軌道環(huán)線對(duì)重慶市空氣污染的凈化效果評(píng)估

張秋萍，楊煒明

(重慶工商大學(xué) 數(shù)學(xué)與統(tǒng)計(jì)學(xué)院，重慶 400067)

1 引言

空氣污染是我國目前面臨的重要環(huán)境問題之一，據(jù)《2018重慶市生態(tài)環(huán)境狀況公報(bào)》顯示，2018年重慶市空氣質(zhì)量?jī)?yōu)良天數(shù)為316 d，空氣質(zhì)量超標(biāo)天數(shù)為49 d。環(huán)境空氣中，PM10、SO2和CO濃度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，PM2.5、NO2和O3濃度分別超標(biāo)0.14倍、0.10倍和0.04倍?？諝馕廴静粌H危害居民健康，也是建設(shè)宜居重慶的阻礙。

重慶作為中國的四大直轄市之一，經(jīng)濟(jì)在近些年來呈穩(wěn)步發(fā)展的趨勢(shì)。同時(shí)，由于山多坡高的環(huán)境特點(diǎn)以及錯(cuò)綜復(fù)雜的道路狀況，重慶交通備受關(guān)注。近些年，隨著客運(yùn)交通使用量的增加，重慶“霧霾”天氣以及道路擁堵問題也日漸嚴(yán)重。客運(yùn)交通是中國空氣污染的主要原因之一，軌道交通以其容量大、實(shí)惠便利、低碳節(jié)能等特性,成為有效緩解城市交通路面壓力和空氣污染的重要交通出行方式[1]。

眾多學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)斷點(diǎn)回歸設(shè)計(jì)是除工具變量和隨機(jī)變量外，可控制未觀察混雜因素影響的唯一方法，而這使得斷點(diǎn)回歸成為學(xué)者應(yīng)用于評(píng)估政策效應(yīng)的主要原因。在空氣污染方面，袁韻等以日間和夜間為斷點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)約車運(yùn)行規(guī)模的增加會(huì)加劇城市的空氣污染[2]。李婧薇以地鐵開通時(shí)間為斷點(diǎn)，研究發(fā)現(xiàn)不同常住人口城市,地鐵開通的替代效應(yīng)與創(chuàng)造效應(yīng)關(guān)系不同，城市空氣質(zhì)量對(duì)應(yīng)上升下降情況不同[3]。梁若冰等基于斷點(diǎn)回歸研究發(fā)現(xiàn)，軌道交通的開通顯著改善城市空氣質(zhì)量[4]。楊小聰?shù)纫阅暇┑罔F3號(hào)線開通時(shí)間為斷點(diǎn)，研究發(fā)現(xiàn)南京地鐵3號(hào)線的開通顯著降低了城市污染指數(shù)以及部分空氣污染物的污染濃度[5]。曹靜等以限行政策日期為斷點(diǎn)研究了限行政策與北京空氣質(zhì)量之間的關(guān)系，研究發(fā)現(xiàn)北京的空氣質(zhì)量因尾號(hào)限行政策實(shí)施得到顯著改善[6]。周葉峰考察G20大氣防治計(jì)劃綜合效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)環(huán)境規(guī)制政策對(duì)空氣質(zhì)量直接效應(yīng)顯著[7]。Fu等以國慶節(jié)假期為斷點(diǎn)，考察了取消高速公路收費(fèi)對(duì)空氣污染的凈化效果[8]。秦志龍等以北京和上海之間高鐵開通時(shí)間為斷點(diǎn)，探索北京與上海之間高鐵開通對(duì)沿途城市空氣質(zhì)量的影響，研究發(fā)現(xiàn)沿途城市空氣質(zhì)量因高鐵開通替代私家車出行等方式得到顯著改善[9]。

重慶軌道交通環(huán)線(Chongqing Rail Transit Loop Line)開通于2018年12月28日，作為途經(jīng)重慶沙坪壩區(qū)等五區(qū)，重慶大學(xué)、四公里、重慶北站南廣場(chǎng)等重要商圈的重慶軌道交通唯一閉合環(huán)線，同時(shí)還承擔(dān)“重慶文化宣傳者”的工作。

雖然關(guān)于重慶空氣質(zhì)量的研究已有一定結(jié)論，但是絕大部分文獻(xiàn)基于月度、年度數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，本文基于更加微觀的日值數(shù)據(jù)分析了重慶軌道交通政策與重慶空氣質(zhì)量的影響，可填補(bǔ)這部分文獻(xiàn)空白。因此，本文的主要研究創(chuàng)新和貢獻(xiàn)有以下兩個(gè)方面：一方面，填補(bǔ)了重慶軌道交通環(huán)線對(duì)重慶空氣質(zhì)量影響的文獻(xiàn)空白；另一方面，基于更加微觀的日值數(shù)據(jù)和斷點(diǎn)回歸方法研究重慶軌道交通環(huán)線開通對(duì)重慶空氣質(zhì)量的影響。

2 斷點(diǎn)回歸簡(jiǎn)述

斷點(diǎn)回歸在1960年首次使用，目前，關(guān)于斷點(diǎn)回歸的研究已集腋成裘，其闡述的是虛擬變量也就是處理效應(yīng)與結(jié)果變量之間的因果效應(yīng)。

為準(zhǔn)確識(shí)別與測(cè)量地鐵開通對(duì)重慶空氣質(zhì)量的影響效應(yīng)，本文選擇斷點(diǎn)回歸為研究方法。該方法是準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)計(jì)量方法中的一種，將同一樣本視為處理組與控制組，估計(jì)的是局部平均處理效應(yīng)(LATE)，當(dāng)兩組樣本在斷點(diǎn)處無限接近時(shí)，可以避免因遺漏變量和樣本選擇非隨機(jī)性而造成的估計(jì)偏誤[10]。重慶環(huán)線開通時(shí)間可以被視為一項(xiàng)政策性變量，在開通前后較短時(shí)間內(nèi)，重慶的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平等處于平滑連續(xù)狀態(tài)，若空氣質(zhì)量在地鐵開通前后有跳躍式變化，那么環(huán)線的開通可以歸結(jié)為造成這種差異的原因。參考王學(xué)淵等[11]的模型設(shè)定，本文斷點(diǎn)回歸模型的設(shè)定如下：

Ydmy=α0+β1opendmy+β2f(x)+Zγ+μd+σi

+εdmy

(1)

式(1)中，Ydmy代表重慶在第y年m月d天的空氣污染情況，以AQI、PM2.5、PM10、NO2、SO2、CO以及O3的自然對(duì)數(shù)來衡量。opendmy為虛擬變量，在重慶軌道交通環(huán)線(2018年12月28日)前設(shè)置為0，開通后設(shè)置為1；x是斷點(diǎn)回歸模型中的執(zhí)行變量，表示距離環(huán)線開通的天數(shù)，開通之前記作-x，開通當(dāng)日記作0，開通后記作+x；f(x)是x的多項(xiàng)式函數(shù)；Z代表影響城市空氣質(zhì)量的控制變量；γ為待估參數(shù)向量。μh，σi代表節(jié)假日效應(yīng)和固定效應(yīng)，εdmy代表隨機(jī)擾動(dòng)項(xiàng)。模型中，用β1的估計(jì)值來反映地鐵開通前后空氣質(zhì)量的變動(dòng)。

此外，Imbens等指出使用斷點(diǎn)回歸進(jìn)行政策評(píng)價(jià)需要滿足兩項(xiàng)前提條件，才能保證其內(nèi)部有效性[12]。

2.1 執(zhí)行變量操縱檢驗(yàn)

斷點(diǎn)回歸方法有效性的核心前提是斷點(diǎn)附近近似于完全隨機(jī)化，若提前知曉分組規(guī)制，研究對(duì)象可能會(huì)通過自身努力使自己到另一個(gè)分組去，這可能會(huì)導(dǎo)致斷點(diǎn)附近“內(nèi)生分組”，從而斷點(diǎn)回歸失去有效性。

因此，一種非參數(shù)的密度函數(shù)檢驗(yàn)方法由McCrary提出并用于檢驗(yàn)以下原假設(shè)[13]：

(2)

2.2 控制變量連續(xù)性檢驗(yàn)

控制變量首先需要確保在斷點(diǎn)附近是平滑的，且加入的控制變量應(yīng)為非內(nèi)生性變量，若控制變量在斷點(diǎn)附近有跳躍式變化則會(huì)影響估計(jì)結(jié)果的準(zhǔn)確性。本文將一系列天氣變量作為被解釋變量與重慶軌道交通環(huán)線開通進(jìn)行斷點(diǎn)回歸，檢驗(yàn)溫度、風(fēng)速等一系列變量在斷點(diǎn)處是否連續(xù)。

2.3 時(shí)間多項(xiàng)式階次的選擇

學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)檢驗(yàn)時(shí)間窗口以及時(shí)間多項(xiàng)式階次結(jié)果的穩(wěn)健性是斷點(diǎn)回歸檢驗(yàn)中不可或缺的一步。在現(xiàn)有的斷點(diǎn)回歸文獻(xiàn)中，學(xué)者們建議使用線性或二次多項(xiàng)式，Gelman等指出若使用高階(三級(jí)以上)的時(shí)間多項(xiàng)式可能會(huì)導(dǎo)致過度擬合情況的發(fā)生[14]。

3 實(shí)證結(jié)果

3.1 變量說明與數(shù)據(jù)來源

本文使用的空氣污染數(shù)據(jù)來源于國家環(huán)監(jiān)局。AQI的測(cè)算主要依據(jù)6種污染物(PM2.5、PM10、O3、NO2、CO、SO2)濃度如表1所示。天氣數(shù)據(jù)來自于美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)，變量包括：溫度、氣壓、相對(duì)濕度、相對(duì)風(fēng)速，具體數(shù)值見表1。根據(jù)2018～2019年節(jié)假日安排通知，本文創(chuàng)建節(jié)假日變量(工作日=0，節(jié)假日=1)。由于本文研究的重慶軌道交通環(huán)線開通于2018年12月28日，參考已有文獻(xiàn)，選取開通日期前后各50 d作為觀察窗口，即(2018年11月8日至2019年2月16日)。

由表1可知，重慶軌道環(huán)線開通后AQI指數(shù)、PM2.5、PM10、NO2、CO及O3排放濃度在5%的水平上顯著下降。在主要控制變量中，地鐵平均溫度以及平均相對(duì)濕度在5%的水平上顯著增加，平均氣壓增加，平均風(fēng)速降低。

3.2 總體樣本估計(jì)結(jié)果

表2報(bào)告了以AQI、PM2.5、PM10、NO2、CO、O3為被解釋變量，并加入所有控制變量的斷點(diǎn)回歸基準(zhǔn)結(jié)果，結(jié)果表明環(huán)線的開通在10%的水平下顯著降低了20.7%的AQI濃度、22.5%的PM2.5、23.3%的PM10、13%的SO2、4.7%的CO。因此，重慶軌道環(huán)線的開通顯著改善了重慶地區(qū)的空氣質(zhì)量。

通過查詢資料可知，PM2.5氣體污染物通常是人為對(duì)垃圾和化石燃料的燃燒造成；PM10來自水泥路面上行駛的機(jī)動(dòng)車以及被風(fēng)揚(yáng)起的塵土；SO2作為酸雨的主要成分，它主要是通過煤和石油燃燒而形成；CO主要來自內(nèi)燃機(jī)排氣。這些空氣中污染物濃度的降低主要?dú)w結(jié)為化石燃料燃燒和地面塵土污染減少，因此，重慶軌道環(huán)線開通增大居民出行便利度，從而增大客流量，減少私家車出行。

4 穩(wěn)健性檢驗(yàn)

4.1 識(shí)別性假設(shè)的有效性檢驗(yàn)

描述性統(tǒng)計(jì)表1表明：重慶軌道環(huán)線開通后空氣質(zhì)量發(fā)生顯著的改善，表現(xiàn)為AQI指數(shù)、PM2.5、PM10、NO2、CO、O3濃度的降低，并且只有溫度和濕度變量在開通前后存在明顯的變化。Dell等指出，在使用RD進(jìn)行實(shí)證分析時(shí)，當(dāng)某一變量變化的絕對(duì)值與均值相比較小時(shí)，盡管這一變量在統(tǒng)計(jì)上存在顯著變化，RD分析結(jié)果并不會(huì)受該變量變化的影響[15]?？紤]改變開通前后統(tǒng)計(jì)意義上差異顯著的天氣變量，即溫度及濕度條件進(jìn)行檢驗(yàn)。檢驗(yàn)分為3個(gè)方案，Panel A代表不加入溫度控制變量的二價(jià)斷點(diǎn)回歸，Panel B代表不加入溫度和濕度兩個(gè)變量的斷點(diǎn)回歸，Panel C表示排除所有天氣變量后的斷點(diǎn)回歸，將這3個(gè)方案結(jié)果與基準(zhǔn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

表1 重慶市空氣質(zhì)量和天氣變量的描述性統(tǒng)計(jì)

表2 重慶軌道環(huán)線開通對(duì)空氣質(zhì)量影響基準(zhǔn)斷點(diǎn)回歸

表3是調(diào)整了天氣控制變量后的二階斷點(diǎn)回歸估計(jì)結(jié)果。Panel A的結(jié)果顯示，與基準(zhǔn)結(jié)果相比略微差異；Panel B結(jié)果與基準(zhǔn)估計(jì)結(jié)果大致相同。排除所有天氣變量后的Panel C，結(jié)果表明重慶軌道環(huán)線的開通導(dǎo)致AQI及在10%的水平下顯著下降?？偠灾?，排除所有天氣控制變量影響后，重慶軌道環(huán)線開通顯著改善了重慶空氣質(zhì)量。

表3 重慶軌道環(huán)線開通對(duì)空氣質(zhì)量的影響(天氣變量的調(diào)整)

4.2 考慮高階時(shí)間多項(xiàng)式的RD回歸

在改變時(shí)間窗口大小及時(shí)間多項(xiàng)式階次后，結(jié)果顯示線性與三次時(shí)間趨勢(shì)的估計(jì)結(jié)果與基準(zhǔn)結(jié)果相差較小(表4)。

4.3 安慰劑檢驗(yàn)和敏感性檢驗(yàn)

4.3.1 執(zhí)行變量檢驗(yàn)

執(zhí)行變量操作檢驗(yàn)以執(zhí)行變量在斷點(diǎn)處連續(xù)為原假設(shè)。如圖1所示執(zhí)行變量在斷點(diǎn)處基本連續(xù)，結(jié)果顯示，小于1.96，其標(biāo)準(zhǔn)誤差為0.949，在95%的置信水平上接受原假設(shè)，在重慶軌道環(huán)線開通日期斷點(diǎn)附近不存在操縱執(zhí)行變量的情況，即重慶軌道環(huán)線開通這個(gè)斷點(diǎn)回歸是有效的。

4.3.2 控制變量連續(xù)性檢驗(yàn)

由表5知，本文4個(gè)控制變量作為被解釋變量的回歸結(jié)果均不顯著，表明重慶軌道環(huán)線開通對(duì)這4個(gè)天氣變量沒有顯著影響，在斷點(diǎn)處曲線平滑，即斷點(diǎn)回歸有效。

表4 重慶軌道環(huán)線開通對(duì)空氣質(zhì)量的影響(調(diào)整時(shí)間趨勢(shì)和時(shí)間窗口)

圖1 執(zhí)行變量檢驗(yàn)

表5 重慶軌道環(huán)線開通對(duì)天氣變量的影響

5 研究結(jié)論

本文基于更加微觀的日值數(shù)據(jù)聚焦重慶地區(qū)空氣和重慶軌道交通環(huán)線之間關(guān)系，應(yīng)用斷點(diǎn)回歸研究并進(jìn)行渠道探索。斷點(diǎn)回歸的研究結(jié)果表明，重慶軌道環(huán)線的開通顯著地改善了重慶市的空氣質(zhì)量，重慶軌道環(huán)線開通后重慶市的AQI、PM2.5、PM10、SO2、CO、O3濃度分別下降20.7%、22.5%、23.3%、13%和4.7%，在改變斷點(diǎn)回歸的多項(xiàng)式階次和時(shí)間窗口后，重慶軌道環(huán)線開通對(duì)空氣質(zhì)量的改善作用仍然穩(wěn)健。通過查閱文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，PM2.5以及SO2都是由燃燒化石燃料造成，而PM10主要是由機(jī)動(dòng)車和揚(yáng)起的塵土造成的，重慶軌道環(huán)線改善重慶市空氣質(zhì)量的途徑，主要是通過增加公共運(yùn)輸客運(yùn)量，減少機(jī)動(dòng)車排放量來實(shí)現(xiàn)的。

本文的啟示有以下幾點(diǎn):①倡導(dǎo)低碳環(huán)保，市民出行優(yōu)先考慮軌道交通。軌道環(huán)線的開通可以替代部分高能耗的私家車和機(jī)動(dòng)車，因此改善空氣質(zhì)量可以倡導(dǎo)市民低碳綠色出行；②國家穩(wěn)步推進(jìn)軌道交通發(fā)展具有一定成效。國家發(fā)展軌道交通一方面是緩解路面壓力，另一方面是治理空氣污染。根據(jù)國家近幾年發(fā)布的“藍(lán)天行動(dòng)”等，軌道交通的開通有助于節(jié)能減排的實(shí)施，國家空氣污染治理具有一定成效。