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.中鐵二院工程集團有限責任公司，成都 610031；2.西南交通大學，成都 610031）

在“十四五”規劃中，我國提出要在2030年前實現碳達峰，2060年前實現碳中和。鐵路作為一種低碳運輸方式，在節能減排方面有顯著優勢［1］，可以促使其他運輸方式的客貨運量向鐵路轉移，從而降低整個運輸系統的碳排放量［2］。然而，鐵路在其全生命周期內，仍然會產生大量的碳排放。為了充分發揮鐵路的低碳功能，有必要在選線設計階段，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選奠定了基礎。

已有學者在鐵路減碳方面進行了研究：Strauss［3］等通過對航空和高速鐵路線路的研究發現，從航空旅行到高速鐵路的模式替代導致近年來空氣碳排放下降18%，每年為環境凈碳排放節省了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行分析，發現修建高速鐵路可減少碳排量，修建鐵路所產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據，一些學者還對個體能耗及碳排放量進行了研究：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，得出了個體的能耗和碳排放指標；Sanches［6］等發現在生命周期中，每行駛1 km每名乘客排放13.9 g二氧化碳，該系統啟用14年后，非運行排放將得到補償。

綜上所述，目前對鐵路減碳效益方面已有不少研究，但現有成果無法有效應用于線路設計階段減碳效益的評估，更無法指導鐵路線路方案的優選。因此，本文將基于鐵路選線設計階段，針對線路設計方案建立減碳效益估算方法，以實現山區低碳線路方案的優選。

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鐵路的間接碳減排量與碳排放總量之間的差值，表達為：

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時機械設備的使用。間接碳排放主要包括建設材料的生產、運輸、機車車輛的生產所產生的碳排放。運維階段的直接碳排放包括車站及機車車輛運行所產生的碳排放。間接碳排放主要來源于設備維護更新、車輛及車站的報廢拆除。施工、運維兩個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、材料及廢棄物運輸碳排放因子、施工機械能耗、施工工藝等；運維階段影響因素主要包括車站設備的能耗、機車車輛結構、能源結構、機車能耗強度、換算周轉量、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）節地效應

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

（2）客運增量替代效應

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。由于鐵路網逐漸形成，減少了換乘次數，省會到周邊城市、首都到省會城市的時間大大縮短，而且鐵路不僅速度快還準時，極大滿足了人們的出行需求，使得其將分擔部分公路、民航客流，形成對公路及航空的替代效應［9］。據研究，鐵路每人每百公里的碳排放量為1.56～1.91 kg，分別是中型客機的20%，汽車的30%～50%，減排效果顯著［10］。

（3）貨運增量替代效應

近些年我國推行“公轉鐵”政策，促使貨運量從公路轉移到鐵路。隨著鐵路網絡建設逐漸完善，鐵路貨運的潛力將逐漸釋放［11］。由于鐵路的能耗和碳排放都顯著優于公路和航空，且隨著“公轉鐵”政策的實施，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地效應、客運增量替代效應、貨運增量替代效應3個方面。

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時機械設備的使用所產生。機械設備碳排放Csz表達為：

式中：nk——子系統類型；

ni——施工方法種類；

nj——機械設備種類；

Gn，i，j——子系統k采用施工方法i時用到的機械設備j的施工工程數量（臺班）；

Jj——機械設備j完成單位工程量需要的機械設備j的臺班數量（臺班）；

Hj——機械設備j的能源消耗量（tce／臺班）；

Vd——在d區域內的碳排放因子，即單位數量燃油或電力的碳排放量（t碳／t標準煤）。

施工階段間接碳排放主要包括建設材料的生產、運輸所產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田、林地碳匯［12］。

建設材料生產碳排放Cjg計算公式為：

式中：nb——建設材料種類；

mk，b——施工建設工程中子系統k使用的建設材料b的質量（kg）；

φb——建設材料b在運輸、施工過程中的損耗率；

Pb——生產單位質量建設材料b所產生的碳排放量（kg）。

建設材料運輸碳排放Cjy計算公式為：

式中：mk，a，b——采用交通方式a運輸子系統k的建設材料b的質量（kg）；

Lk，a，b——采用交通方式a將子系統k的建設材料b從產地運輸到施工現場的平均距離（km）；

Ra——交通方式a的碳排放因子（tCO2／GJ）。

農作物碳匯Wcrops計算公式為：

式中：T——鐵路全生命周期年限（年）；

nm——農作物種類；

nn——劃分的區域；

Sm——鐵路在m區域內占用耕地的面積（m2）；

φm，n——m區域內農作物n所占比例；

Cm，n——m區域內農作物n單位面積年碳匯量（kg）。

森林碳匯Wforests計算公式為：

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）運維階段碳排放量估算

運維階段的直接碳排放包括車站及機車車輛運行所產生的碳排放，鐵路運輸包括客運和貨運。

客、貨運碳排放Ccy1、Ccy2的計算公式為：

式中：T2——鐵路運營年限（年）；

Yt——鐵路開始運營后第t年的客運量（萬人／a）；

Rt1——鐵路碳排放指標［kgCO2e／（人·100 km）］；

Ht——鐵路開始運營后第t年的貨運量（t／km）；

Rt2——鐵路歷年碳排放指標［gCO2／（t·km）］。

鐵路運輸人均碳排放量如表1所示。2005—2016年鐵路內燃與電力機車歷年運輸每t碳排放量如表2所示。

表1 鐵路運輸人均碳排放量表

表2 鐵路運輸每t碳排放量表［gCO2／（t·km）］

根據歷年內燃與電力機車比例，對表中內燃與電力機車的碳排放系數進行加權計算，得到歷年鐵路碳排放系數，最后使用時間序列法進行預測得到鐵路碳排放因子隨時間變化的公式：

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區域的電力碳排放因子［14］（tCO2／MWh）。

運維階段間接碳排放主要來源于設備維護更新時建設材料生產、運輸、機械設備的使用，以及車輛及車站的報廢拆除時機械設備的使用、建設垃圾的運輸。

設備維護碳排放Ccs計算公式為：

式中：Tb——建設材料b的壽命年限（年）；

mb——維護更新過程中使用的建設材料b的質量（kg）；

報廢拆除碳排放Cjs的計算公式為：

2.2 間接減碳量估算

（1）基于節地效應的碳減排量Cjd的計算公式為：

式中：Sm——節省的土地在m區域內占用耕地的面積（m2）；

A——節省的土地占林地的面積（m2）；

T——鐵路全生命周期年限（年）。

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

式中：Ckt——基于客運增量替代效應的碳減排量（kg）；

Cgk——公路客運產生的碳排放量（kg）；

Cfk——航空客運產生的碳排放量（kg）；

Ccy1——鐵路客運產生的碳排放量（kg）。

式中：Yg，t——公路運營期第t年的客運量（萬人／a）；

Lg，t——第t年公路上旅客運輸的平均運距（km）；

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

Yf，t——飛機運營期第t年的客運量（萬人／a）；

Lf，t——第t年通過飛機運輸旅客的平均運距（km）；

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

T2——鐵路運營年限（年）。

公路、航空運輸人均碳排放量如表3所示。

表3 公路、航空運輸人均碳排放量表

（3）基于貨運增量替代效應的碳減排量計算模型表達為式（17）～式（19）。

式中：Cht——基于貨運增量替代效應的碳減排量（kg）；

Cgh——公路貨運產生的碳排放量（kg）；

Cfh——航空貨運產生的碳排放量（kg）；

Ccy2——鐵路貨運產生的碳排放量（kg）。

式中：Hg，t——公路運營期第t年的貨運量（t）；

Lg，t——第t年公路上貨物運輸的平均運距（km）；

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

Hf，t——飛機運營期第t年的貨運量（t）；

Lf，t——第t年通過飛機運輸貨物的平均運距（km）；

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

T2——鐵路運營年限（年）。

3 案例分析

以某山區城際鐵路線路設計方案為例進行分析。城際鐵路設計速度為200 km／h，研究地段起點站站房占地面積為2 498.8 m2，終點站站房占地面積為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%。該鐵路規劃年客運輸送能力為7 820.93 萬人／a。施工階段年限設為4年，運維階段年限設為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，因而估算間接減碳量時僅考慮客運增量替代效應。此城際鐵路研究地段全生命周期碳排量計算結果如表4所示，間接碳減排量計算結果如表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生21.42×108kg的碳排放量，但由于節地效應、客運增量替代效應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生的碳排放，還帶來了58.16×108kg的減碳效益，減碳優勢非常明顯。

4 結論

本文基于鐵路線路方案設計階段，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維兩個階段的主要影響因素；間接減碳量影響因素包括節地效應、客運增量替代效應、貨運增量替代效應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計方案分析，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，減碳效益達到58.16×108kg。