基于生命周期的水庫溫室氣體排放計算

龔 新 ， 李海英 ， 廖文根 ，3

（1.江西省水利規劃設計院，江西 南昌 330029；2.中國水利水電科學研究院，北京 100038；3.水利部水利水電規劃設計總院，北京 100120）

0 引 言

水電被廣泛認同為溫室氣體 （GHG）排放少、清潔、可以替代化石能源的能源，在人類應對氣候變化的挑戰中具有不可替代的作用。但目前，國際上關于水電是清潔能源的屬性尚存爭議， 焦點集中在水庫GHG排放的量化評估及其減排作用上。主要原因是對不同區域、不同類型水庫的GHG排放研究結果差異較大，在學術界并沒有得出完全令人信服的研究結論。多數研究表明，水庫GHG排放非常小，水電是可再生的清潔能源；但也有研究者認為，水庫GHG排放量巨大，修建水庫將引起更嚴重的溫室效應。隨著我國水利工程建設和水電開發進程的加快，水庫GHG排放問題也越來越受到關注，關于大型水庫 （水電站）的溫室效應爭論也時有發生[1-5]。因此，迫切需要對各地區不同類型水庫GHG排放進行量化方法學的深入研究和基礎數據的積累，使水電GHG的減排作用更具有說服力和參考價值。

生命周期評價 （Life Cycle Assessment，LCA）是對產品系統 “從搖籃到墳墓”全過程所涉及的資源消耗和環境影響進行定量評價的方法，被認為是21世紀最有生命力和發展前途的環境管理工具[6]。應用簡化 （或稱篩選）的LCA方法對產品系統的GHG排放研究在未來將是一種趨勢。LCA能比較全面地衡量產品系統能耗和GHG排放水平[7-8]，也是水庫工程GHG排放研究比較有力的工具。

目前，國內水庫GHG排放研究剛剛起步，且研究大多集中于發電為主的水電站水庫，對以防洪、供水、航運等非發電為主的水庫研究較少。本文以簡化的LCA方法，在構建水庫GHG排放及水電GHG排放系數計算方法的基礎上，以低丘區、平原區淺水型非發電為主水庫工程實例進行應用計算。這一方面可為同區域同類型單個水庫GHG排放定量計算及水電減排效益評估提供借鑒和參考；另一面也可為全面探討各種類型水庫GHG排放水平提供數據支持。

1 水庫生命周期GHG排放計算方法

LCA是對產品系統的生命周期中輸入、輸出及其潛在環境影響的匯編和評價。其實施步驟包括：目的與范圍的確定、清單分析、影響評價和結果解釋四個階段。本文專注于分析和研究水庫生命周期GHG排放，將水庫生命周期中的潛在環境影響集中到全球變暖效應上，對其他環境影響效應不做研究評價，即限制或刪減水庫生命周期與GHG排放無關的特定階段、刪減特定的清單分析項目、簡化或忽略與GHG無關或關系不密切的環境負荷來構建水庫GHG排放計算方法。

1.1 水庫系統范圍及邊界設定

（1）水庫生命周期GHG產生的階段及環節。它包括[9]：與建造大壩相關的GHG排放；與水電站運行相關活動產生的GHG；水庫水體中生物體產生的GHG。

（2）系統范圍與邊界設定。根據LCA簡化原則，在不影響結論真實、有效的條件下，考慮數據獲得性和可操作性，依據水庫工程生命周期GHG產生階段及環節，對水庫生命周期系統范圍及邊界做某些限定、假定或簡化：①時間邊界包括建設施工期、運行期2個階段，其中建設施工期細分為建材生產、運輸和建筑施工等3個時段；水庫運行期（100 a）細分為水庫 （電站）運行維護以及水庫蓄水初期 （前 10 a）、 電站穩定運行期 （11～100 a）。②空間邊界指樞紐大壩建筑物、機電設備及附屬設施和正常蓄水位水庫水面范圍。③環境負荷指樞紐建設及運行的建筑原材料 （主要為水泥、鋼筋）、機電設備、金屬結構等、能量消耗 （主要為燃料和電力）和GHG （主要為CO2、CH4、N2O）排放；水庫淹沒區水面 （按正常蓄水位水庫水面面積計）的GHG排放。水庫生命周期GHG排放研究簡化系統邊界見圖1。

圖1 水庫生命周期GHG排放簡化系統邊界

1.2 水庫生命周期清單分析

按照設定的水庫系統邊界，通過對系統內各單元過程及其相關活動的原材料和能源輸入、環境排放輸出分析，建立相應的環境交換清單 （見表1）。

表1 水庫生命周期簡化GHG清單數據

1.2.1 建設施工期

（1）建材生產。建材生產清單分析是對工程建設所需能源、建筑原材料、機電設備以及金屬結構構件等生產過程中的能源、資源消耗和污染物排放等環境負荷進行分析和計算。以每生產計量單位建材 “從搖籃到工廠大門”過程中的能源、資源的消耗量和污染物的排放量來表示。目前，國外許多發達國家都有較為成熟和詳細的建材生產能耗及環境排放的標準化清單數據庫。由于清單數據有較強的地域性和時效性，國內學者對我國能源和主要建材生產過程的環境負荷進行了許多研究，但未形成具有廣泛認同的清單數據庫。本文借鑒利用國內已有的研究成果，整理出適合水庫GHG排放的主要能源及建材生產過程的排放清單數據[10-11]（見表 2和表 3）。

（2）材料運輸。材料運輸清單分析是指能源、建材或其他設備從生產廠家運送到施工現場的能耗及排放，主要為能源輸送和交通運輸工具運輸過程中消耗能源而產生的環境負荷。據統計[11]，我國鐵路運輸中單位能耗為： 柴油 12.84 kg/（104t·km），電力 52.17 kW·h/（104t·km）； 柴油貨車油耗量為6.5 L/（102t·km）（約 5.53 kg/（102t·km））， 內河運輸燃油消耗為3.69 kg/（103t·km）。據表2計算主要交通運輸工具單位貨物運輸的能耗及環境排放清單見表4。通過對水庫工程主要建筑材料、機電設備和金屬結構構件等外來物資的運輸方式、運輸里程及貨物量的分析，按單位貨物運輸方式的環境負荷清單，就可計算材料運輸階段的能耗和GHG排放。

表2 主要能源生產、使用過程的能耗與GHG排放清單kg

表3 主要建材生產過程的能源、資源消耗與GHG排放清單 kg

表4 單位貨物運輸過程中能源、資源消耗與GHG排放清單kg

（3）建筑施工。建筑施工階段是指建材和設備運到建筑場地后，現場營建物化建筑物以及機電設備和金屬結構等安裝的施工過程，施工項目主要包括：土石方開挖工程、基礎工程、土石壩和混凝土工程、機電設備及金屬結構安裝工程等。這些項目的施工都需要消耗一定數量的人工和施工機械，產生一定數量的能耗和排放：①水電站建設涉及的單元工程和施工機械繁多，包括挖掘機、裝載機、推土機、空壓機、振動碾、自卸汽車、鏈斗式挖泥船、架橋機、門機、平板拖車、架橋機、水泵以及砂石篩分系統、混凝土拌和系統等幾十種，逐個統計不具有操作性。由于柴油是絕大部分施工機械的動力，通常將總油耗以柴油來表示。另外機械設備大多可重復利用，其損耗由于數量比重小和相關資料缺乏，暫不考慮。②施工用電分為施工機械設備用電和生活用電。施工機械設備用電主要包括空壓機、潛孔鉆、手風鉆、水泵以及砂石篩分系統、混凝土拌和系統等機械設備正常運轉消耗；生活用電包括施工營地的辦公管理設施、施工人員生活及福利配套設施等日常消耗。建筑施工階段主要能源生產及使用過程的能耗與環境排放清單見表2。

1.2.2 水庫運行期

水庫運行期GHG排放主要包括兩部分：電站運行維護所需要的能耗和GHG排放；水庫蓄水后水體產生的GHG排放。

高潮聽到梅宏圖罵他，沒有生氣，反倒心里直樂呵。給老子錢，老子就要。老子不便出面，可以叫“詩的妾”去拿；“詩的妾”不愿意去，老子可以花錢雇個民工跑趟腿兒。

（1）電站運行維護。水電站運行維護階段主要有電站生產設備及其輔助設備、生產運行及管理配套設施等正常運轉消耗的能量和材料，以消耗電能為主。主要用能設備有水輪機發電機組、電氣設備、主變、閘門啟閉設備、水泵等電站生產系統；主要用能設施包括主副廠房生產、壩區及公路、管理辦公用房及生活住宅房等設施的照明、空調及通風用電。水電站發電可為電站自身運行用能設備及設施提供電力保證，但由于水力發電具有季節性和調峰作用，因此在水力發電不能保證期間都需要外源電力來維持水電站的各種運行。根據運行期水電與火電的供應比例，采用電力能源清單和運行電耗計算電站運行維護階段的GHG排放量。

（2）水庫水面GHG排放。據研究，由水庫蓄水淹沒造成的有機質分解而產生的GHG排放主要發生在水庫淹沒的前10年，在水庫蓄水2～3年后達到最大，隨后逐漸降低，10年后水庫CO2排放通量與湖泊高度相似，這時GHG排放主要來自流域中輸入的有機質碳源造成[2]。因此，把水庫水面GHG排放周期分為水庫淹沒初期 （前10年）和穩定運行期（11～100年）兩個階段。理論上水庫水體GHG排放量應為凈排放量，即減去蓄水前自然狀態的排放量，但目前國內外對水庫淹沒水體GHG凈排放研究數據非常缺乏，有待深入的研究；對尚未建成或無實測資料的水庫，可參考已有文獻資料的水庫實測GHG排放通量[2，9，12-14]，從地理位置、氣候條件、水庫特征等方面，采取類比分析方法來預測水庫水面生命周期GHG排放水平。

1.3 水庫生命周期GHG排放量計算與評價

通過對水庫工程生命周期各階段工程量、材料和能源消耗數據的分類統計，利用上述水庫生命周期各階段GHG清單，可以計算水庫生命周期各類GHG排放量。

聯合國政府間氣候變化專門委員會 （IPCC）對GHG排放引起的全球氣候變暖效應以全球變暖潛值（GWP，Global Warming Potentials）來衡量和評價，GWP以CO2為基準，將其他溫室氣體的GWP按相應的當量系數折算為CO2當量 （以CO2eq表示，以下GHG排放量均為已折算的量值）。CO2、CH4、N2O 的當量系數為： CO2∶CH4∶N2O=1∶21∶310[15]。 水庫工程生命周期GHG排放總量

式中，wij為第j階段第i種GHG的排放量，kg；Ki為第i種GHG的當量系數。

1.4 水電生命周期GHG排放系數計算方法

水庫庫容、水庫面積和樞紐建筑物規模千差萬別，大壩建筑物建設的原材料、能源和機械的使用量相差很大，故不同規模水庫GHG排放總量差別很大；而水庫運行階段的持續時間占了水庫生命周期絕大部分，評價年限對評價結果影響也很大。 為了便于不同水電站間GHG排放水平的比較， 通常用水電GHG排放系數Es來作評價，即

式中，Es為水電生命周期GHG排放系數，g/kW·h；Es為第j階段GHG的排放量，g；Q為水電站生命周期發電總量，kW·h。

通過對不同水電站Es的對比分析，可以評價各類水庫的發電GHG排放水平，并為水庫發電GHG減排效益評估提供基礎數據。

2 實例與討論

2.1 峽江水庫工程簡況

峽江水利樞紐工程位于江西省贛江中游下端的吉安市峽江縣境內，是一座以防洪、發電、航運為主，兼顧灌溉等綜合利用的大 （1）型水利樞紐工程，為贛江流域防洪控制性工程。 峽江水庫正常蓄水位46.0 m （黃海高程，下同），死水位44.0 m，水庫總庫容 11.87×108m3， 防洪庫容 6.0×108m3，正常蓄水位水庫面積119 km2，為典型低丘區淺水型水庫。樞紐主要建筑物由混凝土重力壩、混凝土泄水閘、電站廠房、船閘、魚道等組成，重力壩最大壩高22.1 m；電站總裝機容量360 MW，年均發電量11.44×108kWh；工程總工期 6年 （72個月），于2009年開工建設，計劃2013年7月第1臺機組發電，2015年8月全面建成發電。主要建材用量見表5。

表5 主要建筑材料用量

2.2 峽江水庫生命周期GHG排放量

根據峽江水庫生命周期各階段工程量、材料和能源消耗數據，利用有關GHG清單計算出峽江水庫生命周期GHG總排放量為541萬t，各階段排放量詳見圖2和表6。

圖2 峽江水庫生命周期各階段GHG排放量分布

從上述計算結果分析，在峽江水庫生命周期各階段GHG排放總量中，建設施工期約占18.82%，運行期約占81.18%；運行期的排放量中由水庫淹沒水體產生的GHG約占91.02%。可見，水庫生命周期GHG排放主要發生在運行期，且絕大部分由水庫淹沒水體產生。

2.3 峽江水電GHG排放系數計算

按峽江水電站多年平均發電量11.44億kWh計算，峽江水電站生命周期GHG的排放系數為47.3 g/kW·h，其中建設施工期為9 g/kW·h，運行期為38.3 g/kW·h （詳見圖 2）。

2.4 峽江水電GHG排放系數分析與討論

國內水電站GHG排放系數研究主要集中于我國南部和西部地區的山區、深水型水庫，且基本都以發電為主要開發功能；不同規模水電站的水電GHG排放系數研究結果在 5～260 g/kW·h 之間[9，13，16]。 其中，大型水電站的排放系數多在5～18 g/kW·h之間，相對于中小水電站GHG排放系數，大型水電工程表現出明顯的規模效應。

表6 峽江水庫生命周期各階段能耗和GHG排放量t

峽江水電站GHG排放系數高于目前國內以發電為主的大型水電站GHG排放系數，其主要原因有：①峽江水庫為典型低丘、淺水型水庫，功率密度（發電裝機容量/水庫淹沒表面積）較小 （為3.03 W/m2）。低丘、平原、淺水型水庫相對有較大的蓄水面積，水面與氣體交換量大，這樣的水庫更接近湖泊濕地，GHG排放會明顯大于山區、深水型的水庫。②峽江水庫以防洪、發電、航運為主，兼顧灌溉等綜合利用。對這類發電相對較少的綜合利用水庫來說，將全部水庫面積與有限的發電量比較，顯然會比單純以發電為主的水電站的GHG排放系數高。

盡管峽江水庫發電GHG排放系數比單純以發電為主的水電工程高，但與化石燃料發電相比仍然較低 （詳見表7）。如比煤電GHG排放系數低出一個數量級，可見仍然具有突出的GHG減排效益。

表7 不同發電能源GHG排放系數比較 g/kW·h

3 結 語

本文以簡化的LCA方法，在分析水庫GHG產生階段和環節基礎上將水庫生命周期劃分為建材生產、材料運輸、建筑施工、水庫蓄水淹沒初期和穩定運行期等階段，借鑒國內相關清單數據的研究成果，參考IPCC溫室氣體的計算方法，構建了水庫生命周期GHG排放量和水電GHG排放系數計算方法。以防洪等為主的峽江水庫實例表明，水庫GHG排放主要發生在運行期，且絕大部分由水庫淹沒水體產生。雖然這種典型低丘區淺水型峽江水電站的水庫GHG排放系數高于以發電為主的大型水電站GHG排放系數，但還是大大低于化石燃料發電GHG排放系數，仍具有突出的GHG減排效益。

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