海綿城市典型措施碳排放研究

馬潔 武小鋼

摘要：城市化的加速發(fā)展導(dǎo)致城市出現(xiàn)許多環(huán)境問(wèn)題，如何在低碳的基礎(chǔ)上進(jìn)行海綿城市建設(shè)，是低碳生態(tài)建設(shè)的重點(diǎn)。文章通過(guò)對(duì)晉中市海綿城市規(guī)劃中的幾項(xiàng)海綿城市措施碳排放源進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)果如下：1）材料生產(chǎn)的碳排放量是建設(shè)施工階段中最重要的碳排放量;2）所研究的4項(xiàng)典型措施中建設(shè)施工階段單位面積碳排放量順序?yàn)椋河晁▓@>透水鋪裝>蓄水池>屋頂綠化;3）建設(shè)施工階段中對(duì)于碳排放量影響最大的材料是混凝土。

關(guān)鍵詞：低碳，海綿城市措施，碳排放

城市化對(duì)全球環(huán)境變化產(chǎn)生了嚴(yán)重的影響，城市源CO，排放占到了總排放量的約80%，在全球變暖中扮演著重要角色。由于城市人口、資源和基礎(chǔ)設(shè)施相對(duì)集中，氣候變化的不利影響也最有可能出現(xiàn)在城市地區(qū)。因此，減少溫室氣體排放就成為必然選擇，而發(fā)展低碳城市則是至關(guān)重要的行動(dòng)策略。為了應(yīng)對(duì)城市化過(guò)程中不透水下墊面擴(kuò)張和氣候變化引發(fā)的極端天氣給城市帶來(lái)的日益嚴(yán)重的內(nèi)澇現(xiàn)象，我國(guó)提出“海綿城市”建設(shè)理。當(dāng)前，城市雨洪綠色基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)成為城市建設(shè)的一個(gè)重要新興領(lǐng)域，基于低影響開(kāi)發(fā)及雨水資源化理念的海綿城市本身既是低碳城市的組成，同時(shí)在建設(shè)中也應(yīng)當(dāng)貫徹低碳理念。

低碳城市建設(shè)的前提是清晰而準(zhǔn)確地掌握城市各個(gè)領(lǐng)域的CO2排放情況。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)于碳排放的研究多集中在建筑和工業(yè)領(lǐng)域，對(duì)于城市建設(shè)中的碳排放研究則主要針對(duì)住區(qū)、園區(qū)、城市群等不同層次空間尺度的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)和生態(tài)足跡結(jié)構(gòu)，而在本文研究領(lǐng)域只有一篇文獻(xiàn)對(duì)兩項(xiàng)LID措施進(jìn)行了環(huán)境影響分析和經(jīng)濟(jì)評(píng)估。在碳排放研究中，主要方法是全生命周期法，其針對(duì)建設(shè)施工、運(yùn)行維護(hù)以及拆除回收等3個(gè)階段的能源、材料所歷經(jīng)的所有過(guò)程進(jìn)行追蹤。本研究通過(guò)分析其各環(huán)節(jié)碳排放，明確排放源，清楚排放量，為實(shí)現(xiàn)CO2的減排提供決策依據(jù)。在海綿城市建設(shè)中，最主要的碳排放集中在建設(shè)施工階段，因此，本文主要針對(duì)建設(shè)施工階段的CO2氣體排放進(jìn)行分析。通過(guò)對(duì)海綿城市建設(shè)中的代表性措施的碳排放進(jìn)行剖析，分析其影響因素，希望能夠?yàn)榈吞忌鷳B(tài)建設(shè)奠定理論基礎(chǔ)，為海綿城市的低碳建設(shè)提供理論支撐。

1 研究方法

1.1 研究案例概況

本文以山西晉中社火公園為研究案例。社火公園位于晉中市榆次區(qū)迎賓西街晉商』‘場(chǎng)南側(cè)，占地18.5萬(wàn)㎡，其中水系面積1.5萬(wàn)㎡，道路廣場(chǎng)5.5萬(wàn)㎡，綠地11.5萬(wàn)㎡。根據(jù)《晉中市城區(qū)海綿城市專項(xiàng)規(guī)劃》，社火公園綠地中有38 633㎡進(jìn)行雨水花園設(shè)計(jì)，社火博物館采用屋頂綠化設(shè)計(jì)，公園道路及廣場(chǎng)采用透水鋪裝，公園4個(gè)方向各有一個(gè)3mx4mX3m的開(kāi)敞式蓄水池。

1.2 碳排放計(jì)算模型

利用IPCC提供的碳排放估算方法計(jì)算，其基本思路是依照碳排放清單列表，針對(duì)每一種排放源構(gòu)造其活動(dòng)數(shù)據(jù)和排放因子，以活動(dòng)數(shù)據(jù)和排放因子的乘積作為碳排放估算值。

Em=ADx EF（l）

式中，Em是CO2的碳排放量;AD為活動(dòng)數(shù)據(jù)，即單個(gè)排放源與碳排放直接相關(guān)的具體使用和投入數(shù)量;EF為排放因子，即某排放源使用量所釋放的CO2量，其計(jì)算可以采用IPCC報(bào)告中給出的缺省值（依照全球平均水平給出的參考值），EF=原始排放系數(shù)×我國(guó)熱值碳氧化因子。2碳排放源分析

海綿城市措施建設(shè)施工階段的碳排放源，通過(guò)全生命周期法可歸納總結(jié)為建造材料固定碳排放、材料及施工運(yùn)輸碳排放和施工現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械設(shè)備使用碳排放3個(gè)部分。

2.1 建造材料碳排放分析

對(duì)4項(xiàng)措施所使用的建造材料進(jìn)行碳排放分析，包含了所需原材料的開(kāi)采、加T能耗。

E.=∑Mi×EFi（2）

式中，Mi表示第i類建材的使用量，EFi表示第i類建材的生產(chǎn)碳排放因子。

1）雨水花園。雨水花園是一種模仿自然界雨水滲濾功能的旱地雨水徑流調(diào)蓄技術(shù)，屬于生物滯留的一種形式。其建造結(jié)構(gòu)及材料采用《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南》及蘆琳等的研究結(jié)果，材料碳排放因子采用顧道金等的研究結(jié)果。在此基礎(chǔ)上，社火公園中雨水花園材料碳排放量見(jiàn)表1。

2）屋頂綠化。在建筑碳排放研究中，其清單包含建筑建造屋頂所必須的混凝土結(jié)構(gòu)層、保溫層和找平層，由于屋頂綠化以建筑物的頂部作為平臺(tái)，未免重復(fù)計(jì)算碳排放量，在研究中對(duì)屋頂綠化的碳排放量從防水層開(kāi)始列入計(jì)算。其建造結(jié)構(gòu)及材料采用《種植屋面工程技術(shù)規(guī)程》和韓麗莉等的研究結(jié)果，材料碳排放因子采用顧道金、田彬彬、崔鵬等的研究結(jié)果。在此基礎(chǔ)上，社火公園中屋頂綠化材料碳排放量見(jiàn)表2。

3）透水鋪裝。由于鋪裝的面層材料不同，透水鋪裝的碳排放量差異很大，在本研究中以廣場(chǎng)中主要使用的生態(tài)砂基透水磚作為范例。其建造結(jié)構(gòu)及材料采用蘆琳、符鍵等的研究結(jié)果，材料碳排放因子采用顧道金、崔鵬等的研究結(jié)果。在此基礎(chǔ)上，社火公園中透水鋪裝材料碳排放量見(jiàn)表3。

4）蓄水池。蓄水池是城市雨水集蓄工程中最為常見(jiàn)的一項(xiàng)基本措施，根據(jù)不同承重所需的混凝土強(qiáng)度不同，其材料使用量采用《雨水集蓄工程》《矩形鋼筋混凝土蓄水池圖集》中提供的數(shù)據(jù)，材料碳排放因子采用崔鵬、吳淑藝、張孝存等研究結(jié)果。在此基礎(chǔ)上，社火公園中蓄水池材料碳排放量見(jiàn)表4。

2.2 運(yùn)輸碳排放分析

建筑材料主要采用鐵路、水路和公路的運(yùn)輸方式。根據(jù)建造運(yùn)輸?shù)木徒瓌t以及研究計(jì)算的簡(jiǎn)便，本研究中假定所有材料均采用公路運(yùn)輸。運(yùn)輸過(guò)程中的碳排放計(jì)算公式為：

式中，EFp表示第p類運(yùn)輸方式時(shí)建材運(yùn)輸?shù)奶寂欧乓蜃?，Bi表示第i類建材的總重量，Li表示第i類建材從產(chǎn)地到施工現(xiàn)場(chǎng)的距離。

由于具體的建筑材料產(chǎn)地和進(jìn)貨單位不可知，計(jì)算時(shí)采用2015年全國(guó)公路運(yùn)輸?shù)钠骄\(yùn)距（184 km）作為計(jì)算依據(jù)。因公路運(yùn)輸?shù)木唧w能耗與貨運(yùn)汽車載貨結(jié)構(gòu)、能源結(jié)構(gòu)、載貨率和運(yùn)輸管理等因素有關(guān)，采用文獻(xiàn)中對(duì)柴油貨車在省道中的平均碳排放指標(biāo)13.4 kg/百噸·km的研究結(jié)果，計(jì)算得出運(yùn)輸碳排放量清單見(jiàn)表5。

2.3 現(xiàn)場(chǎng)施工碳排放分析

海綿城市措施施工現(xiàn)場(chǎng)的機(jī)械設(shè)備的碳排放因子，可以用各自的臺(tái)班量乘以每臺(tái)班的燃料使用量，再根據(jù)能源的碳排放因子轉(zhuǎn)化為機(jī)械的碳排放因子。

式中，EFk表示第k類施工機(jī)械設(shè)備的碳排放因子，X表示第A類機(jī)械設(shè)備的總工作量（單位：臺(tái)班），Nk表示第k類機(jī)械設(shè)備的數(shù)量。

由于場(chǎng)地沒(méi)有確切的工程預(yù)算資料和工程定額信息，可根據(jù)單位面積的能耗統(tǒng)計(jì)值估算工程的總耗能，由于山西省主要是利用煤燃燒來(lái)提供所需的各種能源，因此在本文的計(jì)算中，根據(jù)文獻(xiàn)研究中標(biāo)煤所提供的能源來(lái)進(jìn)行碳排放與標(biāo)煤之間的折算系數(shù)29.30 kg/GJ，并計(jì)算得出現(xiàn)場(chǎng)施工碳排放量見(jiàn)表6。

3 結(jié)果與分析

對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究，結(jié)果表明，不同措施在建造材料、運(yùn)輸和現(xiàn)場(chǎng)施工3部分中的碳排放量占比不同。由圖1至圖4中可以看出，雨水花園的碳排放中運(yùn)輸碳排放量占總體碳排放的96%，其他3項(xiàng)措施中均是材料碳排放量占比較重，達(dá)到88%，71%，76%，其中屋頂綠化和蓄水池中施工現(xiàn)場(chǎng)碳排放量占比第二，透水鋪裝中運(yùn)輸碳排放量占比第二。

由表7可知，在材料碳排放量中透水鋪裝的單位面積碳排放量最大，屋頂綠化和蓄水池次之，雨水花園最少;運(yùn)輸碳排放量中，雨水花園最大，透水鋪裝次之，之后依次是蓄水池和屋頂綠化;現(xiàn)場(chǎng)施工碳排放量中，整體排放量相對(duì)平均，其中蓄水池最大，其后依次是透水鋪裝、雨水花園和屋頂綠化。

在建造材料部分，透水鋪裝中混凝土的碳排放量最大，占到總排放量的67%;其次是面層材料生態(tài)砂基透水磚，占30%，根據(jù)Cook Ian的研究結(jié)果更換面層材料，其材料碳排放量：植草磚>透水性混凝土>生態(tài)砂基透水磚>透水瀝青>透水碎石面層：屋頂綠化中改良土壤的碳排放可忽略不計(jì)，最重要的碳排放源是PVC排蓄水板占92%、其次是SBS改性瀝青防水卷材，占6%，這兩項(xiàng)都是化工產(chǎn)品;蓄水池中兩項(xiàng)混凝土共占60%，鋼筋占40%;雨水花園中碳排放量少的原因主要在于樹(shù)皮填料可認(rèn)為是純天然、綠色無(wú)污染的填料材質(zhì)，爐渣填料更是使用了在工業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的爐渣廢棄物，是屬于廢棄再利用，對(duì)整體的碳排放和生態(tài)環(huán)境起減緩作用，故認(rèn)為這兩項(xiàng)碳排放可忽略不計(jì)。

在材料運(yùn)輸部分，碳排放量最大的是雨水花園，這是基于場(chǎng)地中所有土壤均使用改良土壤的前提下，由于所需材料厚度、密度均偏大，重量較大，運(yùn)輸?shù)哪茉聪木拖鄬?duì)大，改良土壤、爐渣和礫石的運(yùn)輸，分別占運(yùn)輸排放中的69%，21%，9%;透水鋪裝的運(yùn)輸中碳排放量較大的是混凝土、面層材料生態(tài)砂基透水磚、碎石，占36%，36%，23%，生態(tài)砂基透水磚和混凝土的密度比較大，重量重，相對(duì)而言，這部分碳排放量最大的是生態(tài)砂基透水磚：蓄水池中碳排放量中混凝土和鋼筋，占比分別為96%，4%;屋頂綠化中依次是改良土壤、PVC排蓄水板、SBS改性瀝青防水卷材，分別占49%，42%，7%。

現(xiàn)場(chǎng)施工部分，單位碳排放量較為平均，主要原因是機(jī)械使用基本類似，同一種類的施工機(jī)械的工作能力和能耗差別不大。

由圖5可知，雨水花園的單位面積碳排放量最大，這主要是由于在運(yùn)輸改良土、樹(shù)皮填料和爐渣所需的運(yùn)輸排放量大;透水鋪裝的碳排放量次之;緊隨其后的是蓄水池，在本文的計(jì)算中是露天蓄水池，若要建設(shè)地下蓄水池，則需要更大的碳排放量;碳排放量最小的是屋頂綠化。

4 結(jié)論與討論

通過(guò)以社火公園為研究對(duì)象，對(duì)主要的4項(xiàng)海綿城市措施進(jìn)行碳排放清單分析，結(jié)果表明：建設(shè)所需材料自身生產(chǎn)的碳排放量是建設(shè)施工階段中最重要的碳排放量：所研究的4項(xiàng)典型措施中建設(shè)施工階段單位面積碳排放量順序?yàn)椋河晁▓@>透水鋪裝>蓄水池>屋頂綠化：建設(shè)所需材料碳排放中對(duì)于碳排放量影響最大的材料是混凝土，運(yùn)輸建設(shè)材料的碳排放中對(duì)于碳排放量影響最大的是改良土壤以及混凝土運(yùn)輸。

在建設(shè)施工階段想要減少碳排放量，最主要的是減少材料生產(chǎn)時(shí)的碳排放量，其碳排放因子的動(dòng)態(tài)變化對(duì)于材料碳排放量具有極其顯著的影響。每一種材料的生產(chǎn)過(guò)程中碳排放都存在各種影響因素：一是優(yōu)化能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)可以有效控制碳排放因子，提高城市能源效率以減小碳排放因子，減少能源利用時(shí)的碳排放量;二是在生產(chǎn)過(guò)程中，生產(chǎn)方式、生產(chǎn)技術(shù)的改進(jìn)可以有效降低CO2排放量;三是材料本身的碳含量也對(duì)碳排放具有明顯的影響，碳含量低的材料在同等情況下，其碳排放量自然會(huì)降低，對(duì)建設(shè)材料進(jìn)行選擇或優(yōu)化，可以得到更有利于減少碳排放量的材料;四是回收率對(duì)碳排放因子也具有影響力。以本文研究中的鋼筋為例，其數(shù)值存在很大差異，即回收率為0時(shí)，其排放因子是3.154，50%回收率時(shí)，排放因子為2.208，回收率達(dá)到100%時(shí)，排放因子為1.262。因此，優(yōu)化能源、選用碳含量低的燃料、改進(jìn)材料本身、減少生產(chǎn)損耗會(huì)產(chǎn)生不同的排放因子，導(dǎo)致碳排放量有所差異，降低排放因子就可以成為減少碳排放的重要方法之一。

本研究主要針對(duì)山西省晉中市地區(qū)的水文條件，能夠?yàn)樯轿魇〉吞己＞d城市建設(shè)提供一定的依據(jù)，同時(shí)也對(duì)其他區(qū)域的海綿城市建設(shè)具有一定的參考價(jià)值。研究中主要對(duì)建設(shè)施工階段的碳排放進(jìn)行分析，另外，建設(shè)階段固體廢棄物的碳排放未汁入其中，運(yùn)行維護(hù)階段的碳循環(huán)需要進(jìn)一步研究。