南方低山丘陵區(qū)高速公路路基工程全壽命碳排放來源分析及減排要點

摘要：為了分析南方低山丘陵地區(qū)軟基、邊坡防護、排水工程量大導致的碳排放量特點，本文采用生命周期碳排放計算方法，采集預算工程量和施工方法，選用肇明高速公路SJ02施工段，從路基工程內容、材料以及機械三方面計算了碳排放的數量、占比及主要來源。發(fā)現了碳排放最大來源作業(yè)是預應力錨索鉆孔，材料碳排放最大來源是水泥，機械碳排放主要來自空壓機，運輸工具碳排放主要來自卸汽車。因此，建議在南方低山丘陵區(qū)進行路基工程時要注意做好邊坡防護、水泥、空壓機以及自卸汽車的碳核算以及減排工作。關鍵詞：交通碳排放；施工建設碳排放；生命周期理論評價；帕累托分析0引言伴隨著經濟的快速增長，交通運輸行業(yè)已經成為我國溫室氣體增長排放最大的產業(yè)之一。公路建設作為交通運輸行業(yè)的重點，從公路建設所需材料（瀝青、水泥等）的生產，材料的運輸，施工建設，運營維護以及拆除回收都會造成大量溫室氣體排放。但是，過去人們過多關注公路施工建設階段而忽略了公路生命周期中其余階段的溫室氣體排放，忽視了公路施工期間溫室氣體排放的時間或空間的轉移問題，未能有效地減少碳排放。因此，生命周期理論在公路碳排放領域的應用越來越多。以生命周期理論為依據，立足于公路生命周期的整個環(huán)節(jié)，在確保效率和質量的前提下，提出了低碳公路的實現途徑；則通過生命周期理論評估了水泥穩(wěn)定料、石灰穩(wěn)定料以及一些工業(yè)固體廢料作為路面基層材料帶來的環(huán)境影響，并和水泥混凝土進行對比，發(fā)現工業(yè)固體廢料消耗資源少，碳排放小，是理想的綠色生態(tài)公路建材；運用生命周期評價法計算出我國公路建設和維護階段的CO2

排放量，通過多元線性回歸模型，結合數據質量評價和敏感性分析，揭示了影響公路CO2

排放量的顯著性因素；對連續(xù)鋼筋混凝土路面和瀝青路面的壽命周期清單進行了簡要評估，評估了每一種路面類型在巷道施工中所消耗的能量；發(fā)現在相同設計路面的初始施工階段，瀝青對能源和肥料的需求更大，對礦石需求更少，產生的碳排放更少，但與鋼筋混凝土相比，它會產生更多危險廢物，對管理水平要求更高。路基工程作為公路施工期間的重要組成部分，在生命周期也會造成大量的溫室氣體排放，可是有關路基工程碳排放的研究并不是很多，因此本文采用生命周期碳排放計算方法，收集肇明高速SJ02分段，計算出肇明高速SJ02各分項工程的作業(yè)、材料、機械設備以及運輸工具，在路基施工過程中材料生產、材料運輸以及施工階段所產生的碳排放量，并分析識別作業(yè)、材料、機械設備以及運輸工具的排放熱點，針對對應的排放熱點提出相應的措施，為南方低山丘陵區(qū)的施工提供合理化的建議。1生命周期碳排放計算方法1.1生命周期理論的內涵生命周期評價（LifeCycleAssessment，LCA）起源于1999年美國西部研究所分析可口可樂包裝對環(huán)境的影響。根據《環(huán)境管理生命周期評價原則與框架》（GBT24044—2008）的定義：LCA是分析評價工藝或產品從獲取原材料、生產、使用生命末期的處理、循環(huán)和最終處置的生命周期的環(huán)境因素和潛在的環(huán)境影響，可為各種建筑材料以及機械設備的使用提供準備有效的環(huán)境影響評估結果。該方法立足于工藝或產品整個系統(tǒng)的各個階段，通過量化完整的生命周期內能量的轉移、資源的消耗以及對環(huán)境的排放情況，從而更為有效地識別出該工藝或產品對于外部環(huán)境的影響情況，避免對外部環(huán)境的影響是過程之間的轉移。1.2路基工程施工期的階段劃分基于生命周期理論，公路建設可以大致分為材料生產、材料運輸、道路施工階段、運營階段、維護階段以及拆除和回收這六個階段。類似地，將路基工程分為六階段：路基工程的材料生產、材料的運輸、路基工程的施工建設階段、運營階段、維護階段以及拆除和回收階段，由于路基工程施工期產生的溫室氣體主要來自材料生產、材料運輸以及施工建設階段，運營、維護階段以及拆除和回收階段的排放相對較少，隨著科技技術的不斷升級，對資源和能源的利用效率以及使用形式會發(fā)生一定程度上的改變，而路基運營和維護階段的時間跨度大且過程復雜，路基的拆除和回收則案例較少，數據不夠充足且可靠性較低。因此本文研究的重點是路基施工期的材料生產、材料運輸以及施工建設階段。1.3路基工程施工期碳排放的邊界確定對路基工程的碳排放核算需要依靠碳排放邊界的確定。路基工程施工期的碳排放主要來源于施工期材料、運輸車輛以及機械設備所造成的碳排放，由于本文是對材料生產、材料運輸以及施工建設階段的碳排放的量化，因此本文將計算邊界的劃分定為：材料生產、材料運輸以及施工建設。對于材料而言，主要是指從原材料的提取、生產、加工、工廠運輸至施工場所及材料的物化等過程，對于舊路改造的公路還包括材料的回收以及再利用的過程，肇明高速SJ02分段為新建公路，因此考慮材料的碳排放邊界時定義為前者。對于運輸工具以及機械設備則根據使用類型與場地的不同大致分為以下三類：場外拌和、材料運輸以及施工現場的排放。場外拌和的排放主要由拌和廠的機械設備運轉時產生；材料運輸碳排放則包括運輸工具將材料運輸到拌和廠、從拌和廠運輸到施工場地以及直接將材料運輸到施工場地產生的排放；施工現場的排放主要來自施工設備運作時產生的排放以及現場內部材料運輸產生的排放。運輸工具以及機械設備的碳排放則是由汽油、柴油、重油、電力等能源消耗所導致，從生命周期的角度來分析能源的排放，不僅包括傳統(tǒng)意義上能源的消耗所導致的碳排放，還包括能源在開采、生產加工等制作過程所產生的碳排放。1.4路基施工期的碳排放清單分析路基施工期的碳排放清單分析則是對施工期各單元碳排放的量化過程。路基施工期的碳排放清單分為兩類：輸入數據和產出數據。輸入數據指資源的使用量以及能源的消耗量，也可以理解成各單元材料的消耗以及機械設備的工程量的大小，可以通過查閱相應的施工數據來獲取，本文輸入數據來自肇明高速SJ02分段的工程量數據；產出數據則對應相關單元所造成的碳排放，重點關注所消耗材料以及使用機械設備所消耗的能源所對應的碳排放因子，可以通過典型權威數據庫和文獻獲取排放因子，或通過自主研究排放邊界和特征獲取排放因子。本次研究參考的國際典型數據庫包括英國碳排放與能源數據清單、美國NREL生命周期清單數據庫、英國公共可獲取規(guī)范和歐洲生命周期基礎數據庫ELCD等，國內典型數據庫包括中國生命周期基礎數據庫CLCD、中國建筑碳排放通用計算方法導則、中國碳核算數據庫、中國產品全生命周期溫室氣體排放系數集等。1.5路基工程施工期碳排放模型1.5.1路基施工期碳排放量計量結構化公路建設階段碳排放量和公路建設工程計價相似，一方面都有單價性特點，另一方面材料和機械是工程計價與碳排放量的共同主要來源。因此為了克服計算碳排放量時面臨的單價計價難、準確性低的問題，可以引入工程計價中分單位、分部、分項工程劃分標準，實現公路建設階段碳排放量計量結構化。類似地，為了避免作為單位工程的路基工程在計算建設期碳排放量時所面臨的單價計價難、準確性低、計算難度大等問題，本文引入作業(yè)作為路基工程的基本單元，作業(yè)即按照分項工程的劃分原則，進一步按照分項工程的各個施工環(huán)節(jié)、施工環(huán)境、設備使用型號等劃分的最小材料和機械設備的計量單位。從而將路基工程按照分部工程、分項工程、作業(yè)劃分標準進行劃分，結果如圖1所示。圖1路基工程碳排放量計量結構化圖Fig.1Structuralchartofcarbonemissionmeasurementofsubgradeengineering1.5.2路基施工期碳排放模型采用排放系數法對路基施工期作業(yè)的碳排放進行計算，即通過路基工程下各作業(yè)的碳排放清單，并乘以相對對應的材料，運輸車輛、機械設備的碳排放因子，累計求和即可得到對應工藝的碳排放。若想要進一步量化各分項、分部以及路基工程的工程量，通過對其相包含的作業(yè)進行相應的累加計算便可得到對應的碳排放量。路基施工期間作業(yè)的碳排放計算模型如下：式中，Gl

為該作業(yè)的第l種材料碳排放量，kgCO2

；Gt

為該作業(yè)的第t類運輸車輛的碳排放量，kgCO2

；Gm

為該作業(yè)的第m類機械設備碳排放量，kgCO2。材料的碳排放計算模型如下：式中，gl為該作業(yè)的第l種材料質量轉換后的消耗量，kg；El為該作業(yè)的第l種材料質量轉換后的碳排放因子，kgCO2/kg。運輸車輛的碳排放計算模型如下：式中，St為該作業(yè)的第t類運輸車輛的運距，m；gti

為該作業(yè)的第t類運輸車輛的單位運距所消耗i類能源的消耗量，kg/m或kW·h/m，（i=1時為汽油，i=2時為柴油，i=3時為重油，i=4時為煤油，i=5時為電能）；Eti為該工序第t類運輸車輛消耗的第i類能源的碳排放因子，kgCO2/kg或kgCO2/kW·h。機械設備的碳排放計算模型如下：式中，Hm

為該作業(yè)的第m類機械設備的工作時長，臺班（日）；gmi

為該作業(yè)的第m類機械設備單位工作時長所消耗i類能源的消耗量，kg/臺班（日）或kW·h/臺班（日）；Emi

為該作業(yè)的第m類機械設備所消耗的第i類能源的碳排放因子，kgCO2/kg或kgCO2/kW·h。根據上述計算模型可以分別求出不同作業(yè)材料、運輸工具以及機械設備的碳排放量，并按照劃分標準便可求出分項工程、分部工程以及路基工程的材料、運輸工具、機械設備的碳排放總量。2肇明高速SJ02工程概況SJ02（K25+880~K45+380K51+600~K65+105），施工圖路線長度為33.005km，路基長度為16468.1m；特大橋長2465.2m，共1座，大橋6696.1m，共15座，中橋454.6m，共七座，小橋15m，共一座，橋梁總長為9630.9m；長隧道共三座，總長為6906m，橋隧比為50.11%。主線全線采用六車道高速公路作為設計標準，其中K25+880~K58+228段設計速度為100km/h，K58+228~K65+105設計速度為120km/h，全線路基寬度為34m，一般填方路基路基邊坡為1∶1.5，一般挖方路基一般土質（類土質）邊坡坡率為1∶1~1∶1.5，石質邊坡坡率為1∶0.75~1∶1.25。水泥與鋼筋多來源于護坡工程的錨桿護坡以及錨索護坡工程，排水工程則來自于類似邊溝、排水溝、急流槽等排水設施的建造。邊坡防護工程大多來自K25+880~K26+070、ZK31+854.8~ZK32+014.8、ZK31+854.8~ZK32+014.8、K37+346~K37+565.9、K50+153.0~K50+450.0、K59+797~K60+090以及K62+240~K62+482.2處第一級邊坡加固處的錨桿工程以及第二級邊坡加固處的預應力錨索工程，其中K25+880~K26+070的平面如圖2所示，坡立面如圖3所示。圖2K25+880~K26+070的平面圖Fig.2TheplanofthesubgradefromK25+880toK26+070圖3K25+880~K26+070的坡立面圖Fig.3TheslopeelevationviewplanofthesubgradefromK25+880toK26+0703計算結果及規(guī)律分析3.1帕累托法則帕累托法則的核心思想是在決定一個事物的眾多因素中分清主次，識別出少數對事物起決定作用的關鍵因素和多數對事物影響較少的次要因素。羅馬尼亞管理學家約瑟夫朱蘭采納了該核心思想，并提出在任何情況下，事物的主要結果只取決于一小部分因素。這個思想經常應用到不同領域，也被證實在絕大多數情況下是正確的。在1993年，通過帕累托分析乳制品加工制作過程中所產生的工藝缺陷，為其提供相應的解決措施。則在2006年，依據帕累托法則分析并提出了由“關鍵的少數”構成的影響是實施全面質量管理的關鍵因素。在鑄造行業(yè)，2007對造成鋼鐵鑄造缺陷的原因進行分析，指出了最主要的原因，并在帕累托分析之后，建議該鋼鐵鑄造企業(yè)集中資源優(yōu)先解決最重要的問題，極大地提高了該企業(yè)的生產效率。國內學者發(fā)現雖然公路施工期涉及的材料、機械種類繁多，從生命周期評價角度來看，公路建設階段路基工程碳排放的來源符合“帕累托法則”，即少量類型的材料或機械設備貢獻主要的碳排放量。3.2計算結果肇明高速SJ02分段路基工程施工期，每公里的碳排放量為3002tCO2/km，每單位面積碳排放量為2636tCO2/km2，每公里單位車道的碳排放量為500tCO2/km，總共排放105111tCO2。材料排放66377tCO2，占總排放的63.15%；機械設備排放25096tCO2，占總排放的23.88%；運輸車輛排放13638tCO2，占總排放的12.97%。從圖4中可以看出，此次工程材料對外部環(huán)境造成的碳排放是最多的，是路基工程碳排放最主要的來源。圖4材料、機械設備、運輸車輛碳排放占比圖Fig.4Carbonemissionratioofmaterials，machineryandequipmentandtransportvehicles由于涉及作業(yè)繁多，本研究只截取了前10%的作業(yè)。如圖5所示，成孔φ150mm、孔深30m以內軟石的鉆孔作業(yè)所產生的碳排放量最多為115718tCO2，占比24.09%，之后依次是作業(yè)成孔φ150mm、孔深20m以內軟石的鉆孔作業(yè)，碳排放量為95923tCO2，成孔φ150mm、孔深30m以內土層的鉆孔作業(yè)，碳排放量為33379tCO2。由于這三道作業(yè)都屬于護坡工程中的預應力錨索護坡，所以護坡工程的碳排放量也十分巨大。碳排放累計占比的拐點出現在第二道作業(yè)上，其數學意義在于拐點前變化量大，數值增長快，拐點后的數值變化量小，數值增長慢。其工程含義為拐點前作業(yè)碳排放量變化量大，對總體碳排放的影響也是最大，拐點后的變化量小，對總體碳排放影響較小。因此，我們可以認為前兩道作業(yè)的碳排放量的變化對于總體的排放影響最為關鍵，前兩道作業(yè)是減少碳排放的突破口。在路基施工期間共運用了124道作業(yè)，前26道作業(yè)產生的碳排放量占據了碳排放總量的80%，施工作業(yè)的碳排放量滿足“二八定律”。圖5作業(yè)碳排放量帕累托圖Fig.5Paretodiagramofprocesscarbonemission根據圖6，在所有材料中水泥的碳排放貢獻量為22322tCO2，占總排放的33.63%；其次是預制構件，碳排放量為13565tCO2，占總排放的20.44%；鐵絲碳排放量為13007tCO2，占總排放的19.60%。材料的拐點出現在鋼筋的位置，因此減少碳排放的關鍵在于減少水泥、預制構件、鐵絲以及鋼筋的碳排放。總共有18種材料，其中前4種碳排放量占總材料碳排放的80%，因此肇明高速SJ02分段路基工程消耗材料所產生的碳排放滿足“二八定律”。圖6材料碳排放帕累托圖Fig.6Paretodiagramofmaterialcarbonemission本研究選取了機械設備部分種類來做分析。由圖7可知，在肇明高速公路SJ02分段中路基工程的機械設備的碳排放主要來源于空壓機、壓路機、挖掘機以及裝載機的使用，其中空壓機的碳排放量為7560tCO2，占比30.13%；壓路機的碳排放量為5280tCO2，占比為21.04%；挖掘機碳排放量為4609tCO2，占比為18.37%。機械設備的拐點出現在推土機處，因此我們在關注機械設備的碳排放時，要重點關注空壓機、壓路機、挖掘機以及裝載機的排放。共有21種機械設備，其中有4種碳排放量占據整個機械設備碳排放量的80%，滿足“二八定律”。圖7機械設備碳排放帕累托圖Fig.7Paretodiagramofcarbonemissionofmachineryandequipmen從圖8可以看出，運輸工具的碳排放絕大多數來自15t以內自卸汽車的碳排放，占據了整個運輸碳排放的96.4%。圖8運輸車輛碳排放帕累托圖Fig.8Paretochartofcarbonemissionsfromtransportvehicles3.3減排建議在南方低山丘陵地區(qū)的施工期間，由于護坡工程的工程量多，碳排放量大，因此在施工過程中要特別注意護坡工程的碳排放，要做好相應過程的節(jié)能減碳措施，并且在保證安全的前提下，盡量減少護坡工程的工作量，減少碳排放。材料對外部環(huán)境的排放量是相當巨大的，也是路基施工期間最主要的碳排放來源，占據總體的63.15%，因此要減少路基施工期間的碳排放量，減少材料的碳排放量是最主要也是最關鍵的途徑。對于材料而言，