高速公路土建階段碳排放核算方法與減排潛力研究

摘 要：為準(zhǔn)確量化高速公路土建階段碳排放水平，定性分析碳減排潛力，以某新建高速公路典型標(biāo)段工程為案例，提出基于排放清單的過(guò)程生命周期評(píng)價(jià)分析方法，探究高速公路土建階段的碳排放特征，明確核算系統(tǒng)邊界和分析流程，構(gòu)建不同周期階段的碳排放核算方法，同時(shí)從可再生建材的應(yīng)用角度深入探究該階段的碳減排潛力。

關(guān)鍵詞：高速公路;土建階段;碳排放;情景分析;碳減排潛力

中圖分類號(hào)：U415.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2024）34-0136-06

Abstract： In order to accurately quantify the carbon emission level in the civil construction stage of highways and qualitatively analyze the carbon emission reduction potential， taking a typical section project of a newly built highway as an example， a process life cycle assessment analysis method based on emission inventories is proposed to explore the carbon emission characteristics of highways in the civil construction stage.， the boundaries of the accounting system and analysis processes are clarified， and carbon emission accounting methods for different cycle stages are constructed; at the same time， the carbon emission reduction potential of this stage is deeply explored from the perspective of the application of renewable building materials.

Keywords： highway; civil construction phase; carbon emissions; scenario analysis; carbon emission reduction potential

當(dāng)前階段，我國(guó)公路建設(shè)規(guī)模已達(dá)全球第一，公路建設(shè)過(guò)程會(huì)大量消耗能源、原材料以及相關(guān)成品或半成品，有研究顯示公路建設(shè)已成為交通行業(yè)溫室氣體排放的重要來(lái)源，其碳排放量不容小覷。

為此，國(guó)內(nèi)外很多研究者針對(duì)高速公路碳排放問(wèn)題進(jìn)行了相關(guān)研究。英國(guó)交通研究實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的ASPECT[1]碳排放計(jì)算程序，針對(duì)公路全壽命周期的碳排放進(jìn)行研究，將公路全壽命周期分為10個(gè)階段，并給出了再生利用舊料和新料的潛在多次回收利用相應(yīng)的碳折減計(jì)算系數(shù)。美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校聯(lián)合加州路面研究中心合作開(kāi)發(fā)的PALATE[2]碳排放計(jì)算程序，以路面工程為研究對(duì)象，將公路周期劃分為6個(gè)階段，對(duì)采用新型的路面材料及施工工藝所減少的碳排放進(jìn)行了定量分析，并與傳統(tǒng)路面進(jìn)行了比較，具有一定的前瞻性和指導(dǎo)意義。目前國(guó)內(nèi)針對(duì)于高速公路建設(shè)期的碳排放計(jì)算，研究較為分散，不成體系，其碳排放模型及排放因子常參考其他行業(yè)及領(lǐng)域，例如當(dāng)前諸多計(jì)算方法均參照IPCC的計(jì)算方法或建筑業(yè)的計(jì)算方法，但交通基礎(chǔ)設(shè)施在碳排放方面又與民用建筑不完全相同，如涉及大規(guī)模的土地變化、碳排放源更加復(fù)雜多樣，因此具有區(qū)別于其他建筑物的特殊性。綜上所述，高速公路碳排放理論的研究起步較晚，既有高速公路建設(shè)過(guò)程碳排放來(lái)源分析等方面的研究零散，碳排放的結(jié)果有較大誤差，且現(xiàn)有研究大多缺乏對(duì)公路行業(yè)碳排放平均水平的考察以及對(duì)評(píng)估結(jié)果的碳減排潛力分析。

本文首先明確了高速公路土建階段的碳排放核算范圍，以過(guò)程生命周期理論將高速公路土建階段劃分為土地征拆階段、材料物化階段、材料運(yùn)輸階段和土建施工階段，建立了不同階段的碳排放核算方法，并對(duì)碳排放因子進(jìn)行選取確定，形成過(guò)程生命周期碳排放核算清單，系統(tǒng)構(gòu)建了高速公路土建階段碳排放核算模型。最終以某高速公路典型標(biāo)段工程作為實(shí)際案例獲得具有可比性的、更接近實(shí)際排放的高速公路土建階段碳排放指標(biāo)及統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。同時(shí)，采用情景分析法，從低碳建材應(yīng)用的角度對(duì)高速公路土建階段碳排放強(qiáng)度進(jìn)行分析，預(yù)測(cè)了高速公路土建過(guò)程的碳減排潛力，為高速公路建設(shè)單位進(jìn)行路線方案的優(yōu)選、控制碳排放量、實(shí)施節(jié)能減排措施等提供理論依據(jù)。

1 高速公路土建階段碳排放核算模型

1.1 碳排放核算系統(tǒng)邊界

由于高速公路建設(shè)規(guī)模大，涉及項(xiàng)目眾多，且考慮到研究深度及數(shù)據(jù)樣本的采集難度等因素，難以全面核算，因此本文從空間和時(shí)間2個(gè)維度對(duì)高速公路土建階段碳排放核算系統(tǒng)邊界進(jìn)行明確?？臻g維度參照公路工程施工圖預(yù)算項(xiàng)目表將高速公路土建階段劃分為臨時(shí)工程、路基工程、橋梁涵洞工程、隧道工程、交叉工程、交通工程及沿線設(shè)施、綠化及環(huán)境保護(hù)工程、其他工程等8個(gè)單位工程，每個(gè)單位工程細(xì)分為不同的分部分項(xiàng)工程;時(shí)間維度通過(guò)過(guò)程生命周期理論將高速公路土建階段分為土建前期征地拆遷階段和項(xiàng)目土建進(jìn)行階段，其中項(xiàng)目土建進(jìn)行階段又分為材料物化、材料運(yùn)輸、土建施工3個(gè)階段。

1.2 碳排放核算模型

本研究以過(guò)程生命周期框架作為劃分依據(jù)，將高速公路工程土建階段劃分為征地拆遷碳匯減少階段、建材及預(yù)制構(gòu)件物化階段、建材及構(gòu)配件運(yùn)輸階段和土建施工階段，建立高速公路土建階段碳排放核算模型，各階段的CO2排放計(jì)算方法為

E=EY+ES+EV+EC，

式中：E為土建階段碳排放總量，單位為tCO2e;EY、ES、EV和EC分別表示征地拆遷碳匯減少階段、建材及預(yù)制構(gòu)件物化階段、建材及構(gòu)配件運(yùn)輸階段和土建施工階段的碳排放量，單位為tCO2e。

1.2.1 征地拆遷碳匯減少階段

征地拆遷綠植碳匯減少階段碳排放核算公式為

EY=Fi×Si×T ，

式中：Fi為第i類植被單位土地面積年固碳量，單位為tCO2e/hm2·a;Si為第i類植被單位土地面積，單位為hm2;T為高速公路拆遷至土建階段結(jié)束年限，單位為a。

1.2.2 建材及預(yù)制構(gòu)件物化階段

因建材及預(yù)制構(gòu)件的種類繁多，為方便核算該階段碳排放，本研究取物資預(yù)算清單中材料累計(jì)重量占總重量80%以上的建材及預(yù)制構(gòu)件作為主要碳排放源進(jìn)行分析，其余材料忽略不計(jì)[3]。建材及預(yù)制構(gòu)件物化階段碳排放核算公式為

ES=Qi×EFi ，

式中：Qi為第i類建材及預(yù)制構(gòu)件消耗量，單位為t;EFi為第i類建材及預(yù)制構(gòu)件物化階段碳排放因子，單位為tCO2e/t。

1.2.3 建材及構(gòu)配件運(yùn)輸階段

建材及構(gòu)配件運(yùn)輸階段碳排放核算公式為

EV=Di×Aij×Mj ，

式中：Di為第i種貨物的消耗量，單位為t;Aij為第i種貨物第j種運(yùn)輸方式的平均運(yùn)輸距離，單位為km;Mj為第j種運(yùn)輸方式下，單位重量運(yùn)輸距離的碳排放因子，單位為kgCO2e/（t·km）。

1.2.4 土建施工階段

土建施工階段碳排放核算公式為

EC=RLi×RZi×EFi+ACe×EFe，

式中：RLi為施工過(guò)程消耗的第i類能源消耗量，單位為t;RZi為第i種化石燃料平均低位發(fā)熱量，單位為kJ/kg;EFi表示施工消耗的第i類能源碳排放因子，單位為tCO2e/TJ;ACe為施工過(guò)程電力消耗量，單位為kWh;EFe為國(guó)家電網(wǎng)公布的電力碳排放因子，單位為tCO2e/MWh。

1.3 碳排放強(qiáng)度

為準(zhǔn)確評(píng)估各耗能單元的碳排放水平，提出高速公路土建階段碳排放強(qiáng)度F，其計(jì)算公式為

F=，

式中：F為高速公路土建階段碳排放強(qiáng)度（單位里程高速公路碳排放量），單位為tCO2e/km;I為核算范圍內(nèi)的高速公路土建公路里程，單位為km;E表示土建階段碳排放量，單位為tCO2e。

2 高速39f198baaca84c7897af6b12d81380e4公路工程實(shí)際案例分析

2.1 工程概況

本研究選取某新建高速公路某典型標(biāo)段工程土建階段作為研究對(duì)象，該標(biāo)段土建工程總長(zhǎng)為13.2 km，其中，隧道6座，長(zhǎng)7.345 km，占線路長(zhǎng)度的55.6%;橋梁5座，總長(zhǎng)2.922 km，占線路長(zhǎng)度的22.1%;路基長(zhǎng)2.932 km，占線路長(zhǎng)度的22.3%;涵洞8座，共計(jì)587.4橫延米;服務(wù)區(qū)1個(gè)。

2.2 高速公路標(biāo)段工程土建階段碳排放核算

2.2.1 標(biāo)段工程征拆階段碳排放核算

根據(jù)植被年固碳量及工程征拆階段至土建階段年限可得到不同征拆類型土地的碳排放量，見(jiàn)表1[4-5]。

本標(biāo)段工程征拆階段碳排放總量為3 949.45 tCO2e，其中工程永久征拆土地減少的植被碳匯量為2 516.57 tCO2e，占總排放的63.72%;臨時(shí)征拆土地減少的植被碳匯量為1 432.88 tCO2e，占總排放的36.28%。

2.2.2 標(biāo)段工程材料物化階段碳排放核算

根據(jù)前文簡(jiǎn)化條件，通過(guò)選取該標(biāo)段工程的如下33種主要材料對(duì)其物化階段產(chǎn)生的碳排放進(jìn)行核算，具體見(jiàn)表2[6-10]。

本標(biāo)段工程材料物化階段產(chǎn)生的碳排放量為412 200.34 tCO2e，其中混凝土物化產(chǎn)生的碳排放為200 477.53 tCO2e，占物化階段排放總量的48.64%;鋼材物化產(chǎn)生的碳排放為155 703.12 tCO2e，占物化階段排放總量的37.77%;塑料及其他化工材料物化產(chǎn)生的碳排放為52 624.11 tCO2e，占物化階段排放總量的12.77%;建筑原材料、火工品及鐵質(zhì)加工品物化產(chǎn)生的碳排放較小，分別為3 079.44、247.05、69.09 tCO2e，占物化階段排放總量的0.75%、0.06%、0.01%。

2.2.3 標(biāo)段工程材料運(yùn)輸階段碳排放核算

高速公路工程建設(shè)過(guò)程中，采用的運(yùn)輸方式一般為公路運(yùn)輸，因此本文僅針對(duì)公路運(yùn)輸進(jìn)行碳排放計(jì)算，具體見(jiàn)表3[6，11-12]。

本標(biāo)段工程材料運(yùn)輸階段產(chǎn)生的碳排放量為17 032.55 tCO2e，其中建筑原材料運(yùn)輸產(chǎn)生的碳排放為6 431.08 tCO2e，占運(yùn)輸階段碳排放總量的37.76%;混凝土運(yùn)輸產(chǎn)生的碳排放為4 994.35 tCO2e，占運(yùn)輸階段碳排放總量的29.32%;鋼材運(yùn)輸產(chǎn)生的碳排放為4 793.76 tCO2e，占運(yùn)輸階段碳排放總量的28.14%;塑料及其他化工材料、火工品及鐵制加工品運(yùn)輸產(chǎn)生的碳排放較小，分別占物化階段排放總量的4.39%、0.36%、0.03%。

2.2.4 標(biāo)段工程土建施工階段碳排放核算

標(biāo)段工程土建施工階段碳排放主要是項(xiàng)目工區(qū)施工設(shè)備耗能產(chǎn)生的碳排放及項(xiàng)目部及工區(qū)施工人員日常活動(dòng)消耗的一次及二次能源產(chǎn)生的碳排放，具體碳排放見(jiàn)表4[6，13-14]。

本標(biāo)段工程土建施工階段產(chǎn)生的碳排放量為23 267.05 tCO2e，其中能源燃燒所產(chǎn)生的直接碳排放為10 479.36 tCO2e，占土建施工階段總排放的45.04%，汽油、柴油、液化石油氣及乙炔消耗產(chǎn)生的碳排放占比分別為9.53%、35.13%、0.37%和0.01%;外購(gòu)電力使用所產(chǎn)生的間接碳排放為12 787.68 tCO2e，占土建施工階段總排放的54.96%。

2.2.5 標(biāo)段工程土建階段碳排放核算結(jié)果分析

匯總高速公路標(biāo)段土建過(guò)程4個(gè)階段的碳排放量，見(jiàn)表5。本案例高速公路標(biāo)段工程土建階段產(chǎn)生的碳排放總量為456 449.38 tCO2e，碳排放強(qiáng)度為34 579.50 tCO2e/km，標(biāo)段工程征拆階段、材料物化階段、材料運(yùn)輸階段、土建施工階段的碳排放量分別為3 949.45、

412 200.32、17 032.56、23 267.05 tCO2e，碳排放強(qiáng)度分別為299.20、31 227.30、1 290.35、1 762.66 tCO2e/km。

由圖1可以看出不同階段對(duì)高速公路標(biāo)段工程土建過(guò)程的碳排放貢獻(xiàn)程度，標(biāo)段工程土建過(guò)程的減排重點(diǎn)在材料物化階段，該階段碳排放量占土建階段總碳排放的90.31%，減排潛力巨大;征拆階段、材料運(yùn)輸階段及土建施工階段的碳排放貢獻(xiàn)程度較低，僅占高速公路標(biāo)段工程土建階段總碳排放的9.69%，對(duì)土建階段碳排放影響較小。

3 高速公路土建階段碳減排潛力分析

3.1 情景參數(shù)設(shè)置

由碳排放核算結(jié)果分析可知，材料物化階段是高速公路土建施工過(guò)程中的碳減排重要環(huán)節(jié)，鋼材以及混凝土在高速公路建設(shè)中均屬于高碳排放建材。結(jié)合有關(guān)再生建材使用的相關(guān)文獻(xiàn)，采用情景分析法，對(duì)未來(lái)高速公路土建施工過(guò)程中碳排放水平及潛力進(jìn)行預(yù)測(cè)。以2023年為參考年，設(shè)置3種情景，分別為基準(zhǔn)情景、保守型情景及樂(lè)觀型情景，情景指標(biāo)的選取及設(shè)置參考《“十四五”建筑節(jié)能與綠色建筑發(fā)展規(guī)劃》[15]，具體情景參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表6。本研究所使用的再生碳排放系數(shù)數(shù)據(jù)參考相關(guān)研究文獻(xiàn)[16]至[17]。

3.2 碳減排潛力分析

碳排放強(qiáng)度指單位面積的碳排放量，將此參數(shù)與敏感性分析結(jié)果共同作為分析碳減排潛力的重要指標(biāo)，計(jì)算結(jié)果如圖2所示。至2023年8月高速公路土建階段的碳排放強(qiáng)度為34 579.50 tCO2e/km，通過(guò)使用可再生混凝土及鋼材，碳排放強(qiáng)度顯著降低。2028年，情景一（保守型）、情景二（樂(lè)觀型）的碳排放強(qiáng)度分別為32 978.88、31 552.38 tCO2e/km，較基準(zhǔn)碳排放強(qiáng)度降低4.63%、8.75%;2035年，情景一（保守型）碳排放強(qiáng)度為32 108.29 tCO2e/km，較基準(zhǔn)碳排放強(qiáng)度下降7.15%。情景二（樂(lè)觀型）碳排放強(qiáng)度最低，為29 637.09 tCO2e/km，較基準(zhǔn)碳排放強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)最大降幅，為14.29%。

4 結(jié)論

本文對(duì)某高速公路標(biāo)段工程土建階段碳排放進(jìn)行量化核算及碳減排潛力分析，結(jié)論如下。

1）本文將高速公路土建過(guò)程劃分為4個(gè)階段，依據(jù)階段劃分提出高速公路土建階段碳排放核算邊界，構(gòu)建了基于排放系數(shù)法的高速公路施工過(guò)程的碳排放計(jì)算模型，全面涵蓋了高速公路土建過(guò)程涉及碳排放的各個(gè)內(nèi)容，特別是完善了建設(shè)前期由于征地減少的植物碳匯部分碳排放量。

2）高速公路土建階段的碳排放主要由材料物化階段產(chǎn)生，占土建過(guò)程總排放的90.31%，其他階段對(duì)總體碳排放影響較小。

3）結(jié)合情景設(shè)置探討了可再生建材比例對(duì)高速公路土建施工的減碳可行性。圍繞著碳減排潛力分析的結(jié)果，能夠有針對(duì)性地制定各階段減排措施。

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第一作者簡(jiǎn)介：龍偉（1970-），男，高級(jí)工程師，總經(jīng)理，總工程師。研究方向?yàn)楣饭こ獭?/p>

*通信作者：梁彥桐（1998-），男，工程師。研究方向?yàn)榛A(chǔ)設(shè)施低碳理論、路域碳匯。