何 佳，朱曉東，張興宇，陳永昊

（中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司，天津市 300202）

0 引言

二氧化碳（CO2）是大氣中最重要的人為溫室氣體，對(duì)全球總輻射強(qiáng)度的貢獻(xiàn)達(dá)到63.5%，并且其輻射強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)。中國(guó)作為迅速發(fā)展中的大國(guó)又是世界第一大碳排放國(guó)，在持續(xù)增長(zhǎng)的經(jīng)濟(jì)條件下面臨著大量能源需求，降低CO2已成為最緊迫的任務(wù)之一。

公路交通是我國(guó)交通運(yùn)輸?shù)闹黧w，也是我國(guó)最主要的交通碳排放來(lái)源。雖然近年來(lái)公路運(yùn)輸過(guò)程碳排放通過(guò)車輛技術(shù)改進(jìn)和車用能源清潔化等方式得到改善，但是作為水泥、鋼材、瀝青等高耗能、高碳密度建筑材料和化石燃料驅(qū)動(dòng)施工機(jī)械的重要消費(fèi)端，公路建設(shè)活動(dòng)的碳排放還未得到足夠關(guān)注和有效控制。大規(guī)模的建設(shè)活動(dòng)消耗巨量的水泥、鋼鐵、瀝青等高耗能、高碳密度材料，使用大量的柴油驅(qū)動(dòng)施工機(jī)械，所排放的二氧化碳不容忽視。盡管對(duì)公路建設(shè)制定了大量的標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)程，但由于種種原因，業(yè)界對(duì)于公路建養(yǎng)活動(dòng)的環(huán)境影響并沒(méi)有清晰且統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，結(jié)合碳排放理論評(píng)價(jià)公路新技術(shù)應(yīng)用減排效果方面也鮮有研究。為順應(yīng)當(dāng)前國(guó)家、天津市交通建設(shè)領(lǐng)域“雙碳”行動(dòng)要求，研究公路生命周期碳排放量化方法，摸清公路建設(shè)碳排放底數(shù)，從技術(shù)角度減少公路建養(yǎng)產(chǎn)生的碳排放、能源消耗成為破解當(dāng)前公路碳排放量大的重要途徑。

1 研究區(qū)域概況

津石高速公路天津西段（編號(hào)為G0211）工程位于天津市靜海區(qū)，道路整體呈東西走向。項(xiàng)目東起胡辛莊互通立交，與津石高速天津中段相接，西與津石高速公路河北段相接。建成后，不僅是南部港區(qū)通往石家莊及西部腹地的便捷通道,更是天津市連接濱海新區(qū)和華北地區(qū)的一條東西向通道,在加強(qiáng)天津市輻射帶動(dòng)能力的同時(shí),可帶動(dòng)濱海新區(qū)以及靜海區(qū)等區(qū)域經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，也是推進(jìn)京津冀區(qū)域交通一體化的重要舉措。

道路區(qū)位如圖1 所示，項(xiàng)目路線全長(zhǎng)約12.508 km，雙向6 車道，設(shè)計(jì)速度120 km/h，路基總寬度34.5 m。斷面布置為：0.75 m（土路肩）+3.0 m（硬路肩）+3×3.75 m（車行道）+0.75 m（左側(cè)路緣帶）+3.0 m（中央分隔帶）+0.75 m（左側(cè)路緣帶）+3×3.75 m（車行道）+3.0 m（硬路肩）+0.75 m（土路肩）=34.5 m。

圖1 道路區(qū)位圖

全線設(shè)大橋4 座（共1772.9 m），中橋5 座（共369.3 m），互通式立交2 座，通道4 處，服務(wù)區(qū)1 處，匝道收費(fèi)站1 處。

2 工程建設(shè)期碳排放核算

2.1 碳排放核算方法

公路建設(shè)期碳排放核算采用全壽命周期評(píng)價(jià)方法進(jìn)行建模[1-3]。公路工程建設(shè)活動(dòng)復(fù)雜多變，但由于公路工程各基礎(chǔ)設(shè)施施工期間的時(shí)間空間組織較為規(guī)范，工序順序也大體有跡可循。因此，本文通過(guò)分析公路建設(shè)活動(dòng)碳排放要素，對(duì)公路建設(shè)階段進(jìn)行分部分項(xiàng)解構(gòu)，再自下而上遞推匯總，基于全壽命周期建模完成各分部分項(xiàng)碳排放測(cè)算，最終匯總得到公路項(xiàng)目建設(shè)階段總體碳排放。該過(guò)程即為公路項(xiàng)目建設(shè)階段結(jié)構(gòu)化碳排放通用性測(cè)算模型構(gòu)建過(guò)程[4-6]，如圖2 所示。

圖2 公路工程建設(shè)階段建模思路

2.2 公路建設(shè)階段碳排放測(cè)算模型

公路建設(shè)全過(guò)程碳排放量E 為材料生產(chǎn)階段、材料運(yùn)輸階段和道路施工階段的筑路材料和施工機(jī)械的碳排放量總和[7-8]，其計(jì)算公式可表示為：

式中：E 為公路建設(shè)全過(guò)程的碳排放量，tCO2e；i 為筑路材料類型，i=1，2，3，…，n；Qi為第i 種筑路材料的總消耗量，t；Fi為第i 種筑路材料生產(chǎn)過(guò)程的碳排放因子，tCO2e/t；Di為i 種筑路材料平均運(yùn)輸距離，km；fi為單位重量的第i 種筑路材料單位運(yùn)輸距離產(chǎn)生的碳排放因子，tCO2e/（t·km）；j 為施工機(jī)械類型，j=1，2，3，…，m；k 為能源類型，k=1，2，3，…，l；Tj為使用第j 種施工機(jī)具耗費(fèi)的工作時(shí)間總和，h；Pjk為單位工作時(shí)間內(nèi)第j 種施工機(jī)具使用第k 種能源的消耗量，t；fk為第k 種能源產(chǎn)生的碳排放因子，tCO2e/（t·h）。

2.3 公路建設(shè)階段碳排放因子清單分析

為準(zhǔn)確、合理地計(jì)算出由于能源和資源消耗所排放的二氧化碳量，綜合公路建材生產(chǎn)、場(chǎng)外加工、運(yùn)輸以及現(xiàn)場(chǎng)施工四個(gè)公路生命周期過(guò)程，對(duì)各碳排放來(lái)源進(jìn)行相關(guān)因素整合，將公路生命周期排放因子歸納為公路建材碳排放因子、運(yùn)輸過(guò)程碳排放因子、機(jī)械設(shè)備碳排放因子和能源碳排放因子[9-10]四類。

（1）筑路材料碳排放因子

通過(guò)對(duì)已有數(shù)據(jù)庫(kù)以及大量文獻(xiàn)資料調(diào)研，同時(shí)充分考慮我國(guó)使用燃料的類型和成分、燃燒條件、技術(shù)設(shè)備發(fā)展?fàn)顩r等因素，提取來(lái)源、技術(shù)、年份和地理等數(shù)據(jù)代表性特征[4]，梳理形成了符合我國(guó)公路建設(shè)特征的筑路材料碳排放因子，并以此來(lái)表征單位數(shù)量建材的生產(chǎn)而產(chǎn)生的碳排放量，部分筑路材料的碳排放因子如表1 所示。

表1 部分筑路材料的碳排放因子

（2）運(yùn)輸階段碳排放因子清單分析

計(jì)算過(guò)程中從實(shí)際情況出發(fā)，以公路運(yùn)輸為主，針對(duì)其原材料運(yùn)輸方式，進(jìn)行了碳排放因子的選取和特征化標(biāo)定。本研究通過(guò)實(shí)地調(diào)研，統(tǒng)計(jì)了不同載重相同運(yùn)距的耗能情況，得出85%的能源消耗狀況符合計(jì)算設(shè)計(jì)的限值，與《重型商用車輛燃料消耗量限值》（GB 30510—2018）的耗量限值相比上下浮動(dòng)范圍合理（在受具體現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境和施工情況影響的程度范圍內(nèi)），因此最終確定了各車型單公里耗能數(shù)據(jù)。根據(jù)不同車型的平均結(jié)果及相關(guān)文獻(xiàn)的資料統(tǒng)計(jì)，不同運(yùn)輸方式的碳排放因子如表2 所示。

表2 不同運(yùn)輸方式的碳排放因子表

（3）機(jī)械設(shè)備碳排放因子清單

計(jì)算各種施工機(jī)械的臺(tái)班CO2排放系數(shù)，收集了公路工程項(xiàng)目中常用的施工機(jī)械工作表（以津石高速項(xiàng)目采用的類型為主），并基于《公路工程機(jī)械臺(tái)班費(fèi)用定額》（JTG/T 3833—2018）等資料對(duì)每臺(tái)機(jī)械的單位臺(tái)班能耗類型進(jìn)行了調(diào)查，總結(jié)了多種設(shè)備機(jī)械及其對(duì)應(yīng)的CO2排放系數(shù)，部分機(jī)械設(shè)備碳排放系數(shù)如表3 所示。

（4）能源碳排放因子清單分析

能源的生命周期碳排放主要包括能源上游階段和能源使用階段。能源上游階段碳排放指能源開(kāi)采、運(yùn)輸和加工等階段產(chǎn)生的碳排放；能源使用階段碳排放指機(jī)械設(shè)備和運(yùn)輸車輛在運(yùn)行過(guò)程所消耗的汽油、柴油、重油等燃燒產(chǎn)生的碳排放。各類能源單位碳排放因子如表4 所示。

表4 各類能源單位碳排放因子表

3 津石高速碳排放數(shù)據(jù)分析

（1）項(xiàng)目排放總體特征

根據(jù)津石高速天津西段各單位工程材料數(shù)量匯總表和機(jī)械臺(tái)班匯總表統(tǒng)計(jì)，共使用建材220 種，機(jī)械和運(yùn)輸車輛109 種。各單位工程的材料、機(jī)械整體碳排放情況如表5 所示，各單位工程碳排放占比如圖3 所示。

表5 項(xiàng)目總體排放情況

圖3 津石高速天津西段各單位工程碳排放占比

由表5 可知，津石高速天津西段項(xiàng)目總碳排放量為550013.93 t，其中材料、機(jī)械總排放分別為519060.91 t 和30953.02 t。津石高速天津西段項(xiàng)目施工總長(zhǎng)度為12.508 km，車道數(shù)為6，由此可得單公里碳排放量為43972.97 t，單車道單公里碳排放量為7328.83 t。

由圖3 可知，交叉工程占總體排放值最大為65%，橋涵工程、公路設(shè)施及預(yù)埋管線工程及路基工程碳排放占比較大，其余工程總碳排放量占比均低于5%。

（2）材料部分總體特征

根據(jù)排放量和工程消耗量對(duì)工程內(nèi)所用材料分別進(jìn)行歸類、單位轉(zhuǎn)換及排序等工作，最終得到各類材料排放量和消耗量情況如表6 所示。

表6 材料分類排放

為更準(zhǔn)確的分析材料部分排放特征，在數(shù)據(jù)處理分析過(guò)程中采取以下操作：

一是水及綠化工程內(nèi)植被等不計(jì)排放，在計(jì)算分析消耗量時(shí)不考慮；

二是部分材料消耗量或排放量均低于0.5%，樣本量不充分，歸為“其他”類別進(jìn)行整體研究；

三是材料部分內(nèi)存在部分種類能源如電、柴油、汽油等的消耗數(shù)據(jù)，與機(jī)械或運(yùn)輸設(shè)備排放計(jì)算及特征分析內(nèi)數(shù)據(jù)重合，故在分析材料排放特征時(shí)忽略不考慮。

不同種類材料總碳排放量及總消耗量占比如圖4 所示，可知排放量較大的材料主要為水泥、鋼類和生石灰，分別占到材料總碳排放的32.27%、41.09%和23.48%，總占比超95%；消耗量較大的材料主要為礦土料，占總消耗量比例超85%。比較同種材料的排放量及消耗量可知，消耗量大的材料，如礦土料等排放占比極小，總計(jì)不超過(guò)2%；而消耗量小的材料如鋼類等排放占比極大，消耗占比小于2%，排放占比卻超過(guò)40%。

圖4 不同種類材料總碳排放量及總消耗量占比

（3）機(jī)械部分總體特征

根據(jù)排放量和工程消耗量對(duì)工程內(nèi)所用機(jī)械和運(yùn)輸設(shè)備分別進(jìn)行歸類、臺(tái)班能耗查詢及排序工作，最終得到累計(jì)占機(jī)械部分總排放量和總消耗量前90%的機(jī)械類別如表7 所示，機(jī)械碳排放量及臺(tái)班量占比如圖5 所示。

表7 機(jī)械分類排放表

圖5 機(jī)械碳排放量及臺(tái)班量占比

由圖5 可知，回旋鉆機(jī)及自卸汽車為排放最大的機(jī)械設(shè)備，分別占到總體排放的22.28%及19.84%，累計(jì)占比超過(guò)40%；消耗量最大的機(jī)械電動(dòng)卷?yè)P(yáng)機(jī)，消耗臺(tái)班量占到總臺(tái)班量的20.99%。

4 結(jié)語(yǔ)

本研究結(jié)合公路生命周期特征，重點(diǎn)對(duì)公路建設(shè)階段碳排放測(cè)算方法、建設(shè)階段的碳排放因子清單及低碳減排測(cè)算開(kāi)展深入研究，基于公路建設(shè)工程計(jì)量單元過(guò)程劃分標(biāo)準(zhǔn)，按照“分單位- 分部- 分項(xiàng)”的施工時(shí)序和層級(jí)對(duì)公路建設(shè)階段進(jìn)行劃分和建模，得到了材料生產(chǎn)、材料場(chǎng)外加工、材料運(yùn)輸以及施工階段的單元過(guò)程碳排放測(cè)算模型。針對(duì)公路工程，在確定公路建設(shè)碳源的基礎(chǔ)上，利用國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有權(quán)威碳排放數(shù)據(jù)庫(kù)及相關(guān)文獻(xiàn)研究成果進(jìn)行了理論分析，分別得出能源、筑路材料、機(jī)械與運(yùn)輸車輛等單位碳排放因子清單，依托津石高速公路天津西段項(xiàng)目，搜集工程建設(shè)階段材料及機(jī)械使用情況，對(duì)其工程排放測(cè)算及排放特征規(guī)律進(jìn)行研究，主要結(jié)論如下：

（1）公路建設(shè)項(xiàng)目碳排放存在一定客觀規(guī)律。盡管不同區(qū)域發(fā)展特征不同，自然資源稟賦和發(fā)展特征不同，公路建設(shè)項(xiàng)目碳排放規(guī)律和影響因素存在顯著差異，但是公路建設(shè)相關(guān)筑路材料、施工機(jī)械等排放源的排放因子僅在一定分范圍內(nèi)波動(dòng)（除去運(yùn)輸過(guò)程的距離參數(shù)影響），同時(shí)公路建設(shè)的單位工程、分部分項(xiàng)工程類似，大型構(gòu)造物結(jié)構(gòu)特征相近，使用的材料、機(jī)械有一定的規(guī)律，因此本次核算結(jié)果有一定的代表性。公路建設(shè)過(guò)程存在明顯的2∶8 定律，即消耗量為20%的材料和施工機(jī)械貢獻(xiàn)了80%的碳排放，這主要是由于鋼鐵、柴油等生產(chǎn)過(guò)程產(chǎn)生了較大的碳排放，因此少量的消耗能貢獻(xiàn)較高的排放。

（2）津石高速天津西段工程原材料生產(chǎn)碳排放占比最高，并且減排潛力也最大，其碳排放主要來(lái)源為鋼材、水泥和生石灰。而施工機(jī)械及運(yùn)輸產(chǎn)生的碳排放僅占總量的5.6%，主要來(lái)源為打樁鉆孔機(jī)械、運(yùn)輸機(jī)械、土石方工程機(jī)械，其中運(yùn)輸車輛碳排放主要來(lái)源為15 t 以內(nèi)的自卸汽車。因此，在平原微丘區(qū)公路建設(shè)的節(jié)能降耗管理中，需重點(diǎn)關(guān)注上述筑路材料和施工機(jī)械的節(jié)能減排技術(shù)措施，從材料節(jié)約、能源節(jié)約、工藝優(yōu)化、施工管理和政策支持等層面提出了針對(duì)性的減排措施。