城市軌道交通生命周期碳排放強度與碳減排潛力研究

陳坤陽，周 鼎，粟月歡，段華波，陳湘生

(1.深圳大學 土木與交通工程學院，未來地下城市研究院，深圳 518061； 2.濱海城市韌性基礎設施教育部重點實驗室(深圳大學)，深圳 518060； 3.深圳市地鐵地下車站綠色高效智能建造重點實驗室，深圳 518060； 4.華夏幸福基業股份有限公司南方總部，深圳 518066)

引言

交通運輸是居民出行和物流服務的重要基礎支撐和保障。隨著城鎮化水平不斷提升以及城市交通物流與出行需求的多樣化，交通領域已成為我國能源消費、影響城市空氣質量和碳排放增長的主體[1]。交通領域(含私人汽車)的碳排放占我國總排放比例約為10%左右，占終端排放比例約為17%[2]。為促進交通運輸業的綠色低碳發展，我國出臺了一系列政策與措施。如國家發展和改革委員會于2007年發布了《綜合交通網絡中長期發展規劃》，明確提出了交通路網建設提高資源利用效率、減少環境污染和保護生態環境的要求；2011年，國家交通運輸部發布了《建設低碳交通運輸體系指導意見》，提出充分發揮技術進步在低碳發展中的基礎性和先導性作用；2017年，國務院發布了《“十三五”現代綜合交通運輸體系發展規劃》，強調促進交通運輸的綠色發展；2021年，中共中央、國務院發布了《國家綜合立體交通網規劃綱要》，明確了將綠色交通作為主要發展目標和重要建設內容。

相應地，發展公共交通是減少城市碳排放、推動交通綠色低碳發展的重要方式[3-4]。軌道交通作為城市公共交通的重要組成部分，因其速度快、運量大、環境影響低以及節約土地資源等特點，被廣泛認為是提高運輸效率、緩解交通擁堵、提高城市地下空間利用率、實現節能減排的重要途徑。陳愛俠等(2007)研究表明，軌道交通不僅大量節約了寶貴土地資源和降低能源消耗，同時減少了汽車尾氣排放和降低了道路交通噪聲[5]。張清等(2012)指出軌道交通是碳排放強度最低的客運方式[6]。CHATURVEDI等(2015)研究表明，軌道交通系統可使交通業能耗下降5%～20%以及碳排放下降8%～49%[7]，但地鐵等軌道交通在建設和運營過程中會產生一定的碳排放。MAO等(2021)描述了地鐵發展模式、建筑材料庫存以及全球219個擁有地鐵城市的實際碳排放量[8]。針對地鐵建設階段，賀曉彤等(2015)核算了地鐵車站建設期間的碳排放量[9]，黃旭輝(2019)估算了地鐵盾構隧道和地下明挖車站建設階段的碳排放[10]，LIU等(2019)研究了地鐵車站預制結構的溫室氣體減排潛力，研究結果指出單位長度預制斷面施工比傳統現澆斷面施工溫室氣體減排約13%[11]，LIU等(2021)基于生態學視角對低碳建設的環境影響進行了探討[12]；而針對地鐵運營階段[13]，謝鴻宇等(2011)從列車牽引用電和地鐵站場用電兩方面計算了深圳地鐵的碳排放量，并與公交車、出租車和香港地鐵運營碳排放強度進行了對比分析[14]。此外，曾雪蘭等(2015)基于生命周期理論，對比分析了廣佛二期地鐵與出租車、私人載客汽車、公交車、私人摩托車4種客運交通工具的能源利用效率、能源強度和碳排放強度[15]，黃瑩等(2017)提出了居民乘坐地鐵出行減碳量的核算方法，并計算了廣州市居民乘坐地鐵出行的減碳量[16]，DONG等(2018)對深圳公共交通系統的碳排放進行了研究，發現公交車和地鐵分別占城市公共交通系統碳排放總量的64%和36%，但卻忽略了出租車對其的影響[17]，秦驁等(2020)對地鐵車站全生命周期的碳排放進行了計算[18]，趙榮欽等(2021)則對地鐵開通前后居民通勤交通碳排放進行了核算[19]。上述針對地鐵碳排放相關研究主要側重于微觀或中觀尺度層面，如對特定項目或單一城市或指定生命周期階段的碳排放進行研究，而對地鐵減碳方面的研究相對較少，且尚未有研究學者從宏觀尺度如全國層面分析地鐵全生命周期的碳排放強度和水平，以及探討其減排潛力和發展策略。

因此，有必要對我國地鐵所產生的碳排放水平及其碳減排效益進行系統評估，以促進軌道交通的綠色低碳發展，并助力國家雙碳戰略。本研究將全面分析我國地鐵所產生的碳排放及碳減排效益，并探討其自身建設與運營減排潛力以及低碳化路徑，具體內容如下：(1)定量分析地鐵建設和運營過程碳排放強度和水平；(2)定量分析地鐵綠色出行的碳減排量；(3)定量分析因地鐵建設所釋放城市綠地空間的碳匯/碳減排量；(4)定性分析地鐵自身規劃建設與運營的碳減排潛力和低碳化、近零排放路徑與策略。研究結果可為交通運輸業科學制定管理政策提供理論模型及數據參考。

1 地鐵生命周期碳排放評價方法

1.1 研究方法

生命周期評價(LCA)是一種評價產品(包括服務或系統)從原材料開采到最終處置全過程潛在綜合環境影響的定量化分析方法[20-21]。開展生命周期評價研究主要包含4個階段：研究目標和范圍的確定、數據采集與清單分析、環境影響指標選取與定量化分析、評價結果解釋與討論。本研究采用精簡型LCA方法，并選用二氧化碳排放當量(CO2equivalent，CO2e)作為環境影響評價指標，以地鐵(含規劃建設和運營階段)為研究對象，構建了地鐵生命周期碳排放評價方法，對其碳排放/碳匯情況進行定量化分析，對估算過程中的基礎數據和指標參數進行持續修正，以及對評價結果的科學性和合理性進行解釋。

(1)地鐵規劃建設階段碳排放強度和水平

對地鐵建造過程的碳排放測算包括建筑材料生產、運輸及施工機械設備(能耗)所產生的直接或間接碳排放。

建材生產階段——交通基礎設施如地鐵建設過程需要消耗大量建筑材料，其中全國各類建造過程建材生產所產生的碳排放約占建筑業全生命周期碳排放的9%～12%[22-23]。建材生產階段的碳排放是指，各類建材從原材料開采、加工、生產到形成最終建材制品整個過程中因資源、能源消耗和污染物排放所產生的直接或間接碳排放。其測算方法如式(1)所示。

(1)

式中，CeM為建材生產階段的碳排放量(CO2e)；Ui為第i種建材消耗量，kg或m3；Ei為第i種建材生產階段的碳排放因子，kg CO2e/單位建材數量；φi為第i種建材損耗率；a為建設材料類型；y為地鐵規劃建設年份。

建材運輸階段——是地鐵建造碳排放主要貢獻源之一，其主要為使用各類交通運輸工具，將建材從生產地運送到施工現場因能源消耗而產生的直接或間接碳排放。其測算方法如式(2)所示。

(2)

式中，CeT為建材運輸階段的碳排放量(CO2e)；Di，j為第i種建材使用第j種運輸方式的運輸距離，km；Ej為第j種運輸方式下，單位重量運輸距離的碳排放因子，kg CO2e/(t·km)；b為運輸方式(交通工具)種類。

施工階段——本研究對地鐵施工建設階段碳排放定義為各類施工機械使用過程中所消耗的能源(如汽油、柴油、電力)產生的碳排放，即包含能源使用過程和上游生產過程兩部分。其中，測算施工機械能耗主要是根據軌道交通綜合定額和施工工序，首先計算各施工機械臺班消耗量；其次查閱施工機具臺班費用編制規則——《全國統一施工機械臺班費用定額2018》，進而算出各施工機械的能源消耗量；再次，結合商業化LCA軟件所獲取的本地化(中國化)能源碳排放因子，即可測算施工過程(機械設備)產生的碳排放強度。其測算方法如式(3)所示。

(3)

式中，CeC為施工建設階段的碳排放量，CO2e；Qk為第k種能源的消耗量，L、kg、m3、kW·h；Ek1為第k種能源生產過程的碳排放因子，kg CO2e/L、kg CO2e/kg、kg CO2e/m3；Ek2為第k種能源使用過程的碳排放因子，kg CO2e/L、kg CO2e/kg、kg CO2e/kW·h；c為能源類別。

(2)地鐵運營階段碳排放強度和水平

地鐵運營是地鐵全生命周期中持續時間最長的階段，其所消耗的能源也相對較大。地鐵運營階段能耗主要包括列車牽引能耗和車站(含車輛段)運行能耗。本研究對地鐵運營階段碳排放主要側重于列車加速牽引和環控等系統、車站動力設備、照明設備及其他設備等運行過程中能源能耗所帶來的碳排放影響。值得注意的是，地鐵運營過程的能源消耗主要是電力消耗。為此，本研究在地鐵運營階段僅考慮電力消耗產生的碳排放。其測算方法如式(4)所示。

CeOy=Ut×Ek，e+Us×Ek，e

(4)

式中，CeO為地鐵運營階段總碳排放量，CO2e；Ut為地鐵列車牽引耗電量，kW·h；Us為地鐵車站動力及照明耗電量，kW·h；Ek，e為電力排放因子(全國電網平均水平)，kg CO2e/kW·h。

(3)地鐵運營階段相對減排量

地鐵出行階段碳減排量通過地鐵客運量乘以對應人均碳減排當量(相對量)得到，其測算方法如式(5)所示。

CeOy-Re.=Py×(Eave-Esub)

(5)

式中，CeOy-Re.為第y年地鐵出行碳減排總量，CO2e；Py為第y年的客運量，人次；Eave.和Esub.則分別表示城市公共交通人均碳排放量和地鐵出行人均碳排放量，kg CO2e /人次，兩者之差值為相對減排量。

(4)地鐵建設釋放土地資源碳匯量

地鐵建設釋放土地資源碳匯量為通過開發地下空間而釋放地上土地資源面積(當量)乘以對應單位綠植碳匯量(相對量)得到，分別如式(6)和式(7)所示。

(6)

式中，Sy-sub為第y年新建地鐵所釋放的土地面積，m2；Ly-tunnel為第y年地鐵新增運營里程，m；wtunnel為地鐵隧道的寬度，m，即盾構一環的直徑；n為第y年新建地鐵車站數量，座；ht和wt分別為地鐵車站的長度和寬度，m。

CeSy-Seq.=Sy-sub×Fave.

(7)

式中，CeSy-Seq.為第y年地鐵建設釋放綠地碳匯總量，CO2e；Fave.為綠地碳匯量，kg CO2e/hm2。

1.2 數據來源

本研究主要數據來源如表1所示。其中，關于地鐵建造階段建材消耗(類別和數量)、運輸(距離)和施工過程(施工機械設備能耗)等相關投入產出清單數據主要源于項目調研和資料文獻數據，且以基建為主。與建材類別、交通運輸工具和能源消耗相關的碳排放因子，則主要源于GB T51366—2019《建筑碳排放計算標準》、GaBi商業數據庫(已本地化)和部分參考文獻。與地鐵新增運營里程、地鐵車站數量、地鐵客運量等歷年相關數據主要源于統計年鑒資料。

表1 地鐵碳減排/碳匯主要指標及數據來源

1.3 不確定性分析

宏觀層面的LCA分析中由于數據類型復雜且獲取難度大，如難以獲得詳盡的統計數據、工程投入產出數據，故以案例特征化后代表宏觀水平，因此存在一定的不確定性。本文結果的不確定度主要來自以下幾方面：(1)除統計數據外，其他各類投入產生或排放因子均因數據的代表性問題存在一定的誤差;(2)案例特征化，即選擇典型城市地鐵建設和運營案例進行全國層面的特征化研究，而非對所有地鐵項目進行調查和統計。本文通過蒙特卡洛模擬的方式將不確定性考慮在內，主要包括3個過程：(1)構造或描述概率過程；(2)實現從已知概率分布抽樣；(3)建立各種估計量。數據的質量指標通過不確定度對照表確定[28]。主要參數的不確定度如表2所示。

表2 LCA分析主要參數不確定度

地鐵在施工和運營過程中的資源和能源消耗與結構及地域有關，本研究選取典型城市地鐵建設和運營案例進行分析。在蒙特卡洛模擬中，材料消耗量、施工機械能耗、CO2排放因子及地鐵運營里程選擇均勻分布，客運量預測值選擇均勻分布并根據統計數據和理論計算確定地鐵出行碳排放最大值和最小值，確定相應的概率密度函數。對結果進行10 000次計算，并采用了95%的置信水平，不確定度通過結果討論圖中的誤差線得以展示。

2 研究結果

(1)地鐵建設與運營階段碳排放強度和水平

根據本研究構建的地鐵生命周期碳排放評價方法(式(1)～式(4))與歷年地鐵運營里程及客運量等統計數據，可測算出2000—2025年中國地鐵建設與運營階段碳排放強度和水平，其中預測到2025年地鐵開通里程及客運量數據則根據《十四五規劃和2035年遠景目標綱要草案》中規劃推算得到。近年來，地鐵建設與運營過程碳排放量持續增長，如圖1所示。2020年全國地鐵建設(按當年通車里程算)和運營碳排放總量約為2 830萬t，相比2019年下降約12%，這主要是因為地鐵出行人次、對應運營里程及時長受疫情影響明顯下降導致。但通車里程(建設量)還是趨于穩定增長，基于2020年全國地鐵通車里程數據和相關的建材消耗、物流運輸和施工等投入產出和排放因子數據，可知當年地鐵建造階段碳排放總量約為1 860萬t，相比2019年仍增長約4%，隨后仍將持續穩定增長。

圖1 全國地鐵建設與運營階段碳排放量初步估算數據

其中，單位里程盾構隧道建設階段碳排放量約為1.3萬t CO2e/km，建材生產、建材運輸及施工建造階段的碳排放量占比分別是75.3%、1.7%和23%。而單位面積地下車站建設階段碳排放總量約為371 t CO2e/100 m2，在上述3個階段碳排放量占比分別為81.0%、1.8%及17.2%。此外，單位里程盾構隧道建材生產階段的總碳排放量為9 972 t CO2e/km，主要源于隧道管片(60.2%)、水泥(24.3%)和鋼筋混凝土(10.2%)的消耗。施工機械碳排放主要源于水平運輸機械、盾構機及通風設備，分別約占28.0%、24.4%及22.3%。

此外，基于地鐵運營階段的人均碳排放量和全國地鐵客運量(約138.6億人次)，得到2020年全國地鐵運營碳排放總量約970萬t CO2e，地鐵牽引和車站對應的碳排放約各占50%；因疫情影響，2020年全國地鐵運營碳排放總量與2019年相比降幅高達32%，其與全球交通客運領域碳排放下降水平基本一致。

(2)地鐵運營階段相對減排潛力分析

將地鐵出行與其他常規交通出行方式(公交車、出租車、私人小汽車、大巴車等)的碳排放強度(平均水平)相比，得到地鐵出行相對減排量約0.53 kg CO2e /人次[16]，再結合公式(5)以及客運量統計數據，可測算出2000—2025年中國地鐵運營階段相對減排潛力，如圖2所示。可以看出，雖然受到疫情影響，2020年全國地鐵出行依然可減排(733±13)萬t CO2e，“十四五”期間出行量將會逐漸恢復并穩定增長，預計2025年地鐵出行相比其他交通方式減排將有望達到1 240萬t CO2e。依此估算，過去20年(2001—2020年)，居民選擇地鐵出行方式累計減碳量約為1.4億t，約占全國能源領域化石燃料碳排放總量的1%。由于地鐵預測客運量不是唯一確定的，所以在計算過程中使用最大值和最小值來反映誤差，誤差由Oracle Crystaball模擬計算。

圖2 全國城市居民地鐵出行碳減排量(相對非地鐵交通出行方式)

(3)地鐵建設釋放城市綠地碳匯潛力分析

根據式(6)、式(7)，單位地鐵線站(含站場)建設釋放地面土地面積量，并結合地鐵建設里程和車站總量，可獲取全國通過規劃建設地鐵交通所釋放的城市土地資源(面積)—相對于其他公共交通方式，進一步結合城市綠地碳匯效益和水平，可測算全國尺度的碳匯總量。2020年全國地鐵建設所釋放的城市綠地碳匯或碳減排量約為29.8萬t CO2e，預計到2025年將達到44.8萬t CO2e(圖3)，增長33%。地鐵自建設以來因開發地下空間而釋放的城市綠地累計碳匯量近400萬t CO2e，相當于不丹全國能源消耗碳排放總量(2018年)。

圖3 全國地鐵建設釋放城市綠地碳匯效益(碳減排)

(4)地鐵規劃建設與運營碳排放及其低碳化發展

上述分析表明，地鐵建設與運營具有顯著的碳匯或碳減排效益。但另一方面，隨著地鐵大量規劃建設及開通運營里程的持續增長，面臨著自身建設和運營帶來的資源、能源大量消耗及對應碳排放問題，因而有必要對地鐵規劃建設與運營過程所產生的環境影響，特別是碳排放強度和水平進行系統評價，并研究其低碳化發展技術路徑和管理策略。

地鐵軌道交通全生命周期包括規劃、設計、建設、運營、維護和最終拆除等階段，其中運營階段是持續時間最長、能源消耗最大且產生碳排放最多的階段[29]。而地鐵節能降碳不僅可節約運營成本，且具有顯著的環境效益。地鐵現有各類節能降碳技術和方法：如地鐵車站和列車牽引節能等方面主要包括再生制動技術[30]、地鐵基地屋頂光伏發電技術[31]、設備能效優化與能源綜合管理[32]，規劃設計方面則主要是考慮優化平縱斷面設計中的線路坡度、曲線半徑和站間距等[33]。

本研究團隊綜合考慮上述多種減排技術并結合其發展趨勢，情景分析表明：建設階段如建材生產與運輸、現場施工節能降耗減排空間相對較小(10%～15%)；運營階段最高雖可減少排放40%～50%，但碳排放總量仍接近500萬～1 000萬t CO2e[20]。未來通過能源結構的調整和持續優化，如廣泛使用太陽能、風能或地熱等清潔能源以及增加綠地碳匯或碳交易，有望實現更大幅度的減碳，并提前實現2060年碳中和目標。

3 結論

地鐵在建設與運營過程中消耗了巨量的資源與能源，現已成為城市交通領域碳排放的主要貢獻源。本研究旨在評估城市軌道交通碳排放水平及其減排潛力，并進一步探討了地鐵的低碳、近零碳排放路徑與策略。近年來全國地鐵建設和運營碳排放總量為2 500萬～3 500萬tCO2e/年；地鐵隧道單位里程碳排放約為1.3萬tCO2e/km，單位面積地下車站碳排放約為371 t CO2e/100m2，居民地鐵出行碳排放約為0.7 kg CO2e/人次。相比其他常規出行方式，地鐵綠色出行年減排當量約為730萬t CO2e(2020年)，預計2025年減排潛力將達到1 240萬t CO2e。而因開發地下空間釋放土地資源形成的城市綠地碳匯量約為30萬t CO2e(2020年)，預計到2025年將達到44.8萬t CO2e。未來可通過推廣節能減排技術與方案，緩解城市軌道交通碳排放的快速增長。同時，應優化能源結構，提高清潔新能發電比例，以減少與能源組合相關的排放，提升碳減排潛力。研究結果可為交通領域科學實現綠色低碳轉型及制定地鐵系統節能管理政策提供理論支撐及數據參考。