基于生命周期评价的引水工程碳排放模型研究

赵允亮（辽宁省水利水电勘测设计研究院，辽宁沈阳110003）

基于生命周期评价的引水工程碳排放模型研究

赵允亮
（辽宁省水利水电勘测设计研究院，辽宁沈阳110003）

当前水利工程建设过程成为了二氧化碳密集排放的重要过程，低碳水利的发展趋势要求详细了解水资源配置过程的碳水关系，从而使配置过程更加低碳。生命周期评价方法是近年来人们了解各种环境问题的有效工具，文中以大型引水工程作为研究对象，基于生命周期理论和投入产出的碳排放核算方法进行碳排放核算，建立了引水工程生命周期碳排放核算模型。

引水工程；生命周期评价；碳排放

0 引言

气候变暖是指在一段时间中陆地和海洋大气温度上升的现象，造成该现象的直接原因是温室气体的排放，目前，大约有CO2，CH4、氮氧化物等30多种不同的气体被认为是温室气体，而温室气体的产生主要受人为因素的影响，主要有人口剧增、大气环境污染、海洋生态环境恶化、土地遭侵蚀、盐碱化、沙漠化等破坏、森林资源锐减等因素。气候变暖不仅制约经济发展，同时已经严重影响到能源安全、生态安全和水资源的安全。

在气候变化背景下，随着干旱地区增加，将影响世界六分之一人口的用水。亚洲有10多亿人口将面临严重水资源短缺的问题，而中国的水资源紧张局势也将随之进一步加剧。气候变化将改变水循环机制，进一步加剧水资源供需矛盾。水资源分布从空间上看，东多西少，南多北少；从时间上看，夏秋多，冬春少。而年际变化也非常显著，历史上曾多次出现连续枯水年，造成严重的社会危机。水资源时间和空间上的不平衡分配，使我国许多地区的经济社会发展受制于水资源的供给能力[1]。水资源短缺已成为制约经济社会发展的重要因素，现阶段主要采取的解决措施即采取跨流域引水等工程措施，包括已经建成的引黄入晋工程、引滦入津工程、引碧入连工程和在建的世界上最大调水工程南水北调工程等，近年来水资源配置工程建设突飞猛进，发挥了相当重要的经济效益。根据2013年全国水利发展公报显示，全社会共落实水利投资3 954亿元，全年水利建设完成土方、石方和混凝土方分别为36亿m3、54亿m3、0.7亿m3，其中引水工程在建投资规模达到3 304.4亿元[2]。大型引水工程的发展反映了人类改造自然能力的技术和水平，但同时也在建设和运行阶段消耗了大量资源和能源，产生的二氧化碳占据了温室气体排放的重要份额。

如何平衡水资源供需矛盾和缓解气候变暖，成为近年来环境领域的重点关注问题。秦天玲在对白洋淀流域碳排放和需水预测模型进行研究的同时，实现了碳减排和地下水恢复、生态保护等多重目标，并为大型引水工程水资源配置提供了理论依据。在通过引水工程达到对水资源的优化配置的基础上，对传统水资源利用形式进行创新和改革，进而减缓气候变化，也是我国水利实现低碳发展模式的重要机遇和挑战，将进一步促进水利改革的发展。低碳水利是在保证水资源安全可持续供给的前提下，以降低水利建设的能源资源消耗为目标，将水利工程建设和运行过程的碳排放管理作为主要内容，不断进行技术创新和制度改革，实现水资源的持续利用、水利工程的低碳建设和节能运行，最终达到水资源利用的可持续发展。

1 LCA评价方法和碳排放评价方法

1.1 生命周期评价方法

生命周期评价（Life Cycle Assessment，LCA）是一种用于评价产品或服务相关的环境因素及其整个生命周期环境影响的工具。它被定义为“对一个产品的某个过程或某个活动生命周期中物质与能量以及潜在环境影响的汇编与评价”，是对产品从“摇篮”到“坟墓”的评价。目前已被国际标准化组织（ISO）纳入ISO14000环境管理系列标准，成为国际上进行环境管理重要工具。

随着该理论的逐渐完善，学者在交通业[3]、畜牧业[4]、化工业[5]、食品业、机械制造业[6]、旅游业[7]等领域开展了积极的研究。

生命周期理论由于建筑业施工过程的碳排放规模相对于工业较小而起步较晚，但近年来随着人们意识到建筑业对其他相关产业的巨大拉动作用，相关研究逐渐增多，尤其是2010—2013年[8]。张智慧利用投入产出法计算了2007年全国建筑业关联碳排放达到181 144万t，证明了建筑业对碳排放有重要的影响。王上[9]利用成都市的住宅作为研究对象，分析了住宅从建材生产、建设、运行维护、拆解及回收各个阶段的碳排放量，研究表明住宅使用过程中碳排放量最高，占到全生命周期的90%。蔡向荣等[10]通过对住宅的碳排放影响分析，论证了材料生产阶段和使用阶段的节能潜力。

1.2 碳排放评价方法

过程分析法基于生命周期理论，根据 Setac提出的研究大纲，该方法在概念上易于理解，在制定范围边界后，对评价过程进行详细的分析，在数据可获性和可靠度较高时，计算结果相对准确，但要花费较高的时间和成本，有时很难得到一手的数据资料。基于过程的分析方法主要是参照国际标准化组织ISO提出的生命周期评价框架。首先通过分析过程流程图中的输入输出要素，明确过程的研究边界和碳排放要素；然后根据建立的材料生产、材料运输和建设过程碳排放清单，结合调研获得的碳排放要素的数量，最终核算出该建设项目的碳排放量。如 Junnila从材料制造和现场设备两个方面，评价了建设过程的碳排量，此外Gustavsson[11]、Tang[12]也都应用过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

建设项目的全生命周期评价，按照时间节点一般划分为原材料生产、材料运输、建设和运行四个阶段，而原材料生产、材料运输和建设三个阶段一般又称为项目的物化阶段。原材料生产阶段是建设项目碳排放物化阶段最重要的碳排放时期，原材料生产过程中涉及到资源开采、运输、筛选、加工、精炼和包装等多个过程，而在这些过程中都涉及到能源的消耗和碳排放。材料运输阶段指的是从原材料离开生产车间到施工场地这一过程，其碳排放来源主要来源于运输车辆汽油、柴油等能源的消耗。建设阶段的碳排放源，主要指施工单位在施工建造阶段所有与项目有关的施工行为造成的碳排放，针对引水工程，主要包括的是土方开挖、石方开挖、混凝土衬砌等采用大型机械设备的施工过程。

2.2 生命周期评价的系统边界

调研过程中引水工程的资源能源消耗情况，绘制引水工程的生命周期系统边界如图1所示。生命周期评价的系统边界，即确定要纳入到模型的单元过程。在理想情况下，建立产品系统的模型时，应使其边界上的输入和输出均为基本流。但在实际生产建设过程中，受到研究时间、人员和数据来源的限制，一般无法进行这样全面的研究。因此在该研究过程中将主要资源能源作为基本流输入，向空气、水体以及土壤的排放属于基本流输出，而碳排放的基本流输出则只限定为CO2的排放。

2.3 引水工程碳排放模型

根据上文中对碳排放源的分析及项目实施阶段的划分，该研究中将大型引水工程的碳排放划分为四个阶段目：原材料阶段、材料运输阶段、工程建设阶段、工程运行阶段。从项目每一阶段获取数据，对数据进行分析，列出碳排放清单。该研究通过相关文献确定材料和能源的碳排放系数后，根据水利建筑工程概算定额和水利水电工程机械台时费定额，确定单位工程量的碳排放量的基础上，结合对东北地区引水工程建设和运行过程的调查分析，构建了大型引水工程碳排放核算模型，见图1。

图1 引水工程碳排放核算模型

3 引水工程案例分析

研究选择项目的建设单位、环评单位、设计单位、监理单位、施工单位作为调研单位，以四个大型引水工程案例作为分析案例，案例均为东北地区典型的的引水工程，调研期间，大伙房输水工程（一期）已建成运行，引大入连工程处于项目建设后期，引松供水和引观入本工程处于建设高峰期。调研方式包括文献调研、数据库调研、工程资料调研、现场实地调研四个部分，其中材料生产及能源碳排放系数来源于查找文献及数据库，工程调研的数据采集自案例的可研报告、环评报告、合同工程量清单、单价分析表、及物资设备消耗统计表等。

运用上文提出的模型，核算了大伙房水库输水工程（一期）、引大入连、引松供水、引观入本四个项目的碳排放量。计算结果表明，引水工程运行阶段是碳排放最重要的阶段，工程建设过程中，原材料生产阶段碳排放占比70%~80%，材料运输阶段占1%~2%，建设阶段占比10%~20%。

4 结语

引水工程在缓解区域水资源短缺、保障经济发展等方面起到了重要的作用，然而在满足人类需求的同时，引水工程建设过程和运行过程对资源能源的大量消耗，直接和间接产生了大量温室气体排放，为了能够平衡水资源供需矛盾，兑现节能减排承诺，需要关注水资源配置过程所产生的碳排放量，因此有必要对引水工程项目实施过程各个阶段的碳排放进行分析研究，优化配置方案，加强施工和运行过程碳排放管理，以减少项目碳排放。生命周期评价作为一种环境管理工具，已经被广泛应用于碳排放核算研究中。所以基于生命周期理论，建立引水工程碳排放核算模型，分析碳排放要素，实现碳排放过程的控制管理，在保证供水安全的前提下，使水资源配置过程更加低碳节能，具有重要的理论与现实意义。

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2016-11-10