城市碳排放清單評估研究及案例分析

城市碳排放清單評估研究及案例分析

引言城市是全球溫室氣體排放的主要貢獻者，地球上超過50％的人口居住在城市[1]，雖然城市地區(qū)面積僅占地球陸地總表面積的2.4％左右[2]，其對人為溫室氣體排放貢獻卻高達67％～80％[3-5]。因此，在全球城市化進程持續(xù)加快的背景下，開展城市碳排放清單研究，探索低碳城市發(fā)展路徑，不僅符合全球“低碳化”的發(fā)展趨勢，也是落實國家提出的溫室氣體減排目標的必然要求。當前，許多發(fā)達國家城市開展了溫室氣體核查和減排活動，如倫敦、紐約、多倫多、巴塞羅那等[6～9]。研究學者從時間序列、生命周期、影響因素以及污染物協(xié)同賬戶等角度出發(fā)，分析城市溫室氣體排放情況。我國溫室氣體排放量估算始于20世紀90年代初，國家科學技術(shù)部和原國家環(huán)保總局等部門牽頭完成國家層面的多項氣候變化方面研究。在城市尺度上的研究較少，且多采用國外排放因子和系數(shù)，屬于簡單的應(yīng)用型研究[10]。楊謹[11]以重慶市為例，考慮主要能源活動、工業(yè)、廢棄物處置、農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)、濕地過程和林業(yè)碳匯，核算排放總量和強度，剖析重慶溫室氣體排放結(jié)構(gòu)和現(xiàn)狀。葉有華等[12]研究高度城市化地區(qū)的碳匯資源特征，從碳匯資源保護、建設(shè)和品質(zhì)提升、服務(wù)交易等角度提出城市碳匯資源的主要策略。王昕[13]等根據(jù)IPCC國家溫室氣體指南，對上海能源消耗產(chǎn)生的溫室氣體排放進行研究，并提出相應(yīng)的減排措施。2008年，北京市對固定燃燒源、土地利用變化、森林碳匯等更多排放源進行了大量數(shù)據(jù)采樣、排放因子分析工作，獲取了更加精細的城市排放清單[14]。在低碳生態(tài)城市建設(shè)方面，國家住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部與世界自然基金會已聯(lián)合推出“低碳城市”模式，并以上海和保定兩市為試點。隨后，北京、江蘇、浙江、廣東、山東、四川等多個省市也紛紛提出低碳城市建設(shè)規(guī)劃?？梢?，目前許多城市已展開城市尺度的溫室氣體排放評估工作，集中于二氧化碳排放的基線分析、未來情景比較、減量方法和范疇確定等方面[15]。相比而言，我國城市規(guī)劃與設(shè)計領(lǐng)域的碳排放核算和評估工作尚處于起步階段[16～17]，針對中觀尺度規(guī)劃設(shè)計的碳排放評估問題，無論是基礎(chǔ)研究還是應(yīng)用研究的成果都十分有限。因此，本研究從定量的角度入手，在國家發(fā)改委2011年5月發(fā)布的《省級溫室氣體清單編制指南》所提供的核算方法基礎(chǔ)上，編制了深圳市的碳排放清單，以掌握碳排放現(xiàn)狀、排放源及結(jié)構(gòu)，探討城市碳排放量空間分布情況的可視化模擬表達，從而推動低碳城市規(guī)劃與設(shè)計方法的創(chuàng)新。1.研究方法及數(shù)據(jù)來源1.1案例區(qū)介紹基于快速城市化背景，以及人口與經(jīng)濟高速發(fā)展的顯著特征，研究選取高度城市化區(qū)域——廣東省深圳市作為研究對象。深圳市東臨大亞灣與惠州市相連，西至珠江口伶仃洋與中山市、珠海市相望，南至深圳河與香港毗鄰，北與東莞市、惠州市接壤。全市陸域總面積1958.24k，海域面積1145k，陸域范圍為東經(jīng)113°46′～114°37′、北緯22°27′～22°52′，海域范圍為東經(jīng)113°39′～114°38′、北緯22°09′～22°51′。年均氣溫22.3℃，年均降水量1924.7mm，年均日照時數(shù)2060h，年均太陽輻射量5225MJ／。氣候類型屬于亞熱帶海洋性季風氣候，主要植被類型為亞熱帶常綠闊葉林。1.2深圳市碳排放核算清單在國家發(fā)改委2011年5月發(fā)布的《省級溫室氣體清單編制指南》提供的核算方法基礎(chǔ)上，分析深圳市2011年的溫室氣體排放結(jié)構(gòu)及特征。其碳排放清單包括能源排放、工業(yè)活動、農(nóng)牧業(yè)、土地利用變化與林業(yè)以及廢棄物處理五大方面。其中，在能源活動中，又包括能源加工轉(zhuǎn)換、工業(yè)、交通運輸、建筑和居民生活五個層面；而在工業(yè)活動中，本研究主要關(guān)注水泥生產(chǎn)、石灰石生產(chǎn)、鋼材生產(chǎn)和電石生產(chǎn)四大工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)過程；在農(nóng)牧業(yè)方面，側(cè)重點為稻田和農(nóng)用地；土地利用變化與林業(yè)只針對于森林和其他木質(zhì)生物質(zhì)碳儲量；最后，在廢棄物處置方面，包括固體廢棄物和廢水兩個子方面(圖1)。圖1深圳市城市碳排放清單框架1.3深圳市碳排放核算方法能源活動的計算主要借鑒省級能源活動化石燃料燃燒溫室氣體清單方法學(即IPCC方法1)。深圳市的能源活動主要是化石燃料燃燒活動，分部門的排放源可分為：農(nóng)業(yè)部門、工業(yè)和建筑部門、交通運輸部門、服務(wù)部門(第三產(chǎn)業(yè)中扣除交通運輸部分)、居民生活部門。其中工業(yè)部門可進一步細分為鋼鐵、有色金屬、化工、建材和其他行業(yè)等，交通運輸部門可進一步細分為民航、公路、鐵路、航運等。工業(yè)過程中非化石能源燃料燃燒引起的排放，主要來自于水泥、鋼鐵生產(chǎn)過程的化學反應(yīng)，其中水泥的生產(chǎn)過程碳排放量最大，因此本研究主要考慮水泥生產(chǎn)過程碳酸鈣的分解產(chǎn)生的溫室氣體，此處溫室氣體種類主要考慮的排放。農(nóng)業(yè)活動中溫室氣體來源主要包括反芻動物消化道、動物糞便管理過程和稻田的排放，以及農(nóng)田及動物糞便施用過程中的的排放。本研究主要考慮反芻動物消化道、水稻田的排放。固體廢棄物處置過程中的排放主要考慮兩個方面：城市生活固體廢棄物處置、城市工業(yè)生產(chǎn)廢水。其中工業(yè)廢水的核算方法根據(jù)《2006年IPCC指南》推薦的方法1；由于國內(nèi)主要以填埋作為廢棄物處理方式，城市生活固體廢棄物排放的估算主要計算的是廢棄物填埋過程中的排放，采用IPCC推薦的基于一階衰減的方法。為了統(tǒng)一計算結(jié)果，將農(nóng)業(yè)活動和固體廢棄物處置產(chǎn)生的轉(zhuǎn)化為排放。林業(yè)溫室氣體碳匯主要包括在林地土地利用類型不變的前提下，生物量增長引起的碳匯增加。1.4數(shù)據(jù)來源能源加工與轉(zhuǎn)換中的油氣開采加工、公共電力與熱力、煉焦煤制氣等數(shù)據(jù)均來自《深圳市統(tǒng)計年鑒2011》。工業(yè)中鋼鐵、有色金屬、化工、建材及其他數(shù)據(jù)均來自《深圳市統(tǒng)計年鑒2011》。交通運輸碳排放量中公交出行耗能按照《深圳市統(tǒng)計年鑒2011》中公交車車輛數(shù)，計算出公交車年行駛里程，再根據(jù)每百公里耗油量折算出總能耗，最終計算出相應(yīng)能耗的排碳量，出租車、軌道交通、私家車的排碳量也采用相同的計算方法。建筑碳排放量中建筑施工階段房屋施工面積來自《深圳市統(tǒng)計年鑒2011》，建筑使用階段電力、天然氣、液化石油氣數(shù)據(jù)來自《中國城市統(tǒng)計年鑒2011》。居民生活用能中電力、天然氣、液化石油氣和煤炭數(shù)據(jù)來自于《深圳市統(tǒng)計年鑒2011》。關(guān)于研究中碳排放清單的各排放因子數(shù)據(jù)，一次能源的排放缺省因子采用IPCC(1996)的賦值。本研究中，對電力估計采用實際能源消耗原則，該原則考慮能源的實際使用，即電力和熱力能源最終消費是基于生產(chǎn)地區(qū)的能源投入來估計。假設(shè)火電的一次能源消耗全是煤炭，那么排放量是供電標準煤耗校正因素366g標準煤/千瓦時計算的?？稍偕茉吹呐欧乓蜃釉O(shè)為零。通過換算，原油的碳排放因子為2.973t/t，汽油的碳排放因子為2.907t／t，柴油的碳排放因子為3.097t/t；燃料油的碳排放因子為3.157t/t；天然氣的碳排放因子為21.14t/萬；液化石油氣3.091t/t；原煤的碳排放因子為1.825t／t；電力的碳排放因子為7.14t/萬kwh；煤油的碳排放因子為3.15t/t。水泥生產(chǎn)過程中排放采用《1996年IPCC清單指南》推薦的排放因子為0.538t/t。各種圈養(yǎng)牲畜消化道發(fā)酵的排放因子，采用IPCC06指南的缺省排放因子；水稻田的排放因子參照研究地的土壤類型、水稻品種、氣候等特點，采用IPCC06指南的缺省排放因子。廢水處理采用IPCC06指南推薦的方法1，缺省最大產(chǎn)生因子取值0.25kg／kgCOD；固體廢棄物參照IPCC06指南的亞洲和中國缺省因子。根據(jù)深圳市森林資源清查資料，獲得深圳市內(nèi)喬木林按優(yōu)勢樹種(或樹種組)劃分的面積和活立木蓄積量；疏林、散生木、四旁樹蓄積量，灌木林、經(jīng)濟林和竹林面積等，其碳匯系數(shù)分別為，林地6.446t/(h×a)，耕地5.01t/(h×a)；草地3.37t/(h×a)；濕地2.16t／(h×a)。2.碳排放清單研究結(jié)果2.1碳排放現(xiàn)狀分析根據(jù)以上清單編制計量方法和排放因子值，計算結(jié)果為表2。(1)能源加工轉(zhuǎn)換的碳排放能源加工轉(zhuǎn)換中包括油氣開采加工、公共電力與熱力和煉焦、煤制氣三項，經(jīng)過計算碳排放量為6362820t，其中公共電力與熱力一項的比例占80％以上?？梢?，深圳市的能源結(jié)構(gòu)中，傳統(tǒng)能耗較高，屬于高耗能、高排放的模式。(2)工業(yè)碳排放將工業(yè)分為鋼鐵、有色、化工、建材、建筑等，由于分部門的能源活動數(shù)據(jù)難以獲得，通過《深圳市統(tǒng)計年鑒》中整個工業(yè)的能源活動數(shù)據(jù)計算工業(yè)行業(yè)消耗能源的碳排放，計算得到工業(yè)的總碳排放量52476295t，占整個城市碳排放的46％。(3)交通碳排放計算結(jié)果表明，交通的總碳排放量為9816217t。交通碳排放的構(gòu)成中，私家車的碳排放占比最高，7434614t，占交通碳排放量的比例高達到86％；其次是出租車的碳排放量，為1009586t，約占11％；公交車和軌道交通的碳排放為155186t，僅占2％左右?？梢姽步煌ǔ鲂蟹绞饺杂泻艽蟮陌l(fā)展空間，應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)榫G色交通模式。據(jù)悉，深圳市正加強公共交通領(lǐng)域新能源、新技術(shù)的推廣應(yīng)用，2013年該市能源公交車將達4000輛，占全市公共交通車輛比例近三分之一。(4)居民生活碳排放居民生活用能主要消耗電力、天然氣和液化石油氣，居民生活的總碳排放量為6986963t。從結(jié)構(gòu)來看，電力消耗是主要的碳排放來源，占總量的80％，而天然氣和液化石油氣兩項共占20％。(5)建筑碳排放建筑主要考慮公共建筑中的辦公建筑和民用建筑，包括建筑施工和建筑使用兩個階段的碳排放。其中辦公建筑的碳排放量為13935831t，占56.5％，民用建筑的碳排放量為10571169t，占42.9％；相比之下，囿于數(shù)據(jù)所限，計算得到的建筑施工碳排放僅為116023t。綜合以上，由于高度城市化，深圳市的農(nóng)業(yè)、土地利用等碳排放量比較少，碳排放清單研究主要針對能源活動的化石燃料燃燒活動開展(圖2)。結(jié)果顯示，深圳市總碳排放量為113304000t，其結(jié)構(gòu)比例為：能源加工轉(zhuǎn)換包括油氣開采加工、公共電力與熱力和煉焦、煤制氣三項其碳排放量為6362820t，占總碳排放量的6％；工業(yè)分為鋼鐵、有色、化工、建材、建筑等，碳排放為52476295t，占總碳排放量的46％；建筑主要考慮公共建筑中的辦公建筑和民用建筑，包括建筑施工和建筑使用兩個階段的碳排放，建筑碳排放量為24623024t，占22％，建筑能耗還具有一定的節(jié)能空間；交通運輸主要考慮公交車、出租車、軌道交通和私家車的碳排放，排放量8599396t，占8％；居民生活的碳排放量，比例為6％。此外，其他的能源消耗所造成的碳排放占總比例的12％。以上結(jié)果與深圳市的經(jīng)濟結(jié)構(gòu)、城市化進程特征相符。圖2深圳市碳排放源構(gòu)成百分比(2010年)2.2碳排放空間布局顯示結(jié)果研究運用GIS集成相關(guān)技術(shù)，將碳排放因子數(shù)值進行多重疊合，對研究區(qū)域的面積碳排放量的分布情況進行空間可視化表達。(1)碳排放分布情況研究結(jié)果顯示(圖3)，高碳排放區(qū)域主要集中于深圳市西南部的沿海地區(qū)，以及內(nèi)陸的平原地區(qū)，如福田區(qū)、羅湖區(qū)，以及南山區(qū)的沿海地帶。這與深圳市的用地發(fā)展方式相符，該片區(qū)域的人口和建筑密度較大，經(jīng)濟和工業(yè)活動較多：福田區(qū)是深圳市委、市政府所在地，是深圳市行政、文化、信息、國際展覽和商務(wù)中心；羅湖區(qū)是深圳市開發(fā)較早的商業(yè)中心區(qū)，也是深圳市的中心城區(qū)之一；南山區(qū)是深圳市高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)基地，沿岸地區(qū)開發(fā)強度較大。中低碳排放區(qū)域主要集中于內(nèi)陸地區(qū)的山地、草地、林地、湖泊以及城市內(nèi)部的公園水域等綠化率較高的地帶，如寶安區(qū)的山地部分、龍崗區(qū)的沿岸林地、鹽田區(qū)的林地等?？梢?，碳排放量與經(jīng)濟發(fā)展水平和工業(yè)發(fā)展活動密切相關(guān)，城市內(nèi)部的綠地和湖泊有利于降低碳排放量。圖3深圳市碳排放分布圖(2)碳匯分布情況研究區(qū)土地利用覆蓋分類數(shù)據(jù)來源于中科院資源環(huán)境科學數(shù)據(jù)中心，利用ENVI對深圳地區(qū)TM多光譜波段數(shù)據(jù)進行解譯，選擇研究區(qū)對應(yīng)的樣本點，結(jié)合實地調(diào)查、土地利用等資料，解譯得到深圳土地利用覆蓋數(shù)據(jù)，最后進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換得到ArcGIS能夠識別的數(shù)據(jù)類型。通過碳匯計算模型，運算結(jié)果表明深圳市的林地碳匯吸收能力為200.47萬t，耕地為4.49萬t，草地為2.11萬t，濕地為12.5萬t。由碳匯分布圖(圖4)可以看出，深圳市各地區(qū)碳匯水平差異較大，碳匯水平的高低受當?shù)氐乩憝h(huán)境、植被分布、地形的影響，并與經(jīng)濟發(fā)展水平和工業(yè)活動相關(guān)。與碳排放分布圖相對應(yīng)，深圳市高碳匯區(qū)域主要位于林地、草地、湖泊分布區(qū)，如龍崗區(qū)的沿岸林地、寶安區(qū)中部山地等，這些地區(qū)植被豐富、碳吸收量較大，碳匯相對較高。相比之下，林地、草地資源匱乏，經(jīng)濟開發(fā)強度較大的區(qū)域，如南山區(qū)沿岸地帶、福田區(qū)北部、羅湖區(qū)西部，以及鹽田區(qū)中部沿岸地區(qū)，碳匯水平較低?？梢?，地區(qū)碳匯水平與當?shù)刂脖缓徒?jīng)濟開發(fā)水平密切相關(guān)：植被越多，碳匯水平相對越高；經(jīng)濟開發(fā)強度越大，碳匯水平相對越低。圖4深圳市碳匯分布圖(3)地均碳排放密度分布根據(jù)碳排放與碳匯的數(shù)據(jù)結(jié)果，對GIS數(shù)據(jù)進行空間屬性賦值，通過對深圳市土地利用覆蓋數(shù)據(jù)均勻添加一定量的離散點，在滿足數(shù)據(jù)精度要求的前提下對已賦值的離散點進行空間插值，插值采用IDW(反距離權(quán)插值)方法，利用GIS空間疊加分析方法，將已生成的深圳市碳排放與碳匯分布圖疊加，得到深圳市地均碳排放密度分布(圖5)。整體而言，深圳市地均碳排放密度處于中等水平，區(qū)域整體低碳效果較好。碳排放密度較大的地區(qū)主要集中于沿海經(jīng)濟開發(fā)強度大、人口和建筑密度較大的區(qū)域，南山區(qū)沿岸地帶、福田區(qū)