趙允亮（遼寧省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，遼寧沈陽(yáng)110003）

基于生命周期評(píng)價(jià)的引水工程碳排放模型研究

趙允亮
（遼寧省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，遼寧沈陽(yáng)110003）

當(dāng)前水利工程建設(shè)過(guò)程成為了二氧化碳密集排放的重要過(guò)程，低碳水利的發(fā)展趨勢(shì)要求詳細(xì)了解水資源配置過(guò)程的碳水關(guān)系，從而使配置過(guò)程更加低碳。生命周期評(píng)價(jià)方法是近年來(lái)人們了解各種環(huán)境問(wèn)題的有效工具，文中以大型引水工程作為研究對(duì)象，基于生命周期理論和投入產(chǎn)出的碳排放核算方法進(jìn)行碳排放核算，建立了引水工程生命周期碳排放核算模型。

引水工程；生命周期評(píng)價(jià)；碳排放

0 引言

氣候變暖是指在一段時(shí)間中陸地和海洋大氣溫度上升的現(xiàn)象，造成該現(xiàn)象的直接原因是溫室氣體的排放，目前，大約有CO2，CH4、氮氧化物等30多種不同的氣體被認(rèn)為是溫室氣體，而溫室氣體的產(chǎn)生主要受人為因素的影響，主要有人口劇增、大氣環(huán)境污染、海洋生態(tài)環(huán)境惡化、土地遭侵蝕、鹽堿化、沙漠化等破壞、森林資源銳減等因素。氣候變暖不僅制約經(jīng)濟(jì)發(fā)展，同時(shí)已經(jīng)嚴(yán)重影響到能源安全、生態(tài)安全和水資源的安全。

在氣候變化背景下，隨著干旱地區(qū)增加，將影響世界六分之一人口的用水。亞洲有10多億人口將面臨嚴(yán)重水資源短缺的問(wèn)題，而中國(guó)的水資源緊張局勢(shì)也將隨之進(jìn)一步加劇。氣候變化將改變水循環(huán)機(jī)制，進(jìn)一步加劇水資源供需矛盾。水資源分布從空間上看，東多西少，南多北少；從時(shí)間上看，夏秋多，冬春少。而年際變化也非常顯著，歷史上曾多次出現(xiàn)連續(xù)枯水年，造成嚴(yán)重的社會(huì)危機(jī)。水資源時(shí)間和空間上的不平衡分配，使我國(guó)許多地區(qū)的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展受制于水資源的供給能力[1]。水資源短缺已成為制約經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要因素，現(xiàn)階段主要采取的解決措施即采取跨流域引水等工程措施，包括已經(jīng)建成的引黃入晉工程、引灤入津工程、引碧入連工程和在建的世界上最大調(diào)水工程南水北調(diào)工程等，近年來(lái)水資源配置工程建設(shè)突飛猛進(jìn)，發(fā)揮了相當(dāng)重要的經(jīng)濟(jì)效益。根據(jù)2013年全國(guó)水利發(fā)展公報(bào)顯示，全社會(huì)共落實(shí)水利投資3 954億元，全年水利建設(shè)完成土方、石方和混凝土方分別為36億m3、54億m3、0.7億m3，其中引水工程在建投資規(guī)模達(dá)到3 304.4億元[2]。大型引水工程的發(fā)展反映了人類改造自然能力的技術(shù)和水平，但同時(shí)也在建設(shè)和運(yùn)行階段消耗了大量資源和能源，產(chǎn)生的二氧化碳占據(jù)了溫室氣體排放的重要份額。

如何平衡水資源供需矛盾和緩解氣候變暖，成為近年來(lái)環(huán)境領(lǐng)域的重點(diǎn)關(guān)注問(wèn)題。秦天玲在對(duì)白洋淀流域碳排放和需水預(yù)測(cè)模型進(jìn)行研究的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了碳減排和地下水恢復(fù)、生態(tài)保護(hù)等多重目標(biāo)，并為大型引水工程水資源配置提供了理論依據(jù)。在通過(guò)引水工程達(dá)到對(duì)水資源的優(yōu)化配置的基礎(chǔ)上，對(duì)傳統(tǒng)水資源利用形式進(jìn)行創(chuàng)新和改革，進(jìn)而減緩氣候變化，也是我國(guó)水利實(shí)現(xiàn)低碳發(fā)展模式的重要機(jī)遇和挑戰(zhàn)，將進(jìn)一步促進(jìn)水利改革的發(fā)展。低碳水利是在保證水資源安全可持續(xù)供給的前提下，以降低水利建設(shè)的能源資源消耗為目標(biāo)，將水利工程建設(shè)和運(yùn)行過(guò)程的碳排放管理作為主要內(nèi)容，不斷進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新和制度改革，實(shí)現(xiàn)水資源的持續(xù)利用、水利工程的低碳建設(shè)和節(jié)能運(yùn)行，最終達(dá)到水資源利用的可持續(xù)發(fā)展。

1 LCA評(píng)價(jià)方法和碳排放評(píng)價(jià)方法

1.1 生命周期評(píng)價(jià)方法

生命周期評(píng)價(jià)（Life Cycle Assessment，LCA）是一種用于評(píng)價(jià)產(chǎn)品或服務(wù)相關(guān)的環(huán)境因素及其整個(gè)生命周期環(huán)境影響的工具。它被定義為“對(duì)一個(gè)產(chǎn)品的某個(gè)過(guò)程或某個(gè)活動(dòng)生命周期中物質(zhì)與能量以及潛在環(huán)境影響的匯編與評(píng)價(jià)”，是對(duì)產(chǎn)品從“搖籃”到“墳?zāi)埂钡脑u(píng)價(jià)。目前已被國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）納入ISO14000環(huán)境管理系列標(biāo)準(zhǔn)，成為國(guó)際上進(jìn)行環(huán)境管理重要工具。

隨著該理論的逐漸完善，學(xué)者在交通業(yè)[3]、畜牧業(yè)[4]、化工業(yè)[5]、食品業(yè)、機(jī)械制造業(yè)[6]、旅游業(yè)[7]等領(lǐng)域開(kāi)展了積極的研究。

生命周期理論由于建筑業(yè)施工過(guò)程的碳排放規(guī)模相對(duì)于工業(yè)較小而起步較晚，但近年來(lái)隨著人們意識(shí)到建筑業(yè)對(duì)其他相關(guān)產(chǎn)業(yè)的巨大拉動(dòng)作用，相關(guān)研究逐漸增多，尤其是2010—2013年[8]。張智慧利用投入產(chǎn)出法計(jì)算了2007年全國(guó)建筑業(yè)關(guān)聯(lián)碳排放達(dá)到181 144萬(wàn)t，證明了建筑業(yè)對(duì)碳排放有重要的影響。王上[9]利用成都市的住宅作為研究對(duì)象，分析了住宅從建材生產(chǎn)、建設(shè)、運(yùn)行維護(hù)、拆解及回收各個(gè)階段的碳排放量，研究表明住宅使用過(guò)程中碳排放量最高，占到全生命周期的90%。蔡向榮等[10]通過(guò)對(duì)住宅的碳排放影響分析，論證了材料生產(chǎn)階段和使用階段的節(jié)能潛力。

1.2 碳排放評(píng)價(jià)方法

過(guò)程分析法基于生命周期理論，根據(jù) Setac提出的研究大綱，該方法在概念上易于理解，在制定范圍邊界后，對(duì)評(píng)價(jià)過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)的分析，在數(shù)據(jù)可獲性和可靠度較高時(shí)，計(jì)算結(jié)果相對(duì)準(zhǔn)確，但要花費(fèi)較高的時(shí)間和成本，有時(shí)很難得到一手的數(shù)據(jù)資料?；谶^(guò)程的分析方法主要是參照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO提出的生命周期評(píng)價(jià)框架。首先通過(guò)分析過(guò)程流程圖中的輸入輸出要素，明確過(guò)程的研究邊界和碳排放要素；然后根據(jù)建立的材料生產(chǎn)、材料運(yùn)輸和建設(shè)過(guò)程碳排放清單，結(jié)合調(diào)研獲得的碳排放要素的數(shù)量，最終核算出該建設(shè)項(xiàng)目的碳排放量。如 Junnila從材料制造和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備兩個(gè)方面，評(píng)價(jià)了建設(shè)過(guò)程的碳排量，此外Gustavsson[11]、Tang[12]也都應(yīng)用過(guò)程分析法研究建筑的碳排放量。

2 引水工程碳排放模型

2.1 引水工程碳排放源分析

建設(shè)項(xiàng)目的全生命周期評(píng)價(jià)，按照時(shí)間節(jié)點(diǎn)一般劃分為原材料生產(chǎn)、材料運(yùn)輸、建設(shè)和運(yùn)行四個(gè)階段，而原材料生產(chǎn)、材料運(yùn)輸和建設(shè)三個(gè)階段一般又稱為項(xiàng)目的物化階段。原材料生產(chǎn)階段是建設(shè)項(xiàng)目碳排放物化階段最重要的碳排放時(shí)期，原材料生產(chǎn)過(guò)程中涉及到資源開(kāi)采、運(yùn)輸、篩選、加工、精煉和包裝等多個(gè)過(guò)程，而在這些過(guò)程中都涉及到能源的消耗和碳排放。材料運(yùn)輸階段指的是從原材料離開(kāi)生產(chǎn)車間到施工場(chǎng)地這一過(guò)程，其碳排放來(lái)源主要來(lái)源于運(yùn)輸車輛汽油、柴油等能源的消耗。建設(shè)階段的碳排放源，主要指施工單位在施工建造階段所有與項(xiàng)目有關(guān)的施工行為造成的碳排放，針對(duì)引水工程，主要包括的是土方開(kāi)挖、石方開(kāi)挖、混凝土襯砌等采用大型機(jī)械設(shè)備的施工過(guò)程。

2.2 生命周期評(píng)價(jià)的系統(tǒng)邊界

調(diào)研過(guò)程中引水工程的資源能源消耗情況，繪制引水工程的生命周期系統(tǒng)邊界如圖1所示。生命周期評(píng)價(jià)的系統(tǒng)邊界，即確定要納入到模型的單元過(guò)程。在理想情況下，建立產(chǎn)品系統(tǒng)的模型時(shí)，應(yīng)使其邊界上的輸入和輸出均為基本流。但在實(shí)際生產(chǎn)建設(shè)過(guò)程中，受到研究時(shí)間、人員和數(shù)據(jù)來(lái)源的限制，一般無(wú)法進(jìn)行這樣全面的研究。因此在該研究過(guò)程中將主要資源能源作為基本流輸入，向空氣、水體以及土壤的排放屬于基本流輸出，而碳排放的基本流輸出則只限定為CO2的排放。

2.3 引水工程碳排放模型

根據(jù)上文中對(duì)碳排放源的分析及項(xiàng)目實(shí)施階段的劃分，該研究中將大型引水工程的碳排放劃分為四個(gè)階段目：原材料階段、材料運(yùn)輸階段、工程建設(shè)階段、工程運(yùn)行階段。從項(xiàng)目每一階段獲取數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，列出碳排放清單。該研究通過(guò)相關(guān)文獻(xiàn)確定材料和能源的碳排放系數(shù)后，根據(jù)水利建筑工程概算定額和水利水電工程機(jī)械臺(tái)時(shí)費(fèi)定額，確定單位工程量的碳排放量的基礎(chǔ)上，結(jié)合對(duì)東北地區(qū)引水工程建設(shè)和運(yùn)行過(guò)程的調(diào)查分析，構(gòu)建了大型引水工程碳排放核算模型，見(jiàn)圖1。

圖1 引水工程碳排放核算模型

3 引水工程案例分析

研究選擇項(xiàng)目的建設(shè)單位、環(huán)評(píng)單位、設(shè)計(jì)單位、監(jiān)理單位、施工單位作為調(diào)研單位，以四個(gè)大型引水工程案例作為分析案例，案例均為東北地區(qū)典型的的引水工程，調(diào)研期間，大伙房輸水工程（一期）已建成運(yùn)行，引大入連工程處于項(xiàng)目建設(shè)后期，引松供水和引觀入本工程處于建設(shè)高峰期。調(diào)研方式包括文獻(xiàn)調(diào)研、數(shù)據(jù)庫(kù)調(diào)研、工程資料調(diào)研、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地調(diào)研四個(gè)部分，其中材料生產(chǎn)及能源碳排放系數(shù)來(lái)源于查找文獻(xiàn)及數(shù)據(jù)庫(kù)，工程調(diào)研的數(shù)據(jù)采集自案例的可研報(bào)告、環(huán)評(píng)報(bào)告、合同工程量清單、單價(jià)分析表、及物資設(shè)備消耗統(tǒng)計(jì)表等。

運(yùn)用上文提出的模型，核算了大伙房水庫(kù)輸水工程（一期）、引大入連、引松供水、引觀入本四個(gè)項(xiàng)目的碳排放量。計(jì)算結(jié)果表明，引水工程運(yùn)行階段是碳排放最重要的階段，工程建設(shè)過(guò)程中，原材料生產(chǎn)階段碳排放占比70%~80%，材料運(yùn)輸階段占1%~2%，建設(shè)階段占比10%~20%。

4 結(jié)語(yǔ)

引水工程在緩解區(qū)域水資源短缺、保障經(jīng)濟(jì)發(fā)展等方面起到了重要的作用，然而在滿足人類需求的同時(shí)，引水工程建設(shè)過(guò)程和運(yùn)行過(guò)程對(duì)資源能源的大量消耗，直接和間接產(chǎn)生了大量溫室氣體排放，為了能夠平衡水資源供需矛盾，兌現(xiàn)節(jié)能減排承諾，需要關(guān)注水資源配置過(guò)程所產(chǎn)生的碳排放量，因此有必要對(duì)引水工程項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程各個(gè)階段的碳排放進(jìn)行分析研究，優(yōu)化配置方案，加強(qiáng)施工和運(yùn)行過(guò)程碳排放管理，以減少項(xiàng)目碳排放。生命周期評(píng)價(jià)作為一種環(huán)境管理工具，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于碳排放核算研究中。所以基于生命周期理論，建立引水工程碳排放核算模型，分析碳排放要素，實(shí)現(xiàn)碳排放過(guò)程的控制管理，在保證供水安全的前提下，使水資源配置過(guò)程更加低碳節(jié)能，具有重要的理論與現(xiàn)實(shí)意義。

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