高速公路土建阶段碳排放核算方法与减排潜力研究

摘 要：为准确量化高速公路土建阶段碳排放水平，定性分析碳减排潜力，以某新建高速公路典型标段工程为案例，提出基于排放清单的过程生命周期评价分析方法，探究高速公路土建阶段的碳排放特征，明确核算系统边界和分析流程，构建不同周期阶段的碳排放核算方法，同时从可再生建材的应用角度深入探究该阶段的碳减排潜力。

关键词：高速公路;土建阶段;碳排放;情景分析;碳减排潜力

中图分类号：U415.1 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2024）34-0136-06

Abstract： In order to accurately quantify the carbon emission level in the civil construction stage of highways and qualitatively analyze the carbon emission reduction potential， taking a typical section project of a newly built highway as an example， a process life cycle assessment analysis method based on emission inventories is proposed to explore the carbon emission characteristics of highways in the civil construction stage.， the boundaries of the accounting system and analysis processes are clarified， and carbon emission accounting methods for different cycle stages are constructed; at the same time， the carbon emission reduction potential of this stage is deeply explored from the perspective of the application of renewable building materials.

Keywords： highway; civil construction phase; carbon emissions; scenario analysis; carbon emission reduction potential

当前阶段，我国公路建设规模已达全球第一，公路建设过程会大量消耗能源、原材料以及相关成品或半成品，有研究显示公路建设已成为交通行业温室气体排放的重要来源，其碳排放量不容小觑。

为此，国内外很多研究者针对高速公路碳排放问题进行了相关研究。英国交通研究实验室开发的ASPECT[1]碳排放计算程序，针对公路全寿命周期的碳排放进行研究，将公路全寿命周期分为10个阶段，并给出了再生利用旧料和新料的潜在多次回收利用相应的碳折减计算系数。美国加州大学伯克利分校联合加州路面研究中心合作开发的PALATE[2]碳排放计算程序，以路面工程为研究对象，将公路周期划分为6个阶段，对采用新型的路面材料及施工工艺所减少的碳排放进行了定量分析，并与传统路面进行了比较，具有一定的前瞻性和指导意义。目前国内针对于高速公路建设期的碳排放计算，研究较为分散，不成体系，其碳排放模型及排放因子常参考其他行业及领域，例如当前诸多计算方法均参照IPCC的计算方法或建筑业的计算方法，但交通基础设施在碳排放方面又与民用建筑不完全相同，如涉及大规模的土地变化、碳排放源更加复杂多样，因此具有区别于其他建筑物的特殊性。综上所述，高速公路碳排放理论的研究起步较晚，既有高速公路建设过程碳排放来源分析等方面的研究零散，碳排放的结果有较大误差，且现有研究大多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碳减排潜力分析。

本文首先明确了高速公路土建阶段的碳排放核算范围，以过程生命周期理论将高速公路土建阶段划分为土地征拆阶段、材料物化阶段、材料运输阶段和土建施工阶段，建立了不同阶段的碳排放核算方法，并对碳排放因子进行选取确定，形成过程生命周期碳排放核算清单，系统构建了高速公路土建阶段碳排放核算模型。最终以某高速公路典型标段工程作为实际案例获得具有可比性的、更接近实际排放的高速公路土建阶段碳排放指标及统计数据。同时，采用情景分析法，从低碳建材应用的角度对高速公路土建阶段碳排放强度进行分析，预测了高速公路土建过程的碳减排潜力，为高速公路建设单位进行路线方案的优选、控制碳排放量、实施节能减排措施等提供理论依据。

1 高速公路土建阶段碳排放核算模型

1.1 碳排放核算系统边界

由于高速公路建设规模大，涉及项目众多，且考虑到研究深度及数据样本的采集难度等因素，难以全面核算，因此本文从空间和时间2个维度对高速公路土建阶段碳排放核算系统边界进行明确。空间维度参照公路工程施工图预算项目表将高速公路土建阶段划分为临时工程、路基工程、桥梁涵洞工程、隧道工程、交叉工程、交通工程及沿线设施、绿化及环境保护工程、其他工程等8个单位工程，每个单位工程细分为不同的分部分项工程;时间维度通过过程生命周期理论将高速公路土建阶段分为土建前期征地拆迁阶段和项目土建进行阶段，其中项目土建进行阶段又分为材料物化、材料运输、土建施工3个阶段。

1.2 碳排放核算模型

本研究以过程生命周期框架作为划分依据，将高速公路工程土建阶段划分为征地拆迁碳汇减少阶段、建材及预制构件物化阶段、建材及构配件运输阶段和土建施工阶段，建立高速公路土建阶段碳排放核算模型，各阶段的CO2排放计算方法为

E=EY+ES+EV+EC，

式中：E为土建阶段碳排放总量，单位为tCO2e;EY、ES、EV和EC分别表示征地拆迁碳汇减少阶段、建材及预制构件物化阶段、建材及构配件运输阶段和土建施工阶段的碳排放量，单位为tCO2e。

1.2.1 征地拆迁碳汇减少阶段

征地拆迁绿植碳汇减少阶段碳排放核算公式为

EY=Fi×Si×T ，

式中：Fi为第i类植被单位土地面积年固碳量，单位为tCO2e/hm2·a;Si为第i类植被单位土地面积，单位为hm2;T为高速公路拆迁至土建阶段结束年限，单位为a。

1.2.2 建材及预制构件物化阶段

因建材及预制构件的种类繁多，为方便核算该阶段碳排放，本研究取物资预算清单中材料累计重量占总重量80%以上的建材及预制构件作为主要碳排放源进行分析，其余材料忽略不计[3]。建材及预制构件物化阶段碳排放核算公式为

ES=Qi×EFi ，

式中：Qi为第i类建材及预制构件消耗量，单位为t;EFi为第i类建材及预制构件物化阶段碳排放因子，单位为tCO2e/t。

1.2.3 建材及构配件运输阶段

建材及构配件运输阶段碳排放核算公式为

EV=Di×Aij×Mj ，

式中：Di为第i种货物的消耗量，单位为t;Aij为第i种货物第j种运输方式的平均运输距离，单位为km;Mj为第j种运输方式下，单位重量运输距离的碳排放因子，单位为kgCO2e/（t·km）。

1.2.4 土建施工阶段

土建施工阶段碳排放核算公式为

EC=RLi×RZi×EFi+ACe×EFe，

式中：RLi为施工过程消耗的第i类能源消耗量，单位为t;RZi为第i种化石燃料平均低位发热量，单位为kJ/kg;EFi表示施工消耗的第i类能源碳排放因子，单位为tCO2e/TJ;ACe为施工过程电力消耗量，单位为kWh;EFe为国家电网公布的电力碳排放因子，单位为tCO2e/MWh。

1.3 碳排放强度

为准确评估各耗能单元的碳排放水平，提出高速公路土建阶段碳排放强度F，其计算公式为

F=，

式中：F为高速公路土建阶段碳排放强度（单位里程高速公路碳排放量），单位为tCO2e/km;I为核算范围内的高速公路土建公路里程，单位为km;E表示土建阶段碳排放量，单位为tCO2e。

2 高速39f198baaca84c7897af6b12d81380e4公路工程实际案例分析

2.1 工程概况

本研究选取某新建高速公路某典型标段工程土建阶段作为研究对象，该标段土建工程总长为13.2 km，其中，隧道6座，长7.345 km，占线路长度的55.6%;桥梁5座，总长2.922 km，占线路长度的22.1%;路基长2.932 km，占线路长度的22.3%;涵洞8座，共计587.4横延米;服务区1个。

2.2 高速公路标段工程土建阶段碳排放核算

2.2.1 标段工程征拆阶段碳排放核算

根据植被年固碳量及工程征拆阶段至土建阶段年限可得到不同征拆类型土地的碳排放量，见表1[4-5]。

本标段工程征拆阶段碳排放总量为3 949.45 tCO2e，其中工程永久征拆土地减少的植被碳汇量为2 516.57 tCO2e，占总排放的63.72%;临时征拆土地减少的植被碳汇量为1 432.88 tCO2e，占总排放的36.28%。

2.2.2 标段工程材料物化阶段碳排放核算

根据前文简化条件，通过选取该标段工程的如下33种主要材料对其物化阶段产生的碳排放进行核算，具体见表2[6-10]。

本标段工程材料物化阶段产生的碳排放量为412 200.34 tCO2e，其中混凝土物化产生的碳排放为200 477.53 tCO2e，占物化阶段排放总量的48.64%;钢材物化产生的碳排放为155 703.12 tCO2e，占物化阶段排放总量的37.77%;塑料及其他化工材料物化产生的碳排放为52 624.11 tCO2e，占物化阶段排放总量的12.77%;建筑原材料、火工品及铁质加工品物化产生的碳排放较小，分别为3 079.44、247.05、69.09 tCO2e，占物化阶段排放总量的0.75%、0.06%、0.01%。

2.2.3 标段工程材料运输阶段碳排放核算

高速公路工程建设过程中，采用的运输方式一般为公路运输，因此本文仅针对公路运输进行碳排放计算，具体见表3[6，11-12]。

本标段工程材料运输阶段产生的碳排放量为17 032.55 tCO2e，其中建筑原材料运输产生的碳排放为6 431.08 tCO2e，占运输阶段碳排放总量的37.76%;混凝土运输产生的碳排放为4 994.35 tCO2e，占运输阶段碳排放总量的29.32%;钢材运输产生的碳排放为4 793.76 tCO2e，占运输阶段碳排放总量的28.14%;塑料及其他化工材料、火工品及铁制加工品运输产生的碳排放较小，分别占物化阶段排放总量的4.39%、0.36%、0.03%。

2.2.4 标段工程土建施工阶段碳排放核算

标段工程土建施工阶段碳排放主要是项目工区施工设备耗能产生的碳排放及项目部及工区施工人员日常活动消耗的一次及二次能源产生的碳排放，具体碳排放见表4[6，13-14]。

本标段工程土建施工阶段产生的碳排放量为23 267.05 tCO2e，其中能源燃烧所产生的直接碳排放为10 479.36 tCO2e，占土建施工阶段总排放的45.04%，汽油、柴油、液化石油气及乙炔消耗产生的碳排放占比分别为9.53%、35.13%、0.37%和0.01%;外购电力使用所产生的间接碳排放为12 787.68 tCO2e，占土建施工阶段总排放的54.96%。

2.2.5 标段工程土建阶段碳排放核算结果分析

汇总高速公路标段土建过程4个阶段的碳排放量，见表5。本案例高速公路标段工程土建阶段产生的碳排放总量为456 449.38 tCO2e，碳排放强度为34 579.50 tCO2e/km，标段工程征拆阶段、材料物化阶段、材料运输阶段、土建施工阶段的碳排放量分别为3 949.45、

412 200.32、17 032.56、23 267.05 tCO2e，碳排放强度分别为299.20、31 227.30、1 290.35、1 762.66 tCO2e/km。

由图1可以看出不同阶段对高速公路标段工程土建过程的碳排放贡献程度，标段工程土建过程的减排重点在材料物化阶段，该阶段碳排放量占土建阶段总碳排放的90.31%，减排潜力巨大;征拆阶段、材料运输阶段及土建施工阶段的碳排放贡献程度较低，仅占高速公路标段工程土建阶段总碳排放的9.69%，对土建阶段碳排放影响较小。

3 高速公路土建阶段碳减排潜力分析

3.1 情景参数设置

由碳排放核算结果分析可知，材料物化阶段是高速公路土建施工过程中的碳减排重要环节，钢材以及混凝土在高速公路建设中均属于高碳排放建材。结合有关再生建材使用的相关文献，采用情景分析法，对未来高速公路土建施工过程中碳排放水平及潜力进行预测。以2023年为参考年，设置3种情景，分别为基准情景、保守型情景及乐观型情景，情景指标的选取及设置参考《“十四五”建筑节能与绿色建筑发展规划》[15]，具体情景参数设置见表6。本研究所使用的再生碳排放系数数据参考相关研究文献[16]至[17]。

3.2 碳减排潜力分析

碳排放强度指单位面积的碳排放量，将此参数与敏感性分析结果共同作为分析碳减排潜力的重要指标，计算结果如图2所示。至2023年8月高速公路土建阶段的碳排放强度为34 579.50 tCO2e/km，通过使用可再生混凝土及钢材，碳排放强度显著降低。2028年，情景一（保守型）、情景二（乐观型）的碳排放强度分别为32 978.88、31 552.38 tCO2e/km，较基准碳排放强度降低4.63%、8.75%;2035年，情景一（保守型）碳排放强度为32 108.29 tCO2e/km，较基准碳排放强度下降7.15%。情景二（乐观型）碳排放强度最低，为29 637.09 tCO2e/km，较基准碳排放强度实现最大降幅，为14.29%。

4 结论

本文对某高速公路标段工程土建阶段碳排放进行量化核算及碳减排潜力分析，结论如下。

1）本文将高速公路土建过程划分为4个阶段，依据阶段划分提出高速公路土建阶段碳排放核算边界，构建了基于排放系数法的高速公路施工过程的碳排放计算模型，全面涵盖了高速公路土建过程涉及碳排放的各个内容，特别是完善了建设前期由于征地减少的植物碳汇部分碳排放量。

2）高速公路土建阶段的碳排放主要由材料物化阶段产生，占土建过程总排放的90.31%，其他阶段对总体碳排放影响较小。

3）结合情景设置探讨了可再生建材比例对高速公路土建施工的减碳可行性。围绕着碳减排潜力分析的结果，能够有针对性地制定各阶段减排措施。

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第一作者简介：龙伟（1970-），男，高级工程师，总经理，总工程师。研究方向为公路工程。

*通信作者：梁彦桐（1998-），男，工程师。研究方向为基础设施低碳理论、路域碳汇。