海綿城市主要低影響開發(fā)措施碳排放核算方法構(gòu)建與碳減排路徑分析

趙澤佳，邵轉(zhuǎn)娣，韋甜甜，丁 磊，胡啟玲，劉學(xué)明*

（1、華南理工大學(xué)環(huán)境與能源學(xué)院工業(yè)聚集區(qū)污染控制與生態(tài)修復(fù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室廣東省固廢污染控制與資源化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 廣州 510006；2、上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司 上海 200082）

0 引言

在低碳的基礎(chǔ)上進(jìn)行海綿城市建設(shè)，是低碳生態(tài)建設(shè)的重點(diǎn)，是解決城市內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)的出路，也是對(duì)雙碳政策要求的積極響應(yīng)。目前海綿城市建設(shè)的重點(diǎn)關(guān)注角度，逐漸從單純水文過程轉(zhuǎn)變到倡導(dǎo)全方位生態(tài)水文修復(fù)［1］。低影響開發(fā)措施既包括傳統(tǒng)水文處理手段，如透水鋪裝、雨水回用蓄水池、雨水罐等。也包括生態(tài)水文修復(fù)手段，即以城市綠色基礎(chǔ)設(shè)施體系作為載體，由自然區(qū)域組成的綠色空間作為建設(shè)主要載體的建設(shè)手段［2］。如雨水花園、植草溝、下沉式綠地等措施能直接增強(qiáng)碳匯，節(jié)約能源，還能起到生態(tài)調(diào)節(jié)的作用。深圳國際低碳城場館區(qū)（核心區(qū)）海綿園區(qū)采用典型低影響開發(fā)模式下的建設(shè)［3］，達(dá)到了節(jié)水減排、植物固碳、雨洪調(diào)蓄和利用凈化的目的。因此低影響開發(fā)措施是海綿城市在建設(shè)過程中解決水資源、水環(huán)境、水生態(tài)問題的主要途徑，是海綿城市建設(shè)的重要手段與組成部分。

低影響開發(fā)措施在實(shí)現(xiàn)的各個(gè)階段均有溫室氣體產(chǎn)生［4-7］，建設(shè)施工過程中材料生產(chǎn)、材料運(yùn)輸、機(jī)器能源消耗，運(yùn)行維護(hù)過程中灌溉、噴灑、施肥等環(huán)節(jié)的大量能源與藥劑消耗，均直接或間接催生溫室氣體排放?！疤甲阚E”核算的意義重大，可從其核算的過程和結(jié)果找到碳減排途徑，挖掘碳減排潛力［8］。因此，摸清低影響開發(fā)措施建設(shè)過程中碳足跡，核算低影響開發(fā)措施的碳排放，對(duì)于海綿城市的低碳建設(shè)具有重要意義。比較常見的碳足跡計(jì)算法有生命周期法（Life Cycle Assessment，簡稱LCA）、碳庫存法、投入產(chǎn)出法等。LCA 法是一種對(duì)產(chǎn)品、生產(chǎn)工藝及服務(wù)從“搖籃到墳?zāi)埂鄙^程中的環(huán)境負(fù)荷和資源消耗進(jìn)行評(píng)估的方法或工具［9］。目前國內(nèi)外學(xué)者對(duì)低影響開發(fā)設(shè)施［10］、綠色基礎(chǔ)設(shè)施［11-12］等進(jìn)行了碳排放核算、碳排因素分析、碳減排效益研究。在這些研究中，LCA 法得到廣泛應(yīng)用［13-15］，主要用以厘清低影響開發(fā)措施碳排放核算邊界。但目前相關(guān)研究內(nèi)容還不夠完整：根據(jù)LCA 法思想，海綿設(shè)施碳排放核算不僅應(yīng)當(dāng)包含建設(shè)和施工過程，也應(yīng)該包含碳排放的材料制備、生產(chǎn)、運(yùn)輸以及維護(hù)拆除后固廢帶來的碳排放影響。加上潛在的碳匯途徑，如綠地固碳等。部分研究只考慮了系統(tǒng)生命周期中某些階段方面［16］，因此核算會(huì)產(chǎn)生一定的偏差［17］。

本研究運(yùn)用LCA 的思想，以碳排放因子法為依據(jù)，以汕頭市中心城區(qū)北岸海綿城市建設(shè)過程中主要低影響開發(fā)措施為研究對(duì)象，構(gòu)建了適用于傳統(tǒng)水文處理措施透水鋪裝與綠色基礎(chǔ)設(shè)施雨水花園和下沉式綠地的的碳排放核算方法，并對(duì)其碳排放進(jìn)行了核算，分析了其總碳排、總碳匯的主要影響因素，以期為市政海綿工程評(píng)估低影響開發(fā)措施碳排放與減碳路徑提供一種核算思路與方法。

1 碳排放核算方法與體系構(gòu)建

1.1 典型低影響開發(fā)措施核算模型

核算模型以政府間氣候變化專門委員會(huì)（Intergovernmental Panel Climate Change，簡稱IPCC）發(fā)布的《IPCC 國家溫室氣體清單指南（2019 修訂版）》中的碳排放因子法為基礎(chǔ)。

1.1.1 建設(shè)階段核算模型

⑴材料生產(chǎn)

材料的碳排放量包括原材料生產(chǎn)或開采時(shí)能源消耗引起的碳排放量以及將原材料加工成成品時(shí)的生命周期碳排放。海綿設(shè)施中所需各種材料對(duì)應(yīng)碳排放量為材料的使用量乘以生產(chǎn)單位材料的碳排放量，其碳排放量可采用式⑴計(jì)算：

式中：CEcl為消耗材料產(chǎn)生的碳排放量（kgCO2-eq）；Mcl，i為第i種材料使用量（t或m3）；EFcl，j為第j種材料的碳排放因子（kgCO2-eq/t 或kgCO2-eq/m3）；n為總計(jì)使用n種材料。

⑵材料運(yùn)輸

材料在運(yùn)輸過程中由于交通工具的使用導(dǎo)致能源消耗從而產(chǎn)生碳排放量，運(yùn)輸過程中的運(yùn)輸能耗取決于運(yùn)輸方式、能源類型和運(yùn)輸距離。運(yùn)輸過程中的碳排放量可采用式⑵計(jì)算：

式中：CEys為材料運(yùn)輸環(huán)節(jié)所產(chǎn)生的碳排放量（kg CO2-eq）；Mys，i，j為第i次運(yùn)輸中，使用第j種方式的運(yùn)輸材料總量（t）；L為第i次運(yùn)輸中，使用第j種方式的運(yùn)輸距離（km）；EFys，j為第j種運(yùn)輸方式排放因子［kg CO2-eq/（t·km）］；n為總計(jì)進(jìn)行n次運(yùn)輸；1 為第i次運(yùn)輸中，總計(jì)采用了1種運(yùn)輸方式。

⑶施工

低影響開發(fā)措施在施工過程中會(huì)用到各種施工機(jī)械，這些機(jī)械在運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生溫室氣體，主要是由于各種化石能源和電力的使用，施工過程的碳排放量可由式⑶化石燃料消耗碳排放量、式⑷電力消耗碳排放計(jì)算：

式中：CErl為化石燃料碳排放量（kg CO2-eq）；Ti為第i種機(jī)械臺(tái)班使用數(shù)量，施工階段各類工程的臺(tái)班量根據(jù)《市政工程消耗量定額》進(jìn)行估算；Si為第i種單位機(jī)械臺(tái)班化石燃料消耗量（kg 或m3），可參考《建筑碳排放計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)GB/T 51366—2019》［18］；EFrl，i為第i種機(jī)械臺(tái)班所消耗的化石燃料對(duì)應(yīng)排放因子（kgCO2-eq/kg或kgCO2-eq/m3）；n為總計(jì)使用n種機(jī)械臺(tái)班。

式中：CEd為消耗電力產(chǎn)生的碳排放量（kgCO2-eq）；Ed為總耗電量（kW·h）；EFd為該地區(qū)的電力排放因子［kg CO2-eq/（kW·h）］。

1.1.2 運(yùn)行維護(hù)階段核算模型

為了更好地維持典型技術(shù)措施的壽命，通常會(huì)進(jìn)行管理維護(hù)。灌溉、施肥、修剪、清理都是常用的維護(hù)措施，維護(hù)時(shí)自來水、肥料、修剪機(jī)械的使用均會(huì)產(chǎn)生碳排放，維護(hù)過程中的碳排放量可采用式⑸計(jì)算：

式中：CEyx為運(yùn)行維護(hù)所產(chǎn)生的碳排放量；Qi為第i類總消耗量；EFi為第i類機(jī)械或材料使用所包含的碳排放因子；Ti為每年每種管理養(yǎng)護(hù)的次數(shù)。

1.1.3 拆除階段核算模型

建筑拆除過程能耗可按施工能耗90%估算，相應(yīng)的碳排放量亦可近似按90%估算［19］。

1.1.4 碳匯核算模型

低影響開發(fā)措施中雨水花園和下沉式綠地中的植物在運(yùn)行過程中由于光合作用會(huì)進(jìn)行CO2固定，將CO2匯集即為產(chǎn)生碳匯。其中針對(duì)不同的植物類型采用不同的核算模型會(huì)使得核算結(jié)果更為準(zhǔn)確。針對(duì)草本花卉類植物，可以采用碳匯因子法計(jì)算碳匯［20］，對(duì)于喬木灌木植物本研究采用同化量法［21］估算。

⑴草本花卉類碳匯模型

式中：CSch為下凹式綠地植物固碳量（t）；Sq為下凹式綠地植物占地面積（m2）；CSyz為植物固碳因子（kg/m2），碳匯因子可取0.4 kgCO2-eq/m2［20］。

⑵喬木灌木類碳匯模型

式中：CSqg為汕頭市雨水花園喬木灌木年固碳量（t）；WCO2為喬木灌木單位葉面積平均日固碳量［g/（m2·d）］，其中參考郜晴等人［22］的研究，喬木可取7.81，灌木可取7.99；ILA為葉面積指數(shù)平均值，參考陳少鵬等人的研究［23］，取其平均值8.577。

1.2 研究區(qū)域低影響開發(fā)措施概況

根據(jù)汕頭市海綿城市建設(shè)對(duì)金平區(qū)、龍湖區(qū)和濠江區(qū)的城市更新、內(nèi)澇整治、積水點(diǎn)消除等建設(shè)需求，以排澇圍區(qū)和排水分區(qū)為邊界，對(duì)金平區(qū)的四千畝圍片區(qū)、龍湖區(qū)的鷗汀片區(qū)、紅墳關(guān)片區(qū)等國家海綿城市建設(shè)示范區(qū)相關(guān)項(xiàng)目中的低影響開發(fā)低影響開發(fā)措施進(jìn)行碳排放核算。

1.3 核算邊界

為保證碳排放核算結(jié)果的準(zhǔn)確性和代表性，也便于結(jié)果分析和縱、橫向比較關(guān)鍵在于確定系統(tǒng)的核算邊界。在系統(tǒng)和自然的交互邊界上，低影響開發(fā)措施碳排放核算不僅包括物理邊界內(nèi)的碳排放活動(dòng)，也包括與之關(guān)聯(lián)的物質(zhì)流等活動(dòng)，例如，運(yùn)行維護(hù)剪草機(jī)的電耗，以及由工程建設(shè)所帶來的碳排放活動(dòng)。

核算時(shí)間邊界取2022年～2053年，其中2022年為低影響開發(fā)措施建設(shè)年，2023 年～2052 年為低影響開發(fā)措施運(yùn)行30 年周期，2053 年為低影響開發(fā)措施拆除年。核算空間邊界如表1所示。運(yùn)用全生命周期法的概念，將低影響開發(fā)措施分為建設(shè)階段、運(yùn)行維護(hù)階段、拆除階段，其中建設(shè)階段細(xì)分為材料生產(chǎn)、材料運(yùn)輸、施工3 個(gè)階段。核算內(nèi)容為汕頭市中心城區(qū)北岸的四大重點(diǎn)片區(qū)六大項(xiàng)目的全生命周期過程的碳排放，核算邊界如圖1所示。

圖1 核算邊界示意圖Fig.1 Accounting Boundary Diagram

表1 核算對(duì)象概況Tab.1 Introduction of Research Objects

2 低影響開發(fā)措施碳排放核算

2.1 建設(shè)階段碳排放核算

為簡化表述，各個(gè)片區(qū)用字母A～F 代替，即A 表示金鳳半島環(huán)線道路及市政配套設(shè)施，B 表示金平工業(yè)園區(qū)升平二片區(qū)道路及配套設(shè)施，C 表示金科金鳳半島片區(qū)綜合開發(fā)項(xiàng)目-汕頭博弈府c08 地塊海綿城市，D 表示華美公園海綿設(shè)施，E 表示鷗汀片區(qū)水環(huán)境綜合整治工程，F(xiàn)表示桃園小區(qū)。

2.1.1 材料生產(chǎn)碳排放核算

根據(jù)式⑴，對(duì)各項(xiàng)低影響開發(fā)措施所用碳排放量進(jìn)行核算，表2～表4 中碳排放因子來源主要參考馬潔［24］、鄭濤［16］等人的研究成果與《城鎮(zhèn)水務(wù)系統(tǒng)碳核算與減排路徑技術(shù)指南》［20］，其中透水鋪裝材料生產(chǎn)碳排放量如表2 所示，雨水花園材料生產(chǎn)碳排放量如表3所示，下沉綠地碳排放量如表4所示。

表3 雨水花園材料生產(chǎn)碳排放核算Tab.3 Carbon Emissions Accounting for the Production of Rain Gardens Materials

表4 下沉式綠地材料生產(chǎn)碳排放核算Tab.4 Carbon Emissions Accounting for the Production of Sunken Green Spaces Materials

2.1.2 材料運(yùn)輸碳排放核算

本研究考慮運(yùn)輸方式為柴油卡車，運(yùn)輸能耗為2.42 MJ/（t·km），柴油熱值為42 652 MJ/t 柴油，柴油燃燒的碳排放因子為CO2碳排放因子加上CH4和N2O 的CO2當(dāng)量排放因子。柴油燃燒的CO2排放因子、N2O 排放因子、CH4排放因子分別為3.096 t CO2-eq/t 柴油、127.95 g N2O/t 柴油、25.59 g CH4/t柴油［25］。一氧化二氮和甲烷的100年全球變暖潛能值分別為GWPN2O298 t CO2/t 和GWPCH425 t CO2/t［26］，則由此可計(jì)算得到柴油燃燒的總CO2排放因子為3.135 t CO2-eq/t，運(yùn)輸過程的碳排放因子為0.178 kg CO2-eq/t·km。同時(shí)考慮建筑材料產(chǎn)地與進(jìn)貨單位的不確定性，本研究采用2021 年國家統(tǒng)計(jì)年鑒中我國貨物平均運(yùn)送距離176 km 作為運(yùn)輸距離，按照式⑵對(duì)各個(gè)項(xiàng)目運(yùn)輸過程的碳排放進(jìn)行核算，核算結(jié)果如表5所示。

表5 材料運(yùn)輸階段碳排放Tab.5 Carbon Emissions during Material Transportations （t）

2.1.3 施工階段碳排放核算

如材料生產(chǎn)表詳細(xì)所示，透水鋪裝、下沉綠地、雨水花園需要將各種材料按照其特有順序依次鋪裝，本研究各項(xiàng)措施在施工過程中使用的能源有柴油和電力，其中柴油燃燒的二氧化碳排放因子如2.1.2所述為3.135 t CO2-eq/t，電力碳排放因子參考《2019年度減排項(xiàng)目中國區(qū)域電網(wǎng)基準(zhǔn)線排放因子》，取0.804 2 kg CO2/（kW·h），按照式⑶、式⑷，對(duì)每個(gè)項(xiàng)目中的各個(gè)工程進(jìn)行了施工階段的碳排放核算，核算結(jié)果如表6所示。

表6 施工階段碳排放Tab.6 Carbon Emissions during Constructions （t）

2.2 運(yùn)行維護(hù)階段核算

植物在管理養(yǎng)護(hù)中會(huì)涉及養(yǎng)護(hù)器械、灌溉自來水等的使用，均會(huì)消耗電力柴油等能源，從而產(chǎn)生碳排放。由于核算對(duì)象的具體維護(hù)工作還未展開，所以本研究采取馬潔［25］計(jì)算得到的面積碳排放因子對(duì)本文中雨水花園和下沉式綠地運(yùn)行維護(hù)的整體碳排放進(jìn)行計(jì)算，以30年為生命周期，核算結(jié)果如表7所示。

2.3 拆除階段碳排放核算

按照前述研究，拆除階段碳排放按照建設(shè)施工階段的90%計(jì)算，故本研究不在對(duì)各個(gè)項(xiàng)目中的單體措施進(jìn)行分別核算拆除碳排放，而是對(duì)透水鋪裝、雨水花園、建筑施工碳排放進(jìn)行一個(gè)整體的核算，核算結(jié)果如表8所示。

表8 拆除階段碳排放Tab.8 Carbon Emissions during the Demolitions

2.4 碳匯核算

本研究各項(xiàng)目中下沉式綠地植物為花卉類植物，面積為6 062 m2，采用式⑹計(jì)算，對(duì)于各項(xiàng)目中雨水花園，其植物類型為喬木，灌木，草本植物，總面積為3 528.52 m2，三者面積比為1∶2∶2，根據(jù)式⑹和式⑺得出雨水花園與下沉式綠地碳匯核算結(jié)果如表9所示。

表9 運(yùn)行維護(hù)階段碳匯Tab.9 Carbon Sinks during Operations and Maintenances

3 結(jié)果分析與討論

3.1 主要低影響開發(fā)措施全生命周期碳排放分析

3.1.1 整體分析

根據(jù)上述核算結(jié)果，可以得到這6 個(gè)項(xiàng)目全生命周期碳排放，對(duì)各項(xiàng)目各階段的碳排放量進(jìn)行相加，如圖2所示。

圖2 低影響開發(fā)措施全生命周期總碳排放量Fig.2 Total Life-cycle Carbon Emissions of Typical Measures

可以得出在30 年生命周期內(nèi)汕頭市這6 個(gè)項(xiàng)目中各低影響開發(fā)措施全生命周期碳排放量達(dá)2 225 t CO2eq，整體趨勢為材料生產(chǎn)和材料運(yùn)輸階段碳排放比例最大，分別為50.80%和43.70%，即整體而言，全生命周期中碳排放主要集中在建設(shè)階段。

3.1.2 單項(xiàng)分析

分析6個(gè)項(xiàng)目中單項(xiàng)低影響開發(fā)措施全生命周期各階段的碳排放量，由圖3可知，建設(shè)階段的碳排放量以透水鋪裝為主，占93%；而在運(yùn)行維護(hù)階段則全部來源于下沉式綠地和雨水花園，其中以下沉式綠地為主，占82%；對(duì)于拆除階段，由于拆除階段的碳排放量是建設(shè)階段施工碳排放量的80%，故碳排放量的趨勢跟建設(shè)階段類似。

圖3 低影響開發(fā)措施全生命周期各階段碳排放量占比Fig.3 Percentage of Carbon Emissions by Stage of the Full Life Cycle of Low Impact Development Measures

因此從碳減排的角度來講，建設(shè)階段應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注透水鋪裝的碳排放量，由圖4 可知建設(shè)階段的碳排放量主要集中在材料生產(chǎn)和材料運(yùn)輸階段，故因從材料生產(chǎn)和材料運(yùn)輸兩個(gè)角度著手來減少碳排放量。

圖4 6個(gè)項(xiàng)目透水鋪裝單位面積碳排放量Fig.4 Carbon Emissions Per Unit Area of Permeable Paving for Six Projects

根據(jù)《汕頭市海綿城市建設(shè)專項(xiàng)規(guī)劃（2017-2030年）》，綜合型LID 設(shè)施道路年徑流總量控制率50%，本研究中6個(gè)項(xiàng)目透水鋪裝措施其徑流量控制率均在65%及以上，其中C和F更是達(dá)到了80%，由圖4可知，透水鋪裝單位面積碳排放量E＜D＜F＜A＜C＜B，所以在透水鋪裝建設(shè)時(shí)，應(yīng)參考E 的選材（見表2），這樣的選材可為汕頭市6個(gè)項(xiàng)目的透水鋪裝建設(shè)減少高達(dá)930 t的碳排放量。若想使徑流量控制率達(dá)到80%，則可參考F 桃園小區(qū)的選材（見表2），這樣選材可比徑流量控制率同為80%的C 的透水鋪裝單位面積碳排放量減少43 kg。

運(yùn)行維護(hù)的碳排放量較少，但在有條件的基礎(chǔ)上進(jìn)行碳減排，以盡可能地減少碳的排放。

3.2 海綿城市低影響開發(fā)措施碳匯分析

30年生命周期內(nèi)，如圖4所示，C、D、E、F這4個(gè)項(xiàng)目中的雨水花園通過植物固碳可產(chǎn)生1 592 t碳匯，A、E、F這3個(gè)項(xiàng)目中的下沉式綠地可產(chǎn)生72.9 t碳匯，完全可以抵消30 年全生命周期內(nèi)雨水花園和下沉式綠地的碳排放量（見圖5），并且可以產(chǎn)生1 412 t 的凈碳匯，相當(dāng)于可以抵消這6 個(gè)項(xiàng)目全生命周期約63%的碳排，而這兩種綠色措施的面積僅約占全部低影響開發(fā)措施面積的20%左右，即綠色措施規(guī)劃面積按雨水花園和下沉式綠地的比例增加6%，便可抵消所有項(xiàng)目的全生命周期碳排放量，這說明其碳匯效益是相當(dāng)可觀的，在海綿措施建設(shè)規(guī)劃時(shí)，在徑流量控制達(dá)標(biāo)的前提下，應(yīng)該合理規(guī)劃綠色措施和灰色措施的比例，從而使海綿措施的碳排放量達(dá)到中和并且產(chǎn)生更多的碳匯。

圖5 下沉式綠地與雨水花園產(chǎn)生的碳匯Fig.5 Carbon Sinks from Sunken Green Spaces and Rain Gardens

4 展望

低碳建設(shè)是海綿措施建設(shè)的重要內(nèi)容，在海綿措施規(guī)劃建設(shè)時(shí)，不僅要使其徑流量控制率達(dá)標(biāo)，更應(yīng)該全面系統(tǒng)的分析其碳排放量，選擇全生命周期碳排放量較小的措施，合理規(guī)劃綠色措施和灰色措施的比例，從而使海綿措施的碳排放量盡可能早地達(dá)到中和并且產(chǎn)生更多的碳匯效益。