摘要：公路工程基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的能耗及碳排放量化評估是交通運(yùn)輸行業(yè)低碳綠色轉(zhuǎn)型發(fā)展的重要支撐保障。本文針對公路工程基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的碳排放測算方法研究，簡要介紹了全生命期理論在該研究中的應(yīng)用，將公路工程基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的碳排放測算方法分為碳排放測算模型搭建方法及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)核算方法兩部分，并分別進(jìn)行分析論述，最后針對研究不足提出合理展望。

關(guān)鍵詞：公路工程；基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)；碳排放測算；模型搭建；基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

中圖分類號：X822.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1673-6478（2023）01-0018-05

Research of Carbon Emission Measurement Methods for

Highway Engineering Infrastructure Construction

LU Yong YANG Ke LIU Aihua CAO Rongji

（1.JSTI Group，Nanjing Jiangsu 211112，China；2.National Engineering Laboratory for Advanced Road Materials，Nanjing Jiangsu 211112，China）

Abstract：The quantitative assessment of energy consumption and carbon emissions for highway engineering infrastructure construction is an important support for the low-carbon and green transformation and development of the transportation industry. This paper summarizes the research on carbon emission measurement methods for highway engineering infrastructure construction，briefly introduces the application of the whole life cycle theory in this research，and divides the carbon emission measurement methods for highway engineering infrastructure construction into carbon emission measurement model construction methods and basic data accounting method，and the analysis and discussion are carried out respectively. Reasonable prospect was put forward for the lack of research，which provides a theoretical basis for the development of green highways in China.

Key words：highway；infrastructure construction；carbon emission measurement；model building；basic data

0 引言

在全球氣候變暖的大背景下，低碳環(huán)保已成為國際社會(huì)公認(rèn)的發(fā)展趨勢[1-2]。中國作為負(fù)責(zé)任的大國，高度重視應(yīng)對氣候變化的工作，并制定了一系列標(biāo)準(zhǔn)、政策、法規(guī)[3-6]，用實(shí)際行動(dòng)充分體現(xiàn)了中國在應(yīng)對氣候變化工作中的大國擔(dān)當(dāng)。

交通運(yùn)輸行業(yè)作為全球減碳任務(wù)重點(diǎn)環(huán)節(jié)，根據(jù)國際能源署統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，其碳排放比例已經(jīng)超過全球碳排放總量的四分之一[7-8]。同時(shí)，隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)快速發(fā)展，交通行業(yè)碳排放不斷增長，與工業(yè)、建筑業(yè)組成我國碳排放的三大重點(diǎn)領(lǐng)域[4，7]。公路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)作為交通運(yùn)輸行業(yè)中的主要板塊，其發(fā)展有利于擴(kuò)大區(qū)域市場和人口流動(dòng)，促進(jìn)區(qū)域間交流，降低運(yùn)輸?shù)慕?jīng)濟(jì)與時(shí)間成本，同時(shí)也加大了交通行業(yè)的碳排放量，因此加強(qiáng)交通運(yùn)輸行業(yè)降耗減排工作刻不容緩。

進(jìn)行公路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)能耗及碳排放量化研究，能夠?yàn)榻煌ㄐ袠I(yè)低碳綠色發(fā)展提供有力支持。關(guān)于此，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了部分研究，但仍處于起步階段。本文針對生命周期理論、碳排放測算模型搭建及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)核算方法展開論述，為我國公路工程基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)碳排放測算研究提供理論支持。

1 生命周期理論

國內(nèi)外最常見的碳排放測算模型建立及測算邊界確定主要依據(jù)生命周期評價(jià)（Life cycle assessment，LCA）。LCA理論思想起源于20世紀(jì)60年代，美國中西研究所針對可口可樂公司飲料容器從“出生到死亡”，也稱從“搖籃到墳?zāi)埂睂τ诃h(huán)境、資源所造成的影響研究[9]，后逐步被環(huán)境研究采用。該理念提出后，一直處于探索階段，直到20世紀(jì)90年代，國際環(huán)境毒理學(xué)和化學(xué)學(xué)會(huì)（SETAC）首次在國際研討會(huì)上提出并召開多次研討會(huì)后，LCA評價(jià)方法基本框架才初步形成；之后，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）起草了一系列相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，正式將生命周期評價(jià)納入環(huán)境管理體系，使其成為產(chǎn)品環(huán)境影響評估的核心方法，有效指導(dǎo)各國開展LCA環(huán)境效益評價(jià)工作[10-11]。

LCA評價(jià)方法主要是通過統(tǒng)計(jì)、計(jì)算某產(chǎn)品從原材料生產(chǎn)、產(chǎn)品制造，再到后期使用、廢棄，整個(gè)生命周期內(nèi)各階段或全過程中的投入與產(chǎn)出，評估該產(chǎn)品對相關(guān)環(huán)境所產(chǎn)生的直接或間接影響。其主要有4個(gè)步驟：目的與范圍的確定、生命周期清單分析、生命周期影響評價(jià)和結(jié)果解釋，各環(huán)節(jié)互相聯(lián)系，不斷重復(fù)，最終產(chǎn)生評價(jià)結(jié)果。公路工程基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)所產(chǎn)生的能耗及碳排放量化的研究，換言之為公路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)對環(huán)境所產(chǎn)生的影響評估，故可用LCA理論進(jìn)行研究。

依據(jù)生命周期理論，孟祥晨[9]與張紅波等[12]分別將瀝青路面、橡膠瀝青路面建設(shè)過程分為原材料生產(chǎn)、原材料運(yùn)輸、施工建設(shè)三個(gè)階段，建立了相關(guān)階段的能耗及碳排放量化模型，對其環(huán)境影響進(jìn)行了量化研究。鄭天罡等[13]將瀝青路面就地?zé)嵩偕夹g(shù)分為原路面銑刨與運(yùn)輸、原材料生產(chǎn)運(yùn)輸、混合料生產(chǎn)、混合料施工四個(gè)階段，并進(jìn)行碳排放計(jì)算研究。閆強(qiáng)等[14]也將瀝青路面建設(shè)分為原材料生產(chǎn)、原材料運(yùn)輸、路面施工三個(gè)階段，研究了不同瀝青路面結(jié)構(gòu)類型對建設(shè)期碳排放的影響。Huang等[15]基于LCA理論將項(xiàng)目清單分為材料生產(chǎn)、材料運(yùn)輸以及路面施工三個(gè)單元，并將根據(jù)路面參數(shù)、工藝參數(shù)等計(jì)算得到的碳排放結(jié)果匯總到項(xiàng)目清單中，以此搭建路面建設(shè)生命周期環(huán)境影響評估模型工具。基于此，作者將道路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)生命周期分為原材料生產(chǎn)、施工、材料運(yùn)輸三個(gè)階段，如圖1所示。

2 基于生命周期理論的測算模型搭建方法

根據(jù)生命周期理論的道路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的計(jì)算模型適用條件、邊界范圍等不同，可將計(jì)算模型搭建方法分為：①“自下而上”基于過程的生命周期分析方法（Process-Based LCA，P-LCA）；②“自上而下”基于經(jīng)濟(jì)投入產(chǎn)出的生命周期分析方法（Economic input-output LCA，EIO-LCA）；③將P-LCA與EIO-LCA綜合使用的生命周期評價(jià)方法，也稱混合生命周期評價(jià)方法（Hybrid LCA，H-LCA）[16-17]。

2.1 P-LCA

P-LCA是最常用的LCA方法[18]，其分析了產(chǎn)品生命周期中設(shè)計(jì)的所有過程的輸入和輸出，可獲得較為準(zhǔn)確的LCA結(jié)果，但由于產(chǎn)品生命周期中通常存在大量的、耗費(fèi)精力的單個(gè)過程，導(dǎo)致其成為一種需要大量成本及工作量的測算方法，只適用于測算范圍比較小的單元，例如單個(gè)產(chǎn)品、部門等進(jìn)行碳排放測算分析。胡坤等[19]采用“自下而上”的基于過程的生命周期方法，評估了乳化瀝青廠拌冷再生技術(shù)從原材料到施工階段的節(jié)能減排效益，分析得出，乳化瀝青廠拌冷再生技術(shù)相較于常規(guī)瀝青混合料可減少10.71%的碳排放量。陳珺等[20]基于LCA評估方法研究了橡膠再生瀝青路面的碳排放，其將路面建設(shè)過程分為原路面銑刨和運(yùn)輸、原材料生產(chǎn)、混合料生產(chǎn)、混合料運(yùn)輸、攤鋪和碾壓5個(gè)過程進(jìn)行測算。高放[21]將瀝青路面建設(shè)期劃分為材料物化、運(yùn)輸、施工三個(gè)階段，基于LCA方法進(jìn)行瀝青路面建設(shè)各階段清單分析，對比六種不同路面結(jié)構(gòu)的環(huán)境影響效益，并提出瀝青路面建設(shè)的節(jié)能減排對策。

2.2 EIO-LCA

投入產(chǎn)出法是由美國經(jīng)濟(jì)學(xué)家Wassily Leon-tief提出的[22]，但由于其計(jì)算能力及數(shù)據(jù)可用性有限，后被用于與生命周期法相結(jié)合，形成了EIO-LCA，該方法被廣泛用于整個(gè)產(chǎn)品供應(yīng)鏈的直接投入交易和環(huán)境影響效益量化研究，但其評價(jià)制度比較宏觀，較適用于整個(gè)產(chǎn)品行業(yè)、某一特定區(qū)域、國家等進(jìn)行環(huán)境效益測算研究。曾曉瑩等[24]采用自上而下的投入產(chǎn)出法，分析了中國30個(gè)省市的交通運(yùn)輸碳排放量與地域之間的關(guān)系，為我國各省市公路交通行業(yè)綠色發(fā)展、碳排放交易政策等提供理論依據(jù)。張智慧等[23]采用投入產(chǎn)出法分析了建筑行業(yè)的總體碳排放情況，并與其他行業(yè)進(jìn)行對比分析，綜合衡量建筑行業(yè)的碳排放影響力，指出建筑行業(yè)具有很強(qiáng)的碳排放拉動(dòng)影響力。Yuan Chang等[25]利用投出產(chǎn)出生命周期評估模型，從宏觀層面定量分析了我國民用建筑的能源與環(huán)境影響，生成了整個(gè)經(jīng)濟(jì)范圍的能源使用和環(huán)境排放清單，指出建筑業(yè)的隱含能源和環(huán)境排放在我國整個(gè)能源消耗與環(huán)境負(fù)荷中占很大的比例，且運(yùn)營能源占主導(dǎo)地位。

2.3 H-LCA

由于P-LCA及EIO-LCA兩者的局限性，基于以上兩種方法，研究者們便提出了將兩者綜合使用，既保留了初級階段的細(xì)節(jié)及精確性，也在次級階段通過投入產(chǎn)出模型避免大量精力耗費(fèi)。在研究中，方法的選擇通常需要依靠研究目的以及數(shù)據(jù)的可獲得性所決定，相較于另外兩種方法，該方法更加具有普適性，不管是單個(gè)產(chǎn)品、項(xiàng)目，還是部門、行業(yè)，甚至某個(gè)區(qū)域、國家層面，H-LCA均存在一定的技術(shù)優(yōu)勢[17，26]。但是H-LCA方法卻很少用于公路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)碳排放研究，Rui等[27]針對路面使用、維修養(yǎng)護(hù)階段碳排放量評估，結(jié)合西澳大利亞道路網(wǎng)案例，提出了一種混合LCA方法，指出交通部門應(yīng)更多地關(guān)注道路使用階段的管理，例如控制交通量、車輛限速、路面平整度等，并表明了交通量增加10%，相關(guān)道路網(wǎng)絡(luò)的GWP將增加9.92%。Mostafa等[28]使用H-LCA方法評估了不同路面類型整個(gè)生命周期的GWP。

2.4 P-LCA、EIO-LCA與H-LCA對比

根據(jù)具體數(shù)據(jù)要求的高低、邊界范圍的確定、評價(jià)尺度的大小等，P-LCA、EIO-LCA、H-LCA三種方法均存在較強(qiáng)的獨(dú)特性，其對比分析如表1所示。

3 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)核算

碳排放計(jì)算模型在進(jìn)行計(jì)算時(shí)，必須依靠基礎(chǔ)數(shù)據(jù)才能正常進(jìn)行?；A(chǔ)數(shù)據(jù)的核算方式根據(jù)計(jì)算尺度、計(jì)算方向等主要分為三種：排放因子法、質(zhì)量平衡法、實(shí)測法。排放因子法是目前適用范圍最廣、應(yīng)用最為普遍的一種碳排放基礎(chǔ)數(shù)據(jù)核算方法，質(zhì)量平衡法與實(shí)測法應(yīng)用較少。

3.1 排放因子法

排放因子主要是指獲得或消耗單位質(zhì)量能源、產(chǎn)品所產(chǎn)生的碳排放量[29-30]。利用排放因子法計(jì)算碳排放量的公式，參考聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(huì)（IPCC）制定的《國家溫室氣體清單指南》，如式1所示：

溫室氣體（GHG）排放=活動(dòng)數(shù)據(jù)×排放因子 （1）

式中，活動(dòng)數(shù)據(jù)指導(dǎo)致溫室氣體產(chǎn)生的能源或資源生產(chǎn)量、消耗量；排放因子指與活動(dòng)數(shù)據(jù)相對應(yīng)的，生產(chǎn)或消耗單位質(zhì)量物質(zhì)所伴隨的溫室氣體的生成量，可直接采用IPCC、美國環(huán)境保護(hù)署、歐洲環(huán)境機(jī)構(gòu)等提供的數(shù)據(jù)。

目前，國內(nèi)外主要LCA數(shù)據(jù)庫如表2所示。

孟祥晨等[31]選用IPCC數(shù)據(jù)庫的碳排放因子作為瀝青路面建設(shè)期拌和階段能耗及碳排放量化研究的量化基礎(chǔ)參數(shù)，進(jìn)行碳排放測算模型搭建及驗(yàn)證，指出混合料拌和站將燃料類型由重油改為天然氣，可降低29.82%的碳排放量，推薦拌和站使用清潔能源工作。胡如安[32]采用了等效熱值法和碳排放因子法，計(jì)算瀝青混合料的能耗及碳排放量，分析我國瀝青路面降耗減排重點(diǎn)環(huán)節(jié)，并提出相應(yīng)的途徑及實(shí)施方案。Zhou等[33]采用Ecoinvent Database中的數(shù)據(jù)作為碳排放測算基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，進(jìn)行了山西省公路建設(shè)能耗及環(huán)境污染程度量化研究。

3.2 質(zhì)量平衡法

質(zhì)量平衡法主要是根據(jù)每年用于國家生產(chǎn)生活的新化學(xué)物質(zhì)和設(shè)備，計(jì)算為滿足新設(shè)備能力或替換去除氣體而消耗的新化學(xué)物質(zhì)份額。以CO2為例，由質(zhì)量平衡法計(jì)算碳排放，就是在確定碳質(zhì)量守恒的情況下，由輸入碳含量減去非二氧化碳的碳輸出量，具體計(jì)算如式2所示[29，34]。

CO₂排放=（原料輸入量×原料含碳量－產(chǎn)品/廢物產(chǎn)出量×產(chǎn)品/廢物含碳量）×44/12 （2）

式中：44/12是碳原子轉(zhuǎn)換成的CO₂轉(zhuǎn)換系數(shù)（即CO₂/C的相對原子質(zhì)量）

3.3 實(shí)測法

實(shí)測法是指基于各種工具、儀器等進(jìn)行碳排放量的實(shí)際測量，主要分為非現(xiàn)場實(shí)測與現(xiàn)場實(shí)測兩種。非現(xiàn)場實(shí)測是指將現(xiàn)場氣體情況進(jìn)行采樣并送檢，由專門的檢測機(jī)構(gòu)進(jìn)行測試；現(xiàn)場實(shí)測是指在排放源處進(jìn)行碳排放監(jiān)測模塊搭載，通過連續(xù)監(jiān)測氣體排放流速、排放濃度，進(jìn)行碳排放量計(jì)算。

4 結(jié)論

目前，我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)仍處于急速發(fā)展的狀態(tài)，作為最基礎(chǔ)、最廣泛的運(yùn)輸方式，公路交通發(fā)展取得了卓越成就，但仍然存在不平衡不充分發(fā)展問題，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)任務(wù)仍然較重，其建設(shè)與運(yùn)營所產(chǎn)生的能耗與碳排放不容忽視。合理正確的碳排放量化評估，有利于為道路基礎(chǔ)設(shè)施綠色轉(zhuǎn)型發(fā)展提供良好的決策依據(jù)，本文通過對道路基礎(chǔ)設(shè)施碳排放量化評估方法研究現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)分析，得出結(jié)論如下：

（1）有關(guān)道路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)碳排放量化評估的方法，主要分為測算模型搭建方法與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)核算方法兩個(gè)方面，且絕大部分研究方法都涉及生命周期理論，表明生命周期理論已廣泛應(yīng)用于道路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)碳排放量化評估工作中。

（2）在測算模型搭建方法上，過程分析法應(yīng)用最為廣泛；但國內(nèi)目前針對測算模型研究，主要依靠借鑒國外的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)。尚未建立統(tǒng)一的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、指南等對其進(jìn)行約束，同時(shí)，隨著研究的深入，越來越多的影響因素被考慮，致使公路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)碳排放測算邊界模糊不清；在下一步研究中，應(yīng)盡快明確道路建設(shè)過程中的重點(diǎn)環(huán)節(jié)，規(guī)定各項(xiàng)指標(biāo)加權(quán)制度，厘清本行業(yè)與其他上游產(chǎn)業(yè)邊界關(guān)系，使測算結(jié)果更加準(zhǔn)確、科學(xué)。

（3）關(guān)于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)核算方法，最為常用的是排放系數(shù)法；但目前廣泛采用的碳排放核算基礎(chǔ)數(shù)據(jù)受產(chǎn)業(yè)體系、能源結(jié)構(gòu)和新工藝、設(shè)備技術(shù)等因素的影響較大，更新較慢，且大多缺乏廣泛調(diào)研、質(zhì)量普遍不高；在下一步研究中，應(yīng)立足國內(nèi)實(shí)際，從產(chǎn)業(yè)體系、能源結(jié)構(gòu)、發(fā)展階段等各方面出發(fā)，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化乃至一體化的清單編制或因子數(shù)據(jù)庫的建立，提高基礎(chǔ)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。

（4）隨著國家對于環(huán)保的重視，有關(guān)交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的碳排放量化研究不斷增大，但對于采用各式計(jì)算模型、核算方法得出的能耗與碳排放數(shù)據(jù)，應(yīng)盡快建立統(tǒng)一、精確、權(quán)威的機(jī)構(gòu)或標(biāo)準(zhǔn)體系對數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性進(jìn)行評估驗(yàn)證。

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