基于平整度的瀝青路面養(yǎng)護(hù)減排能力分析

白炳東， 朱浩然， 蔡海泉

(1.江蘇省交通工程建設(shè)局， 江蘇 南京 210004； 2.蘇交科集團(tuán)股份有限公司； 3.新型道路材料國家工程實(shí)驗(yàn)室)

近年來，節(jié)能減排已經(jīng)成為政府部門工作的重點(diǎn)之一，交通運(yùn)輸業(yè)作為節(jié)能減排的主要領(lǐng)域承擔(dān)著重要的責(zé)任和義務(wù)。瀝青路面在車輛荷載作用下，使用性能出現(xiàn)衰減，當(dāng)性能指標(biāo)衰減到設(shè)定的閾值時(shí)需要開展針對(duì)性的養(yǎng)護(hù)以恢復(fù)路用性能。同時(shí)，瀝青路面在運(yùn)營過程中，除了路面養(yǎng)護(hù)會(huì)產(chǎn)生溫室氣體排放，用戶的燃油消耗導(dǎo)致溫室氣體排放也不容忽視，車輛排放不僅與車輛自身及駕駛行為相關(guān)，還與路面性能關(guān)系密切。目前，路面養(yǎng)護(hù)時(shí)機(jī)決策主要依據(jù)路面性能的衰減，而對(duì)于路面養(yǎng)護(hù)活動(dòng)以及用戶部分的考慮基本處于空白。瀝青路面在其壽命周期內(nèi)，根據(jù)路面性能的衰減需要開展定期的養(yǎng)護(hù)維修，產(chǎn)生溫室氣體排放，不同的養(yǎng)護(hù)維修標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)不同的養(yǎng)護(hù)排放及用戶排放，為了尋求養(yǎng)護(hù)活動(dòng)與用戶之間的平衡點(diǎn)，使得公路管理者與用戶排放總和最低，該文采用與路面養(yǎng)護(hù)及用戶排放密切相關(guān)的路面國際平整度指數(shù)作為分析指標(biāo)，測(cè)算不同條件下的溫室氣體排放，包括用戶及養(yǎng)護(hù)活動(dòng)產(chǎn)生的溫室氣體排放，并對(duì)減排能力進(jìn)行測(cè)算。

1 瀝青路面運(yùn)營期排放模型建立

1.1 邊界條件

該文重點(diǎn)分析與路面養(yǎng)護(hù)及用戶密切相關(guān)的過程，包括路面養(yǎng)護(hù)活動(dòng)及用戶排放兩個(gè)主要部分，分析的系統(tǒng)邊界如圖1所示。

文中考慮了瀝青路面養(yǎng)護(hù)運(yùn)營過程的溫室氣體排放，但是由于原材料的生產(chǎn)工藝復(fù)雜，尤其是瀝青的加工，對(duì)于原材料生產(chǎn)主要以引用相關(guān)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)為主，同時(shí)，基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)以及施工機(jī)械的生產(chǎn)過程也不包括在內(nèi)。此外，根據(jù)ISO建議的取舍規(guī)則(cut-off規(guī)則)對(duì)最終的計(jì)算結(jié)果影響較小(小于1%)，摻量較少的原材料生產(chǎn)以及施工環(huán)節(jié)也不在分析范圍之內(nèi)。

圖1 路面運(yùn)營期排放測(cè)算系統(tǒng)邊界條件

因此，該文的測(cè)算分析環(huán)節(jié)僅包括瀝青路面養(yǎng)護(hù)過程、養(yǎng)護(hù)工作區(qū)用戶排放、用戶正常行駛排放等。

1.2 運(yùn)營期溫室氣體排放模型

瀝青路面養(yǎng)護(hù)過程溫室氣體排放按式(1)測(cè)算：

G=∑Mi·Gi+∑mi·si

(1)

式中：G為瀝青路面養(yǎng)護(hù)產(chǎn)生的溫室氣體排放(kg)；Mi為第i種原材料質(zhì)量(kg)；gi為第i種原材料單位質(zhì)量生產(chǎn)產(chǎn)生的溫室氣體(kg/kg)；mi為第i種能源消耗質(zhì)量(kg)；si為第i種能源單位質(zhì)量消耗產(chǎn)生的溫室氣體(kg/kg)。

運(yùn)營期用戶排放主要是車輛燃油消耗產(chǎn)生的溫室氣體，車輛油耗模型的發(fā)展經(jīng)歷了一個(gè)較長的演變過程，其中世界銀行開發(fā)的HDM系列模型最為典型，并被較多國家應(yīng)用。HDM系列模型屬于理論型模型，能夠模擬各種工況和路況下車輛的油耗情況。該文在最新版HDM-4模型基礎(chǔ)上，針對(duì)中國實(shí)際情況進(jìn)行了優(yōu)化，適用于運(yùn)營期用戶產(chǎn)生的溫室氣體排放量測(cè)算。

根據(jù)車輛油耗、交通量以及燃油的溫室氣體排放，即可測(cè)算運(yùn)營期間用戶對(duì)環(huán)境的影響。

(2)

式中：Gn為第n年用戶部分排放(kg)；FCi第i種車輛油耗(mL/km)；L為路段長度(km)；Fni為第n年第i種車輛的交通量(輛/年)；gFi為第i種車輛所消耗燃油的排放值(kg/L)，其中，汽油的溫室氣體排放為2.314 kg/L，柴油的溫室氣體排放為2.655 kg/L。

2 基于平整度的路面養(yǎng)護(hù)減排能力分析

該文測(cè)算分析的對(duì)象為溫室氣體排放降低值，路面維修養(yǎng)護(hù)以路面國際平整度指數(shù)(IRI)為指標(biāo)依據(jù)，為了全面分析不同路面IRI條件下的溫室氣體排放情況，路面國際平整度指數(shù)從1.2 m/km升高至3.2 m/km，并以0.4 m/km為間隔。同時(shí)，由于用戶部分溫室氣體排放值與交通量密切相關(guān)，結(jié)合高速公路交通量分布情況，以單車道交通量作為分級(jí)依據(jù)，將交通量以1 000 veh/(d·ln)間隔劃分為9個(gè)等級(jí)。路面維修養(yǎng)護(hù)以4 cm上面層銑刨重鋪為主。分析期取為15年。采用路面養(yǎng)護(hù)溫室氣體排放及車輛行駛溫室氣體排放測(cè)算模型，以單車道公里為例，按照式(3)計(jì)算減排量：

ΔG=Glife,i-Gnone

(3)

式中：ΔG為瀝青路面養(yǎng)護(hù)產(chǎn)生的減排量(kg)；Glife,i為在第i種路面國際平整度指數(shù)條件下，路面養(yǎng)護(hù)及運(yùn)營期內(nèi)的溫室氣體排放量(kg)；Gnone為不采取養(yǎng)護(hù)措施條件下，運(yùn)營期內(nèi)的溫室氣體排放量(kg)。

在不同交通量等級(jí)、不同路面國際平整度指數(shù)養(yǎng)護(hù)閾值條件下，溫室氣體排放與不采取養(yǎng)護(hù)措施方案的減排量結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同交通量等級(jí)及IRI閾值條件下減排量

由圖2可知：當(dāng)交通量<2 500 veh/(d·ln)時(shí)，在路面國際平整度指數(shù)IRI=2.4 m/km時(shí)進(jìn)行路面養(yǎng)護(hù)可獲得最大的減排量；當(dāng)交通量為2 500～6 500 veh/(d·ln)時(shí)，在路面國際平整度指數(shù)IRI=2.0 m/km時(shí)進(jìn)行路面養(yǎng)護(hù)可獲得最大的減排量；當(dāng)交通量>6 500 veh/(d·ln)時(shí)，在路面國際平整度指數(shù)IRI=1.6 m/km時(shí)進(jìn)行路面養(yǎng)護(hù)可獲得最大的減排量。

由此可以得出：從溫室氣體排放降低角度考慮，在交通量大的路段應(yīng)采取較高的養(yǎng)護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，提高路面平整度水平，而在交通量較小的路段，可適當(dāng)降低養(yǎng)護(hù)閾值，延長路面維修養(yǎng)護(hù)間隔。

不同交通量等級(jí)條件下，最優(yōu)國際平整度指數(shù)養(yǎng)護(hù)閾值時(shí)所產(chǎn)生的溫室氣體排放降低幅度見表1。

表1 不同交通量等級(jí)下減排幅度

3 案例分析

以江蘇省某高速公路經(jīng)營管理單位所轄路網(wǎng)為例，測(cè)算其在15年分析期內(nèi)的溫室氣體減排潛力。根據(jù)所轄路網(wǎng)交通量分析各交通量等級(jí)下路段分布如表2所示。

根據(jù)所轄路段交通量及國際平整度指數(shù)最優(yōu)養(yǎng)護(hù)閾值條件下單位車道公里減排量，可測(cè)算得出所轄路段的溫室氣體最大減排能力，如表3所示。所轄路網(wǎng)溫室氣體最大減排能力為601 489.2 t，最大減排幅度1.787%。

表2 某高速公路經(jīng)營管理單位所轄路網(wǎng)交通量分級(jí)

表3 所轄路網(wǎng)溫室氣體最大減排能力

4 結(jié)論

通過對(duì)不同路面國際平整度指數(shù)條件下壽命周期內(nèi)養(yǎng)護(hù)及用戶排放的測(cè)算分析，可以得出以下結(jié)論：

(1) 在交通量等級(jí)較高的道路上，應(yīng)提高道路養(yǎng)護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，保持路面良好的使用性能，尤其是路面平整度，可顯著降低壽命周期內(nèi)的管理者和用戶的溫室氣體排放。

(2) 在交通量較大的路段采用較高的養(yǎng)護(hù)閾值標(biāo)準(zhǔn)，可獲得較大的減排量。