第28卷第9期
2008年9月
环 境 科 学 学 报 Acta Scientiae Circu m stantiae
Vol .28,No .9Sep.,2008
基金项目：国家重点基础研究发展计划项目(No .2005CB724205)
Supported by the Nati onal Basic Rearch Pr ogra m of China (No .2005CB724205)
作者简介：詹歆晔(1983—)，男,E 2mail:xyzhan@pku .edu ;3通讯作者(责任作者),E 2mail:hcguo@pku .edu
B i ography:ZHAN Xinye (1983—),male,E 2mail:xyzhan@pku .edu ;3Correspond i n g author ,E 2mail:hcguo@pku .edu
詹歆晔，郁亚娟，郭怀成，等.2008.特大城市交通承载力定量模型的建立与应用[J ].环境科学学报,28(9):1923-1931
Zhan X Y,Yu Y J,Guo H C,et al .2008.Modeling and app licati on of metr opolitan trans portati on support capacity[J ].Acta Scientiae Circum stantiae,28(9):1923-1931
特大城市交通承载力定量模型的建立与应用
詹歆晔，郁亚娟，郭怀成3
，王真，刘永，周丰
北京大学环境科学与工程学院，北京100871
收稿日期:2007209211 修回日期:2008203211 录用日期:2008206224
摘要：基于“机动车在驶量”构建了由路网资源、燃油供给和大气环境3个模块组成的交通承载力宏观定量模型，并选择北京市城区作为案例验证模型.结果显示，该模型能够较好的反映资源、环境与交通之间的关系.北京市城区交通承载力在2005年出行比率和平均时速23km ・h -1条件下为45.35×104辆，其中轿车为29.73×104辆，北京市交通发展面对的直接压力是机动车在驶量偏高.关键词：特大城市；交通模型；承载力；北京市；机动车在驶量
文章编号:025322468(2008)0921923209 中图分类号:X32 文献标识码:A
M odeli n g and appli ca ti on of m etropolitan tran sport a ti on support capac ity
ZHAN Xinye,Y U Yajuan,G UO Huaicheng 3
,WANG Zhen,L I U Yong,Z HOU Feng
College of Envir onmental Science and Engineering,Beijing University,Beijing 100871
Rece i ved 11Sep tember 2007; rece i ved in revid for m 11March 2008; accepted 24June 2008
Abstract:A macr oscop ic model was established t o measure the support capacity of a metr opolitan trans portati on system.The model consists of three modules:the r oad net w ork,fuel consump ti on,and at m os pheric envir onment capacity .A novel concep t,vehicle on r oad (VOR ),was p r opod in this study t o better describe the support capacity,which means the instant number of the on 2r oad vehicles at a certain average vel ocity;and the larger the VOR,the greater the envir onmental p ressure .The model was validated and demonstrated t o analyze the metr opolitan trans portati on system in Beijing .The results showed that,at an average vehicle vel ocity of 23km ・h -1,the VOR in Beijing is 453500,including 297300cars .Thus,over 2l oading traffic volume is the chall
enge facing the trans portati on syste m in Beijing .The model and VOR can p lay a central r ole in reflecting the relati onshi p s a mong the res ource,the envir onment and trans portati on in metr opolitan areas .
Keywords:macr oscop ic metr opolitan;trans portati on model;support capacity;Beijing;vehicle on r oad (VOR )
1 引言(I ntr oducti on )
在快速城市化进程中，交通规划、建设和技术
的滞后导致了道路拥挤、资源浪费和环境恶化等一系列城市交通问题(王炜,2002).20世纪70年代以来，研究多集中在城市交通的环境影响，如交通尾气排放污染大气(Streets,2000)并导致人体健康风险(Friedman,2001)，随地表径流影响水体(Shutes,1999)，产生噪声(Ouis,2001)和固废(Gho,2006)，以及对生态系统产生干扰(For man,1998)等.2000年以来的研究更多关注城市交通的能源消耗(Gusdorf,2007;Burgess,2003).这些研究为解决
城市交通问题提供了思路和方法，但目前仍缺乏从整体出发指导交通发展与规划的综合研究.近年来，我国试点通过机动车限行应对交通环境问题，例如北京市“奥运空气质量测试”采取单双号限行措施，
建设部发起并在全国108个城市开展“中国城市公共交通周及无车日活动”.这些举措试图从机动车在驶数量上实施总量控制，但在控制规模和预期效果的联系上尚缺少理论支持.“承载力”与交通的结合为此问题提供了可行的研究思路.国内已有学者提出交通环境承载力的概念，其影响因素包括资源(土地、路网、能源)、环境(大气)、社会心理、经济等方面(程继夏,2003；李晓燕,2003；刘志硕
环 境 科 学 学 报28卷
等,2004；卫振林等,2004).但是，这些研究存在3点
不足:①将交通环境承载力独立于城市生态系统承载力之外，缺失承载力的系统属性;②只关注资源和环境对交通的承载作用，忽视交通对经济活动的承载作用;③模型结构不完善，缺乏实证研究.为此，本研究中将城市交通承载力作为城市复合生态系统承载力的有机组成，研究城市交通承载力的影响因素及其对经济活动的承载作用，并以“机动车在驶量”为指标建立完整的定量模型并开展实证分析，期望为机动车限行等交通环境政策提供定量依据.
2 城市交通承载力的识别与定量(I dentificati on and
quantificati on of the urban trans portati on support capacity )
2.1 城市交通承载力的识别
承载力是系统内部结构与功能的重要表征.城市复合生态系统承载力具有2层结构:①底层为基础承载力，是环境子系统对经济社会子系统的支持和制约作用;②上层为优化承载力，是经济社会子系统内部对资源和环境的利用进行优化所增加的承载能力(图1).优化承载力通过转化基础承载力，以及对物质、能量、信息在经济子系统内部的分配的形式以增加承载能力
.
图1 城市复合生态系统承载力及交通承载力
Fig .1 Support capacity of the urban comp lex and support capacity of the trans portati on syste m
城市交通承载力是城市交通系统在可供利用资源和环境达标的前提下所能支持的最大交通活
动(交通工具数量或交通运输能力).它是城市复合生态系统承载结构的优化承载力，并受到基础承载力的制约(图1).这些制约既包括交通用地、路网通行能力、停车位、燃油供应等资源因素，也包括大气、噪声、城市生态等环境因素.城市基础承载力决定着该城市所能支持的交通活动量，而对其分配则体现了城市交通在配置城市系统人流和物流的能力.例如，公共交通优先的配置能够实现更大的人流，发展私人小汽车能够刺激出行需求.
2.2 “机动车在驶量”的提出和城市交通承载力的
定量方法
城市交通承载力的定量研究包括2部分:①城
市基础承载力所能提供的资源和环境数量;②城市交通的分配方式.本研究中提出“机动车在驶量”作为城市交通承载力的定量指标.“机动车在驶量”定义为同一时刻城市路网上行驶的机动车的数量，在驶量越
大，则对资源和环境的影响越大.在驶量持续增加，其对资源供给能力或环境同化能力产生损害的临界点称为“最大在驶量”，即为城市交通承载力.机动车在驶量可以按照时空消耗、能源消耗和污染排放等方面在各车型之间进行分配.因此，采用“机动车在驶量”指标定量城市交通承载力比“机
动车保有量”等(程继夏,2003；李晓燕,2003；刘志硕,2004；卫振林,2004)更能反映资源、环境和经济之间的相互关系.
在城市交通研究中有微观和宏观2类基本研究
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9期詹歆晔等：特大城市交通承载力定量模型的建立与应用方法.微观方法从城区道路调查或起迄点(OD )调查开始，通过采集基础单元的车流量、车速、车型比例分布和运行工况等数据，修正道路或机动车基本运行状况，模拟每个单元的实际状况；宏观方法从城市道路和机动车的平均参数出发，计算道路和机动车的总量特征(郝吉明,2002).本研究目的是揭示城市交通与资源和环境之间的关系，为特大城市的城区交通规划和发展提供依据，因此，选择适于快速开展、适应城市和区域规划与管理需要的宏观方法作为城市交通承载力研究的基本方法.
3 城市交通承载力定量模型(Quantitative model of
the urban trans portati on support capacity )3.1 基本假设
本研究中建立城市交通承载力的宏观定量模型.模型研究的对象是以客运交通为主体的特大城市.模型模拟汽车出行，其它出行方式(步行、自行车、摩托车、轨道交通等)可作为修正参数影响基础承载力.模型将汽车划分11种车型，其中客运车型分重型(不含公交车)、公交、中型、轻型、微型、轿车(
不含出租车)和出租车共7种，货运车型分重型、
中型、轻型、微型4种.各车型的动力分为4种，即柴
油、汽油、压缩天然气(CNG )和液化石油气(LPG ).
由于机动车出行量在24h 内的分布不均，白天12h 客运出行量占全天的86.84%(北京市交通发展中心,2002).因此，模型假设每日机动车通行时间为12h，使模型计算结果更精确地和实际情况建立对应关系.3.2 模型的构建与模型结构
特大城市的城区交通普遍受到路网容量、燃油消耗、大气环境质量3个基础承载力制约，前两者为资源承载力，后者为环境承载力.根据2.2节确定的原则和方法，本研究中选择“机动车在驶量”作为城市交通承载力的定量指标，建立城市基础承载力和城市经济活动之间的联系，构建的城市交通承载力定量模型框架，如图2所示.模型将基础承载力分为3个模块，即路网资源承载力、燃油资源承载力和大气环境承载力.其中，大气环境承载力选用CO 和NO x 2项指标.3个模块分别研究基础承载力对城市交通的承载作用，并根据最低限制因子原则确定城市交通承载力，以机动车在驶量进行表征.
图2 城市交通承载力定量模型概念图
baneFig .2 Model for the support capacity of a metr opolitan trans portati on syste m
机动车在驶量可采用主观法或客观法分配给重庆化妆学校
不同车型.主观法根据各种车型对资源的消耗情况，结合研究区域的经济社会发展情况、政策、法律法规，综合确定各种车型的资源分配系数；客观法通过现有各车型的保有量、年行驶里程、资源利用强度(道路时空消耗、燃油强度、排放因子)计算各车型实际分配比例，以实际分配比例作为分配系数.
3.3 模型计算公式
3.3.1 路网资源承载力 路网资源承载力由路网总容量和各车型时空消耗决定(式(1)).
VC i =
C i ×C S i
(1)
式中,VC i 为第i 种车型路网容量制约的最大在驶量(104辆);C i 为分配系数(无量纲);C 为道路路网总
5
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容量(104
标准辆);S i 为标准车型单车时空消耗与第
i 种车型单车时空的比值(标准辆・辆
-1
).C 由路网
结构和平均车速决定(式(2))，路网结构包括各种道路类型的长度和通行能力(式(3)).
C =C 快+C 主+C 次+C 支+C 街
(2)C n =
L n ×u n
V n
(3)
式中,C n 为第n 种道路的总容量(104
标准辆);n 为
快速路、主干道、次干道、支路、街坊路之和;L n 为第
n 种道路的总长度(km );V n 为平均车速(k m ・h
-1
);
u n 为第n 种道路标准车型的实际通行能力(10
4
辆・h -1).u n 受到车道和道路类型等因素影响(式(4)).
u =U ×η×μ×2
(4)式中,U 为标准车型的理论通行能力(104辆・h -1
sounds interesting)
;η为车道修正系数(无量纲);μ为道路类型修正系数(无量纲);2为双向车道系数(无量纲).
3.3.2 燃油资源承载力 燃油资源承载力由燃油
供给总量和各车型燃油强度决定(式(5)～式(7)).式(7)定义了单车全勤年行驶总里程.“全勤年”是指某一车型的车辆在驶量计算条件下日通行12h 连续通行1a，它是一个计算中的假设，不具有实际意义.
VF i =
F i ×F
f i
(5)f i =FE i ×L std ×ρ×0.1
(6)L std =v ×0.438
(7)
式中,VF i 为第i 种车型燃油供给制约的最大在驶
量;F i 为分配系数(无量纲);F 为燃油总供给量(10
4
t ・a
-1
);f i 为第i 种车型单车全勤年燃料消耗量
(t ・a -1
・辆-1
);FE i 为第i 种车型的燃油强度
(10-2
L ・k m -1
);L std 为单车全勤年行驶总里程(10
choo a password4
k m ・a
-1);ρ为燃料密度(g ・L -1
);0.1为单位换算系
数(10-2
t ・kg -1
);0.438为单位换算系数(10-4
h ・a -1);v 为平均车速(k m ・h -1).
3.3.3 大气环境承载力 大气环境承载力由大气环境容量和各车型排放因子决定(式(8)).
glove是什么意思VE i =
E i ×E
E M i
(8)
式中,VE i 为第i 种车型大气环境质量制约的最大在
驶量(104
辆);E i 为分配系数(无量纲);E 为污染物的环境容量(104t ・a -1
);E M i 为第i 种车型单车全勤年排放总量(t ・a -1・辆
-1
英文书信格式范文).E M i 根据排放因子EF i 计
算.EF i 有2种表示方法:①以里程计算(g ・k m -1
)，适用式(9);②以发动机作功计算(g ・k W -1・h -1)，适用式(10).
E M i =E
F i ×L std ×0.01
(9)E M i =EF i ×P i ×αi ×0.00438
(10)
式中,0.01为单位换算系数(10-4t ・g -1
);P i 为第i 种车型的发动机平均最大净功率;αi 为第i 种车型的发动机平均运行功率和平均最大净功率的比值;
0.00438为单位换算系数(t ・h ・kg -1・a -1
).3.3.4 城市交通承载力 根据各个模块计算结果和最低限制因子原理，按式(11)计算得到各车型的
最大在驶量.
V i =m in (VC i ,VF i ,VE i )
(11)
4 应用研究：北京市城区交通承载力(Ca study:the
urban trans portati on
support capacity of
Beijing )4.1 基础数据与模型参数
利用本研究中提出的模型计算北京市城市交
通承载力，并与现状进行比较，分析北京市面对的交通压力；通过对承载力限制因子的识别，分析制约北京市交通发展的因素.研究基准年为2005年，研究范围基本与北京市城八区一致，使用3.2节中的客观法按照式(12)～式(14)计算分配系数.
VC i =
S i ×VEH i ×S VEH i
∑S i
×VEH i ×S VEH i
(12)
V F i =
f i ×V EH i ×S V EH i
∑f
i
×VEH i ×S VEH i
(13)
V E i =
E M i ×VEH i ×S VEH i
∑E M
i
×V EH i ×S V EH i
(14)手机英语词典下载
奥林匹斯十二神式(12)～式(14)中,VEH i 为北京市分车型汽车保
有量(104辆);S VEH i 为各车型平均年行驶里程(104
k m ).式(13)按照不同动力类型分别计算.
根据相关部门的统计数据，确定北京市分车型
汽车保有量和实际年行驶里程(表1).相关计算参
数:V n 取23km ・h -1
,P i 经抽样调查，中型为68k W ，重型为181k W ,αi 参照G B1769122001中的工况设定为55%.孙权劝学原文及翻译
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9期詹歆晔等：特大城市交通承载力定量模型的建立与应用
表1 北京市2005年机动车保有量
Table1 Mot or vehicle ownershi p,Beijing,2005
汽车类型柴油1)/
104辆
汽油1)/
104辆
CNG2)/
104辆
LPG2)/
104辆
行驶里程3)/
(104km・a-1)
载货汽车重型 2.4000 1.41中型 3.30.100 1.41
轻型10.4 1.300 1.41
微型00.200 1.41
载客汽车重型 1.70.1000.61公交 1.500.20.17 3.02
中型9.7 1.2000.61
轻型10.710.7000.61
微型021.6000.61
轿车0124.100 2.46
出租0 3.60 3.1010.86
数据来源:1)2006年北京市统计年鉴,2006年中国汽车工业年鉴；柴油和汽油比例来自柯晓明(2005);2)全国燃气汽车信息网(htt p://v);3)北京交通发展研究中心(2002).
4.1.1 路网容量和时空消耗系数 北京市路网中各种类型路段的长度、车道数根据北京市发展研究中心(2006)的调查统计确定.车道修正系数η和道路类型修正系数μ根据王炜(1999)提出的经验系数确定.由
式(2)～式(4)，计算得北京市城区路网容量为73.4×104标准辆・h-1.各车型的道路时空消耗：重型载货汽车为1.8，重型载客汽车和公交车为2，中型车为1.4，其它车型为1(王炜,1999).
4.1.2 燃油供给总量和燃油强度 北京市柴油车和汽油车的数量占总保有量的98.3%(表1)，车用汽柴油消耗的基准值取北京市2005年能源平衡表(实物量)统计中交通运输业与生活消耗两项之和.本研究中假定北京市车用汽柴油的供应在基准值上具有20%的弹性，则城区交通所能消耗的汽柴油总量分别为汽油182.23×104t、柴油7
5.06×104t.各车型能源强度如表2所示.
表2 北京市分车型能源强度
Table2 Energy intensity of mot or vehicles,Beijing
10-2L・km-1载货汽车柴油汽油载客汽车柴油汽油重型22.6-重型24.824.0
中型17.525.1公交24.824.0
轻型11.512.7中型19.223.0
微型- 6.5轻型8.58.5
微型- 6.3
轿车- 6.9
出租- 6.9
数据来源：国务院发展研究中心,2001；重中型汽油客车来自郝吉明(2002).-：车型保有量为0.
4.1.3 大气环境容量与排放因子 用A值法确定北京市大气环境容量,A=4.85(郭怀成,2001)；北京市城区面积取城八区的面积，为1369.9k m2(北京市统计年鉴,2006);CO和NO
x
浓度参照G B30952 1996的Ⅱ级标准，取CO日平均浓度4mg・m-3,NO2年平均浓度0.08mg・m-3，确定排放分担率为0.78和0.46(傅立新等,2000).计算得到北京市交通大
气环境容量CO为560.07×104t,NO
x
为6.61×104t.
考虑到北京市实施国家各阶段排放标准的起始日期以及北京市机动车的车龄分布，本研究中选择北京市2003年施行的国家第II阶段标准(以下简称国2标准)的排放限值作为排放因子，近似反映2005年北京市机动车排放情况，排放因子如表3所示.
表3 北京市机动车分车型排放因子
Table3 Em issi on Fact ors of mot or vehicles,Beijing g・km-1,g・k W-1・h-1
汽车类型
CO排放因子
柴油汽油CNG LPG
NO x排放因子
柴油汽油CNG LPG
载货汽车重型41)17.41)--71) 2.41)--中型41)9.71)--71) 1.761)--
继承者们 ost轻型 1.254--0.890.27--
微型1 2.2--0.630.22--
载客汽车重型41)17.41)--71) 2.41)--公交41)17.41)41)41)71) 2.41)71)71)
中型41)9.71)--71) 1.761)--
轻型 1.254--0.890.27--
微型1 2.2--0.630.22--
轿车1 2.2--0.630.22--
出租1 2.2- 2.20.630.22-0.22
注:1)单位为g・k W-1・h-1；未注明单位为g・km-1.-：车型保有量为0.数据来源：根据车型分类标准对应G B1769122001、G B1476222002、G B18352.222001中的标准限值.其中,G B1476222002和G B18352.222001的NO x由NO x+HC估算.
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