公路生命周期碳排放评估及其敏感性分析

李 慧， 彭夏清， 张静晓

(1.长安大学 建筑工程学院，陕西 西安 710061； 2.长安大学 经济与管理学院，陕西 西安 710064)

交通基础设施投资对国家的长期发展至关重要。全球交通基础设施发展的数据表明，公路主导了多数国家的交通基础设施[1]。然而，公路的快速建设产生了大量的二氧化碳，是造成交通部门碳排放的最主要因素。二氧化碳的大量排放将导致全球变暖、酸化等负面影响，给发展中国家可持续发展带来了重大挑战和威胁[2-3]。当前，公路碳排放问题成为各国政府的重要议题[4]。

公路作为主要的交通基础设施，随着经济的快速发展和人们出行需求的个性化增强，高度灵活性使得公路的需求量快速增加[5]。新中国成立70 a来，中国公路建设取得了举世瞩目的成就[6]。全国公路里程数从1949年的8.08万km增加到2018年的484.65万km，高速公路达14.26万km，居世界第一，在中国交通基础设施中起到了基础性先导作用。公路建设过程中需要大量的沥青、水泥等建材及大量施工机械设备的高负荷运作，而这些原材料的生产加工、运输过程及混合料的拌合、摊铺、碾压过程中会排放大量二氧化碳[7-9]。此外，公路运营维护及拆除回收阶段也排放了大量的二氧化碳[10]。因此，了解公路生命周期各阶段产生的碳排放变得越来越重要。

为此，许多研究者针对公路碳排放问题进行研究。1995年，瑞典环境研究院为瑞典道路管理局做了道路建设的生命周期分析，对公路建设的碳排放进行研究。随后，学者们对公路全生命周期的碳排放进行研究。LOIJOS[11]等创建了一个通用路面LCA方法，研究美国混凝土路面全生命周期的碳排放，研究发现水泥生产对建设阶段的碳排放贡献最大。GUO[12]等采用LCA研究中国公路隧道全生命周期碳排放，研究发现建设、运营和维护阶段的碳排放分别占碳排放总量的30.89%、56.12%和12.99%。还有学者比较了不同公路路面类型的碳排放。KUCUKVAR[13]等基于EIO-LCA模型，对钢筋混凝土路面和热拌沥青路面全生命周期的碳排放进行研究。这些研究为分析公路碳排放的研究奠定了坚实的基础。然而，现有研究大都以单个公路案例作为对象进行研究，并较少考虑到敏感性因素对碳排放评估结果影响，缺乏对公路行业碳排放平均水平的考察以及对评估结果的敏感性分析。

为解决这一问题，本研究基于生命周期评价法提出公路碳排放测算模型，将8个具有一定代表性的公路作为实证研究对象，以其物料及能源消耗的平均水平为代表，测算分析公路全生命周期碳排放，并识别生命周期各阶段的潜在环境影响因素。进一步对碳排放评估结果进行敏感性分析，以确保本研究评估结果的可靠性。

本研究有利于促进生命周期评价法在公路领域研究上的完善与发展，使公路碳排放评估更加全面。此外，本研究分析了各类建材对其生命周期碳排放的贡献率，为建材节能减排工艺技术指明了途径，有助于交通管理部门从行业视角整体把控公路碳排放情况。

1 研究方案

1.1 评价方法

生命周期评价法(LCA)是一种对产品和活动系统进行整体环境评价的技术，可为各种建筑材料提供准确有效的环境影响评估结果。近几十年来，该方法被广泛用于计算与交通基础设施相关的碳排放研究[14]。例如，ESPINOZA[15]等采用LCA对哥斯达黎加圣卡洛斯省一条高速公路全生命周期的碳排放量化分析，研究发现高速公路生命周期中，热拌沥青混合料对环境的影响最大。MA[16]等采用PLCA对中国一个典型沥青路面全生命周期的碳排放进行研究，研究结果表明原材料生产阶段的碳减排潜力最大。同时，LCA还被应用于公路建设的各个阶段。例如，GSCHOSSER[17]等采用LCA研究瑞士公路建造和维护阶段的环境影响，研究发现材料生产过程对环境的影响最大。BARTOLOZZI[18]等以橡胶沥青路面和传统沥青路面为研究对象，采用LCA研究这两类路面建造和维护阶段对环境的影响，研究发现橡胶沥青路面减少了对环境的影响。可见，LCA在公路碳排放研究中被广泛应用。

1.2 测算模型

本研究取1 m2公路路面作为1个功能单位，输入为1 m2该类型道路在生命周期内消耗的能量，输出为1 m2该类型道路生命周期内产生的碳排放。通过建立基于LCA的碳排放测算模型，分析公路全生命周期各阶段的碳排放。本研究的方法框架由以下6步构成：

第1步：1功能单位材料总重量计算。

由于许多国家的LCI数据库中数据清单中材料的计量单位不统一，需要统一各类材料的重量单位。

Mij=ρij×vij

其中，Mij是第j个案例中第i种建材的重量，t；vij是第j个案例中第i种建材的体积，m3；ρij是第j个案例中第i种建材的密度，t/m3；Lj是第j个案例的计算路段路面长度，m；Wj是第j个案例的计算路段路面宽度，m；Mj为第j个案例中1功能单位的建材总重量，t/m2。

第2步：运输计量。

TMD=Mj×D

其中，TMD是运输计量，t·km/m2；Mj为第j个案例中1功能单位的建材总重量，t/m2；D是运输距离，km。本研究原材料运输到拌合场的距离包含在模型中，运输距离仅考虑混合料到施工现场的距离。本研究假定运输距离为60 km。

第3步：运营维护阶段能源消耗。

Eom=Er+El

Er=Es×f

其中，Er是维修能耗，t/m2；Es是单次维修能耗，t;f是设计使用年限内的维修次数;El是照明能耗，t/m2。本研究是高速公路，El不予考虑。假设公路维护周期为7 a，整个生命周期为21 a。

第4步：拆除回收阶段能源消耗。

Edr=Em+Et

其中，Edr是拆除回收阶段的能耗，t/m2;Em是机械台班的能耗，t/m2；Et是运输阶段的能耗，t/m2。本研究利用投入拆除公路的施工机械和运输机械所消耗的燃料来估计拆除阶段的能耗。假定转运距离为30 km。

第5步：能源单位转化。

通常维修和拆除阶段的能源消耗是以标煤为计量单位的，由于本研究建立的公路碳排放评估模型，能耗计量单位是kW·h，因此将标煤转化为kW·h。

E=Es×3 000

其中，E是能耗，kW·h/m2;Es是单次维修能耗，t/m2。

目前，全面的LCI数据库仅在欧洲和美国等少数国家提供[19]。中国没有全面的LCI数据库，需要使用外部LCI数据库。

第6步：将燃料燃烧产生的能量转换为当地环境影响。

Ec=Eo×E2/E1

其中，Ec是制造材料的国家燃料燃烧产生的总能量，MJ；Eo是原始LCI数据库的国家燃料燃烧产生的总能量，MJ;E1是原始LCI数据库国家的节能潜力；E2是制造材料国家的节能潜力，节能潜力数据从国际能源机构获得[19]。

2 案例分析

中国基础设施建设取得了举世瞩目的成就，公路建设也获得了前所未有的大发展，改善了以往“全面紧张”的交通状况。本研究从中国国家高速公路网的重要组成里面，选取8个公路作为实证研究对象，用8个公路的物料及能源消耗平均值反映公路普遍情况，使得研究结果更具可靠性及普遍性。案例1：G1816乌海至玛沁国家高速公路景泰至中川机场段；案例2：甘肃省甜水堡(宁甘界)经庆城至永和(甘陕界)公路；案例3：平利至镇坪高速公路；案例4：郑州西峡高速公路尧山至栾川段；案例5：西乡至镇巴高速公路；案例6：宝鸡至坪坎高速公路；案例7：北三环东延快速通道；案例8：郑州市农业路快速通道。这8个公路的建设在缓解交通拥堵、推动经济社会发展方面具有重要意义。

按照1.2节测算模型计算公路从原材料的提取、生产和运输、施工、运营及维护以及拆除阶段1功能单位的能源消耗。将1功能单位的能源消耗数据和材料使用量数据相结合，形成公路全生命周期环境影响清单，见表1。

表1 公路全生命周期环境影响清单Table1 Listofenvironmentalimpactsofthehighwaythroughoutitslifecycle建设阶段石灰土/kg碎石/kgC20混凝土/m3C25混凝土/m3C30混凝土/m3C50混凝土/m3沥青混凝土/kg砂子/kg钢筋/kg水泥砂浆/kg涂料/kg1572.9741994.60.2510.1040.5340.3612175.154327.91159.35572.9310.8建设阶段运营维护阶段拆除回收阶段沥青/kg水泥/kg自卸汽车运输能源消耗/(t·km)施工机械能源消耗/MJ能源消耗/(kW·h)施工机械能源消耗/(kW·h)自卸汽车运输能源消耗/(t·km)9.359294.89397.215.867110.413.8198.6

3 结果与讨论

3.1 生命周期碳排放评估

根据组装模型测算分析结果，可得出公路全生命周期的碳排放网状结构图如图1所示。

本研究使用网状结构图反映公路全生命周期各阶段的贡献，网状结构图通过流向箭头的粗细表示贡献率。从图1可知，公路建设阶段的碳排占其全生命周期的比例最大为94.3%；其次是运营维护阶段，占比为4.2%；拆除回收阶段的碳排放占比最小为1.5%。

图1 公路全生命周期碳排放网状结构图

为了进一步反映公路建设、运营维护及拆除回收阶段对全球变暖的贡献度，本研究将深入分析公路全生命周期各阶段的碳排放量。公路全生命周期各阶段的碳排放量汇总见表3。

表3 公路全生命周期碳排放汇总表Table2 Highwaylifecyclecarbonemissionsummarytable名称碳排放量/(kg-CO2eq)占比/%建设阶段1830.094.3运营及维护阶段81.64.2拆除回收阶段28.61.5汇总1940.0100.0

3.2 建设阶段碳排放评估

从公路全生命周期碳排放评估的分析中看出建设阶段的碳排放最多，该阶段产生的碳排放将会造成全球变暖等一系列环境问题[20]。因此在公路建设阶段，需要采取措施控制二氧化碳的排放。为进一步分析公路建设阶段各类建材和施工机械的碳排放，本节研究1功能单位各主要建材清单与相关因素的碳排放，有助于识别对环境有害的建材。公路建设阶段不同建材的碳排放贡献率图如图2所示。

建设阶段使用了各类建材和施工机械，根据图2簇状条形图的分布情况，可知1功能单位公路建设阶段钢材、沥青混凝土产生的碳排放较大，钢材对建设阶段的碳排放贡献最大为26.47%；其次为沥青混凝土，占比为21.66%；沥青、施工机械和砂子的碳排放贡献率小于1%，可以忽略不计。从图2可知，1功能单位公路建设阶段的碳排放总量是1 833 kg-CO2eq，其中钢筋产生的碳排放量最多是485 kg-CO2eq；其次是沥青混凝土，产生的碳排放量是397 kg-CO2eq；钢材和沥青混凝土对建设阶段的碳排放贡献较大，究其原因，钢材和沥青混凝土是建造道路的主要材料，对环境的影响最为显著[21]。因此，应从钢材和沥青混凝土这两方面着手进行节能减排。

图2 公路建设阶段碳排放贡献图

钢铁的原料提取、生产、使用和废弃过程消耗了大量的资源，同时造成了大量的碳排放[22]。因此，应采取相应的措施减少钢材在公路建设中的碳排放。ZHOU[23]等认为中国应完善钢铁行业的排放控制政策，加强政府监督，提高钢铁行业的生产技术和效率，是钢铁行业实现长期减排的重要措施。CAO[24]等认为要综合利用高炉煤气和转炉炼钢生产过程中产生的尾气，减少钢铁行业的碳排放。还有学者认为采用低碳钢同时减少用量更为重要。

目前，沥青混凝土路面建设所占的比重较大。沥青混凝土在生产过程中消耗了大量的自然资源，排放了大量的污染气体和粉尘[25]。采取减排措施、控制沥青混凝土生产过程中的碳排放，是减少公路建设阶段环境影响的有效途径。针对这一问题，有学者提出了橡胶沥青技术，该技术将胶粉加入传统沥青混合料，可节约能源降低温室气体排放[26]。一些学者提出温拌沥青技术，与热拌沥青技术相比，该技术减少了拌合沥青混合料的能源，大大减少了碳排放[27]。还有一些学者提出要实现废旧沥青混合料的再生，减少能源消耗和碳排放。

3.3 敏感性分析

在计算公路全生命周期的碳排放时，许多变量都是根据实际情况假设的，这种假设可能会导致不同的测算结果。因此，本节从敏感性分析的视角出发，研究不确定变量变化对模型输出结果的影响。主要考虑运输距离、节能潜力以及维修能耗这3个变量，每个变量的变化范围是-10%～+10%，敏感性分析图如图3所示。

图3 碳排放量(每功能单位)对不确定变量变化的敏感性

图3中，4条直线分别代表4个不确定变量对公路生命周期各阶段碳排放的敏感性。从图3可以看出，维修能耗变化对公路运营维护阶段的碳排放最为敏感，其次是拆除回收阶段运输距离的变化对公路拆除回收阶段的碳排放，接下来是节能潜力变化对公路全生命周期的碳排放，建设阶段运输距离变化对公路建设阶段的碳排放影响最小。

从图4可以看出，节能潜力变化对公路全生命周期各阶段的碳排放有一定影响。其中，节能潜力变化对公路运营维护阶段的碳排放最为敏感，接下来是拆除回收阶段，节能潜力变化对公路建设阶段的碳排放几乎没有影响。

图4 节能潜力变化导致的碳排放

节能潜力变化及维修能耗变化对公路运营维护阶段的碳排放影响较大。因此，应更加注意获得有关节能潜力的可靠数据来源，公路运营维护阶段要对路面定期监测和检测，对路面进行预防性、经常性和周期性的养护，减少公路大修次数。节能潜力变化及拆除回收阶段运输距离变化对拆除回收阶段的碳排放影响较大。因此，在公路寿命终期，应将这些建筑垃圾运到垃圾填埋场。

4 结论

公路全生命周期碳排放研究，对交通运输行业碳减排具有重要意义。本研究以8个公路案例为实证研究对象，利用完善的LCI数据库，采用生命周期评价法，通过建立公路碳排放评估模型，对中国公路全生命周期各阶段的碳排放进行系统的量化分析，并对评估结果进行敏感性分析，识别影响碳排放的主要因素。分析结果表明: ①节能潜力变化及维修能耗变化对公路运营维护阶段的碳排放影响最大；节能潜力变化及拆除回收阶段运输距离变化对拆除回收阶段的碳排放影响较大；节能潜力变化及建设阶段运输距离变化对建设阶段的碳排放影响最小，几乎可以忽略不计。②公路建设阶段所用的建材中，钢筋和沥青混凝土对碳排放的贡献最大，钢材和沥青混凝土的生产及加工过程对生态环境造成了极大的影响。针对这一问题，应该寻找新工艺和新技术改变材加工过程，或者寻找高能效低排放的建材，减少二氧化碳排放。