陳坤陽，周 鼎，粟月歡，段華波，陳湘生

(1.深圳大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院，未來地下城市研究院，深圳 518061； 2.濱海城市韌性基礎(chǔ)設(shè)施教育部重點實驗室(深圳大學(xué))，深圳 518060； 3.深圳市地鐵地下車站綠色高效智能建造重點實驗室，深圳 518060； 4.華夏幸?；鶚I(yè)股份有限公司南方總部，深圳 518066)

引言

交通運輸是居民出行和物流服務(wù)的重要基礎(chǔ)支撐和保障。隨著城鎮(zhèn)化水平不斷提升以及城市交通物流與出行需求的多樣化，交通領(lǐng)域已成為我國能源消費、影響城市空氣質(zhì)量和碳排放增長的主體[1]。交通領(lǐng)域(含私人汽車)的碳排放占我國總排放比例約為10%左右，占終端排放比例約為17%[2]。為促進(jìn)交通運輸業(yè)的綠色低碳發(fā)展，我國出臺了一系列政策與措施。如國家發(fā)展和改革委員會于2007年發(fā)布了《綜合交通網(wǎng)絡(luò)中長期發(fā)展規(guī)劃》，明確提出了交通路網(wǎng)建設(shè)提高資源利用效率、減少環(huán)境污染和保護(hù)生態(tài)環(huán)境的要求；2011年，國家交通運輸部發(fā)布了《建設(shè)低碳交通運輸體系指導(dǎo)意見》，提出充分發(fā)揮技術(shù)進(jìn)步在低碳發(fā)展中的基礎(chǔ)性和先導(dǎo)性作用；2017年，國務(wù)院發(fā)布了《“十三五”現(xiàn)代綜合交通運輸體系發(fā)展規(guī)劃》，強(qiáng)調(diào)促進(jìn)交通運輸?shù)木G色發(fā)展；2021年，中共中央、國務(wù)院發(fā)布了《國家綜合立體交通網(wǎng)規(guī)劃綱要》，明確了將綠色交通作為主要發(fā)展目標(biāo)和重要建設(shè)內(nèi)容。

相應(yīng)地，發(fā)展公共交通是減少城市碳排放、推動交通綠色低碳發(fā)展的重要方式[3-4]。軌道交通作為城市公共交通的重要組成部分，因其速度快、運量大、環(huán)境影響低以及節(jié)約土地資源等特點，被廣泛認(rèn)為是提高運輸效率、緩解交通擁堵、提高城市地下空間利用率、實現(xiàn)節(jié)能減排的重要途徑。陳愛俠等(2007)研究表明，軌道交通不僅大量節(jié)約了寶貴土地資源和降低能源消耗，同時減少了汽車尾氣排放和降低了道路交通噪聲[5]。張清等(2012)指出軌道交通是碳排放強(qiáng)度最低的客運方式[6]。CHATURVEDI等(2015)研究表明，軌道交通系統(tǒng)可使交通業(yè)能耗下降5%～20%以及碳排放下降8%～49%[7]，但地鐵等軌道交通在建設(shè)和運營過程中會產(chǎn)生一定的碳排放。MAO等(2021)描述了地鐵發(fā)展模式、建筑材料庫存以及全球219個擁有地鐵城市的實際碳排放量[8]。針對地鐵建設(shè)階段，賀曉彤等(2015)核算了地鐵車站建設(shè)期間的碳排放量[9]，黃旭輝(2019)估算了地鐵盾構(gòu)隧道和地下明挖車站建設(shè)階段的碳排放[10]，LIU等(2019)研究了地鐵車站預(yù)制結(jié)構(gòu)的溫室氣體減排潛力，研究結(jié)果指出單位長度預(yù)制斷面施工比傳統(tǒng)現(xiàn)澆斷面施工溫室氣體減排約13%[11]，LIU等(2021)基于生態(tài)學(xué)視角對低碳建設(shè)的環(huán)境影響進(jìn)行了探討[12]；而針對地鐵運營階段[13]，謝鴻宇等(2011)從列車牽引用電和地鐵站場用電兩方面計算了深圳地鐵的碳排放量，并與公交車、出租車和香港地鐵運營碳排放強(qiáng)度進(jìn)行了對比分析[14]。此外，曾雪蘭等(2015)基于生命周期理論，對比分析了廣佛二期地鐵與出租車、私人載客汽車、公交車、私人摩托車4種客運交通工具的能源利用效率、能源強(qiáng)度和碳排放強(qiáng)度[15]，黃瑩等(2017)提出了居民乘坐地鐵出行減碳量的核算方法，并計算了廣州市居民乘坐地鐵出行的減碳量[16]，DONG等(2018)對深圳公共交通系統(tǒng)的碳排放進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)公交車和地鐵分別占城市公共交通系統(tǒng)碳排放總量的64%和36%，但卻忽略了出租車對其的影響[17]，秦驁等(2020)對地鐵車站全生命周期的碳排放進(jìn)行了計算[18]，趙榮欽等(2021)則對地鐵開通前后居民通勤交通碳排放進(jìn)行了核算[19]。上述針對地鐵碳排放相關(guān)研究主要側(cè)重于微觀或中觀尺度層面，如對特定項目或單一城市或指定生命周期階段的碳排放進(jìn)行研究，而對地鐵減碳方面的研究相對較少，且尚未有研究學(xué)者從宏觀尺度如全國層面分析地鐵全生命周期的碳排放強(qiáng)度和水平，以及探討其減排潛力和發(fā)展策略。

因此，有必要對我國地鐵所產(chǎn)生的碳排放水平及其碳減排效益進(jìn)行系統(tǒng)評估，以促進(jìn)軌道交通的綠色低碳發(fā)展，并助力國家雙碳戰(zhàn)略。本研究將全面分析我國地鐵所產(chǎn)生的碳排放及碳減排效益，并探討其自身建設(shè)與運營減排潛力以及低碳化路徑，具體內(nèi)容如下：(1)定量分析地鐵建設(shè)和運營過程碳排放強(qiáng)度和水平；(2)定量分析地鐵綠色出行的碳減排量；(3)定量分析因地鐵建設(shè)所釋放城市綠地空間的碳匯/碳減排量；(4)定性分析地鐵自身規(guī)劃建設(shè)與運營的碳減排潛力和低碳化、近零排放路徑與策略。研究結(jié)果可為交通運輸業(yè)科學(xué)制定管理政策提供理論模型及數(shù)據(jù)參考。

1 地鐵生命周期碳排放評價方法

1.1 研究方法

生命周期評價(LCA)是一種評價產(chǎn)品(包括服務(wù)或系統(tǒng))從原材料開采到最終處置全過程潛在綜合環(huán)境影響的定量化分析方法[20-21]。開展生命周期評價研究主要包含4個階段：研究目標(biāo)和范圍的確定、數(shù)據(jù)采集與清單分析、環(huán)境影響指標(biāo)選取與定量化分析、評價結(jié)果解釋與討論。本研究采用精簡型LCA方法，并選用二氧化碳排放當(dāng)量(CO2equivalent，CO2e)作為環(huán)境影響評價指標(biāo)，以地鐵(含規(guī)劃建設(shè)和運營階段)為研究對象，構(gòu)建了地鐵生命周期碳排放評價方法，對其碳排放/碳匯情況進(jìn)行定量化分析，對估算過程中的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行持續(xù)修正，以及對評價結(jié)果的科學(xué)性和合理性進(jìn)行解釋。

(1)地鐵規(guī)劃建設(shè)階段碳排放強(qiáng)度和水平

對地鐵建造過程的碳排放測算包括建筑材料生產(chǎn)、運輸及施工機(jī)械設(shè)備(能耗)所產(chǎn)生的直接或間接碳排放。

建材生產(chǎn)階段——交通基礎(chǔ)設(shè)施如地鐵建設(shè)過程需要消耗大量建筑材料，其中全國各類建造過程建材生產(chǎn)所產(chǎn)生的碳排放約占建筑業(yè)全生命周期碳排放的9%～12%[22-23]。建材生產(chǎn)階段的碳排放是指，各類建材從原材料開采、加工、生產(chǎn)到形成最終建材制品整個過程中因資源、能源消耗和污染物排放所產(chǎn)生的直接或間接碳排放。其測算方法如式(1)所示。

(1)

式中，CeM為建材生產(chǎn)階段的碳排放量(CO2e)；Ui為第i種建材消耗量，kg或m3；Ei為第i種建材生產(chǎn)階段的碳排放因子，kg CO2e/單位建材數(shù)量；φi為第i種建材損耗率；a為建設(shè)材料類型；y為地鐵規(guī)劃建設(shè)年份。

建材運輸階段——是地鐵建造碳排放主要貢獻(xiàn)源之一，其主要為使用各類交通運輸工具，將建材從生產(chǎn)地運送到施工現(xiàn)場因能源消耗而產(chǎn)生的直接或間接碳排放。其測算方法如式(2)所示。

(2)

式中，CeT為建材運輸階段的碳排放量(CO2e)；Di，j為第i種建材使用第j種運輸方式的運輸距離，km；Ej為第j種運輸方式下，單位重量運輸距離的碳排放因子，kg CO2e/(t·km)；b為運輸方式(交通工具)種類。

施工階段——本研究對地鐵施工建設(shè)階段碳排放定義為各類施工機(jī)械使用過程中所消耗的能源(如汽油、柴油、電力)產(chǎn)生的碳排放，即包含能源使用過程和上游生產(chǎn)過程兩部分。其中，測算施工機(jī)械能耗主要是根據(jù)軌道交通綜合定額和施工工序，首先計算各施工機(jī)械臺班消耗量；其次查閱施工機(jī)具臺班費用編制規(guī)則——《全國統(tǒng)一施工機(jī)械臺班費用定額2018》，進(jìn)而算出各施工機(jī)械的能源消耗量；再次，結(jié)合商業(yè)化LCA軟件所獲取的本地化(中國化)能源碳排放因子，即可測算施工過程(機(jī)械設(shè)備)產(chǎn)生的碳排放強(qiáng)度。其測算方法如式(3)所示。

(3)

式中，CeC為施工建設(shè)階段的碳排放量，CO2e；Qk為第k種能源的消耗量，L、kg、m3、kW·h；Ek1為第k種能源生產(chǎn)過程的碳排放因子，kg CO2e/L、kg CO2e/kg、kg CO2e/m3；Ek2為第k種能源使用過程的碳排放因子，kg CO2e/L、kg CO2e/kg、kg CO2e/kW·h；c為能源類別。

(2)地鐵運營階段碳排放強(qiáng)度和水平

地鐵運營是地鐵全生命周期中持續(xù)時間最長的階段，其所消耗的能源也相對較大。地鐵運營階段能耗主要包括列車牽引能耗和車站(含車輛段)運行能耗。本研究對地鐵運營階段碳排放主要側(cè)重于列車加速牽引和環(huán)控等系統(tǒng)、車站動力設(shè)備、照明設(shè)備及其他設(shè)備等運行過程中能源能耗所帶來的碳排放影響。值得注意的是，地鐵運營過程的能源消耗主要是電力消耗。為此，本研究在地鐵運營階段僅考慮電力消耗產(chǎn)生的碳排放。其測算方法如式(4)所示。

CeOy=Ut×Ek，e+Us×Ek，e

(4)

式中，CeO為地鐵運營階段總碳排放量，CO2e；Ut為地鐵列車牽引耗電量，kW·h；Us為地鐵車站動力及照明耗電量，kW·h；Ek，e為電力排放因子(全國電網(wǎng)平均水平)，kg CO2e/kW·h。

(3)地鐵運營階段相對減排量

地鐵出行階段碳減排量通過地鐵客運量乘以對應(yīng)人均碳減排當(dāng)量(相對量)得到，其測算方法如式(5)所示。

CeOy-Re.=Py×(Eave-Esub)

(5)

式中，CeOy-Re.為第y年地鐵出行碳減排總量，CO2e；Py為第y年的客運量，人次；Eave.和Esub.則分別表示城市公共交通人均碳排放量和地鐵出行人均碳排放量，kg CO2e /人次，兩者之差值為相對減排量。

(4)地鐵建設(shè)釋放土地資源碳匯量

地鐵建設(shè)釋放土地資源碳匯量為通過開發(fā)地下空間而釋放地上土地資源面積(當(dāng)量)乘以對應(yīng)單位綠植碳匯量(相對量)得到，分別如式(6)和式(7)所示。

(6)

式中，Sy-sub為第y年新建地鐵所釋放的土地面積，m2；Ly-tunnel為第y年地鐵新增運營里程，m；wtunnel為地鐵隧道的寬度，m，即盾構(gòu)一環(huán)的直徑；n為第y年新建地鐵車站數(shù)量，座；ht和wt分別為地鐵車站的長度和寬度，m。

CeSy-Seq.=Sy-sub×Fave.

(7)

式中，CeSy-Seq.為第y年地鐵建設(shè)釋放綠地碳匯總量，CO2e；Fave.為綠地碳匯量，kg CO2e/hm2。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究主要數(shù)據(jù)來源如表1所示。其中，關(guān)于地鐵建造階段建材消耗(類別和數(shù)量)、運輸(距離)和施工過程(施工機(jī)械設(shè)備能耗)等相關(guān)投入產(chǎn)出清單數(shù)據(jù)主要源于項目調(diào)研和資料文獻(xiàn)數(shù)據(jù)，且以基建為主。與建材類別、交通運輸工具和能源消耗相關(guān)的碳排放因子，則主要源于GB T51366—2019《建筑碳排放計算標(biāo)準(zhǔn)》、GaBi商業(yè)數(shù)據(jù)庫(已本地化)和部分參考文獻(xiàn)。與地鐵新增運營里程、地鐵車站數(shù)量、地鐵客運量等歷年相關(guān)數(shù)據(jù)主要源于統(tǒng)計年鑒資料。

表1 地鐵碳減排/碳匯主要指標(biāo)及數(shù)據(jù)來源

1.3 不確定性分析

宏觀層面的LCA分析中由于數(shù)據(jù)類型復(fù)雜且獲取難度大，如難以獲得詳盡的統(tǒng)計數(shù)據(jù)、工程投入產(chǎn)出數(shù)據(jù)，故以案例特征化后代表宏觀水平，因此存在一定的不確定性。本文結(jié)果的不確定度主要來自以下幾方面：(1)除統(tǒng)計數(shù)據(jù)外，其他各類投入產(chǎn)生或排放因子均因數(shù)據(jù)的代表性問題存在一定的誤差;(2)案例特征化，即選擇典型城市地鐵建設(shè)和運營案例進(jìn)行全國層面的特征化研究，而非對所有地鐵項目進(jìn)行調(diào)查和統(tǒng)計。本文通過蒙特卡洛模擬的方式將不確定性考慮在內(nèi)，主要包括3個過程：(1)構(gòu)造或描述概率過程；(2)實現(xiàn)從已知概率分布抽樣；(3)建立各種估計量。數(shù)據(jù)的質(zhì)量指標(biāo)通過不確定度對照表確定[28]。主要參數(shù)的不確定度如表2所示。

表2 LCA分析主要參數(shù)不確定度

地鐵在施工和運營過程中的資源和能源消耗與結(jié)構(gòu)及地域有關(guān)，本研究選取典型城市地鐵建設(shè)和運營案例進(jìn)行分析。在蒙特卡洛模擬中，材料消耗量、施工機(jī)械能耗、CO2排放因子及地鐵運營里程選擇均勻分布，客運量預(yù)測值選擇均勻分布并根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)和理論計算確定地鐵出行碳排放最大值和最小值，確定相應(yīng)的概率密度函數(shù)。對結(jié)果進(jìn)行10 000次計算，并采用了95%的置信水平，不確定度通過結(jié)果討論圖中的誤差線得以展示。

2 研究結(jié)果

(1)地鐵建設(shè)與運營階段碳排放強(qiáng)度和水平

根據(jù)本研究構(gòu)建的地鐵生命周期碳排放評價方法(式(1)～式(4))與歷年地鐵運營里程及客運量等統(tǒng)計數(shù)據(jù)，可測算出2000—2025年中國地鐵建設(shè)與運營階段碳排放強(qiáng)度和水平，其中預(yù)測到2025年地鐵開通里程及客運量數(shù)據(jù)則根據(jù)《十四五規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要草案》中規(guī)劃推算得到。近年來，地鐵建設(shè)與運營過程碳排放量持續(xù)增長，如圖1所示。2020年全國地鐵建設(shè)(按當(dāng)年通車?yán)锍趟?和運營碳排放總量約為2 830萬t，相比2019年下降約12%，這主要是因為地鐵出行人次、對應(yīng)運營里程及時長受疫情影響明顯下降導(dǎo)致。但通車?yán)锍?建設(shè)量)還是趨于穩(wěn)定增長，基于2020年全國地鐵通車?yán)锍虜?shù)據(jù)和相關(guān)的建材消耗、物流運輸和施工等投入產(chǎn)出和排放因子數(shù)據(jù)，可知當(dāng)年地鐵建造階段碳排放總量約為1 860萬t，相比2019年仍增長約4%，隨后仍將持續(xù)穩(wěn)定增長。

圖1 全國地鐵建設(shè)與運營階段碳排放量初步估算數(shù)據(jù)

其中，單位里程盾構(gòu)隧道建設(shè)階段碳排放量約為1.3萬t CO2e/km，建材生產(chǎn)、建材運輸及施工建造階段的碳排放量占比分別是75.3%、1.7%和23%。而單位面積地下車站建設(shè)階段碳排放總量約為371 t CO2e/100 m2，在上述3個階段碳排放量占比分別為81.0%、1.8%及17.2%。此外，單位里程盾構(gòu)隧道建材生產(chǎn)階段的總碳排放量為9 972 t CO2e/km，主要源于隧道管片(60.2%)、水泥(24.3%)和鋼筋混凝土(10.2%)的消耗。施工機(jī)械碳排放主要源于水平運輸機(jī)械、盾構(gòu)機(jī)及通風(fēng)設(shè)備，分別約占28.0%、24.4%及22.3%。

此外，基于地鐵運營階段的人均碳排放量和全國地鐵客運量(約138.6億人次)，得到2020年全國地鐵運營碳排放總量約970萬t CO2e，地鐵牽引和車站對應(yīng)的碳排放約各占50%；因疫情影響，2020年全國地鐵運營碳排放總量與2019年相比降幅高達(dá)32%，其與全球交通客運領(lǐng)域碳排放下降水平基本一致。

(2)地鐵運營階段相對減排潛力分析

將地鐵出行與其他常規(guī)交通出行方式(公交車、出租車、私人小汽車、大巴車等)的碳排放強(qiáng)度(平均水平)相比，得到地鐵出行相對減排量約0.53 kg CO2e /人次[16]，再結(jié)合公式(5)以及客運量統(tǒng)計數(shù)據(jù)，可測算出2000—2025年中國地鐵運營階段相對減排潛力，如圖2所示?？梢钥闯?，雖然受到疫情影響，2020年全國地鐵出行依然可減排(733±13)萬t CO2e，“十四五”期間出行量將會逐漸恢復(fù)并穩(wěn)定增長，預(yù)計2025年地鐵出行相比其他交通方式減排將有望達(dá)到1 240萬t CO2e。依此估算，過去20年(2001—2020年)，居民選擇地鐵出行方式累計減碳量約為1.4億t，約占全國能源領(lǐng)域化石燃料碳排放總量的1%。由于地鐵預(yù)測客運量不是唯一確定的，所以在計算過程中使用最大值和最小值來反映誤差，誤差由Oracle Crystaball模擬計算。

圖2 全國城市居民地鐵出行碳減排量(相對非地鐵交通出行方式)

(3)地鐵建設(shè)釋放城市綠地碳匯潛力分析

根據(jù)式(6)、式(7)，單位地鐵線站(含站場)建設(shè)釋放地面土地面積量，并結(jié)合地鐵建設(shè)里程和車站總量，可獲取全國通過規(guī)劃建設(shè)地鐵交通所釋放的城市土地資源(面積)—相對于其他公共交通方式，進(jìn)一步結(jié)合城市綠地碳匯效益和水平，可測算全國尺度的碳匯總量。2020年全國地鐵建設(shè)所釋放的城市綠地碳匯或碳減排量約為29.8萬t CO2e，預(yù)計到2025年將達(dá)到44.8萬t CO2e(圖3)，增長33%。地鐵自建設(shè)以來因開發(fā)地下空間而釋放的城市綠地累計碳匯量近400萬t CO2e，相當(dāng)于不丹全國能源消耗碳排放總量(2018年)。

圖3 全國地鐵建設(shè)釋放城市綠地碳匯效益(碳減排)

(4)地鐵規(guī)劃建設(shè)與運營碳排放及其低碳化發(fā)展

上述分析表明，地鐵建設(shè)與運營具有顯著的碳匯或碳減排效益。但另一方面，隨著地鐵大量規(guī)劃建設(shè)及開通運營里程的持續(xù)增長，面臨著自身建設(shè)和運營帶來的資源、能源大量消耗及對應(yīng)碳排放問題，因而有必要對地鐵規(guī)劃建設(shè)與運營過程所產(chǎn)生的環(huán)境影響，特別是碳排放強(qiáng)度和水平進(jìn)行系統(tǒng)評價，并研究其低碳化發(fā)展技術(shù)路徑和管理策略。

地鐵軌道交通全生命周期包括規(guī)劃、設(shè)計、建設(shè)、運營、維護(hù)和最終拆除等階段，其中運營階段是持續(xù)時間最長、能源消耗最大且產(chǎn)生碳排放最多的階段[29]。而地鐵節(jié)能降碳不僅可節(jié)約運營成本，且具有顯著的環(huán)境效益。地鐵現(xiàn)有各類節(jié)能降碳技術(shù)和方法：如地鐵車站和列車牽引節(jié)能等方面主要包括再生制動技術(shù)[30]、地鐵基地屋頂光伏發(fā)電技術(shù)[31]、設(shè)備能效優(yōu)化與能源綜合管理[32]，規(guī)劃設(shè)計方面則主要是考慮優(yōu)化平縱斷面設(shè)計中的線路坡度、曲線半徑和站間距等[33]。

本研究團(tuán)隊綜合考慮上述多種減排技術(shù)并結(jié)合其發(fā)展趨勢，情景分析表明：建設(shè)階段如建材生產(chǎn)與運輸、現(xiàn)場施工節(jié)能降耗減排空間相對較小(10%～15%)；運營階段最高雖可減少排放40%～50%，但碳排放總量仍接近500萬～1 000萬t CO2e[20]。未來通過能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整和持續(xù)優(yōu)化，如廣泛使用太陽能、風(fēng)能或地?zé)岬惹鍧嵞茉匆约霸黾泳G地碳匯或碳交易，有望實現(xiàn)更大幅度的減碳，并提前實現(xiàn)2060年碳中和目標(biāo)。

3 結(jié)論

地鐵在建設(shè)與運營過程中消耗了巨量的資源與能源，現(xiàn)已成為城市交通領(lǐng)域碳排放的主要貢獻(xiàn)源。本研究旨在評估城市軌道交通碳排放水平及其減排潛力，并進(jìn)一步探討了地鐵的低碳、近零碳排放路徑與策略。近年來全國地鐵建設(shè)和運營碳排放總量為2 500萬～3 500萬tCO2e/年；地鐵隧道單位里程碳排放約為1.3萬tCO2e/km，單位面積地下車站碳排放約為371 t CO2e/100m2，居民地鐵出行碳排放約為0.7 kg CO2e/人次。相比其他常規(guī)出行方式，地鐵綠色出行年減排當(dāng)量約為730萬t CO2e(2020年)，預(yù)計2025年減排潛力將達(dá)到1 240萬t CO2e。而因開發(fā)地下空間釋放土地資源形成的城市綠地碳匯量約為30萬t CO2e(2020年)，預(yù)計到2025年將達(dá)到44.8萬t CO2e。未來可通過推廣節(jié)能減排技術(shù)與方案，緩解城市軌道交通碳排放的快速增長。同時，應(yīng)優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，提高清潔新能發(fā)電比例，以減少與能源組合相關(guān)的排放，提升碳減排潛力。研究結(jié)果可為交通領(lǐng)域科學(xué)實現(xiàn)綠色低碳轉(zhuǎn)型及制定地鐵系統(tǒng)節(jié)能管理政策提供理論支撐及數(shù)據(jù)參考。