基于生命周期的水庫溫室氣體排放計(jì)算

龔 新 ， 李海英 ， 廖文根 ，3

（1.江西省水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院，江西 南昌 330029；2.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038；3.水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，北京 100120）

0 引 言

水電被廣泛認(rèn)同為溫室氣體 （GHG）排放少、清潔、可以替代化石能源的能源，在人類應(yīng)對氣候變化的挑戰(zhàn)中具有不可替代的作用。但目前，國際上關(guān)于水電是清潔能源的屬性尚存爭議， 焦點(diǎn)集中在水庫GHG排放的量化評估及其減排作用上。主要原因是對不同區(qū)域、不同類型水庫的GHG排放研究結(jié)果差異較大，在學(xué)術(shù)界并沒有得出完全令人信服的研究結(jié)論。多數(shù)研究表明，水庫GHG排放非常小，水電是可再生的清潔能源；但也有研究者認(rèn)為，水庫GHG排放量巨大，修建水庫將引起更嚴(yán)重的溫室效應(yīng)。隨著我國水利工程建設(shè)和水電開發(fā)進(jìn)程的加快，水庫GHG排放問題也越來越受到關(guān)注，關(guān)于大型水庫 （水電站）的溫室效應(yīng)爭論也時有發(fā)生[1-5]。因此，迫切需要對各地區(qū)不同類型水庫GHG排放進(jìn)行量化方法學(xué)的深入研究和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的積累，使水電GHG的減排作用更具有說服力和參考價值。

生命周期評價 （Life Cycle Assessment，LCA）是對產(chǎn)品系統(tǒng) “從搖籃到墳?zāi)埂比^程所涉及的資源消耗和環(huán)境影響進(jìn)行定量評價的方法，被認(rèn)為是21世紀(jì)最有生命力和發(fā)展前途的環(huán)境管理工具[6]。應(yīng)用簡化 （或稱篩選）的LCA方法對產(chǎn)品系統(tǒng)的GHG排放研究在未來將是一種趨勢。LCA能比較全面地衡量產(chǎn)品系統(tǒng)能耗和GHG排放水平[7-8]，也是水庫工程GHG排放研究比較有力的工具。

目前，國內(nèi)水庫GHG排放研究剛剛起步，且研究大多集中于發(fā)電為主的水電站水庫，對以防洪、供水、航運(yùn)等非發(fā)電為主的水庫研究較少。本文以簡化的LCA方法，在構(gòu)建水庫GHG排放及水電GHG排放系數(shù)計(jì)算方法的基礎(chǔ)上，以低丘區(qū)、平原區(qū)淺水型非發(fā)電為主水庫工程實(shí)例進(jìn)行應(yīng)用計(jì)算。這一方面可為同區(qū)域同類型單個水庫GHG排放定量計(jì)算及水電減排效益評估提供借鑒和參考；另一面也可為全面探討各種類型水庫GHG排放水平提供數(shù)據(jù)支持。

1 水庫生命周期GHG排放計(jì)算方法

LCA是對產(chǎn)品系統(tǒng)的生命周期中輸入、輸出及其潛在環(huán)境影響的匯編和評價。其實(shí)施步驟包括：目的與范圍的確定、清單分析、影響評價和結(jié)果解釋四個階段。本文專注于分析和研究水庫生命周期GHG排放，將水庫生命周期中的潛在環(huán)境影響集中到全球變暖效應(yīng)上，對其他環(huán)境影響效應(yīng)不做研究評價，即限制或刪減水庫生命周期與GHG排放無關(guān)的特定階段、刪減特定的清單分析項(xiàng)目、簡化或忽略與GHG無關(guān)或關(guān)系不密切的環(huán)境負(fù)荷來構(gòu)建水庫GHG排放計(jì)算方法。

1.1 水庫系統(tǒng)范圍及邊界設(shè)定

（1）水庫生命周期GHG產(chǎn)生的階段及環(huán)節(jié)。它包括[9]：與建造大壩相關(guān)的GHG排放；與水電站運(yùn)行相關(guān)活動產(chǎn)生的GHG；水庫水體中生物體產(chǎn)生的GHG。

（2）系統(tǒng)范圍與邊界設(shè)定。根據(jù)LCA簡化原則，在不影響結(jié)論真實(shí)、有效的條件下，考慮數(shù)據(jù)獲得性和可操作性，依據(jù)水庫工程生命周期GHG產(chǎn)生階段及環(huán)節(jié)，對水庫生命周期系統(tǒng)范圍及邊界做某些限定、假定或簡化：①時間邊界包括建設(shè)施工期、運(yùn)行期2個階段，其中建設(shè)施工期細(xì)分為建材生產(chǎn)、運(yùn)輸和建筑施工等3個時段；水庫運(yùn)行期（100 a）細(xì)分為水庫 （電站）運(yùn)行維護(hù)以及水庫蓄水初期 （前 10 a）、 電站穩(wěn)定運(yùn)行期 （11～100 a）。②空間邊界指樞紐大壩建筑物、機(jī)電設(shè)備及附屬設(shè)施和正常蓄水位水庫水面范圍。③環(huán)境負(fù)荷指樞紐建設(shè)及運(yùn)行的建筑原材料 （主要為水泥、鋼筋）、機(jī)電設(shè)備、金屬結(jié)構(gòu)等、能量消耗 （主要為燃料和電力）和GHG （主要為CO2、CH4、N2O）排放；水庫淹沒區(qū)水面 （按正常蓄水位水庫水面面積計(jì)）的GHG排放。水庫生命周期GHG排放研究簡化系統(tǒng)邊界見圖1。

圖1 水庫生命周期GHG排放簡化系統(tǒng)邊界

1.2 水庫生命周期清單分析

按照設(shè)定的水庫系統(tǒng)邊界，通過對系統(tǒng)內(nèi)各單元過程及其相關(guān)活動的原材料和能源輸入、環(huán)境排放輸出分析，建立相應(yīng)的環(huán)境交換清單 （見表1）。

表1 水庫生命周期簡化GHG清單數(shù)據(jù)

1.2.1 建設(shè)施工期

（1）建材生產(chǎn)。建材生產(chǎn)清單分析是對工程建設(shè)所需能源、建筑原材料、機(jī)電設(shè)備以及金屬結(jié)構(gòu)構(gòu)件等生產(chǎn)過程中的能源、資源消耗和污染物排放等環(huán)境負(fù)荷進(jìn)行分析和計(jì)算。以每生產(chǎn)計(jì)量單位建材 “從搖籃到工廠大門”過程中的能源、資源的消耗量和污染物的排放量來表示。目前，國外許多發(fā)達(dá)國家都有較為成熟和詳細(xì)的建材生產(chǎn)能耗及環(huán)境排放的標(biāo)準(zhǔn)化清單數(shù)據(jù)庫。由于清單數(shù)據(jù)有較強(qiáng)的地域性和時效性，國內(nèi)學(xué)者對我國能源和主要建材生產(chǎn)過程的環(huán)境負(fù)荷進(jìn)行了許多研究，但未形成具有廣泛認(rèn)同的清單數(shù)據(jù)庫。本文借鑒利用國內(nèi)已有的研究成果，整理出適合水庫GHG排放的主要能源及建材生產(chǎn)過程的排放清單數(shù)據(jù)[10-11]（見表 2和表 3）。

（2）材料運(yùn)輸。材料運(yùn)輸清單分析是指能源、建材或其他設(shè)備從生產(chǎn)廠家運(yùn)送到施工現(xiàn)場的能耗及排放，主要為能源輸送和交通運(yùn)輸工具運(yùn)輸過程中消耗能源而產(chǎn)生的環(huán)境負(fù)荷。據(jù)統(tǒng)計(jì)[11]，我國鐵路運(yùn)輸中單位能耗為： 柴油 12.84 kg/（104t·km），電力 52.17 kW·h/（104t·km）； 柴油貨車油耗量為6.5 L/（102t·km）（約 5.53 kg/（102t·km））， 內(nèi)河運(yùn)輸燃油消耗為3.69 kg/（103t·km）。據(jù)表2計(jì)算主要交通運(yùn)輸工具單位貨物運(yùn)輸?shù)哪芎募碍h(huán)境排放清單見表4。通過對水庫工程主要建筑材料、機(jī)電設(shè)備和金屬結(jié)構(gòu)構(gòu)件等外來物資的運(yùn)輸方式、運(yùn)輸里程及貨物量的分析，按單位貨物運(yùn)輸方式的環(huán)境負(fù)荷清單，就可計(jì)算材料運(yùn)輸階段的能耗和GHG排放。

表2 主要能源生產(chǎn)、使用過程的能耗與GHG排放清單kg

表3 主要建材生產(chǎn)過程的能源、資源消耗與GHG排放清單 kg

表4 單位貨物運(yùn)輸過程中能源、資源消耗與GHG排放清單kg

（3）建筑施工。建筑施工階段是指建材和設(shè)備運(yùn)到建筑場地后，現(xiàn)場營建物化建筑物以及機(jī)電設(shè)備和金屬結(jié)構(gòu)等安裝的施工過程，施工項(xiàng)目主要包括：土石方開挖工程、基礎(chǔ)工程、土石壩和混凝土工程、機(jī)電設(shè)備及金屬結(jié)構(gòu)安裝工程等。這些項(xiàng)目的施工都需要消耗一定數(shù)量的人工和施工機(jī)械，產(chǎn)生一定數(shù)量的能耗和排放：①水電站建設(shè)涉及的單元工程和施工機(jī)械繁多，包括挖掘機(jī)、裝載機(jī)、推土機(jī)、空壓機(jī)、振動碾、自卸汽車、鏈斗式挖泥船、架橋機(jī)、門機(jī)、平板拖車、架橋機(jī)、水泵以及砂石篩分系統(tǒng)、混凝土拌和系統(tǒng)等幾十種，逐個統(tǒng)計(jì)不具有操作性。由于柴油是絕大部分施工機(jī)械的動力，通常將總油耗以柴油來表示。另外機(jī)械設(shè)備大多可重復(fù)利用，其損耗由于數(shù)量比重小和相關(guān)資料缺乏，暫不考慮。②施工用電分為施工機(jī)械設(shè)備用電和生活用電。施工機(jī)械設(shè)備用電主要包括空壓機(jī)、潛孔鉆、手風(fēng)鉆、水泵以及砂石篩分系統(tǒng)、混凝土拌和系統(tǒng)等機(jī)械設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)消耗；生活用電包括施工營地的辦公管理設(shè)施、施工人員生活及福利配套設(shè)施等日常消耗。建筑施工階段主要能源生產(chǎn)及使用過程的能耗與環(huán)境排放清單見表2。

1.2.2 水庫運(yùn)行期

水庫運(yùn)行期GHG排放主要包括兩部分：電站運(yùn)行維護(hù)所需要的能耗和GHG排放；水庫蓄水后水體產(chǎn)生的GHG排放。

高潮聽到梅宏圖罵他，沒有生氣，反倒心里直樂呵。給老子錢，老子就要。老子不便出面，可以叫“詩的妾”去拿；“詩的妾”不愿意去，老子可以花錢雇個民工跑趟腿兒。

（1）電站運(yùn)行維護(hù)。水電站運(yùn)行維護(hù)階段主要有電站生產(chǎn)設(shè)備及其輔助設(shè)備、生產(chǎn)運(yùn)行及管理配套設(shè)施等正常運(yùn)轉(zhuǎn)消耗的能量和材料，以消耗電能為主。主要用能設(shè)備有水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組、電氣設(shè)備、主變、閘門啟閉設(shè)備、水泵等電站生產(chǎn)系統(tǒng)；主要用能設(shè)施包括主副廠房生產(chǎn)、壩區(qū)及公路、管理辦公用房及生活住宅房等設(shè)施的照明、空調(diào)及通風(fēng)用電。水電站發(fā)電可為電站自身運(yùn)行用能設(shè)備及設(shè)施提供電力保證，但由于水力發(fā)電具有季節(jié)性和調(diào)峰作用，因此在水力發(fā)電不能保證期間都需要外源電力來維持水電站的各種運(yùn)行。根據(jù)運(yùn)行期水電與火電的供應(yīng)比例，采用電力能源清單和運(yùn)行電耗計(jì)算電站運(yùn)行維護(hù)階段的GHG排放量。

（2）水庫水面GHG排放。據(jù)研究，由水庫蓄水淹沒造成的有機(jī)質(zhì)分解而產(chǎn)生的GHG排放主要發(fā)生在水庫淹沒的前10年，在水庫蓄水2～3年后達(dá)到最大，隨后逐漸降低，10年后水庫CO2排放通量與湖泊高度相似，這時GHG排放主要來自流域中輸入的有機(jī)質(zhì)碳源造成[2]。因此，把水庫水面GHG排放周期分為水庫淹沒初期 （前10年）和穩(wěn)定運(yùn)行期（11～100年）兩個階段。理論上水庫水體GHG排放量應(yīng)為凈排放量，即減去蓄水前自然狀態(tài)的排放量，但目前國內(nèi)外對水庫淹沒水體GHG凈排放研究數(shù)據(jù)非常缺乏，有待深入的研究；對尚未建成或無實(shí)測資料的水庫，可參考已有文獻(xiàn)資料的水庫實(shí)測GHG排放通量[2，9，12-14]，從地理位置、氣候條件、水庫特征等方面，采取類比分析方法來預(yù)測水庫水面生命周期GHG排放水平。

1.3 水庫生命周期GHG排放量計(jì)算與評價

通過對水庫工程生命周期各階段工程量、材料和能源消耗數(shù)據(jù)的分類統(tǒng)計(jì)，利用上述水庫生命周期各階段GHG清單，可以計(jì)算水庫生命周期各類GHG排放量。

聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會 （IPCC）對GHG排放引起的全球氣候變暖效應(yīng)以全球變暖潛值（GWP，Global Warming Potentials）來衡量和評價，GWP以CO2為基準(zhǔn)，將其他溫室氣體的GWP按相應(yīng)的當(dāng)量系數(shù)折算為CO2當(dāng)量 （以CO2eq表示，以下GHG排放量均為已折算的量值）。CO2、CH4、N2O 的當(dāng)量系數(shù)為： CO2∶CH4∶N2O=1∶21∶310[15]。 水庫工程生命周期GHG排放總量

式中，wij為第j階段第i種GHG的排放量，kg；Ki為第i種GHG的當(dāng)量系數(shù)。

1.4 水電生命周期GHG排放系數(shù)計(jì)算方法

水庫庫容、水庫面積和樞紐建筑物規(guī)模千差萬別，大壩建筑物建設(shè)的原材料、能源和機(jī)械的使用量相差很大，故不同規(guī)模水庫GHG排放總量差別很大；而水庫運(yùn)行階段的持續(xù)時間占了水庫生命周期絕大部分，評價年限對評價結(jié)果影響也很大。 為了便于不同水電站間GHG排放水平的比較， 通常用水電GHG排放系數(shù)Es來作評價，即

式中，Es為水電生命周期GHG排放系數(shù)，g/kW·h；Es為第j階段GHG的排放量，g；Q為水電站生命周期發(fā)電總量，kW·h。

通過對不同水電站Es的對比分析，可以評價各類水庫的發(fā)電GHG排放水平，并為水庫發(fā)電GHG減排效益評估提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2 實(shí)例與討論

2.1 峽江水庫工程簡況

峽江水利樞紐工程位于江西省贛江中游下端的吉安市峽江縣境內(nèi)，是一座以防洪、發(fā)電、航運(yùn)為主，兼顧灌溉等綜合利用的大 （1）型水利樞紐工程，為贛江流域防洪控制性工程。 峽江水庫正常蓄水位46.0 m （黃海高程，下同），死水位44.0 m，水庫總庫容 11.87×108m3， 防洪庫容 6.0×108m3，正常蓄水位水庫面積119 km2，為典型低丘區(qū)淺水型水庫。樞紐主要建筑物由混凝土重力壩、混凝土泄水閘、電站廠房、船閘、魚道等組成，重力壩最大壩高22.1 m；電站總裝機(jī)容量360 MW，年均發(fā)電量11.44×108kWh；工程總工期 6年 （72個月），于2009年開工建設(shè)，計(jì)劃2013年7月第1臺機(jī)組發(fā)電，2015年8月全面建成發(fā)電。主要建材用量見表5。

表5 主要建筑材料用量

2.2 峽江水庫生命周期GHG排放量

根據(jù)峽江水庫生命周期各階段工程量、材料和能源消耗數(shù)據(jù)，利用有關(guān)GHG清單計(jì)算出峽江水庫生命周期GHG總排放量為541萬t，各階段排放量詳見圖2和表6。

圖2 峽江水庫生命周期各階段GHG排放量分布

從上述計(jì)算結(jié)果分析，在峽江水庫生命周期各階段GHG排放總量中，建設(shè)施工期約占18.82%，運(yùn)行期約占81.18%；運(yùn)行期的排放量中由水庫淹沒水體產(chǎn)生的GHG約占91.02%。可見，水庫生命周期GHG排放主要發(fā)生在運(yùn)行期，且絕大部分由水庫淹沒水體產(chǎn)生。

2.3 峽江水電GHG排放系數(shù)計(jì)算

按峽江水電站多年平均發(fā)電量11.44億kWh計(jì)算，峽江水電站生命周期GHG的排放系數(shù)為47.3 g/kW·h，其中建設(shè)施工期為9 g/kW·h，運(yùn)行期為38.3 g/kW·h （詳見圖 2）。

2.4 峽江水電GHG排放系數(shù)分析與討論

國內(nèi)水電站GHG排放系數(shù)研究主要集中于我國南部和西部地區(qū)的山區(qū)、深水型水庫，且基本都以發(fā)電為主要開發(fā)功能；不同規(guī)模水電站的水電GHG排放系數(shù)研究結(jié)果在 5～260 g/kW·h 之間[9，13，16]。 其中，大型水電站的排放系數(shù)多在5～18 g/kW·h之間，相對于中小水電站GHG排放系數(shù)，大型水電工程表現(xiàn)出明顯的規(guī)模效應(yīng)。

表6 峽江水庫生命周期各階段能耗和GHG排放量t

峽江水電站GHG排放系數(shù)高于目前國內(nèi)以發(fā)電為主的大型水電站GHG排放系數(shù)，其主要原因有：①峽江水庫為典型低丘、淺水型水庫，功率密度（發(fā)電裝機(jī)容量/水庫淹沒表面積）較小 （為3.03 W/m2）。低丘、平原、淺水型水庫相對有較大的蓄水面積，水面與氣體交換量大，這樣的水庫更接近湖泊濕地，GHG排放會明顯大于山區(qū)、深水型的水庫。②峽江水庫以防洪、發(fā)電、航運(yùn)為主，兼顧灌溉等綜合利用。對這類發(fā)電相對較少的綜合利用水庫來說，將全部水庫面積與有限的發(fā)電量比較，顯然會比單純以發(fā)電為主的水電站的GHG排放系數(shù)高。

盡管峽江水庫發(fā)電GHG排放系數(shù)比單純以發(fā)電為主的水電工程高，但與化石燃料發(fā)電相比仍然較低 （詳見表7）。如比煤電GHG排放系數(shù)低出一個數(shù)量級，可見仍然具有突出的GHG減排效益。

表7 不同發(fā)電能源GHG排放系數(shù)比較 g/kW·h

3 結(jié) 語

本文以簡化的LCA方法，在分析水庫GHG產(chǎn)生階段和環(huán)節(jié)基礎(chǔ)上將水庫生命周期劃分為建材生產(chǎn)、材料運(yùn)輸、建筑施工、水庫蓄水淹沒初期和穩(wěn)定運(yùn)行期等階段，借鑒國內(nèi)相關(guān)清單數(shù)據(jù)的研究成果，參考IPCC溫室氣體的計(jì)算方法，構(gòu)建了水庫生命周期GHG排放量和水電GHG排放系數(shù)計(jì)算方法。以防洪等為主的峽江水庫實(shí)例表明，水庫GHG排放主要發(fā)生在運(yùn)行期，且絕大部分由水庫淹沒水體產(chǎn)生。雖然這種典型低丘區(qū)淺水型峽江水電站的水庫GHG排放系數(shù)高于以發(fā)電為主的大型水電站GHG排放系數(shù)，但還是大大低于化石燃料發(fā)電GHG排放系數(shù)，仍具有突出的GHG減排效益。

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