地方砂石開采政策對水泥混凝土路面工程能耗排放的綜合影響分析

諶偲翔，黃曉明

（東南大學 交通學院，江蘇 南京 210096）

地方砂石開采政策對水泥混凝土路面工程能耗排放的綜合影響分析

諶偲翔，黃曉明

（東南大學 交通學院，江蘇 南京 210096）

為分析水泥混凝土路面建設工程中地方政策有關砂石資源開采規定對能耗排放產生的影響，通過對水泥混凝土從生產加工到投入使用全過程中各個環節所需材料以及能源量進行統計整合，得到相應的氣體排放總量，經匯總后以清單表格的形式列出，并對具體環節中原材料的能耗排放占比進行了綜合分析。以江蘇省為例，因限制開采的明令要求將直接導致原材料運輸距離增大，對應的氣體排放量占比也隨之發生改變：當運距小于20km時，砂石運輸環節產生的氣體排放量在總排放量中占比較小，低于10%；當運距增大至35km時，占比增大至20%；當進一步考慮跨省運輸時，砂石運輸產生的氣體排放占比將高達57%。結果顯示：地方政策的實施需要考慮對全社會綜合效益的影響；遠距離運輸應結合地理環境和交通設施，采取船運或鐵路運輸等形式以減少氣體排放量的增加；合理確定道路工程所需要的拌和站位置，盡量減少水泥混凝土的運輸距離，也可在很大程度上減少能耗排放總量。

水泥混凝土；砂石原料；能耗排放；綜合效益；運距

0 引言

伴隨著國家交通運輸轉型升級發展戰略的細化落實，現代公路建設目標也由最初的滿足出行運輸服務進一步發展為修建環境協調可持續、長期穩態全方位的綜合性工程，為此有關綠色公路的理念探索與工程實踐也逐漸開展起來。不過回歸到實際的公路建設，在環保元素注入的同時，關鍵的作業流程與工藝技術仍未發生本質性改變，在使用材料的選擇上也仍以常見的瀝青混凝土和水泥混凝土為主。故而圍繞節能減排的環保主題，對于路面工程中能源使用和氣體排放的計算，通常以材料需求為數據基礎，對各項施工流程和環節進行逐個分析考量。

目前，國內外已有大量關于水泥混凝土路面工程能耗排放的研究。道路建設者在設計之初，即需要在環境協調性和路用功能性之間尋求良好的契合點，以期建設環境友好型工程[1]。南非學者Theodosiou[2]對水泥混凝土配合比設計過程中所需各類原材料的溫室氣體排放情況進行了分類列舉，并根據排放差異對排放源進行了總結；韓國學者Park[3]結合本國政府總結制定的能源平衡表，使用經濟的投入產出模型，利用生命周期評價法對道路工程的一個完整壽命周期內能源生產使用情況和氣體排放總量進行了評估；瑞典學者Stripple[4]針對本國水泥和瀝青兩大類路面工程，利用模型評價法對二者生命周期里各環節涉及到的材料使用量、能源消耗量和氣體排放量進行了對照分析。總體而言，國外研究在排放源確定的基礎上，著眼于從產品的原料開采、加工生產、投入使用、維護保養到最終循環利用或報廢清除的整個生命周期內氣體排放量的綜合考慮。

國內相關研究大多是在借鑒國外成熟的生命周期評價與分析理論的基礎上，結合我國道路實際進行具體分析。邴雪[5]認為交通建設領域二氧化碳高排放區的排放源中，公路建設首當其沖；潘美萍[6]根據當下我國道路網優化和公路建設的發展趨勢，結合國家可持續發展的長期規劃，提出未來高速公路建設中遇到的主要問題將由傳統的技術攻堅轉至節能減排；鄭艷華[7]以公路工程修建的整個生命周期作為研究對象，根據工程的具體流程安排，將項目系統地劃歸為以下四個主要進程：以石料為代表的原料開采獲取和以水泥混凝土為代表的后續生產加工、現場實地作業修建、開放使用與綜合監督管理、舊路在設計使用期末的報廢處理。整體而言，國內研究的側重點主要集中在評價模型的建立方面，而就具體建設環節的影響因素分析尚有不足。

本文將以常見的普通水泥混凝土路面工程為例，采用生命周期評價分析法對原材料開采加工、水泥混凝土制備投產、現場施工使用等環節的能源消耗及對應氣體排放情況進行重點分析，并就運距增加帶來的相關影響展開討論，以提升社會綜合效益為目的，對地方開采政策力求進行合理分析與評價。

1 我國砂石資源開發現狀與區域地方政策

我國地域遼闊、山脈眾多，砂石資源儲備量龐大。然而自建國以來，開采行業對于砂石資源的獲取方式相對粗放，在片面追求產量的基礎上，一直忽視利用率的提高和對環境的綜合保護。單純追求經濟利益直接導致資源的嚴重浪費，同時無序開采給周邊生態帶來巨大的破壞。為響應我國資源可持續發展的要求，如何做到合理有序、高效環保地利用砂石資源，如何在社會綜合效益提升的前提下促進各區域的協調發展，值得深思。

根據統計數據[8]，2012年全國各省市的砂石單礦山實際平均生產規模以及平均運輸半徑如圖1、圖2所示。

圖1 全國各省市及地區砂石資源生產規模[8]

圖2 全國各省市及地區砂石資源平均運輸半徑[8]

由圖1、圖2可見，全國范圍內所有省市及地區當年砂石資源實際生產總量接近40億t，其中浙江、廣東、北京、江蘇等地區的生產規模較大，這與地區的經濟發展程度密切相關。經濟的高速發展在促進設施建設與工程修建數量增加的同時，對砂石資源的需求量和開采量也在增加。而在運輸半徑方面，不同省市及地區之間的差異較大，比如北京和黑龍江兩地的平均運輸半徑分別高達90km和80km，顯然二者的交通運輸成本和能耗排放量極大；江蘇省的平均運輸半徑雖然相對較小，但仍然接近25km。可見，若要精確衡量道路施工中的能耗排放，就不能忽視因原材料運輸帶來的各項能源消耗和氣體排放量。

截至目前，我國有些省份已制定了有關砂石資源開采的法規條例。以江蘇省為例，于2001年制定了《關于限制開山采石的決定》（以下簡稱《決定》），開始對省內砂石資源開采加大限制力度，并落實到各個地級市要求認真執行和監督。結合蘇南、蘇北的經濟狀況和未來發展預估，該條例對全省內已有的砂石開采區域重新進行了層次劃分，明確了可采區域和禁采區域，其中禁采區域占地面積達9 838km2，相當于江蘇省地域面積的1/10左右，由此可見江蘇省對砂石資源開采限制的決心之大。該條例強制要求相關部門將待建公司的開發報批手續一律駁回，同時勒令禁采區域內已有的開采公司在近年內完成搬遷。同時，通過對可開采區已有料場的作業設備、機械使用、開采規模、加工能力進行綜合評估，對不符合要求的料場采取了方案整改、罰款警告、責任追查、停產封閉等多項嚴格措施。《決定》以“五年”作為驗收審查和深化拓展的時間段。自2006年起，江蘇省在保持原有禁采強度和力度的基礎上，制訂了又一輪限采禁止計劃并付諸實施。禁采面積在原有基礎上約增大了1/6，總占地面積增至11 303km2，占江蘇省地域面積的11.01%。經濟的快速發展必然導致資源需求量的增大。江蘇省作為全國經濟發達地區，無論是高速公路修建還是道路網規劃都走在全國前列（江蘇省高速公路路網如圖3所示），故對道路建設原材料數量及質量一直處于高需求的狀態。在本省限制開山采石決定的嚴格實施下，全省勢必對外省（尤其是鄰省，如安徽、浙江等）砂石等原材料的需求量增大，從而導致砂石平均運輸距離增大。換言之，《決定》在確保江蘇境內資源和環境保護的同時加大了其他省份的砂石資源耗損，同時著眼于本省的氣體排放量固然大大減少，但若從全社會綜合效益的角度考慮則其實施效果有待商榷。

圖3 江蘇省高速公路路網[9]

2 水泥混凝土路面工程能耗排放綜合效益影響因素分析

2.1 能耗排放量計算方法的確定

2.1.1 研究對象的界定

水泥混凝土路面修建三個階段中的主要任務及本文研究重點如下。

（1）原材料加工生產階段：主要獲取制備水泥混凝土所需要的各類原材料，其中由于對集料和水泥的需求量較大，本文重點研究這兩大類原材料的能源消耗和氣體排放（具體以溫室氣體作為研究對象，且以占比較大的二氧化碳、氮氧化物和甲烷三種氣體為主）。

（2）水泥混凝土拌和制備階段：包括原材料運輸、水泥混凝土加工制備及配套運輸等，本文重點考察各類器械的使用情況。

（3）現場施工階段：包括水泥混凝土路面的攤鋪、養生，水泥板的分塊切縫等，本文同樣將考察各類器械的使用情況。

2.1.2 氣體排放源的確定

水泥混凝土路面修建的各個階段往往采用不同的生產加工工藝和技術，包括原材料的料場開采、水泥的干法生產、水泥混凝土的制備加工以及路面施工的機械作業等，每個環節因能源使用的不同將產生不同種類和不同數量的氣體排放。鑒于此，在數據計算之前，首先需要對每個關鍵環節的氣體排放源加以明確，例如對機械、車輛、照明等不同種類進行歸類劃分。

2.1.3 氣體排放量的計算

基于排放源的種類劃分，可得出各環節所需材料量和能耗量，最終得到氣體排放總量，經匯總后以清單表格的形式列出，以便于之后的參量討論和具體環節能耗排放占比的比較。由于不同的排放源其氣體排放狀況有所不同，故針對不同排放源應分別采用不同的排放量計算方法：一是針對材料本身的氣體排放，先根據化學反應式計算，再通過質量守恒定律加以換算；二是針對能源（煤、燃油）的排放，具體可根據能源排放因子[10-11]的已有實驗統計數據或者計算公式得出。

2.2 砂石運距對能耗排放總量的影響

水泥運輸和砂碎石運輸都屬于原材料運輸，其中砂石運輸主要指將砂石從料場運至拌和站的過程。在江蘇省采取封山禁采令之后，砂石作為非加工料的純天然材料，其運輸距離伴隨料場位置的改變而大大增長。根據圖2所示統計數據可以預估：在未來江蘇省路面工程建設中，砂石運輸平均半徑將在25km的基礎上增加。施工中，水泥加工站的選取可充分使用省內已有資源，而拌和站位置的確定則需要結合施工路段的具體情況，因而暫不考慮，現只對砂石的運輸距離進行假設。

以國內常見的雙幅水泥混凝土路面設計參數為依據[12]，若攤鋪1km混凝土路面，總寬度為22.5m，單幅路面寬度為11.25m(3.75m×3)，厚度為0.25m，則需要水泥混凝土的立方數為：

在此施工過程中，氣體排放統計結果[13]如表1所示。

表1 1km水泥混凝土路面施工過程中的氣體排放統計結果[13]

參考相關文獻[12-13]對運輸距離的選定方案，本文根據所需原料種類的不同對其運輸距離進行假設，如分別取水泥運距、砂石運距和混凝土運距為20km、20km、15km。據此可計算出1m3水泥混凝土在運輸過程中的能耗排放量，具體如表2所示。

表2 單位能耗排放統計結果

假設水泥運距和混凝土運距不變，仍為20km和15km，首先對不考慮砂石運輸的全過程能耗排放進行統計，結果見表3；再對砂石運距分別為15km、20km、25km、30km、35km時的情況進行統計，結果見表4。

表3 不考慮砂石運輸的全過程能耗排放統計結果

表4 不同運輸距離下砂石運輸過程的能耗排放統計

分析表3、表4所示數據，可得不同砂石運距下運輸時的氣體排放量與總排放量的對比關系及其占比情況（如圖4、圖5所示）。

圖4 不同砂石運距下運輸時的氣體排放量與總排放量對比關系圖

圖5 不同砂石運距下運輸時的氣體排放量占比情況

從圖4、圖5可以看出，伴隨省內禁采令的頒布與執行，砂石運距的增大直接導致了其運輸中氣體排放量及占比的增大：當運距為15km時，砂石運輸環節產生的氣體排放量占比為9.20%，而當運距增大到35km時，其占比則增大至19.12%，幾乎為前者的2倍，增幅之大值得關注。

2.3 砂石開采政策的綜合影響分析

江蘇省源于保護環境初衷的限采令固然可以在很大程度上對省內山區環境進行保護，但就國家節能減排的目標而言，并不能僅限于某一地方或區域的能耗排放降低，而忽視全國范圍內的總量變化，否則會導致整體氣體排放總量有增無減。因此，有關部門需要對全國范圍內各省市各地區砂石資源的合理開采進行有效協調與統籌。倘若因單一地著眼于某地域的環境保護而較大規模減少該特定區域的資源利用，則將造成全國不均衡發展狀況，不利于社會綜合效益的提升。

當然，由于砂石資源的種類分布往往受到地域限制，在此考慮常用的石灰巖和玄武巖等巖石的分布情況，其在各個省內的有無、位置以及儲量都不一而同。省內原料運輸半徑的確定是基于所有已建（或在建）工程的平均統計數據，對于具體公路工程而言，若其路用材料無法就近獲取卻仍要保證不變的話，則原料采購距離將大大增大。假設運輸距離達到200km，同樣計算運輸全過程的氣體排放和各個環節中的氣體排放及其占比情況，結果如圖6和圖7所示。

圖6 砂石運距為200km時全過程氣體排放

由前文可知，隨著砂石運距的增大，氣體排放總量及其占比都隨之增大。由圖7可知，當運距增大到200km時，僅砂、碎石運輸中產生的氣體排放占比就高達57%。由此可見，在傳統的道路運輸方式下，利用車輛進行運輸，產生的氣體排放量會十分巨大，不利于節能減排目標的實現。此時，若充分結合工程所在地的地理環境或交通設施，換作其他大噸位運輸方式，如靠近河流的工程采用船運方式，靠近火車站的工程采用“客貨聯運”的火車進行輔助的材料運輸，都將大大減少氣體排放量，同時提高能源的利用率。

圖7 砂石運距為200km條件下各階段氣體排放量占比

2.4 其他因素在不同運距下的能耗影響分析

前文分析是基于水泥、混凝土拌和、材料機械裝載、混凝土運輸等因素均保持不變的情況，而得到不同砂石運輸距離下能耗排放量及其占比規律：砂石運輸能耗量及其占比隨運輸距離的增大而增大。而在全過程統計計算中，以砂石運距為15km條件下的情況為例，有關水泥運輸和混凝土運輸各自的能耗排放量統計結果如表5所示。

表5 砂石運距為15km條件下全過程能耗排放量

水泥、混凝土在不同運距下能耗排放占比情況如圖8和圖9所示。可見，隨著水泥和混凝土運距的縮短，特別是混凝土運距的減少，全過程能耗排放總量減少程度明顯（當運距從15km減少到7km時，能耗排放占比下降約15%）。由此可見，合理確定拌和站位置，盡量減少水泥混凝土的運輸距離將很大程度地減少能耗排放總量。

圖8 水泥不同運距下能耗排放占比情況

圖9 混凝土不同運距下能耗排放占比情況

鑒于整個水泥混凝土路面修建過程中，施工地點的確定源自既定項目方案設計要求，考慮到投資方的建設目標以及各單位的部署協調，不易變更，故在整個施工流程所涉及的機械運營場地中，只有水泥混凝土拌和站位置和原材料料場位置具有可選性。有關拌和站的修建位置，可以根據道路網的設置和縣市的經濟發展狀況做出相應的調整，以便在保證工程正常開工的前提下使資源利用取得最佳效果。值得注意的是，拌和站作為原材料生產加工的重要場所，生產的水泥混凝土將直接通過運輸車輛運至相應施工段，其選址涉及眾多因素。單純的選址抽象理論研究涉及運籌學、統計學以及生產實踐等，因此從方法的選擇上，尤其是在近年來的公路工程項目拌和站選址實踐中，需要從位置選取的優勢、劣勢及適用范圍等方面進行全面系統的綜合評估。

3 結論

本文基于國內砂石資源開發利用現狀和江蘇省“限采令”的有關規定，通過具體的數據計算，就原材料獲取過程中對能耗排放影響較大的運輸距離因素（砂石運距、水泥運距、混凝土運距）進行了分析，并得到如下結論。

（1）對于江蘇省地方砂石限采令，其達到減少本省砂石開采量和省內環境保護目的的同時勢必導致砂石遠距離的跨省調運，由此產生更多的能耗排放，不符合國家節能減排的要求，因而從全局角度著眼，類似這種局部地區政策的落實與實施效果值得商榷。

（2）由于資源分布的特殊性，同時鑒于傳統道路運輸會產生大量的能耗排放，未來路面工程建設涉及材料遠距離運輸時，建議調度者充分結合當地的地理環境條件和交通設施，盡量采取船運或鐵路等大噸位的運輸方式以減少氣體排放量。

（3）倘若砂石原料的料場無法輕易改變，則合理確定道路工程拌和站的位置，盡量減少水泥混凝土的運輸距離，也可在很大程度上減少能耗排放量。

總之，本文著眼于水泥混凝土路面工程建設階段原料運輸涉及的各個運距因素對能耗排放的影響進行了探討，對區域砂石開采政策帶來的能源消耗和氣體排放影響進行了分析，但限于數據收集和政策信息獲取等條件，本文對不同省市及地區之間的對比研究沒有涉及。在接下來的研究中，筆者將重點開展地域間的橫向比較，針對各省市及地區砂石開采的相關情況，就共同點及差異性展開研究，以期為國內因地制宜、統籌協調地開采現有砂石資源提供建設性意見，爭取降低氣體排放總量，促進資源使用率的提高。

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Comprehensive Effect of LocalAggregate Mining Policy on Energy Consumption and Emissions of Cement Concrete Pavement Engineering

CHEN Cai-xiang,HUANG Xiao-ming
(School of Transportation,Southeast University,Nanjing 210096,China)

In order to analyze the effect of local policy about aggregate mining on energy emissions in cement concrete pavement construction engineering,the raw material needed and energy consumption was integrated from the production to construction of cement concrete in the whole construction process, then the total amount of gas emission was calculated and presented in list forms by statistics,so as to comprehensively analyze and calculate the percentage of energy consumption and emissions in total transport of raw materials.Taking Jiangsu Province as an example,because of the limitations of local ag?gregate mining policy,the material transport distance was led to increase.When the transport distance is less than 20km,gas emissions of aggregate materials transport account for 10%of the total;when the transport distance increase to 35km,the proportion increases to 20%.Furthermore,considering interprovincial transportation,the gas emission of aggregate materials transport account for 57%of the total.The results show that the implementation of local policies need to consider the comprehensive effect of the whole social benefits of China.Long-distance transport should be combined with the geographical environment and transportation facilities,the mode of transport should appropriately take the form of shipping or rail to reduce the increase of gas emission.At the same time,reasonable mixing station loca?tion and reduced transport distance of cement concrete can also reduce the emission amount of total ener?gy consumption to a great extent.

cement concrete；aggregate materials;energy emissions;comprehensive benefits;trans?port distance

U-9

：A

：2095-9931（2015）05-0054-07

10.16503/j.cnki.2095-9931.2015.05.008

2015-08-01

國家自然科學基金項目（51378121）

諶偲翔（1992—），男，江西高安人，碩士研究生，研究方向為道路與鐵道工程。E-mail：1812703357@qq.com。