鞏舜妹，楊祥一，劉發(fā)明

（1.宿州學(xué)院資源與土木工程學(xué)院安徽宿州234000;2.深圳市綜合交通設(shè)計(jì)研究院廣東深圳518000）

0 引言

二氧化碳排放量的管理與控制是全球性的熱議話題，而交通工程行業(yè)的持續(xù)發(fā)展成了二氧化碳排放與能源消耗的重災(zāi)區(qū)[1]，同時(shí)產(chǎn)生各種固體廢棄物。公路設(shè)施在建設(shè)過程中排放大量的二氧化碳?xì)怏w，是全球溫度升高的重要誘因[2]。節(jié)能減排與低碳環(huán)保是國家的基本戰(zhàn)略方針，也是社會(huì)各界關(guān)注的技術(shù)難點(diǎn)問題，而中國交通運(yùn)輸行業(yè)排放的二氧化碳溫室氣體與與其他的境污染物占國家總排放量的8%，因此，減少交通運(yùn)輸行業(yè)的二氧化碳排放量刻不容緩。

為了實(shí)現(xiàn)二氧化碳減排目標(biāo)，提高節(jié)能減排的公眾參與度和實(shí)施積極性，量化二氧化碳的排放量成為技術(shù)重點(diǎn)與難點(diǎn)[3]。研究表明：國家工程建設(shè)排放的二氧化碳與能源資源的消耗占建設(shè)工程全生命周期的25%，尤其是公路工程設(shè)施建設(shè)的二氧化碳排放問題不容忽視。我國對交通運(yùn)輸行業(yè)運(yùn)營期間的二氧化碳排放量的研究較成熟，而對公路設(shè)施建設(shè)期的二氧化碳排放量研究較少[4]，細(xì)化公路設(shè)施建設(shè)期各項(xiàng)工作過程中產(chǎn)生的環(huán)境污染物，量化溫室氣體排放變得尤為重要。

擬以中國內(nèi)陸性的城市陜西省銅川市作為研究案例，深入探討與研究公路設(shè)施建設(shè)與碳排放之間的內(nèi)在聯(lián)系，對二氧化碳排放量的測算方法展開研究，以推動(dòng)減排工作的順利完成。

1 公路設(shè)施建設(shè)碳排放來源

高速公路、一級(jí)公路、二級(jí)公路、三級(jí)公路主要的二氧化碳排放量來源于石油瀝青、砂、生石灰與水泥；四級(jí)公路主要的二氧化碳排放量來自于砂、碎石、水泥[7]。國道、省道、縣道、鄉(xiāng)道、農(nóng)村公路、高速公路、匝道以及高速公路連接線的建設(shè)過程中產(chǎn)生大量的二氧化碳[8]。就農(nóng)村公路而言，為了提高其通達(dá)性與服務(wù)水平，有序推進(jìn)縣鄉(xiāng)公路的新建與改建，順利完成“村村通”公路改造工程，銅川市擬投資4.96億元，改建“村村通”公路660公里，其中，規(guī)劃項(xiàng)目擬投資1.54億元，建設(shè)205公里，儲(chǔ)備項(xiàng)目擬投資3.42億元，建設(shè)455公里?！笆濉逼陂g，銅川市主要的公路設(shè)施建設(shè)內(nèi)容及項(xiàng)目建設(shè)規(guī)模見表1：

表1 “十三五”擬規(guī)劃建設(shè)項(xiàng)目表

由表（1）可知：依據(jù)規(guī)劃建設(shè)項(xiàng)目技術(shù)等級(jí)的不同，公路分為五個(gè)等級(jí)，建設(shè)規(guī)模各自不同，其中三級(jí)公路占比最大，高速公路占比最小，分別占建設(shè)總規(guī)模的33.17%與3.01%。

二氧化碳的排放來源于公路設(shè)施的建設(shè)。尤其是瀝青路面的鋪設(shè)，熱拌瀝青混合料（HMA）常被應(yīng)用到工程實(shí)踐之中，HMA主要由瀝青、集料以及礦粉拌和形成[9]，在其拌和的過程中，因其工藝的復(fù)雜性，形成大量的二氧化碳溫室氣體[10]。

2 碳排放生命周期評價(jià)理論

2.1 生命周期評價(jià)概念

生命周期評價(jià)（Life Cycle Assessment）簡稱LCA[11]，它包含兩個(gè)方面：人類生產(chǎn)活動(dòng)與產(chǎn)品物質(zhì)生產(chǎn)。LCA是度量人類生產(chǎn)活動(dòng)與產(chǎn)品物質(zhì)生產(chǎn)所產(chǎn)生的環(huán)境負(fù)荷的一種量化工具，預(yù)測人類生產(chǎn)活動(dòng)過程中排放的氣體廢棄物與固體廢棄物，并評估廢棄物對社會(huì)造成的環(huán)境負(fù)擔(dān)，通過廢棄物排量測算方法，達(dá)到改善社會(huì)環(huán)境的目的。生命周期評價(jià)是一種動(dòng)態(tài)循環(huán)機(jī)制，其預(yù)評的對象復(fù)雜多樣，包括人類生產(chǎn)活動(dòng)、產(chǎn)品物質(zhì)以及工藝模型，并且涵蓋了生命周期的全過程，以熱拌瀝青混合料（HMA）為例，HMA原材料主要包括瀝青、集料以及礦粉，就有機(jī)結(jié)合料瀝青而言，它的原油提取工藝極其復(fù)雜，加工過程中產(chǎn)生大量的二氧化碳，后期的提純、運(yùn)輸、使用與循環(huán)又會(huì)產(chǎn)生大量的二氧化碳。生命周期評價(jià)框架如圖1所示：

圖1 生命周期評價(jià)框架

由圖1可知，生命周期評價(jià)主要包括四個(gè)階段的內(nèi)容，其中最重要的為第二階段的清單分析與第三階段的影響評價(jià)，直接運(yùn)用到工程實(shí)踐中，對產(chǎn)品進(jìn)行清單分析，開發(fā)與改進(jìn)產(chǎn)品的質(zhì)量，減少現(xiàn)場施工過程中廢棄物的排放，以達(dá)到生命周期評價(jià)的目的。

2.2 生命周期評價(jià)體系

2.2.1 評價(jià)范圍與對象

公路設(shè)施建設(shè)依托于碳排放生命周期，公路工程建設(shè)的過程中，消耗大量的資源與能源。瀝青、集料與礦粉的消耗，向外界環(huán)境排放出大量的二氧化碳溫室氣體。為了精準(zhǔn)測算二氧化碳排放量，公路施工過程中產(chǎn)生的二氧化碳總量作為全生命周期的碳來源，公路施工階段的二氧化碳排放來源如表2所示。

交通工程建設(shè)生命周期依托于生命周期評價(jià)體系，系統(tǒng)邊界內(nèi)部包含二氧化碳排放的對象與評價(jià)范圍。公路施工階段的原材料生產(chǎn)與獲取，量化其二氧化碳產(chǎn)生量；生產(chǎn)建設(shè)材料與加工構(gòu)配件以形成工程實(shí)體，最后完成現(xiàn)場施工與系統(tǒng)安裝，交通工程建設(shè)生命周期的具體流程如圖2所示。

表2 公路工程建設(shè)施工階段二氧化碳排放來源

圖2 交通工程建設(shè)生命周期系統(tǒng)邊界

2.2.2 清單分析

二氧化碳當(dāng)量碳排放通常用來表征溫室氣體的排放量，生命周期評價(jià)過程中能量與物質(zhì)之間的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)化作為清單分析的一般化階段，量化分析碳排放因子，對整個(gè)生命周期的能源與資源進(jìn)行數(shù)據(jù)化分析。就公路設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目的原材料而言，主要有三類清單數(shù)據(jù)分析方法：基于公路設(shè)施建設(shè)過程的清單數(shù)據(jù)分析、項(xiàng)目建設(shè)過程混合清單數(shù)據(jù)分析以及原材料經(jīng)濟(jì)投入產(chǎn)出數(shù)據(jù)分析。集料與瀝青作為公路鋪設(shè)的重要原材料，干燥集料的過程中產(chǎn)生大量的CO2溫室氣體，加熱瀝青的過程中同時(shí)排放大量的CO2溫室氣體，每一項(xiàng)生產(chǎn)工藝流程都會(huì)伴隨著巨大的碳排放量，以公路工程的施工特點(diǎn)為例，采用基于公路設(shè)施建設(shè)過程的清單數(shù)據(jù)分析方法，對施工過程產(chǎn)生的碳排量進(jìn)行具體分析。

基于公路設(shè)施建設(shè)過程的清單分析以項(xiàng)目建設(shè)的施工過程為主要依據(jù)，劃分為三個(gè)階段：運(yùn)輸使用量、原材料使用量以及機(jī)械使用量，即運(yùn)輸過程中的油耗二氧化碳排放量、原材料加工過程中的二氧化碳排放量以及機(jī)械工具使用過程中的油耗二氧化碳排放量。通過對單元間的輸入與輸出做清單數(shù)據(jù)分析，并建立數(shù)據(jù)庫，清晰化數(shù)據(jù)清單，其內(nèi)容與步驟具體如下圖3所示。

圖3 清單分析內(nèi)容與步驟

清單分析子系統(tǒng)的含義及計(jì)算方法如下：

①運(yùn)輸使用量。從起點(diǎn)到終點(diǎn)的運(yùn)輸過程中產(chǎn)生的二氧化碳排放量，包括原材料運(yùn)輸過程、裝卸過程以及其他相關(guān)的運(yùn)輸過程。原材料主要包括：集料、水泥、瀝青、礦粉、鋼材以及木材。單項(xiàng)材料運(yùn)輸量的計(jì)算結(jié)果見式（1）。

②原材料使用量。材料量是指按施工過程中消耗的構(gòu)成工程實(shí)體的原材料、輔助材料、構(gòu)配件、零件和半成品的用量。計(jì)算方法見式（2）

③施工機(jī)械工具使用量。施工機(jī)械工具使用量包括：進(jìn)出場量以及燃料動(dòng)力量。計(jì)算方法見式（3）

3 公路設(shè)施項(xiàng)目二氧化碳計(jì)算方法建立

3.1 二氧化碳排放量計(jì)算

能源消耗排放清單采用政府間氣候變化專門委員會(huì)提出的環(huán)境排放因子，其量化方法準(zhǔn)確性較高，計(jì)算方法見式（4）

式中：Ai為能源i的二氧化碳排放量；Bi為材料能源i消費(fèi)量；Ci為材料能源i二氧化碳排放系數(shù)；i為材料能源種類。

3.2 二氧化碳排放因子

能源二氧化碳排放因子是指消耗單位質(zhì)量能源伴隨的二氧化碳?xì)怏w的排放量，是表示某種能源二氧化碳排放特征的重要參數(shù)，也是計(jì)算二氧化碳排放的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。它將有關(guān)活動(dòng)的數(shù)據(jù)和二氧化碳排放量聯(lián)系起來。

采用如下方法選擇二氧化碳排放因子：數(shù)據(jù)來源單一的因子直接取原始數(shù)據(jù)為計(jì)算因子，數(shù)據(jù)來源兩個(gè)或兩個(gè)以上的，取它們的平均值作為計(jì)算因子。從而得出了建設(shè)過程中所需材料和能源的二氧化碳排放因子，如表3所示。

3.3 公路設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目主要物耗二氧化碳排放量計(jì)算

根據(jù)近年若干公路建設(shè)項(xiàng)目的工程數(shù)量與物資消耗設(shè)計(jì)估算，不同等級(jí)、不同類別公路建設(shè)的物耗水平差別較大，根據(jù)《公路工程定額指標(biāo)及編制辦法示例和投資造價(jià)實(shí)務(wù)全書》中不同等級(jí)公路建設(shè)項(xiàng)目每公里的主要物耗，及表3中列出的二氧化碳排放因子，利用二氧化碳排放量公式計(jì)算出了不同技術(shù)等級(jí)公路建設(shè)項(xiàng)目每公里的主要物耗的二氧化碳排放量。

表3 各種材料和能源的二氧化碳排放因子

根據(jù)以上計(jì)算方法選取了不同等級(jí)公路的綜合指標(biāo)，表4的數(shù)據(jù)是根據(jù)綜合指標(biāo)計(jì)算得到的，根據(jù)能源二氧化碳排放量中的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)計(jì)算，得到每公里高速公路建設(shè)項(xiàng)目的二氧化碳排放量， 結(jié)果如表5所示。

表4 公路建設(shè)項(xiàng)目每公里主要物耗（單位：t）

表5 公路建設(shè)項(xiàng)目每公里主要物耗的二氧化碳排放量（單位：t）

根據(jù)得到的數(shù)據(jù)結(jié)果，對不同等級(jí)的公路建設(shè)的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)：高速公路、一級(jí)公路、二級(jí)公路、三級(jí)公路主要的二氧化碳排放量來自于石油瀝青、砂、生石灰和水泥，約占總量的88%；四級(jí)公路主要的二氧化碳排放量來自于砂、碎石、水泥，約占總量的88.5%。在高等級(jí)公路建設(shè)過程中，石油瀝青、砂、生石灰和水泥的選材與使用是節(jié)能減排的研究重點(diǎn)和關(guān)鍵步驟；在建設(shè)四級(jí)公路時(shí)，砂、碎石、水泥的選材與使用是節(jié)能減排的研究重點(diǎn)和關(guān)鍵步驟。

4 銅川市“十三五”公路建設(shè)項(xiàng)目二氧化碳排放量計(jì)算

根據(jù)表5中各類建設(shè)項(xiàng)目每公里的二氧化碳排放量及表6中列出的銅川市“十三五”公路擬規(guī)劃建設(shè)項(xiàng)目表，計(jì)算得到銅川市“十三五”公路建設(shè)項(xiàng)目的二氧化碳排放總量為1 792 989.80噸。

表6 各類建設(shè)項(xiàng)目的二氧化碳排放情況

由表6可知：隨著道路等級(jí)與車道通行能力的增加，每車道每公里建設(shè)的二氧化碳排放量呈遞增趨勢。

5 結(jié)語

①熱拌瀝青混合料（HMA）的碳排放主要來源于加熱揮發(fā)碳排放和能源消耗碳排放。

②公路設(shè)施建設(shè)過程中，利用二氧化碳排放量公式對碳排放量進(jìn)行測算，結(jié)果表明：隨著擬規(guī)劃建設(shè)項(xiàng)目車道通行能力的增加，其二氧化碳排放總量呈遞增趨勢。

③高速公路、一級(jí)公路、二級(jí)公路、三級(jí)公路主要的二氧化碳排放量來自于石油瀝青、砂、生石灰與水泥，約占總量的88%；四級(jí)公路主要的二氧化碳排放量來自于砂、碎石、水泥，約占總量的88.5%。在高等級(jí)公路建設(shè)過程中，石油瀝青、砂、生石灰和水泥的選材與使用是節(jié)能減排的研究重點(diǎn)和關(guān)鍵；在建設(shè)四級(jí)公路時(shí)，砂、碎石、水泥的選材與使用是節(jié)能減排的研究重點(diǎn)和關(guān)鍵。

④公路工程項(xiàng)目碳排放的控制與管理是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，利用公路設(shè)施建設(shè)過程的清單分析法準(zhǔn)確的測算碳排量。根據(jù)公路工程項(xiàng)目建設(shè)的不同階段，重點(diǎn)地控制全過程的二氧化碳排放量。