道路基础设施生命周期碳排放量化分析 张怡然 (上海市城市建设设计研究总院(集园)有限公司,上海200125) 本文提出以道路基础设施为主体的碳排放分析框架,将碳排放划分为基础 设施的直接排放与间接排放,并提出生命周期各阶段的碳排放计算方法。以G321 国道的一段路面为案例,设计了三种生命周期情境:自然衰退情境、普通养护情境 和预防性养护情境,对路面生命周期碳排放量进行了计算与对比分析,为道路建设 与养护方案决策提供节能减排方面的理论支撑。 关镳词:道路基础设施,生命周期评价,碳排放,情境分析 中图分类号:U238 Quantitative Analysis of road Infrastructure Life Cycle Carbon Emissions Zhang yiran (Shanghai Urban Construction Design Research Institute( Group)Co, Ltd Shanghai, 200125 Abstract: This paper proposes a carbon emission analysis framework based on road infrastructure. which divides carbon emissions into direct and indirect emissions of infrastructure, and proposes carbon emission calculation methods at various stages of the life cycle. Taking the road surface of G321 national road as a case for case analysis, three life cycle scenarios were designed: natural recession situation, general maintenance situation and preventive maintenance situation. The calculation and comparative analysis of road life cycle carbon emissions in three scenarios were carried out to provide theoretical support for energy conservation and emission reduction in road construction and maintenance program key words: road infrastructure, life cycle assessment; carbon emission; situation analysis 引言 在日益严峻的能源短缺、环境恶化及气候变化等形势下,“低碳发展”成为全球发展的 新目标。道路运输作为交通行业能源消耗比重最大的领域,承担着节能减排的重任。从基础 设施的角度来思考节能减排路径已成为新的发展趋势,基础设施本身具有减排潜力,更重要 的是,基础设施的结构和技术状况能够影响需求侧的排放。 (c)1994-2019ChinaAcademicJournalElectronicpUblishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
道路基础设施生命周期碳排放量化分析 张怡然 （上海市城市建设设计研究总院（集团）有限公司，上海 200125） 摘 要： 本文提出以道路基础设施为主体的碳排放分析框架，将碳排放划分为基础 设施的直接排放与间接排放，并提出生命周期各阶段的碳排放计算方法。以 G321 国道的一段路面为案例,设计了三种生命周期情境：自然衰退情境、普通养护情境 和预防性养护情境，对路面生命周期碳排放量进行了计算与对比分析，为道路建设 与养护方案决策提供节能减排方面的理论支撑。 关键词： 道路基础设施，生命周期评价，碳排放，情境分析 中图分类号：U238 Quantitative Analysis of Road Infrastructure Life Cycle Carbon Emissions Zhang Yiran (Shanghai Urban Construction Design Research Institute (Group) Co., Ltd. Shanghai, 200125） Abstract: This paper proposes a carbon emission analysis framework based on road infrastructure, which divides carbon emissions into direct and indirect emissions of infrastructure, and proposes carbon emission calculation methods at various stages of the life cycle. Taking the road surface of G321 national road as a case for case analysis, three life cycle scenarios were designed: natural recession situation, general maintenance situation and preventive maintenance situation. The calculation and comparative analysis of road life cycle carbon emissions in three scenarios were carried out to provide theoretical support for energy conservation and emission reduction in road construction and maintenance program decision-making. key words: road infrastructure; life cycle assessment; carbon emission; situation analysis 一、引言 在日益严峻的能源短缺、环境恶化及气候变化等形势下，“低碳发展”成为全球发展的 新目标。道路运输作为交通行业能源消耗比重最大的领域，承担着节能减排的重任。从基础 设施的角度来思考节能减排路径已成为新的发展趋势,基础设施本身具有减排潜力，更重要 的是，基础设施的结构和技术状况能够影响需求侧的排放
有效的挖掘节能减排的潜力,是建立在对碳排放的科学测算的基础之上的。从全生命周 期的角度来进行量化测算,能为路面材料选取、施工方案、养护计划等策略的制定提供依据 本文将基础设施生命周期和燃料生命周期看作一个完整的系统,硏究同时包含道路交通 固定碳源和移动碳源的全生命周期道路交通碳排放测算方法,包含道路生命周期各过程本身 的能耗排放,以及其对行驶在路面上的车辆排放产生的影响 二、研究现状 当前国内外对道路基础设施的生命周期评价中,大多是以路面为研究对象。一个完整的 道路生命周期评价模型应该由材料阶段、施工建造阶段、养护维修阶段、拥堵阶段、使用阶 段和寿命终结阶段组成。其中,拥堵阶段表示由于道路施工带来的路面行驶车辆的拥堵和绕 行。然而,现有的大多数道路LCA模型是不完整的,大多数研究都把重点放在材料和施工建 造阶段,只关注了道路基础设施本身,而忽略了由其带来的间接能耗排放,特别是使用阶段, 路面的状况对行驶车辆的能耗排放有很大影响。根据国内外学者的研究,使用阶段主导着分 析结果,因此忽略使用阶段也将忽略生命周期评价模型中很大一部分的环境影响。 道路生命周期碳排放分析框架 从整个道路交通系统生命周期的范畴,构建基础设施生命周期和燃料生命周期交互影响 的碳排放分析框架。基础设施与车辆运行的交互影响主要体现在三方面:一是基础设施供给 影响交通量与组成结构,继而影响道路交通碳排放量;二是养护维修策略决定了道路的性能 状态,影响了车辆行驶速度等特征,继而影响车辆燃油经济性和能耗排放;三是建设和养护 施工时原有道路通行能力受到影响,致使行驶车辆拥堵或绕行,产生额外的碳排放量。 根据以上分析,建立道路生命周期碳排放的分析框架如图1所示。以道路基础设施为主 体,则可将道路基础设施对行驶车辆的影响看作其间接排放,因此可将碳排放分析边界划分 为基础设施直接排放与间接排放。直接排放指:道路设施本身从原材料开采、原材料运输、 施工建造、运营、养护维修到拆除回收的全生命周期过程中的排放:间接排放指:在道路生 命周期中,受道路设施的影响产生的车辆燃料排放,包括行驶在道路上的车辆运行产生的日 常排放,和因基础设施建设和养护维修施工引起的拥堵和绕行带来的额外排放。 (c)1994-2019ChinaAcademicJournalElectronicpUblishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
有效的挖掘节能减排的潜力，是建立在对碳排放的科学测算的基础之上的。从全生命周 期的角度来进行量化测算，能为路面材料选取、施工方案、养护计划等策略的制定提供依据。 本文将基础设施生命周期和燃料生命周期看作一个完整的系统，研究同时包含道路交通 固定碳源和移动碳源的全生命周期道路交通碳排放测算方法，包含道路生命周期各过程本身 的能耗排放，以及其对行驶在路面上的车辆排放产生的影响。 二、研究现状 当前国内外对道路基础设施的生命周期评价中，大多是以路面为研究对象。一个完整的 道路生命周期评价模型应该由材料阶段、施工建造阶段、养护维修阶段、拥堵阶段、使用阶 段和寿命终结阶段组成。其中，拥堵阶段表示由于道路施工带来的路面行驶车辆的拥堵和绕 行。然而，现有的大多数道路LCA模型是不完整的，大多数研究都把重点放在材料和施工建 造阶段，只关注了道路基础设施本身，而忽略了由其带来的间接能耗排放，特别是使用阶段， 路面的状况对行驶车辆的能耗排放有很大影响。根据国内外学者的研究，使用阶段主导着分 析结果，因此忽略使用阶段也将忽略生命周期评价模型中很大一部分的环境影响。 三、道路生命周期碳排放分析框架 从整个道路交通系统生命周期的范畴，构建基础设施生命周期和燃料生命周期交互影响 的碳排放分析框架。基础设施与车辆运行的交互影响主要体现在三方面：一是基础设施供给 影响交通量与组成结构，继而影响道路交通碳排放量；二是养护维修策略决定了道路的性能 状态，影响了车辆行驶速度等特征，继而影响车辆燃油经济性和能耗排放；三是建设和养护 施工时原有道路通行能力受到影响，致使行驶车辆拥堵或绕行，产生额外的碳排放量。 根据以上分析，建立道路生命周期碳排放的分析框架如图1所示。以道路基础设施为主 体，则可将道路基础设施对行驶车辆的影响看作其间接排放，因此可将碳排放分析边界划分 为基础设施直接排放与间接排放。直接排放指：道路设施本身从原材料开采、原材料运输、 施工建造、运营、养护维修到拆除回收的全生命周期过程中的排放；间接排放指：在道路生 命周期中，受道路设施的影响产生的车辆燃料排放，包括行驶在道路上的车辆运行产生的日 常排放，和因基础设施建设和养护维修施工引起的拥堵和绕行带来的额外排放
道路基础设施生命周期 基础设施资源开采一原材料生产加工一原材料运输 直接排放 回收利用 建造施工 运营使用 维修养护 车辆燃料生命周期 绕!供 行}给 基础设施 间接排放 次能源生产燃料生产与运 与运输 输 车辆运行 图1道路生命周期碳排放分析框架 四、道路生命周期碳排放计算方法 在分析框架的基础上,建立道路生命周期评价模型如图2,将道路生命周期划分为材料 生产、材料运输、建造施工、运营使用、养护维修和寿命终结等六个阶段,依据各阶段的子 活动方式建立具有国内特征的材料和燃料的生命周期碳排放数据清单。 沥青 原材料开采 水泥 集料 钢材 材料生产 运输 混凝土制备 材料加工生 匚沥青拌合 材料运输 运输至施工现场 建造施工 机械施工)工交通组织山「拥堵绕行额外排放 面使用 路面平整度变化 运营使用 车辆行驶日常排放 照明 句接影响 大修 养护维修 养护施工 预防性养护 路面拆除 寿命终结 废弃材料回收 图2道路生命周期模型 (c)1994-2019ChinaAcademicJournalElectronicpUblishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
图 1 道路生命周期碳排放分析框架 四、道路生命周期碳排放计算方法 在分析框架的基础上，建立道路生命周期评价模型如图2，将道路生命周期划分为材料 生产、材料运输、建造施工、运营使用、养护维修和寿命终结等六个阶段，依据各阶段的子 活动方式建立具有国内特征的材料和燃料的生命周期碳排放数据清单。 图 2 道路生命周期模型
(一)直接排放计算方法 道路生命周期直接排放指的是全生命周期中与道路基础设施直接相关的排放。测算思路 为:以定额法为主,结合理论和实际工程数据,得到路面直接能耗的计算方法;再采用排放 因子法,确定直接碳排放量的计算方法。测算过程如图3所示。 建筑材料用量材料生产能耗强度材料生产能耗 材料生产阶段排放 材料运输距离材料单位运距能耗强度材料运输能耗 材料运输阶段排放 施工机械台班数机械台班能耗强度建造施工能耗 不同 建造施工阶段排放 能源 排放 运营设备数量运营设备能耗强度,运营使用能耗 系数运营使用阶段排放 单次/单位 设施维护数量 维护能耗强度 养护维修能耗 养护维修阶段排放 拆除回收工具数量机械台班能耗强度,寿命终结能耗 单位运距能耗强度 寿命终结阶段排放 图3道路生命周期宜接排放测算思路 上图表示的测算思路可以用公式表示为 E1 ∑v 其中:Ema-—道路生命周期直接碳排放量 q——材料或工具i的数量 Q——单位量的材料或工具的能源消耗强度 F——生产材料或使用工具i所需能源的碳排放系数 (二)间接排放计算方法 间接排放指的是在道路生命周期中,受道路设施的影响产生的车辆排放,包括道路服役 期内行驶在道路上的车辆运行相关的日常排放,和因基础设施建设和养护维修施工引起的拥 堵和绕行带来的额外排放。 测算思路为:基于“路面平整度一行驶速度一能耗与碳排放”量化分析模型,得到路面 状况与车辆排放之间的量化关系,进而得到日常间接排放的计算方法。并使用 VISSIM仿真和 M0VES模型相结合的方法,计算施工期间由于拥堵和绕行产生的额外碳排放量 1.基于路面状况的车辆行驶日常间接排放计算方法 路面状况,特别是路面的平整度的变化,会影响车辆的行驶速度,而速度变化将引发车 辆燃油经济性的改变,进而影响车辆的能耗和碳排放。因此,在研究车辆行驶中的日常排放 (c)1994-2019ChinaAcademicJournalElectronicpUblishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
（一）直接排放计算方法 道路生命周期直接排放指的是全生命周期中与道路基础设施直接相关的排放。测算思路 为：以定额法为主，结合理论和实际工程数据，得到路面直接能耗的计算方法；再采用排放 因子法，确定直接碳排放量的计算方法。测算过程如图3所示。 图 3 道路生命周期直接排放测算思路 上图表示的测算思路可以用公式表示为： 𝐸𝑚𝑑𝑖 = ∑𝑞𝑖 ∙ 𝑄𝑖 ∙ 𝐹𝑖 𝑖 其中：𝐸𝑚𝑑𝑖——道路生命周期直接碳排放量； 𝑞𝑖——材料𝑖或工具𝑖的数量； 𝑄𝑖——单位量的材料𝑖或工具𝑖的能源消耗强度； 𝐹𝑖 ——生产材料𝑖或使用工具𝑖所需能源的碳排放系数。 （二）间接排放计算方法 间接排放指的是在道路生命周期中，受道路设施的影响产生的车辆排放，包括道路服役 期内行驶在道路上的车辆运行相关的日常排放，和因基础设施建设和养护维修施工引起的拥 堵和绕行带来的额外排放。 测算思路为：基于“路面平整度—行驶速度—能耗与碳排放”量化分析模型，得到路面 状况与车辆排放之间的量化关系，进而得到日常间接排放的计算方法。并使用VISSIM仿真和 MOVES模型相结合的方法，计算施工期间由于拥堵和绕行产生的额外碳排放量。 1.基于路面状况的车辆行驶日常间接排放计算方法 路面状况，特别是路面的平整度的变化，会影响车辆的行驶速度，而速度变化将引发车 辆燃油经济性的改变，进而影响车辆的能耗和碳排放。因此，在研究车辆行驶中的日常排放
时,分析路面平整度对速度的影响,以及车速对能耗和碳排放的影响,综合得到路面平整度 车速一能耗与碳排放这三者间的交互影响关系和量化模型 本文参考学者张金喜的研究,其研究通过驾驶模拟实验,拟合得出了国际平整度指数IRI 与车速间的关系曲线,其关系式如下:马戈 U=96.555-22631nlRl(RI<12m/km) 同时大量研究表明凹,车辆油耗与行驶速度之间的关系为典型的凹形抛物线的形式。国 内已有研究根据国道102部分路段的实测数据,建立了车速一油耗模型如下 表1普通公路油耗模型 划分标准 油耗速度模型 <12座 Fc=0.0016v2-0.2485+156111 中客 123座 Fc=0.0038u2-0.5055U+289853 35座 Fc=0.0097u2-11911v+61.8450 小货 c=0.0046u2-0.6371u+30.7762 2.57t Fc=0.0082u2-09613+458858 注:上述式子中的Fc的单位为L100km,p的单位为kmh 根据上述的平整度与速度之间的量化模型以及速度与油耗之间的量化模型,能够得到关 于平整度指数IRI的车辆油耗模型,见表2 表2普通公路IR| 油耗一IRI模型 Fc=69061(n/R)2-97334m/R/+156036 Fc=176288mRI)2-2907211+37,2702 Fc=8.3600(mJRD2-107092nR/+121462 中货 Fc=149027(mR)2-265251hRl+29.5150 Fc=294419(lmR2-559013nR|+50.8200 c=69061(mR2-97334R+156036 注:上述式子中的Fc的单位为L/100km,IR的单位为m/km 在根据平整度计算车辆油耗以后,则可根据各车型的交通流量计算出各类车型的燃油消 耗量。再根据燃烧柴油和汽油的能量消耗及产生的碳排放系数,最终得出车辆行驶日常间接 碳排放量,计算公式如下 F1=FC1·l·qt Em=2(F1·Q Emin=Ein·Emf 其中:F——第类车辆的燃油消耗量 Fc—一第i类车辆的百公里耗油量 路段的长度 q——第i类车辆流量: En——车辆行驶日常间接能耗量 Q——第i类车辆所使用燃料的热值 Eman—一车辆行驶日常间接碳排放量 (c)1994-2019ChinaAcademicJournalElectronicpUblishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
时，分析路面平整度对速度的影响，以及车速对能耗和碳排放的影响，综合得到路面平整度 —车速—能耗与碳排放这三者间的交互影响关系和量化模型。 本文参考学者张金喜的研究，其研究通过驾驶模拟实验，拟合得出了国际平整度指数IRI 与车速间的关系曲线，其关系式如下[1] 𝑣 = 96.555 − 22.631𝑙𝑛𝐼𝑅𝐼 (𝐼𝑅𝐼 35 座 𝐹 = . 97𝑣 2 − 1.1911 𝑣 61.845 小货 7t 𝐹 = . 162 𝑣 2 − 1.8171 𝑣 75.2396 注：上述式子中的𝐹 的单位为L/100km，𝑣的单位为km/h。 根据上述的平整度与速度之间的量化模型以及速度与油耗之间的量化模型，能够得到关 于平整度指数IRI的车辆油耗模型，见表2。 表 2 普通公路 IRI—油耗模型 车型 油耗—IRI 模型 中客 𝐹 = 6.9 61(𝑙𝑛𝐼𝑅𝐼) 2 − 9.7334𝑙𝑛𝐼𝑅𝐼 15.6 36 大客 𝐹 = 17.6288(𝑙𝑛𝐼𝑅𝐼) 2 − 29. 772𝑙𝑛𝐼𝑅𝐼 37.27 2 小货 𝐹 = 8.36 (𝑙𝑛𝐼𝑅𝐼) 2 − 1 .7 92𝑛𝐼𝑅𝐼 12.1462 中货 𝐹 = 14.9 27(𝑙𝑛𝐼𝑅𝐼) 2 − 26.5251𝑙𝑛𝐼𝑅𝐼 29.515 大货 𝐹 = 29.4419(𝑙𝑛𝐼𝑅𝐼) 2 − 55.9 13𝑙𝑛𝐼𝑅𝐼 5 .82 中客 𝐹 = 6.9 61(𝑙𝑛𝐼𝑅𝐼) 2 − 9.7334𝑙𝑛𝐼𝑅𝐼 15.6 36 注：上述式子中的𝐹 的单位为L/100km，𝐼𝑅𝐼的单位为m/km 在根据平整度计算车辆油耗以后，则可根据各车型的交通流量计算出各类车型的燃油消 耗量。再根据燃烧柴油和汽油的能量消耗及产生的碳排放系数，最终得出车辆行驶日常间接 碳排放量，计算公式如下： 𝐹𝑖 = 𝐹 𝑖 ∙ 𝑙 ∙ 𝑞𝑖 𝐸𝑖𝑛 = ∑(𝐹𝑖 ∙ 𝑄𝑖 ) 𝐸𝑚𝑖𝑛 = 𝐸𝑖𝑛 ∙ 𝐸𝑚𝑓 其中：𝐹𝑖——第i类车辆的燃油消耗量； 𝐹 𝑖——第i类车辆的百公里耗油量； 𝑙——路段的长度； 𝑞𝑖 ——第i类车辆流量； 𝐸𝑖𝑛——车辆行驶日常间接能耗量； 𝑄𝑖——第i类车辆所使用燃料的热值； 𝐸𝑚𝑖𝑛——车辆行驶日常间接碳排放量；
Emf——碳排放因子 2.基于MVES仿真的施工期间额外间接排放计算方法 额外间接排放是指在道路建设或者维修养护过程中,由于路面施工而造成的车辆拥堵、 排队、绕行等状况而引起的额外的能耗与碳排放。额外排放的计算可用下式表示: Emex=>(Emiwork-Eminormad) 式中 Emax—额外间接碳排放量 Em-路段i在路面施工期间的车辆碳排放量; E ——路段i在正常状况下的车辆碳排放量 该部分的计算过程可采用Ⅵ ISSIM微观仿真与 MOVES排放模型相结合的方法,计算过程如 下图所示 「交通调查 路平面图 施工计划 交通参数 道路参数 通量、车型比例 道路类型、车道长度 交通组织方案 车道宽度、车道数 工程持续时间 vSSM微观仿真模型 日常行驶交通状况 施工期间交通状况 「交通参数变化 MOVES排放模型 日常行驶能耗 施工期间能耗 与排放清单 与排放清单 额外能耗与碳排放 图4施工期间拥堵绕行的额外间接排放计算过程 五、案例情境分析 通过情境分析,研究不同的养护维修策略下,道路基础设施全生命周期的碳排放量。 (一)情景设定 (c)1994-2019ChinaAcademicJournalElectronicpUblishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
𝐸𝑚𝑓——碳排放因子。 2.基于MOVES仿真的施工期间额外间接排放计算方法 额外间接排放是指在道路建设或者维修养护过程中，由于路面施工而造成的车辆拥堵、 排队、绕行等状况而引起的额外的能耗与碳排放。额外排放的计算可用下式表示： 𝐸𝑚𝑒𝑥 = ∑(𝐸𝑚𝑖𝑤𝑜𝑟𝑘 − 𝐸𝑚𝑖𝑛𝑜𝑟𝑚𝑎𝑙) 式中： 𝐸𝑚𝑒𝑥——额外间接碳排放量； 𝐸𝑚𝑖𝑤𝑜𝑟𝑘——路段i在路面施工期间的车辆碳排放量； 𝐸𝑚𝑖𝑛𝑜𝑟𝑚𝑎𝑙——路段i在正常状况下的车辆碳排放量。 该部分的计算过程可采用VISSIM微观仿真与MOVES排放模型相结合的方法，计算过程如 下图所示： 图 4 施工期间拥堵绕行的额外间接排放计算过程 五、案例情境分析 通过情境分析，研究不同的养护维修策略下，道路基础设施全生命周期的碳排放量。 （一）情景设定
本文选取G321国道的某1km路段为研究案例,该路段设计车速80km/h,双向6车道,基层 为半刚性,横断面布置形式为:0.75m土路肩+3m硬路肩+0.5m路缘带+3×3.75m行车道+2m中 央分隔带+3×3.75m行车道艹0.5m路缘带+3m硬路肩+0.75m土路肩=33m路基宽度。路面结构为 沥青混凝土路面,由上至下分别为4cm的AC-13上面层,6cm的AC-20中面层,8cm的AC-25下面 设定三种养护维修策略情境,分別为:自然衰退情境、普通养护情境及预防性养护情境。 以大修作为路面生命周期的终结年限。 1.自然衰退情境 该情景下,路面建成后不进行养护维修,直至路面条件不适合行车,即《公路沥青养护 技术规范》中规定的国际平整度指标IRI>8m/km 通过IRI实测数据,回归得出国际平整度指数IRI关于路面年龄t的函数,从而得出该路 段自然衰退情境下的平整度衰变方程如下: 15.33 模型拟合度R2=0.956,误差平方和SSE=0.01548 按国际平整度指数达到8m/km作为评价指标,该路面自然衰退情景的生命周期年限为12 大 路龄/年 图5自然衰退情境平整度衰变曲线 2普通养护情境 该情景下,生命周期中选择合适的时机采取中修和大修,以达到及时进行路面整治、维 持道路性能的效果。 养护时机为:IRI达到4.667m/km时采取中修,再达到6.000u/km时采取大修。根据养护 经验,假设大修后IR恢复到2m/km,中修后IR恢复到2.67m/km 按照上述方法,确定维修策略为:第6年采取中修,第11年采取大修,因此普通养护情 境的生命周期年限为12 (c)1994-2019ChinaAcademicJournalElectronicpUblishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
本文选取G321国道的某1km路段为研究案例，该路段设计车速80km/h，双向6车道，基层 为半刚性，横断面布置形式为：0.75m土路肩+3m硬路肩+0.5m路缘带+3×3.75m行车道+2m中 央分隔带+3×3.75m行车道+0.5m路缘带+3m硬路肩+0.75m土路肩=33m路基宽度。路面结构为 沥青混凝土路面，由上至下分别为4cm的AC-13上面层，6cm的AC-20中面层，8cm的AC-25下面 层。 设定三种养护维修策略情境，分别为：自然衰退情境、普通养护情境及预防性养护情境。 以大修作为路面生命周期的终结年限。 1.自然衰退情境 该情景下，路面建成后不进行养护维修，直至路面条件不适合行车，即《公路沥青养护 技术规范》 [4]中规定的国际平整度指标IRI＞8m/km。 通过IRI实测数据，回归得出国际平整度指数IRI关于路面年龄t的函数，从而得出该路 段自然衰退情境下的平整度衰变方程如下： 𝐼𝑅𝐼 = 15.33 1 𝑒 2.003−0.192𝑡 模型拟合度R2=0.956，误差平方和SSE=0.01548。 按国际平整度指数达到8m/km作为评价指标，该路面自然衰退情景的生命周期年限为12 年。 图 5 自然衰退情境平整度衰变曲线 2.普通养护情境 该情景下，生命周期中选择合适的时机采取中修和大修，以达到及时进行路面整治、维 持道路性能的效果。 养护时机为：IRI达到4.667m/km时采取中修，再达到6.000m/km时采取大修。根据养护 经验，假设大修后IRI恢复到2m/km，中修后IRI恢复到2.667m/km。 按照上述方法，确定维修策略为：第6年采取中修，第11年采取大修，因此普通养护情 境的生命周期年限为12年
大 中 89101112 路龄/年 图6普通养护情境平整度衰变曲线 3.预防性养护情境 在考虑大中修的情况下,加入预防性养护,得到预防性养护策略。生命周期中在较早的 时机采取预防性养护,可以达到延长使用寿命,延后中修和大修时间,提高道路性能水平的 效果。 预防性养护的时机为:IRI达到3.333m/km时采取预防性养护,大中修养护时机同普通养 护情境。根据养护经验,假设预防性养护后IRI恢复到2m/km 按照上述方法,确定维修策略为:第3年和第5年采取预防性养护,第9年采取中修,第 14年采取大修,因此预防性养护情境的生命周期年限为15年,比普通养护情境延长了3年使 用寿命。 修 预 防 防 性 c 0123456789101112131415 路龄/年 图7预防性养护情境平整度衰变曲线 (二)碳排放核算分析 对于直接碳排放中的材料生产、材料运输、建造施工和养护维修阶段,根据清单分析计 算得到单位面积或者体积的路面的排放量。案例路段路面面积为29500m2,路面体积为5310m3。 计算得到各情境分阶段的直接碳排放量,如表3所示, (c)1994-2019ChinaAcademicJournalElectronicpUblishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
图 6 普通养护情境平整度衰变曲线 3.预防性养护情境 在考虑大中修的情况下，加入预防性养护，得到预防性养护策略。生命周期中在较早的 时机采取预防性养护，可以达到延长使用寿命，延后中修和大修时间，提高道路性能水平的 效果。 预防性养护的时机为：IRI达到3.333m/km时采取预防性养护，大中修养护时机同普通养 护情境。根据养护经验，假设预防性养护后IRI恢复到2m/km。 按照上述方法，确定维修策略为：第3年和第5年采取预防性养护，第9年采取中修，第 14年采取大修，因此预防性养护情境的生命周期年限为15年，比普通养护情境延长了3年使 用寿命。 图 7 预防性养护情境平整度衰变曲线 （二）碳排放核算分析 对于直接碳排放中的材料生产、材料运输、建造施工和养护维修阶段，根据清单分析计 算得到单位面积或者体积的路面的排放量。案例路段路面面积为29500m 2，路面体积为5310m 3。 计算得到各情境分阶段的直接碳排放量，如表3所示
表3各养护情境直接碳排量计算结果 情境 阶段材料生产阶「材料运输建造施工|运营使用养护维修总计 段 阶段 阶段 阶段 阶段 能耗 1452200302.78130.207403.664915.0027273.63 自然衰退(生(GJ) 命周期12年)碳排放量 t2e)/108.09 21.98 9.45 701.02370.82221.36 能耗 普通养护(生(GJ) 14522.00302.78130.207403.666737.5129096.14 命周期2年)「碳排放量 1108.09 9.45 (tco2e) 701.02 511.5 2352.08 预防性养护 14522.00 302.78 130.209422.8410105.8234483.63 生命周期 (GJ) 15年 碳排放量 l108.09 9.45 892.21 539852571.58 在路面直接碳排放中,材料生产阶段的碳排放量最大,占到47.11%,其次为运营使用阶 段、养护维修阶段,这三部分为主要碳排放来源,总比占到接近99%,而材料运输和建造施 工阶段的排放量占比很小,两者之和仅1.33%。随着道路寿命的增长,运营使用阶段的碳排 放量将不断提高 日常间接排放的计算需要先预测得出生命周期各年份的分车型交通量数据,然后根据不 同养护情境下的IRI预测结果,结合表2计算出生命周期中各年份分车型的百公里油耗量,最 后得到总的油耗量,根据排放因子法,得到总的碳排放量。 额外间接排放量的计算,根据案例实际施工期间交通组织方案,分析施工前和施工中周 边路网交通流量和速度的变化,进而得到碳排放量的变化。 将各阶段的碳排放量转化为年均水平,得到三种情境的年均碳排放量结果,见表4 表4三种情境生命周期年均碳排放量 情境 年均直接碳排放量|年均日常间接碳排年均额外间接碳排年均总碳排放量 (tco2e) 放量(tC02e) 放量(tc02e) 自然衰退 4411.0 (4.00%) (95.75%) (0.25%) 4606.66 4.49 普通养护 196.01 3680.99 (0.37%) 3891.49 (5.04%) (94.59%) 预防性养护 171.44 3590.74 (4.54%) (95.12%) (0.34%) 3774.96 从生命周期的角度来看,与车辆行驶相关的间接排放量占比最大,约占95%;而与基础 设施直接相关的碳排放量占比为5%。间接碳排放中由施工带来的额外间接排放量很小,占到 0.3%左右,这是由于评价的尺度延伸到整个生命周期来看而造成的,平均到每年后该部分的 比重较小。 年均总碳排放量,在自然衰退情境下最高:普通养护情境次之,比自然衰退情境降低了 15.3%;而在预防性养护情境下最低,比自然衰退情境降低了17.5%。从总体上来看,采取养 护措施,特别是预防性养护,能够起到节能减排的显著效果。 (c)1994-2019ChinaAcademicJournalElectronicpUblishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
表 3 各养护情境直接碳排量计算结果 阶段 情境 材料生产阶 段 材料运输 阶段 建造施工 阶段 运营使用 阶段 养护维修 阶段 总计 自然衰退（生 命周期 12 年） 能耗 （GJ） 14522.00 302.78 130.20 7403.66 4915.00 27273.63 碳排放量 （tCO2e） 1108.09 21.98 9.45 701.02 370.82 2211.36 普通养护（生 命周期 12 年） 能耗 （GJ） 14522.00 302.78 130.20 7403.66 6737.51 29096.14 碳排放量 （tCO2e） 1108.09 21.98 9.45 701.02 511.53 2352.08 预防性养护 （生命周期 15 年） 能耗 （GJ） 14522.00 302.78 130.20 9422.84 10105.82 34483.63 碳排放量 （tCO2e） 1108.09 21.98 9.45 892.21 539.85 2571.58 在路面直接碳排放中，材料生产阶段的碳排放量最大，占到47.11%，其次为运营使用阶 段、养护维修阶段，这三部分为主要碳排放来源，总比占到接近99%，而材料运输和建造施 工阶段的排放量占比很小，两者之和仅1.33%。随着道路寿命的增长，运营使用阶段的碳排 放量将不断提高。 日常间接排放的计算需要先预测得出生命周期各年份的分车型交通量数据，然后根据不 同养护情境下的IRI预测结果，结合表2计算出生命周期中各年份分车型的百公里油耗量，最 后得到总的油耗量，根据排放因子法，得到总的碳排放量。 额外间接排放量的计算，根据案例实际施工期间交通组织方案，分析施工前和施工中周 边路网交通流量和速度的变化，进而得到碳排放量的变化。 将各阶段的碳排放量转化为年均水平，得到三种情境的年均碳排放量结果，见表4。 表 4 三种情境生命周期年均碳排放量 情境 年均直接碳排放量 （tCO2e） 年均日常间接碳排 放量（tCO2e） 年均额外间接碳排 放量（tCO2e） 年均总碳排放量 （tCO2e） 自然衰退 184.28 （4.00%） 4411.00 （95.75%） 11.38 （0.25%） 4606.66 普通养护 196.01 （5.04%） 3680.99 （94.59%） 14.49 （0.37%） 3891.49 预防性养护 171.44 （4.54%） 3590.74 （95.12%） 12.78 （0.34%） 3774.96 从生命周期的角度来看，与车辆行驶相关的间接排放量占比最大，约占95%；而与基础 设施直接相关的碳排放量占比为5%。间接碳排放中由施工带来的额外间接排放量很小，占到 0.3%左右，这是由于评价的尺度延伸到整个生命周期来看而造成的，平均到每年后该部分的 比重较小。 年均总碳排放量，在自然衰退情境下最高；普通养护情境次之，比自然衰退情境降低了 15.3%；而在预防性养护情境下最低，比自然衰退情境降低了17.5%。从总体上来看，采取养 护措施，特别是预防性养护，能够起到节能减排的显著效果
六、结语 本文提出了以道路基础设施为主体的碳排放分析框架,将碳排放分析边界划分为基础设 施的直接排放与间接排放,并提出生命周期各阶段的碳排放计算方法。以G321国道的一段路 面为案例,对三种生命周期养护策略情境下的碳排放量进行了计算,结果显示预防性养护策 略的节能减排效果显著。本文结论能够为生命周期养护策略的选取提供理论支撑。 由于目前我国尚未建立路面生命周期数据库,也没有明确道路交通的碳排放因子,因此 本文中的基础数据还不够完善,需要结合我国道路工程建设的实际情况进行深入研究。当数 据搜集进一步完善后,可以建立道路生命周期碳排放计算及评价系统,为道路建设部门提供 便捷、有效的决策工具 参考文献 ]张金喜,苏蕊葳,王锋.路面平整度与驾驶速度关系的实验硏究武汉理工大学学报, 2011(10):59-63 [2]余志生.汽车理论M]北京:机械工业出版社,2009 3]贾洪飞,隽志才,张枭雄等.高速公路后评价油耗指标的确定与对比门.吉林大学学报(工) 2004,34(2)298301 4]中华人民共和国交通部,JJ0732-2001,公路沥青路面养护技术规范,北京,人民交通 出版社,2001 5]陈子建.沥青路面行驶质量研究[硕士学位论文同济大学,1996 6]崔璨.基于生命周期道路能耗评价模型的建立分析及应用[硕士学位论文郑州大 学,2014 「刁陈力维.沥青路面运营期间能量消耗与气体排放量化分析研究[硕士学位论文]长安大学 8]杨博.沥青路面节能减排量化分析方法及评价体系研究[博士学位论文]长安大学,2012 ⑨9交通公路工程定额站,交通部.公路工程预算定额[M,人民交通出版社,2007 「10交通公路工程的定额站.公路工程机械台班费用定额JTG/TB06-03-2007[M]人民交通 出版社,2008 作者简介:姓名:张恰然,工作单位:上海市城市建设设计研究总院(集团)有限公司, 研究方向:城市交通规划与道路设计,电话:18801791787,传真:(021)20507000, 电子邮箱: zhangyirant (c)1994-2019ChinaAcademicJournalElectronicpUblishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
六、结语 本文提出了以道路基础设施为主体的碳排放分析框架，将碳排放分析边界划分为基础设 施的直接排放与间接排放，并提出生命周期各阶段的碳排放计算方法。以G321国道的一段路 面为案例，对三种生命周期养护策略情境下的碳排放量进行了计算，结果显示预防性养护策 略的节能减排效果显著。本文结论能够为生命周期养护策略的选取提供理论支撑。 由于目前我国尚未建立路面生命周期数据库，也没有明确道路交通的碳排放因子，因此 本文中的基础数据还不够完善，需要结合我国道路工程建设的实际情况进行深入研究。当数 据搜集进一步完善后，可以建立道路生命周期碳排放计算及评价系统，为道路建设部门提供 便捷、有效的决策工具。 参考文献 [1]张金喜，苏蕊葳，王锋. 路面平整度与驾驶速度关系的实验研究[J]. 武汉理工大学学报, 2011(10):59-63. [2]余志生. 汽车理论[M]. 北京: 机械工业出版社, 2009 [3]贾洪飞，隽志才，张枭雄等. 高速公路后评价油耗指标的确定与对比[J]. 吉林大学学报(工), 2004, 34(2):298-301. [4]中华人民共和国交通部，JTJ 073.2-2001, 公路沥青路面养护技术规范，北京，人民交通 出版社，2001. [5]陈子建. 沥青路面行驶质量研究[硕士学位论文]. 同济大学, 1996. [6] 崔璨. 基于生命周期道路能耗评价模型的建立分析及应用[硕士学位论文].郑州大 学,2014. [7]陈力维. 沥青路面运营期间能量消耗与气体排放量化分析研究[硕士学位论文]. 长安大学, 2012. [8]杨博. 沥青路面节能减排量化分析方法及评价体系研究[博士学位论文]. 长安大学, 2012. [9]交通公路工程定额站，交通部. 公路工程预算定额[M]. 人民交通出版社, 2007. [10]交通公路工程的定额站. 公路工程机械台班费用定额:JTG/T B06-03-2007[M]. 人民交通 出版社, 2008. 作者简介：姓名：张怡然，工作单位：上海市城市建设设计研究总院（集团）有限公司， 研究方向：城市交通规划与道路设计，电话：18801791787，传真：（021）20507000， 电子邮箱：zhangyiran@sucdri.com
