高速公路建設(shè)期碳排放計(jì)算與分析

周穎 ZHOU Ying；秦雙雙 QIN Shuang-shuang

（石家莊鐵道大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，石家莊 050043）

0 引言

高速公路等交通基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，需要消耗大量原材料和能源，同時(shí)產(chǎn)生大量二氧化碳等溫室氣體，對(duì)環(huán)境的破壞日益顯著。《中國“十四五”規(guī)劃綱要》中指出，構(gòu)建高速公路環(huán)線系統(tǒng)，有序推進(jìn)城市軌道交通發(fā)展，并提出在十四五期間新改建高速公路里程2.5萬公里[1]，若干年內(nèi)我國高速公路建設(shè)工程仍將持續(xù)推進(jìn)。在綠色發(fā)展的要求下，對(duì)高速公路建設(shè)期碳排放展開研究，為采取相應(yīng)的節(jié)能減排策略提供理論依據(jù)，對(duì)實(shí)現(xiàn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護(hù)雙贏具有重要意義。

國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)高速公路建設(shè)期碳排放進(jìn)行了一系列的研究。Y.Itoh以計(jì)算不同的橋型使用建筑材料與施工工藝帶來的二氧化碳排放，得出了二氧化碳排放在不同的橋型所帶來的差異[2]；Stripple從生產(chǎn)，建設(shè)角度分析了瀝青路面與水泥混凝土路面的能耗，結(jié)果表明，混凝土能耗高[3]；Qazi Aurangzed研究了在材料生產(chǎn)、建設(shè)、養(yǎng)護(hù)三個(gè)階段再生瀝青路面的碳排放[4]。但是，不同國家和地區(qū)材料種類、機(jī)械設(shè)備以及施工工藝有很大不同，國外的計(jì)算工具不能直接應(yīng)用到我國的實(shí)際當(dāng)中。近年來，張振浩等對(duì)橋梁建設(shè)期不同施工方法產(chǎn)生的碳排放進(jìn)行對(duì)比分析[5]；方海等利用構(gòu)建的碳排放計(jì)算模型與能耗監(jiān)測系統(tǒng)對(duì)高速公路路面的碳排放進(jìn)行計(jì)算并分析[6]；張紅波和孟祥晨等研究瀝青路面分別在在原材料生產(chǎn)、運(yùn)輸以及施工三個(gè)階段與拌合階段的碳排放情況[7-8]。

上述文獻(xiàn)大部分研究主要針對(duì)高速公路某一分部工程展開，本文在此基礎(chǔ)上綜合考慮高速公路建設(shè)期整體碳排放，并對(duì)各階段以及各項(xiàng)原材料的碳排放進(jìn)行對(duì)比分析。

1 高速公路建設(shè)期碳排放范圍界定

參考生命周期評(píng)價(jià)理論，根據(jù)高速公路建設(shè)期的作業(yè)活動(dòng)，本文將高速公路建設(shè)期的碳排放劃分為材料物化、機(jī)械施工和材料運(yùn)輸三個(gè)階段，見表1。

表1 高速公路建設(shè)期碳排放范圍界定

2 高速公路建設(shè)期碳排放的計(jì)算方法

2.1 計(jì)算方法

碳排放計(jì)算常用的方法主要分為三類，分別為實(shí)測法、質(zhì)量平衡法、排放系數(shù)法，國際上使用排放系數(shù)法較為廣泛[9]。排放系數(shù)法[10]是《IPCC 2006國家溫室氣體排放清單指南》推薦的方法，用物質(zhì)的碳排放系數(shù)與活動(dòng)數(shù)據(jù)的乘積進(jìn)行計(jì)算。

2.2 計(jì)算模型

根據(jù)本文界定的范圍，高速公路建設(shè)期包括材料物化、機(jī)械施工和材料運(yùn)輸三個(gè)階段：

式中：C總為三個(gè)階段總的碳排放量；C1為材料物化階段碳排放量；C2為機(jī)械施工階段碳排放量；C3為材料運(yùn)輸階段碳排放量。

2.2.1 材料物化階段碳排放計(jì)算模型

式中：C1為材料物化階段碳排放量；i為材料種類；Mi為材料i的消耗量；λi為材料i的碳排放系數(shù)。

在材料物化階段涉及的原材料包括混凝土、瀝青和鋼材等，其中根據(jù)不同類型混凝土配合比計(jì)算，鋼材碳排放系數(shù)取自《建筑碳排放計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T51366-2019），見表2。

表2 材料物化階段主要耗材碳排放系數(shù)

2.2.2 機(jī)械施工階段碳排放計(jì)算模型

式中：C2為機(jī)械施工階段碳排放量；j為能源種類；Mj為施工設(shè)備使用的能源j的消耗量；λj為能源j的碳排放系數(shù)；P為耗電量；η為電力平均碳排放系數(shù)。

機(jī)械施工階段過程中的CO2排放主要來源與機(jī)械設(shè)備消耗的汽油、柴油和電能?；谑澜缳Y源研究所（WRI）提出的基于燃料重量或體積的碳排放系數(shù)計(jì)算方法，化石燃料的二氧化碳排放系數(shù)=平均低位發(fā)熱量[11]*單位熱值含碳量[12]*碳氧化率[12]*44/12，參考《中國能源統(tǒng)計(jì)年鑒2020》、《省級(jí)溫室氣體清單編制指南》整理得到相關(guān)化石燃料碳排放系數(shù)，其中電能的采用華北地區(qū)平均系數(shù)，見表3。

表3 主要耗能碳排放系數(shù)

2.2.3 材料運(yùn)輸階段碳排放計(jì)算模型

式中：C3為材料運(yùn)輸階段碳排放量；i為材料種類；j為能源種類；Mij為運(yùn)輸材料i消耗的能源j的量；λj為能源j的碳排放系數(shù)。

3 案例分析

以某高速公路為例，道路采用雙向四車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，設(shè)計(jì)速度80km/h，根據(jù)該高速公路建設(shè)期工程量清單，考慮其中消耗量最大的三種材料：混凝土、瀝青、鋼材，與使用機(jī)械消耗的能源，分別對(duì)材料物化、機(jī)械施工與運(yùn)輸階段展開碳排放計(jì)算與分析。

3.1 材料物化階段碳排放

依據(jù)高速公路的工程量清單可以得到材料物化階段使用的材料用量，并根據(jù)表1與公式（2）可得到主要材料的碳排放量見表4所示。

表4 材料物化階段碳排放量

因此，高速公路材料物化階段總碳排放為：

3.2 機(jī)械施工階段碳排放

機(jī)械施工主要包括路基表面的清理與掘除、挖土石方、鋪設(shè)混凝土、挖井明洞開挖、回填等等活動(dòng)，依據(jù)公路工程預(yù)算定額與工程量清單，并根據(jù)公式（3）計(jì)算得到施工機(jī)械臺(tái)班數(shù)與碳排放量，見表5所示。

表5 機(jī)械施工階段碳排放量

因此，高速公路機(jī)械施工階段總碳排放為：

3.3 材料運(yùn)輸階段碳排放

在高速公路施工過程中，主要的運(yùn)輸材料為瀝青、混凝土、鋼材等，依據(jù)公路工程預(yù)算定額計(jì)算得到路基、路面、橋梁和隧道在材料運(yùn)輸階段所需的臺(tái)班，采用15t以內(nèi)載貨汽車運(yùn)輸，依據(jù)公路工程機(jī)械臺(tái)班費(fèi)用定額數(shù)據(jù)表和表3的能源碳排放系數(shù)，根據(jù)公式（4）計(jì)算得到材料運(yùn)輸階段總碳排放量為如表6所示。

表6 材料運(yùn)輸階段碳排放量

因此，材料運(yùn)輸階段總碳排放量為：

根據(jù)公式（1）高速公路的碳排放總量為：

3.4 對(duì)比分析

高速公路建設(shè)期總碳排放量為3574.7495kt，材料物化階段碳排放量為1538.8054kt，機(jī)械施工階段碳排放量為2024.6638kt，材料運(yùn)輸階段碳排放量為11.2802kt，分別占比43.05%，56.64%，0.32%，見圖1。可以明顯看出，在整個(gè)高速公路建設(shè)過程中材料運(yùn)輸產(chǎn)生的碳排放極少，主要來源于材料物化階段和機(jī)械施工階段。若要采取節(jié)能減排措施，宜從材料物化階段和機(jī)械施工階段入手。

圖1 各階段碳排放量

在高速公路各分部工程中使用的材料主要有瀝青、混凝土和鋼材，統(tǒng)計(jì)對(duì)比分析如圖2、圖3所示?？梢悦黠@看出，高速公路建設(shè)期使用最多的材料是混凝土，占比高達(dá)91.33%，其次是鋼材，最后是瀝青，瀝青與鋼材雖然使用量不大，但兩種材料的碳排放量占到材料物化的51%。因此，施工方需要重點(diǎn)關(guān)注材料的使用。

圖2 建設(shè)期材料消耗量及碳排放量

圖3 建設(shè)期機(jī)械能源消耗量及碳排放量

通過對(duì)高速公路建設(shè)期的使用機(jī)械設(shè)備進(jìn)行分析，得到能源的消耗量及碳排放量。在使用的機(jī)械中，主要能源有電、汽油和柴油，通過對(duì)比分析如圖4、圖5所示，可以明顯看出，高速公路建設(shè)期機(jī)械施工消耗最多的是柴油，占比高達(dá)94.94%，其次是電能，最后是汽油，產(chǎn)生的碳排放最多的是柴油，達(dá)到97.94%，因此施工方需重點(diǎn)關(guān)注使用柴油的機(jī)械。

4 結(jié)論

本文將高速公路建設(shè)期劃分為材料物化、材料運(yùn)輸和機(jī)械施工三個(gè)階段，依據(jù)階段劃分構(gòu)建了基于排放系數(shù)法的高速公路建設(shè)期碳排放計(jì)算模型，并針對(duì)具體高速公路進(jìn)行碳排放計(jì)算與分析，分析表明：高速公路建設(shè)期的三個(gè)階段中，材料物化和機(jī)械施工階段碳排放碳排放量總和占比較大；在材料物化階段，高速公路建設(shè)期瀝青與鋼材使用量較少，但兩種材料產(chǎn)生的碳排放量最大；在機(jī)械施工階段，柴油的能源消耗量最大，產(chǎn)生的碳排放量最多。

因此，在高速公路建設(shè)期采用節(jié)能環(huán)保的新材料、合理的工藝流程、應(yīng)用節(jié)能減排新技術(shù)或新設(shè)備是高速公路節(jié)能減排的重點(diǎn)研究方向，有利于減少在建設(shè)期能源的消耗及二氧化碳的排放。