面向鐵路選線的全生命周期減碳效益估算方法

宋洪銳 胥嵐月 曾 勇

（1.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，成都 610031；2.西南交通大學(xué)，成都 610031）

在“十四五”規(guī)劃中，我國提出要在2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。鐵路作為一種低碳運(yùn)輸方式，在節(jié)能減排方面有顯著優(yōu)勢［1］，可以促使其他運(yùn)輸方式的客貨運(yùn)量向鐵路轉(zhuǎn)移，從而降低整個(gè)運(yùn)輸系統(tǒng)的碳排放量［2］。然而，鐵路在其全生命周期內(nèi)，仍然會產(chǎn)生大量的碳排放。為了充分發(fā)揮鐵路的低碳功能，有必要在選線設(shè)計(jì)階段，從全生命周期角度建立減碳效益估算方法，為低碳線路方案的優(yōu)選奠定了基礎(chǔ)。

已有學(xué)者在鐵路減碳方面進(jìn)行了研究：Strauss［3］等通過對航空和高速鐵路線路的研究發(fā)現(xiàn)，從航空旅行到高速鐵路的模式替代導(dǎo)致近年來空氣碳排放下降18%，每年為環(huán)境凈碳排放節(jié)省了1 200萬t。Akerman［4］基于生命周期理論對瑞典修建的高速鐵路進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)修建高速鐵路可減少碳排量，修建鐵路所產(chǎn)生的大量碳排放可以通過航空和公路的需求減少而得到平衡。為了得到更直觀的數(shù)據(jù)，一些學(xué)者還對個(gè)體能耗及碳排放量進(jìn)行了研究：Chester［5］等基于全生命周期理論，研究了美國鐵路和民航的能耗及碳排放，得出了個(gè)體的能耗和碳排放指標(biāo)；Sanches［6］等發(fā)現(xiàn)在生命周期中，每行駛1 km每名乘客排放13.9 g二氧化碳，該系統(tǒng)啟用14年后，非運(yùn)行排放將得到補(bǔ)償。

綜上所述，目前對鐵路減碳效益方面已有不少研究，但現(xiàn)有成果無法有效應(yīng)用于線路設(shè)計(jì)階段減碳效益的評估，更無法指導(dǎo)鐵路線路方案的優(yōu)選。因此，本文將基于鐵路選線設(shè)計(jì)階段，針對線路設(shè)計(jì)方案建立減碳效益估算方法，以實(shí)現(xiàn)山區(qū)低碳線路方案的優(yōu)選。

1 鐵路全生命周期減碳效益影響因素分析

1.1 全生命周期減碳效益定義

鐵路全生命周期減碳效益可定義為全生命周期內(nèi)鐵路的間接碳減排量與碳排放總量之間的差值，表達(dá)為：

式中：C——鐵路全生命周期減碳效益，本文主要考慮施工階段和運(yùn)維階段（kg）；

Cjt——鐵路全生命周期間接碳減排量（kg）；

Cz——鐵路全生命周期碳排放總量，包括直接 碳排放、間接碳排放（kg）。

1.2 碳排放量影響因素

鐵路施工階段的直接碳排放主要是施工建設(shè)時(shí)機(jī)械設(shè)備的使用。間接碳排放主要包括建設(shè)材料的生產(chǎn)、運(yùn)輸、機(jī)車車輛的生產(chǎn)所產(chǎn)生的碳排放。運(yùn)維階段的直接碳排放包括車站及機(jī)車車輛運(yùn)行所產(chǎn)生的碳排放。間接碳排放主要來源于設(shè)備維護(hù)更新、車輛及車站的報(bào)廢拆除。施工、運(yùn)維兩個(gè)階段鐵路都會占用土地，并且在修建工程中占用的土地逐漸增多，占用農(nóng)田和林地會使上面的植被被破壞、土壤受到擾動，使其碳匯能力大幅下降［7］。

因此，鐵路碳排放量在施工階段影響因素主要包括工程量、建材碳排放因子、材料及廢棄物運(yùn)輸碳排放因子、施工機(jī)械能耗、施工工藝等；運(yùn)維階段影響因素主要包括車站設(shè)備的能耗、機(jī)車車輛結(jié)構(gòu)、能源結(jié)構(gòu)、機(jī)車能耗強(qiáng)度、換算周轉(zhuǎn)量、線路長度、建筑垃圾利用率、土地占用量等。

1.3 間接減碳量影響因素

（1）節(jié)地效應(yīng)

鐵路與公路相比，節(jié)地效果明顯，有研究表明鐵路與公路運(yùn)輸完成相同的換算周轉(zhuǎn)量，所需公路用地是鐵路用地的3.7～13.6倍［8］。

（2）客運(yùn)增量替代效應(yīng)

隨著人民生活水平的提高，對出行的快捷性和舒適性要求日益增加。由于鐵路網(wǎng)逐漸形成，減少了換乘次數(shù)，省會到周邊城市、首都到省會城市的時(shí)間大大縮短，而且鐵路不僅速度快還準(zhǔn)時(shí)，極大滿足了人們的出行需求，使得其將分擔(dān)部分公路、民航客流，形成對公路及航空的替代效應(yīng)［9］。據(jù)研究，鐵路每人每百公里的碳排放量為1.56～1.91 kg，分別是中型客機(jī)的20%，汽車的30%～50%，減排效果顯著［10］。

（3）貨運(yùn)增量替代效應(yīng)

近些年我國推行“公轉(zhuǎn)鐵”政策，促使貨運(yùn)量從公路轉(zhuǎn)移到鐵路。隨著鐵路網(wǎng)絡(luò)建設(shè)逐漸完善，鐵路貨運(yùn)的潛力將逐漸釋放［11］。由于鐵路的能耗和碳排放都顯著優(yōu)于公路和航空，且隨著“公轉(zhuǎn)鐵”政策的實(shí)施，二氧化碳排放量將逐漸下降。

因此，本文研究間接減碳量主要考慮節(jié)地效應(yīng)、客運(yùn)增量替代效應(yīng)、貨運(yùn)增量替代效應(yīng)3個(gè)方面。

2 鐵路全生命周期減碳效益估算方法

2.1 碳排放量估算

鐵路全生命周期碳排放量為施工和運(yùn)維兩階段排放值之和，而兩階段碳排放量又被分為直接碳排放與間接碳排放。

（1）施工階段碳排放量估算

施工階段直接碳排放是由于施工建設(shè)時(shí)機(jī)械設(shè)備的使用所產(chǎn)生。機(jī)械設(shè)備碳排放Csz表達(dá)為：

式中：nk——子系統(tǒng)類型；

ni——施工方法種類；

nj——機(jī)械設(shè)備種類；

Gn，i，j——子系統(tǒng)k采用施工方法i時(shí)用到的機(jī)械設(shè)備j的施工工程數(shù)量（臺班）；

Jj——機(jī)械設(shè)備j完成單位工程量需要的機(jī)械設(shè)備j的臺班數(shù)量（臺班）；

Hj——機(jī)械設(shè)備j的能源消耗量（tce／臺班）；

Vd——在d區(qū)域內(nèi)的碳排放因子，即單位數(shù)量燃油或電力的碳排放量（t碳／t標(biāo)準(zhǔn)煤）。

施工階段間接碳排放主要包括建設(shè)材料的生產(chǎn)、運(yùn)輸所產(chǎn)生的碳排放以及土地占用后植被碳匯降低從而間接增加的碳排放，本文植被碳匯包括農(nóng)田、林地碳匯［12］。

建設(shè)材料生產(chǎn)碳排放Cjg計(jì)算公式為：

式中：nb——建設(shè)材料種類；

mk，b——施工建設(shè)工程中子系統(tǒng)k使用的建設(shè)材料b的質(zhì)量（kg）；

φb——建設(shè)材料b在運(yùn)輸、施工過程中的損耗率；

Pb——生產(chǎn)單位質(zhì)量建設(shè)材料b所產(chǎn)生的碳排放量（kg）。

建設(shè)材料運(yùn)輸碳排放Cjy計(jì)算公式為：

式中：mk，a，b——采用交通方式a運(yùn)輸子系統(tǒng)k的建設(shè)材料b的質(zhì)量（kg）；

Lk，a，b——采用交通方式a將子系統(tǒng)k的建設(shè)材料b從產(chǎn)地運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場的平均距離（km）；

Ra——交通方式a的碳排放因子（tCO2／GJ）。

農(nóng)作物碳匯Wcrops計(jì)算公式為：

式中：T——鐵路全生命周期年限（年）；

nm——農(nóng)作物種類；

nn——劃分的區(qū)域；

Sm——鐵路在m區(qū)域內(nèi)占用耕地的面積（m2）；

φm，n——m區(qū)域內(nèi)農(nóng)作物n所占比例；

Cm，n——m區(qū)域內(nèi)農(nóng)作物n單位面積年碳匯量（kg）。

森林碳匯Wforests計(jì)算公式為：

式中：A——鐵路線路沿線所占林地面積（m2）；

C——森林單位面積年碳匯量（kg）；

T——鐵路全生命周期年限（年）。

（2）運(yùn)維階段碳排放量估算

運(yùn)維階段的直接碳排放包括車站及機(jī)車車輛運(yùn)行所產(chǎn)生的碳排放，鐵路運(yùn)輸包括客運(yùn)和貨運(yùn)。

客、貨運(yùn)碳排放Ccy1、Ccy2的計(jì)算公式為：

式中：T2——鐵路運(yùn)營年限（年）；

Yt——鐵路開始運(yùn)營后第t年的客運(yùn)量（萬人／a）；

Rt1——鐵路碳排放指標(biāo)［kgCO2e／（人·100 km）］；

Ht——鐵路開始運(yùn)營后第t年的貨運(yùn)量（t／km）；

Rt2——鐵路歷年碳排放指標(biāo)［gCO2／（t·km）］。

鐵路運(yùn)輸人均碳排放量如表1所示。2005—2016年鐵路內(nèi)燃與電力機(jī)車歷年運(yùn)輸每t碳排放量如表2所示。

表1 鐵路運(yùn)輸人均碳排放量表

表2 鐵路運(yùn)輸每t碳排放量表［gCO2／（t·km）］

根據(jù)歷年內(nèi)燃與電力機(jī)車比例，對表中內(nèi)燃與電力機(jī)車的碳排放系數(shù)進(jìn)行加權(quán)計(jì)算，得到歷年鐵路碳排放系數(shù)，最后使用時(shí)間序列法進(jìn)行預(yù)測得到鐵路碳排放因子隨時(shí)間變化的公式：

車站碳排放Czy為：

式中：D——鐵路車站的占地面積（m2）；

αt——鐵路車站耗電量［13］［0.016 kWh／（萬人·m2）］；

Vt，d——第t年d區(qū)域的電力碳排放因子［14］（tCO2／MWh）。

運(yùn)維階段間接碳排放主要來源于設(shè)備維護(hù)更新時(shí)建設(shè)材料生產(chǎn)、運(yùn)輸、機(jī)械設(shè)備的使用，以及車輛及車站的報(bào)廢拆除時(shí)機(jī)械設(shè)備的使用、建設(shè)垃圾的運(yùn)輸。

設(shè)備維護(hù)碳排放Ccs計(jì)算公式為：

式中：Tb——建設(shè)材料b的壽命年限（年）；

mb——維護(hù)更新過程中使用的建設(shè)材料b的質(zhì)量（kg）；

報(bào)廢拆除碳排放Cjs的計(jì)算公式為：

2.2 間接減碳量估算

（1）基于節(jié)地效應(yīng)的碳減排量Cjd的計(jì)算公式為：

式中：Sm——節(jié)省的土地在m區(qū)域內(nèi)占用耕地的面積（m2）；

A——節(jié)省的土地占林地的面積（m2）；

T——鐵路全生命周期年限（年）。

（2）基于客運(yùn)增量替代效應(yīng)的碳減排量Ckt的計(jì)算公式為式（14）～式（16）。

式中：Ckt——基于客運(yùn)增量替代效應(yīng)的碳減排量（kg）；

Cgk——公路客運(yùn)產(chǎn)生的碳排放量（kg）；

Cfk——航空客運(yùn)產(chǎn)生的碳排放量（kg）；

Ccy1——鐵路客運(yùn)產(chǎn)生的碳排放量（kg）。

式中：Yg，t——公路運(yùn)營期第t年的客運(yùn)量（萬人／a）；

Lg，t——第t年公路上旅客運(yùn)輸?shù)钠骄\(yùn)距（km）；

Rg，t——第t年通過公路運(yùn)輸旅客碳排放量［kgCO2e／（人·100 km）］；

Yf，t——飛機(jī)運(yùn)營期第t年的客運(yùn)量（萬人／a）；

Lf，t——第t年通過飛機(jī)運(yùn)輸旅客的平均運(yùn)距（km）；

Rf，t——第t年通過飛機(jī)運(yùn)輸旅客碳排放量［15］［kgCO2e／（人·100 km）］；

T2——鐵路運(yùn)營年限（年）。

公路、航空運(yùn)輸人均碳排放量如表3所示。

表3 公路、航空運(yùn)輸人均碳排放量表

（3）基于貨運(yùn)增量替代效應(yīng)的碳減排量計(jì)算模型表達(dá)為式（17）～式（19）。

式中：Cht——基于貨運(yùn)增量替代效應(yīng)的碳減排量（kg）；

Cgh——公路貨運(yùn)產(chǎn)生的碳排放量（kg）；

Cfh——航空貨運(yùn)產(chǎn)生的碳排放量（kg）；

Ccy2——鐵路貨運(yùn)產(chǎn)生的碳排放量（kg）。

式中：Hg，t——公路運(yùn)營期第t年的貨運(yùn)量（t）；

Lg，t——第t年公路上貨物運(yùn)輸?shù)钠骄\(yùn)距（km）；

Qg，t——第t年通過公路運(yùn)輸貨物碳排放量 ［kgCO2e／（t·100 km）］；

Hf，t——飛機(jī)運(yùn)營期第t年的貨運(yùn)量（t）；

Lf，t——第t年通過飛機(jī)運(yùn)輸貨物的平均運(yùn)距（km）；

Qf，t——第t年通過飛機(jī)運(yùn)輸貨物碳排放量 ［kgCO2e／（t·100 km）］；

T2——鐵路運(yùn)營年限（年）。

3 案例分析

以某山區(qū)城際鐵路線路設(shè)計(jì)方案為例進(jìn)行分析。城際鐵路設(shè)計(jì)速度為200 km／h，研究地段起點(diǎn)站站房占地面積為2 498.8 m2，終點(diǎn)站站房占地面積為15 000 m2，線路長度為26.2 km，其中橋梁總長度為11.008 km，占正線長度42%；隧道總長度為 2.375 km，占正線長度9.1%；路基長度為12.817 km，占正線長度48.9%。該鐵路規(guī)劃年客運(yùn)輸送能力為7 820.93 萬人／a。施工階段年限設(shè)為4年，運(yùn)維階段年限設(shè)為100年。

利用本文提出的鐵路全生命周期減碳效益估算方法，針對城際鐵路研究地段選線方案估算其減碳效益。由于此城際鐵路主要用于客運(yùn)，因而估算間接減碳量時(shí)僅考慮客運(yùn)增量替代效應(yīng)。此城際鐵路研究地段全生命周期碳排量計(jì)算結(jié)果如表4所示，間接碳減排量計(jì)算結(jié)果如表5所示。

表4 基于選線方案的全生命周期碳排放估算量表

表5 基于選線方案的全生命周期間接碳減排估算量表

根據(jù)上述分析可知，此城際鐵路研究地段選線方案在全生命周期將產(chǎn)生21.42×108kg的碳排放量，但由于節(jié)地效應(yīng)、客運(yùn)增量替代效應(yīng)將間接減少碳排放量79.58×108kg，不僅完全抵消了由于鐵路修建所產(chǎn)生的碳排放，還帶來了58.16×108kg的減碳效益，減碳優(yōu)勢非常明顯。

4 結(jié)論

本文基于鐵路線路方案設(shè)計(jì)階段，提出了鐵路全生命周期減碳效益估算方法，得到主要結(jié)論如下：

（1）分析得到了鐵路全生命周期碳排放量和間接減碳量影響因素，其中碳排放量包括施工和運(yùn)維兩個(gè)階段的主要影響因素；間接減碳量影響因素包括節(jié)地效應(yīng)、客運(yùn)增量替代效應(yīng)、貨運(yùn)增量替代效應(yīng)等方面的主要影響因素。

（2）分別建立了鐵路全生命周期碳排放量和間接減碳量估算方法，并在此基礎(chǔ)上提出了鐵路全生命周期減碳效益估算方法。

（3）通過某城際鐵路選線設(shè)計(jì)方案分析，得到此城際鐵路研究地段全生命周期碳排放量為21.42×108kg，其中施工階段碳排放量占6.91%，運(yùn)維階段碳排放量占比93.09%，而間接減碳量79.58×108kg，減碳效益達(dá)到58.16×108kg。