基于LCA的高速公路建設全過程碳排放核算

黃山倩，黃學文，高碩晗，盧春穎，車承志，孔亞平

（1.交通運輸部科學研究院，北京 100029；2.安徽省交通控股集團有限公司，安徽 合肥 230088）

0 引言

人類活動產生的二氧化碳等溫室氣體排放造成全球氣候變暖，導致熱浪、山火、洪澇等與極端天氣有關的災害頻發，引起國內外對碳排放問題的高度關注[1]。目前，已有超過127個國家做出了碳中和承諾[2]，我國也提出了“2030年碳達峰”與“2060 年碳中和”的目標，并發布了行動方案。碳排放的統計核算是推動相關工作的重要依據，電力、鋼鐵、石化、建筑等重點行業均在加速編制或修訂相關核算方法。我國公路建設規模已達全球第一，公路建設過程會大量消耗能源、原材料以及相關成品或半成品，有研究顯示公路建設已成為交通行業溫室氣體排放的重要來源[3]，其碳排放量不容小覷。但目前，整個公路建設行業尚未形成統一的碳核算方法，不能有效支撐行業綠色低碳轉型，因此亟需加強公路建設碳核算的相關研究。

目前，國際上已建立基于生命周期評價理論（Life Cycle Assessment,LCA）的碳足跡核算標準、認證體系、管理制度體系，公路領域在此基礎上研究形成了完整的公路生命周期評價理論框架和豐富的數據庫，可用于量化公路建設的二氧化碳排放[4-6]。公路LCA 的研究范圍涵蓋產品原材料獲取、材料或能源生產、產品制造和使用維護以及最終處置等環節[7]，通過對公路項目全生命周期的輸入、輸出進行清單分析，可從不同階段對路基、路面、橋涵、隧道及附屬工程等不同專業二氧化碳排放開展定量研究，識別二氧化碳排放的主要環節和來源，綜合量化相關技術措施的節能減排效益和成本損益，服務于公路基礎設施建設的決策支持[8-9]。值得注意的是，核算邊界的劃分、排放因子的選取等差異會顯著影響碳核算結果和結論[4]，而應用主流軟件和數據庫可減少相關誤差[10]?，F階段國際上已研發了數款公路碳排放評價軟件，其中，國際道路聯盟研發的公路溫室氣體排放評價計算器CHANGER，主要測算公路建設產生的溫室氣體排放；美國研發的公路工程項目排放評價軟件PE-2，主要測算原材料生產、建設、養護施工階段的溫室氣體排放；加拿大研發的ATHENA，主要測算材料生產、運輸、資源循環利用、機械設備使用等活動對環境的影響[11]。此外，挪威公路管理局研發了公路碳核算軟件VegLCA，應用于公路項目的前期規劃、項目決策、方案比選、設計、招投標、施工和運營維護等過程[9]。

國內公路LCA 碳排放研究仍處于起步階段，研究對象主要集中在路面、隧道、橋梁等單項工程的低碳工藝或材料比選，研究范圍主要包括原材料生產、運輸和現場施工等，主要分析不同設計參數對碳排放特征化結果的影響程度[12]，而針對整條高速公路基于LCA 進行實例研究的相對較少。例如，針對國內不同等級公路混凝土路面、瀝青混凝土路面碳排放的研究顯示，兩種路面結構的單位里程單車道公路建設二氧化碳排放量分別為500t 和1 250t[13]；對瀝青路面施工過程碳排放的定量分析顯示，集料加熱和瀝青加熱占路面施工總能源消耗的92%，瀝青碾壓和鋪裝是二氧化碳直接排放的主要施工環節[6]。雖然我國已形成了中國生命周期基礎數據庫CLCD（Chinese Life Cycle Database）和通用型生命周期評價軟件eBalance[14]，但其缺乏符合公路建設特征的相關模塊和流程，無法直接用于公路建設項目中，已發布的公路碳核算相關軟件以路面的建管養為主[11]。

總體而言，我國公路建設行業需加速構建標準化的碳核算體系框架，形成統一的核算方法和流程，以支撐碳減排技術研發與管理措施制定。鑒于此，本研究將從數據清單構建、排放因子選取、核算范圍界定、核算邊界劃分、核算模型建立等方面提出標準化的核算流程，對典型公路項目建設全過程開展碳排放量核算，獲得具有可比性的、更接近實際排放的高速公路碳排放指標和統計數據，對重點環節進行來源解析，以期有效識別復雜公路建設系統中重點碳排放環節及其影響，為形成統一的公路建設碳排放核算體系框架、制定節能降碳措施提供理論支撐。

1 數據來源

1.1 工程數據清單

本研究所選路段為安徽省平原微丘區某瀝青混凝土路面雙向四車道高速公路新建工程，路線總長89.96km，其中路基長83.58km，路基寬26m，橋梁長6.38km，共有8 座互通立交，無隧道。

筑路材料、運輸車輛和施工機械等各工程量數據主要來源于施工圖設計文件、預算文件以及相關定額標準等，采用月度能耗調查表統計實際工程量進行數據標定。根據各單位工程施工工序的相關性進行歸類，將各單位工程的核算范圍及工程量歸納至表1。

表1 各單位工程的碳排放核算范圍及工程量

1.2 排放因子清單

本研究中碳排放量采用國際通用單位二氧化碳當量（Carbon Dioxide Equivalent,CO2e），包含甲烷、氧化亞氮等非二氧化碳溫室氣體排放量，以表征溫室氣體總排放量。通過調研Ecoinvent、SimaPro、VegLCA、CLCD 數據庫，以及相關標準和學術論文等，比選符合我國公路工程特點的主要碳排放因子，詳見表2。

表2 主要碳排放因子及應用范圍

表2 （續）

表2 （續）

2 碳排放核算方法

2.1 理論框架與核算邊界

基于生命周期評價相關的國內外標準要求，結合高速公路實際建設特征，將高速公路建設期確定為從工程施工開始直至通車運營這一時間區間，將建設全過程劃分為材料生產、材料運輸以及道路施工三個階段。根據公路建設的工程構成、工程計價、施工特點確定各階段的核算邊界，詳見圖1。

圖1 高速公路建設過程碳排放核算范圍

2.2 核算模型

由于公路建設過程中溫室氣體直接排放源為施工機械和運輸車輛，間接排放源為筑路材料，本研究采用基于排放清單的過程生命周期評價分析方法[22]，通過工程數據清單和主要碳排放因子計算各階段各單位工程筑路材料和施工機械產生的碳排放總量，建立基于生命周期評價的高速公路建設全過程碳排放核算模型。

高速公路建設全過程碳排放量E為材料生產階段、材料運輸階段和道路施工階段的筑路材料和施工機械的碳排放量總和，其計算公式[23-24]可表示為：

式（1）中：E為公路建設全過程的碳排放量（tCO2e）；i為筑路材料類型，i=1,2,3,…,n；Qi為第i種筑路材料的總消耗量（t）；Fi為第i種筑路材料生產過程的碳排放因子（tCO2e/t）；Di為i種筑路材料平均運輸距離（km）；fi為單位重量的第i種筑路材料單位運輸距離產生的碳排放因子（tCO2e/（t·km））；j為施工機械類型，j=1,2,3,…,m；k為能源類型，k=1,2,3,…,l；Tj為使用第j種施工機具耗費的工作時間總和（h）；為單位工作時間內第j種施工機具使用第k種能源的消耗量（t）；fk為第k種能源產生的碳排放因子（tCO2e/（t·h）)。

2.3 公路建設碳排放強度

由于公路項目里程長、施工工序復雜、影響因素眾多，碳排放總量無法反映重點耗能單元的排放特征，且工程管理中通常采用里程作為進度指標，因此為評估各耗能單元的碳排放水平，提出公路建設碳排放強度ED，其計算公式為：

式（2）中：E的含義同前；D為與核算范圍對應的公路里程（km）；ED 為單位里程高速公路建設全過程產生的碳排放量，即每公里碳排放量（tCO2e/km），除以車道數或路基寬度可以直接轉化為單位車道里程或單位面積里程碳排放量等指標，可與其他項目進行比較。

3 高速公路各建設階段碳排放數據統計

3.1 材料生產階段

材料生產階段碳排放主要包含公路建設所使用的筑路材料從原材料提取、生產、加工到運離生產廠等整個物化過程的全部碳排放。

經統計計算，本研究所選取的典型路段建設過程的主要材料及其消耗量分別為砂石505萬m3、水泥47.8萬t、生石灰34.7萬t、鋼材22.9萬t、瀝青4.7 萬t、礦粉4.8 萬t。其中，建設過程使用鋼材而產生的碳排放量為37.8萬tCO2e，水泥為33.6萬tCO2e，生石灰為27.8 萬tCO2e，砂石為1.51 萬tCO2e，如圖2所示。

圖2 典型路段材料生產階段主要材料消耗量和碳排放量

3.2 材料運輸階段

材料運輸階段碳排放主要包含筑路材料運輸到場外場站進行二次加工，加工后運至施工現場，以及場內運輸車輛的全部碳排放。

本研究路段材料運輸車輛主要包括各種載重的載貨汽車和自卸汽車，共使用23.2 萬臺班，產生的碳排放總量為5.12萬tCO2e，統計結果見表3。其中，自卸汽車碳排放量占比為96.3%，15t 以內自卸汽車占比為95.3%。

表3 典型路段材料運輸車輛臺班數和碳排放量

3.3 道路施工階段

道路施工階段碳排放主要包含場外場站和施工現場的機械設備運行過程的碳排放，其中場外場站的碳排放主要指場外拌和站、加工廠、預制廠等機械設備運轉過程中產生的碳排放。

本研究路段道路施工階段產生碳排放的主要施工機械類型、數量及碳排放量為：

（1）土、石方工程機械，主要包括推土機、挖掘機、裝載機、平地機、光輪壓路機、強夯機械等，共使用20.2萬臺班，共產生3.98萬tCO2e；

（2）路面工程機械，主要包括拌和機、拌和設備、攤鋪機、瀝青灑布車、鋪筑機、壓路機等，共使用2.25萬臺班，共產生2.82萬tCO2e；

（3）打樁、鉆孔機械，主要包括沖擊鉆機、泥漿攪拌機、回旋鉆機、振動打拔樁錘等，共使用5.4萬臺班，共產生1.9萬tCO2e。

所有施工機械分項碳排放量統計詳見圖3。

圖3 典型路段道路施工階段施工機械臺班數和碳排放量

4 高速公路建設全過程碳排放統計結果與分析

4.1 碳排放統計結果

對本研究典型高速公路各建設階段各單位工程的碳排放量和碳排放強度進行分類統計，結果如表4 所示。經計算，本研究路段建設全過程的碳排放總量和碳排放強度分別是146.8 萬tCO2e,1.63 萬tCO2e/km。其中材料生產階段碳排放量和強度最高，分別是130.2 萬tCO2e（約占總量的88.6%），1.45 萬tCO2e/km；道路施工階段次之，分別是11.6 萬tCO2e（約占總量的7.9%），1 285.78tCO2e/km；材料運輸階段最低，分別是5.1萬tCO2e（約占總量的3.5%），568.89tCO2e/km。

表4 典型路段各單位工程各階段碳排放量和碳排放強度統計

在整個建設過程中，各單位工程碳排放強度由高至低依次是橋涵工程>交叉工程>路基工程>管線工程>路面工程>臨時工程>綠化工程。交叉工程產生的碳排放總量最高，為51.9萬tCO2e（約占研究路段碳排放總量的35.4%），其次為路基工程，共產生46.1萬tCO2e（約占研究路段碳排放總量的31.4%），橋涵工程產生34.3萬tCO2e（約占研究路段碳排放總量的23.3%）且碳排放強度最高。各階段各單位工程碳排放量占比和碳排放強度占比如圖4所示（僅標示了部分比值較大者的具體數據）。

圖4 各階段各單位工程碳排放量占比和碳排放強度占比

4.2 重點環節分析與建議

從不同階段來看，材料生產階段產生的碳排放量最大[25-26]，并且減排潛力也最大[3]，本階段碳排放主要來源為鋼材、水泥和生石灰。而其他階段產生的碳排放僅占總量的11.4%，其中，施工機械碳排放主要來源為土石方工程機械及路面工程機械，運輸車輛碳排放主要來源為15t 以下的自卸汽車。因此，在平原微丘區公路建設的節能降耗管理中，需重點關注上述筑路材料和施工機械的節能減排技術措施，在確保工程質量與安全的基礎上，通過招標選擇碳排放量更低的筑路材料或替代材料，采用清潔能源裝備和車輛，實施低碳施工組織管理，以獲得最大的節能降碳效益。

從建設全過程來看，平原微丘區典型路段的碳排放有超過90%來源于交叉工程、路基工程和橋涵工程，其中，橋涵工程的碳排放強度最高。本研究針對以上重點單位工程進行碳排放組成特征分析，并提出相關節能減排技術措施建議，具體如下。

（1）橋涵工程

研究路段共有特大橋2 座、大橋8 座、中小橋11 座，其中主橋、引橋主要采用鋼箱組合梁，鋼材、水泥等高耗能材料消耗量大。特大橋梁建設是影響道路建設活動碳排放的主要因素[27]，但橋梁僅占本研究工程總里程的8.4%，綜合導致了橋涵工程碳排放強度遠高于其他單位工程。因此，橋涵工程是重點控制單元，需重點關注橋梁構件、鋼材、水泥等生產或加工工序，節能減排建議為：采用熱軋型材等高性能與高效能結構材料，優先選用具備低碳環保工藝的原材料供應商；采用BIM+LCA 技術進行規劃設計[28]，指導標準化構件的設計、制造、安裝等環節實現低碳建造；對高耗能預制構件（如鋼箱梁、鋼板組合梁等）進行集中綠色采購，優先選用運輸距離短、低碳技術等級高的工廠進行生產。

（2）交叉工程

研究路段位于平原微丘區，沿線主要城鎮交叉道路較多，且大多數是高等級公路，需采用樞紐互通、主線上跨等方式進行交叉，凈高較高，需要大量填方；路段共涉及8 處互通立交、21 座分離立交橋等193 處交叉工程，施工內容包含橋梁、路基、路面等工程，在土建標工程量中占比最大，使用的高耗能材料和大功率機械高于其他單位工程，從而導致產生的碳排放總量最高。因此，交叉工程在設計和施工過程中都應加強低碳管控措施的應用[23]，采用BIM+LCA 技術從源頭進行低碳優化設計[29]，在施工組織、機械設備和材料供應等方案比選過程中應采取節能降碳組合技術和措施進行綜合控制。

（3）路基工程

路基工程中水泥、鋼筋等材料消耗相對較少，但由于研究路段全線總體缺方，需采用挖方、借方等方式取土填筑路基，主要使用自卸汽車進行土石方調配，運輸約11.09 萬m3砂石，而土石方的開挖和運輸采用的設備主要消耗柴油、較少使用電力驅動，導致相關工程機械產生較高的能耗[30]，從而導致路基工程在材料運輸和施工階段碳排放量較大。因此，針對路基工程的節能減排建議為：優先選用新能源車輛或裝備進行作業；減少運輸距離，采用低碳施工組織方案進行靈活調配以提高運輸效率；在水土保持方案論證的基礎上，合理規劃取土場和棄土場的位置，充分利用廢棄舊路、便道和臨建場地，縮短與主要填方路段的平均運輸距離。

5 結語

生命周期評價理論可為公路建設碳排放核算提供科學的分析框架，本研究在此基礎上明確了公路建設項目碳排放數據來源，細化了核算系統邊界和工程內容，建立了符合我國公路建設特征的碳排放核算模型，通過實例應用開展了典型路段各階段各單位工程的碳排放量和碳排放強度測算，并對重點排放環節進行來源解析，辨識了平原微丘區典型公路建設的碳排放特征，提出了有針對性的節能減排技術措施建議，形成的標準化流程可為其他公路工程項目碳排放核算分析提供參考依據。隨著上下游行業節能減排工作的深入開展，公路建設行業迫切需要完善公路基礎設施碳核算體系，建議未來研發可推廣的公路工程碳排放數據庫和軟件，進一步掌握碳排放底數和特征規律，指導在建或新建公路項目在設計、施工等階段進行碳排放量控制。