全球各国正努力通过限制碳排放来应对气候变化的艰巨挑战,减少碳排放对城市的可持续性和弹性产生积极影响｡ 根据国际能源署( IEA)发布的《2023 年碳排 放 报 告》 显 示, 我 国 的 二 氧 化 碳 排 放 量 增 长5. 65 亿 t,达到了 126 亿 t｡ 作为碳减排和低碳发展的主要领域,我国在第 75 届联合国大会上明确提出了2030 年前碳达峰,2060 年前碳中和的目标｡ 而高速公路作为社会经济发展的重要组成部分,由于规模较大,其建设会对环境造成严重影响[1],精确核算高速公路建设期碳排放对实现交通运输领域的低碳发展至关重要,有助于量化和管理建设过程中的温室气体排放[2],识别减排潜力,制定有效的减排策略,并为交通基础设施的绿色建设提供科学依据｡

目前,国内高速公路的 LCA 碳排放研究仍处于起步阶段,研究的对象主要集中在路基､路面､桥涵､隧道等单项工程的绿色材料或者低碳施工[3 - 5],关于整条高速公路的碳排放核算研究较少｡ 虽然我国已形成了中国生命周期基础数据库 CLCD( Chinese Life CycleDatabase)和通用型生命周期评价软件 eBalance[6],但在生命周期模型构建方面尚未完善,仍缺乏高速公路建设期统一的碳核算模型和流程｡

由于国际上高速公路建设未形成统一的标准化碳核算体系框架和流程,不足以支撑碳减排技术研发与管理措施制定｡ 本研究从高速公路建设期的研究目的､研究范围､核算方法和核算模型出发,对研究段高速公路建设期碳排放进行定量分析,并提出了相应碳减排建议｡

1、高速公路建设期碳排放研究目的与范围

1. 1 研究目的

本研究利用LCA 理论对高速公路建设期碳排放进行核算分析,其中,研究目的是确定高速公路建设期碳排放核算的第一步｡ 高速公路建设期碳排放的研究目的是为了识别和量化建设过程中的碳排放源[7],进而核算不同建设活动的碳排放,探索减少碳排放的技术和管理措施,为实现高速公路建设的低碳转型提供科学依据和技术支持｡

1.2 研究范围

本研究根据高速公路建设特征划定了研究范围,包括材料生产､材料运输及施工 3 个阶段,根据 JTG/ T3832—2018 公路工程预算定额将高速公路工程细分为8 个单位工程,包括路基工程､路面工程､桥涵工程､隧道工程､交叉工程､交通工程及沿线设施､绿化及环境保护工程和临时工程｡

2、高速公路建设期碳排放核算模型

2.1碳排放因子

目前,国际上常用的碳排放计算方法包括:碳排放因子法[8]､实测法[9]､质量平衡法[10] 等,本研究采用应用最广的碳排放因子法对碳排放量进行核算,该方法通过将活动数据( active data) 与碳排放因子( emissionfactor)相乘,得到碳排放量的估算值,即式(1):

E = AD × EF (1)

其中,E 为碳排放量;AD 为活动数据;EF 为碳排放因子｡

根据高速公路建设的研究目的与范围可知,高速公路建设期碳排放包括材料生产､材料运输和施工3 个阶段碳排放量之和｡ 高速公路建设期碳排放核算模型如式(2)所示:

C总 = C1 + C2 + C3 (2)

其中,C总 为高速公路建设期碳排放总量,kgCO2 ;C1 为材料生产阶段碳排放量,kgCO2 ;C2 为材料运输阶段碳排放量,kg CO2 ;C3 为施工阶段碳排放量,kgCO2 ｡

2.2 材料生产加工阶段碳排放模型

高速公路建设期的材料生产阶段是指工程建设过程中材料生产和加工两部分,包括高速公路建设所需的主要材料,例如水泥､钢材､沥青､砂､碎石等｡ 根据式(3)提出的核算模型,结合项目施工图预算书中各个工程的主要材料细目数量清单,分别乘以对应的碳排放因子,对每项材料进行碳排放核算后,汇总得到材料生产加工阶段碳排放总量｡

C1 = ∑nj = 1 ∑nj = 1aij × Ej × (1 + ui) × Qi (3)

其中,aij为第 i 类原材料生产过程中第 j 类能源活动数据, kg;Ej 为第 j 类能源的二氧化碳排放因子,kgCO2/ kg;ui 为材料生产损失率,% ;Qi 为第 i 种材料的生产量,kg｡

2.3材料运输阶段碳排放核算模型

高速公路建设期材料运输阶段的碳排放是指使用自卸汽车､载货汽车､拖车平板组等将建筑原材料从获取至运输到建材加工厂的运输过程以及混合料从混合料加工地运输到施工现场的运输过程所消耗的汽油､柴油､燃煤等能源所产生的碳排放,材料运输阶段碳排放核算模型如式(4)所示:C2 = ∑ii = 1 ∑jj = 1mij × (1 + ui) × dijcj (4)

其中,mij为建筑材料消耗量,kg;dij为运输方式 j 下建筑材料 i 的平均运输距离,km;ui 为建筑材料运输损失率,% ; cj 为每千米每千克运输方式的碳排因子,kgCO2/ (kg·km);n 为建筑材料种类数量;j 为运输方式数｡其中,根据《IPCC 国家温室气体编制指南》得到各种燃料燃烧产生的二氧化碳排放量计算公式见式(5),式(6):

E燃料 = ∑(ADi × EFi) (5)

ADi = FCi × NCVI (6)

其中,E燃料 为各种燃料燃烧产生的二氧化碳排放量,tCO2 ;ADi 为第 i 种化石燃料的活动水平,GJ;EFi 为第 i 种燃料的二氧化碳排放因子,tCO2/ t;FCi 为燃料 i的净消耗量,t,万 Nm3;NVCi 为燃料 i 的平均低位发热值,GJ/ t,GJ/ 万 Nm3;i 为燃料的种类｡各种燃料的二氧化碳排放因子计算公式见式(7):

EFi = CCi × OFi ×4412(7)

其中,EFi 为第 i 种燃料的二氧化碳排放因子,tCO2/ GJ;CCi 为第 i 种燃料的单位热值含碳量,tC/ GJ;OFi 为第 i 种燃料的碳氧化率,% ;44 / 12 为二氧化碳的分子量比值(tCO2/ tC);i 为燃料的种类｡

2.4 施工阶段碳排放模型高速公路施工阶段是高速公路建设过程的核心部分,该阶段的碳排放来源主要包括各个主体工程建设过程中现场施工机械､拌合站工作和夜间照明三部分｡ 对单项工程包括施工机械工作､施工拌合站工作､夜间照明三部分碳排放进行核算,核算完成后合计得到该阶段碳排放｡ 施工阶段碳排放核算模型如式(8)所示:

C3 = Cjx + Cbh + Czm (8)

其中,Cjx为施工机械碳排放量,kgCO2 ;Cbh为拌合站工作碳排放量,kgCO2 ;Czm 为施工夜间照明碳排放量,kgCO2 ｡

2.4.1 施工机械工作过程碳排放核算模型

施工机械工作阶段单位工程量下二氧化碳排放量见式(9),式(10):

Cjx = ∑ii = 1 ∑jj = 1Nj × Gij × Ei燃料 / 1 000 (9)

Cjx = ∑ii = 1 ∑jj = 1Nj × Gij × E电 / 1 000 (10)

其中,Nj 为施工 1 000 m3 混合料所需要的 j 种机械台班数量,台班;Gij为第 j 种机械每台班消耗第 i 种化石燃料的数量,kg / 台班;Ei燃料 为第 i 种化石燃料的二氧化碳排放因子,kgCO2/ kg;E电 为第 j 种机械使用电力产生的二氧化碳排放量,kgCO2/ kWh｡

2.4.2施工拌合站工作过程碳排放核算模型

高速公路拌合站分为水稳拌合站､沥青拌合站､凝土拌合站三种拌合站｡在拌合站的工作过程中,会消耗大量的能源,主要来自于燃料和电力,这些能源的使用会产生碳排放,其碳排放核算模型如式(11)所示｡

混合料拌和阶段单位工程量下二氧化碳排放量:

Cbh = Nj × Gij × Ei燃料 / 1 000 (11)

Cbh = Nj × Gij × E电 / 1 000 (12)

其中,Nj 为拌和 1 000 m3 混合料所需要的 j 种机械台班数量,台班;Gij为第 j 种机械每台班消耗第 i 种化石燃料的数量,kg / 台班;Ei燃料 为第 i 种化石燃料的二氧化碳排放因子,kgCO2/ kg;E电 为第 j 种机械使用电力产生的二氧化碳排放量,kgCO2/ kWh｡

2.4.3 夜间照明碳排放核算模型

Czm = T × EF电 (13)

其中,T 为夜间照明总用电量,kWh;EF电 为当地电力碳排放因子,kgCO2/ kWh｡

3、工程概况

本研究以秦皇岛(北戴河机场)至唐山(唐山市东外环)高速公路为例,工程建设里程 K9 + 850. 391—K37 +520. 689｡ 其中,建筑材料､运输机械和施工机械等各工程量数据由施工图设计文件､预算文件以及相关定额标准提供,各单位工程的核算范围及工程量见表 1｡

表1 各单位工程的碳排放核算范围及工程量

3.1各阶段碳排放结果统计

采用本研究提出的碳排放核算模型进行计算,得到秦唐高速公路建设期各阶段､各单位工程的碳排放量和碳排放强度的结果,如表 2 所示｡

表2 各单位工程各阶段碳排放量和碳排放强度统计

经计算,秦唐高速公路建设全过程的碳排放总量和碳排放强度分别是 43. 72 万 t 和 1. 58 万 t / km｡ 由表 2 可知,案例高速公路建设期绝大部分碳排放产生于材料生产阶段,该阶段碳排放量和强度最高,分别是40. 00 万 t 和 1. 44 万 t / km,占总碳排放的 91. 51% ;道路施工阶段次之,分别是 3. 41 万 t 和 1 232. 38 t / km,占总碳排放的 7. 81% ;材料运输阶段最低,分别是0. 30 万 t 和 108. 41 t / km,占总碳排放的 0. 68% ｡

3.2各阶段碳排放结果分析

由图1,图 2 可知,在高速公路的建设过程中,材料生产阶段是碳排放的重要来源,其中交叉工程和桥涵工程又是材料生产阶段碳排放的主要来源,分别占总碳排放的 36. 46% 和 31. 67% ｡ 在材料运输阶段,碳排放量占比前四的子工程分别是 23. 86% 交通沿线工程､交叉 工 程､ 路 面 工 程､ 路 基 工 程, 占 比 分 别 为23. 86% ,23. 25% ,21. 34% ,13. 47% ｡ 在施工阶段中,碳排放主要由交叉工程产生,占比为 42. 48% ,其次是路基工程和桥涵工程占比分别为 24. 67% 和 24. 58% ,其余工程占比之和仅为 8. 27% ｡ 本文针对碳排放来源的重点阶段提出以下相关节能减排技术措施建议｡

图1 各阶段碳排放结果统计图

图2 各阶段不同工程碳排放结果统计图

从建设的各个阶段分析,材料生产阶段的碳排放量占据主导地位,同时也具有最大的减排潜力｡ 这一阶段的碳排放主要产生于水泥､钢材､碎石等关键建筑材料的生产过程中｡ 这些材料的生产活动会消耗大量能源并产生大量的二氧化碳排放,尤其是水泥生产的熟料煅烧环节,是整个生产过程中碳排放最高的部分,煅烧过程中,碳酸盐分解和燃料燃烧都会释放大量的二氧化碳｡ 钢筋生产主要涉及到了钢铁的冶炼过程,这个过程中的碳排放较高,同时,炼铁需要在高温下还原铁矿石,这个过程通常依赖于焦炭作为还原剂,焦炭的燃烧会释放大量的二氧化碳｡ 碎石生产通常需要使用重型机械进行运输和破碎作业,这些机械的运行主要依赖于重油､柴油等化石能源｡

施工和材料运输阶段产生的碳排放仅占总量的8. 49% ,其中,施工阶段的碳排放主要来源是桥涵工程回旋钻机及路基工程压路机和挖掘机等设备的运作｡回旋钻机在钻孔过程中需要大量的动力来驱动钻头旋转和提升,并且不同的地质条件对钻孔的难度有很大影响,硬土层或复杂地质可能需要更大的钻压和更长的钻进时间,导致碳排放增加｡ 路基工程规模较大,为确保路基的承载能力和稳定性,需要挖掘机进行大量的土方挖掘以及压路机对填筑的土方的分层夯实,并且压路机和挖掘机主要以柴油驱动为主,柴油碳排放因子较大,消耗相同质量的燃料会产生更多的二氧化碳｡

在秦唐高速公路建设中,应重点关注工程材料与施工机械的碳排放｡ 在确保工程质量和安全的前提下,优先选用碳排放较低的筑路材料或使用可替代的新型绿色环保材料,并严格控制材料浪费｡ 同时,可从施工组织设计入手,通过编制合理的供应计划,优化机械设备在各施工队间的流转配置,提高其工作效率;积极引进和使用清洁能源驱动的施工装备和运输车辆,推行低碳施工流程,最大化地实现节能降碳目标,促进高速公路建设的绿色转型｡

3.3各工程碳排放结果分析

由图3 可知,在各个子工程中,交叉工程的碳排放占比 最 大 为 36. 84% , 其 次 是 桥 涵 工 程, 占 比 为30. 92% ｡ 路基工程碳排放占比为 14. 46% ,在高速公路建设期的子工程中碳排放排第三｡ 在秦唐高速公路的建设周期内,交叉工程､桥涵工程和路基工程的碳排放合计超过了 80% ,其中交叉工程和桥涵工程碳排放强度分别为 2. 81 万 t / km 和 3. 15 万 t / km｡ 本文针对关键工程进行了碳排放详细分析并提出了相应的减碳措施,具体如下:本研究路段沿线与较多高等级公路交叉,包括:京秦高速北戴河新区支线(拟建)､燕京线(S203)､杨刘线(S205)､山深公路(G205)等｡ 交叉工程共计 41 处,其中通道 719. 4 m/ 25 处､分离式立体交叉 1. 479 km/ 12 处､互通式立体交叉 3. 3 km/ 3 处､服务区 1 处｡ 交叉工程施工内容复杂,涵盖桥梁､路基和路面等工程,这些工程在土建标工程量中占据了主导地位｡ 由于这些工程使用了大量高耗能材料和高功率施工机械,相较于其他单位工程,其能源消耗和碳排放显著增加,导致产生的碳排放总量最高｡ 可采用智能化低碳设计与建造技术,从工程源头和过程中加强低碳管理,有效提高轨道交通枢纽工程[11]的综合应用｡

图3 各工程碳排放结果统计图

本研究路段的桥涵工程长度为4. 071 km,其中涵洞工程 114. 95 m/ 3 道､中桥工程 379. 56 m/ 5 座､大桥工程 217. 5 m/ 1 座､特大桥工程 3 359. 29 m/ 1 座｡ 该研究路段位于丘陵及平原区,沿线河流较少且主要为灌溉 渠 道 及 冲 沟, 桥 梁 工 程 虽 然 仅 占 总 里 程 的14. 71% ,但由于桥梁受到净空限制,上部结构主要采用装配式预应力混凝土密排 T 梁和装配式预应力混凝土连续小箱梁,导致钢筋和水泥等高耗能材料的大量使用｡ 这些材料的生产过程中产生大量碳排放,使桥涵工程成为整个项目中碳排放强度最高的部分｡ 因此,桥涵工程成为了节能减排措施的重点控制单元,特别是在桥梁构件的生产和加工工序中[12],可优先选取低碳环保工艺的原材料替代传统材料[13]｡

本研究路段的路基工程碳排放占比为13. 60% ,由于平原区欠方路段取土困难,不得不通过挖方或远距离借方来获取填筑路基所需的土石材料,而土石方的开挖､运输碎石和砂砾等重质材料所使用的机械主要依赖柴油驱动｡ 并且为确保路基的承载力和稳定性,会大量使用水泥和钢筋进行路基加固,直接导致了路基工程较高的能耗和碳排放｡ 因此,在路基工程建设中,可采取固废材料替代传统材料[14]､植物纤维毯替代传统圬工路基防护[15]等减碳措施｡

4、结论

本文基于LCA 理论,从研究目的和范围出发,对高速公路建设期材料生产加工､材料运输和施工 3 个阶段建立了碳排放核算模型｡ 依托秦唐高速公路进行实证分析,验证了模型的有效性和准确性,并对各阶段的减碳控碳措施提出了建议,主要结论如下:1)案例高速公路建设期总碳排放量为 43. 72 万 t,碳排放强度为1. 58 万 t / km, 各阶段碳排放占比分别为 91. 51% ,7. 81% 和 0. 68% ｡ 就碳排放强度而言,案例高速公路桥涵工程碳排放强度最大,为 3. 15 万 t / km,交叉工程碳排放强度为 2. 81 万 t / km｡ 2)材料生产阶段碳排放量最高为 40. 00 万 t,碳排放强度为 1. 44 万 t / km,其中水泥和钢材的生产加工为高速公路材料生产阶段碳排放的关键｡ 3)在所有单位工程中,超过 80% 的碳排放来自交叉工程､桥涵工程和路基工程,其中交叉工程碳排放量最大,占总工程的 36. 84% ｡

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基金资助:河北省高等学校科技重点项目(编号:ZD2021050);河北省交通运输厅2023年计划项目(编号:QT2023016);

文章来源:郭风爱,李斐,赵全胜,等.高速公路建设期碳排放量化分析及特性研究[J].山西建筑,2025,51(01):27-31.