文章推荐|地铁建设环境影响评估及减排效益研究——以深圳市为例
粟月欢1 张 宇1 段华波1,2* 李强峰1
（1.深圳大学 土木与交通工程学院 未来地下城市研究院，广东 深圳 518060；2.深圳大学 滨海城市韧性基础设施教育部重点实验室，广东 深圳 518060）
研究背景
随着中国城镇化进程加快，城市人口密度愈发密集，为平衡城市交通供给与需求发展，持续深入的交通规划建设活动引发了大量资源能源消耗及环境问题。近年来，交通基础设施如公路、机场、铁路、港口、快速公交、地铁等得到快速发展，以满足各种出行和物流运输需求，如“十三五”期间（2015-2020年）共新增地铁里程3623km，年均新增里程725km。深圳市是粤港澳大湾区建设的核心引擎，积极推进轨道交通网络建设，其地铁开通里程从2004年的20.9km增加到2020年的411.8km，截至2020年底，共有11条线路和243个车站建成并投入使用。尽管地铁系统被视为高效的城市公共交通运输方式，但随着地铁建设活动的不断推进，大量建筑材料和能源被消耗，伴随着相应的环境负担。深圳市作为全国低碳示范城市之一，持续提升资源能源利用效率和推动实施低碳减排举措将是今后城市绿色低碳建设的重要议题。
城市建设进程中，交通部门的环境影响研究是学术界的重点关注领域之一，国内外学者从不同角度对地铁系统的碳排放特征进行了研究与评价。基于全球视角，Mao等识别与分析了全球219个城市地铁材料储量发展的时空特征及其碳排放特征。国家层面，Guan等对我国5个不同城市的341个地铁站的能源耗用数据进行统计分析，并进一步分析了不同能耗影响因素的贡献程度。就城市层面而言，Li等评估了上海地铁造成的相关碳排放，发现地铁运行阶段是主要的碳排放阶段，其次是材料生产，材料运输、地铁施工及维护阶段的环境影响均较小。就地铁线路而言，Saxe等量化了多伦多地铁Sheppard线温室气体排放，乐观情景下该地铁线路运营9年后基本能够实现地铁初期建设的温室气体投资回报。此外，部分学者计算和比较了单个地铁项目中地铁盾构区间物化阶段各子过程的碳排放，分析了地铁车站各部位工程建设温室气体排放的影响因素，并借助数字孪生方法来识别地铁站可能出现的风险。针对地铁交通开展了较为广泛的研究，研究尺度从单个地铁工程施工段跨越至全国以及全球地铁系统，研究内容从资源流储、能源使用研究到借助专业理论与方法开展环境影响评价等研究。进一步，部分学者对地铁系统的碳减排潜力进行挖掘与量化评价，但目前的研究主要侧重于地铁运营阶段的节能减排，针对地铁建设阶段的碳减排研究相对较少且研究深度不足。从不同减排角度出发探讨地铁建设碳减排，Liu等通过优化地铁车站预制结构、降低损耗率以及使用清洁能源等，减缓车站建设温室气体排放；皮膺海基于案例定量分析了采用新型施工技术实现的减排效益；郜新军定性讨论了实现地铁建设碳减量化所能采取的措施。
综上所述，为实现城市轨道交通系统的绿色低碳发展，明晰地铁建设资源能源消耗及环境排放是重要的先导研究，深挖地铁建设的减排降碳潜力则是关键靶向所在。因此，基于领域相关研究，本研究以LCA为理论指导，结合具体的地铁工程建设实例，对地铁建设（包括隧道和车站建设）过程中的碳排放进行计算和评价。此外，研究基于情景分析法，通过实施适当的减排路径，评估深圳地铁建设的减排降碳潜力。
摘 要
地铁大规模建设和运营消耗了大量资源能源，并已逐渐成为城市交通环境影响的主要贡献源。本研究基于生命周期评价(Life Cycle Assessment，LCA)方法，以深圳市为研究区域，定量分析了地铁建设过程的资源与能源消耗强度，并选取全球变暖潜能值(Global Warming Potential，GWP)为度量指标，构建了地铁建设碳排放分析框架及测算方法，并基于情景分析法预估了减排潜力。研究结果表明：截至2020年底，深圳已开通运营的地铁线站建设造成的碳排放量累积达到约2730万吨CO2e，其中地铁车站建设碳排放量占比约72%，地铁隧道建设碳排放量占比约28%。建设阶段单位里程盾构隧道碳排放强度约为1.3万吨CO2e/km，单位面积车站碳排放强度约为371吨CO2e/100m2。通过推广绿色建造技术如采用再生混凝土和再生钢材，地铁建设阶段最高碳减排率可达8.5%/年，2021-2035累积节碳可达508万吨CO2e，一定程度上能缓解地铁建设的碳排放压力。
01
研究方法
1. 生命周期评价
生命周期评价（LCA）是一种识别与评价产品（包括服务或活动）从原材料开采到最终处置全过程的环境因素和潜在环境影响的方法。全生命周期方法是开展环境评价研究的主流方法之一，能够聚焦于生命周期过程资源能源消耗带来的环境影响，通过目标与范围定义、生命周期清单分析、生命周期影响评价及生命周期解释四个实施步骤开展评价与应用研究。本研究将LCA理论方法应用于深圳市地铁建设领域，以定量化结果替代主观片面的定性分析，通过分析深圳地铁建设阶段的清单数据，对建设过程资源和能源消耗强度及隐含的碳排放量有更全面和客观的认知，可为后续探索地铁建设减排潜力提供基础研究数据。
2. 评价指标选取
环境影响评价类型及指标与已确定的研究目的具有高度的相关性，本研究考虑选取GWP（以CO2e形式表示）作为唯一环境影响评价指标。原因在于，首先，GWP指标能够在全球范围内无偏差适用，相比于其他指标，GWP指标在我国有更广泛的应用研究；其次，GWP与气候变化密切相关，是现阶段全社会关注的热点及突出的环境问题；最后，GWP是基于IPCC（2013）第五次评估报告被评估的，是用于应对短期气候变化问题所推荐的指标（100年特征化因子，GWP 100）。城市地铁建设与使用会带来大量的资源占用与能源消耗，是城市交通领域碳排放的主要贡献源，合理量化与科学评价地铁建设碳排放具有重要意义。需要注意的是，本研究所选取的GWP影响类别仅代表了潜在影响，即可能造成的环境影响近似值，由于清单分析仅考虑功能单位所对应的环境负荷部分，所以最终得出的评价结果为相对影响的数值表现。
02
研究范围与内容
1. 研究范围
地铁建设主要包括隧道与车站建设两部分，本研究拟对深圳地铁盾构隧道和地下车站建设阶段的碳排放进行量化分析，具体而言，包括建设阶段的建材生产、建材运输及施工机械能耗等3个子过程，详见图1。地铁系统主要分布在地下空间，针对地下地铁系统建设的研究更具典型意义。鉴于高架段和地上车站生命周期清单数据的可获得性及完整性，加之地下车站及隧道是深圳地铁系统的主要组成，本研究仅考虑深圳地铁地下盾构隧道和地下车站建造的环境影响评价。
图1 系统边界图
2. 清单分析
2.1 数据来源与类型
数据类型包含了盾构隧道和地下车站的结算工程量清单、建材运输的距离、施工机械的台班消耗量和能源消耗量，以及碳排放因子(见表1)。其中，碳排放因子可划分为三类，既建材生产、建材运输及能源消耗，另鉴于排放因子的可获得性与实时性，其来源优先考虑《建筑碳排放计算标准》(GB T51366-2019)，其次是文献研究(2009-2015)和GaBi软件数据库(2019-2021)。
表1 地铁建设阶段数据类型及来源
2.2 资源能源消耗强度
1）建材生产阶段。
根据深圳地铁某线路某盾构区间及地下车站的结算工程量清单，分别整理出盾构隧道单位建设里程(按1km计)和地下车站单位建筑面积(按100m2计)的主要建材消耗量，具体见表2、表3。通过汇总整理工程量清单可知，混凝土、水泥、防水材料及各类钢材等是深圳地铁建设过程消耗量较大的主要几类建材，另外，地铁区间段隧道建设还需要消耗大量混凝土制的隧道管片。
表2 单位里程盾构区间建设材料消耗量
表3 单位面积地下车站建设材料消耗量
依据工程量清单中所消耗的主要建材类型，本研究收集整理了相应建材生产阶段的碳排放因子，数据获取途径包括国内权威机构、学术研究及生命周期软件数据库等，如表4所示。
表4 建筑材料碳排放因子
2）建材运输阶段。
主要建材运输过程的运输距离参考了《建筑碳排放计算标准》(2019)和现有文献研究，运输量考虑了运输、堆放及使用过程的材料损耗。单位里程盾构隧道和单位面积地下车站建材的运输概况分别如表5、表6所示。
表5 单位里程盾构隧道建设材料运输概况
表6 单位面积地下车站建设材料运输概况
运输碳排放因子来源《建筑碳排放计算标准》(2019)，如表7所示，其考虑了运输工具类型和运输距离等因素。货运运输可采取铁路、公路、水路及航空等方式，鉴于运输距离、成本及运载空间等因素，本研究假设建材运输均采用公路柴油货车的运输方式。
表7 运输方式碳排放因子
3）施工建造阶段。
施工过程使用的机械设备及其台班消耗量借鉴于《广东省城市轨道交通工程综合定额(2018)》，各类施工机械单位台班的能源消耗量参考于《广东省建设工程施工机具台班费用编制规则(2018)》，进一步汇总整理得到单位里程盾构隧道和单位面积地下车站施工建造的台班及能源消耗强度，如表8、表9所示。针对盾构隧道和地下车站施工建造过程的台班消耗量及能源消耗量换算思路如下：
单位里程(面积)台班消耗量=定额*单位里程(面积)工程量
单位里程(面积)能源消耗量=单位里程(面积)台班消耗量*单位台班能源消耗量
表8 单位里程盾构隧道台班及能源消耗强度
表9 单位面积车站施工建造阶段台班及能源消耗强度
施工建造过程考虑了能源生产和能源使用两部分的碳排放，如表10所示。电力使用过程不产生排放，故电力消耗只考虑其上游生产过程的间接排放，排放因子采用中国南方区域电网基准线排放因子。柴油和汽油的碳排放因子包括上游生产阶段和使用过程，生产过程的碳排放因子均来自GaBi生命周期数据库(2019-2021)。
表10 能源碳排放因子
3. 碳排放核算模型
1）建材生产阶段。
建材生产阶段碳排放范围指经过原材料开采到形成最终产品的全过程。我国建筑材料伴随的碳排放在建筑全生命周期碳排放中占到9％～12％，是主要的碳排放来源之一。针对建材生产阶段的碳排放，可按式(1)计算：
2）建材运输阶段。
建材运输阶段碳排放属于移动源式排放，与运输距离、运输方式等密切相关，具有较大的不确定性和复杂性。本研究假定建材运输到现场时都为满载，且不考虑运输工具返程的环境影响。针对建材运输阶段的碳排放，可按式(2)计算：
3）建造施工阶段。
施工建设过程是联合人工和机械施工形成地铁实体的重要阶段。施工建设阶段碳排放包含能源使用过程的直接排放和上游生产过程的间接排放两部分。针对建造施工阶段的碳排放，按式(3)计算：
03
结果与讨论
1. 盾构隧道碳排放核算
1.1 盾构隧道建材生产阶段
依托单位建设里程建材消耗量及碳排放因子数据，计算得到单位里程盾构隧道建材生产阶段的碳排放，结果如图2所示。经计算，单位里程盾构隧道建材生产阶段的碳排放强度为9971.8tCO2e/km，其中来自隧道管片的碳排放较大（占比约60%），其次为水泥及混凝土（占比约35%），钢材及其他类建材生产产生的碳排放量较小。鉴于管片、水泥及混凝土材料的高碳排特征，应重点关注这些材料所采用的生产工艺及原材料等，积极采取低碳改进措施，以实现建材的上游生产减排目的。
图2 单位里程盾构隧道建材生产阶段碳排放量及占比
1.2 盾构隧道建材运输阶段
如图3所示，将各类建材运输量、运输距离乘上相应运输方式的碳排放因子，计算得到单位里程盾构隧道建材运输阶段的碳排放强度，总计达229.1tCO2e/km。其中，隧道管片的运输碳排放量最大，占建材总运输排放的一半，其次是混凝土及各类砂浆和水泥的运输（约48%），其他钢材、管片螺栓及防水材料运输碳排放量较小。基于减排的角度，应特别注意隧道管片、砼及砂浆、水泥材料的运输工作，可通过采用清洁的运输工具及方式，选择合适的建材供应商尽可能减缓长途运输来实现运输过程的碳减排。
图3 单位里程盾构隧道建材运输阶段碳排放量及占比
1.3 盾构隧道施工建造阶段
根据施工建造阶段的碳排放核算模型，借助施工机械的能源消耗量与碳排放因子数据计算得到单位里程盾构隧道建设的碳排放强度，为3046.2tCO2e/km。由图4可知，盾构机、水平运输机械和通风机械是隧道盾构施工所用到的主要机械设备，所造成碳排放量占隧道施工总排放的75%以上。其次为一些配套的辅助施工设备，如泵类机械和起重机械的使用，其他机械设备造成的碳排放占比较小（不足8%）。因此，可就主要及辅助机械设备的台班安排和能源消耗的角度，通过施工管理优化落实碳减排。
图4 单位里程盾构隧道施工建设阶段碳排放量及占比
2. 地下车站碳排放核算
2.1 地下车站建材生产阶段
与隧道建设相比，车站建设在建筑材料使用及建造施工方式等方面都有所差异。基于所获取的建材清单及碳排放系数数据，计算获得单位面积地下车站建材生产阶段的碳排放强度，为300.5tCO2e/100m2。如图5所示，钢筋是主要的碳排放源，占比为40.8%，其次是各种强度混凝土以及大型钢材。其他排放较小的建材中，水泥生产的碳排放占比较大。同理，钢材类与水泥、混凝土类建材的使用是地铁车站建设建材生产阶段的减排重点。
图5 单位面积地下车站建材生产阶段碳排放量及占比
2.2 地下车站建材运输阶段
单位面积地下车站建材运输阶段的碳排放强度计算值为6.7tCO2e/100m2。如图6所示，混凝土及砂浆运输的碳排放占比达到78.8%，其次是钢材和水泥的运输，其它运输碳排放量分别来自防水材料和实心砖运输。因此，地下车站建材运输阶段减排应更加重视主要材料包括混凝土及砂浆、钢材等材料的运输。
图6 单位面积地下车站建材运输阶段碳排放量及占比
2.3 地下车站施工建造阶段
单位面积地下车站施工建造阶段的碳排放强度计算值为63.9tCO2e/100m2。如图7所示，桩工机械的碳排放量最大，近40%，其次是焊接机械和泵类机械（碳排放占比均超过20%），其他碳排放来自水平运输机械、砼及砂浆机械、土石方机械等施工机械的使用。同样地，地下车站施工建造的节能减排，可从施工用机械的管理优化等方面切入。
图7 单位面积地下车站施工建造阶段碳排放量及占比
3. 地铁建设阶段碳排放分析
总体而言，地铁建设碳排放主要包括隧道建设碳排放及车站建设碳排放，具体来源于建筑材料生产与运输以及建造施工阶段。根据上述计算结果，单位里程盾构隧道建设阶段的碳排放强度为13245.4tCO2e/km，如图8所示，主要来源于建材生产阶段（约占75%），其次为施工建造阶段（占23%），相比之下，建材运输阶段造成的碳排放较小。单位面积地下车站建设阶段碳排放强度为371.2tCO2e/100m2，由图9可知，建材生产阶段的碳排放占比较大，占比超过80%，而施工建造碳排放占比约17%，建材运输阶段的碳排放最小（不足2%）。由此，地铁建设过程中，建材（生产）是主要碳排放来源，其次为建造过程施工机械使用带来的相应碳排放，建材运输阶段的环境排放虽较小但仍不可忽视。
图8 单位里程盾构区间各阶段碳排放占比
图9 单位面积地下车站各阶段碳排放占比
04
深圳地铁建设减排潜力分析
1. 地铁建设减排情景假设
前述研究有助于明确地铁建设的减排关键，以探索有效的减排路径。根据深圳市轨道交通线网规划(2016-2035)和深圳市城市轨道交通第四期建设规划及其调整方案(2017-2022)，整理了近期、中远期及远期深圳地铁规划及地下隧道及车站建设概况。依据规划，截至2025年，深圳将开通运营近650km的地铁线路，车站总个数超过360个，截至2035年，地铁运营总里程将达到约1200km，车站总个数超过700个，其建成量将是2020年的3倍左右。由此可见，未来深圳地铁建设体量大，若不采取减排措施，地铁建设的碳排放量将持续上升。
深圳地铁建设的建材生产是碳减排关键环节，其中混凝土及钢材在隧道及车站建设中均属于高消耗建材。结合有关再生建材使用研究的相关文献，本研究拟采用情景分析法，对未来深圳地铁地下隧道及车站建设使用再生混凝土和再生钢材的碳排放水平及减排潜能进行评估预测。以2020年为参考年，增设3种发展情景，分别是基准情景、保守情景和乐观情景(见表11)。情景指标的选取与设置主要参考《广东省“十三五”建筑节能与绿色建筑发展规划》。
表11 情景分析指标设定
相比原生建材，再生建材主要基于废弃建材进行循环生产制备而成，减少了原生建材原料开采、运输以及加工制造等环节造成的多余碳排放，带来一定环境价值。再生建材使用碳核算基于再生建筑材料使用量与再生建材的碳排放系数计算获取。目前关于再生建材的研究已较深入、全面，本研究所使用的再生建材碳排放系数数据参考相关研究文献(见表12)。
表12 再生建材碳排放因子
2. 地铁建设碳减排潜能分析
根据所设定情景进行初步计算，再生混凝土和再生钢材的使用可使未来地铁建设实现碳减排。如图10所示，基准情景下，不使用再生建材，深圳地铁建设阶段的年度累积碳排放量从2020年的27.3MtCO2e增加至2035年的60.0MtCO2e，增幅约2倍。情景Ⅰ(保守型)和情景Ⅱ(乐观型)是不同程度提高再生建材使用比例后碳减排的情景。在2025年，情景I(保守型)和情景II(乐观型)累积碳排放量分别约为31.1和30.3MtCO2e，较基准情景，减排率分别为2.6%和5.2%。2035年的情景I(保守型)累积碳排放量约为57.5MtCO2e，比基准情景减少约4.2%；情景II(乐观型)是再生建材使用比例最高且减排效果最显著的情景，到2035年累积碳排放量为55.0MtCO2e，实现约8.5%的减碳。
图10 累积碳排放量及减排潜力
对比基准情景，情景I(保守型)和情景II(乐观型)使用绿色再生建材可实现不同程度的碳减排效果。2011年深圳市首次发布《关于在政府投资工程中率先使用绿色再生建材产品的通知》，2018年公布了深圳市42家建筑废弃物综合利用企业，深圳市建筑废弃物治理专项规划（2020-2035）（草案）（公示）持续提升建筑废弃物利用率，表明未来深圳将会持续推进再生建材的投入使用，这是建筑及基础设施建设节能减排的有力措施之一，推进绿色产业进一步发展。
05
结论与展望
1) 深圳地铁盾构隧道的碳排放强度为1.3万吨CO2e/km，建材生产阶段、建材运输阶段及施工建造阶段占比分别为75.3%、1.7%和23.0%；地下车站的建设碳排放强度为371.2tCO2e/100m2，建材生产、运输及施工建造阶段分别占81.0%、1.8%及17.2%。建材生产阶段是主要的碳排放来源，亦是主要的碳减排控制环节。
2)减排潜力分析结果显示，至2035年，基准情景下深圳地铁建设的累积碳排放量达到60.0MtCO2e，情景I(保守型)和情景II(乐观型)分别为57.5 MtCO2e和55.0MtCO2e，相比基准情景，碳减排量分别为2.5 MtCO2e和5.1MtCO2e，碳减排率分别达到4.2%和8.5%。情景分析中，再生建材（再生混凝土和再生钢材）使用可有效缓解深圳地铁建设碳排放的增长，且使用率越高可实现的碳减排效果越明显。
3)结合地铁建设碳排放及减排研究结果，现提出以下建议：明晰地铁建设碳排放强度是实施碳减排的重要基础工作，可以通过制定并落实地铁建设相关的碳核算及减排政策、标准以减缓建设阶段的碳排放，其中建筑材料应为重点且优先减排要点，推广使用再生建材等绿色低碳材料，并注意减少建材的损耗与提高其使用效率；施工阶段可侧重施工机械的优化使用；运输阶段注意清洁运输工具的使用与缩短运输距离。
来源：粟月欢,张宇,段华波,李强峰.地铁建设环境影响评估及减排效益研究——以深圳市为例[J].环境工程.
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