趙允亮（遼寧省水利水電勘測設(shè)計研究院，遼寧沈陽110003）

基于生命周期評價的引水工程碳排放模型研究

趙允亮
（遼寧省水利水電勘測設(shè)計研究院，遼寧沈陽110003）

當前水利工程建設(shè)過程成為了二氧化碳密集排放的重要過程，低碳水利的發(fā)展趨勢要求詳細了解水資源配置過程的碳水關(guān)系，從而使配置過程更加低碳。生命周期評價方法是近年來人們了解各種環(huán)境問題的有效工具，文中以大型引水工程作為研究對象，基于生命周期理論和投入產(chǎn)出的碳排放核算方法進行碳排放核算，建立了引水工程生命周期碳排放核算模型。

引水工程；生命周期評價；碳排放

0 引言

氣候變暖是指在一段時間中陸地和海洋大氣溫度上升的現(xiàn)象，造成該現(xiàn)象的直接原因是溫室氣體的排放，目前，大約有CO2，CH4、氮氧化物等30多種不同的氣體被認為是溫室氣體，而溫室氣體的產(chǎn)生主要受人為因素的影響，主要有人口劇增、大氣環(huán)境污染、海洋生態(tài)環(huán)境惡化、土地遭侵蝕、鹽堿化、沙漠化等破壞、森林資源銳減等因素。氣候變暖不僅制約經(jīng)濟發(fā)展，同時已經(jīng)嚴重影響到能源安全、生態(tài)安全和水資源的安全。

在氣候變化背景下，隨著干旱地區(qū)增加，將影響世界六分之一人口的用水。亞洲有10多億人口將面臨嚴重水資源短缺的問題，而中國的水資源緊張局勢也將隨之進一步加劇。氣候變化將改變水循環(huán)機制，進一步加劇水資源供需矛盾。水資源分布從空間上看，東多西少，南多北少；從時間上看，夏秋多，冬春少。而年際變化也非常顯著，歷史上曾多次出現(xiàn)連續(xù)枯水年，造成嚴重的社會危機。水資源時間和空間上的不平衡分配，使我國許多地區(qū)的經(jīng)濟社會發(fā)展受制于水資源的供給能力[1]。水資源短缺已成為制約經(jīng)濟社會發(fā)展的重要因素，現(xiàn)階段主要采取的解決措施即采取跨流域引水等工程措施，包括已經(jīng)建成的引黃入晉工程、引灤入津工程、引碧入連工程和在建的世界上最大調(diào)水工程南水北調(diào)工程等，近年來水資源配置工程建設(shè)突飛猛進，發(fā)揮了相當重要的經(jīng)濟效益。根據(jù)2013年全國水利發(fā)展公報顯示，全社會共落實水利投資3 954億元，全年水利建設(shè)完成土方、石方和混凝土方分別為36億m3、54億m3、0.7億m3，其中引水工程在建投資規(guī)模達到3 304.4億元[2]。大型引水工程的發(fā)展反映了人類改造自然能力的技術(shù)和水平，但同時也在建設(shè)和運行階段消耗了大量資源和能源，產(chǎn)生的二氧化碳占據(jù)了溫室氣體排放的重要份額。

如何平衡水資源供需矛盾和緩解氣候變暖，成為近年來環(huán)境領(lǐng)域的重點關(guān)注問題。秦天玲在對白洋淀流域碳排放和需水預(yù)測模型進行研究的同時，實現(xiàn)了碳減排和地下水恢復(fù)、生態(tài)保護等多重目標，并為大型引水工程水資源配置提供了理論依據(jù)。在通過引水工程達到對水資源的優(yōu)化配置的基礎(chǔ)上，對傳統(tǒng)水資源利用形式進行創(chuàng)新和改革，進而減緩氣候變化，也是我國水利實現(xiàn)低碳發(fā)展模式的重要機遇和挑戰(zhàn)，將進一步促進水利改革的發(fā)展。低碳水利是在保證水資源安全可持續(xù)供給的前提下，以降低水利建設(shè)的能源資源消耗為目標，將水利工程建設(shè)和運行過程的碳排放管理作為主要內(nèi)容，不斷進行技術(shù)創(chuàng)新和制度改革，實現(xiàn)水資源的持續(xù)利用、水利工程的低碳建設(shè)和節(jié)能運行，最終達到水資源利用的可持續(xù)發(fā)展。

1 LCA評價方法和碳排放評價方法

1.1 生命周期評價方法

生命周期評價（Life Cycle Assessment，LCA）是一種用于評價產(chǎn)品或服務(wù)相關(guān)的環(huán)境因素及其整個生命周期環(huán)境影響的工具。它被定義為“對一個產(chǎn)品的某個過程或某個活動生命周期中物質(zhì)與能量以及潛在環(huán)境影響的匯編與評價”，是對產(chǎn)品從“搖籃”到“墳?zāi)埂钡脑u價。目前已被國際標準化組織（ISO）納入ISO14000環(huán)境管理系列標準，成為國際上進行環(huán)境管理重要工具。

隨著該理論的逐漸完善，學(xué)者在交通業(yè)[3]、畜牧業(yè)[4]、化工業(yè)[5]、食品業(yè)、機械制造業(yè)[6]、旅游業(yè)[7]等領(lǐng)域開展了積極的研究。

生命周期理論由于建筑業(yè)施工過程的碳排放規(guī)模相對于工業(yè)較小而起步較晚，但近年來隨著人們意識到建筑業(yè)對其他相關(guān)產(chǎn)業(yè)的巨大拉動作用，相關(guān)研究逐漸增多，尤其是2010—2013年[8]。張智慧利用投入產(chǎn)出法計算了2007年全國建筑業(yè)關(guān)聯(lián)碳排放達到181 144萬t，證明了建筑業(yè)對碳排放有重要的影響。王上[9]利用成都市的住宅作為研究對象，分析了住宅從建材生產(chǎn)、建設(shè)、運行維護、拆解及回收各個階段的碳排放量，研究表明住宅使用過程中碳排放量最高，占到全生命周期的90%。蔡向榮等[10]通過對住宅的碳排放影響分析，論證了材料生產(chǎn)階段和使用階段的節(jié)能潛力。

1.2 碳排放評價方法

過程分析法基于生命周期理論，根據(jù) Setac提出的研究大綱，該方法在概念上易于理解，在制定范圍邊界后，對評價過程進行詳細的分析，在數(shù)據(jù)可獲性和可靠度較高時，計算結(jié)果相對準確，但要花費較高的時間和成本，有時很難得到一手的數(shù)據(jù)資料?；谶^程的分析方法主要是參照國際標準化組織ISO提出的生命周期評價框架。首先通過分析過程流程圖中的輸入輸出要素，明確過程的研究邊界和碳排放要素；然后根據(jù)建立的材料生產(chǎn)、材料運輸和建設(shè)過程碳排放清單，結(jié)合調(diào)研獲得的碳排放要素的數(shù)量，最終核算出該建設(shè)項目的碳排放量。如 Junnila從材料制造和現(xiàn)場設(shè)備兩個方面，評價了建設(shè)過程的碳排量，此外Gustavsson[11]、Tang[12]也都應(yīng)用過程分析法研究建筑的碳排放量。

2 引水工程碳排放模型

2.1 引水工程碳排放源分析

建設(shè)項目的全生命周期評價，按照時間節(jié)點一般劃分為原材料生產(chǎn)、材料運輸、建設(shè)和運行四個階段，而原材料生產(chǎn)、材料運輸和建設(shè)三個階段一般又稱為項目的物化階段。原材料生產(chǎn)階段是建設(shè)項目碳排放物化階段最重要的碳排放時期，原材料生產(chǎn)過程中涉及到資源開采、運輸、篩選、加工、精煉和包裝等多個過程，而在這些過程中都涉及到能源的消耗和碳排放。材料運輸階段指的是從原材料離開生產(chǎn)車間到施工場地這一過程，其碳排放來源主要來源于運輸車輛汽油、柴油等能源的消耗。建設(shè)階段的碳排放源，主要指施工單位在施工建造階段所有與項目有關(guān)的施工行為造成的碳排放，針對引水工程，主要包括的是土方開挖、石方開挖、混凝土襯砌等采用大型機械設(shè)備的施工過程。

2.2 生命周期評價的系統(tǒng)邊界

調(diào)研過程中引水工程的資源能源消耗情況，繪制引水工程的生命周期系統(tǒng)邊界如圖1所示。生命周期評價的系統(tǒng)邊界，即確定要納入到模型的單元過程。在理想情況下，建立產(chǎn)品系統(tǒng)的模型時，應(yīng)使其邊界上的輸入和輸出均為基本流。但在實際生產(chǎn)建設(shè)過程中，受到研究時間、人員和數(shù)據(jù)來源的限制，一般無法進行這樣全面的研究。因此在該研究過程中將主要資源能源作為基本流輸入，向空氣、水體以及土壤的排放屬于基本流輸出，而碳排放的基本流輸出則只限定為CO2的排放。

2.3 引水工程碳排放模型

根據(jù)上文中對碳排放源的分析及項目實施階段的劃分，該研究中將大型引水工程的碳排放劃分為四個階段目：原材料階段、材料運輸階段、工程建設(shè)階段、工程運行階段。從項目每一階段獲取數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行分析，列出碳排放清單。該研究通過相關(guān)文獻確定材料和能源的碳排放系數(shù)后，根據(jù)水利建筑工程概算定額和水利水電工程機械臺時費定額，確定單位工程量的碳排放量的基礎(chǔ)上，結(jié)合對東北地區(qū)引水工程建設(shè)和運行過程的調(diào)查分析，構(gòu)建了大型引水工程碳排放核算模型，見圖1。

圖1 引水工程碳排放核算模型

3 引水工程案例分析

研究選擇項目的建設(shè)單位、環(huán)評單位、設(shè)計單位、監(jiān)理單位、施工單位作為調(diào)研單位，以四個大型引水工程案例作為分析案例，案例均為東北地區(qū)典型的的引水工程，調(diào)研期間，大伙房輸水工程（一期）已建成運行，引大入連工程處于項目建設(shè)后期，引松供水和引觀入本工程處于建設(shè)高峰期。調(diào)研方式包括文獻調(diào)研、數(shù)據(jù)庫調(diào)研、工程資料調(diào)研、現(xiàn)場實地調(diào)研四個部分，其中材料生產(chǎn)及能源碳排放系數(shù)來源于查找文獻及數(shù)據(jù)庫，工程調(diào)研的數(shù)據(jù)采集自案例的可研報告、環(huán)評報告、合同工程量清單、單價分析表、及物資設(shè)備消耗統(tǒng)計表等。

運用上文提出的模型，核算了大伙房水庫輸水工程（一期）、引大入連、引松供水、引觀入本四個項目的碳排放量。計算結(jié)果表明，引水工程運行階段是碳排放最重要的階段，工程建設(shè)過程中，原材料生產(chǎn)階段碳排放占比70%~80%，材料運輸階段占1%~2%，建設(shè)階段占比10%~20%。

4 結(jié)語

引水工程在緩解區(qū)域水資源短缺、保障經(jīng)濟發(fā)展等方面起到了重要的作用，然而在滿足人類需求的同時，引水工程建設(shè)過程和運行過程對資源能源的大量消耗，直接和間接產(chǎn)生了大量溫室氣體排放，為了能夠平衡水資源供需矛盾，兌現(xiàn)節(jié)能減排承諾，需要關(guān)注水資源配置過程所產(chǎn)生的碳排放量，因此有必要對引水工程項目實施過程各個階段的碳排放進行分析研究，優(yōu)化配置方案，加強施工和運行過程碳排放管理，以減少項目碳排放。生命周期評價作為一種環(huán)境管理工具，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于碳排放核算研究中。所以基于生命周期理論，建立引水工程碳排放核算模型，分析碳排放要素，實現(xiàn)碳排放過程的控制管理，在保證供水安全的前提下，使水資源配置過程更加低碳節(jié)能，具有重要的理論與現(xiàn)實意義。

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