海绵城市典型措施碳排放研究
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海绵城市典型措施碳排放研究
作者：马洁 武小钢
来源：《中国城市林业》2018 年第 02 期
摘要：城市化的加速发展导致城市出现许多环境问题，如何在低碳的基础上进行海绵城市建设，是低碳生态建设的重点。文章通过对晋中市海绵城市规划中的几项海绵城市措施碳排放
源进行计算分析，结果如下：1）材料生产的碳排放量是建设施工阶段中最重要的碳排放量;2）所研究的 4 项典型措施中建设施工阶段单位面积碳排放量顺序为：雨水花园>透水铺装>蓄水池>屋顶绿化;3）建设施工阶段中对于碳排放量影响最大的材料是混凝土。
关键词：低碳，海绵城市措施，碳排放
城市化对全球环境变化产生了严重的影响，城市源 CO，排放占到了总排放量的约 80%，在全球变暖中扮演着重要角色。由于城市人口、资源和基础设施相对集中，气候变化的不利影响也最有可能出现在城市地区。因此，减少温室气体排放就成为必然选择，而发展低碳城市则是至关重要的行动策略。为了应对城市化过程中不透水下垫面扩张和气候变化引发的极端天气给城市带来的日益严重的内涝现象，我国提出“海绵城市”建设理。当前，城市雨洪绿色基础设施建设成为城市建设的一个重要新兴领域，基于低影响开发及雨水资源化理念的海绵城市本身既是低碳城市的组成，同时在建设中也应当贯彻低碳理念。
低碳城市建设的前提是清晰而准确地掌握城市各个领域的 CO2 排放情况。目前，国内对于碳排放的研究多集中在建筑和工业领域，对于城市建设中的碳排放研究则主要针对住区、园区、城市群等不同层次空间尺度的能源消费结构和生态足迹结构，而在本文研究领域只有一篇文献对两项 LID 措施进行了环境影响分析和经济评估。在碳排放研究中，主要方法是全生命周期法，其针对建设施工、运行维护以及拆除回收等 3 个阶段的能源、材料所历经的所有过程进行追踪。本研究通过分析其各环节碳排放，明确排放源，清楚排放量，为实现 CO2 的减排提供决策依据。在海绵城市建设中，最主要的碳排放集中在建设施工阶段，因此，本文主要针对建设施工阶段的 CO2 气体排放进行分析。通过对海绵城市建设中的代表性措施的碳排放进行剖析，分析其影响因素，希望能够为低碳生态建设奠定理论基础，为海绵城市的低碳建设提供理论支撑。
1 研究方法
1.1 研究案例概况
本文以山西晋中社火公园为研究案例。社火公园位于晋中市榆次区迎宾西街晋商』‘场南侧，占地 18.5万㎡，其中水系面积 1.5万㎡，道路广场 5.5万㎡，绿地 11.5万㎡。根据《晋中市城区海绵城市专项规划》，社火公园绿地中有 38 633㎡进行雨水花园设计，社火博物馆采用屋顶绿化设计，公园道路及广场采用透水铺装，公园 4 个方向各有一个 3mx4mX3m的开敞式蓄水池。
1.2 碳排放计算模型
利用 IPCC提供的碳排放估算方法计算，其基本思路是依照碳排放清单列表，针对每一种排放源构造其活动数据和排放因子，以活动数据和排放因子的乘积作为碳排放估算值。
Em=ADx EF（l）
式中，Em是 CO2的碳排放量;AD为活动数据，即单个排放源与碳排放直接相关的具体使用和投入数量;EF为排放因子，即某排放源使用量所释放的 CO2 量，其计算可以采用 IPCC報告中给出的缺省值（依照全球平均水平给出的参考值），EF=原始排放系数×我国热值碳氧化因子。2碳排放源分析
海绵城市措施建设施工阶段的碳排放源，通过全生命周期法可归纳总结为建造材料固定碳排放、材料及施工运输碳排放和施工现场机械设备使用碳排放 3个部分。
2.1 建造材料碳排放分析
对 4项措施所使用的建造材料进行碳排放分析，包含了所需原材料的开采、加 T 能耗。
E.=∑Mi×EFi（2）
式中，Mi表示第 i类建材的使用量，EFi表示第 i类建材的生产碳排放因子。
1）雨水花园。雨水花园是一种模仿自然界雨水渗滤功能的旱地雨水径流调蓄技术，属于生物滞留的一种形式。其建造结构及材料采用《海绵城市建设技术指南》及芦琳等的研究结果，材料碳排放因子采用顾道金等的研究结果。在此基础上，社火公园中雨水花园材料碳排放量见表 1。
2）屋顶绿化。在建筑碳排放研究中，其清单包含建筑建造屋顶所必须的混凝土结构层、保温层和找平层，由于屋顶绿化以建筑物的顶部作为平台，未免重复计算碳排放量，在研究中对屋顶绿化的碳排放量从防水层开始列入计算。其建造结构及材料采用《种植屋面工程技术规程》和韩丽莉等的研究结果，材料碳排放因子采用顾道金、田彬彬、崔鹏等的研究结果。在此基础上，社火公园中屋顶绿化材料碳排放量见表 2。
3）透水铺装。由于铺装的面层材料不同，透水铺装的碳排放量差异很大，在本研究中以广场中主要使用的生态砂基透水砖作为范例。其建造结构及材料采用芦琳、符键等的研究结果，材料碳排放因子采用顾道金、崔鹏等的研究结果。在此基础上，社火公园中透水铺装材料碳排放量见表 3。
4）蓄水池。蓄水池是城市雨水集蓄工程中最为常见的一项基本措施，根据不同承重所需的混凝土强度不同，其材料使用量采用《雨水集蓄工程》《矩形钢筋混凝土蓄水池图集》中提
供的数据，材料碳排放因子采用崔鹏、吴淑艺、张孝存等研究结果。在此基础上，社火公园中蓄水池材料碳排放量见表 4。
2.2 运输碳排放分析
建筑材料主要采用铁路、水路和公路的运输方式。根据建造运输的就近原则以及研究计算的简便，本研究中假定所有材料均采用公路运输。运输过程中的碳排放计算公式为：
式中，EFp 表示第 p类运输方式时建材运输的碳排放因子，Bi表示第 i类建材的总重量，Li表示第 i类建材从产地到施工现场的距离。
由于具体的建筑材料产地和进货单位不可知，计算时采用 2015年全国公路运输的平均运距（184 km）作为计算依据。因公路运输的具体能耗与货运汽车载货结构、能源结构、载货率和运输管理等因素有关，采用文献中对柴油货车在省道中的平均碳排放指标 13.4 kg/百吨·km的研究结果，计算得出运输碳排放量清单见表 5。
2.3 现场施工碳排放分析
海绵城市措施施工现场的机械设备的碳排放因子，可以用各自的台班量乘以每台班的燃料使用量，再根据能源的碳排放因子转化为机械的碳排放因子。
式中，EFk 表示第 k类施工机械设备的碳排放因子，X表示第 A类机械设备的总工作量（单位：台班），Nk表示第 k类机械设备的数量。
由于场地没有确切的工程预算资料和工程定额信息，可根据单位面积的能耗统计值估算工程的总耗能，由于山西省主要是利用煤燃烧来提供所需的各种能源，因此在本文的计算中，根据文献研究中标煤所提供的能源来进行碳排放与标煤之间的折算系数 29.30 kg/GJ，并计算得出现场施工碳排放量见表 6。
3 结果与分析
对数据进行分析研究，结果表明，不同措施在建造材料、运输和现场施工 3部分中的碳排放量占比不同。由图 1至图 4中可以看出，雨水花园的碳排放中运输碳排放量占总体碳排放的96%，其他 3 项措施中均是材料碳排放量占比较重，达到 88%，71%，76%，其中屋顶绿化和蓄水池中施工现场碳排放量占比第二，透水铺装中运输碳排放量占比第二。
由表 7 可知，在材料碳排放量中透水铺装的单位面积碳排放量最大，屋顶绿化和蓄水池次之，雨水花园最少;运输碳排放量中，雨水花园最大，透水铺装次之，之后依次是蓄水池和屋
顶绿化;现场施工碳排放量中，整体排放量相对平均，其中蓄水池最大，其后依次是透水铺装、雨水花园和屋顶绿化。
在建造材料部分，透水铺装中混凝土的碳排放量最大，占到总排放量的 67%;其次是面层材料生态砂基透水砖，占 30%，根据 Cook Ian 的研究结果更换面层材料，其材料碳排放量：植草砖>透水性混凝土>生态砂基透水砖>透水沥青>透水碎石面层：屋顶绿化中改良土壤的碳排放可忽略不计，最重要的碳排放源是 PVC排蓄水板占 92%、其次是 SBS 改性沥青防水卷材，占 6%，这两项都是化工产品;蓄水池中两项混凝土共占 60%，钢筋占 40%;雨水花园中碳排放量少的原因主要在于树皮填料可认为是纯天然、绿色无污染的填料材质，炉渣填料更是使用了在工业生产中产生的炉渣废弃物，是属于废弃再利用，对整体的碳排放和生态环境起减缓作用，故认为这两项碳排放可忽略不计。
在材料运输部分，碳排放量最大的是雨水花园，这是基于场地中所有土壤均使用改良土壤的前提下，由于所需材料厚度、密度均偏大，重量较大，运输的能源消耗就相对大，改良土壤、炉渣和砾石的运输，分别占运输排放中的 69%，21%，9%;透水铺装的运输中碳排放量较大的是混凝土、面层材料生态砂基透水砖、碎石，占 36%，36%，23%，生态砂基透水砖和混凝土的密度比较大，重量重，相对而言，这部分碳排放量最大的是生態砂基透水砖：蓄水池中碳排放量中混凝土和钢筋，占比分别为 96%，4%;屋顶绿化中依次是改良土壤、PVC 排蓄水板、SBS 改性沥青防水卷材，分别占 49%，42%，7%。
现场施工部分，单位碳排放量较为平均，主要原因是机械使用基本类似，同一种类的施工机械的工作能力和能耗差别不大。
由图 5 可知，雨水花园的单位面积碳排放量最大，这主要是由于在运输改良土、树皮填料和炉渣所需的运输排放量大;透水铺装的碳排放量次之;紧随其后的是蓄水池，在本文的计算中是露天蓄水池，若要建设地下蓄水池，则需要更大的碳排放量;碳排放量最小的是屋顶绿化。
4 结论与讨论
通过以社火公园为研究对象，对主要的 4 项海绵城市措施进行碳排放清单分析，结果表明：建设所需材料自身生产的碳排放量是建设施工阶段中最重要的碳排放量：所研究的 4项典型措施中建设施工阶段单位面积碳排放量顺序为：雨水花园>透水铺装>蓄水池>屋顶绿化：建设所需材料碳排放中对于碳排放量影响最大的材料是混凝土，运输建设材料的碳排放中对于碳排放量影响最大的是改良土壤以及混凝土运输。
在建设施工阶段想要减少碳排放量，最主要的是减少材料生产时的碳排放量，其碳排放因子的动态变化对于材料碳排放量具有极其显著的影响。每一种材料的生产过程中碳排放都存在各种影响因素：一是优化能源消费结构可以有效控制碳排放因子，提高城市能源效率以减小碳
排放因子，减少能源利用时的碳排放量;二是在生产过程中，生产方式、生产技术的改进可以有效降低 CO2排放量;三是材料本身的碳含量也对碳排放具有明显的影响，碳含量低的材料在同等情况下，其碳排放量自然会降低，对建设材料进行选择或优化，可以得到更有利于减少碳排放量的材料;四是回收率对碳排放因子也具有影响力。以本文研究中的钢筋为例，其数值存在很大差异，即回收率为 0 时，其排放因子是 3.154，50%回收率时，排放因子为 2.208，回收率达到 100%时，排放因子为 1.262。因此，优化能源、选用碳含量低的燃料、改进材料本身、减少生产损耗会产生不同的排放因子，导致碳排放量有所差异，降低排放因子就可以成为减少碳排放的重要方法之一。
本研究主要针对山西省晋中市地区的水文条件，能够为山西省低碳海绵城市建设提供一定的依据，同时也对其他区域的海绵城市建设具有一定的参考价值。研究中主要对建设施工阶段的碳排放进行分析，另外，建设阶段固体废弃物的碳排放未汁入其中，运行维护阶段的碳循环需要进一步研究。