公路生命周期碳排放評估及其敏感性分析

李 慧， 彭夏清， 張靜曉

(1.長安大學(xué) 建筑工程學(xué)院，陜西 西安 710061； 2.長安大學(xué) 經(jīng)濟與管理學(xué)院，陜西 西安 710064)

交通基礎(chǔ)設(shè)施投資對國家的長期發(fā)展至關(guān)重要。全球交通基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展的數(shù)據(jù)表明，公路主導(dǎo)了多數(shù)國家的交通基礎(chǔ)設(shè)施[1]。然而，公路的快速建設(shè)產(chǎn)生了大量的二氧化碳，是造成交通部門碳排放的最主要因素。二氧化碳的大量排放將導(dǎo)致全球變暖、酸化等負面影響，給發(fā)展中國家可持續(xù)發(fā)展帶來了重大挑戰(zhàn)和威脅[2-3]。當(dāng)前，公路碳排放問題成為各國政府的重要議題[4]。

公路作為主要的交通基礎(chǔ)設(shè)施，隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展和人們出行需求的個性化增強，高度靈活性使得公路的需求量快速增加[5]。新中國成立70 a來，中國公路建設(shè)取得了舉世矚目的成就[6]。全國公路里程數(shù)從1949年的8.08萬km增加到2018年的484.65萬km，高速公路達14.26萬km，居世界第一，在中國交通基礎(chǔ)設(shè)施中起到了基礎(chǔ)性先導(dǎo)作用。公路建設(shè)過程中需要大量的瀝青、水泥等建材及大量施工機械設(shè)備的高負荷運作，而這些原材料的生產(chǎn)加工、運輸過程及混合料的拌合、攤鋪、碾壓過程中會排放大量二氧化碳[7-9]。此外，公路運營維護及拆除回收階段也排放了大量的二氧化碳[10]。因此，了解公路生命周期各階段產(chǎn)生的碳排放變得越來越重要。

為此，許多研究者針對公路碳排放問題進行研究。1995年，瑞典環(huán)境研究院為瑞典道路管理局做了道路建設(shè)的生命周期分析，對公路建設(shè)的碳排放進行研究。隨后，學(xué)者們對公路全生命周期的碳排放進行研究。LOIJOS[11]等創(chuàng)建了一個通用路面LCA方法，研究美國混凝土路面全生命周期的碳排放，研究發(fā)現(xiàn)水泥生產(chǎn)對建設(shè)階段的碳排放貢獻最大。GUO[12]等采用LCA研究中國公路隧道全生命周期碳排放，研究發(fā)現(xiàn)建設(shè)、運營和維護階段的碳排放分別占碳排放總量的30.89%、56.12%和12.99%。還有學(xué)者比較了不同公路路面類型的碳排放。KUCUKVAR[13]等基于EIO-LCA模型，對鋼筋混凝土路面和熱拌瀝青路面全生命周期的碳排放進行研究。這些研究為分析公路碳排放的研究奠定了堅實的基礎(chǔ)。然而，現(xiàn)有研究大都以單個公路案例作為對象進行研究，并較少考慮到敏感性因素對碳排放評估結(jié)果影響，缺乏對公路行業(yè)碳排放平均水平的考察以及對評估結(jié)果的敏感性分析。

為解決這一問題，本研究基于生命周期評價法提出公路碳排放測算模型，將8個具有一定代表性的公路作為實證研究對象，以其物料及能源消耗的平均水平為代表，測算分析公路全生命周期碳排放，并識別生命周期各階段的潛在環(huán)境影響因素。進一步對碳排放評估結(jié)果進行敏感性分析，以確保本研究評估結(jié)果的可靠性。

本研究有利于促進生命周期評價法在公路領(lǐng)域研究上的完善與發(fā)展，使公路碳排放評估更加全面。此外，本研究分析了各類建材對其生命周期碳排放的貢獻率，為建材節(jié)能減排工藝技術(shù)指明了途徑，有助于交通管理部門從行業(yè)視角整體把控公路碳排放情況。

1 研究方案

1.1 評價方法

生命周期評價法(LCA)是一種對產(chǎn)品和活動系統(tǒng)進行整體環(huán)境評價的技術(shù)，可為各種建筑材料提供準(zhǔn)確有效的環(huán)境影響評估結(jié)果。近幾十年來，該方法被廣泛用于計算與交通基礎(chǔ)設(shè)施相關(guān)的碳排放研究[14]。例如，ESPINOZA[15]等采用LCA對哥斯達黎加圣卡洛斯省一條高速公路全生命周期的碳排放量化分析，研究發(fā)現(xiàn)高速公路生命周期中，熱拌瀝青混合料對環(huán)境的影響最大。MA[16]等采用PLCA對中國一個典型瀝青路面全生命周期的碳排放進行研究，研究結(jié)果表明原材料生產(chǎn)階段的碳減排潛力最大。同時，LCA還被應(yīng)用于公路建設(shè)的各個階段。例如，GSCHOSSER[17]等采用LCA研究瑞士公路建造和維護階段的環(huán)境影響，研究發(fā)現(xiàn)材料生產(chǎn)過程對環(huán)境的影響最大。BARTOLOZZI[18]等以橡膠瀝青路面和傳統(tǒng)瀝青路面為研究對象，采用LCA研究這兩類路面建造和維護階段對環(huán)境的影響，研究發(fā)現(xiàn)橡膠瀝青路面減少了對環(huán)境的影響。可見，LCA在公路碳排放研究中被廣泛應(yīng)用。

1.2 測算模型

本研究取1 m2公路路面作為1個功能單位，輸入為1 m2該類型道路在生命周期內(nèi)消耗的能量，輸出為1 m2該類型道路生命周期內(nèi)產(chǎn)生的碳排放。通過建立基于LCA的碳排放測算模型，分析公路全生命周期各階段的碳排放。本研究的方法框架由以下6步構(gòu)成：

第1步：1功能單位材料總重量計算。

由于許多國家的LCI數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)清單中材料的計量單位不統(tǒng)一，需要統(tǒng)一各類材料的重量單位。

Mij=ρij×vij

其中，Mij是第j個案例中第i種建材的重量，t；vij是第j個案例中第i種建材的體積，m3；ρij是第j個案例中第i種建材的密度，t/m3；Lj是第j個案例的計算路段路面長度，m；Wj是第j個案例的計算路段路面寬度，m；Mj為第j個案例中1功能單位的建材總重量，t/m2。

第2步：運輸計量。

TMD=Mj×D

其中，TMD是運輸計量，t·km/m2；Mj為第j個案例中1功能單位的建材總重量，t/m2；D是運輸距離，km。本研究原材料運輸?shù)桨韬蠄龅木嚯x包含在模型中，運輸距離僅考慮混合料到施工現(xiàn)場的距離。本研究假定運輸距離為60 km。

第3步：運營維護階段能源消耗。

Eom=Er+El

Er=Es×f

其中，Er是維修能耗，t/m2；Es是單次維修能耗，t;f是設(shè)計使用年限內(nèi)的維修次數(shù);El是照明能耗，t/m2。本研究是高速公路，El不予考慮。假設(shè)公路維護周期為7 a，整個生命周期為21 a。

第4步：拆除回收階段能源消耗。

Edr=Em+Et

其中，Edr是拆除回收階段的能耗，t/m2;Em是機械臺班的能耗，t/m2；Et是運輸階段的能耗，t/m2。本研究利用投入拆除公路的施工機械和運輸機械所消耗的燃料來估計拆除階段的能耗。假定轉(zhuǎn)運距離為30 km。

第5步：能源單位轉(zhuǎn)化。

通常維修和拆除階段的能源消耗是以標(biāo)煤為計量單位的，由于本研究建立的公路碳排放評估模型，能耗計量單位是kW·h，因此將標(biāo)煤轉(zhuǎn)化為kW·h。

E=Es×3 000

其中，E是能耗，kW·h/m2;Es是單次維修能耗，t/m2。

目前，全面的LCI數(shù)據(jù)庫僅在歐洲和美國等少數(shù)國家提供[19]。中國沒有全面的LCI數(shù)據(jù)庫，需要使用外部LCI數(shù)據(jù)庫。

第6步：將燃料燃燒產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)換為當(dāng)?shù)丨h(huán)境影響。

Ec=Eo×E2/E1

其中，Ec是制造材料的國家燃料燃燒產(chǎn)生的總能量，MJ；Eo是原始LCI數(shù)據(jù)庫的國家燃料燃燒產(chǎn)生的總能量，MJ;E1是原始LCI數(shù)據(jù)庫國家的節(jié)能潛力；E2是制造材料國家的節(jié)能潛力，節(jié)能潛力數(shù)據(jù)從國際能源機構(gòu)獲得[19]。

2 案例分析

中國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)取得了舉世矚目的成就，公路建設(shè)也獲得了前所未有的大發(fā)展，改善了以往“全面緊張”的交通狀況。本研究從中國國家高速公路網(wǎng)的重要組成里面，選取8個公路作為實證研究對象，用8個公路的物料及能源消耗平均值反映公路普遍情況，使得研究結(jié)果更具可靠性及普遍性。案例1：G1816烏海至瑪沁國家高速公路景泰至中川機場段；案例2：甘肅省甜水堡(寧甘界)經(jīng)慶城至永和(甘陜界)公路；案例3：平利至鎮(zhèn)坪高速公路；案例4：鄭州西峽高速公路堯山至欒川段；案例5：西鄉(xiāng)至鎮(zhèn)巴高速公路；案例6：寶雞至坪坎高速公路；案例7：北三環(huán)東延快速通道；案例8：鄭州市農(nóng)業(yè)路快速通道。這8個公路的建設(shè)在緩解交通擁堵、推動經(jīng)濟社會發(fā)展方面具有重要意義。

按照1.2節(jié)測算模型計算公路從原材料的提取、生產(chǎn)和運輸、施工、運營及維護以及拆除階段1功能單位的能源消耗。將1功能單位的能源消耗數(shù)據(jù)和材料使用量數(shù)據(jù)相結(jié)合，形成公路全生命周期環(huán)境影響清單，見表1。

表1 公路全生命周期環(huán)境影響清單Table1 Listofenvironmentalimpactsofthehighwaythroughoutitslifecycle建設(shè)階段石灰土/kg碎石/kgC20混凝土/m3C25混凝土/m3C30混凝土/m3C50混凝土/m3瀝青混凝土/kg砂子/kg鋼筋/kg水泥砂漿/kg涂料/kg1572.9741994.60.2510.1040.5340.3612175.154327.91159.35572.9310.8建設(shè)階段運營維護階段拆除回收階段瀝青/kg水泥/kg自卸汽車運輸能源消耗/(t·km)施工機械能源消耗/MJ能源消耗/(kW·h)施工機械能源消耗/(kW·h)自卸汽車運輸能源消耗/(t·km)9.359294.89397.215.867110.413.8198.6

3 結(jié)果與討論

3.1 生命周期碳排放評估

根據(jù)組裝模型測算分析結(jié)果，可得出公路全生命周期的碳排放網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

本研究使用網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)圖反映公路全生命周期各階段的貢獻，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)圖通過流向箭頭的粗細表示貢獻率。從圖1可知，公路建設(shè)階段的碳排占其全生命周期的比例最大為94.3%；其次是運營維護階段，占比為4.2%；拆除回收階段的碳排放占比最小為1.5%。

圖1 公路全生命周期碳排放網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)圖

為了進一步反映公路建設(shè)、運營維護及拆除回收階段對全球變暖的貢獻度，本研究將深入分析公路全生命周期各階段的碳排放量。公路全生命周期各階段的碳排放量匯總見表3。

表3 公路全生命周期碳排放匯總表Table2 Highwaylifecyclecarbonemissionsummarytable名稱碳排放量/(kg-CO2eq)占比/%建設(shè)階段1830.094.3運營及維護階段81.64.2拆除回收階段28.61.5匯總1940.0100.0

3.2 建設(shè)階段碳排放評估

從公路全生命周期碳排放評估的分析中看出建設(shè)階段的碳排放最多，該階段產(chǎn)生的碳排放將會造成全球變暖等一系列環(huán)境問題[20]。因此在公路建設(shè)階段，需要采取措施控制二氧化碳的排放。為進一步分析公路建設(shè)階段各類建材和施工機械的碳排放，本節(jié)研究1功能單位各主要建材清單與相關(guān)因素的碳排放，有助于識別對環(huán)境有害的建材。公路建設(shè)階段不同建材的碳排放貢獻率圖如圖2所示。

建設(shè)階段使用了各類建材和施工機械，根據(jù)圖2簇狀條形圖的分布情況，可知1功能單位公路建設(shè)階段鋼材、瀝青混凝土產(chǎn)生的碳排放較大，鋼材對建設(shè)階段的碳排放貢獻最大為26.47%；其次為瀝青混凝土，占比為21.66%；瀝青、施工機械和砂子的碳排放貢獻率小于1%，可以忽略不計。從圖2可知，1功能單位公路建設(shè)階段的碳排放總量是1 833 kg-CO2eq，其中鋼筋產(chǎn)生的碳排放量最多是485 kg-CO2eq；其次是瀝青混凝土，產(chǎn)生的碳排放量是397 kg-CO2eq；鋼材和瀝青混凝土對建設(shè)階段的碳排放貢獻較大，究其原因，鋼材和瀝青混凝土是建造道路的主要材料，對環(huán)境的影響最為顯著[21]。因此，應(yīng)從鋼材和瀝青混凝土這兩方面著手進行節(jié)能減排。

圖2 公路建設(shè)階段碳排放貢獻圖

鋼鐵的原料提取、生產(chǎn)、使用和廢棄過程消耗了大量的資源，同時造成了大量的碳排放[22]。因此，應(yīng)采取相應(yīng)的措施減少鋼材在公路建設(shè)中的碳排放。ZHOU[23]等認為中國應(yīng)完善鋼鐵行業(yè)的排放控制政策，加強政府監(jiān)督，提高鋼鐵行業(yè)的生產(chǎn)技術(shù)和效率，是鋼鐵行業(yè)實現(xiàn)長期減排的重要措施。CAO[24]等認為要綜合利用高爐煤氣和轉(zhuǎn)爐煉鋼生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的尾氣，減少鋼鐵行業(yè)的碳排放。還有學(xué)者認為采用低碳鋼同時減少用量更為重要。

目前，瀝青混凝土路面建設(shè)所占的比重較大。瀝青混凝土在生產(chǎn)過程中消耗了大量的自然資源，排放了大量的污染氣體和粉塵[25]。采取減排措施、控制瀝青混凝土生產(chǎn)過程中的碳排放，是減少公路建設(shè)階段環(huán)境影響的有效途徑。針對這一問題，有學(xué)者提出了橡膠瀝青技術(shù)，該技術(shù)將膠粉加入傳統(tǒng)瀝青混合料，可節(jié)約能源降低溫室氣體排放[26]。一些學(xué)者提出溫拌瀝青技術(shù)，與熱拌瀝青技術(shù)相比，該技術(shù)減少了拌合瀝青混合料的能源，大大減少了碳排放[27]。還有一些學(xué)者提出要實現(xiàn)廢舊瀝青混合料的再生，減少能源消耗和碳排放。

3.3 敏感性分析

在計算公路全生命周期的碳排放時，許多變量都是根據(jù)實際情況假設(shè)的，這種假設(shè)可能會導(dǎo)致不同的測算結(jié)果。因此，本節(jié)從敏感性分析的視角出發(fā)，研究不確定變量變化對模型輸出結(jié)果的影響。主要考慮運輸距離、節(jié)能潛力以及維修能耗這3個變量，每個變量的變化范圍是-10%～+10%，敏感性分析圖如圖3所示。

圖3 碳排放量(每功能單位)對不確定變量變化的敏感性

圖3中，4條直線分別代表4個不確定變量對公路生命周期各階段碳排放的敏感性。從圖3可以看出，維修能耗變化對公路運營維護階段的碳排放最為敏感，其次是拆除回收階段運輸距離的變化對公路拆除回收階段的碳排放，接下來是節(jié)能潛力變化對公路全生命周期的碳排放，建設(shè)階段運輸距離變化對公路建設(shè)階段的碳排放影響最小。

從圖4可以看出，節(jié)能潛力變化對公路全生命周期各階段的碳排放有一定影響。其中，節(jié)能潛力變化對公路運營維護階段的碳排放最為敏感，接下來是拆除回收階段，節(jié)能潛力變化對公路建設(shè)階段的碳排放幾乎沒有影響。

圖4 節(jié)能潛力變化導(dǎo)致的碳排放

節(jié)能潛力變化及維修能耗變化對公路運營維護階段的碳排放影響較大。因此，應(yīng)更加注意獲得有關(guān)節(jié)能潛力的可靠數(shù)據(jù)來源，公路運營維護階段要對路面定期監(jiān)測和檢測，對路面進行預(yù)防性、經(jīng)常性和周期性的養(yǎng)護，減少公路大修次數(shù)。節(jié)能潛力變化及拆除回收階段運輸距離變化對拆除回收階段的碳排放影響較大。因此，在公路壽命終期，應(yīng)將這些建筑垃圾運到垃圾填埋場。

4 結(jié)論

公路全生命周期碳排放研究，對交通運輸行業(yè)碳減排具有重要意義。本研究以8個公路案例為實證研究對象，利用完善的LCI數(shù)據(jù)庫，采用生命周期評價法，通過建立公路碳排放評估模型，對中國公路全生命周期各階段的碳排放進行系統(tǒng)的量化分析，并對評估結(jié)果進行敏感性分析，識別影響碳排放的主要因素。分析結(jié)果表明: ①節(jié)能潛力變化及維修能耗變化對公路運營維護階段的碳排放影響最大；節(jié)能潛力變化及拆除回收階段運輸距離變化對拆除回收階段的碳排放影響較大；節(jié)能潛力變化及建設(shè)階段運輸距離變化對建設(shè)階段的碳排放影響最小，幾乎可以忽略不計。②公路建設(shè)階段所用的建材中，鋼筋和瀝青混凝土對碳排放的貢獻最大，鋼材和瀝青混凝土的生產(chǎn)及加工過程對生態(tài)環(huán)境造成了極大的影響。針對這一問題，應(yīng)該尋找新工藝和新技術(shù)改變材加工過程，或者尋找高能效低排放的建材，減少二氧化碳排放。