周穎 ZHOU Ying；秦雙雙 QIN Shuang-shuang

（石家莊鐵道大學經濟管理學院，石家莊 050043）

0 引言

高速公路等交通基礎設施的建設，需要消耗大量原材料和能源，同時產生大量二氧化碳等溫室氣體，對環(huán)境的破壞日益顯著?！吨袊笆奈濉币?guī)劃綱要》中指出，構建高速公路環(huán)線系統(tǒng)，有序推進城市軌道交通發(fā)展，并提出在十四五期間新改建高速公路里程2.5萬公里[1]，若干年內我國高速公路建設工程仍將持續(xù)推進。在綠色發(fā)展的要求下，對高速公路建設期碳排放展開研究，為采取相應的節(jié)能減排策略提供理論依據，對實現社會經濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護雙贏具有重要意義。

國內外學者針對高速公路建設期碳排放進行了一系列的研究。Y.Itoh以計算不同的橋型使用建筑材料與施工工藝帶來的二氧化碳排放，得出了二氧化碳排放在不同的橋型所帶來的差異[2]；Stripple從生產，建設角度分析了瀝青路面與水泥混凝土路面的能耗，結果表明，混凝土能耗高[3]；Qazi Aurangzed研究了在材料生產、建設、養(yǎng)護三個階段再生瀝青路面的碳排放[4]。但是，不同國家和地區(qū)材料種類、機械設備以及施工工藝有很大不同，國外的計算工具不能直接應用到我國的實際當中。近年來，張振浩等對橋梁建設期不同施工方法產生的碳排放進行對比分析[5]；方海等利用構建的碳排放計算模型與能耗監(jiān)測系統(tǒng)對高速公路路面的碳排放進行計算并分析[6]；張紅波和孟祥晨等研究瀝青路面分別在在原材料生產、運輸以及施工三個階段與拌合階段的碳排放情況[7-8]。

上述文獻大部分研究主要針對高速公路某一分部工程展開，本文在此基礎上綜合考慮高速公路建設期整體碳排放，并對各階段以及各項原材料的碳排放進行對比分析。

1 高速公路建設期碳排放范圍界定

參考生命周期評價理論，根據高速公路建設期的作業(yè)活動，本文將高速公路建設期的碳排放劃分為材料物化、機械施工和材料運輸三個階段，見表1。

表1 高速公路建設期碳排放范圍界定

2 高速公路建設期碳排放的計算方法

2.1 計算方法

碳排放計算常用的方法主要分為三類，分別為實測法、質量平衡法、排放系數法，國際上使用排放系數法較為廣泛[9]。排放系數法[10]是《IPCC 2006國家溫室氣體排放清單指南》推薦的方法，用物質的碳排放系數與活動數據的乘積進行計算。

2.2 計算模型

根據本文界定的范圍，高速公路建設期包括材料物化、機械施工和材料運輸三個階段：

式中：C總為三個階段總的碳排放量；C1為材料物化階段碳排放量；C2為機械施工階段碳排放量；C3為材料運輸階段碳排放量。

2.2.1 材料物化階段碳排放計算模型

式中：C1為材料物化階段碳排放量；i為材料種類；Mi為材料i的消耗量；λi為材料i的碳排放系數。

在材料物化階段涉及的原材料包括混凝土、瀝青和鋼材等，其中根據不同類型混凝土配合比計算，鋼材碳排放系數取自《建筑碳排放計算標準》（GB/T51366-2019），見表2。

表2 材料物化階段主要耗材碳排放系數

2.2.2 機械施工階段碳排放計算模型

式中：C2為機械施工階段碳排放量；j為能源種類；Mj為施工設備使用的能源j的消耗量；λj為能源j的碳排放系數；P為耗電量；η為電力平均碳排放系數。

機械施工階段過程中的CO2排放主要來源與機械設備消耗的汽油、柴油和電能?；谑澜缳Y源研究所（WRI）提出的基于燃料重量或體積的碳排放系數計算方法，化石燃料的二氧化碳排放系數=平均低位發(fā)熱量[11]*單位熱值含碳量[12]*碳氧化率[12]*44/12，參考《中國能源統(tǒng)計年鑒2020》、《省級溫室氣體清單編制指南》整理得到相關化石燃料碳排放系數，其中電能的采用華北地區(qū)平均系數，見表3。

表3 主要耗能碳排放系數

2.2.3 材料運輸階段碳排放計算模型

式中：C3為材料運輸階段碳排放量；i為材料種類；j為能源種類；Mij為運輸材料i消耗的能源j的量；λj為能源j的碳排放系數。

3 案例分析

以某高速公路為例，道路采用雙向四車道高速公路標準建設，設計速度80km/h，根據該高速公路建設期工程量清單，考慮其中消耗量最大的三種材料：混凝土、瀝青、鋼材，與使用機械消耗的能源，分別對材料物化、機械施工與運輸階段展開碳排放計算與分析。

3.1 材料物化階段碳排放

依據高速公路的工程量清單可以得到材料物化階段使用的材料用量，并根據表1與公式（2）可得到主要材料的碳排放量見表4所示。

表4 材料物化階段碳排放量

因此，高速公路材料物化階段總碳排放為：

3.2 機械施工階段碳排放

機械施工主要包括路基表面的清理與掘除、挖土石方、鋪設混凝土、挖井明洞開挖、回填等等活動，依據公路工程預算定額與工程量清單，并根據公式（3）計算得到施工機械臺班數與碳排放量，見表5所示。

表5 機械施工階段碳排放量

因此，高速公路機械施工階段總碳排放為：

3.3 材料運輸階段碳排放

在高速公路施工過程中，主要的運輸材料為瀝青、混凝土、鋼材等，依據公路工程預算定額計算得到路基、路面、橋梁和隧道在材料運輸階段所需的臺班，采用15t以內載貨汽車運輸，依據公路工程機械臺班費用定額數據表和表3的能源碳排放系數，根據公式（4）計算得到材料運輸階段總碳排放量為如表6所示。

表6 材料運輸階段碳排放量

因此，材料運輸階段總碳排放量為：

根據公式（1）高速公路的碳排放總量為：

3.4 對比分析

高速公路建設期總碳排放量為3574.7495kt，材料物化階段碳排放量為1538.8054kt，機械施工階段碳排放量為2024.6638kt，材料運輸階段碳排放量為11.2802kt，分別占比43.05%，56.64%，0.32%，見圖1?？梢悦黠@看出，在整個高速公路建設過程中材料運輸產生的碳排放極少，主要來源于材料物化階段和機械施工階段。若要采取節(jié)能減排措施，宜從材料物化階段和機械施工階段入手。

圖1 各階段碳排放量

在高速公路各分部工程中使用的材料主要有瀝青、混凝土和鋼材，統(tǒng)計對比分析如圖2、圖3所示?？梢悦黠@看出，高速公路建設期使用最多的材料是混凝土，占比高達91.33%，其次是鋼材，最后是瀝青，瀝青與鋼材雖然使用量不大，但兩種材料的碳排放量占到材料物化的51%。因此，施工方需要重點關注材料的使用。

圖2 建設期材料消耗量及碳排放量

圖3 建設期機械能源消耗量及碳排放量

通過對高速公路建設期的使用機械設備進行分析，得到能源的消耗量及碳排放量。在使用的機械中，主要能源有電、汽油和柴油，通過對比分析如圖4、圖5所示，可以明顯看出，高速公路建設期機械施工消耗最多的是柴油，占比高達94.94%，其次是電能，最后是汽油，產生的碳排放最多的是柴油，達到97.94%，因此施工方需重點關注使用柴油的機械。

4 結論

本文將高速公路建設期劃分為材料物化、材料運輸和機械施工三個階段，依據階段劃分構建了基于排放系數法的高速公路建設期碳排放計算模型，并針對具體高速公路進行碳排放計算與分析，分析表明：高速公路建設期的三個階段中，材料物化和機械施工階段碳排放碳排放量總和占比較大；在材料物化階段，高速公路建設期瀝青與鋼材使用量較少，但兩種材料產生的碳排放量最大；在機械施工階段，柴油的能源消耗量最大，產生的碳排放量最多。

因此，在高速公路建設期采用節(jié)能環(huán)保的新材料、合理的工藝流程、應用節(jié)能減排新技術或新設備是高速公路節(jié)能減排的重點研究方向，有利于減少在建設期能源的消耗及二氧化碳的排放。