摘要：地鐵大規(guī)模建設(shè)和運(yùn)營消耗了大量資源能源，并已逐漸成為城市交通環(huán)境影響的主要貢獻(xiàn)源。本研究基于生命周期評價(jià)(LifeCycleAssessment，LCA)方法，以深圳市為研究區(qū)域，定量分析了地鐵建設(shè)過程的資源與能源消耗強(qiáng)度，并選取全球變暖潛能值(GlobalWarmingPotential，GWP)為度量指標(biāo)，構(gòu)建了地鐵建設(shè)碳排放分析框架及測算方法，并基于情景分析法預(yù)估了減排潛力。研究結(jié)果表明：截至2020年底，深圳已開通運(yùn)營的地鐵線站建設(shè)造成的碳排放量累積達(dá)到約2730萬噸CO2e，其中地鐵車站建設(shè)碳排放量占比約72%，地鐵隧道建設(shè)碳排放量占比約28%。建設(shè)階段單位里程盾構(gòu)隧道碳排放強(qiáng)度約為1.3萬噸CO2e/km，單位面積車站碳排放強(qiáng)度約為371噸CO2e/100m2。通過推廣綠色建造技術(shù)如采用再生混凝土和再生鋼材，地鐵建設(shè)階段最高碳減排率可達(dá)8.5%/年，2021—2035累積節(jié)碳可達(dá)508萬噸CO2e，一定程度上能緩解地鐵建設(shè)的碳排放壓力。

　　關(guān)鍵詞：生命周期評價(jià);地鐵建設(shè);深圳市;碳排放;減排

　　0引言

　　隨著中國城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快，城市人口密度愈發(fā)密集，為平衡城市交通供給與需求發(fā)展，持續(xù)深入的交通規(guī)劃建設(shè)活動(dòng)引發(fā)了大量資源能源消耗及環(huán)境問題。交通系統(tǒng)在城市發(fā)展中兼具經(jīng)濟(jì)和服務(wù)功能雙重屬性，是城市發(fā)展的重要象征[。近年來，交通基礎(chǔ)設(shè)施如公路、機(jī)場、鐵路、港口、快速公交、地鐵等得到快速發(fā)展[，以滿足各種出行和物流運(yùn)輸需求，如“十三五”期間(2015—2020年)共新增地鐵里程3623km，年均新增里程725km[。深圳市是粵港澳大灣區(qū)建設(shè)的核心引擎，積極推進(jìn)軌道交通網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，其地鐵開通里程從2004年的20.9km增加到2020年的411.8km，截至2020年底，共有11條線路和243個(gè)車站建成并投入使用[。

　　盡管地鐵系統(tǒng)被視為高效的城市公共交通運(yùn)輸方式，但隨著地鐵建設(shè)活動(dòng)的不斷推進(jìn)，大量建筑材料和能源被消耗，伴隨著相應(yīng)的環(huán)境負(fù)擔(dān)[。深圳市作為全國低碳示范城市之一，持續(xù)提升資源能源利用效率和推動(dòng)實(shí)施低碳減排舉措將是今后城市綠色低碳建設(shè)的重要議題。城市建設(shè)進(jìn)程中，交通部門的環(huán)境影響研究是學(xué)術(shù)界的重點(diǎn)關(guān)注領(lǐng)域之一，國內(nèi)外學(xué)者從不同角度對地鐵系統(tǒng)的碳排放特征進(jìn)行了研究與評價(jià)。

　　基于全球視角，Mao等[識(shí)別與分析了全球219個(gè)城市地鐵材料儲(chǔ)量發(fā)展的時(shí)空特征及其碳排放特征。國家層面，Guan等[對我國5個(gè)不同城市的341個(gè)地鐵站的能源耗用數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并進(jìn)一步分析了不同能耗影響因素的貢獻(xiàn)程度。就城市層面而言，Li等[評估了上海地鐵造成的相關(guān)碳排放，發(fā)現(xiàn)地鐵運(yùn)行階段是主要的碳排放階段，其次是材料生產(chǎn)，材料運(yùn)輸、地鐵施工及維護(hù)階段的環(huán)境影響均較小;PeroF等[對羅馬市區(qū)重型地鐵從材料獲取到壽命結(jié)束的能源消耗和廢氣排放進(jìn)行了估算、評價(jià);另有研究預(yù)測了福州市地鐵規(guī)劃線路建設(shè)的溫室氣體排放，并通過計(jì)算地鐵車站的溫室氣體排放投資回收期評估站點(diǎn)碳效率[10。

　　就地鐵線路而言，Saxe等[11量化了多倫多地鐵Sheppard線溫室氣體排放，樂觀情景下該地鐵線路運(yùn)營9年后基本能夠?qū)崿F(xiàn)地鐵初期建設(shè)的溫室氣體投資回報(bào)。此外，部分學(xué)者計(jì)算和比較了單個(gè)地鐵項(xiàng)目中地鐵盾構(gòu)區(qū)間物化階段各子過程的碳排放[12，分析了地鐵車站各部位工程建設(shè)溫室氣體排放的影響因素[13，并借助數(shù)字孿生方法來識(shí)別地鐵站可能出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)[14。針對地鐵交通開展了較為廣泛的研究，研究尺度從單個(gè)地鐵工程施工段跨越至全國以及全球地鐵系統(tǒng)，研究內(nèi)容從資源流儲(chǔ)、能源使用研究到借助專業(yè)理論與方法開展環(huán)境影響評價(jià)等研究。

　　進(jìn)一步，部分學(xué)者對地鐵系統(tǒng)的碳減排潛力進(jìn)行挖掘與量化評價(jià)，但目前的研究主要側(cè)重于地鐵運(yùn)營階段的節(jié)能減排。針對地鐵建設(shè)階段的碳減排研究相對較少且研究深度不足。從不同減排角度出發(fā)探討地鐵建設(shè)碳減排，Liu等[19通過優(yōu)化地鐵車站預(yù)制結(jié)構(gòu)、降低損耗率以及使用清潔能源等，減緩車站建設(shè)溫室氣體排放;皮膺海[20基于案例定量分析了采用新型施工技術(shù)實(shí)現(xiàn)的減排效益;郜新軍[21定性討論了實(shí)現(xiàn)地鐵建設(shè)碳減量化所能采取的措施。

　　綜上所述，為實(shí)現(xiàn)城市軌道交通系統(tǒng)的綠色低碳發(fā)展，明晰地鐵建設(shè)資源能源消耗及環(huán)境排放是重要的先導(dǎo)研究，深挖地鐵建設(shè)的減排降碳潛力則是關(guān)鍵靶向所在。因此，基于領(lǐng)域相關(guān)研究，本研究以LCA為理論指導(dǎo)，結(jié)合具體的地鐵工程建設(shè)實(shí)例，對地鐵建設(shè)(包括隧道和車站建設(shè))過程中的碳排放進(jìn)行計(jì)算和評價(jià)。此外，研究基于情景分析法，通過實(shí)施適當(dāng)?shù)臏p排路徑，評估深圳地鐵建設(shè)的減排降碳潛力。

　　1研究方法

　　1.1生命周期評價(jià)

　　生命周期評價(jià)(LCA)是一種識(shí)別與評價(jià)產(chǎn)品(包括服務(wù)或活動(dòng))從原材料開采到最終處置全過程的環(huán)境因素和潛在環(huán)境影響的方法[22,23。

　　全生命周期方法是開展環(huán)境評價(jià)研究的主流方法之一，能夠聚焦于生命周期過程資源能源消耗帶來的環(huán)境影響，通過目標(biāo)與范圍定義、生命周期清單分析、生命周期影響評價(jià)及生命周期解釋四個(gè)實(shí)施步驟開展評價(jià)與應(yīng)用研究[24。本研究將LCA理論方法應(yīng)用于深圳市地鐵建設(shè)領(lǐng)域，以定量化結(jié)果替代主觀片面的定性分析，通過分析深圳地鐵建設(shè)階段的清單數(shù)據(jù)，對建設(shè)過程資源和能源消耗強(qiáng)度及隱含的碳排放量有更全面和客觀的認(rèn)知，可為后續(xù)探索地鐵建設(shè)減排潛力提供基礎(chǔ)研究數(shù)據(jù)。

　　1.2評價(jià)指標(biāo)選取

　　環(huán)境影響評價(jià)類型及指標(biāo)與已確定的研究目的具有高度的相關(guān)性，本研究考慮選取GWP(以CO2e形式表示)作為唯一環(huán)境影響評價(jià)指標(biāo)。原因在于，首先，GWP指標(biāo)能夠在全球范圍內(nèi)無偏差適用，相比于其他指標(biāo)，GWP指標(biāo)在我國有更廣泛的應(yīng)用研究;其次，GWP與氣候變化密切相關(guān)，是現(xiàn)階段全社會(huì)關(guān)注的熱點(diǎn)及突出的環(huán)境問題;最后，GWP是基于IPCC(2013)第五次評估報(bào)告[25被評估的，是用于應(yīng)對短期氣候變化問題所推薦的指標(biāo)(100年特征化因子，GWP100)。

　　城市地鐵建設(shè)與使用會(huì)帶來大量的資源占用與能源消耗，是城市交通領(lǐng)域碳排放的主要貢獻(xiàn)源，合理量化與科學(xué)評價(jià)地鐵建設(shè)碳排放具有重要意義。需要注意的是，本研究所選取的GWP影響類別僅代表了潛在影響，即可能造成的環(huán)境影響近似值，由于清單分析僅考慮功能單位所對應(yīng)的環(huán)境負(fù)荷部分，所以最終得出的評價(jià)結(jié)果為相對影響的數(shù)值表現(xiàn)。

　　2研究范圍與內(nèi)容

　　2.1研究范圍

　　地鐵建設(shè)主要包括隧道與車站建設(shè)兩部分，本研究擬對深圳地鐵盾構(gòu)隧道和地下車站建設(shè)階段的碳排放進(jìn)行量化分析，具體而言，包括建設(shè)階段的建材生產(chǎn)、建材運(yùn)輸及施工機(jī)械能耗等3個(gè)子過程。地鐵系統(tǒng)主要分布在地下空間，針對地下地鐵系統(tǒng)建設(shè)的研究更具典型意義。鑒于高架段和地上車站生命周期清單數(shù)據(jù)的可獲得性及完整性，加之地下車站及隧道是深圳地鐵系統(tǒng)的主要組成，本研究僅考慮深圳地鐵地下盾構(gòu)隧道和地下車站建造的環(huán)境影響評價(jià)。

　　2.2清單分析

　　2.2.1數(shù)據(jù)來源與類型

　　數(shù)據(jù)類型包含了盾構(gòu)隧道和地下車站的結(jié)算工程量清單、建材運(yùn)輸?shù)木嚯x、施工機(jī)械的臺(tái)班消耗量和能源消耗量，以及碳排放因子。其中，碳排放因子可劃分為三類，既建材生產(chǎn)、建材運(yùn)輸及能源消耗，另鑒于排放因子的可獲得性與實(shí)時(shí)性，其來源優(yōu)先考慮《建筑碳排放計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)》(GBT51366-2019)[26，其次是文獻(xiàn)研究(2009—2015)和GaBi軟件數(shù)據(jù)庫(2019—2021)。

　　2.2.2資源能源消耗強(qiáng)度

　　1)建材生產(chǎn)階段根據(jù)深圳地鐵某線路某盾構(gòu)區(qū)間及地下車站的結(jié)算工程量清單，分別整理出盾構(gòu)隧道單位建設(shè)里程(按1km計(jì))和地下車站單位建筑面積(按100m2計(jì))的主要建材消耗量。通過匯總整理工程量清單可知，混凝土、水泥、防水材料及各類鋼材等是深圳地鐵建設(shè)過程消耗量較大的主要幾類建材，另外，地鐵區(qū)間段隧道建設(shè)還需要消耗大量混凝土制的隧道管片。

　　2.3碳排放核算模型

　　1)建材生產(chǎn)階段建材生產(chǎn)階段碳排放范圍指經(jīng)過原材料開采到形成最終產(chǎn)品的全過程。我國建筑材料伴隨的碳排放在建筑全生命周期碳排放中占到9%～12%[32,33，是主要的碳排放來源之一。

　　2)建材運(yùn)輸階段建材運(yùn)輸階段碳排放屬于移動(dòng)源式排放，與運(yùn)輸距離、運(yùn)輸方式等密切相關(guān)，具有較大的不確定性和復(fù)雜性。本研究假定建材運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場時(shí)都為滿載，且不考慮運(yùn)輸工具返程的環(huán)境影響。

　　3)建造施工階段施工建設(shè)過程是聯(lián)合人工和機(jī)械施工形成地鐵實(shí)體的重要階段。施工建設(shè)階段碳排放包含能源使用過程的直接排放和上游生產(chǎn)過程的間接排放兩部分。

　　3結(jié)果與討論

　　3.1盾構(gòu)隧道碳排放核算

　　3.1.1盾構(gòu)隧道建材生產(chǎn)階段

　　依托單位建設(shè)里程建材消耗量及碳排放因子數(shù)據(jù)，計(jì)算得到單位里程盾構(gòu)隧道建材生產(chǎn)階段的碳排放。經(jīng)計(jì)算，單位里程盾構(gòu)隧道建材生產(chǎn)階段的碳排放強(qiáng)度為9971.8tCO2e/km，其中來自隧道管片的碳排放較大(占比約60%)，其次為水泥及混凝土(占比約35%)，鋼材及其他類建材生產(chǎn)產(chǎn)生的碳排放量較小。鑒于管片、水泥及混凝土材料的高碳排特征，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注這些材料所采用的生產(chǎn)工藝及原材料等，積極采取低碳改進(jìn)措施，以實(shí)現(xiàn)建材的上游生產(chǎn)減排目的。

　　3.1.2盾構(gòu)隧道建材運(yùn)輸階段

　　將各類建材運(yùn)輸量、運(yùn)輸距離乘上相應(yīng)運(yùn)輸方式的碳排放因子，計(jì)算得到單位里程盾構(gòu)隧道建材運(yùn)輸階段的碳排放強(qiáng)度，總計(jì)達(dá)229.1tCO2e/km。其中，隧道管片的運(yùn)輸碳排放量最大，占建材總運(yùn)輸排放的一半，其次是混凝土及各類砂漿和水泥的運(yùn)輸(約48%)，其他鋼材、管片螺栓及防水材料運(yùn)輸碳排放量較小。基于減排的角度，應(yīng)特別注意隧道管片、砼及砂漿、水泥材料的運(yùn)輸工作，可通過采用清潔的運(yùn)輸工具及方式，選擇合適的建材供應(yīng)商盡可能減緩長途運(yùn)輸來實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸過程的碳減排。

　　3.1.3盾構(gòu)隧道施工建造階段

　　根據(jù)施工建造階段的碳排放核算模型，借助施工機(jī)械的能源消耗量與碳排放因子數(shù)據(jù)計(jì)算得到單位里程盾構(gòu)隧道建設(shè)的碳排放強(qiáng)度，為3046.2tCO2e/km。盾構(gòu)機(jī)、水平運(yùn)輸機(jī)械和通風(fēng)機(jī)械是隧道盾構(gòu)施工所用到的主要機(jī)械設(shè)備，所造成碳排放量占隧道施工總排放的75%以上。其次為一些配套的輔助施工設(shè)備，如泵類機(jī)械和起重機(jī)械的使用，其他機(jī)械設(shè)備造成的碳排放占比較小(不足8%)。因此，可就主要及輔助機(jī)械設(shè)備的臺(tái)班安排和能源消耗的角度，通過施工管理優(yōu)化落實(shí)碳減排。

　　3.2地下車站碳排放核算

　　3.2.1地下車站建材生產(chǎn)階段

　　與隧道建設(shè)相比，車站建設(shè)在建筑材料使用及建造施工方式等方面都有所差異。基于所獲取的建材清單及碳排放系數(shù)數(shù)據(jù)，計(jì)算獲得單位面積地下車站建材生產(chǎn)階段的碳排放強(qiáng)度，為300.5tCO2e/100m2。鋼筋是主要的碳排放源，占比為40.8%，其次是各種強(qiáng)度混凝土以及大型鋼材。其他排放較小的建材中，水泥生產(chǎn)的碳排放占比較大。同理，鋼材類與水泥、混凝土類建材的使用是地鐵車站建設(shè)建材生產(chǎn)階段的減排重點(diǎn)。

　　3.3地鐵建設(shè)階段碳排放分析

　　總體而言，地鐵建設(shè)碳排放主要包括隧道建設(shè)碳排放及車站建設(shè)碳排放，具體來源于建筑材料生產(chǎn)與運(yùn)輸以及建造施工階段。根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，單位里程盾構(gòu)隧道建設(shè)階段的碳排放強(qiáng)度為13245.4tCO2e/km，主要來源于建材生產(chǎn)階段(約占75%)，其次為施工建造階段(占23%)，相比之下，建材運(yùn)輸階段造成的碳排放較小。

　　單位面積地下車站建設(shè)階段碳排放強(qiáng)度為371.2tCO2e/100m2，建材生產(chǎn)階段的碳排放占比較大，占比超過80%，而施工建造碳排放占比約17%，建材運(yùn)輸階段的碳排放最小(不足2%)。由此，地鐵建設(shè)過程中，建材(生產(chǎn))是主要碳排放來源，其次為建造過程施工機(jī)械使用帶來的相應(yīng)碳排放，建材運(yùn)輸階段的環(huán)境排放雖較小但仍不可忽視。

　　4深圳地鐵建設(shè)減排潛力分析

　　4.1地鐵建設(shè)減排情景假設(shè)

　　前述研究有助于明確地鐵建設(shè)的減排關(guān)鍵，以探索有效的減排路徑。根據(jù)深圳市軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃(2016—2035)[34和深圳市城市軌道交通第四期建設(shè)規(guī)劃及其調(diào)整方案(2017—2022)[35,36，整理了近期、中遠(yuǎn)期及遠(yuǎn)期深圳地鐵規(guī)劃及地下隧道及車站建設(shè)概況。依據(jù)規(guī)劃，截至2025年，深圳將開通運(yùn)營近650km的地鐵線路，車站總個(gè)數(shù)超過360個(gè)，截至2035年，地鐵運(yùn)營總里程將達(dá)到約1200km，車站總個(gè)數(shù)超過700個(gè)，其建成量將是2020年的3倍左右。由此可見，未來深圳地鐵建設(shè)體量大，若不采取減排措施，地鐵建設(shè)的碳排放量將持續(xù)上升。

　　深圳地鐵建設(shè)的建材生產(chǎn)是碳減排關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其中混凝土及鋼材在隧道及車站建設(shè)中均屬于高消耗建材。結(jié)合有關(guān)再生建材使用研究的相關(guān)文獻(xiàn)，本研究擬采用情景分析法，對未來深圳地鐵地下隧道及車站建設(shè)使用再生混凝土和再生鋼材的碳排放水平及減排潛能進(jìn)行評估預(yù)測。以2020年為參考年，增設(shè)3種發(fā)展情景，分別是基準(zhǔn)情景、保守情景和樂觀情景(見表11)。情景指標(biāo)的選取與設(shè)置主要參考《廣東省“十三五”建筑節(jié)能與綠色建筑發(fā)展規(guī)劃》[37。

　　5結(jié)論與展望

　　1)深圳地鐵盾構(gòu)隧道的碳排放強(qiáng)度為1.3萬噸CO2e/km，建材生產(chǎn)階段、建材運(yùn)輸階段及施工建造階段占比分別為75.3%、1.7%和23.0%;地下車站的建設(shè)碳排放強(qiáng)度為371.2tCO2e/100m2，建材生產(chǎn)、運(yùn)輸及施工建造階段分別占81.0%、1.8%及17.2%。建材生產(chǎn)階段是主要的碳排放來源，亦是主要的碳減排控制環(huán)節(jié)。

　　2)減排潛力分析結(jié)果顯示，至2035年，基準(zhǔn)情景下深圳地鐵建設(shè)的累積碳排放量達(dá)到60.0MtCO2e，情景I(保守型)和情景II(樂觀型)分別為57.5MtCO2e和55.0MtCO2e，相比基準(zhǔn)情景，碳減排量分別為2.5MtCO2e和5.1MtCO2e，碳減排率分別達(dá)到4.2%和8.5%。情景分析中，再生建材(再生混凝土和再生鋼材)使用可有效緩解深圳地鐵建設(shè)碳排放的增長，且使用率越高可實(shí)現(xiàn)的碳減排效果越明顯。

　　3)結(jié)合地鐵建設(shè)碳排放及減排研究結(jié)果，現(xiàn)提出以下建議：明晰地鐵建設(shè)碳排放強(qiáng)度是實(shí)施碳減排的重要基礎(chǔ)工作，可以通過制定并落實(shí)地鐵建設(shè)相關(guān)的碳核算及減排政策、標(biāo)準(zhǔn)以減緩建設(shè)階段的碳排放，其中建筑材料應(yīng)為重點(diǎn)且優(yōu)先減排要點(diǎn)，推廣使用再生建材等綠色低碳材料，并注意減少建材的損耗與提高其使用效率;施工階段可側(cè)重施工機(jī)械的優(yōu)化使用;運(yùn)輸階段注意清潔運(yùn)輸工具的使用與縮短運(yùn)輸距離。

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　　作者：粟月歡1張宇1段華波1,2*李強(qiáng)峰1