生能耗等带来的碳排放。车站运行碳排放包括车站照明、空调通风、车站自动扶梯产生能耗的碳排放。车辆基地运行碳排放主要包括停车场、车辆段运行能耗等带来的碳排放。控制中心运行碳排放主要包括轨道运营调度、智慧化管理能耗等带来的碳排放。其中，运营阶段碳排放主要集中在轨道车辆运行过程、轨道车站日常运营2大部分，总体上约各占50%。

3　都市圈轨道交通规划对全生命周期碳排放的影响分析

3.1　都市圈轨道交通规划与碳排放的关系

按照我国现行管理规定，都市圈轨道交通的规划管理比照城市轨道交通的相关管理规定执行^[12]。都市圈轨道交通规划主要包括线网规划、建设规划2个环节，完成规划之后是工程可行性研究、工程设计、轨道建设、运营管理等，都市圈轨道交通规划与碳排放关系如图4所示。作为轨道交通建设、运营的前置环节，规划阶段虽不直接产生能耗及碳排放，但规划直接决定建设规模、建设及运营方案，对轨道交通全生命周期碳排放带来直接、深远影响。

3.2　线网规划对碳排放影响分析

线网规划是指导轨道交通长远发展的总体性方案，线网规划阶段主要是确定轨道交通功能定位、层次，网络总体规模、布局，以及重大交通枢纽衔接、车辆基地等方案。由图4可以看出，线网规划阶段对全周期碳排放影响主要体现在2个方面，其一，线网规划决定都市圈轨道的功能定位、层次、网络规模及布局等，会直接影响规划期轨道交通建设及运营总规模，从而影响轨道交通建设阶段、运营阶段的碳减排总量，同时线网布局也会影响轨道敷设方式(高架、地面、地下)，对建设及运营阶段具体轨道项目的碳排放产生间接影响；其二，线网规划确定的都市圈轨道功能定位、在综合交通方式中的出行占比，会直接影响轨道交通与小汽车交通的竞争关系，从而带来轨道运营的相对碳减排量。

3.3　建设规划对碳排放影响分析

建设规划是指导近期建设项目安排的具体实施性方案，直接决定近期建设规模、建设项目选择、建设工程技术方案。由图4可知，相比线网规划，建设规划直接决定了都市圈轨道交通全生命周期碳排放的总量及结构。例如，建设规划确定的近期建设项目规模、建设项目布局，直接决定都市圈轨道近期建设阶段碳排放总量及建成运营后的碳排放量；近期建设工程方案对车辆选型、系统制式等的确定，直接决定运营阶段都市圈轨道交通的各种能耗及碳排放水平；同时，与线网规划阶段一样，近期运营的轨道交通客运量会带来小汽车出行量的减少，从而产生轨道运营的相对碳减排量。

4　基于双碳目标的都市圈轨道交通规划技术体系优化

4.1　规划目标指标

基于双碳目标的要求，都市圈轨道交通规划应围绕规划、建设、运营和维护全过程，降低全生命周期能耗和碳排放。据统计，通过优化相关技术，轨道交通在建设阶段约可以节能减碳10%~15%、运营阶段约可以节能减碳40%~50%^[11]。因此，都市圈轨道交通规划目标在以往规模、结构、覆盖、时效4类指标基础上^[13]，应增加双碳目标及具体指标。双碳具体指标可以考虑运营能耗(kW·h/车公里、kW·h/人公里)及全周期碳排放(t CO₂)2个具体指标，分别从运营期的能耗控制及建设、运营阶段的碳排放总量进行约束，以推进都市圈轨道交通的双碳目标实现，都市圈轨道交通规划目标及指标体系如表1所示。

4.2　规划技术路线

在传统都市圈轨道交通规划技术体系基础上，贯彻绿色低碳理念要求，都市圈轨道交通规划目标及规划全流程要考虑轨道能耗及碳排放要求，重点从都市圈轨道建设及运营阶段绿色、低碳的视角，对都市圈轨道的基础研究、客流预测、方案布局、效果评价等不同环节进行优化调整，都市圈轨道交通规划技术路线优化如图5所示。对于需求分析，在传统客流预测、服务水平分析基础上，要增加各目标年轨道网络、工程项目的能耗及碳排放分析。对于四网融合，除了关注传统的轨道客运量、客流强度外，还需要考虑轨道运营带来的小汽车出行量减少、从而带来相对的碳减排；同时，网络及线路布局方案的比选也需要考虑节能、减碳的效果对比。对于枢纽衔接，重点要补充枢纽场站从建设到运营阶段的能耗及碳排放量。对于运营一体，由于都市圈轨道主要碳排放量来自运营阶段，因此需要重点关注，补充绿色装备、智慧能源、绿色机制等内容。

5　都市圈轨道全生命周期碳排放预测模型

基于都市圈轨道交通全生命周期碳排放分析，都市圈轨道的碳排放主要集中在建设阶段、运营阶段，以及与小汽车竞争中产生的相对碳减排，其中碳排放量主要集中在运营阶段，各阶段碳排放如公式⑴至⑷。在都市圈轨道建设阶段，根据各目标年的客运量，各工程项目的技术标准、敷设方式、施工工艺，可测算出轨道全生命周期的碳排放。

都市圈轨道建设阶段碳排放计算如下。

Cc={\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^a}{N}_i\times \left(E_{i\mathrm{1}}+E_{i\mathrm{2}}\right)+{\displaystyle \sum _{j=\mathrm{1}}^m}{M}_j\times (E_{j\mathrm{1}}+E_{j\mathrm{2}})⑴

式中：Cc为都市圈轨道建设阶段的碳排放总量，t CO₂；N_i为第i种建材消耗量，kg或m³；E_{i\mathrm{1}}为第i种建材生产阶段碳排放因子，kg CO₂/kg或kg CO₂/m³；E_{i\mathrm{2}}为第i种建材运输阶段碳排放因子，kg CO₂/kg或kg CO₂/m³；a为建设材料类型；M_j为第j种施工机械的能源消耗量，L；E_{j\mathrm{1}}为第j种施工机械消耗的化石能源生产过程碳排放因子，kg CO₂/L；E_{j\mathrm{2}}为第j种施工机械消耗的化石能源使用过程中碳排放因子，kg CO₂/L；m为施工机械类别。

都市圈轨道运营阶段碳排放测算方法如下。

O{c}_k={\displaystyle \sum _{k=\mathrm{1}}^n}(V_{tk}+S_{uk}+B_{ck})\times E_f⑵

式中：O{c}_k为全生命周期运营第k年产生的碳排放量，t CO₂；V_{tk}为第k年车辆运行的能源消耗，kW·h；S_{uk}为第k年车站运行的能源消耗，kW·h；B_{ck}第k年车辆基地、控制中心等运行的能源消耗，kW·h；E_f为电力使用碳排放因子，kg CO₂/ (kW·h)；n为轨道交通运营周期，a。

都市圈轨道运营阶段相对碳减排测算方法如下。

C{R}_k={\displaystyle \sum _{k=\mathrm{1}}^n}{V}_k\times (E_{ck}-E_{tk})⑶

式中：C{R}_k为第k年都市圈轨道交通运营相对碳减排总量，t CO₂；V_k为第k年都市圈轨道运营客运量，人；E_{tk}为第k年都市圈轨道人均碳排放量，kg CO₂/人公里；E_{ck}为第k年小汽车出行人均碳排量，kg CO₂/人公里。

都市圈轨道交通全生命周期碳排放量计算方法如下。

Fc=Cc+{\displaystyle \sum _{k=\mathrm{1}}^n}（O{c}_k-C{R}_k）⑷

式中：Fc为都市圈轨道交通全生命周期碳排放总量，t CO₂。

6　基于双碳目标的轨道工程方案比选案例

以西安都市圈富平—机场市域(郊)铁路(咸阳机场—富平行政中心)规划为例，线路起于咸阳机场T5综合交通中心、止于富平城区，全长69.6 km，共设站14座(地下2座、高架12座)，平均站间距5.31 km，其中地下段11.9 km，高架段50.14 km，路基段7.56 km，地下段比例17.1%。项目是西安都市圈多层次轨道交通网中重要的横向快速客运通道，途经空港新城、秦汉新城、泾河新城、高陵区、阎良区，止于富平县城，同时是线网中的一条重要的换乘线路，衔接城市轨道交通12号、14号、10号、21号线等多条放射型线路^[15-16]。

富平—机场市域(郊)铁路共有2个比选方案，西安都市圈富平—机场市域(郊)铁路方案比选如图6所示，方案一考虑与干线铁路、周至至新西安南等铁路线路贯通，选取设计速度160 km/h的市域D型车；方案二考虑与城市轨道交通7号、12号线等快线资源共享、贯通运营，选取设计速度140 km/h的城轨A型车。在传统建设投资、客流效果对比基础上，根据公式⑴、公式⑵，可测算2个方案在建设阶段、运营阶段碳排放对比，西安都市圈富平—机场市域(郊)铁路方案对比(2028年)如表2所示。通过方案对比可见，方案二相比方案一建设投资更小、客流效益更高，由于选取尺寸相对更小的车型，建设阶段的碳排放要减少23.7万t CO₂，同时运营阶段车辆能耗更低，2028年运营全年碳排放相对减少0.7万t CO₂。因此，考虑全生命周期碳排放，富平—机场市域(郊)铁路方案二优于方案一。需要补充说明的是，轨道交通方案比选除考虑碳排放外，还需综合考虑列车运输组织、运营管理复杂程度，以及对其他轨道线路带来的能力折减、工程投资增加等因素，需要全面综合考虑各方面因素最终确定可行方案。

7　研究结论

为研究都市圈轨道交通规划对碳排放的影响，将轨道交通全生命周期碳排放划分为建设和运营2个阶段。基于都市圈轨道交通碳排放特点，系统梳理了都市圈轨道交通规划、建设、运营管理全过程的碳排放构成，分析了都市圈轨道交通规划对全生命周期碳排放的影响；在传统规划技术路线基础上，基于双碳目标优化了都市圈轨道交通规划技术体系，在规划目标及指标中增加能耗及碳排放指标，在规划技术路线中增加碳排放预测、绿色装备、智慧能源、绿色机制等相关内容；建立了涵盖都市圈轨道建设阶段、运营阶段的全生命周期碳排放模型。得到的主要结论如下。

（1）都市圈轨道交通线网规划直接影响轨道交通建设阶段、运营阶段的碳减排总量，直接影响轨道交通与小汽车交通的竞争关系、带来轨道交通运营的相对碳减排量；间接影响建设及运营阶段轨道具体项目的碳排放量。

（2）都市圈轨道建设规划直接决定了都市圈轨道交通全生命周期碳排放的总量及结构；近期运营的轨道交通客运量会带来小汽车出行量的减少，从而产生轨道运营的相对碳减排量。

（3）在都市圈轨道交通规划目标及指标中，增加运营能耗及全周期碳排放2个具体指标。

（4）基于都市圈轨道交通全生命周期碳排放分析，除建筑材料生产、运输环节之外，都市圈轨道的碳排放主要集中在建设阶段、运营阶段，以及与小汽车竞争中产生的相对碳减排量，其中运营阶段碳排放量超过全生命周期碳排放量的50%。

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基金资助

中国城市和小城镇改革发展中心重点课题(2023A04)