李 慧， 彭夏清， 張靜曉

(1.長(zhǎng)安大學(xué) 建筑工程學(xué)院，陜西 西安 710061； 2.長(zhǎng)安大學(xué) 經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，陜西 西安 710064)

交通基礎(chǔ)設(shè)施投資對(duì)國(guó)家的長(zhǎng)期發(fā)展至關(guān)重要。全球交通基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展的數(shù)據(jù)表明，公路主導(dǎo)了多數(shù)國(guó)家的交通基礎(chǔ)設(shè)施[1]。然而，公路的快速建設(shè)產(chǎn)生了大量的二氧化碳，是造成交通部門碳排放的最主要因素。二氧化碳的大量排放將導(dǎo)致全球變暖、酸化等負(fù)面影響，給發(fā)展中國(guó)家可持續(xù)發(fā)展帶來了重大挑戰(zhàn)和威脅[2-3]。當(dāng)前，公路碳排放問題成為各國(guó)政府的重要議題[4]。

公路作為主要的交通基礎(chǔ)設(shè)施，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人們出行需求的個(gè)性化增強(qiáng)，高度靈活性使得公路的需求量快速增加[5]。新中國(guó)成立70 a來，中國(guó)公路建設(shè)取得了舉世矚目的成就[6]。全國(guó)公路里程數(shù)從1949年的8.08萬km增加到2018年的484.65萬km，高速公路達(dá)14.26萬km，居世界第一，在中國(guó)交通基礎(chǔ)設(shè)施中起到了基礎(chǔ)性先導(dǎo)作用。公路建設(shè)過程中需要大量的瀝青、水泥等建材及大量施工機(jī)械設(shè)備的高負(fù)荷運(yùn)作，而這些原材料的生產(chǎn)加工、運(yùn)輸過程及混合料的拌合、攤鋪、碾壓過程中會(huì)排放大量二氧化碳[7-9]。此外，公路運(yùn)營(yíng)維護(hù)及拆除回收階段也排放了大量的二氧化碳[10]。因此，了解公路生命周期各階段產(chǎn)生的碳排放變得越來越重要。

為此，許多研究者針對(duì)公路碳排放問題進(jìn)行研究。1995年，瑞典環(huán)境研究院為瑞典道路管理局做了道路建設(shè)的生命周期分析，對(duì)公路建設(shè)的碳排放進(jìn)行研究。隨后，學(xué)者們對(duì)公路全生命周期的碳排放進(jìn)行研究。LOIJOS[11]等創(chuàng)建了一個(gè)通用路面LCA方法，研究美國(guó)混凝土路面全生命周期的碳排放，研究發(fā)現(xiàn)水泥生產(chǎn)對(duì)建設(shè)階段的碳排放貢獻(xiàn)最大。GUO[12]等采用LCA研究中國(guó)公路隧道全生命周期碳排放，研究發(fā)現(xiàn)建設(shè)、運(yùn)營(yíng)和維護(hù)階段的碳排放分別占碳排放總量的30.89%、56.12%和12.99%。還有學(xué)者比較了不同公路路面類型的碳排放。KUCUKVAR[13]等基于EIO-LCA模型，對(duì)鋼筋混凝土路面和熱拌瀝青路面全生命周期的碳排放進(jìn)行研究。這些研究為分析公路碳排放的研究奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。然而，現(xiàn)有研究大都以單個(gè)公路案例作為對(duì)象進(jìn)行研究，并較少考慮到敏感性因素對(duì)碳排放評(píng)估結(jié)果影響，缺乏對(duì)公路行業(yè)碳排放平均水平的考察以及對(duì)評(píng)估結(jié)果的敏感性分析。

為解決這一問題，本研究基于生命周期評(píng)價(jià)法提出公路碳排放測(cè)算模型，將8個(gè)具有一定代表性的公路作為實(shí)證研究對(duì)象，以其物料及能源消耗的平均水平為代表，測(cè)算分析公路全生命周期碳排放，并識(shí)別生命周期各階段的潛在環(huán)境影響因素。進(jìn)一步對(duì)碳排放評(píng)估結(jié)果進(jìn)行敏感性分析，以確保本研究評(píng)估結(jié)果的可靠性。

本研究有利于促進(jìn)生命周期評(píng)價(jià)法在公路領(lǐng)域研究上的完善與發(fā)展，使公路碳排放評(píng)估更加全面。此外，本研究分析了各類建材對(duì)其生命周期碳排放的貢獻(xiàn)率，為建材節(jié)能減排工藝技術(shù)指明了途徑，有助于交通管理部門從行業(yè)視角整體把控公路碳排放情況。

1 研究方案

1.1 評(píng)價(jià)方法

生命周期評(píng)價(jià)法(LCA)是一種對(duì)產(chǎn)品和活動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行整體環(huán)境評(píng)價(jià)的技術(shù)，可為各種建筑材料提供準(zhǔn)確有效的環(huán)境影響評(píng)估結(jié)果。近幾十年來，該方法被廣泛用于計(jì)算與交通基礎(chǔ)設(shè)施相關(guān)的碳排放研究[14]。例如，ESPINOZA[15]等采用LCA對(duì)哥斯達(dá)黎加圣卡洛斯省一條高速公路全生命周期的碳排放量化分析，研究發(fā)現(xiàn)高速公路生命周期中，熱拌瀝青混合料對(duì)環(huán)境的影響最大。MA[16]等采用PLCA對(duì)中國(guó)一個(gè)典型瀝青路面全生命周期的碳排放進(jìn)行研究，研究結(jié)果表明原材料生產(chǎn)階段的碳減排潛力最大。同時(shí)，LCA還被應(yīng)用于公路建設(shè)的各個(gè)階段。例如，GSCHOSSER[17]等采用LCA研究瑞士公路建造和維護(hù)階段的環(huán)境影響，研究發(fā)現(xiàn)材料生產(chǎn)過程對(duì)環(huán)境的影響最大。BARTOLOZZI[18]等以橡膠瀝青路面和傳統(tǒng)瀝青路面為研究對(duì)象，采用LCA研究這兩類路面建造和維護(hù)階段對(duì)環(huán)境的影響，研究發(fā)現(xiàn)橡膠瀝青路面減少了對(duì)環(huán)境的影響?？梢?，LCA在公路碳排放研究中被廣泛應(yīng)用。

1.2 測(cè)算模型

本研究取1 m2公路路面作為1個(gè)功能單位，輸入為1 m2該類型道路在生命周期內(nèi)消耗的能量，輸出為1 m2該類型道路生命周期內(nèi)產(chǎn)生的碳排放。通過建立基于LCA的碳排放測(cè)算模型，分析公路全生命周期各階段的碳排放。本研究的方法框架由以下6步構(gòu)成：

第1步：1功能單位材料總重量計(jì)算。

由于許多國(guó)家的LCI數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)清單中材料的計(jì)量單位不統(tǒng)一，需要統(tǒng)一各類材料的重量單位。

Mij=ρij×vij

其中，Mij是第j個(gè)案例中第i種建材的重量，t；vij是第j個(gè)案例中第i種建材的體積，m3；ρij是第j個(gè)案例中第i種建材的密度，t/m3；Lj是第j個(gè)案例的計(jì)算路段路面長(zhǎng)度，m；Wj是第j個(gè)案例的計(jì)算路段路面寬度，m；Mj為第j個(gè)案例中1功能單位的建材總重量，t/m2。

第2步：運(yùn)輸計(jì)量。

TMD=Mj×D

其中，TMD是運(yùn)輸計(jì)量，t·km/m2；Mj為第j個(gè)案例中1功能單位的建材總重量，t/m2；D是運(yùn)輸距離，km。本研究原材料運(yùn)輸?shù)桨韬蠄?chǎng)的距離包含在模型中，運(yùn)輸距離僅考慮混合料到施工現(xiàn)場(chǎng)的距離。本研究假定運(yùn)輸距離為60 km。

第3步：運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段能源消耗。

Eom=Er+El

Er=Es×f

其中，Er是維修能耗，t/m2；Es是單次維修能耗，t;f是設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)的維修次數(shù);El是照明能耗，t/m2。本研究是高速公路，El不予考慮。假設(shè)公路維護(hù)周期為7 a，整個(gè)生命周期為21 a。

第4步：拆除回收階段能源消耗。

Edr=Em+Et

其中，Edr是拆除回收階段的能耗，t/m2;Em是機(jī)械臺(tái)班的能耗，t/m2；Et是運(yùn)輸階段的能耗，t/m2。本研究利用投入拆除公路的施工機(jī)械和運(yùn)輸機(jī)械所消耗的燃料來估計(jì)拆除階段的能耗。假定轉(zhuǎn)運(yùn)距離為30 km。

第5步：能源單位轉(zhuǎn)化。

通常維修和拆除階段的能源消耗是以標(biāo)煤為計(jì)量單位的，由于本研究建立的公路碳排放評(píng)估模型，能耗計(jì)量單位是kW·h，因此將標(biāo)煤轉(zhuǎn)化為kW·h。

E=Es×3 000

其中，E是能耗，kW·h/m2;Es是單次維修能耗，t/m2。

目前，全面的LCI數(shù)據(jù)庫僅在歐洲和美國(guó)等少數(shù)國(guó)家提供[19]。中國(guó)沒有全面的LCI數(shù)據(jù)庫，需要使用外部LCI數(shù)據(jù)庫。

第6步：將燃料燃燒產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)換為當(dāng)?shù)丨h(huán)境影響。

Ec=Eo×E2/E1

其中，Ec是制造材料的國(guó)家燃料燃燒產(chǎn)生的總能量，MJ；Eo是原始LCI數(shù)據(jù)庫的國(guó)家燃料燃燒產(chǎn)生的總能量，MJ;E1是原始LCI數(shù)據(jù)庫國(guó)家的節(jié)能潛力；E2是制造材料國(guó)家的節(jié)能潛力，節(jié)能潛力數(shù)據(jù)從國(guó)際能源機(jī)構(gòu)獲得[19]。

2 案例分析

中國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)取得了舉世矚目的成就，公路建設(shè)也獲得了前所未有的大發(fā)展，改善了以往“全面緊張”的交通狀況。本研究從中國(guó)國(guó)家高速公路網(wǎng)的重要組成里面，選取8個(gè)公路作為實(shí)證研究對(duì)象，用8個(gè)公路的物料及能源消耗平均值反映公路普遍情況，使得研究結(jié)果更具可靠性及普遍性。案例1：G1816烏海至瑪沁國(guó)家高速公路景泰至中川機(jī)場(chǎng)段；案例2：甘肅省甜水堡(寧甘界)經(jīng)慶城至永和(甘陜界)公路；案例3：平利至鎮(zhèn)坪高速公路；案例4：鄭州西峽高速公路堯山至欒川段；案例5：西鄉(xiāng)至鎮(zhèn)巴高速公路；案例6：寶雞至坪坎高速公路；案例7：北三環(huán)東延快速通道；案例8：鄭州市農(nóng)業(yè)路快速通道。這8個(gè)公路的建設(shè)在緩解交通擁堵、推動(dòng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展方面具有重要意義。

按照1.2節(jié)測(cè)算模型計(jì)算公路從原材料的提取、生產(chǎn)和運(yùn)輸、施工、運(yùn)營(yíng)及維護(hù)以及拆除階段1功能單位的能源消耗。將1功能單位的能源消耗數(shù)據(jù)和材料使用量數(shù)據(jù)相結(jié)合，形成公路全生命周期環(huán)境影響清單，見表1。

表1 公路全生命周期環(huán)境影響清單Table1 Listofenvironmentalimpactsofthehighwaythroughoutitslifecycle建設(shè)階段石灰土/kg碎石/kgC20混凝土/m3C25混凝土/m3C30混凝土/m3C50混凝土/m3瀝青混凝土/kg砂子/kg鋼筋/kg水泥砂漿/kg涂料/kg1572.9741994.60.2510.1040.5340.3612175.154327.91159.35572.9310.8建設(shè)階段運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段拆除回收階段瀝青/kg水泥/kg自卸汽車運(yùn)輸能源消耗/(t·km)施工機(jī)械能源消耗/MJ能源消耗/(kW·h)施工機(jī)械能源消耗/(kW·h)自卸汽車運(yùn)輸能源消耗/(t·km)9.359294.89397.215.867110.413.8198.6

3 結(jié)果與討論

3.1 生命周期碳排放評(píng)估

根據(jù)組裝模型測(cè)算分析結(jié)果，可得出公路全生命周期的碳排放網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

本研究使用網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)圖反映公路全生命周期各階段的貢獻(xiàn)，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)圖通過流向箭頭的粗細(xì)表示貢獻(xiàn)率。從圖1可知，公路建設(shè)階段的碳排占其全生命周期的比例最大為94.3%；其次是運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段，占比為4.2%；拆除回收階段的碳排放占比最小為1.5%。

圖1 公路全生命周期碳排放網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)圖

為了進(jìn)一步反映公路建設(shè)、運(yùn)營(yíng)維護(hù)及拆除回收階段對(duì)全球變暖的貢獻(xiàn)度，本研究將深入分析公路全生命周期各階段的碳排放量。公路全生命周期各階段的碳排放量匯總見表3。

表3 公路全生命周期碳排放匯總表Table2 Highwaylifecyclecarbonemissionsummarytable名稱碳排放量/(kg-CO2eq)占比/%建設(shè)階段1830.094.3運(yùn)營(yíng)及維護(hù)階段81.64.2拆除回收階段28.61.5匯總1940.0100.0

3.2 建設(shè)階段碳排放評(píng)估

從公路全生命周期碳排放評(píng)估的分析中看出建設(shè)階段的碳排放最多，該階段產(chǎn)生的碳排放將會(huì)造成全球變暖等一系列環(huán)境問題[20]。因此在公路建設(shè)階段，需要采取措施控制二氧化碳的排放。為進(jìn)一步分析公路建設(shè)階段各類建材和施工機(jī)械的碳排放，本節(jié)研究1功能單位各主要建材清單與相關(guān)因素的碳排放，有助于識(shí)別對(duì)環(huán)境有害的建材。公路建設(shè)階段不同建材的碳排放貢獻(xiàn)率圖如圖2所示。

建設(shè)階段使用了各類建材和施工機(jī)械，根據(jù)圖2簇狀條形圖的分布情況，可知1功能單位公路建設(shè)階段鋼材、瀝青混凝土產(chǎn)生的碳排放較大，鋼材對(duì)建設(shè)階段的碳排放貢獻(xiàn)最大為26.47%；其次為瀝青混凝土，占比為21.66%；瀝青、施工機(jī)械和砂子的碳排放貢獻(xiàn)率小于1%，可以忽略不計(jì)。從圖2可知，1功能單位公路建設(shè)階段的碳排放總量是1 833 kg-CO2eq，其中鋼筋產(chǎn)生的碳排放量最多是485 kg-CO2eq；其次是瀝青混凝土，產(chǎn)生的碳排放量是397 kg-CO2eq；鋼材和瀝青混凝土對(duì)建設(shè)階段的碳排放貢獻(xiàn)較大，究其原因，鋼材和瀝青混凝土是建造道路的主要材料，對(duì)環(huán)境的影響最為顯著[21]。因此，應(yīng)從鋼材和瀝青混凝土這兩方面著手進(jìn)行節(jié)能減排。

圖2 公路建設(shè)階段碳排放貢獻(xiàn)圖

鋼鐵的原料提取、生產(chǎn)、使用和廢棄過程消耗了大量的資源，同時(shí)造成了大量的碳排放[22]。因此，應(yīng)采取相應(yīng)的措施減少鋼材在公路建設(shè)中的碳排放。ZHOU[23]等認(rèn)為中國(guó)應(yīng)完善鋼鐵行業(yè)的排放控制政策，加強(qiáng)政府監(jiān)督，提高鋼鐵行業(yè)的生產(chǎn)技術(shù)和效率，是鋼鐵行業(yè)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期減排的重要措施。CAO[24]等認(rèn)為要綜合利用高爐煤氣和轉(zhuǎn)爐煉鋼生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的尾氣，減少鋼鐵行業(yè)的碳排放。還有學(xué)者認(rèn)為采用低碳鋼同時(shí)減少用量更為重要。

目前，瀝青混凝土路面建設(shè)所占的比重較大。瀝青混凝土在生產(chǎn)過程中消耗了大量的自然資源，排放了大量的污染氣體和粉塵[25]。采取減排措施、控制瀝青混凝土生產(chǎn)過程中的碳排放，是減少公路建設(shè)階段環(huán)境影響的有效途徑。針對(duì)這一問題，有學(xué)者提出了橡膠瀝青技術(shù)，該技術(shù)將膠粉加入傳統(tǒng)瀝青混合料，可節(jié)約能源降低溫室氣體排放[26]。一些學(xué)者提出溫拌瀝青技術(shù)，與熱拌瀝青技術(shù)相比，該技術(shù)減少了拌合瀝青混合料的能源，大大減少了碳排放[27]。還有一些學(xué)者提出要實(shí)現(xiàn)廢舊瀝青混合料的再生，減少能源消耗和碳排放。

3.3 敏感性分析

在計(jì)算公路全生命周期的碳排放時(shí)，許多變量都是根據(jù)實(shí)際情況假設(shè)的，這種假設(shè)可能會(huì)導(dǎo)致不同的測(cè)算結(jié)果。因此，本節(jié)從敏感性分析的視角出發(fā)，研究不確定變量變化對(duì)模型輸出結(jié)果的影響。主要考慮運(yùn)輸距離、節(jié)能潛力以及維修能耗這3個(gè)變量，每個(gè)變量的變化范圍是-10%～+10%，敏感性分析圖如圖3所示。

圖3 碳排放量(每功能單位)對(duì)不確定變量變化的敏感性

圖3中，4條直線分別代表4個(gè)不確定變量對(duì)公路生命周期各階段碳排放的敏感性。從圖3可以看出，維修能耗變化對(duì)公路運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段的碳排放最為敏感，其次是拆除回收階段運(yùn)輸距離的變化對(duì)公路拆除回收階段的碳排放，接下來是節(jié)能潛力變化對(duì)公路全生命周期的碳排放，建設(shè)階段運(yùn)輸距離變化對(duì)公路建設(shè)階段的碳排放影響最小。

從圖4可以看出，節(jié)能潛力變化對(duì)公路全生命周期各階段的碳排放有一定影響。其中，節(jié)能潛力變化對(duì)公路運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段的碳排放最為敏感，接下來是拆除回收階段，節(jié)能潛力變化對(duì)公路建設(shè)階段的碳排放幾乎沒有影響。

圖4 節(jié)能潛力變化導(dǎo)致的碳排放

節(jié)能潛力變化及維修能耗變化對(duì)公路運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段的碳排放影響較大。因此，應(yīng)更加注意獲得有關(guān)節(jié)能潛力的可靠數(shù)據(jù)來源，公路運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段要對(duì)路面定期監(jiān)測(cè)和檢測(cè)，對(duì)路面進(jìn)行預(yù)防性、經(jīng)常性和周期性的養(yǎng)護(hù)，減少公路大修次數(shù)。節(jié)能潛力變化及拆除回收階段運(yùn)輸距離變化對(duì)拆除回收階段的碳排放影響較大。因此，在公路壽命終期，應(yīng)將這些建筑垃圾運(yùn)到垃圾填埋場(chǎng)。

4 結(jié)論

公路全生命周期碳排放研究，對(duì)交通運(yùn)輸行業(yè)碳減排具有重要意義。本研究以8個(gè)公路案例為實(shí)證研究對(duì)象，利用完善的LCI數(shù)據(jù)庫，采用生命周期評(píng)價(jià)法，通過建立公路碳排放評(píng)估模型，對(duì)中國(guó)公路全生命周期各階段的碳排放進(jìn)行系統(tǒng)的量化分析，并對(duì)評(píng)估結(jié)果進(jìn)行敏感性分析，識(shí)別影響碳排放的主要因素。分析結(jié)果表明: ①節(jié)能潛力變化及維修能耗變化對(duì)公路運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段的碳排放影響最大；節(jié)能潛力變化及拆除回收階段運(yùn)輸距離變化對(duì)拆除回收階段的碳排放影響較大；節(jié)能潛力變化及建設(shè)階段運(yùn)輸距離變化對(duì)建設(shè)階段的碳排放影響最小，幾乎可以忽略不計(jì)。②公路建設(shè)階段所用的建材中，鋼筋和瀝青混凝土對(duì)碳排放的貢獻(xiàn)最大，鋼材和瀝青混凝土的生產(chǎn)及加工過程對(duì)生態(tài)環(huán)境造成了極大的影響。針對(duì)這一問題，應(yīng)該尋找新工藝和新技術(shù)改變材加工過程，或者尋找高能效低排放的建材，減少二氧化碳排放。