兰州市榆中县青城镇净碳排量分析与优化

张 月, 王天鹏

(兰州交通大学 建筑与城市规划学院, 兰州 730070)

随着全球经济的不断发展,二氧化碳排放量越来越高,将引起冰川消融、全球气候变暖等一系列问题。在此严峻局势下,城市以及周围乡镇作为产生碳排的主要空间,如何将低碳建设理念与城乡规划相结合是解决问题的重要突破口。其中碳约束和碳排放对促进实现可持续发展有重大意义。

对于低碳建设,国外学者较早关注,研究主要集中于低碳能源使用和低碳城市建设两个方面。英国政府2003年在《能源白皮书》中首次提出“低碳经济”的概念,认为在全球变暖的严峻背景下,推广“绿色经济”已成为当务之急。随着“绿色经济”的深化,“低碳革命”逐渐在世界范围内展开。2005年东京议定书签订后,伦敦、慕尼黑、加利福尼亚等分别制定碳排放削减计划。Sovacool和Brown[1]具体研究了12个大都市区的碳排,并指出其他大都市区减排的可能性。Lim等[2]基于现阶段随着城市发展出现的各种环境问题,提出多尺度、可持续的城市系统构建模型。Powell等[3]从多个层面构建“低碳邻里单元模型”的新型城市主义框架。而国内学者主要着眼于从理论策略[4-6]和技术手段[7-8]两个方面进行低碳城市更新[9-10]、城市设计[11-12]、总规编制[13-14]、空间格局演变[15-17]等多个层面结合具体区域进行研究。顾朝林等[18]认为中国现阶段城市规划的意义主要在于采用怎样的城市形态可减少城市碳排放量和增加市域的自然固碳。汪勰[19]主张在城市规划编制实践中采用生态足迹研究法、生态敏感性评价等多技术手段综合建设“低碳城市”。随着乡村旅游业兴起,在大规模开发、快速建设过程中造成的碳排放等问题也日益突出。2021年10月《中共中央国务院关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》提出要将2030年碳达峰、2060年碳中和的双碳目标与国土空间规划全面融合,构建国土空间开发保护新格局、强化国土空间规划和用途管制。城市及周围乡镇作为产生碳排的主要空间,约束碳排放对促进实现可持续发展有重大意义。丁金华等[20]用低碳建设视角以朱家湾村为研究区域,从自然景观、聚居空间和行为模式3个方面梳理了低碳旅游与乡村景观更新的关系,并提出相关优化策略。因此从低碳建设视角出发对乡村各类设施进行优化,改善乡村环境,对推动乡村旅游业发展、实现乡村可持续发展非常重要。

综上,在研究区域上,现阶段多研究城市建成区碳排放问题并提出优化策略,对具有文化底蕴的历史文化名镇低碳文旅建设关注较少;在研究内容上,多基于现状分析和策略提出,缺乏实际优化措施及量化减碳率分析预测。为此,本文选取兰州市国家级历史文化名镇青城镇作为研究区域,基于现场调研和甘肃发展年鉴相关数据,对镇内建筑模块、交通模块、市政设施模块的碳排及绿地碳汇模块进行分析与优化。然后利用排放因子法、交通行驶里程计算法、固碳系数法对各个模块低碳优化前后的碳排及碳汇进行计算,并对比分析。促进青城镇可持续发展和低碳旅游发展,强调低碳建设理念在乡村建设过程中的地位和作用,为未来青城镇可持续发展提供参考。

1 研究区域和研究方法

1.1 研究区域概况

青城镇位于甘肃省兰州市榆中县北部崇兰山下,距离兰州110 km、县城54.2 km。总面积138.04 km2,耕地1.44万亩(1亩≈666.67 m2),镇内有14个村,截至2021年第七次全国人口普查总人数为1.03万人。青城镇区位图如图1所示。

审图号:GS(2016)2923号图1 青城镇区位图

作为兰州市唯一的国家级历史文化名镇及全国民间艺术之乡,青城镇有罗家大院、城隍庙、碑林等具有文化底蕴和传承价值的旅游景点,以及青城水烟、青城长面、青城小调、青城剪纸等诸多非物质文化遗产,作为青城镇发展特色文化旅游业的坚实基础,同时也是兰州市发展旅游业的重要载体。因此,将双碳目标与文旅建设相结合对促进地区发展有重要意义。

1.2 计算分析方法及数据来源

本文主要运用田野调查法和数据分析法。整理现场调研及甘肃发展年鉴相关数据,利用排放因子法、交通行驶里程计算法和固碳系数法计算青城镇各个模块的碳排碳汇量,并对优化前后碳排碳汇量进行对比。计算方法如下:

1)排放因子法。

(1)

式中:CXY为能源使用过程中的碳排放量;i为消耗的能源种类,共n种;Ui为第i种能源的消耗量;Fi为第i种能源的碳排放系数。

2)交通行驶里程计算法。

(2)

式中:Emission为城市交通在一定时期内的二氧化碳的排放量;i为城市交通在一年内消耗的燃料类型;j为城市交通的车辆类型;Mij为使用i燃料j类型车的数量;Lij为使用i燃料的j类型车年均行驶里程,km;Fij为使用i燃料的j类车的单耗;EFi为i燃料的CO2排放系数。

3)固碳系数法。

(3)

式中:FECO为碳汇总量;Bi为i类土地固碳面积;bi为i类土地的固碳系数。

2 青城镇低碳优化前后碳排碳汇对比分析

2.1 低碳优化措施

根据上位规划青城镇未来应大力发展旅游业,提出将低碳理念与旅游业发展相结合促进青城镇可持续发展。为此将青城镇划分为历史文化体验区、田园采摘体验区、沿河低碳游憩区、山林健康游览区4个功能区,在功能分区的基础上再对各个模块进行低碳优化。总平面图如图2所示。

图2 总平面图

2.1.1 建筑模块碳排优化

对青城镇具有历史意义的游览性建筑仅考虑改善周围环境减少碳排,对建筑本体不予改动。

1)改善建筑微气候。通过在建筑周围增加绿地面积,降低周围温度;在宅前种植蔬菜瓜果,提高碳汇的同时还可供居民游客食用,减少蔬果因运输而产生的碳排。

2)增加自然通风与采光。通过增加窗户面积和数量来增加通风和采光,不仅可以使室内空气流通,还能减少电能消耗产生的碳排。

3)利用可回收材料。居民建筑贴面和装饰材料利用可回收材料,减少建材在运输过程中产生的碳排放。同时在核心建筑墙面上添加有机墙绘,如青城水烟的制作过程、青城长面、青城剪纸等,不仅可以营造美观的居住氛围,还能丰富游客的观感,如图3所示。

图3 青城古镇墙体彩绘分布

2.1.2 交通模块碳排优化

1)增设生态停车场。青城古镇现有停车场规模较小且设施老化,故计划在古镇入口处、低碳采摘农家乐入口处、山林游览公园入口处建设4处各50个停车位,高绿化、高承载、透水性好的生态停车场方便游客停车,减少小汽车在镇内行驶距离。生态停车场分布情况如图4所示。

生态停车场采用树阵密布式绿化,选择适宜当地气候的常绿树种,提高绿色植被的固碳量;铺装选择植草砖,既满足生态停车场的设计初衷,又方便维护。停车场局部平面图如图5所示。

单位:mm图5 生态停车场局部平面图和局部剖面图

2)增设慢行步道。青城古镇原有道路硬化质量较差。计划在青城镇原有的道路体系中,将内部道路细化,并对宅前绿道进行优化;在山体游览区建设田间栈道和慢行登山道;在低碳湿地公园建设滨水步道,选取石铺装,降低成本的同时还能减少碳排放。

2.1.3 市政设施模块碳排优化

1)景观供电。青城镇海拔较高,光照充足,镇中心游览区域为普通路灯,居民生活区内布置少量带有太阳能板的低碳路灯。将普通路灯替换为环保太阳能板蓄电、LED(发光二极管)光源、防腐木制成的太阳能低碳路灯,并将古建筑屋顶的形式引入到路灯造型中,体现青城特色。在景观小品上也可设置太阳能收集装置,如在建筑屋顶、廊架、休息亭等,减少能源供给产生的碳排。低碳景观供电改造流程如图6所示。

图6 低碳景观供电改造流程

2)燃料供给。青城镇燃料消耗主要由居民生活产生,但由于未接通天然气,导致煤炭使用量大,接通天然气和暖气后,可减少碳排。

3)废弃物处理。青城古镇垃圾桶布置合理,但缺乏集中垃圾分类点,在推进垃圾分类的基础上,将有景观价值的建材垃圾翻新用作造景,剩余垃圾做堆肥处理或焚烧处理。垃圾回收流程如图7所示。

图7 青城古镇垃圾回收流程

根据青城镇场地面积和功能设置15处垃圾回收点。并将垃圾处理点建在青城镇最西侧,远离景区和居民点。垃圾回收点分布情况如图8所示。

图8 青城古镇垃圾回收点分布

2.1.4 绿地模块碳汇优化

1)绿地布局。在不干预青城镇原有农田和自然景观的前提下,通过增加宅前绿地或可食用花园增加碳汇,抵消碳排。

2)植物景观营造。使用多层次植物景观增加碳汇,其中古树具有较高的碳汇能力,对于低碳景观营造和丰富物种多样性具有重要意义[21]。青城镇现有的名木古树应当加以保护,同时在未来选择树种时,应优先选择固碳系数高的阔叶类树种。

2.2 低碳优化前后碳排碳汇量

2.2.1 建筑模块碳排

青城镇建筑生命周期普遍较长,不存在拆建问题,故建筑模块碳排主要来自建筑能耗,即建筑使用过程中人类活动产生的二氧化碳,结合现场调研和甘肃发展年鉴,选取基础数据见表1。

表1 青城镇农村住宅碳排放核算所需参数

采用排放因子法计算建筑使用过程中人类活动产生的碳排,包括居民日常生活消耗电、煤炭、液化气等所产生的碳排,计算可知建筑模块碳排主要来自煤炭燃烧,占建筑模块总碳排的76.26%。

低碳优化后,预计每年每平方米可节约2.36 kg的标准煤,按每户采用10 m2低碳材料计算,预计减少36.86 t碳排。通过增加窗户数量、面积加强通风节约用电,已知节约1 kW·h电可以减少0.977 kg碳排,按平均每户每年节约用电100 kW·h计算,预计减少54.49 t碳排;接通天然气,预计可减少至少30%碳排。经过计算减碳率预计可达到31.41%,见表2。

表2 青城镇建筑模块低碳优化前后碳排汇总

2.2.2 交通模块碳排

青城镇交通模块的碳排主要来自镇内居民驾驶小汽车和摩托车、游客游览驾驶小汽车和镇内公共交通。根据甘肃发展年鉴相关数据及现场调研,镇内居民出行方式大多数为摩托车,每百户拥有58.4辆,平均出行距离5 km,月平均出行次数10次;私家车出行目的一般为果蔬运输、出行采购和游玩,每百户拥有24.6辆,平均出行距离为35.8 km,月平均出行次数17次;镇内旅游大巴每小时一趟,日均10趟,平均每趟镇内行驶2 km;而节假日游客通常需要驾车前往,按青城镇日均小汽车40辆(淡季旺季综合考虑),镇内行驶距离约为4 km计算。采用交通行驶里程法计算青城镇交通模块的碳排放量,可知镇内交通模块碳排主要来自镇内私家车(98%),其次是公交车、摩托车和外来小汽车。

低碳优化后,增设生态停车场减少外来车辆在古镇的行驶距离,并鼓励居民出行选择自行车、节能电动车或新能源公共交通,减少短距离私家车出行。经过计算减碳率预计可达到19.83%,见表3。

表3 青城镇交通模块低碳优化前后碳排汇总

2.2.3 市政设施模块碳排

市政设施模块的碳排主要包括供水系统、供气系统、照明系统、污水处理和垃圾处理5个方面。由于青城古镇未通天然气,故无须计算供气系统的碳排。

总耗水量为青城镇居民正常生活用水和农林用水的总和;总耗电量分为公共照明设施和景观照明设施,主街公共照明设施按每杆路灯200 W,平均照明时间10 h/d;居民街巷的太阳能路灯消耗电力忽略不计;景观照明灯按每盏50 W、平均照明时间10 h/d、150 m2每盏计算碳排。

污水处理量按《城市排水工程规划规范》要求,城镇污水量根据城镇综合用水量乘以城市污水排放系数来确定,已知城镇综合污水排放系数为0.70～0.90,结合青城镇实际情况和污水管网的完善程度,取污水排放系数0.85计算污水处理量。

垃圾处理量按居民人均每天产生1 kg的垃圾计算,游客每人产生0.5 kg计算。已知青城镇现有居民1.03万人,年平均接待游客59.2万人。

采用排放系数法计算青城镇市政设施模块的碳排放量,可知市政设施模块碳排主要来自垃圾燃烧,占市政设施模块总碳排的82.63%。低碳优化后,青城镇主街路灯全部更换为太阳能路灯,碳排为0;新增垃圾处理点,可将有机垃圾放入沼气池,不可回收垃圾按需应用到景观小品中,剩余进行集中焚烧,预计可减少60%碳排。经过计算减碳率预计可达到53.94%,见表4。

表4 青城镇市政设施模块低碳优化前后碳排汇总

2.2.4 绿地模块碳汇

生态系统碳汇包括农田作物、农田土壤、湿地、草地植被、森林植被、草地土壤吸收的温室气体的能力。通过对青城镇的卫星地图解译和实地调查,汇总出镇内绿地面积和非建设用地面积,见表5。

表5 青城古镇碳汇面积汇总

采用固碳系数法计算青城镇绿地模块的碳汇,可知青城古镇原有生态基底较好,碳汇能力强。对青城镇绿地和农田进行保留,同时新增公共绿地空间25 670 m2、宅前绿地和可食用花园58 097 m2,并对各类绿地碳汇占比进行分析,新增菜园、宅旁绿地、庭院绿地所占碳汇比例虽小,但碳汇项目增多;经过计算碳汇增加率预计可达到27.3%,见表6。

表6 青城镇绿地模块低碳优化前后碳汇汇总

2.2.5 总体净碳排放分析

不考虑建筑建设阶段产生的碳排,对青城镇低碳优化前后各个模块碳排碳汇进行对比,汇总结果如表7和图9所示。

表7 优化前后青城镇年净碳排放汇总

图9 青城古镇设施优化前后碳排放量对比

比较发现优化前后建筑模块的碳排始终最多,其次是交通模块和市政设施模块。其中建筑模块中占比最大的是煤炭燃烧释放的二氧化碳,如果接通天然气将减少至少30%的碳排,对青城镇碳排减少起重要作用;而交通模块的碳排放主要来源于镇内居民驾驶私家车,如果鼓励居民使用公共交通或驾驶新能源汽车将减少大量碳排。镇内生态基底好,可以通过土地复垦,林地修复等措施进一步增加碳汇,来抵消其他模块产生的碳排。最终通过对4个模块的体系优化,净减碳率可达29.64%。

3 结论

本文选取兰州市国家级历史文化名镇青城镇作为研究区域,对镇内建筑模块、交通模块、市政设施模块的碳排及绿地碳汇模块进行低碳优化。利用放因子法、交通行驶里程计算法、固碳系数法对各个模块低碳优化前后的碳排及碳汇进行计算,比对分析后得出以下结论:

1)基于镇内现状,对4大模块的碳排及碳汇采取改善建筑微环境、新增低碳设施、新建生态停车场和垃圾处理厂、增加植被景观营造等措施进行低碳优化后各个模块碳排明显减少,净减碳率预计可达29.64%。

2)由于镇内并未接通天然气,且来访游客较多,碳排主要来自建筑模块和交通模块,占比分别达到53.52%和40.03%。

由于涉及内容多、碳排放情况复杂、相关资料和条件有限,无法完全能将所有阶段的碳排涵盖。今后可以通过更细致的研究和实践,理清我国目前碳排放的实际情况,为后续乡镇低碳建设和研究提供更详细准确的资料。