喬 蘭，鄧乃夫，李慶文，王秀格，張慶龍，王雅文

1) 北京科技大學(xué)城市地下空間工程北京市重點實驗室，北京 100083 2) 北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院，北京 100083 3) 交通運輸部規(guī)劃研究院，北京 100028

全球變暖的負面影響是不言而喻的，溫室氣體是導(dǎo)致全球變暖的根本原因.為了應(yīng)對全球變暖，世界主要責(zé)任國都在確定自己的行動計劃和減排路徑.中國已經(jīng)制定了自己的“雙碳”目標(biāo)，即2030 年碳達峰，2060 年達到碳中和.二氧化碳作為碳排放的主要組成部分，交通運輸業(yè)產(chǎn)生的二氧化碳排放是學(xué)者們首先關(guān)注的問題.而我國公路運輸在鐵路、水運、航空和管道運輸?shù)榷喾N運輸方式中占據(jù)重要地位.因此，推進綠色公路的全生命周期建設(shè)尤為重要，這也是中國交通規(guī)劃建設(shè)的主要理念[1].Zhang 等[2]對我國道路交通碳排放做了系統(tǒng)的調(diào)查和分析，總結(jié)出影響交通碳排放的主要因素為需求側(cè)因素、供給側(cè)因素和環(huán)境計量因素三類.Wei 等[3]基于符合法規(guī)的路線優(yōu)化模型，研究了公路貨運部門的碳減排問題.Huang 等[4]關(guān)注了公路車輛排放的褐碳的濃度、光學(xué)特性和排放因子.隨著研究的深入，在當(dāng)前的國際環(huán)境下，公路建設(shè)的碳排放已成為一個新的研究方向.Shang 等[5]將高速公路的生命周期分為建筑材料生產(chǎn)、施工、養(yǎng)護和拆除廢棄四個階段，并分析了能源消耗和大氣排放情況.Anthonissen 等[6]將二氧化碳排放量作為公路建設(shè)項目的評判標(biāo)準.Krantz 等[7]提出了一種用于道路建設(shè)規(guī)劃階段的替代方案已實現(xiàn)減碳優(yōu)化.Peng 等[8]研究了用于高速公路建設(shè)的碳排放計算方法和低碳技術(shù).為了對高速公路的碳排放進行更好地評價，研究人員提出了多種碳排放評價模型和計算方法.Liu 等[9]通過不確定性分析估算了實際高速公路項目施工階段的二氧化碳排放量.Liu 等[10]利用生命周期評估（LCA）確定了高速公路養(yǎng)護項目的二氧化碳減排潛力.Jiang 等[11]通過混合生命周期評估方法（HLCA）評估了道路使用、維護和修復(fù)的碳排放.

對于任一種碳排放估算體系，碳足跡都是碳排放計算的基礎(chǔ).Muhammad 等[12]總結(jié)了高速公路發(fā)展的碳足跡計算方法.Roukounakis 等[13]開發(fā)了一個碳足跡模型，用于計算高速公路的溫室氣體排放.在高速公路建設(shè)項目中常使用高碳含量的材料，如瀝青，因而路面工程在碳排放估算中被廣泛分析.Chen 等[14]基于LCA 方法對橡膠瀝青再生路面的節(jié)能減排效果進行了研究.Qi[15]分析了瀝青混凝土路面預(yù)防性養(yǎng)護技術(shù)的碳排放情況.Peng 等[16]提出了瀝青路面施工中碳排放的定量評價方法，并應(yīng)用于實際路面工程中.Barbieri 等[17]評估了瀝青路面在生產(chǎn)、施工和使用階段的二氧化碳排放量.然而這些方法在數(shù)據(jù)更新、結(jié)果分析等方面還有待優(yōu)化，不足以應(yīng)對復(fù)雜工程項目的碳排放測算.

經(jīng)過詳細的碳足跡篩選，本文嘗試以各單位工程建設(shè)期內(nèi)源性碳排放為研究對象核算公路工程碳排放量，采用工程計價類比的統(tǒng)計手段，構(gòu)建了公路工程建設(shè)階段使用的材料和工程機械設(shè)備的碳排放因子數(shù)據(jù)庫，并基于歸因全生命周期評價（ALCA）方法建立了自下而上的碳排放估算體系，實現(xiàn)了公路工程碳排放的智能估算、統(tǒng)計和分析.

1 全生命周期碳排放估算建模

廣義上說，全生命周期評價方法分為歸因全生命周期評價（ALCA）和歸果全生命周期評價（CLCA）兩種.CLCA 是通過能夠反映碳排放情況的邊際數(shù)據(jù)來間接解算碳排放量，例如由于碳排放會導(dǎo)致溫度升高，通過獲取溫度升高量建立碳排放間接計算模型推演碳排放量.而ALCA 是一種基于過程的全生命周期評價方法，通過采集與碳排放有直接因果關(guān)系的數(shù)據(jù)，逐級列項相加得到碳排放量.例如通過能源使用產(chǎn)生的碳排放推算使用該能源的機械設(shè)備的碳排放，進而推算使用該機械的單元工程的碳排放，最后匯總得到公路工程的碳排放量.

公路工程建設(shè)全生命周期具有流程連續(xù)且多級分布的特點，相應(yīng)的碳排放估算同樣具備多層級、連續(xù)流程的特性.因此，ALCA 更適用于公路工程建設(shè)期的碳排放估算建模.開展材料、機械設(shè)備等方面的碳溯源是公路工程建設(shè)階段全生命周期碳排放的關(guān)鍵環(huán)節(jié).而由于建設(shè)階段是公路生命周期的重要階段，具有資源消耗密集、碳排放強度高的特點，同時建設(shè)階段所需材料種類、施工工序較多，不同公路項目建設(shè)階段碳排放水平差異明顯.因此，本文基于“自下而上”的統(tǒng)計理念建立碳排放估算模型，以碳排放測算、特征分析和碳排大戶分析為目標(biāo)，引入分項工程-分部工程-單位工程-單項工程層級結(jié)構(gòu)，評估公路工程建設(shè)期全生命周期的碳排放值.

1.1 公路工程建設(shè)結(jié)構(gòu)性劃分

公路工程建設(shè)階段碳排放估算與公路工程建設(shè)階段計價具有高度相似性：一是均具有單價性特點，二是材料和機械設(shè)備的計量來源相同.據(jù)此，在公路工程建設(shè)的碳計量中，本項目主要采用以單項、單位、分部、分項工程為劃分標(biāo)準的建設(shè)項目分解方法，統(tǒng)一工程計量中的材料及機械設(shè)備碳消耗的統(tǒng)計尺度，實現(xiàn)建設(shè)工程造價管理工作的科學(xué)化與標(biāo)準化.因此，在結(jié)構(gòu)化測算公路工程項目建設(shè)階段的碳排放時，參考公路工程項目施工定額的結(jié)構(gòu)劃分方法，將公路工程項目劃分為單項工程-單位工程-分部工程-分項工程（圖1），并據(jù)此建立“自下而上”的碳排放估算模型.

圖1 公路工程建設(shè)階段單元過程劃分示意圖Fig.1 Schematic diagram of the division of highway engineering projects

單項工程，即公路工程建設(shè)項目，是指一個建設(shè)單位中具有獨立的設(shè)計文件、竣工后可以獨立發(fā)揮生產(chǎn)職能或者工程效益的工程單元.公路工程建設(shè)中主要指一整條高速公路或者一個區(qū)段的公路工程項目.

單位工程，是單項工程的組成部分，是指具有單獨設(shè)計和獨立施工條件，但不能獨立發(fā)揮生產(chǎn)能力或效益的工程.公路工程建設(shè)主要包括路基工程、路面工程、隧道工程、橋涵工程、交叉工程、交通工程、臨時工程等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的單位工程.在不同公路工程中，路基條件差別較大，隧道工程、橋涵工程、臨時工程等要求不統(tǒng)一，不易于數(shù)據(jù)的直觀展示，因此在本研究中，碳排放智能估算軟件的應(yīng)用和案例解析中將主要集中在對公路建設(shè)中的路面工程進行全生命周期的碳排放.

分部工程作為單位工程的組成部分，是按部位、材料和工種進一步分解單位工程形成的工程.每一個單位工程仍然是一個較大的組合體，它本身是由許多結(jié)構(gòu)構(gòu)件、部件或更小的部分所組成，把這些內(nèi)容按部位、材料和工種進一步分解，就是分部工程.例如，根據(jù)《公路工程估算指標(biāo)JTG/T 3821—2018》[18]，我國公路路面工程分為路面墊層、穩(wěn)定土基層、瀝青路面面層和路面零星工程四個部分，其中路面墊層、穩(wěn)定土基層按土層面積進行工程量計算，瀝青路面面層按公路實體進行工程量計算，路面零星工程按路基長度進行計算.

分項工程作為是分部工程的組成部分，指能夠單獨地經(jīng)過一定施工工序就能完成，并且可以采用適當(dāng)計量單位計算的建筑或安裝工程.由于影響各分部工程材料消耗規(guī)模的因素還很多，為方便計算工程成本和材料消耗，有必要將分部工程按不同的施工方法、不同的結(jié)構(gòu)、不同的規(guī)格等進一步分解為若干個子項目.分項工程是公路工程建設(shè)階段材料和施工機械使用量的基本計量單位.

1.2 碳排放測算全生命周期建模思路

全生命周期模型建模思路與模型結(jié)構(gòu)是公路建設(shè)階段碳排放估算模型建模的基礎(chǔ)和依據(jù).公路工程建設(shè)為一次性活動，施工條件復(fù)雜多變.但總體上來說，公路建設(shè)各基礎(chǔ)工程單元的施工在時間和空間上合理組織，各施工活動按序施工，工序間關(guān)系也有規(guī)律可循.因此，公路建設(shè)階段碳排放估算首先需要基于公路建設(shè)階段碳排放要素分析結(jié)果，進行公路建設(shè)階段結(jié)構(gòu)化，按照“單項—單位—分部—分項”的施工時序和層級將整個公路建設(shè)階段劃分為相互獨立且具有統(tǒng)一碳排放測算表達的單元過程，基于全生命周期估算模型完成單元過程碳排放測算，然后按照公路建設(shè)階段單元過程“自下而上”進行組合估算，最終獲得公路建設(shè)階段的整體碳排放.

本文提出的公路項目建設(shè)階段結(jié)構(gòu)化碳排放估算方法共分為五個部分，如圖2 所示.第一部分是上節(jié)提到的公路工程單元過程劃分，目的是將常規(guī)的公路工程體系進行統(tǒng)一的“自下而上”的結(jié)構(gòu)性拆分，方便碳排放估算體系搭建；第二部分是碳足跡分析及碳排放清單歸納，目的是追溯并匯總國內(nèi)外碳排放數(shù)據(jù)，提煉適用于公路工程建設(shè)階段在材料以及機械設(shè)備兩方面的碳排放因子數(shù)據(jù)；第三部分是數(shù)據(jù)庫的搭建，通過構(gòu)建統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)，將碳排放因子數(shù)據(jù)以及公路工程單元過程劃分結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)進行封裝，方便數(shù)據(jù)庫的維護、更新以及索引調(diào)用；第四部分是碳排放估算，基于工程計價原理，針對不同層級的碳排放進行估算；第五部分是碳排放分析，基于MATLAB 整合碳排放估算模型、碳排放數(shù)據(jù)庫以及碳排放評價體系，實現(xiàn)公路工程建設(shè)的智能估算結(jié)果統(tǒng)計與分析.

圖2 公路工程建設(shè)全周期碳排放估算方法總覽Fig.2 Life-cycle carbon emission assessment method for highway construction projects

綜上，基于“單項—單位—分部—分項”結(jié)構(gòu)劃分的公路建設(shè)階段碳排放估算流程如下：

（1）依據(jù)《公路工程估算指標(biāo)JTG/T 3821—2018》對公路基礎(chǔ)建設(shè)工程進行單元過程劃分.

（2）分析研究邊界內(nèi)單元過程的物質(zhì)名錄，確定筑路材料及機械設(shè)備清單.

（3）依據(jù)清單判斷是否需要進行能耗追溯，若為機械設(shè)備清單則需要根據(jù)單元過程追溯，采集物質(zhì)名單內(nèi)各物質(zhì)的能耗量，再依據(jù)《公路工程估算指標(biāo)JTG/T 3821—2018》獲得物質(zhì)名錄內(nèi)各物質(zhì)的工程量；若為材料清單則直接進行單元過程清單數(shù)據(jù)采集與計算，獲得名錄內(nèi)各物質(zhì)的工程量.

（4）在物質(zhì)名錄內(nèi)各物質(zhì)的工程量基礎(chǔ)上，結(jié)合碳排放因子數(shù)據(jù)庫，計算獲得單元過程生命周期碳排放數(shù)據(jù).

（5）“自下而上”匯總獲得建設(shè)階段各分項、各分部、各單位及各單項工程的碳排放量.

1.3 “自下而上”碳排放估算建模

采用“自下而上”的計算模型估算評價公路建設(shè)工程全生命周期的碳排放值，按照分項工程—分部工程—單位工程—單項工程的層級進行計算.估算模型的參數(shù)如表1 所示.

表1 估算模型參數(shù)定義Table 1 Parameter definition for the assessment model

本文的單元過程碳排放由材料及機械設(shè)備兩部分構(gòu)成，結(jié)合表1 中的模型參數(shù)定義，材料相關(guān)碳排放量模型為：

機械設(shè)備相關(guān)碳排放量模型為：

基于“自下而上”的測算理念，則單一分項工程的碳排放總和估算模型為：

同理，單一分部工程的碳排放測算模型為：

單一單位工程的碳排放測算模型為：

單一單項工程，即某一公路工程建設(shè)期的碳排放測算模型為：

在本文中，式(6)的單位工程為路基工程、路面工程、隧道工程、橋涵工程、交叉工程、交通工程、臨時工程等7 項，因此j=1,2,3,4,5,6,7.若需要同時估算多個公路工程建設(shè)期的總碳排放量，可用式（7）模型進行計算：

2 碳足跡分析和碳排放數(shù)據(jù)庫構(gòu)建

高速公路項目建設(shè)規(guī)模大，工程結(jié)構(gòu)復(fù)雜，每個項目所處位置不同，且每個項目受環(huán)境氣候、地質(zhì)、水文等自然條件的影響，工程技術(shù)水平、公路等級、質(zhì)量標(biāo)準和工程量也存在很大差異，其碳排放有各自的特點，不同公路項目的碳排放不可能完全相同.因此，在統(tǒng)計公路項目建設(shè)階段的碳排放清單和碳排放因子時，有必要在結(jié)構(gòu)上將建設(shè)工程分解成盡可能小的單元，使工程量和碳排放計算盡可能達到相對準確的水平.

2.1 公路工程建設(shè)階段碳排放要素及清單分析

公路工程建設(shè)全生命周期的碳排放，主要考慮與建筑材料有關(guān)的碳排放以及與建設(shè)活動有關(guān)的碳排放兩個來源.從建筑材料全生命周期進行分析，主要包括公路工程原材料開采、加工生產(chǎn)、運輸至施工現(xiàn)場等材料物化的整個過程中消耗的資源材料以及設(shè)備消耗共同產(chǎn)生的碳排放.根據(jù)已有研究，公路工程建設(shè)過程中的碳排放主要來源是建筑材料的生產(chǎn)活動，在建設(shè)過程總碳排放量中約占60%～90%[19]，其次來源于工程現(xiàn)場的建設(shè)活動，最后是來自材料的拌合和運輸.由于材料拌合、運輸與現(xiàn)場建設(shè)活動3 類活動均是通過施工機械和車輛實現(xiàn)的，其碳排放均與施工機械設(shè)備有關(guān)，本質(zhì)來自于能源燃料的使用，故本文將材料拌合、材料運輸、現(xiàn)場建設(shè)活動統(tǒng)一考慮為與機械設(shè)備有關(guān)的碳排放.

2.1.1 建筑材料生產(chǎn)階段碳排放

公路建設(shè)階段筑路材料涉及建筑砂石材料、無機結(jié)合料及制品、有機結(jié)合料及混合料、工程高分子材料、公路工程用材料和新型的復(fù)合材料等，主要分為主要材料和次要、零星材料.主要材料指經(jīng)過加工后能構(gòu)成工程實體的各種材料（包括外購件、成品、半成品），例如鋼材、水泥、木材、磚、瓦、石灰、砂和石等.

目前針對房屋建筑材料全生命周期的碳排放，眾多發(fā)達國家政府和國際組織已經(jīng)通過大量調(diào)研形成了系統(tǒng)的碳排放核算標(biāo)準，并形成了例如歐洲生命周期數(shù)據(jù)庫（ELCD）[20]的國際主流碳排放數(shù)據(jù)庫.2010 年，四川大學(xué)的劉夏璐等[21]也在參考國外標(biāo)準數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)上，結(jié)合我國實際情況，建立了中國生命周期參考數(shù)據(jù)庫（CLCD）.龔志起等[22-24]測算得到了水泥、鋼材等建材的碳排放因子.張紅波[25]等根據(jù)材料量換算得出不同瀝青混凝土的碳排放量.王雪英等[26]研究了橡膠瀝青混凝土的碳排放量.然而尚未有專門針對公路建設(shè)工程的碳排放數(shù)據(jù)庫.表2 總結(jié)了主要公路建材碳排放因子.

表2 公路工程全生命周期主要建材的碳排放因子Table 2 List of the carbon emission factors of major building materials for highway projects throughout the duration of the project

2.1.2 機械設(shè)備使用過程中的碳排放

公路不同基礎(chǔ)設(shè)施工程施工機械種類有差異，但是同種基礎(chǔ)設(shè)施現(xiàn)場建設(shè)主要機械設(shè)備類型差異不大，且主要以施工工序和工藝劃分.在公路工程建設(shè)全生命周期中，運輸車輛、施工機械設(shè)備運行產(chǎn)生的碳排放主要來源于柴油、汽油、電力等能源燃料的消耗.目前，能源燃料的碳排放通常是利用物料平衡法計算得到的，ELCD 等國際主流碳排放數(shù)據(jù)庫和我國的CLCD 數(shù)據(jù)庫均提供了常見化石能源的碳排放因子.基于清華大學(xué)的研究數(shù)據(jù)，并綜合氣候中心提供的本地化碳排放因子，本文總結(jié)了公路工程建設(shè)過程中，常用車輛和機械設(shè)備等所需能源燃料的碳排放因子，如表3所示.

表3 公路工程全生命周期常用機械設(shè)備所需燃料的碳排放因子清單Table 3 List of the carbon emission factors of fuels required by the commonly used machinery and equipment for highway projects throughout the duration of the projects

2.2 公路工程建設(shè)關(guān)系型碳排放數(shù)據(jù)庫構(gòu)建

基于碳足跡分析以及碳排放因子清單數(shù)據(jù)，本文利用MySQL 語言搭建了“自下而上”的公路工程建設(shè)全生命周期碳排放數(shù)據(jù)庫，根據(jù)圖2 所示的公路工程建設(shè)項目結(jié)構(gòu)性劃分，相應(yīng)的碳排放數(shù)據(jù)庫同樣需要具有相應(yīng)的層級結(jié)構(gòu)，以此保證在碳排放估算時能夠在不同層級之間進行索引關(guān)聯(lián)，方便碳排放估算模型的數(shù)據(jù)引用以及碳排放清單的后續(xù)更新.如圖3 所示，碳排放數(shù)據(jù)庫分為4 個數(shù)據(jù)表，分別存儲單位工程—分部工程—分項工程和碳排放因子數(shù)據(jù).

圖3 碳排放數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)和索引關(guān)系Fig.3 Structure and index relation in the carbon emission database

為了實現(xiàn)不同數(shù)據(jù)庫之間的索引和調(diào)用，本文引入唯一標(biāo)識碼作為每個數(shù)據(jù)類目的索引ID.其中，單位工程數(shù)據(jù)表用以存儲公路建設(shè)工程內(nèi)涵蓋的7 種基本單位工程.每種單位工程用唯一的標(biāo)識變量（Unit project ID, UPID）進行標(biāo)記，方便后續(xù)關(guān)系型數(shù)據(jù)表的關(guān)聯(lián)以及數(shù)據(jù)的索引.分部工程數(shù)據(jù)表用以存儲各單位工程下的子工程類目，并用唯一標(biāo)識變量（Subproject ID, SPID）進行標(biāo)記，同時，在各分部工程類目后也標(biāo)注上其所屬單位工程的UPID，用以數(shù)據(jù)串聯(lián)索引.分項工程數(shù)據(jù)表用以存儲各分部工程下的工程量定額數(shù)據(jù)，工程量分為機械設(shè)備工程量與材料工程量，不同工程量用唯一的標(biāo)識變量（Item project ID, IPID）進行標(biāo)記，該數(shù)據(jù)庫與分部工程數(shù)據(jù)類目編制依據(jù)《公路工程估算指標(biāo) JTG/T 3821—2018》規(guī)范要求.分項工程數(shù)據(jù)表中，除了記錄標(biāo)識變量、項目名稱、所屬分部工程SPID 外，還記錄了不同項目的工程量大小、單位、代號、所屬碳排放清單、能耗大小、能耗單位以及碳排放因子標(biāo)識變量（Carbon emission factor ID, CEID）.其中能耗大小和能耗單位參照項目方提供的施工機械臺班單價計算表進行錄入.碳排放因子標(biāo)識變量CEID 則來源于碳排放因子數(shù)據(jù)表.該數(shù)據(jù)表記錄了不同機械設(shè)備使用燃料及工程材料生產(chǎn)的碳排放因子數(shù)據(jù).本文搭建的MySQL 關(guān)系型碳排放數(shù)據(jù)庫的優(yōu)勢在于對于任意的公路工程項目，均可按照圖3 所示的數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)錄入相應(yīng)數(shù)據(jù).對于缺乏相關(guān)數(shù)據(jù)的工程項目，也可以利用本文搭建的一般性標(biāo)準數(shù)據(jù)庫缺省值進行補錄，在一定程度上還原真實工程用料情況，準確高效還原公路工程建設(shè)項目的碳排放指標(biāo).

3 碳排放智能估算應(yīng)用

3.1 碳排放智能估算軟件功能

基于碳排放估算模型以及創(chuàng)建的碳排放數(shù)據(jù)庫，在MATLAB app designer 上二次開發(fā)了公路工程建設(shè)期碳排放智能估算分析軟件，用于對國內(nèi)不同公路工程建設(shè)項目碳排放進行自動化計算和數(shù)據(jù)分析.其功能模塊主要包括數(shù)據(jù)庫讀取、工程參數(shù)設(shè)置、碳排放數(shù)據(jù)統(tǒng)計及碳排放數(shù)據(jù)分析（圖4）.

圖4 碳排放智能估算軟件功能界面.(a)數(shù)據(jù)庫讀取模塊；(b)工程參數(shù)設(shè)置模塊；(c)碳排放數(shù)據(jù)統(tǒng)計模塊；(d)碳排放數(shù)據(jù)分析模塊-碳排放來源分析；(e)碳排放數(shù)據(jù)分析模塊-碳排放大戶定位Fig.4 Functional interface of the carbon emission intelligent assessment software: (a) data input module; (b) project configuration module; (c) carbon emission statistics; (d) carbon emission analysis; (e) major carbon emitters acquisition

碳排放數(shù)據(jù)庫導(dǎo)入模塊能夠連接MySQL 數(shù)據(jù)庫，讀取最新的碳排放數(shù)據(jù)庫，并實時顯示出不同層級數(shù)據(jù)表中的內(nèi)容，同時可以對顯示數(shù)據(jù)進行排序操作.

工程參數(shù)錄入模塊會根據(jù)不同工程類型特點，依次提供諸如公路等級、土方量、工程里程、地形類別等參數(shù)的設(shè)置界面，用以輸入目標(biāo)工程的相關(guān)參數(shù).同時，該模塊還提供計算和記錄功能，能夠依據(jù)錄入工程信息自動估算公路工程建設(shè)階段的碳排放量，并記錄下來，以供后續(xù)方案比選使用.

碳排放數(shù)據(jù)統(tǒng)計模塊則會根據(jù)計算模型，“自下而上”依次統(tǒng)計各分項工程、分部工程、單位工程的碳排放量(見圖4(c))，同時在分部工程和單位工程的碳排放統(tǒng)計中會分別統(tǒng)計出機械設(shè)備和材料的總碳排放量.此外，碳排放統(tǒng)計和分析模塊還支持Microsoft Excel 數(shù)據(jù)導(dǎo)出功能.

在碳排放數(shù)據(jù)分析模塊中，會自動將碳排放統(tǒng)計數(shù)據(jù)繪制成直方圖和餅圖，可視化不同分項工程、分部工程、單位工程的碳排放量，同時還會自動抓取各分部工程、單位工程的碳排放大戶（排名前5）并統(tǒng)計各自的碳排放百分比.此外，碳排放分析模塊還提供不同工程方案的碳排放比選功能，能夠記錄不同方案下同類型工程項目的碳排放統(tǒng)計數(shù)據(jù)，并自動繪制柱狀圖多維度比選各工程方案在機械設(shè)備、材料和總工程量中的碳排放數(shù)據(jù)（圖4(d～e)）.

3.2 碳排放智能估算案例分析

對交通運輸部規(guī)劃研究院設(shè)計的江津經(jīng)瀘州至宜賓高速公路四川段宜賓分段內(nèi)某支線高速公路和張掖至汶川（郎木寺至川主寺段）兩個高速公路（簡稱宜賓支線和郎川支線）路面工程的案例進行估算分析.

宜賓支線高速公路長23.559 km，限速80 km·h-1，路基寬度25.5 m，路面寬度22.0 m，雙向4 車道，采用瀝青混凝土路面，路面總厚度為89 cm，路面零星工程長13.132 km.郎川支線高速公路長193.651 km，限速100 km·h-1，路基寬度26 m，路面寬度22.5 m，雙向4 車道，采用瀝青混凝土路面，路面總厚度為87 cm，路面零星工程長117.383 km.其結(jié)構(gòu)組成及工程量如表4 所示.

表4 路面工程數(shù)量表Table 4 Quantityof the material used during pavement work

將表4 所列數(shù)據(jù)分別輸入碳排放智能估算軟件，其中宜賓支線的路面墊層方量是297571 m2，厚度是0.15 m；穩(wěn)定土基層僅有水泥碎石基層，方量為557920 m2，總厚度是0.56 m；瀝青路面面層由瀝青混凝土、改性瀝青混凝土和瑪蹄脂碎石三層構(gòu)成，其方量分別為291215、290080 和288904 m2；最后的路面零星工程里程為13.132 km.郎川支線的路面工程的路面墊層方量是3212938 m2，厚度是0.15 m；穩(wěn)定土基層僅有水泥碎石基層，方量為5961594 m2，總厚度是0.54 m；瀝青路面面層由瑪蹄脂碎石、改性瀝青混凝土和瀝青混凝土三層構(gòu)成，其方量分別為2683179、2706989 和2740322 m2；最后的路面零星工程里程為117.383 km.依據(jù)表4錄入的工程參數(shù)信息，結(jié)合碳排放計算模型，碳排放智能估算軟件能夠即時核算出該路面工程的碳排放定額數(shù)據(jù).圖5 展示了兩組案例路面工程各分部工程的碳排放統(tǒng)計分析結(jié)果，由圖可知，在瀝青路面工程中，主要的碳排放來源為穩(wěn)定土基層和瀝青路面面層的碳排放，占據(jù)了總碳排放的99.6%以上，而路面墊層和零星工程的碳排放則相差了2～3 個數(shù)量級，可以忽略.此外，在穩(wěn)定土基層碳排放中又以材料消耗的碳排放為主導(dǎo)，機械設(shè)備的碳排放微乎其微.但是在瀝青路面墊層的碳排放中，機械設(shè)備和材料的碳排放基本相當(dāng).

圖5 兩支線路面工程各分部工程碳排放統(tǒng)計分析.(a)宜賓支線路面工程碳排放分析結(jié)果; (b) 郎川支線路面工程碳排放分析結(jié)果Fig.5 Statistical analysis of carbon emissions for each section of the pavement project: (a) carbon emission analysis of the Yibin branch pavement project; (b) carbon emission analysis of the Langchuan branch pavement project

此外，碳排放智能估算軟件還可統(tǒng)計不同路面工程在具體機械設(shè)備以及材料的碳排放占比情況方面快速鎖定最小單元過程下的碳排放大戶.圖6 展示了宜賓支線路面工程在總碳排放量統(tǒng)計視角下的碳排放源分析結(jié)果.可知，最小的單元過程，即分項工程的碳排放占比中，排名前5 的碳排放大戶均為材料相關(guān)的碳排放，其中又以C32.5 水泥的碳排放為主導(dǎo)，其占據(jù)了該路面工程約67%的碳排放.因此，C32.5 水泥是當(dāng)之無愧的碳排放第一大戶，也是該路面工程應(yīng)該著重需要考慮的減碳節(jié)能目標(biāo).排行前5 的碳排放大戶還包括了不同混凝土層的碎石和改性瀝青的碳排放，其占據(jù)了約7%的碳排放，也屬于路面工程的碳排放減碳重點目標(biāo).

圖6 路面工程碳排放大戶分析結(jié)果.(a)路面工程總碳排放大戶分析；(b)路面工程機械設(shè)備使用碳排放大戶分析；(c)路面工程材料使用碳排放大戶分析Fig.6 Carbon emissions analysis: (a) share of the top 5 carbon emitters in the pavement project; (b) share of the top 5 carbon emitters from machinery in the pavement project; (c) share of the top 5 carbon emitters from material in the pavement project

在該路面工程在機械設(shè)備上，碳排大戶主要是功率為380 t·h-1的瀝青攪拌機，不難發(fā)現(xiàn)，該瀝青攪拌機在不同的瀝青混凝土制備中均作為主力機械設(shè)備，是需要重點關(guān)注的碳排放大戶.在材料方面則是C32.5 水泥的碳排放量占比最大，這與總碳排放占比的分析結(jié)論一致.

從分析結(jié)果可知，機械設(shè)備的碳排放來源主要為汽油、柴油等能源燃料，其生產(chǎn)、運輸產(chǎn)生的碳排放量較工程材料合成所產(chǎn)生的碳排放相比要小的多，特別是水泥的制備過程對碳排放的消耗是最大的.這主要是因為水泥的制備工藝較為繁瑣，制備流程較為復(fù)雜，需經(jīng)過采石場開采、原料粉碎、生料研磨、熟料煅燒、熟料冷卻干燥、熟料二次研磨、成品存儲運輸?shù)榷鄠€環(huán)節(jié).每個制備環(huán)節(jié)又涉及到復(fù)雜的能源消耗，因此，在路面工程的節(jié)能減排的重點上，還是以材料優(yōu)先為導(dǎo)向，材料提供方需專注于研發(fā)新型節(jié)能材料，材料使用方需研究新型施工工藝減少對碳排放較大材料的使用和依賴.

由于兩個工程采用的設(shè)計規(guī)范和計價標(biāo)準相同，同時兩工程的路面組成類似，郎川支線的路面工程碳排放大戶分析結(jié)果與宜賓支線分析結(jié)果相似.此外，此碳排放估算軟件還能統(tǒng)計各分部工程下的碳排放估算分析，為更小單元過程的碳排放大戶鎖定提供數(shù)據(jù)支撐.對宜賓支線路面工程而言，圖6 可以準確的鎖定該工程的主要碳排放大戶，為工程的節(jié)能減排方向提供理論指導(dǎo)，且更小單元過程的分析結(jié)論與圖6 所示的分析結(jié)論相仿.

4 結(jié)論

為響應(yīng)國家“雙碳”目標(biāo)背景下對交通工程行業(yè)的節(jié)能減碳要求，本文整合了國內(nèi)外公路工程建設(shè)領(lǐng)域的碳排放清單和碳排放因子數(shù)據(jù)，基于ALCA 理論框架建立了碳排放估算模型和碳排放數(shù)據(jù)庫.據(jù)此，利用MATLAB 二次開發(fā)對模型和數(shù)據(jù)庫進行整合，搭建了碳排放智能估算軟件，對國內(nèi)某高速公路路段進行估算分析，在一定程度上反映國內(nèi)公路工程建設(shè)在節(jié)能減碳工作上的掣肘，為后續(xù)交通行業(yè)開展減碳降碳提供一定的理論和數(shù)據(jù)支撐.主要結(jié)論：

(1) 歸納總結(jié)了國內(nèi)外碳排放因子的研究成果，結(jié)合中國公路工程建造特點，匯總了基于公路工程建設(shè)全周期的碳排放因子清單.

(2) 基于工程計價的原理，建立了“自下而上”的公路工程建設(shè)全生命周期碳排放估算模型，適用于國內(nèi)不同公路工程建設(shè)的碳排放估算.

(3) 基于“自下而上”的碳排放計算模型，運用MySQL 語言建立了公路工程建設(shè)關(guān)系型碳排放數(shù)據(jù)庫.該數(shù)據(jù)庫包括單位工程、分部工程、分項工程以及碳排放因子4 個數(shù)據(jù)表，分別記錄不同公路工程所用投資估算及概預(yù)算定額信息以及一般性碳排放因子清單.

(4) 基于MATLAB 搭建了一個公路工程建設(shè)碳排放智能估算軟件，實現(xiàn)了自動化讀取碳排放數(shù)據(jù)庫信息并依據(jù)公路里程量、工程方量、公路等級等估算定額所需信息快速估算特定公路工程建設(shè)期內(nèi)的碳排放量.同時，本文搭建的碳排放智能估算軟件能實時統(tǒng)計分析建設(shè)期各單元過程內(nèi)的碳排放來源組分以及份額，鎖定碳排放大戶，剖析節(jié)能減排重點，為公路工程建設(shè)領(lǐng)域的“雙碳”目標(biāo)提供數(shù)據(jù)支撐.

(5) 公路工程建設(shè)期全生命周期智能估算方法研究和軟件尚存在一些不足，例如本文的測算體系目前僅適用于估算階段的碳排放測算，缺乏在概算、預(yù)算、決算等階段的碳排放測算，缺乏更細致化的碳排放數(shù)據(jù)分析，例如施工組織架構(gòu)、材料周轉(zhuǎn)次數(shù)等因素對碳排放的影響分析.后續(xù)作者會在已有研究基礎(chǔ)上深入細化公路工程建設(shè)全生命周期的碳排放測算研究，為交通行業(yè)碳排放政策制定提供更準確的數(shù)據(jù)和理論支撐.