公路設施建設項目碳排量測算方法研究

鞏舜妹，楊祥一，劉發明

（1.宿州學院資源與土木工程學院安徽宿州234000;2.深圳市綜合交通設計研究院廣東深圳518000）

0 引言

二氧化碳排放量的管理與控制是全球性的熱議話題，而交通工程行業的持續發展成了二氧化碳排放與能源消耗的重災區[1]，同時產生各種固體廢棄物。公路設施在建設過程中排放大量的二氧化碳氣體，是全球溫度升高的重要誘因[2]。節能減排與低碳環保是國家的基本戰略方針，也是社會各界關注的技術難點問題，而中國交通運輸行業排放的二氧化碳溫室氣體與與其他的境污染物占國家總排放量的8%，因此，減少交通運輸行業的二氧化碳排放量刻不容緩。

為了實現二氧化碳減排目標，提高節能減排的公眾參與度和實施積極性，量化二氧化碳的排放量成為技術重點與難點[3]。研究表明：國家工程建設排放的二氧化碳與能源資源的消耗占建設工程全生命周期的25%，尤其是公路工程設施建設的二氧化碳排放問題不容忽視。我國對交通運輸行業運營期間的二氧化碳排放量的研究較成熟，而對公路設施建設期的二氧化碳排放量研究較少[4]，細化公路設施建設期各項工作過程中產生的環境污染物，量化溫室氣體排放變得尤為重要。

擬以中國內陸性的城市陜西省銅川市作為研究案例，深入探討與研究公路設施建設與碳排放之間的內在聯系，對二氧化碳排放量的測算方法展開研究，以推動減排工作的順利完成。

1 公路設施建設碳排放來源

高速公路、一級公路、二級公路、三級公路主要的二氧化碳排放量來源于石油瀝青、砂、生石灰與水泥；四級公路主要的二氧化碳排放量來自于砂、碎石、水泥[7]。國道、省道、縣道、鄉道、農村公路、高速公路、匝道以及高速公路連接線的建設過程中產生大量的二氧化碳[8]。就農村公路而言，為了提高其通達性與服務水平，有序推進縣鄉公路的新建與改建，順利完成“村村通”公路改造工程，銅川市擬投資4.96億元，改建“村村通”公路660公里，其中，規劃項目擬投資1.54億元，建設205公里，儲備項目擬投資3.42億元，建設455公里。“十三五”期間，銅川市主要的公路設施建設內容及項目建設規模見表1：

表1 “十三五”擬規劃建設項目表

由表（1）可知：依據規劃建設項目技術等級的不同，公路分為五個等級，建設規模各自不同，其中三級公路占比最大，高速公路占比最小，分別占建設總規模的33.17%與3.01%。

二氧化碳的排放來源于公路設施的建設。尤其是瀝青路面的鋪設，熱拌瀝青混合料（HMA）常被應用到工程實踐之中，HMA主要由瀝青、集料以及礦粉拌和形成[9]，在其拌和的過程中，因其工藝的復雜性，形成大量的二氧化碳溫室氣體[10]。

2 碳排放生命周期評價理論

2.1 生命周期評價概念

生命周期評價（Life Cycle Assessment）簡稱LCA[11]，它包含兩個方面：人類生產活動與產品物質生產。LCA是度量人類生產活動與產品物質生產所產生的環境負荷的一種量化工具，預測人類生產活動過程中排放的氣體廢棄物與固體廢棄物，并評估廢棄物對社會造成的環境負擔，通過廢棄物排量測算方法，達到改善社會環境的目的。生命周期評價是一種動態循環機制，其預評的對象復雜多樣，包括人類生產活動、產品物質以及工藝模型，并且涵蓋了生命周期的全過程，以熱拌瀝青混合料（HMA）為例，HMA原材料主要包括瀝青、集料以及礦粉，就有機結合料瀝青而言，它的原油提取工藝極其復雜，加工過程中產生大量的二氧化碳，后期的提純、運輸、使用與循環又會產生大量的二氧化碳。生命周期評價框架如圖1所示：

圖1 生命周期評價框架

由圖1可知，生命周期評價主要包括四個階段的內容，其中最重要的為第二階段的清單分析與第三階段的影響評價，直接運用到工程實踐中，對產品進行清單分析，開發與改進產品的質量，減少現場施工過程中廢棄物的排放，以達到生命周期評價的目的。

2.2 生命周期評價體系

2.2.1 評價范圍與對象

公路設施建設依托于碳排放生命周期，公路工程建設的過程中，消耗大量的資源與能源。瀝青、集料與礦粉的消耗，向外界環境排放出大量的二氧化碳溫室氣體。為了精準測算二氧化碳排放量，公路施工過程中產生的二氧化碳總量作為全生命周期的碳來源，公路施工階段的二氧化碳排放來源如表2所示。

交通工程建設生命周期依托于生命周期評價體系，系統邊界內部包含二氧化碳排放的對象與評價范圍。公路施工階段的原材料生產與獲取，量化其二氧化碳產生量；生產建設材料與加工構配件以形成工程實體，最后完成現場施工與系統安裝，交通工程建設生命周期的具體流程如圖2所示。

表2 公路工程建設施工階段二氧化碳排放來源

圖2 交通工程建設生命周期系統邊界

2.2.2 清單分析

二氧化碳當量碳排放通常用來表征溫室氣體的排放量，生命周期評價過程中能量與物質之間的動態轉化作為清單分析的一般化階段，量化分析碳排放因子，對整個生命周期的能源與資源進行數據化分析。就公路設施建設項目的原材料而言，主要有三類清單數據分析方法：基于公路設施建設過程的清單數據分析、項目建設過程混合清單數據分析以及原材料經濟投入產出數據分析。集料與瀝青作為公路鋪設的重要原材料，干燥集料的過程中產生大量的CO2溫室氣體，加熱瀝青的過程中同時排放大量的CO2溫室氣體，每一項生產工藝流程都會伴隨著巨大的碳排放量，以公路工程的施工特點為例，采用基于公路設施建設過程的清單數據分析方法，對施工過程產生的碳排量進行具體分析。

基于公路設施建設過程的清單分析以項目建設的施工過程為主要依據，劃分為三個階段：運輸使用量、原材料使用量以及機械使用量，即運輸過程中的油耗二氧化碳排放量、原材料加工過程中的二氧化碳排放量以及機械工具使用過程中的油耗二氧化碳排放量。通過對單元間的輸入與輸出做清單數據分析，并建立數據庫，清晰化數據清單，其內容與步驟具體如下圖3所示。

圖3 清單分析內容與步驟

清單分析子系統的含義及計算方法如下：

①運輸使用量。從起點到終點的運輸過程中產生的二氧化碳排放量，包括原材料運輸過程、裝卸過程以及其他相關的運輸過程。原材料主要包括：集料、水泥、瀝青、礦粉、鋼材以及木材。單項材料運輸量的計算結果見式（1）。

②原材料使用量。材料量是指按施工過程中消耗的構成工程實體的原材料、輔助材料、構配件、零件和半成品的用量。計算方法見式（2）

③施工機械工具使用量。施工機械工具使用量包括：進出場量以及燃料動力量。計算方法見式（3）

3 公路設施項目二氧化碳計算方法建立

3.1 二氧化碳排放量計算

能源消耗排放清單采用政府間氣候變化專門委員會提出的環境排放因子，其量化方法準確性較高，計算方法見式（4）

式中：Ai為能源i的二氧化碳排放量；Bi為材料能源i消費量；Ci為材料能源i二氧化碳排放系數；i為材料能源種類。

3.2 二氧化碳排放因子

能源二氧化碳排放因子是指消耗單位質量能源伴隨的二氧化碳氣體的排放量，是表示某種能源二氧化碳排放特征的重要參數，也是計算二氧化碳排放的基礎數據。它將有關活動的數據和二氧化碳排放量聯系起來。

采用如下方法選擇二氧化碳排放因子：數據來源單一的因子直接取原始數據為計算因子，數據來源兩個或兩個以上的，取它們的平均值作為計算因子。從而得出了建設過程中所需材料和能源的二氧化碳排放因子，如表3所示。

3.3 公路設施建設項目主要物耗二氧化碳排放量計算

根據近年若干公路建設項目的工程數量與物資消耗設計估算，不同等級、不同類別公路建設的物耗水平差別較大，根據《公路工程定額指標及編制辦法示例和投資造價實務全書》中不同等級公路建設項目每公里的主要物耗，及表3中列出的二氧化碳排放因子，利用二氧化碳排放量公式計算出了不同技術等級公路建設項目每公里的主要物耗的二氧化碳排放量。

表3 各種材料和能源的二氧化碳排放因子

根據以上計算方法選取了不同等級公路的綜合指標，表4的數據是根據綜合指標計算得到的，根據能源二氧化碳排放量中的基礎數據計算，得到每公里高速公路建設項目的二氧化碳排放量， 結果如表5所示。

表4 公路建設項目每公里主要物耗（單位：t）

表5 公路建設項目每公里主要物耗的二氧化碳排放量（單位：t）

根據得到的數據結果，對不同等級的公路建設的相關數據進行進一步分析發現：高速公路、一級公路、二級公路、三級公路主要的二氧化碳排放量來自于石油瀝青、砂、生石灰和水泥，約占總量的88%；四級公路主要的二氧化碳排放量來自于砂、碎石、水泥，約占總量的88.5%。在高等級公路建設過程中，石油瀝青、砂、生石灰和水泥的選材與使用是節能減排的研究重點和關鍵步驟；在建設四級公路時，砂、碎石、水泥的選材與使用是節能減排的研究重點和關鍵步驟。

4 銅川市“十三五”公路建設項目二氧化碳排放量計算

根據表5中各類建設項目每公里的二氧化碳排放量及表6中列出的銅川市“十三五”公路擬規劃建設項目表，計算得到銅川市“十三五”公路建設項目的二氧化碳排放總量為1 792 989.80噸。

表6 各類建設項目的二氧化碳排放情況

由表6可知：隨著道路等級與車道通行能力的增加，每車道每公里建設的二氧化碳排放量呈遞增趨勢。

5 結語

①熱拌瀝青混合料（HMA）的碳排放主要來源于加熱揮發碳排放和能源消耗碳排放。

②公路設施建設過程中，利用二氧化碳排放量公式對碳排放量進行測算，結果表明：隨著擬規劃建設項目車道通行能力的增加，其二氧化碳排放總量呈遞增趨勢。

③高速公路、一級公路、二級公路、三級公路主要的二氧化碳排放量來自于石油瀝青、砂、生石灰與水泥，約占總量的88%；四級公路主要的二氧化碳排放量來自于砂、碎石、水泥，約占總量的88.5%。在高等級公路建設過程中，石油瀝青、砂、生石灰和水泥的選材與使用是節能減排的研究重點和關鍵；在建設四級公路時，砂、碎石、水泥的選材與使用是節能減排的研究重點和關鍵。

④公路工程項目碳排放的控制與管理是一個動態過程，利用公路設施建設過程的清單分析法準確的測算碳排量。根據公路工程項目建設的不同階段，重點地控制全過程的二氧化碳排放量。