海綿城市典型措施碳排放研究

馬潔 武小鋼

摘要：城市化的加速發展導致城市出現許多環境問題，如何在低碳的基礎上進行海綿城市建設，是低碳生態建設的重點。文章通過對晉中市海綿城市規劃中的幾項海綿城市措施碳排放源進行計算分析，結果如下：1）材料生產的碳排放量是建設施工階段中最重要的碳排放量;2）所研究的4項典型措施中建設施工階段單位面積碳排放量順序為：雨水花園>透水鋪裝>蓄水池>屋頂綠化;3）建設施工階段中對于碳排放量影響最大的材料是混凝土。

關鍵詞：低碳，海綿城市措施，碳排放

城市化對全球環境變化產生了嚴重的影響，城市源CO，排放占到了總排放量的約80%，在全球變暖中扮演著重要角色。由于城市人口、資源和基礎設施相對集中，氣候變化的不利影響也最有可能出現在城市地區。因此，減少溫室氣體排放就成為必然選擇，而發展低碳城市則是至關重要的行動策略。為了應對城市化過程中不透水下墊面擴張和氣候變化引發的極端天氣給城市帶來的日益嚴重的內澇現象，我國提出“海綿城市”建設理。當前，城市雨洪綠色基礎設施建設成為城市建設的一個重要新興領域，基于低影響開發及雨水資源化理念的海綿城市本身既是低碳城市的組成，同時在建設中也應當貫徹低碳理念。

低碳城市建設的前提是清晰而準確地掌握城市各個領域的CO2排放情況。目前，國內對于碳排放的研究多集中在建筑和工業領域，對于城市建設中的碳排放研究則主要針對住區、園區、城市群等不同層次空間尺度的能源消費結構和生態足跡結構，而在本文研究領域只有一篇文獻對兩項LID措施進行了環境影響分析和經濟評估。在碳排放研究中，主要方法是全生命周期法，其針對建設施工、運行維護以及拆除回收等3個階段的能源、材料所歷經的所有過程進行追蹤。本研究通過分析其各環節碳排放，明確排放源，清楚排放量，為實現CO2的減排提供決策依據。在海綿城市建設中，最主要的碳排放集中在建設施工階段，因此，本文主要針對建設施工階段的CO2氣體排放進行分析。通過對海綿城市建設中的代表性措施的碳排放進行剖析，分析其影響因素，希望能夠為低碳生態建設奠定理論基礎，為海綿城市的低碳建設提供理論支撐。

1 研究方法

1.1 研究案例概況

本文以山西晉中社火公園為研究案例。社火公園位于晉中市榆次區迎賓西街晉商』‘場南側，占地18.5萬㎡，其中水系面積1.5萬㎡，道路廣場5.5萬㎡，綠地11.5萬㎡。根據《晉中市城區海綿城市專項規劃》，社火公園綠地中有38 633㎡進行雨水花園設計，社火博物館采用屋頂綠化設計，公園道路及廣場采用透水鋪裝，公園4個方向各有一個3mx4mX3m的開敞式蓄水池。

1.2 碳排放計算模型

利用IPCC提供的碳排放估算方法計算，其基本思路是依照碳排放清單列表，針對每一種排放源構造其活動數據和排放因子，以活動數據和排放因子的乘積作為碳排放估算值。

Em=ADx EF（l）

式中，Em是CO2的碳排放量;AD為活動數據，即單個排放源與碳排放直接相關的具體使用和投入數量;EF為排放因子，即某排放源使用量所釋放的CO2量，其計算可以采用IPCC報告中給出的缺省值（依照全球平均水平給出的參考值），EF=原始排放系數×我國熱值碳氧化因子。2碳排放源分析

海綿城市措施建設施工階段的碳排放源，通過全生命周期法可歸納總結為建造材料固定碳排放、材料及施工運輸碳排放和施工現場機械設備使用碳排放3個部分。

2.1 建造材料碳排放分析

對4項措施所使用的建造材料進行碳排放分析，包含了所需原材料的開采、加T能耗。

E.=∑Mi×EFi（2）

式中，Mi表示第i類建材的使用量，EFi表示第i類建材的生產碳排放因子。

1）雨水花園。雨水花園是一種模仿自然界雨水滲濾功能的旱地雨水徑流調蓄技術，屬于生物滯留的一種形式。其建造結構及材料采用《海綿城市建設技術指南》及蘆琳等的研究結果，材料碳排放因子采用顧道金等的研究結果。在此基礎上，社火公園中雨水花園材料碳排放量見表1。

2）屋頂綠化。在建筑碳排放研究中，其清單包含建筑建造屋頂所必須的混凝土結構層、保溫層和找平層，由于屋頂綠化以建筑物的頂部作為平臺，未免重復計算碳排放量，在研究中對屋頂綠化的碳排放量從防水層開始列入計算。其建造結構及材料采用《種植屋面工程技術規程》和韓麗莉等的研究結果，材料碳排放因子采用顧道金、田彬彬、崔鵬等的研究結果。在此基礎上，社火公園中屋頂綠化材料碳排放量見表2。

3）透水鋪裝。由于鋪裝的面層材料不同，透水鋪裝的碳排放量差異很大，在本研究中以廣場中主要使用的生態砂基透水磚作為范例。其建造結構及材料采用蘆琳、符鍵等的研究結果，材料碳排放因子采用顧道金、崔鵬等的研究結果。在此基礎上，社火公園中透水鋪裝材料碳排放量見表3。

4）蓄水池。蓄水池是城市雨水集蓄工程中最為常見的一項基本措施，根據不同承重所需的混凝土強度不同，其材料使用量采用《雨水集蓄工程》《矩形鋼筋混凝土蓄水池圖集》中提供的數據，材料碳排放因子采用崔鵬、吳淑藝、張孝存等研究結果。在此基礎上，社火公園中蓄水池材料碳排放量見表4。

2.2 運輸碳排放分析

建筑材料主要采用鐵路、水路和公路的運輸方式。根據建造運輸的就近原則以及研究計算的簡便，本研究中假定所有材料均采用公路運輸。運輸過程中的碳排放計算公式為：

式中，EFp表示第p類運輸方式時建材運輸的碳排放因子，Bi表示第i類建材的總重量，Li表示第i類建材從產地到施工現場的距離。

由于具體的建筑材料產地和進貨單位不可知，計算時采用2015年全國公路運輸的平均運距（184 km）作為計算依據。因公路運輸的具體能耗與貨運汽車載貨結構、能源結構、載貨率和運輸管理等因素有關，采用文獻中對柴油貨車在省道中的平均碳排放指標13.4 kg/百噸·km的研究結果，計算得出運輸碳排放量清單見表5。

2.3 現場施工碳排放分析

海綿城市措施施工現場的機械設備的碳排放因子，可以用各自的臺班量乘以每臺班的燃料使用量，再根據能源的碳排放因子轉化為機械的碳排放因子。

式中，EFk表示第k類施工機械設備的碳排放因子，X表示第A類機械設備的總工作量（單位：臺班），Nk表示第k類機械設備的數量。

由于場地沒有確切的工程預算資料和工程定額信息，可根據單位面積的能耗統計值估算工程的總耗能，由于山西省主要是利用煤燃燒來提供所需的各種能源，因此在本文的計算中，根據文獻研究中標煤所提供的能源來進行碳排放與標煤之間的折算系數29.30 kg/GJ，并計算得出現場施工碳排放量見表6。

3 結果與分析

對數據進行分析研究，結果表明，不同措施在建造材料、運輸和現場施工3部分中的碳排放量占比不同。由圖1至圖4中可以看出，雨水花園的碳排放中運輸碳排放量占總體碳排放的96%，其他3項措施中均是材料碳排放量占比較重，達到88%，71%，76%，其中屋頂綠化和蓄水池中施工現場碳排放量占比第二，透水鋪裝中運輸碳排放量占比第二。

由表7可知，在材料碳排放量中透水鋪裝的單位面積碳排放量最大，屋頂綠化和蓄水池次之，雨水花園最少;運輸碳排放量中，雨水花園最大，透水鋪裝次之，之后依次是蓄水池和屋頂綠化;現場施工碳排放量中，整體排放量相對平均，其中蓄水池最大，其后依次是透水鋪裝、雨水花園和屋頂綠化。

在建造材料部分，透水鋪裝中混凝土的碳排放量最大，占到總排放量的67%;其次是面層材料生態砂基透水磚，占30%，根據Cook Ian的研究結果更換面層材料，其材料碳排放量：植草磚>透水性混凝土>生態砂基透水磚>透水瀝青>透水碎石面層：屋頂綠化中改良土壤的碳排放可忽略不計，最重要的碳排放源是PVC排蓄水板占92%、其次是SBS改性瀝青防水卷材，占6%，這兩項都是化工產品;蓄水池中兩項混凝土共占60%，鋼筋占40%;雨水花園中碳排放量少的原因主要在于樹皮填料可認為是純天然、綠色無污染的填料材質，爐渣填料更是使用了在工業生產中產生的爐渣廢棄物，是屬于廢棄再利用，對整體的碳排放和生態環境起減緩作用，故認為這兩項碳排放可忽略不計。

在材料運輸部分，碳排放量最大的是雨水花園，這是基于場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，重量較大，運輸的能源消耗就相對大，改良土壤、爐渣和礫石的運輸，分別占運輸排放中的69%，21%，9%;透水鋪裝的運輸中碳排放量較大的是混凝土、面層材料生態砂基透水磚、碎石，占36%，36%，23%，生態砂基透水磚和混凝土的密度比較大，重量重，相對而言，這部分碳排放量最大的是生態砂基透水磚：蓄水池中碳排放量中混凝土和鋼筋，占比分別為96%，4%;屋頂綠化中依次是改良土壤、PVC排蓄水板、SBS改性瀝青防水卷材，分別占49%，42%，7%。

現場施工部分，單位碳排放量較為平均，主要原因是機械使用基本類似，同一種類的施工機械的工作能力和能耗差別不大。

由圖5可知，雨水花園的單位面積碳排放量最大，這主要是由于在運輸改良土、樹皮填料和爐渣所需的運輸排放量大;透水鋪裝的碳排放量次之;緊隨其后的是蓄水池，在本文的計算中是露天蓄水池，若要建設地下蓄水池，則需要更大的碳排放量;碳排放量最小的是屋頂綠化。

4 結論與討論

通過以社火公園為研究對象，對主要的4項海綿城市措施進行碳排放清單分析，結果表明：建設所需材料自身生產的碳排放量是建設施工階段中最重要的碳排放量：所研究的4項典型措施中建設施工階段單位面積碳排放量順序為：雨水花園>透水鋪裝>蓄水池>屋頂綠化：建設所需材料碳排放中對于碳排放量影響最大的材料是混凝土，運輸建設材料的碳排放中對于碳排放量影響最大的是改良土壤以及混凝土運輸。

在建設施工階段想要減少碳排放量，最主要的是減少材料生產時的碳排放量，其碳排放因子的動態變化對于材料碳排放量具有極其顯著的影響。每一種材料的生產過程中碳排放都存在各種影響因素：一是優化能源消費結構可以有效控制碳排放因子，提高城市能源效率以減小碳排放因子，減少能源利用時的碳排放量;二是在生產過程中，生產方式、生產技術的改進可以有效降低CO2排放量;三是材料本身的碳含量也對碳排放具有明顯的影響，碳含量低的材料在同等情況下，其碳排放量自然會降低，對建設材料進行選擇或優化，可以得到更有利于減少碳排放量的材料;四是回收率對碳排放因子也具有影響力。以本文研究中的鋼筋為例，其數值存在很大差異，即回收率為0時，其排放因子是3.154，50%回收率時，排放因子為2.208，回收率達到100%時，排放因子為1.262。因此，優化能源、選用碳含量低的燃料、改進材料本身、減少生產損耗會產生不同的排放因子，導致碳排放量有所差異，降低排放因子就可以成為減少碳排放的重要方法之一。

本研究主要針對山西省晉中市地區的水文條件，能夠為山西省低碳海綿城市建設提供一定的依據，同時也對其他區域的海綿城市建設具有一定的參考價值。研究中主要對建設施工階段的碳排放進行分析，另外，建設階段固體廢棄物的碳排放未汁入其中，運行維護階段的碳循環需要進一步研究。