北京某片区海绵城市建设和运行中的碳排放核算研究.pdf
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1、第 39 卷第 4 期Vol 39 No 4水 资 源 保 护Water Resources Protection2023 年 7 月Jul.2023 基金项目:北京市自然科学基金重点项目(8191001)作者简介:李俊奇(1967),男,教授,博士,主要从事城市雨水控制与利用研究。E-mail:lijunqi DOI:10 3880/j issn 10046933 2023 04 011北京某片区海绵城市建设和运行中的碳排放核算研究李俊奇1,2,张 希1,李惠民2,3(1.北京建筑大学城市雨水系统与水环境教育部重点实验室,北京 100044;2.北京节能减排与城乡可持续发展省部共建协同创新中
2、心,北京 100044;3.北京应对气候变化研究和人才培养基地,北京 100044)摘要:为量化海绵城市建设和运行过程中的碳排放,分析碳排放的关键影响因素,以北京某 100 km2片区为研究区,对其海绵城市建设和运行过程中的碳排放进行了估算,分析了海绵城市达标面积比例、径流总量控制率、压力流管网比例等控制指标与碳排放量的相关关系。研究结果表明:海绵城市建设阶段的碳排放主要集中在材料生产阶段,多数设施的材料隐含碳占建设阶段总碳排放量的80%以上,施工相关的碳排放相对较少;在相同雨水控制水平下,灰色雨水基础设施的碳排放高于绿色雨水基础设施;研究区在 30 a 全生命周期内建设阶段和运行阶段碳排放量
3、(以 CO2计)分别为17.36 万 t 和-16.71 万 t;海绵城市达标面积比例、年径流总量控制率、排水方式是影响海绵城市建设和运行过程中碳排放的关键因素,海绵城市达标面积比例和年径流总量控制率每提高 1%,全生命周期碳排放量约分别减少 0.19 万 t 和 0.25 万 t,压力流管网比例每减少 1%,全生命周期碳排放量平均减少约 249 t。关键词:碳排放;海绵城市;雨水基础设施;全生命周期;北京中图分类号:TU984.2;X196 文献标志码:A 文章编号:10046933(2023)04008608Study on carbon emission accounting in co
4、nstruction and operation of a sponge city in Beijing LI Junqi1,2,ZHANGXi1,LI Huimin2,3(1.Key Laboratory of Urban Stormwater System and Water Environment,Ministry of Education,BeijingUniversity of Civil Engineering and Architecture,Beijing 100044,China;2.Collaborative Innovation Center for EnergyCons
5、ervation&Emission Reduction and Sustainable Urban-Rural Development,Beijing 100044,China;3.Research andTalent Training Base on Climate Change,Beijing 100044,China)Abstract:In order to quantify the carbon emissions during the construction and operation of sponge cities and analyze thekey influencing
6、factors of carbon emissions,a 100 km2area in Beijing was taken as the study area,estimates of carbonemissions from the construction and operation of its sponge city,the relationship between carbon emission and controlindexes such as proportion of qualified area,control rate of total runoff and propo
7、rtion of pressure flow pipe network insponge city was analyzed.The results show that the carbon emission of sponge city is mainly concentrated in the materialproduction stage,and the hidden carbon in the material of most facilities accounts for more than 80%of the total carbonemission in the constru
8、ction stage,and the construction-related carbon emission is relatively small.Under the samestormwater control level,the carbon emission of grey stormwater infrastructure is higher than that of green stormwaterinfrastructure;During the 30-year life cycle of the study area,the carbon emissions during
9、construction and operation stages(in terms of CO2)were 173 600 t and-167 100 t,respectively.The key factors affecting carbon emission in theconstruction and operation of sponge cities are the proportion of qualified area,annual total runoff control rate and drainagemode,for every 1%increase in the p
10、roportion of the area up to the standard and in the control rate of annual total runoff,the carbon emissions in the whole life of the sponge city will be reduced by 1 900 t and 2 500 t respectively,and theproportion of the pressure flow pipe network will be reduced by 1%,carbon emissions during the
11、whole life cycle werereduced by 249 t on average.Key words:carbon emission;sponge city;stormwater infrastructure;whole life cycle;Beijing68 城市水系统作为重要的公共设施,其温室气体排放引起了社会的广泛关注,但主要集中在给水和污水系统1-7,对雨水系统的碳排放关注较少。海绵城市建设是提升城市韧性、增强气候适应能力的关键措施,在未来相当长一段时间内仍是城市建设的重要内容8-10。研究海绵城市建设和运行过程中的碳排放,对正确认识雨水领域碳排放、探索雨水领域碳减排
12、路径、服务“双碳”目标具有重要的学术价值和现实意义。对于海绵城市的碳排放学术界已有大量研究,主要包括碳排放核算、碳汇及减排效益方面,但现有研究较多地集中在设施层面,如生物滞留池11、绿色屋 顶12-13、雨 水 花 园13-15、透 水 铺 装13,16等。Flynn 等11量化了生物滞留池的碳汇效益;Getter等12量化了绿色屋顶的碳汇效益;Kavehei 等17量化了绿化屋顶、雨水花园、生物滞留池、植被洼地和雨水塘等设施的碳足迹和固碳潜力;Rodrguez-Sinobas 等18分析了在不同气候情景中使用绿色设施的减排效益;贾玲玉19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
13、型绿色措施的碳减排收益;陈碧宜13利用全生命周期评价方法计算了雨水花园、绿色屋顶和透水路面的单位碳排放量;Moore 等20对 8 种常用雨水基础设施和 3 种雨水输送方式的碳足迹进行了计算和比较;Ian 等16比较了透水混凝土路面和传统材料路面的碳足迹;Xu 等21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;Spatari 等22以纽约市某社区为例量化分析了绿色设施的减排效益。此外,也有学者针对雨水基础设施在其他领域的碳减排收益进行了研究,如刘慧慧等23研究了雨水回用系统、透水铺装、屋顶绿化等对建筑碳减排的作用,林莉贤等24研究了雨水资源
14、化、中水回用等技术在高速公路建设和运营中的节能减排收益。总体来看,现有研究普遍认为绿色基础设施较灰色设施具有较大的碳减排潜力。在海绵城市设施碳排放核算的基础上,对区域尺度碳排放核算也有了一定的研究。例如:郑涛25以某居住社区为例,核算了海绵城市改造所产生的碳排放;Lin 等26以上海某住宅小区为例,核算了海绵设施30a 的碳排放和碳汇情况;Shao 等27以厦门市为例,定量分析了海绵城市建设对碳排放的影响。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。在雨水系统碳排放的影响因素研究方面,Kim等28分析论证了低影响开发是雨水系统碳减排的
15、关键因素;Liu 等29在城市尺度上评估了年降水量与减排收益之间的关系,结果表明,在以绿色基础设施为基础的城市排水系统中,温室气体减排收益随着降水量的增加而增强;李晨璐等30提出了海绵城市雨水系统碳排放量化方法,并通过实例分析了海绵城市规划方案相对传统排水模式的碳减排效果,结果表明,相对于传统排水模式,海绵城市规划方案可使雨水系统碳排放减少 3.5%51.7%。这些研究有助于了解海绵城市建设与碳排放的关系,但对海绵城市建设中的一些关键指标,如海绵城市达标面积比例、年径流总量控制率、雨水输送方式等如何影响碳排放依然缺乏充分的讨论。总体看来,现有研究已经量化了海绵城市建设中各种雨水基础设施的碳足迹
16、及部分区域海绵城市建设过程中的碳排放,分析了海绵城市规划相对传统规划的减排效益,核算了不同设施组合下的碳排放水平,为海绵城市建设中的碳减排实践提供了重要的理论基础。但现有研究也存在一些不足:一是聚焦于雨水基础设施建设阶段,对海绵城市运行过程中的碳排放考虑不足,缺乏对雨水系统的全面考察;二是聚焦于设施和小区等较小尺度,海绵设施的组合较为单一,对城市等更大区域尺度上碳排放的讨论有待深入;三是与海绵城市建设实践有所脱节,缺乏海绵城市建设关键指标与碳排放的相关讨论。本文以北京市某海绵城市规划片区为研究区,提出了海绵城市建设和运行过程中的碳排放核算方法,量化分析了不同阶段的碳排放水平,并重点讨论了海绵城
17、市建设和运行过程中碳排放的影响因素,对海绵城市规划建设中的海绵城市达标面积比例、年径流总量控制率、压力流管网比例 3 个关键指标与碳排放的相关关系进行了分析探讨。1 研究区概况北京市某海绵城市规划片区总体地势较为平坦,自西北向东南倾斜,面积约为 100 km2,主要包括住宅用地、公共建筑用地、道路用地和公共绿地。其中,绿地面积占 30%,主要为公共绿地和其他附属绿地;道路面积占 25%,主要为居住区道路、地面停车场及交通干道;建筑部分占 45%,主要包含住宅建筑和公共建筑两部分。根据片区用地类型和规模,参照海绵城市建设技术指南 低影响开发雨水系统构建(试行)31中各种下垫面雨量径流系数参考值,
18、得到开发前的下垫面类型和雨量径流系数如表1 所示,可计算得综合雨量径流系数为0.66。78表 1 研究区不同下垫面类型和雨量径流系数Table 1 Different underlying surface types and rainfall-runoff coefficients in the study area用地性质下垫面类型面积/km2雨量径流系数道路水泥混凝土或沥青混凝土路面及广场250.90建筑硬瓦屋面、沥青屋面450.87绿地绿地300.15研究区 2020 年降水量 560 mm,分流制排水系统约占 80%,压力流排水系统约占 20%,雨水管道总长约278km,以钢筋混凝土管
19、道为主,包括小区排水管道和室外排水管道。雨水主干管主要收集其服务范围内各雨水干管和支管收集的雨水,管径范围为 0.8 2.2 m,水泵效率约 0.9,输水起止点高程差约为 8.0 m。研究区年径流总量控制率目标为85%,对应设计降水量 33.6 mm,目前研究区内的海绵城市达标面积比例为 20%。为实现源头减排、净化处理等设计目标,设置雨水花园、下沉式绿地、绿色屋顶、透水铺装等主要海绵城市设施,雨水花园和下沉式绿地的设计深度分别为0.25 m和0.1 m,占地面积约分别为80.64 万m2和 241.92 万m2,达到了最小设计调蓄容积,二者面积占比约为 1 3;同时改造并建设了约99.76
20、万m2透水铺装、40.03 万m2绿色屋顶,分别占海绵城市达标面积的 5%和 2%。具体的海绵城市设施布设情况见图 1。图 1 研究区海绵城市设施布设情况Fig.1 The layout of sponge city facilities in the study area2 研究方法2.1 碳排放核算边界确定碳排放核算边界和识别碳源与碳汇是构建雨水系统碳排放核算模型的关键32-33,本文碳排放核算边界如图 2 所示。物理边界从雨水源头减排设施开始,经由转输过程设施,再到末端集中控制设施,最后排入自然水体,涵盖从雨水径流的产生到末端排放。时间边界采用全生命周期方法中的“从摇篮到大门”原则,包括
21、建设和运行两个阶段,不包括废物处置产生的下游排放。建设阶段的碳排放包括材料生产、材料运输和施工建造 3 个过程的碳排放;运行阶段的碳排放包括排水泵站碳排放和绿色设施碳汇。图 2 雨水系统碳排放核算边界Fig.2 Carbon emission accounting boundaries ofstormwater system2.2 核算方法与数据来源碳排放核算框架参考政府间气候变化专门委员会(Intergovernmental Panel Climate Change,IPCC)发布的IPCC2006 年国家温室气体清单指南 2019修订版。该指南给出了不同活动类型温室气体排放的基本公式,是现
22、行温室气体排放相关研究的主要依据。本文重点对雨水系统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碳排放因子进行率定。各阶段碳排放均以 CO2计,碳汇以负数表示。2.2.1 建设阶段a.材料生产隐含碳。材料生产过程中的隐含碳排放通过下式计算:Cm=iFiTi(1)式中:Cm为材料生产隐含碳排放,kg;Ti为材料 i 的使用量,t;Fi为材料 i 的碳排放因子,kg/t。材料使用量根据雨水基础设施的构造和材料规格进行估计,碳排放因子来源于相关文献30,34-35和 GB/T513662019建筑碳排放计算标准。b.材料运输碳排放。材料运输过程的碳排放通过下式计算:Ct=iFi,yMi
23、Di(2)式中:Ct为材料运输碳排放量,kg;Fi,y为材料 i 运输单位周转量的碳排放因子,kg/(tkm);Mi为材料 i的质量,t;Di为材料 i 从产地到施工现场的运输距离,km。假设采用载质量 18 t 的重型柴油货车进行88运输,其碳排放因子按 GB/T 513662019建筑碳排放计算标准取为 0.129。混凝土、土壤、砂石等原材料可就近取材,运输距离以 40 km 计算;其他材料运输距离参考 GB/T 513662019建筑碳排放计算标准中的默认取值,为 500 km。c.施工建造碳排放。施工建造过程的碳排放通过下式计算:Cc=hjkThjkRhjkFk(3)式中:Cc为施工建
24、造碳排放量,kg;Thjk为第 h 种工程、第 j 种施工机械,采用第 k 种能源类型的台班数;Rj为相应的单位台班的能源消耗量,kg/台班(以标准煤计);Fk为第 k 种能源的碳排放因子,kg/kg(以标准煤计)。施工阶段各类工程的台班量根据TY01312015房屋建筑与装饰工程消耗量定额进行估算,不同能 源 的 碳 排 放 因 子 参 考 GB/T513662019建筑碳排放计算标准选取。2.2.2 运行阶段a.排水泵站碳排放。排水系统运行过程中的碳排放通过下式计算:Ce=EeFe(4)式中:Ce为雨水管网处理单位水量的碳排放,kg/m3;Fe为电力碳排放因子,取生态环境部发布的企业温室气
25、体排放核算方法与报告指南 发电设施(2021年修订版)中的碳排放因子,为 0.5839 t/(MWh);Ee为使用电泵输送单位水量到自然水体产生的能耗,kWh/m3。b.绿色设施碳汇量。绿色设施的碳汇量通过下式计算:Cs=F0S1(5)式中:Cs为绿色设施碳汇量,kg/a;F0为植被固碳因子,kg/(m2a);S1为绿色设施占地面积,m2。雨水基础设施中的绿色设施以草本植物为主,本文参照郑涛25的研究,取值为 1.6018。3 结果与分析3.1 典型雨水基础设施建设阶段碳排放强度按照国家建筑标准设计图集城市道路与开放空间低影响开发雨水设施36,计算了典型雨水基 表 2 典型雨水基础设施建设阶段
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