高速公路建设期碳排放计算与分析

周颖 ZHOU Ying；秦双双 QIN Shuang-shuang

（石家庄铁道大学经济管理学院，石家庄 050043）

0 引言

高速公路等交通基础设施的建设，需要消耗大量原材料和能源，同时产生大量二氧化碳等温室气体，对环境的破坏日益显著。《中国“十四五”规划纲要》中指出，构建高速公路环线系统，有序推进城市轨道交通发展，并提出在十四五期间新改建高速公路里程2.5万公里[1]，若干年内我国高速公路建设工程仍将持续推进。在绿色发展的要求下，对高速公路建设期碳排放展开研究，为采取相应的节能减排策略提供理论依据，对实现社会经济发展与生态环境保护双赢具有重要意义。

国内外学者针对高速公路建设期碳排放进行了一系列的研究。Y.Itoh以计算不同的桥型使用建筑材料与施工工艺带来的二氧化碳排放，得出了二氧化碳排放在不同的桥型所带来的差异[2]；Stripple从生产，建设角度分析了沥青路面与水泥混凝土路面的能耗，结果表明，混凝土能耗高[3]；Qazi Aurangzed研究了在材料生产、建设、养护三个阶段再生沥青路面的碳排放[4]。但是，不同国家和地区材料种类、机械设备以及施工工艺有很大不同，国外的计算工具不能直接应用到我国的实际当中。近年来，张振浩等对桥梁建设期不同施工方法产生的碳排放进行对比分析[5]；方海等利用构建的碳排放计算模型与能耗监测系统对高速公路路面的碳排放进行计算并分析[6]；张红波和孟祥晨等研究沥青路面分别在在原材料生产、运输以及施工三个阶段与拌合阶段的碳排放情况[7-8]。

上述文献大部分研究主要针对高速公路某一分部工程展开，本文在此基础上综合考虑高速公路建设期整体碳排放，并对各阶段以及各项原材料的碳排放进行对比分析。

1 高速公路建设期碳排放范围界定

参考生命周期评价理论，根据高速公路建设期的作业活动，本文将高速公路建设期的碳排放划分为材料物化、机械施工和材料运输三个阶段，见表1。

表1 高速公路建设期碳排放范围界定

2 高速公路建设期碳排放的计算方法

2.1 计算方法

碳排放计算常用的方法主要分为三类，分别为实测法、质量平衡法、排放系数法，国际上使用排放系数法较为广泛[9]。排放系数法[10]是《IPCC 2006国家温室气体排放清单指南》推荐的方法，用物质的碳排放系数与活动数据的乘积进行计算。

2.2 计算模型

根据本文界定的范围，高速公路建设期包括材料物化、机械施工和材料运输三个阶段：

式中：C总为三个阶段总的碳排放量；C1为材料物化阶段碳排放量；C2为机械施工阶段碳排放量；C3为材料运输阶段碳排放量。

2.2.1 材料物化阶段碳排放计算模型

式中：C1为材料物化阶段碳排放量；i为材料种类；Mi为材料i的消耗量；λi为材料i的碳排放系数。

在材料物化阶段涉及的原材料包括混凝土、沥青和钢材等，其中根据不同类型混凝土配合比计算，钢材碳排放系数取自《建筑碳排放计算标准》（GB/T51366-2019），见表2。

表2 材料物化阶段主要耗材碳排放系数

2.2.2 机械施工阶段碳排放计算模型

式中：C2为机械施工阶段碳排放量；j为能源种类；Mj为施工设备使用的能源j的消耗量；λj为能源j的碳排放系数；P为耗电量；η为电力平均碳排放系数。

机械施工阶段过程中的CO2排放主要来源与机械设备消耗的汽油、柴油和电能。基于世界资源研究所（WRI）提出的基于燃料重量或体积的碳排放系数计算方法，化石燃料的二氧化碳排放系数=平均低位发热量[11]*单位热值含碳量[12]*碳氧化率[12]*44/12，参考《中国能源统计年鉴2020》、《省级温室气体清单编制指南》整理得到相关化石燃料碳排放系数，其中电能的采用华北地区平均系数，见表3。

表3 主要耗能碳排放系数

2.2.3 材料运输阶段碳排放计算模型

式中：C3为材料运输阶段碳排放量；i为材料种类；j为能源种类；Mij为运输材料i消耗的能源j的量；λj为能源j的碳排放系数。

3 案例分析

以某高速公路为例，道路采用双向四车道高速公路标准建设，设计速度80km/h，根据该高速公路建设期工程量清单，考虑其中消耗量最大的三种材料：混凝土、沥青、钢材，与使用机械消耗的能源，分别对材料物化、机械施工与运输阶段展开碳排放计算与分析。

3.1 材料物化阶段碳排放

依据高速公路的工程量清单可以得到材料物化阶段使用的材料用量，并根据表1与公式（2）可得到主要材料的碳排放量见表4所示。

表4 材料物化阶段碳排放量

因此，高速公路材料物化阶段总碳排放为：

3.2 机械施工阶段碳排放

机械施工主要包括路基表面的清理与掘除、挖土石方、铺设混凝土、挖井明洞开挖、回填等等活动，依据公路工程预算定额与工程量清单，并根据公式（3）计算得到施工机械台班数与碳排放量，见表5所示。

表5 机械施工阶段碳排放量

因此，高速公路机械施工阶段总碳排放为：

3.3 材料运输阶段碳排放

在高速公路施工过程中，主要的运输材料为沥青、混凝土、钢材等，依据公路工程预算定额计算得到路基、路面、桥梁和隧道在材料运输阶段所需的台班，采用15t以内载货汽车运输，依据公路工程机械台班费用定额数据表和表3的能源碳排放系数，根据公式（4）计算得到材料运输阶段总碳排放量为如表6所示。

表6 材料运输阶段碳排放量

因此，材料运输阶段总碳排放量为：

根据公式（1）高速公路的碳排放总量为：

3.4 对比分析

高速公路建设期总碳排放量为3574.7495kt，材料物化阶段碳排放量为1538.8054kt，机械施工阶段碳排放量为2024.6638kt，材料运输阶段碳排放量为11.2802kt，分别占比43.05%，56.64%，0.32%，见图1。可以明显看出，在整个高速公路建设过程中材料运输产生的碳排放极少，主要来源于材料物化阶段和机械施工阶段。若要采取节能减排措施，宜从材料物化阶段和机械施工阶段入手。

图1 各阶段碳排放量

在高速公路各分部工程中使用的材料主要有沥青、混凝土和钢材，统计对比分析如图2、图3所示。可以明显看出，高速公路建设期使用最多的材料是混凝土，占比高达91.33%，其次是钢材，最后是沥青，沥青与钢材虽然使用量不大，但两种材料的碳排放量占到材料物化的51%。因此，施工方需要重点关注材料的使用。

图2 建设期材料消耗量及碳排放量

图3 建设期机械能源消耗量及碳排放量

通过对高速公路建设期的使用机械设备进行分析，得到能源的消耗量及碳排放量。在使用的机械中，主要能源有电、汽油和柴油，通过对比分析如图4、图5所示，可以明显看出，高速公路建设期机械施工消耗最多的是柴油，占比高达94.94%，其次是电能，最后是汽油，产生的碳排放最多的是柴油，达到97.94%，因此施工方需重点关注使用柴油的机械。

4 结论

本文将高速公路建设期划分为材料物化、材料运输和机械施工三个阶段，依据阶段划分构建了基于排放系数法的高速公路建设期碳排放计算模型，并针对具体高速公路进行碳排放计算与分析，分析表明：高速公路建设期的三个阶段中，材料物化和机械施工阶段碳排放碳排放量总和占比较大；在材料物化阶段，高速公路建设期沥青与钢材使用量较少，但两种材料产生的碳排放量最大；在机械施工阶段，柴油的能源消耗量最大，产生的碳排放量最多。

因此，在高速公路建设期采用节能环保的新材料、合理的工艺流程、应用节能减排新技术或新设备是高速公路节能减排的重点研究方向，有利于减少在建设期能源的消耗及二氧化碳的排放。