海绵设施全生命周期碳排放核算方法研究.pdf

第 卷第 期 水 资 源 保 护 年 月.基金项目:国家自然科学基金项目()北京市自然科学基金项目()水利部重大科技项目()中国水利水电科学研究院科研专项()作者简介:朱雨()女硕士研究生主要从事水文水资源研究:.通信作者:杨志勇()男正高级工程师博士主要从事城市水文及气候变化对水资源影响研究:.:/海绵设施全生命周期碳排放核算方法研究朱 雨邵薇薇杨志勇(中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室北京)摘要:运用全生命周期评估方法分析了海绵城市建设中典型措施的碳足迹考虑材料产出、运输、建设、运营、维修等主要环节构建了典型海绵设施的碳排放核算体系 以我国第一批海绵城市建设试点河北省迁安市安顺家园小区为例对典型海绵设施的全生命周期碳排放进行了核算分析了碳排放的主要影响因素 结果表明:安顺家园小区海绵设施全生命周期内的直接碳排放量为.主要来自降解污染物产生的碳排放间接碳排放量为.建造施工和拆卸阶段碳排放占比最大碳汇量为.主要来自绿地固碳和雨水再利用全生命周期 内净碳排放量为.预计该海绵改造方案有望在.实现碳中和城市海绵建设对碳减排效果显著可有效推进城市的绿色低碳发展在未来海绵建设中应尽量选择低碳的建筑材料同时采取合理的种植模式可以更好地发挥绿地的碳减排功效关键词:海绵城市全生命周期碳排放碳足迹碳减排中图分类号:.文献标志码:文章编号:()/():.:近年来温室气体过量排放致使全球气候变暖造成了气候变化、极端气候事件频发等环境问题全球碳减排重要性日益凸显 碳减排可以有效减缓温室效应减少不可再生资源消耗促进世界经济向绿色经济和可持续发展的形势转变 欧盟提出 年实现碳中和的目标英国、日本等国计划 年实现净零排放我国把碳达峰、碳中和纳入生态文明建设整体布局提出“年前实现碳峰值、年前实现碳中和”的重要目标 在这一目标的引领下城市水系统作为重要的公共设施其温室气体排放也引起了社会的广泛关注 海绵城市是我国新型城市化的主要方向与绿色低碳城市建设相辅相成是提升城市韧性、增强气候适应能力的关键措施 海绵设施可通过化石能源降耗减少碳排放同时绿化系统也将增加碳汇有效降低城市热岛强度提升城市环境质量 可见碳排放核算对于研究海绵城市的生态环境效益具有重要意义国内外学者针对城市海绵建设的碳排放问题已开展了部分探索性研究目前较多集中在设施层面的碳排放 如绿色屋顶、生物滞留池等 例如:等量化研究了生物滞留池的碳汇效益贾玲玉从减污降碳和植物固碳的角度分析了绿色屋顶、渗透铺装等典型绿色措施的碳减排收益 等量化了绿色屋顶的碳汇效益等分析了在不同气候情景中使用绿色设施的减排效益 等采用成本组合生命周期评价方法评价了灰色设施、绿色设施以及灰绿耦合基础设施系统的环境效益和经济效益 总体来看现有研究普遍认为绿色设施较灰色设施而言具有较大的碳减排潜力 在设施碳排放基础上也有部分研究核算了区域尺度的碳排放 例如:李俊奇等以北京某片区为例重点关注了海绵城市建设和运行过程中的碳排放郑涛等以某居住社区为例核算了海绵城市改造所产生的碳排放 等以厦门市为例定量分析了海绵城市建设对碳排放的影响邹一雄等对小型水电站生命周期碳足迹进行了量化分析研究 但这些研究侧重于海绵设施建设阶段的碳排放和绿色设施碳汇对管网建设及雨水系统运行过程中的碳排放考虑不足当前国内外在海绵设施运行和后期处理阶段内的碳排放、雨水利用及径流削减的碳汇等方面研究尚处于起步阶段对海绵城市全生命周期的碳排放评估还未形成系统的研究成果难以满足当前海绵城市建设、双碳战略的实践需求 本文基于生命周期评估理论根据联合国政府间气候变化专门委员会()及联合国气候变化框架公约的认识论与方法论建立简易的碳排放的核算方法 河北省迁安市作为全国海绵城市建设首批试点重点推进了小区海绵化改造其中安顺家园小区有着较好的本底条件和相对完整的海绵建设体系因此选择该区域作为典型区进行案例分析量化分析不同阶段的碳排放水平重点讨论海绵城市建设和运行过程中碳排放的影响因素以期为海绵城市建设和运行过程中的碳排放核算和减排路径提供参考 海绵设施碳排放核算框架确定碳排放核算边界、识别碳源与碳汇是构建雨水系统碳排放核算框架的关键 在碳排放计算中先确定排放源再确定碳排放因子 本文构建的碳排放核算框架参考 发布的 国家温室气体清单指南(修订版)重点对海绵设施全生命周期不同阶段的活动水平进行分析同时对不同活动类型的排放因子进行率定以推求海绵设施生命周期内各环节的碳排放情况 海绵城市全生命周期包括材料产出、运输、建设、运行、维修、拆卸等全过程全生命周期碳排放核算针对绿色屋顶、透水铺装、生物滞留设施、植草沟等主要设施碳排放和碳汇进行定量核算从而得出海绵设施的碳排放量和碳汇量 海绵城市全生命周期的碳源包括直接碳源和间接碳源直接碳源主要包括降解污染物(、等)过程中产生的碳排放间接碳源来自全生命周期各阶段碳汇来自海绵设施运行阶段 图 为海绵城市碳排放核算边界示意图 由图 可见直接碳排放主要在海绵设施污染物降解过程中产生间接碳排放是指材料生产、运输、施工、运行、维护和拆卸阶段相应的能耗、电耗和材料消耗的碳排放运行阶段内海绵设施通过绿地固碳、雨水利用、雨水净化、径流削减、建筑节能等过程发挥其碳汇作用图 海绵城市碳排放核算边界示意图.核算方法.核算思路海绵设施的净碳排放量为各个阶段各能源所产生的直接碳排放量和间接碳排放量之和减去碳汇量:()()式中:为净碳排放量为直接碳排放为间接碳排放为材料生产、运输和设备电耗所产生的碳排放量之和为碳汇量为绿地固碳、雨水利用、径流削减、建筑节能、雨水净化所产生的碳汇之和 所有碳排放量均以 当量计.直接碳排放核算海绵设施的直接碳排放主要来源于运行阶段对污水中、等污染物的降解及污泥处理过程 在降解污染物环节 和 来自有机物的降解和转化 在脱氮过程产生 由于 中只考虑生源性 所以本文只考虑 和 作为直接碳排放的主要产物采用 国家温室气体清单指南(修订版)提到的有机物厌氧分解过程中的排放系数计算公式:()式中:为考虑厌氧分解过程中的排放系数、排放修正因子及全球增温趋势得到的第 种污染物的综合系数为经过海绵设施处理后的第 种污染物排放量污泥选取填埋方式进行处理 污泥填埋过程中有机物在厌氧条件下通过微生物作用转换生成其温室效应为 的 倍 据测算每吨污泥填埋产生 约.相当于.当量.间接碳排放核算.材料生产的碳排放量 原材料生产过程碳排放量计算公式为()式中:为材料生产碳排放量为第 种材料的使用量为第 种材料单位质量对应的碳排放因子.运输过程中的碳排放量 运输能耗取决于运输方式、距离和能源类型计算公式为()式中:为运输阶段碳排放量为第 种材料的运输距离为第 种材料的使用量为第 种材料的单位周转量的碳排放因子.设备电耗的碳排放量 建造、运行、维护阶段都会用到相关电耗设备 施工阶段各类工程的台班量根据市政工程消耗量定额进行估算不同能源的碳排放因子来自建筑碳排放计算标准计算公式为()式中:为设备电耗的碳排放量 为第 类工程第 种施工机械采用第 种能源类型的台班数 为相应的单位台班的能源消耗量 为第 种能源的碳排放因子.碳汇核算对海绵设施的绿地固碳、雨水利用、径流削减、建筑节能和雨水净化 个方面进行碳汇核算分析主要海绵设施类型的碳减排定性分析结果见表 表 海绵设施碳减排定性分析结果 项目绿色屋顶透水铺装 生物滞留设施 植草沟调蓄池绿地固碳雨水利用径流削减建筑节能雨水净化 注:表示海绵设施具备该项碳减排能力 表示不具备该项碳减排能力.绿地固碳碳汇 绿地资源对于调节全球碳循环和气候具有重要的作用 本文主要对广义上的绿地进行研究主要包括普通绿地、集中绿地等 针对绿地植物和土壤主要通过面积法来实现固碳碳汇的计算计算公式为()式中:为绿色设施的固碳量 为第 种植被类对应的绿地面积 为第 种植被的固碳因子.雨水利用碳汇 海绵设施可从收集循环水量中产生碳汇计算公式为()()式中:为雨水利用产生的碳汇 为区域雨水利用量 为自来水的碳排放因子 为海绵设施处理和再分配单位雨水的碳排放因子.径流削减碳汇 在海绵设施运行后雨水径流将显著减小在此过程中市政管网运行负荷将会显著降低从而减少碳排放因此在计算时用减少的径流量换算成考虑强排等量雨水产生的碳排放量计算公式为()式中:为径流量削减产生的碳汇为第 种海绵设施削减的径流量 为城市雨水管网排放的碳排放因子.建筑节能碳汇 在建设海绵城市的过程中绿色屋顶带来了多数碳汇其不仅能够吸收 同时有利于建筑能耗的降低 节能降耗对应的碳汇计算公式为()式中:为建筑节能对应的碳汇 为第 种建筑节省的能源 为第 种建筑提供相应能量的碳排放因子.雨水净化碳汇 海绵设施削减雨水中污染物可产生碳汇计算公式为()式中:为雨水净化产生的碳汇为第 种海绵设施的污染物削减量为第 种海绵设施削减等量污染物对应的碳排放因子 案例分析河北省迁安市坐落于滦河沿岸 年作为县级市纳入全国海绵城市建设首批试点近年来迁安市海绵建设取得显著成效 研究区概况如图 所示参考迁安市城市试点区建设系统方案 和迁安实例最终选取迁安市安顺家园小区作为典型区域进行碳排放核算 安顺家园小区建筑面积约为.万 生物滞留设施、透水铺装、渗水沟、植草沟的建设面积分别为 、海绵设施设计参数如表 所示 据文献假设海绵设施设计使用年限为 结合海绵改造方案设计数据核算海绵城市全生命周期的碳排放量图 研究区概况.直接碳排放迁安市年平均降水量为.雨水中化学需氧量()和总氮()的平均质量浓度分别为.、./去除后的质量浓度分别为.、./所对应的碳排放因子分别为.、./根据式()计算得到安顺家园小区 表 安顺家园小区海绵设施设计参数 海绵设施面积/参数名称设计参数取值生物滞留措施 表层厚度 土壤层厚度 储水层厚度 储水层孔隙率.盲管直径 生物滞留措施 表层厚度 土壤层厚度 储水层厚度 储水层孔隙率.盲管直径 渗水沟表层储水深度 储水层厚度 储水层孔隙率.盲管直径 透水铺装透水铺装厚度 粗砂石层 细砂石层 储水层孔隙率.盲管直径 植草沟表层储水深度 和 的碳排放量分别为.、./在设计使用年限为 的全生命周期内该区域内的直接碳排放的总量为.根据行业经验 万 生活污水产生污泥 安顺家园小区污水排放量约/污泥排放量约为.则安顺家园小区处理污泥的碳排放量为./综上迁安市安顺家园小区直接碳排放量为 ./全生命周期内的碳排放量为.间接碳排放.材料生产的碳排放量 建材种类繁多且生产加工工艺差别较大本文仅将建材大致分为混凝土、砂、砾石等 种类别参考相关文献和标准确定碳排放因子 材料生产阶段的碳排放量见表 种建材合计碳排放量为表 材料生产过程的碳排放量 建筑材料使用量碳排放因子碳排放量/混凝土 /砂./砾石./砖./级配碎石./土工布./盲管./防渗膜./.材料运输的碳排放量 本文计算时运输工具采用载重 的重型柴油货车其碳排放因子为./()运距采用 年全国公路运输的平均运距 据表 的材料和使用量可求得运输阶段碳排放量合计为.施工阶段的碳排放量 海绵设施建造涉及原煤、原油、天然气、一次电力及其他能源 以标准煤进行折算后可得每 的能耗可产生.的碳排放 根据安顺家园小区海绵设施的建设面积求得施工阶段碳排放量为.运行阶段的碳排放量 本阶段主要来自电耗设备产生的碳排放碳排放因子结合文献和迁安市所属电网区域确定 运行阶段涉及打药机油耗、修剪油耗、排泥及供水等装置电耗计算得出安顺家园小区海绵设施在运行阶段的电耗碳排放约为/按 的使用周期计算为.维护阶段的碳排放量 海绵设施维护阶段主要包括植物的管理养护和设备的检修等间接产生的碳排放 植物的管理养护工作主要为人工活动涉及的碳排放项目可忽略不计故只考虑相关维护设备的电耗产生的碳排放 设施的老化是一个随时间递增的曲线但由于其具体情况存在较大的不确定性因此假设在 的生命周期内每年的维护措施相同全生命周期内产生碳排放.各项海绵设施维护阶段的碳排放量见表 所有维护项目合计碳排放量为 /表 维护阶段的碳排放量 维护项目面积/碳排放因子/(/()碳排放量/(/)生物滞留设施.透水铺装.渗水沟.植草沟.拆卸阶段的碳排放量 在对拆卸活动的碳排放量进行确定时通常情况下主要依据建造施工阶段的 进行核算该阶段碳排放量的核算结果为 综上可知在 全生命周期内间接碳排放量为.主要来自建造施工和拆卸阶段的排放量分别占比 和 在安顺家园小区涉及的 种海绵设施中单位面积碳排放量顺序由大到小为:生物滞留设施、透水铺装、渗水沟和植草沟其中维护生物滞留设施产生的碳排放在整个维护阶段中占比最大维护阶段碳排放与项目规格和碳排放因子均呈正相关 海绵设施的材料生产、运输、施工和拆卸阶段均为固态碳排放即一次性碳排放不会随时间增加而增加在运行和维护阶段中产生的碳排放为动态碳排放会随时间增加而增加 经计算全生命周期内固态碳排放和动态碳排放比值约为 在间接碳排放中建造和拆除阶段产生的碳排放量相对较高 混凝土作为建筑材料的主要原料之一使用量虽低于砂和砾石但生产混凝土过程中的碳排放量明显高于其他建筑材料 盲管材料用量较少但碳排放量远高于其他生产材料在材料生产中碳排放量仅次于混凝土 从材料本身的角度进行分析可能是由于其涉及的混凝土、盲管等建筑材料本身含碳量较高如盲管的原料含合成纤维、合成橡胶等碳纤维复合材料含碳量较高 材料本身含碳量对碳排放存在显著影响在未来海绵城市建设规划时要尽可能对建筑材料进行选择或优化以减少碳排放.碳汇核算迁安市安顺家园小区海绵城市改造项目中由于未包含绿色屋顶等可产生建筑节能碳汇的设施故建筑节能碳汇量为 本案例计算绿地固碳、雨水利用、径流削减、雨水净化所产生的碳汇.绿地固碳碳汇 城市绿地生态系统中植物是重要碳库结合安顺家园小区各绿地类型及其所占面积查询出绿地固碳的碳排放因子为./海绵改造方案中绿地固碳碳汇量为./.雨水利用碳汇 试点建设项目中有 个涉及雨水资源回用收集的雨水经净化后用于补给景观水体及绿化灌溉等 按照迁安多年平均降雨数据计算考虑降雨频次、蒸发量等主要因素经统计可得雨水回用设施每年可收集雨水约.万 雨水利用总量约.万 迁安多年平均降水量为.试点区雨水回用率为.可达到 的回用率目标 安顺家园小区雨水利用的碳排放主要由雨水回用所抵消的碳排放和雨水处理及再分配组成的碳排放其碳汇量为二者之差 安顺家园小区的雨水利用量和雨水回用量分别为/和 /供应自来水和处理再分配雨水的碳排放因子分别为./和./经过核算碳汇量为 /.径流削减碳汇 根据海绵城市建设技术指南中我国大陆地区年径流总量控制率分区图迁安市位于区()根据迁安 年降雨数据选择年径流总量控制率为 建设海绵设施后将减少下游雨水泵站的强排流量取水泵效率为 水泵扬程 单位运行能耗经过核算后的结果为.经计算径流削减部分碳汇为/.雨水净化碳汇 海绵设施能有效调控雨水改善雨水径流水质削减的污染物主要为化学需氧量及总氮其碳排放系数为./和./可得到本部分碳汇为 /由上可知 迁安安顺家园小区可实现每年.的碳汇其中绿地固碳占比.雨水利用占比.径流削减占比.雨水净化占比.海绵设施中绿地固碳占比相对较高 小区的绿地包括普通绿地、下凹式绿地和生物滞留设施等海绵绿地设施中由于植物的多样性和良好的配置格局相较于绿地有更强的固碳释氧能力 在未来城市规划中应合理规划布局因地制宜采用低碳的种植模式和合理的植物配置以更好地发挥海绵设施在城市生态系统中的减碳功效.净碳排放量核算经核算汇总迁安市安顺家园小区海绵设施全生命周期 内的直接碳排放量、间接碳排放量及碳汇总量分别为.、.和.净碳排放量为.其中数值的正负是以碳排放为基准的碳排放为正而碳汇与碳效益的本质为碳吸收数值为负 安顺家园小区在此海绵结构下预计.实现碳中和 结 论.海绵城市建设的净碳排放主要来源于直接碳排放、间接碳排放和碳汇 直接碳排放主要来自海绵设施降解污染物过程间接碳排放包括材料生产、运输及设备能耗产生的碳排放碳汇来自海绵设施中绿地固碳、雨水利用、削减径流等过程.海绵城市建设对碳减排效果显著 迁安市安顺家园小区 全生命周期内直接碳排放量为.间接碳排放量为.碳汇总量为.其 中 全 生 命 周 期 内 净 碳 排 放 量 为.预计该海绵改造方案可在.实现碳中和.海绵城市建设中间接碳排放以施工、拆卸阶段的碳排放占主导其次是材料生产、运输和运行、维护阶段 碳汇环节中绿地固碳产生的效果最明显其次是雨水利用、雨水净化和径流削减环节海绵城市建设阶段中生产混凝土和盲管的碳排放明显高于其他建筑材料未来可优化能源选用碳含量低的材料重视建设低碳绿色适应性建筑 绿地固碳是主要的碳汇来源在未来的规划建设中应尽可能保留利用现状绿地合理规划植物布局以更好发挥海绵设施的减碳功效参考文献:田慧芳.碳中和背景下中欧气候合作的潜力与挑战.欧亚经济():.(.():.().:.刘军红汤祺.日本碳中和战略及其前景.现代国际关系():.(.():.()张伟车伍.海绵城市建设内涵与多视角解析.水资源保护():.(.():.()高玉琴陈佳慧王冬冬等.海绵城市低影响开发措施综合效益评价体系及应用.水资源保护():.(.():.().:.:.贾玲玉.海绵城市建设的低影响开发技术配置优化与碳减排研究.天津:天津大学.():.:.:.李俊奇张希李惠民.北京某片区海绵城市建设和运行中的碳排放核算研究.水资源保护():.(.():.()李俊奇孙梦琪李小静等.生物滞留设施对雨水径流热污染控制效果试验.水资源保护():.(.():.()郑涛.居住社区海绵改造过程的碳排放核算研究.中国给水排水():.(.():.()李晨璐郑涛彭开铭等.基于全生命周期法的海绵城市雨水系统碳排放研究.环境与可持续发展():.(.():.().:.:.邹一雄刘羽.小型水电站生命周期碳足迹研究.水电与新能源():.(.():.()联合国政府间气候变化专门委员会.:.:.赵联芳谭少文张鹏英等.人工湿地处理四环素类抗生素废水时有机碳源的影响.水资源保护():.(.():.()郝永飞金光球唐洪武等.淮河干流典型污染物时空分布特性分析.河海大学学报(自然科学版)():.(.()():.()张婷高雅李建柱等.流域非点源氮磷污染负荷分布模拟.河海大学学报(自然科学版)():.(.()():.().(/):.高育欣王军徐芬莲等.预拌混凝土绿色生产碳排放评估.混凝土():.(.():.()中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑碳排放计算标准:/.北京:中国建筑工业出版社.武文婷夏国元包志毅.杭州市城市绿地固碳释氧价值量评估.中国园林():.(.():.().().():.崔鹏.建筑物生命周期碳排放因子库构建及应用研究.南京:东南大学.张孝存.绿色建筑结构体系碳排放计量方法与对比研究.哈尔滨:哈尔滨工业大学.沈丹梁尧钦王芳等.既有住区海绵设施与景观系统有机融合技术.给水排水():.(.():.().():.马洁.海绵城市建设典型措施的碳源解析和碳排放研究.太原:山西农业大学.陈碧宜.基于气候变化的低影响开发设施径流量和碳排放控制研究.广州:广州大学.(收稿日期:编辑:王芳)