城市快速路建设温室气体排放与对策研究

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　　摘要:城市快速路系统是完成大城市道路低碳化建设目标的主体，但在其建设实施过程中需要消耗大量能源并排放温室气体，存在广阔的节能减排空间。本文对快速路建设材料的制备，材料运输以及摊铺实施等过程的温室气体排放途径进行了调研分析，在此基础上提出相应的减排对策，并提出应在规划理念、建设材料选择和实施工艺的方案比选中，引入碳尺概念，就排放的温室气体量进行分析研究，推动低碳快速路系统建设的发展。
　　关键词: 温室气体；低碳；城市快速路；碳尺；节能减排
　　
　　全球气候变暖带来冰川消失、海平面上升等一系列危机人类生存的地球环境变化，大气中温室气体浓度的升高被认为是引起全球气候变暖的因素之一，而城市化的进程无疑加速了温室气体浓度的增长。温室气体(Green House Gas)，即GHG,据IPCC（2006）最新报告指出，主要包括二氧化碳（CO2），甲烷（CH4），氧化亚氮（N2O），六氟化硫（SF6），氢氟碳化物（HFCs）,全氟化碳（PFCs） 和臭氧（O3）等，水汽也是一种强烈的温室气体。
　　随着科学家对温室效应的发现以及全球对降低温室气体排放的越发重视，由政府间气候变化专门委员会（IPCC）于2006年发布碳排放计算指南，重新制定了用于上述温室气体转化为二氧化碳排放量的排放系数。该转化排放系数包括直接排放系数和间接排放系数。直接排放系数适用于CO2，而间接排放系数使用于CH4和N2O，通过GWP（Global Warming Potential）转化为等效的CO2排放量，即通常表示为CO2e。例如，CH4的GWP折算值为21，N2O的GWP折算值为310。这样，温室气体的排放量可以通过排放系数转化成CO2e，而世界各国由此推行的“低碳经济”也就有了一个可以具有量化的统一指标，即二氧化碳排放当量。
　　城市是低碳经济发展最主要的实施平台，城市快速路在城市路网体系中占主导地位，是大流量交通的重要快速运送载体，肩负着使城市交通出行更快更有效的服务性重担。城市快速路作为城市重要基础设施之一，在低碳化城市建设中扮演着极为重要的角色，是完成城市减排目标的实施主体。目前我国大中城市快速路网的建设正进行的如火如荼，许多省会城市都在“十二五”交通规划中提出要大力发展和完善城市快速路网建设，提出建设以快速路为主体、辅以部分准快速路的快速路网体系，以缓解城市地面道路巨大的交通压力。例如，杭州市计划在“十二五”期间完成建设的快速路总长达124.8公里(含已开工未完工项目)，改造提升的准快速路总长29.1公里，合计153.9公里。 深圳市也提出到“十二五”末期，将完成14条共283.3公里的城市快速路建设，所产生的二氧化碳排放当量将达到200万吨之巨，具有广阔的节能减排空间。
　　市政基础设施建设是碳排放行业，城市快速路的建设实施更是需要消耗大量高能源高碳密度原材料产品，在后期运营阶段直接或间接造成的温室气体排放。本文就城市快速路系统建设实施阶段中建设材料开采和制备，材料运输至施工现场并实施摊铺建设等一系列方面的温室气体排放进行分析研究，并提出控制对策。
　　一、城市快速路建设过程温室气体排放途径
　　城市快速路建设是城市温室气体排放源之一。就建设周期而言，温室气体排放的来源主要有各类建设材料生产和制备所消耗的电能和燃油，建设材料在运输过程中消耗的燃油，在建设实施过程中涉及的施工设备的燃油和电能消耗以及在道路拆除过程中消耗的燃油和电能，具体排放途径见表1。
　　表1城市快速路建设中温室气体（GHG）排放的主要途径
　　建设周期主要阶段 用途 途径描述
　　1 建设材料生产和制备 原材料开采和加工 开采原材料消耗能源（如柴油，电力）；回收材料的再生利用产生GHG
　　 混合料组成材料生产 各种混合料的生产过程消耗电力等能源产生GHG
　　2 建设材料运输 材料初级加工厂/混合料制备厂/施工现场之间的运输 运输原材料至初级加工场所；运输初级加工材料至混合料加工厂；运输各种混合料至施工现场所消耗能源产生GHG
　　3 建设实施 路面摊铺建设 实施路面摊铺，碾压，成型等施工过程产生GHG
　　 路面养护/维护 路面常规养护及病害处置措施；路面预养护过程产生GHG
　　4 周期结束 拆除和回收利用 设施拆除和移置；路用材料的再生利用折减GHG
　　基于上述温室气体排放途径的分类方法，瑞典IVL环境研究所的Hakan Stripple等人建立了道路建设能耗与温室气体排放计算模型，并针对常规道路建设实施技术和施工工艺开展了一系列研究工作，总结了道路建设中典型材料和工艺的能耗与温室气体排放表，见表2。
　　表2快速路建设中典型材料和工艺的能耗与温室气体（GHG）排放表
　　材料或工艺 能耗(MJ/t) CO2e (kg/t) 数据来源
　　沥青混合料 4900 285 Eurobitume
　　乳化剂 3490 221 Eurobitume
　　水泥 4976 980 Athena & IVL
　　碎石 40 10 Colas
　　集料 30 2.5 Athena & IVL
　　钢材 25100 3540 Athena & IVL
　　水 10 0.3 IVL
　　燃油 36680 2765 IVL
　　热拌站 275 22 IVL
　　冷拌站 14 1 IVL
　　铣刨/回收 12 0.8 IVL
　　就地冷再生 15 1.13 IVL
　　热拌混合料摊铺 9 0.6 IVL
　　冷拌混合料摊铺 6 0.4 IVL
　　水泥混凝土摊铺 2.2 2 IVL
　　运输 /km 0.9 0.06 IVL
　　英国、美国、法国和瑞士等国也相继开发了针对道路工程全寿命周期内碳排放量的计算模型和软件，比较典型的有英国交通研究实验室（TRL）研发的asPECT计算模型，美国加州大学伯克利分校的Arpad Horvath教授联合加州路面研究中心合作开发的一款基于EXCEL的碳排放计算模型-PaLATE等，为国内外道路建设工程的低碳化实施提供了可靠的计算方法和量化依据。在工程实际应用方面，加拿大Pierre T. Dorchies等人采用表2所列的碳排放基础数据，对加拿大魁北克市一条城市快速路的建设过程中所采用的主要建设材料制备和实施技术等进行温室气体排放量的计算，具体结果见图1。
　　
　　图1 主要建设材料制备和实施技术的温室气体排放
　　分析结果表明，在选取道路主要建设材料时，水泥混凝土制备时采用的水泥等粘结材料所产生的温室气体排放量远远超过热拌沥青混合料中所采用的沥青粘结料，因此我国大力采用和推广沥青路面，既可以提高路面行驶质量，又符合节能减排的发展趋势。
　　二、温室气体减排途径
　　城市快速路系统温室气体排放的最终目的是寻求温室气体排放的途径，建立低碳城市路建设策略。综合国外研究基础和国内道路建设现状，笔者认为低碳快速路系统构建关键是在规划理念，工艺选择和低碳实施技术的方案比选中引入“碳尺”概念，分析和探索建设期内的碳足迹，选择合理技术方案。并且，在建设材料开采、运输、拌和和实施摊铺建设中全方位采用低碳技术，削减“碳源”，增加“碳汇”，实现提高交通运输能力的同时降低能耗和碳排放量。
　　（一）树立低碳规划理念
　　城市快速路系统规划最为关键的问题是科学选择快速路类型，实际规划中应在综合考虑城市规模和整体路网布局、规划路线位置和走向、周边环境影响等因素的基础上，评估不同方案并统筹考虑社会、经济和环境效益。

　　（二）低碳快速路设计总体技术的应用
　　1．道路功能设计技术
　　注重采用符合生态保护、污染控制、地形维护等道路选线技术，降低道路工程对生态、环境以及资源的影响程度；应区别道路功能分级特点，合理安排机动车、非机动车与行人的通行权利，减少交通干扰，保障交通安全，提高交通效率。
　　快速路为城区大组团沟通和长距离交通服务，应保证机动车流连续且封闭式运营，避免沿线交通流对主线的干扰。快速路辅路为城市主、次干路网的组成部分，兼起快速路集散道路的功能。
　　2．路线设计技术
　　路线设计应符合道路交通专业规范的基本要求，且应采用以平（坡度小）、直（曲率大）、顺（适应地形）为控制要素的道路路线，尽可能降低车辆行驶能耗和尾气排放，并在土方平衡方面体现设计方案优势；路线的特殊设计除应满足特定功能指标的要求外，应充分体现低碳设计技术理念。
　　（1）平曲线设计应确保线形连续；
　　（2）纵断面设计应避免大纵坡，宜采用不超过3.0%坡度设计，特殊情况超过3.0%要求的，应进行能耗和碳排放量指标技术方案论证。
　　3．时空一体化分配的横断面设计技术
　　道路横断面设计宜采用集约布置、结构合建、机动车交通减少干扰、慢行交通保障通行、近、远期结合的时空一体化分配设计技术，充分发挥地面及其上、下部道路可通行空间的功能，在节约土地资源、降低建造和运行成本、倡导非机动化出行模式等方面体现道路工程建设的先进性。
　　快速路沿线根据需要设置辅路，在主城区建筑和道路网络密集时宜采用主线高架或地下的形式，地面层设置交通集散的道路。快速路主线为机动车专用，与辅路严格隔离。快速路辅路或地面道路等级为主干路或次干路，横断面设计满足主、次干路的要求。
　　4．以交通需求为导向的节点交叉设计技术
　　路网节点交叉设计应采用以满足近、远期预测交通量、符合交叉功能要求的关键设计技术，适应交通量变化的交叉型式有利于节约土地资源，适当的交叉口通行能力有利于车流快捷地通过交叉口，减少交叉口延误，减少尾气排放和降低燃油能耗。
　　（1）二条快速路相交应采用互通式枢纽立交形式。
　　（2）快速路和主干路相交应保证快速路主线连续通行，可采用一般互通式立交形式。
　　（三）选择功能与结构组合一体化的低碳道路建设技术
　　1．选择节碳工艺减少外加碳源
　　温拌沥青混合料技术通过降低沥青混合料拌和与摊铺温度，达到降低沥青混合料生产过程中的能耗与CO2气体及粉尘排放量的目的。由于温拌沥青混合料的拌和温度比普通热拌沥青混合料低30-50℃，因此可节约30%的能源消耗,减少20%的二氧化碳排放量。温拌沥青混合料可作为新建路面材料应用于长隧道路面施工、超薄层罩面和桥面铺装等。
　　2．鼓励多使用回收旧料和再生材料
　　废旧材料回收路用技术是指将诸如橡胶、塑料等固体废弃物通过一系列工艺加入到沥青中，经过搅拌制备成具有改性沥青特性的橡胶（塑料）沥青。橡胶（塑料）沥青可减轻“黑色污染”，作为低碳型沥青改性剂提高路用性能，减少传统高碳型SBS改性剂的使用量，并可使废旧材料循环利用，节约能源，减少二氧化碳排放。
　　沥青路面再生利用技术是将需要翻修或者废弃的旧沥青路面，经过翻挖、回收、破碎、筛分，再和新集料、新沥青适当配合，重新拌和成为具有良好路用性能的再生沥青混合料，用于铺筑路面面层或基层的整套工艺技术。提高沥青路面再生利用率至20%，能够节约相应数量的沥青和砂石材料，同时能有效降低处治废料的能耗，减少10%的二氧化碳排放。
　　3．选择高性能路面材料和长寿面路面结构，延长其使用寿命
　　高性能路面材料技术是指通过一系列改性工艺技术使路面材料的使用性能得到大幅度提高，如高模量沥青、高粘度沥青以及高弹性沥青等材料，可以有效提高路面在多种条件下的使用性能，减少路面病害，延长其使用寿命，从而降低路面后期的养护成本和频率，在全寿命周期内减少碳排放。长寿命路面结构又称永久型路面，通过采用全厚式沥青层或者深层高强沥青层的方法，可以基本消除传统普遍存在的结构性损坏，路面的损坏只发生在沥青路面的表层，因此只需要定期的表面铣刨、罩面修复，在使用年限内不需要进行大的结构性重建。使用长寿面路面结构，可以使道路建设在全寿命周期内节约5%的建设材料，降低能耗10%，减少10%的二氧化碳排放量。
　　三、结语
　　开展城市快速路系统建设低碳技术研究，目的是在我国加快推进城镇化建设进程，基础设施投资和建设仍处于高速发展时，在快速路网规划、设计和建设工艺技术选择方面，不仅仅关注项目的社会效益和经济效益，而应在更好层次上关注低碳技术的研发。近期应特别关注城市快速路系统碳排放指标的研究，在方案选择上注重建设材料的选择和实施建设的全过程整体性考虑；注重分析不同材料的在建设时的碳密度，在道路运营过程中的回收利用和再生率；注重分析低碳建设指标；采用碳尺进行方案比选，推动和完善我国低碳城市快速路系统的建设和发展，使城市快速路系统的建设实现低消耗、低污染、低排放的目标。
　　
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　　基金项目：上海市科学技术委员会资助课题（10PJ1431500）
　　
　　作者简介：吴军伟（1981－ ） 男，江苏无锡人，博士，上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司工程师，研究方向：道路工程计算模型开发与应用。
　　
　　注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。

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