公路工程基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)碳排放測(cè)算方法研究綜述

1生命周期理論國(guó)內(nèi)外最常見的碳排放測(cè)算模型建立及測(cè)算邊界確定主要依據(jù)生命周期評(píng)價(jià)（Lifecycleassessment，LCA）。LCA理論思想起源于20世紀(jì)60年代，美國(guó)中西研究所針對(duì)可口可樂公司飲料容器從“出生到死亡”，也稱從“搖籃到墳?zāi)埂睂?duì)于環(huán)境、資源所造成的影響研究[9]，后逐步被環(huán)境研究采用。該理念提出后，一直處于探索階段，直到20世紀(jì)90年代，國(guó)際環(huán)境毒理學(xué)和化學(xué)學(xué)會(huì)（SETAC）首次在國(guó)際研討會(huì)上提出并召開多次研討會(huì)后，LCA評(píng)價(jià)方法基本框架才初步形成；之后，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）起草了一系列相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，正式將生命周期評(píng)價(jià)納入環(huán)境管理體系，使其成為產(chǎn)品環(huán)境影響評(píng)估的核心方法，有效指導(dǎo)各國(guó)開展LCA環(huán)境效益評(píng)價(jià)工作。LCA評(píng)價(jià)方法主要是通過(guò)統(tǒng)計(jì)、計(jì)算某產(chǎn)品從原材料生產(chǎn)、產(chǎn)品制造，再到后期使用、廢棄，整個(gè)生命周期內(nèi)各階段或全過(guò)程中的投入與產(chǎn)出，評(píng)估該產(chǎn)品對(duì)相關(guān)環(huán)境所產(chǎn)生的直接或間接影響。其主要有4個(gè)步驟：目的與范圍的確定、生命周期清單分析、生命周期影響評(píng)價(jià)和結(jié)果解釋，各環(huán)節(jié)互相聯(lián)系，不斷重復(fù)，最終產(chǎn)生評(píng)價(jià)結(jié)果。公路工程基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)所產(chǎn)生的能耗及碳排放量化的研究，換言之為公路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)對(duì)環(huán)境所產(chǎn)生的影響評(píng)估，故可用LCA理論進(jìn)行研究。依據(jù)生命周期理論，分別將瀝青路面、橡膠瀝青路面建設(shè)過(guò)程分為原材料生產(chǎn)、原材料運(yùn)輸、施工建設(shè)三個(gè)階段，建立了相關(guān)階段的能耗及碳排放量化模型，對(duì)其環(huán)境影響進(jìn)行了量化研究。將瀝青路面就地?zé)嵩偕夹g(shù)分為原路面銑刨與運(yùn)輸、原材料生產(chǎn)運(yùn)輸、混合料生產(chǎn)、混合料施工四個(gè)階段，并進(jìn)行碳排放計(jì)算研究。將瀝青路面建設(shè)分為原材料生產(chǎn)、原材料運(yùn)輸、路面施工三個(gè)階段，研究了不同瀝青路面結(jié)構(gòu)類型對(duì)建設(shè)期碳排放的影響。基于LCA理論將項(xiàng)目清單分為材料生產(chǎn)、材料運(yùn)輸以及路面施工三個(gè)單元，并將根據(jù)路面參數(shù)、工藝參數(shù)等計(jì)算得到的碳排放結(jié)果匯總到項(xiàng)目清單中，以此搭建路面建設(shè)生命周期環(huán)境影響評(píng)估模型工具?；诖耍髡邔⒌缆坊A(chǔ)設(shè)施建設(shè)生命周期分為原材料生產(chǎn)、施工、材料運(yùn)輸三個(gè)階段，如圖1所示。圖1道路基礎(chǔ)設(shè)施生命周期主要過(guò)程2基于生命周期理論的測(cè)算模型搭建方法根據(jù)生命周期理論的道路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的計(jì)算模型適用條件、邊界范圍等不同，可將計(jì)算模型搭建方法分為：①“自下而上”基于過(guò)程的生命周期分析方法（Process-BasedLCA，P-LCA）；②“自上而下”基于經(jīng)濟(jì)投入產(chǎn)出的生命周期分析方法（Economicinput-outputLCA，EIO-LCA）；③將P-LCA與EIO-LCA綜合使用的生命周期評(píng)價(jià)方法，也稱混合生命周期評(píng)價(jià)方法（HybridLCA，H-LCA）。2.1P-LCAP-LCA是最常用的LCA方法[18]，其分析了產(chǎn)品生命周期中設(shè)計(jì)的所有過(guò)程的輸入和輸出，可獲得較為準(zhǔn)確的LCA結(jié)果，但由于產(chǎn)品生命周期中通常存在大量的、耗費(fèi)精力的單個(gè)過(guò)程，導(dǎo)致其成為一種需要大量成本及工作量的測(cè)算方法，只適用于測(cè)算范圍比較小的單元，例如單個(gè)產(chǎn)品、部門等進(jìn)行碳排放測(cè)算分析。采用“自下而上”的基于過(guò)程的生命周期方法，評(píng)估了乳化瀝青廠拌冷再生技術(shù)從原材料到施工階段的節(jié)能減排效益，分析得出，乳化瀝青廠拌冷再生技術(shù)相較于常規(guī)瀝青混合料可減少10.71%的碳排放量?；贚CA評(píng)估方法研究了橡膠再生瀝青路面的碳排放，其將路面建設(shè)過(guò)程分為原路面銑刨和運(yùn)輸、原材料生產(chǎn)、混合料生產(chǎn)、混合料運(yùn)輸、攤鋪和碾壓5個(gè)過(guò)程進(jìn)行測(cè)算。高放[21]將瀝青路面建設(shè)期劃分為材料物化、運(yùn)輸、施工三個(gè)階段，基于LCA方法進(jìn)行瀝青路面建設(shè)各階段清單分析，對(duì)比六種不同路面結(jié)構(gòu)的環(huán)境影響效益，并提出瀝青路面建設(shè)的節(jié)能減排對(duì)策。2.2EIO-LCA投入產(chǎn)出法是由美國(guó)經(jīng)濟(jì)學(xué)家提出的，但由于其計(jì)算能力及數(shù)據(jù)可用性有限，后被用于與生命周期法相結(jié)合，形成了EIO-LCA，該方法被廣泛用于整個(gè)產(chǎn)品供應(yīng)鏈的直接投入交易和環(huán)境影響效益量化研究，但其評(píng)價(jià)制度比較宏觀，較適用于整個(gè)產(chǎn)品行業(yè)、某一特定區(qū)域、國(guó)家等進(jìn)行環(huán)境效益測(cè)算研究。曾曉瑩等[24]采用自上而下的投入產(chǎn)出法，分析了中國(guó)30個(gè)省市的交通運(yùn)輸碳排放量與地域之間的關(guān)系，為我國(guó)各省市公路交通行業(yè)綠色發(fā)展、碳排放交易政策等提供理論依據(jù)。采用投入產(chǎn)出法分析了建筑行業(yè)的總體碳排放情況，并與其他行業(yè)進(jìn)行對(duì)比分析，綜合衡量建筑行業(yè)的碳排放影響力，指出建筑行業(yè)具有很強(qiáng)的碳排放拉動(dòng)影響力。利用投出產(chǎn)出生命周期評(píng)估模型，從宏觀層面定量分析了我國(guó)民用建筑的能源與環(huán)境影響，生成了整個(gè)經(jīng)濟(jì)范圍的能源使用和環(huán)境排放清單，指出建筑業(yè)的隱含能源和環(huán)境排放在我國(guó)整個(gè)能源消耗與環(huán)境負(fù)荷中占很大的比例，且運(yùn)營(yíng)能源占主導(dǎo)地位。2.3H-LCA由于P-LCA及EIO-LCA兩者的局限性，基于以上兩種方法，研究者們便提出了將兩者綜合使用，既保留了初級(jí)階段的細(xì)節(jié)及精確性，也在次級(jí)階段通過(guò)投入產(chǎn)出模型避免大量精力耗費(fèi)。在研究中，方法的選擇通常需要依靠研究目的以及數(shù)據(jù)的可獲得性所決定，相較于另外兩種方法，該方法更加具有普適性，不管是單個(gè)產(chǎn)品、項(xiàng)目，還是部門、行業(yè)，甚至某個(gè)區(qū)域、國(guó)家層面，H-LCA均存在一定的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。但是H-LCA方法卻很少用于公路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)碳排放研究，針對(duì)路面使用、維修養(yǎng)護(hù)階段碳排放量評(píng)估，結(jié)合西澳大利亞道路網(wǎng)案例，提出了一種混合LCA方法，指出交通部門應(yīng)更多地關(guān)注道路使用階段的管理，例如控制交通量、車輛限速、路面平整度等，并表明了交通量增加10%，相關(guān)道路網(wǎng)絡(luò)的GWP將增加9.92%。使用H-LCA方法評(píng)估了不同路面類型整個(gè)生命周期的GWP。2.4P-LCA、EIO-LCA與H-LCA對(duì)比表1P-LCA、EIO-LCA與H-LCA對(duì)比分析3基礎(chǔ)數(shù)據(jù)核算基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的核算方式根據(jù)計(jì)算尺度、計(jì)算方向等主要分為三種：排放因子法、質(zhì)量平衡法、實(shí)測(cè)法。排放因子法是目前適用范圍最廣、應(yīng)用最為普遍的一種碳排放基礎(chǔ)數(shù)據(jù)核算方法，質(zhì)量平衡法與實(shí)測(cè)法應(yīng)用較少。3.1排放因子法排放因子主要是指獲得或消耗單位質(zhì)量能源、產(chǎn)品所產(chǎn)生的碳排放量[29-30]。利用排放因子法計(jì)算碳排放量的公式，參考聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門委員會(huì)（IPCC）制定的《國(guó)家溫室氣體清單指南》，如式1所示：溫室氣體（GHG）排放=活動(dòng)數(shù)據(jù)×排放因子

（1）式中，活動(dòng)數(shù)據(jù)指導(dǎo)致溫室氣體產(chǎn)生的能源或資源生產(chǎn)量、消耗量；排放因子指與活動(dòng)數(shù)據(jù)相對(duì)應(yīng)的，生產(chǎn)或消耗單位質(zhì)量物質(zhì)所伴隨的溫室氣體的生成量，可直接采用IPCC、美國(guó)環(huán)境保護(hù)署、歐洲環(huán)境機(jī)構(gòu)等提供的數(shù)據(jù)。表2國(guó)內(nèi)外主要LCA數(shù)據(jù)庫(kù)匯總選用IPCC數(shù)據(jù)庫(kù)的碳排放因子作為瀝青路面建設(shè)期拌和階段能耗及碳排放量化研究的量化基礎(chǔ)參數(shù)，進(jìn)行碳排放測(cè)算模型搭建及驗(yàn)證，指出混合料拌和站將燃料類型由重油改為天然氣，可降低29.82%的碳排放量，推薦拌和站使用清潔能源工作。采用了等效熱值法和碳排放因子法，計(jì)算瀝青混合料的能耗及碳排放量，分析我國(guó)瀝青路面降耗減排重點(diǎn)環(huán)節(jié)，并提出相應(yīng)的途徑及實(shí)施方案。采用EcoinventDatabase中的數(shù)據(jù)作為碳排放測(cè)算基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，進(jìn)行了山西省公路建設(shè)能耗及環(huán)境污染程度量化研究。3.2質(zhì)量平衡法質(zhì)量平衡法主要是根據(jù)每年用于國(guó)家生產(chǎn)生活的新化學(xué)物質(zhì)和設(shè)備，計(jì)算為滿足新設(shè)備能力或替換去除氣體而消耗的新化學(xué)物質(zhì)份額。以CO2

為例，由質(zhì)量平衡法計(jì)算碳排放，就是在確定碳質(zhì)量守恒的情況下，由輸入碳含量減去非二氧化碳的碳輸出量，具體計(jì)算如式2所示。CO2

排放=（原料輸入量×原料含碳量－產(chǎn)品/廢物產(chǎn)出量×產(chǎn)品/廢物含碳量）×44/12

（2）式中，44/12是碳原子轉(zhuǎn)換成的CO2

轉(zhuǎn)換系數(shù)（即CO2/C的相對(duì)原子質(zhì)量）3.3實(shí)測(cè)法實(shí)測(cè)法是指基于各種工具、儀器等進(jìn)行碳排放量的實(shí)際測(cè)量，主要分為非現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)兩種。非現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)是指將現(xiàn)場(chǎng)氣體情況進(jìn)行采樣并送檢，由專門的檢測(cè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試；現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)是指在排放源處進(jìn)行碳排放監(jiān)測(cè)模塊搭載，通過(guò)連續(xù)監(jiān)測(cè)氣體排放流速、排放濃度，進(jìn)行碳排放量計(jì)算。4結(jié)論（1）有關(guān)道路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)碳排放量化評(píng)估的方法，主要分為測(cè)算模型搭建方法與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)核算方法兩個(gè)方面，且絕大部分研究方法都涉及生命周期理論，表明生命周期理論已廣泛應(yīng)用于道路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)碳排放量化評(píng)估工作中。（2）在測(cè)算模型搭建方法上，過(guò)程分析法應(yīng)用最為廣泛；但國(guó)內(nèi)目前針對(duì)測(cè)算模型研究，主要依靠借鑒國(guó)外的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)。尚未建立統(tǒng)一的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、指南等對(duì)其進(jìn)行約束，同時(shí)，隨著研究的深入，越來(lái)越多的影響因素被考慮，致使公路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)碳排放測(cè)算邊界模糊不清；在下一步研究中，應(yīng)盡快明確道路建設(shè)過(guò)程中的重點(diǎn)環(huán)節(jié)，規(guī)定各項(xiàng)指標(biāo)加權(quán)制度，厘清本行業(yè)與其他上游產(chǎn)業(yè)邊界關(guān)系，使測(cè)算結(jié)果更加準(zhǔn)確、科學(xué)。（3）關(guān)于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)核算方法，最為常用的是排放系數(shù)法；但目前廣泛采用的碳排放核算基礎(chǔ)數(shù)據(jù)受產(chǎn)業(yè)體系、能源結(jié)構(gòu)和新工藝、設(shè)備技術(shù)等因素的影響較大，更新較慢