津石高速公路碳減排測算與特征規(guī)律研究

何 佳，朱曉東，張興宇，陳永昊

（中國市政工程華北設(shè)計研究總院有限公司，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，對全球總輻射強度的貢獻(xiàn)達(dá)到63.5%，并且其輻射強度逐漸增強。中國作為迅速發(fā)展中的大國又是世界第一大碳排放國，在持續(xù)增長的經(jīng)濟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。

公路交通是我國交通運輸?shù)闹黧w，也是我國最主要的交通碳排放來源。雖然近年來公路運輸過程碳排放通過車輛技術(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)動施工機械的重要消費端，公路建設(shè)活動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)動施工機械，所排放的二氧化碳不容忽視。盡管對公路建設(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)界對于公路建養(yǎng)活動的環(huán)境影響并沒有清晰且統(tǒng)一的認(rèn)識，結(jié)合碳排放理論評價公路新技術(shù)應(yīng)用減排效果方面也鮮有研究。為順應(yīng)當(dāng)前國家、天津市交通建設(shè)領(lǐng)域“雙碳”行動要求，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（編號為G0211）工程位于天津市靜海區(qū)，道路整體呈東西走向。項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,在加強天津市輻射帶動能力的同時,可帶動濱海新區(qū)以及靜海區(qū)等區(qū)域經(jīng)濟快速發(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，項目路線全長約12.508 km，雙向6 車道，設(shè)計速度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價方法進(jìn)行建模[1-3]。公路工程建設(shè)活動復(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，本文通過分析公路建設(shè)活動碳排放要素，對公路建設(shè)階段進(jìn)行分部分項解構(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碳排放測算，最終匯總得到公路項目建設(shè)階段總體碳排放。該過程即為公路項目建設(shè)階段結(jié)構(gòu)化碳排放通用性測算模型構(gòu)建過程[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)階段碳排放測算模型

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

式中：E 為公路建設(shè)全過程的碳排放量，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)過程的碳排放因子，tCO2e/t；Di為i 種筑路材料平均運輸距離，km；fi為單位重量的第i 種筑路材料單位運輸距離產(chǎn)生的碳排放因子，tCO2e/（t·km）；j 為施工機械類型，j=1，2，3，…，m；k 為能源類型，k=1，2，3，…，l；Tj為使用第j 種施工機具耗費的工作時間總和，h；Pjk為單位工作時間內(nèi)第j 種施工機具使用第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)、場外加工、運輸以及現(xiàn)場施工四個公路生命周期過程，對各碳排放來源進(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、運輸過程碳排放因子、機械設(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

通過對已有數(shù)據(jù)庫以及大量文獻(xiàn)資料調(diào)研，同時充分考慮我國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公路建設(shè)特征的筑路材料碳排放因子，并以此來表征單位數(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）運輸階段碳排放因子清單分析

計算過程中從實際情況出發(fā)，以公路運輸為主，針對其原材料運輸方式，進(jìn)行了碳排放因子的選取和特征化標(biāo)定。本研究通過實地調(diào)研，統(tǒng)計了不同載重相同運距的耗能情況，得出85%的能源消耗狀況符合計算設(shè)計的限值，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范圍合理（在受具體現(xiàn)場環(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，不同運輸方式的碳排放因子如表2 所示。

表2 不同運輸方式的碳排放因子表

（3）機械設(shè)備碳排放因子清單

計算各種施工機械的臺班CO2排放系數(shù)，收集了公路工程項目中常用的施工機械工作表（以津石高速項目采用的類型為主），并基于《公路工程機械臺班費用定額》（JTG/T 3833—2018）等資料對每臺機械的單位臺班能耗類型進(jìn)行了調(diào)查，總結(jié)了多種設(shè)備機械及其對應(yīng)的CO2排放系數(shù)，部分機械設(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采、運輸和加工等階段產(chǎn)生的碳排放；能源使用階段碳排放指機械設(shè)備和運輸車輛在運行過程所消耗的汽油、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)量匯總表和機械臺班匯總表統(tǒng)計，共使用建材220 種，機械和運輸車輛109 種。各單位工程的材料、機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目總碳排放量為550013.93 t，其中材料、機械總排放分別為519060.91 t 和30953.02 t。津石高速天津西段項目施工總長度為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)處理分析過程中采取以下操作：

一是水及綠化工程內(nèi)植被等不計排放，在計算分析消耗量時不考慮；

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)，與機械或運輸設(shè)備排放計算及特征分析內(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，總計不超過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40%。

圖4 不同種類材料總碳排放量及總消耗量占比

（3）機械部分總體特征

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

表7 機械分類排放表

圖5 機械碳排放量及臺班量占比

由圖5 可知，回旋鉆機及自卸汽車為排放最大的機械設(shè)備，分別占到總體排放的22.28%及19.84%，累計占比超過40%；消耗量最大的機械電動卷揚機，消耗臺班量占到總臺班量的20.99%。

4 結(jié)語

本研究結(jié)合公路生命周期特征，重點對公路建設(shè)階段碳排放測算方法、建設(shè)階段的碳排放因子清單及低碳減排測算開展深入研究，基于公路建設(shè)工程計量單元過程劃分標(biāo)準(zhǔn)，按照“分單位- 分部- 分項”的施工時序和層級對公路建設(shè)階段進(jìn)行劃分和建模，得到了材料生產(chǎn)、材料場外加工、材料運輸以及施工階段的單元過程碳排放測算模型。針對公路工程，在確定公路建設(shè)碳源的基礎(chǔ)上，利用國內(nèi)外現(xiàn)有權(quán)威碳排放數(shù)據(jù)庫及相關(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、機械與運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目，搜集工程建設(shè)階段材料及機械使用情況，對其工程排放測算及排放特征規(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、施工機械等排放源的排放因子僅在一定分范圍內(nèi)波動（除去運輸過程的距離參數(shù)影響），同時公路建設(shè)的單位工程、分部分項工程類似，大型構(gòu)造物結(jié)構(gòu)特征相近，使用的材料、機械有一定的規(guī)律，因此本次核算結(jié)果有一定的代表性。公路建設(shè)過程存在明顯的2∶8 定律，即消耗量為20%的材料和施工機械貢獻(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，其碳排放主要來源為鋼材、水泥和生石灰。而施工機械及運輸產(chǎn)生的碳排放僅占總量的5.6%，主要來源為打樁鉆孔機械、運輸機械、土石方工程機械，其中運輸車輛碳排放主要來源為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，需重點關(guān)注上述筑路材料和施工機械的節(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性的減排措施。