海绵城市主要低影响开发措施碳排放核算方法构建与碳减排路径分析

赵泽佳，邵转娣，韦甜甜，丁 磊，胡启玲，刘学明*

（1、华南理工大学环境与能源学院工业聚集区污染控制与生态修复教育部重点实验室广东省固废污染控制与资源化重点实验室 广州 510006；2、上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司 上海 200082）

0 引言

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，是解决城市内涝风险的出路，也是对双碳政策要求的积极响应。目前海绵城市建设的重点关注角度，逐渐从单纯水文过程转变到倡导全方位生态水文修复［1］。低影响开发措施既包括传统水文处理手段，如透水铺装、雨水回用蓄水池、雨水罐等。也包括生态水文修复手段，即以城市绿色基础设施体系作为载体，由自然区域组成的绿色空间作为建设主要载体的建设手段［2］。如雨水花园、植草沟、下沉式绿地等措施能直接增强碳汇，节约能源，还能起到生态调节的作用。深圳国际低碳城场馆区（核心区）海绵园区采用典型低影响开发模式下的建设［3］，达到了节水减排、植物固碳、雨洪调蓄和利用净化的目的。因此低影响开发措施是海绵城市在建设过程中解决水资源、水环境、水生态问题的主要途径，是海绵城市建设的重要手段与组成部分。

低影响开发措施在实现的各个阶段均有温室气体产生［4-7］，建设施工过程中材料生产、材料运输、机器能源消耗，运行维护过程中灌溉、喷洒、施肥等环节的大量能源与药剂消耗，均直接或间接催生温室气体排放。“碳足迹”核算的意义重大，可从其核算的过程和结果找到碳减排途径，挖掘碳减排潜力［8］。因此，摸清低影响开发措施建设过程中碳足迹，核算低影响开发措施的碳排放，对于海绵城市的低碳建设具有重要意义。比较常见的碳足迹计算法有生命周期法（Life Cycle Assessment，简称LCA）、碳库存法、投入产出法等。LCA 法是一种对产品、生产工艺及服务从“摇篮到坟墓”生命全过程中的环境负荷和资源消耗进行评估的方法或工具［9］。目前国内外学者对低影响开发设施［10］、绿色基础设施［11-12］等进行了碳排放核算、碳排因素分析、碳减排效益研究。在这些研究中，LCA 法得到广泛应用［13-15］，主要用以厘清低影响开发措施碳排放核算边界。但目前相关研究内容还不够完整：根据LCA 法思想，海绵设施碳排放核算不仅应当包含建设和施工过程，也应该包含碳排放的材料制备、生产、运输以及维护拆除后固废带来的碳排放影响。加上潜在的碳汇途径，如绿地固碳等。部分研究只考虑了系统生命周期中某些阶段方面［16］，因此核算会产生一定的偏差［17］。

本研究运用LCA 的思想，以碳排放因子法为依据，以汕头市中心城区北岸海绵城市建设过程中主要低影响开发措施为研究对象，构建了适用于传统水文处理措施透水铺装与绿色基础设施雨水花园和下沉式绿地的的碳排放核算方法，并对其碳排放进行了核算，分析了其总碳排、总碳汇的主要影响因素，以期为市政海绵工程评估低影响开发措施碳排放与减碳路径提供一种核算思路与方法。

1 碳排放核算方法与体系构建

1.1 典型低影响开发措施核算模型

核算模型以政府间气候变化专门委员会（Intergovernmental Panel Climate Change，简称IPCC）发布的《IPCC 国家温室气体清单指南（2019 修订版）》中的碳排放因子法为基础。

1.1.1 建设阶段核算模型

⑴材料生产

材料的碳排放量包括原材料生产或开采时能源消耗引起的碳排放量以及将原材料加工成成品时的生命周期碳排放。海绵设施中所需各种材料对应碳排放量为材料的使用量乘以生产单位材料的碳排放量，其碳排放量可采用式⑴计算：

式中：CEcl为消耗材料产生的碳排放量（kgCO2-eq）；Mcl，i为第i种材料使用量（t或m3）；EFcl，j为第j种材料的碳排放因子（kgCO2-eq/t 或kgCO2-eq/m3）；n为总计使用n种材料。

⑵材料运输

材料在运输过程中由于交通工具的使用导致能源消耗从而产生碳排放量，运输过程中的运输能耗取决于运输方式、能源类型和运输距离。运输过程中的碳排放量可采用式⑵计算：

式中：CEys为材料运输环节所产生的碳排放量（kg CO2-eq）；Mys，i，j为第i次运输中，使用第j种方式的运输材料总量（t）；L为第i次运输中，使用第j种方式的运输距离（km）；EFys，j为第j种运输方式排放因子［kg CO2-eq/（t·km）］；n为总计进行n次运输；1 为第i次运输中，总计采用了1种运输方式。

⑶施工

低影响开发措施在施工过程中会用到各种施工机械，这些机械在运行时会产生温室气体，主要是由于各种化石能源和电力的使用，施工过程的碳排放量可由式⑶化石燃料消耗碳排放量、式⑷电力消耗碳排放计算：

式中：CErl为化石燃料碳排放量（kg CO2-eq）；Ti为第i种机械台班使用数量，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；Si为第i种单位机械台班化石燃料消耗量（kg 或m3），可参考《建筑碳排放计算标准GB/T 51366—2019》［18］；EFrl，i为第i种机械台班所消耗的化石燃料对应排放因子（kgCO2-eq/kg或kgCO2-eq/m3）；n为总计使用n种机械台班。

式中：CEd为消耗电力产生的碳排放量（kgCO2-eq）；Ed为总耗电量（kW·h）；EFd为该地区的电力排放因子［kg CO2-eq/（kW·h）］。

1.1.2 运行维护阶段核算模型

为了更好地维持典型技术措施的寿命，通常会进行管理维护。灌溉、施肥、修剪、清理都是常用的维护措施，维护时自来水、肥料、修剪机械的使用均会产生碳排放，维护过程中的碳排放量可采用式⑸计算：

式中：CEyx为运行维护所产生的碳排放量；Qi为第i类总消耗量；EFi为第i类机械或材料使用所包含的碳排放因子；Ti为每年每种管理养护的次数。

1.1.3 拆除阶段核算模型

建筑拆除过程能耗可按施工能耗90%估算，相应的碳排放量亦可近似按90%估算［19］。

1.1.4 碳汇核算模型

低影响开发措施中雨水花园和下沉式绿地中的植物在运行过程中由于光合作用会进行CO2固定，将CO2汇集即为产生碳汇。其中针对不同的植物类型采用不同的核算模型会使得核算结果更为准确。针对草本花卉类植物，可以采用碳汇因子法计算碳汇［20］，对于乔木灌木植物本研究采用同化量法［21］估算。

⑴草本花卉类碳汇模型

式中：CSch为下凹式绿地植物固碳量（t）；Sq为下凹式绿地植物占地面积（m2）；CSyz为植物固碳因子（kg/m2），碳汇因子可取0.4 kgCO2-eq/m2［20］。

⑵乔木灌木类碳汇模型

式中：CSqg为汕头市雨水花园乔木灌木年固碳量（t）；WCO2为乔木灌木单位叶面积平均日固碳量［g/（m2·d）］，其中参考郜晴等人［22］的研究，乔木可取7.81，灌木可取7.99；ILA为叶面积指数平均值，参考陈少鹏等人的研究［23］，取其平均值8.577。

1.2 研究区域低影响开发措施概况

根据汕头市海绵城市建设对金平区、龙湖区和濠江区的城市更新、内涝整治、积水点消除等建设需求，以排涝围区和排水分区为边界，对金平区的四千亩围片区、龙湖区的鸥汀片区、红坟关片区等国家海绵城市建设示范区相关项目中的低影响开发低影响开发措施进行碳排放核算。

1.3 核算边界

为保证碳排放核算结果的准确性和代表性，也便于结果分析和纵、横向比较关键在于确定系统的核算边界。在系统和自然的交互边界上，低影响开发措施碳排放核算不仅包括物理边界内的碳排放活动，也包括与之关联的物质流等活动，例如，运行维护剪草机的电耗，以及由工程建设所带来的碳排放活动。

核算时间边界取2022年～2053年，其中2022年为低影响开发措施建设年，2023 年～2052 年为低影响开发措施运行30 年周期，2053 年为低影响开发措施拆除年。核算空间边界如表1所示。运用全生命周期法的概念，将低影响开发措施分为建设阶段、运行维护阶段、拆除阶段，其中建设阶段细分为材料生产、材料运输、施工3 个阶段。核算内容为汕头市中心城区北岸的四大重点片区六大项目的全生命周期过程的碳排放，核算边界如图1所示。

图1 核算边界示意图Fig.1 Accounting Boundary Diagram

表1 核算对象概况Tab.1 Introduction of Research Objects

2 低影响开发措施碳排放核算

2.1 建设阶段碳排放核算

为简化表述，各个片区用字母A～F 代替，即A 表示金凤半岛环线道路及市政配套设施，B 表示金平工业园区升平二片区道路及配套设施，C 表示金科金凤半岛片区综合开发项目-汕头博弈府c08 地块海绵城市，D 表示华美公园海绵设施，E 表示鸥汀片区水环境综合整治工程，F表示桃园小区。

2.1.1 材料生产碳排放核算

根据式⑴，对各项低影响开发措施所用碳排放量进行核算，表2～表4 中碳排放因子来源主要参考马洁［24］、郑涛［16］等人的研究成果与《城镇水务系统碳核算与减排路径技术指南》［20］，其中透水铺装材料生产碳排放量如表2 所示，雨水花园材料生产碳排放量如表3所示，下沉绿地碳排放量如表4所示。

表3 雨水花园材料生产碳排放核算Tab.3 Carbon Emissions Accounting for the Production of Rain Gardens Materials

表4 下沉式绿地材料生产碳排放核算Tab.4 Carbon Emissions Accounting for the Production of Sunken Green Spaces Materials

2.1.2 材料运输碳排放核算

本研究考虑运输方式为柴油卡车，运输能耗为2.42 MJ/（t·km），柴油热值为42 652 MJ/t 柴油，柴油燃烧的碳排放因子为CO2碳排放因子加上CH4和N2O 的CO2当量排放因子。柴油燃烧的CO2排放因子、N2O 排放因子、CH4排放因子分别为3.096 t CO2-eq/t 柴油、127.95 g N2O/t 柴油、25.59 g CH4/t柴油［25］。一氧化二氮和甲烷的100年全球变暖潜能值分别为GWPN2O298 t CO2/t 和GWPCH425 t CO2/t［26］，则由此可计算得到柴油燃烧的总CO2排放因子为3.135 t CO2-eq/t，运输过程的碳排放因子为0.178 kg CO2-eq/t·km。同时考虑建筑材料产地与进货单位的不确定性，本研究采用2021 年国家统计年鉴中我国货物平均运送距离176 km 作为运输距离，按照式⑵对各个项目运输过程的碳排放进行核算，核算结果如表5所示。

表5 材料运输阶段碳排放Tab.5 Carbon Emissions during Material Transportations （t）

2.1.3 施工阶段碳排放核算

如材料生产表详细所示，透水铺装、下沉绿地、雨水花园需要将各种材料按照其特有顺序依次铺装，本研究各项措施在施工过程中使用的能源有柴油和电力，其中柴油燃烧的二氧化碳排放因子如2.1.2所述为3.135 t CO2-eq/t，电力碳排放因子参考《2019年度减排项目中国区域电网基准线排放因子》，取0.804 2 kg CO2/（kW·h），按照式⑶、式⑷，对每个项目中的各个工程进行了施工阶段的碳排放核算，核算结果如表6所示。

表6 施工阶段碳排放Tab.6 Carbon Emissions during Constructions （t）

2.2 运行维护阶段核算

植物在管理养护中会涉及养护器械、灌溉自来水等的使用，均会消耗电力柴油等能源，从而产生碳排放。由于核算对象的具体维护工作还未展开，所以本研究采取马洁［25］计算得到的面积碳排放因子对本文中雨水花园和下沉式绿地运行维护的整体碳排放进行计算，以30年为生命周期，核算结果如表7所示。

2.3 拆除阶段碳排放核算

按照前述研究，拆除阶段碳排放按照建设施工阶段的90%计算，故本研究不在对各个项目中的单体措施进行分别核算拆除碳排放，而是对透水铺装、雨水花园、建筑施工碳排放进行一个整体的核算，核算结果如表8所示。

表8 拆除阶段碳排放Tab.8 Carbon Emissions during the Demolitions

2.4 碳汇核算

本研究各项目中下沉式绿地植物为花卉类植物，面积为6 062 m2，采用式⑹计算，对于各项目中雨水花园，其植物类型为乔木，灌木，草本植物，总面积为3 528.52 m2，三者面积比为1∶2∶2，根据式⑹和式⑺得出雨水花园与下沉式绿地碳汇核算结果如表9所示。

表9 运行维护阶段碳汇Tab.9 Carbon Sinks during Operations and Maintenances

3 结果分析与讨论

3.1 主要低影响开发措施全生命周期碳排放分析

3.1.1 整体分析

根据上述核算结果，可以得到这6 个项目全生命周期碳排放，对各项目各阶段的碳排放量进行相加，如图2所示。

图2 低影响开发措施全生命周期总碳排放量Fig.2 Total Life-cycle Carbon Emissions of Typical Measures

可以得出在30 年生命周期内汕头市这6 个项目中各低影响开发措施全生命周期碳排放量达2 225 t CO2eq，整体趋势为材料生产和材料运输阶段碳排放比例最大，分别为50.80%和43.70%，即整体而言，全生命周期中碳排放主要集中在建设阶段。

3.1.2 单项分析

分析6个项目中单项低影响开发措施全生命周期各阶段的碳排放量，由图3可知，建设阶段的碳排放量以透水铺装为主，占93%；而在运行维护阶段则全部来源于下沉式绿地和雨水花园，其中以下沉式绿地为主，占82%；对于拆除阶段，由于拆除阶段的碳排放量是建设阶段施工碳排放量的80%，故碳排放量的趋势跟建设阶段类似。

图3 低影响开发措施全生命周期各阶段碳排放量占比Fig.3 Percentage of Carbon Emissions by Stage of the Full Life Cycle of Low Impact Development Measures

因此从碳减排的角度来讲，建设阶段应重点关注透水铺装的碳排放量，由图4 可知建设阶段的碳排放量主要集中在材料生产和材料运输阶段，故因从材料生产和材料运输两个角度着手来减少碳排放量。

图4 6个项目透水铺装单位面积碳排放量Fig.4 Carbon Emissions Per Unit Area of Permeable Paving for Six Projects

根据《汕头市海绵城市建设专项规划（2017-2030年）》，综合型LID 设施道路年径流总量控制率50%，本研究中6个项目透水铺装措施其径流量控制率均在65%及以上，其中C和F更是达到了80%，由图4可知，透水铺装单位面积碳排放量E＜D＜F＜A＜C＜B，所以在透水铺装建设时，应参考E 的选材（见表2），这样的选材可为汕头市6个项目的透水铺装建设减少高达930 t的碳排放量。若想使径流量控制率达到80%，则可参考F 桃园小区的选材（见表2），这样选材可比径流量控制率同为80%的C 的透水铺装单位面积碳排放量减少43 kg。

运行维护的碳排放量较少，但在有条件的基础上进行碳减排，以尽可能地减少碳的排放。

3.2 海绵城市低影响开发措施碳汇分析

30年生命周期内，如图4所示，C、D、E、F这4个项目中的雨水花园通过植物固碳可产生1 592 t碳汇，A、E、F这3个项目中的下沉式绿地可产生72.9 t碳汇，完全可以抵消30 年全生命周期内雨水花园和下沉式绿地的碳排放量（见图5），并且可以产生1 412 t 的净碳汇，相当于可以抵消这6 个项目全生命周期约63%的碳排，而这两种绿色措施的面积仅约占全部低影响开发措施面积的20%左右，即绿色措施规划面积按雨水花园和下沉式绿地的比例增加6%，便可抵消所有项目的全生命周期碳排放量，这说明其碳汇效益是相当可观的，在海绵措施建设规划时，在径流量控制达标的前提下，应该合理规划绿色措施和灰色措施的比例，从而使海绵措施的碳排放量达到中和并且产生更多的碳汇。

图5 下沉式绿地与雨水花园产生的碳汇Fig.5 Carbon Sinks from Sunken Green Spaces and Rain Gardens

4 展望

低碳建设是海绵措施建设的重要内容，在海绵措施规划建设时，不仅要使其径流量控制率达标，更应该全面系统的分析其碳排放量，选择全生命周期碳排放量较小的措施，合理规划绿色措施和灰色措施的比例，从而使海绵措施的碳排放量尽可能早地达到中和并且产生更多的碳汇效益。