陳進杰, 王興舉, 王祥琴, 馬曉元, 陳 瑤

(1.石家莊鐵道大學 交通運輸學院，河北 石家莊 050043；2.石家莊鐵道大學 土木工程學院，河北 石家莊 050043；3.河北省交通安全與控制重點實驗室，河北 石家莊 050043)

目前，我國高速鐵路運營里程已達到2萬km，居世界第一位，高速鐵路服務范圍覆蓋28個省區(qū)市[1]。中國已成為世界上高速鐵路運營里程最長、在建規(guī)模最大的國家。

高速鐵路在建筑材料生產、施工建設、運營維護以及報廢拆除處置等過程都消耗了大量資源和能源，產生了大量溫室氣體排放。高速鐵路碳排放備受關注，運用全生命周期理論研究高速鐵路碳排放[2]，對高速鐵路節(jié)能減排工作具有重要意義。

目前高速鐵路碳排放研究較多的是對其建設階段以及運營維護階段的用電等進行研究，而對其全生命周期其他階段的碳排放研究較少。

文獻[2]對加利福尼亞州高速鐵路進行環(huán)境影響估算。文獻[3]對建設階段的加利福尼亞州高速鐵路碳排放進行研究。文獻[4]從土地占用、利用新能源與可再生能源和“以電代油”三方面分析了高速鐵路的節(jié)能減排效應。文獻[5]以武廣高鐵為背景研究得出每公里高速鐵路比普通鐵路每年減排二氧化碳2 190.55 t，綜合效應高速鐵路比普速鐵路更節(jié)能減排。文獻[6]對高速鐵路生命周期二氧化碳排放計算的邊界進行界定，將高速鐵路的生命周期劃分為基礎設施建造、運營和回收3個階段；根據(jù)對各階段高速鐵路二氧化碳排放清單的分析，分別給出各個階段二氧化碳排放的計算公式；通過算例分析高速鐵路在建造和運營階段碳排放的特點。文獻[7]將高速鐵路按全生命周期劃分為設計、建設、運營、維護和拆解5個階段，分析各階段的典型活動，總結生命周期視角下高速鐵路的能源消耗和碳排放。

現(xiàn)有碳排放研究成果有的側重全生命周期施工建設或鐵路運營某一階段；對碳排放因子采用國內外平均值，沒有考慮碳排放因子地域性差異；鐵路系統(tǒng)全生命周期長達數(shù)十年甚至上百年，以往的研究把碳排放因子當成常數(shù)固定值，沒有考慮隨時間的動態(tài)變化；由于高速鐵路基礎數(shù)據(jù)收集困難，對高速鐵路建設及運營階段碳排放分析建模采用簡化宏觀估算。種種原因導致全生命周期碳排放計算模型建立不科學，計算結果誤差較大。事實上，世界范圍內不同地區(qū)碳排放因子差異性較大，不能簡單的移植。高速鐵路是一個復雜的系統(tǒng)，一是其站前工程包括路基工程、橋涵工程、隧道工程、軌道工程、車站站場等，站后工程包括機務、給排水、通信信號、電力及電氣化工程等等，工程量統(tǒng)計分析困難；二是高速鐵路原材料生產、施工建設、運營維護、報廢拆除處置等全生命周期需要材料設備種類達數(shù)萬種以上，要對其全生命周期碳排放進行系統(tǒng)分析，需要借助眾多碳排放因子統(tǒng)計數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量龐大而且獲取困難；三是我國地域廣闊，不同區(qū)域不同年代碳排放因子是有差異的，而一條高速鐵路常?？缭讲煌瑓^(qū)域，全生命周期時間跨度常常達幾十年，在全生命周期內如何選取碳排放因子比較困難。

本文以橫跨我國多個省市的京滬高速鐵路為背景，考慮不同區(qū)域碳排放因子差異，考慮全生命周期不同年度碳排放因子動態(tài)變化，通過對京滬高速鐵路建設運營詳細數(shù)據(jù)進行分析，建立建材生產、施工建設、運營維護和報廢拆除處置等階段的碳排放模型，計算其碳排放量。

1 高速鐵路全生命周期碳排放計算依據(jù)

1.1 高速鐵路全生命周期階段劃分

高速鐵路全生命周期是指高速鐵路項目從規(guī)劃設計、建材生產、施工建設、運營維護和報廢拆除處置等整個過程。

高速鐵路的規(guī)劃設計階段需要完成項目論證、項目建議書、可行性研究、工程勘察、初步設計、施工圖設計等工作。該階段的碳排放主要包括地形勘測、地質勘察(工程地質調繪，工程勘探，地質測試，路基、橋涵、隧道等各類建筑物的工程地質勘察，巖土工程地質勘察)等過程中儀器設備使用消耗能源產生的碳排放，設計計算繪圖及辦公產生碳排放，勘測設計過程交通運輸工具使用產生的碳排放。

盡管高速鐵路規(guī)劃設計階段消耗了大量人力物力，也產生了一定的碳排放，但文獻[8]研究表明，規(guī)劃設計階段能耗碳排放量遠遠小于其他任何一個階段碳排放量，在全生命周期碳排放計算中可以忽略不計。

為了便于分析高速鐵路整個生命周期碳排放，本文把高速鐵路整個生命周期劃分為四個階段，即建材生產階段、施工建設階段、運營維護階段及報廢拆除處置階段[9-12]。

1.2 高速鐵路全生命周期碳排放計算邊界

高速鐵路生命周期碳排放是指在高速鐵路全生命周期各階段向外界環(huán)境排放的溫室氣體數(shù)量。為了計算高速鐵路全生命周期碳排放，需要確定其計算邊界。

高速鐵路全生命周期碳排放計算邊界之內應包含形成高速鐵路實體和功能的一系列中間產品和單元過程組成的集合，包括高速鐵路基礎設施建設所需材料的生產、運輸和高速鐵路的施工建設、運營與維護、報廢拆除等，如圖1所示。

1.3 高速鐵路全生命周期碳排放清單分析

高速鐵路全生命周期碳排放清單分析是對其整個生命周期階段對內輸入和對外輸出過程的定量分析，量化高速鐵路在整個生命周期內輸入資源、能源的消耗，量化分析及其向外部環(huán)境排放的溫室氣體等?；谶^程的清單分析主要是對其各單元過程輸出的排放進行定量的統(tǒng)計分析，并可將所研究的清單數(shù)據(jù)進行匯總，建立相應的清單數(shù)據(jù)庫。

圖1 高速鐵路全生命周期碳排放計算邊界

2 高速鐵路全生命周期碳排放模型

2.1 高速鐵路全生命周期碳排放構成

高速鐵路全生命周期碳排放是指其全生命周期內各階段碳排放的總和，即高速鐵路建材生產階段、施工建設階段、運營維護階段及報廢拆除處置階段碳排放總和。按時間順序，高速鐵路全生命周期各階段的碳排放構成見表1。按高速鐵路結構內容可歸納為路基工程系統(tǒng)、軌道工程系統(tǒng)、橋涵工程系統(tǒng)、隧道工程及明洞系統(tǒng)、車站和車輛基地工程系統(tǒng)、電氣化工程系統(tǒng)、動車組系統(tǒng)等七大系統(tǒng)，其中電氣化系統(tǒng)包括通信、信號、信息、電力、牽引供電等。高速鐵路碳排放構成三維結構圖如圖2所示，高速鐵路碳排放分解結構體系如圖3所示。

表1 高速鐵路全生命周期碳排放情況表

圖2 高速鐵路全生命周期碳排放構成三維結構圖

圖3 高速鐵路碳排放分解結構體系圖

2.2 高速鐵路全生命周期碳排放模型

根據(jù)表1、圖2、圖3，構建出高速鐵路全生命周期碳排放模型為

C=Csc+Csg+Cyy+Ccz

(1)

式中：C為高速鐵路全生命周期碳排放(kg·CO2)；Csc、Csg、Cyy、Ccz分別為建材生產階段碳排放、施工建設階段碳排放、運營維護階段碳排放及報廢拆除處置階段碳排放(kg·CO2)。

3 高速鐵路全生命周期分階段碳排放模型

3.1 建材生產階段碳排放模型

高速鐵路的路基工程、軌道工程、橋涵工程、隧道工程及明洞、車站和車輛基地工程、電氣化工程，動車組系統(tǒng)等七大系統(tǒng)建造過程中，建筑材料消耗量巨大，生產這些建筑材料需要消耗能源，產生大量的碳排放。

高速鐵路施工建設期間所使用的建材生產的碳排放計算公式為

(2)

式中：mij為高速鐵路子系統(tǒng)j施工建設所使用建材品種i消耗量；ωi為建設過程中建材品種i施工工藝損耗(%)；n為建材品種數(shù)量；u為高速鐵路子系統(tǒng)數(shù)量，一般分為路基工程系統(tǒng)、軌道工程系統(tǒng)、橋涵工程系統(tǒng)、隧道工程及明洞系統(tǒng)、車站和車輛基地工程系統(tǒng)、電氣化工程系統(tǒng)，動車組系統(tǒng)；Vi(t,d)為第t年在d區(qū)域生產單位質量的建材i的碳排放。全國不同行政區(qū)域的碳排放有所不同，根據(jù)建筑碳排放計量標準劃分為華北、東北、華東、華中、西北、南方及海南等幾個區(qū)域。

高速鐵路全生命周期長達數(shù)十年甚至上百年，隨著科學技術進步及國家節(jié)能減排政策實施，期間不同年度碳排放系數(shù)是逐年變化的。京滬高速鐵路某區(qū)域基期材料碳排放系數(shù)見表2。

表2 京滬高速鐵路某區(qū)域基期材料碳排放系數(shù)表

續(xù)上表

3.2 施工建設階段碳排放模型

高速鐵路施工建設階段碳排放包括兩部分，一是建筑材料由產地運輸?shù)绞┕がF(xiàn)場的運輸碳排放；二是建筑物、構筑物施工過程中的機械設備碳排放，其數(shù)學模型為

Csg=Csg1+Csg2

(3)

式中：Csg1為建筑材料從產地運輸?shù)绞┕がF(xiàn)場的運輸碳排放；Csg2為施工建設過程中的機械設備碳排放。

3.2.1 建筑材料從產地運輸?shù)绞┕がF(xiàn)場的運輸碳排放

在高速鐵路施工建設階段，需要將建筑材料從產地運輸至施工地點，由此產生的碳排放計算公式為

(4)

式中：z為運輸方式種類；mijr為高速鐵路子系統(tǒng)j施工建設所使用建材品種i采用r運輸方式從產地運送到施工現(xiàn)場的消耗量；lir為建筑材料品種i采用r運輸方式從產地運送到施工現(xiàn)場的平均運輸距離；Yr(t,d)為第t年在d區(qū)域采用r運輸方式的運輸碳排放系數(shù)。基期碳排放系數(shù)見表3。

表3 不同運輸方式基期的單位碳排放系數(shù)

3.2.2 建筑物、構筑物施工過程機械設備碳排放

在高速鐵路各個子系統(tǒng)基礎設施施工建設安裝調試過程中使用了許多施工機械和設備，根據(jù)建設項目工程量及相應定額可計算出施工過程施工機械設備的臺班消耗量，進而計算出其電力、燃料消耗，從而計算出其碳排放量。

(5)

式中：b為施工方法種類；g為某施工方法需要機械設備種類；Qjkh為子系統(tǒng)j采用施工方法k應用機械設備h的施工工程數(shù)量；Oh為機械設備h的臺班定額，即完成單位工程量需要臺班數(shù)量；Ph為臺班能源消耗量，即機械設備每個臺班燃油或電力消耗量；V(t,d)為第t年在d區(qū)域單位數(shù)量燃油或電力碳排放。

3.3 運營維護階段碳排放模型

高速鐵路運營維護階段碳排放包括三部分[13-14]，一是動車組運行消耗電能及碳排放，二是動車組運行以外車站設備等消耗電能及碳排放，三是高速鐵路維修及更新改造等碳排放。其計算表達式為

Cyy=Cyy1+Cyy2+Cyy3

(6)

式中：Cyy1為動車組運行碳排放；Cyy2為車站設備運行碳排放；Cyy3為高速鐵路更新改造碳排放。

高速鐵路運營維護階段每個年度的碳排放是逐年變化的，其大小與高速鐵路最高行車速度、停站間距、座位利用率直接相關，此外還受季節(jié)因素、動車組類型、車站規(guī)模、線路條件等影響。由于高速鐵路客運量是逐年增長的，因此運營維護階段第t年的年碳排放也是逐年變化的，而并非常數(shù)。高速鐵路運營維護階段的總碳排放為全生命周期內各年度碳排放之和。

3.3.1 動車組運行碳排放數(shù)學模型

動車組運行耗電包括車輛牽引耗電、動車組空調耗電、動車組照明耗電、動車組信號系統(tǒng)耗電等。高速鐵路運營期間動車組運行碳排放可以表示為

(7)

式中：q(t)為鐵路投入運營第t年客運量,人；e(t)為運營第t年旅客平均運距,km；R(t)為第t年運輸每人千米耗電量,kW·h/(人·km)；V(t,d)為第t年在d區(qū)域電力二氧化碳排放因子,kg/(kW·h)；T為高速鐵路的全生命周期。

電能作為二次能源，與不同國家地區(qū)的能源結構密切相關，火電發(fā)電比例越高，單位電能產生的碳排放量越大。我國將電網邊界統(tǒng)一劃分為華北、東北、華東、華中、西北和南方區(qū)域電網。

由中國發(fā)展改革委應對氣候變化司確定的中國區(qū)域電網基準線排放因子中，公布了各區(qū)域電網的排放因子，見表4。排放因子采用了OM和BM兩種計算方法，OM計算方法是計算電量邊際排放因子，即根據(jù)電力系統(tǒng)中所有電廠的總凈上網電量、燃料類型及燃料總消耗量進行計算。BM按樣本機組排放因子的發(fā)電量加權平均而求得。

表4 歷年電力碳排放因子數(shù)值 kg·CO2·(kW·h)-1

續(xù)上表

由表4可知，碳排放因子隨時間變化是動態(tài)變化的，且隨著火電比例逐年下降，碳排放因子呈逐年減小趨勢，由此得出回歸公式為

華北地區(qū)

V(t,d)=1.056 40(t-2 006)-0.146 19

(8)

華東地區(qū)

V(t,d)=0.940 26(t-2 006)-0.132 28

(9)

3.3.2 車站運行碳排放數(shù)學模型

車站耗電設備包括空調系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、自動扶梯系統(tǒng)、通信信號系統(tǒng)、電子大屏幕、微機打印機、給排水系統(tǒng)及消防系統(tǒng)、熱水器等。根據(jù)統(tǒng)計，客運站設備能耗碳排放中，中央空調占60%～80%，照明占6%～17%，電梯占3%左右，這三部分的值都會因發(fā)送旅客量不同而有所改變。

(10)

式中：S(t)為第t年車站建筑面積，m2；RR(t)為單位耗電指標，(kW·h)/(人·m2)。

3.3.3 維護更新改造過程中建材生產碳排放

高速鐵路全生命周期期限較長，全生命周期內的某些子系統(tǒng)如鋼軌、動車組、無砟軌道等壽命期較短需要更新，各個子系統(tǒng)需要正常維護、維修，在維護更新改造過程中所使用的建材生產碳排放計算公式為

(11)

3.4 報廢拆除處置階段碳排放模型

高速鐵路在其生命期末報廢處置會產生大量建筑垃圾，需要將這些垃圾運輸?shù)嚼诼裉幓蚧厥諒S進行循環(huán)再利用，其碳排放包括拆除過程碳排放和運輸處置過程碳排放。

建筑物、構筑物拆除過程碳排放主要來源于拆除機械設備的操作，其動力能源主要是燃油和電力；運輸處置過程碳排放是從鐵路建筑地點運往處置點的裝卸、運輸處置碳排放。

報廢拆除處置階段的碳排放為

(12)

式中：Qjkr為拆除鐵路建筑物、構筑物廢棄物品種k采用運輸方式r運輸?shù)膹U物量；Gk為拆除鐵路建筑物、構筑物廢棄物品種k的密度；lkr為拆除鐵路建筑物、構筑物廢棄物品種k采用運輸方式r運輸?shù)嚼诼裉幓蚧厥諒S的平均運輸距離。

按照式(2)將上述各階段的生命周期碳排放相加，便可得到高速鐵路全生命周期碳排放。

4 工程實例及分析

4.1 工程概況及主要工程數(shù)量

京滬高速鐵路線路全長1 318 km，2008年4月正式開工，2011年6月30日通車運營。線路共設24座車站，設計最高行車速度350 km/h，目前最高運營速度為300 km/h。

橋梁長度1 140 km，占正線長度86.5%；隧道長度16 km，占正線長度1.2%；路基長度162 km，占正線長度12.3%。全線鋪設無砟軌道1 268 km，占線路長度的96.2%，有砟軌道約50 km，占線路長度的3.8%。動車組類型有CRH2A、CRH380A(L)、CRH380B(L)、CRH380CL、CRH380D等。京滬高速鐵路施工建設階段主要材料消耗見表5。

表5 京滬高速鐵路施工建設階段主要材料消耗表

4.2 京滬高速鐵路全線客流量及遠期客流預測

京滬高速鐵路2011年6月30日開通運營以來，歷年客流量見表6。根據(jù)京滬高速鐵路設計遠期規(guī)劃(交付運營20年)年客流量為1.6億人次。

表6 京滬高速鐵路客運量情況表

由表6歷年客運量統(tǒng)計及設計遠期年客流量，預測全生命周期年度客流量為

高速鐵路旅客平均運距由旅客出行習慣和需求所決定，并受季節(jié)因素、本線列車、跨線列車等多個因素影響。季節(jié)因素對旅客平均運距影響較大，京滬高速鐵路每年不同月份變化很大，尤其是本線列車旅客平均運距波動很大，每年暑期旅客平均運距較大，而春節(jié)前后一、二、三月份運距較小，本線列車與跨線列車平均運距差異較大。據(jù)統(tǒng)計，2012—2015年旅客不同月份運距在500～700 km之間，平均運距570 km。

4.3 運營維護階段碳排放

京滬高速鐵路跨越華北、華東兩個區(qū)域，運營維護階段碳排放按兩個區(qū)域分別計算。華北區(qū)域用代碼1表示，華東區(qū)域用代碼2表示，L(1)表示華北區(qū)域鐵路線路長度，L(2)表示華東區(qū)域鐵路線路長度。京滬高速鐵路運營用電情況見表7。

表7 京滬高速鐵路運營用電情況 萬kW·h

京滬高速鐵路華北區(qū)域車站總建筑面積為185 787 m2，華東區(qū)域車站建筑面積為365 999 m2。

根據(jù)高速鐵路設計規(guī)范要求，主體工程、路基工程、橋梁工程、隧道工程等子系統(tǒng)按100年設計，因此本文研究全生命周期按100年計算。而軌道、動車組、電氣化等子系統(tǒng)壽命期較短，一般在20年至60年不等，在全生命周期內需要更新，各個子系統(tǒng)需要正常維護、維修，京滬高速鐵路在華北、華東區(qū)域維護更新改造過程中所使用的建材生產碳排放分別進行計算。

4.4 全生命周期碳排放計算結果及分析

根據(jù)本文建立的全生命周期碳排放數(shù)學模型，結合京滬高速鐵路建設運營的基礎數(shù)據(jù)，可得到在全生命周期內各個階段碳排放[15-20]，見表8。

表8 京滬高速鐵路全生命周期碳排放構成 萬t

表8中的全生命周期碳排放考慮了全生命周期內各年度碳排放因子的時空變化，如果不考慮碳排放因子時空變化，則碳排放因子按基期值計算，兩者比較見表9。從表9可以看出，考慮碳排放因子時空動態(tài)變化計算出的全生命周期碳排放減小15.06%。

表9 京滬高速鐵路全生命周期碳排放量比較

4.5 敏感性分析

高速鐵路全生命周期碳排放計算模型(1)中包括建材碳排放因子、電力碳排放因子等參數(shù)，這些參數(shù)取值基于統(tǒng)計分析并進行遠期預測。但由于影響因素的復雜性及發(fā)展的不確定性，全生命周期內參數(shù)的取值仍有可能發(fā)生變化。如電力碳排放因子、鋼材、水泥碳排放因子、客流量等，這些參數(shù)變化對全生命周期碳排放值影響較大，需要進行敏感性分析，找出敏感性因素，進行分析控制。

4.5.1 電力生命周期碳排放因子敏感性分析

目前我國電力生產結構以煤電為主，從近幾年統(tǒng)計情況看，這種電力結構正在逐漸改善，煤電比例也正在逐年下降，由于電廠建設效率提升，電力全生命周期碳排放因子也將隨之下降。對該參數(shù)敏感性分析設為碳排放因子各年度上升10%、20%和碳排放因子下降10%、20%，分別計算全生命周期碳排放，見表10。

表10 電力、鋼材及水泥碳排放因子敏感性分析 萬t

圖4 電力、鋼材及水泥碳排放因子敏感性分析圖

4.5.2 鋼材、水泥碳排放因子敏感性分析

隨著科學技術進步，鋼材水泥生產工藝提高，生產單位質量鋼材水泥的碳排放會逐年下降，本文考慮了鋼材水泥碳排放因子的時空變化，同樣對該參數(shù)敏感性分析設為碳排放因子各年度上升10%、20%和碳排放因子下降10%、20%，分別計算全生命周期碳排放，如表10、圖4所示。

由圖4可以看出，電力碳排放因子敏感性最強，是京滬高速鐵路全壽命周期碳排放計算中需要重點控制的因素。

5 結束語

本文將全生命周期理論運用于高速鐵路，對高速鐵路的全生命周期碳排放進行了全面的分析，分別從高速鐵路建材生產、施工建設、運營維護以及報廢拆除處置等四個階段建立碳排放數(shù)學模型，揭示了各個不同階段碳排放分布情況及它們之間的聯(lián)系。

為了驗證模型，以京滬高速鐵路為研究對象進行分析。分析客流、旅客平均運距及其變化規(guī)律，研究高速鐵路路基工程系統(tǒng)、軌道工程系統(tǒng)、橋涵工程系統(tǒng)、隧道工程及明洞系統(tǒng)、站場工程系統(tǒng)、電氣化工程系統(tǒng)、動車組系統(tǒng)等七大系統(tǒng)，計算各個子系統(tǒng)的碳排放量，計算出京滬高速鐵路全生命周期碳排放量并進行敏感性分析。結果表明，高速鐵路運營維護階段碳排放占全生命周期84.97%，建材生產階段占12.66 %。運營維護階段是碳排放最大的階段，節(jié)能潛力巨大，應重點研究線路節(jié)能坡設計、優(yōu)化站間距離、車輛節(jié)能等。在原材料使用時考慮使用綠色節(jié)能材料，對于減少建材生產階段碳排放有重要作用。研究表明，由于高速鐵路工程建設周期一般為4～5年，相對于全生命周期100年較短。計算結果表明，建設階段碳排放因子變化不大，因此該階段是否考慮碳排放因子隨時間變化總碳排放差異不明顯，但應考慮碳排放因子空間因素。

對高速鐵路的全生命周期碳排放進行分析涉及到裝備、建材種類繁多、碳排放環(huán)節(jié)復雜，需要巨大的基礎數(shù)據(jù)作為基礎，是一項復雜的系統(tǒng)工程，需要建立一套完善的建材基礎碳排放數(shù)據(jù)庫?？紤]電力碳排放因子時空動態(tài)變化后，京滬高速鐵路全生命周期碳排放量比按基期靜態(tài)因子計算的碳排放量減小15.06%，因此考慮碳排放因子時空動態(tài)變化很有必要。

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