环境影响对公路生命周期的量化评估.doc

环境影响对公路生命周期的量化评估摘要：公路生命周期中几种代表性的环境荷载形成了基础设施的一个重要方面，本文对这些有代表性的环境荷载进行了估计。公路的生命周期分为四个阶段：建筑材料的生产阶段，施工阶段，维修和养护阶段和拆除或回收利用阶段。对每一个生命周期的能量消耗进行量化，运用各种能源的环境排放因子估计环境荷载。结果，估计在建筑材料的生产阶段消耗了大部分的能量，每个功能单元（1KM四车道的公路）相当于就要消耗1525.8吨的石油的能量。在整个生命周期中，维修和养护阶段的能量消耗也相对较高，施工和拆除阶段的消耗次之。在公路20年的生命周期内，每个功能单元相当于消耗2676.8吨石油的能量，这相当于分别排放62.1吨的SO2、17.1吨的Nox和2438.5 T-C的CO2。关键字：环境影响；生命周期；公路简介自从可持续发展的概念在20世纪晚期引起公众极大的关注以来，公众对全球环境问题,例如全球气候变暖及臭氧损耗的意识已经提高,成为了千禧年最大的问题之一。根据这一关注,旨在解决区域性和全球性环境问题的活动和方案便应运而生了。作为这些努力的一部分, 已经执行了一些国际环境公约,他们的最终目标集中在减少化石能源消耗和开发可替代能源（贸易与工业部，1997；哈里斯，1999）。这已经被认识到，因此，世界上的每个国家迟早都会主动参与国际公约，虽然每个国家的社会经济状况不同，但他们在处理全球性环境问题时是必不可少的。在韩国,其能源依赖外国供应超过90%,因此,很明显,所有行业都会受到影响,建筑行业也不例外。根据其特性，建设涉及操纵和使用大量的天然的和人造的材料。同时，基础设施的建设和操作需要消耗大量的能量。结果是，对产业生态的研究，对资源和能量在人类圈的流动进行系统性的分析以及对可再生资源领域的研究已成为一个关键的行业。随着对可持发展问题越来越关注，产业生态学科建设成为世界范围内相当有趣的学科。在建设中使用各种各样的材料，像用于工程机械和回收设备的燃油和电力对环境产生了重大影响。在本研究中，描述了公路生命周期的评价方法。对公路施工、维修、拆迁、回收利用阶段的能量需求和环境荷载进行了评估，因此LCA可以作为一种追求更环保的设计工具。研究方法LCA是一种分析方法，它可以评价材料、产品或服务在整个生命周期对环境的影响,通常从原材料获取到最终的处置。传统地，LCA主要专注在外环境的区域性和全球性的环境的影响。环境的影响包括排放到空气和水中的气体以及固体废物的产生。在这项研究中,针对最近新兴的全球气候变暖问题,选择在公路生命周期中能量消耗引起的大气环境荷载作为指标进行评估。图1 公路的寿命周期和边界系统一般来说,LCA由如下四个步骤组成:目的与范围的确定、清单分析、影响评价和结果解释。这些影响的分析评估,用相同的估算指标去评价许多不同的环境荷载是非常困难的,也不容易达到理想效果，因此,LCA尚未建立该方法。当前LCA主要表现在清单分析，计算从第一步得到原材料到最后一步产生废弃物产生的环境荷载，并详细地存入清单表。在本研究中，主要进行了公路生命周期的清单分析。生命周期的清单分析评价环境荷载的方法有两种，过程分析和输入输出分析，过程分析时生命周期各阶段的全部的环境荷载已经应用于分析单独的产品和材料。基于Leontief的数学模型的IO分析方法已经应用于宏观物体如城市系统。在本研究中，将混合分析与之前两种分析方法结合起来运用。选择1公里4车道的公路作为功能单元。本研究中的公路生命周期和边界系统如图1所示。在这些阶段中施工阶段又分为地基、排水、路面和附属物的工作。建筑材料的生产阶段IO分析提供了一份很有用的框架来追踪能量消耗和其他的活动,如与工业间的活动相关的环境污染。近年来，扩展Leontief IO框架来解释此类问题已引起广泛关注。在这项研究中, 用能量IO分析来量化公路建设中生产所投入的建筑材料所消耗的能量。那就是，利用1995年的IO表和韩国的能量平衡表来估算建筑材料消耗的能量。然后，利用建筑材料的平均费用来估计大概的实际费用如表1所示，量化每个单元的能量消耗。施工阶段大多数建设活动都用了重型机械设备。在建设过程中,能量直接由施工机械消耗。施工机械消耗的能量因使用机械的规模、老化程度和驾驶员的操作技能的不同而不同。在本研究中，我们采用之前在韩国调查的施工机械的工作量和消耗的燃料的数据，如表2所示。表1 生产主要建筑材料消耗的能量材料类型直径总量单位（a）钢材钢棒0.026700.39767ton冷轧钢板0.019630.37705ton热轧钢板0.017580.43702ton结构钢管0.000020.00055m（b）聚合物和水泥砂子0.000400.00075碎石0.000450.00084碾压碎石0.002400.00341预拌混凝土0.002770.02597水泥0.045680.06619ton混凝土试件0.000190.00118EA（c）木材板材0.000240.00624横木0.007070.03136（d）路面材料沥青混凝土0.004130.01222ton直馏沥青0.024780.07331Ton生石灰粉0.011900.02051ton伸缩缝填料0.000510.00485m护栏0.001120.01063EA遮光网0.002780.02636EA隔音墙0.007830.07414EA牵开器0.000260.00242EA表2 操作过程消耗的能量施工机械机械类型能量消耗混凝土搅拌运输车2.32479翻斗车（15吨）2.02208混凝土整平机1.05978混凝土泵车0.69000推土机（32吨）0.34753混凝土切割机0.15493轮胎运输装载机0.14453续上表施工机械打夯机0.13265反铲挖掘机（0.7）0.11383洒水车0.11138自动整平机机0.09799沥青摊铺机0.07162振动压路机0.05799轮胎压路机0.04523注：=每种机械的工作量维修和养护阶段公路的维修和养护包括表面维修、结构维修、损坏路面维修和延缓路面损坏。这些,我们只考虑表面修复如表面处理,覆盖,重新铺设,因为其他维修给确定维修期带来困难。它们比路面维修消耗的能量也较低。有意的道路路面养护和维修是非常重要的,利用测量工具对路面的表面进行调查，然后评估。利用路面终止水平例如美国目前的服务指标、日本的养护控制指标,韩国的路面管理系统，进行公路的养护和维修。然而,因为公路所在地地理环境的多种多样、社会和经济条件的差异，生命以及基础设施包括公路在内的维修期可能延长或缩短。实际上, 通常使用一些统计模型,很难确定公路的生命周期和维修周期。在本文中，有关组织的专家完成整个问卷调查，假设路面的维修期为七年，寿命为20年。最后,假定每七年对公路的路面进行表面处治,在被修复两次后每20年重新铺设。此外,每个行车道依次按顺序维修,以免出现交通问题;这就是定义为表面处治路面。拆除和回收利用阶段一般而言,公路达到使用年限后就被拆除,然后修建，公路拆除后的废料运送到其他要修路的地方或回收设备。在运输和回收利用的过程中使用了燃料和电力消耗了能量。在公路的拆除和回收利用阶段考虑了该能耗。结果与讨论利用在建筑材料生产阶段的能量消耗很难明确确定投入公路建设中的材料需求,因为由于业主单位的喜好和现场的地基条件的差异，材料的需求会有所不同。因此,我们选择一般的实际向公众开放的那一部分公路,然后收集有关建筑材料需求的数据。首先,分析在本文中估计的道路使用寿命和建筑材料的能量消耗的相关性,我们拿出一个回归模型来推导收集的数据的公式。道路的使用寿命和材料的能量消耗之间的判定系数呈一种强阳性的线性关系,如图2所示。图2的回归公式是线性的。Y轴的数值是如此巨大,我们使用大比例的Y轴。实验结果表明,能量消耗随着道路使用寿命的增加而按一定比例增加。另一方面,把拦截的一个因变量当作“零”,认为在公路施工前不消耗任何能量。建筑材料的施工阶段消耗的能量如图3所示。考虑每一种建筑材料，生产水泥、钢棒消耗的能量是最高的,相当于1049.7吨和142.7吨的石油,总计相当于1525.7TOE。在以上的各种施工阶段，路面施工的能量消耗占据了大部分,达到927.9TOE。其次是排水、附属工作,和土方工作这一顺序。这主要是路面施工的材料需求所引起的。与此同时, 因为含有沙子和碎石很少，故土方工作消耗的能量所占比例很小。施工机械的能量消耗即使使用相同的施工机械，在现场它们的工作量也会有所不同。因此,了解每一个施工阶段使用了多少机械是有必要的，进而确定土方工作、排水、摊铺,附属工作以及全部的工作消耗了多少能量。在本文中，通过工程量清单和单位成本估算用于公路建设的机械的施工能力。应用这些结果估算单位工作量的能耗、操作施工机械的能耗。在图4中,自卸汽车的能量消耗占92.7%。同样,自卸汽车在土方工作中是最常用的,在公路94.5%的生命周期中都会用到。通过这些结果,有效的管理自卸卡车可以在减少施工机械的能源消耗方面产生相当大的影响。图2 建筑材料的能量消耗和道路跨度的相关关系（Y轴比例较大）：（a）水泥；（b）沥青混凝土；（c）钢棒；（d）预拌混凝土；（e）碾压碎石；（f）砂砾图3 道路建筑材料生产阶段的能量消耗图4 施工机械的能量消耗维修和养护阶段的能量消耗公路路面维修所消耗的能量与每1公里公路单个车道路面表面处治的造价用EIO分析来估计。运用施工阶段利用的材料和机械的有关数据来估计路面重新铺设所消耗的能量。表3中的结果表明每FU的公路养护和维修20年要消耗1069.2TOE。拆除阶段消耗的能量一般来说,图5显示的纵断面图适用于高速公路,尤其是沥青混凝土路面。从这个路面结构,我们能够估计在拆除阶段产生的废料的数量。表3 路面表面处治和重新铺设消耗的能量工序能量消耗路面表处路面表处重新铺设重新铺设 注：对于路面表处，每个车道一千米施工费用=56000000，对于重新铺设生产建筑材料消耗的能量为927.9。施工机械消耗的能量表4 回收拆建废料消耗的能量参数数值机械破碎机+反铲挖掘机工作量（）5.75燃料消耗（L/h）24.4石油转换因子(TOE/L)0.00092拆建量()4800能量消耗(TOE/FU)18.7注：能量来源是柴油。图5 沥青混凝土路面的纵断面图表5 运输废料消耗的能量参数拆除回收能量密度（TOE/吨）0.00150,.0015拆建量（吨/FU）6.8643.696能量消耗(TOE/FU)10.35.5表6 回收利用废料的机械消耗的能量参数反铲挖土机（1）破碎机（1）装载机（5）总量需求2226操作时间（h/day）888-燃料消耗(L/h)17.717.736.271.6能量消耗(L)283.2283.2579.21145.6运用施工机械需要的燃料和完成的工作量来估计投入到拆除阶段的机械所消耗的能量。同样，用上面提到的废料的量来估计拆除公路和运输废料所需要的能量。如表4所示，在公路拆除阶段，每FU消耗18.7TOE的能量。在公路拆除后，废料要么回收利用要么被处理。在这项研究中,根据韩国政府废料回收利用的目标,认为35%的废料被回收利用,其他的65%被丢弃了。同时,根据先前韩国的一项研究的数据，认为需要0.0015TOE运输1吨建筑废料。根据每单位重量的废料中的拆建废料以及能量强度，废料回收利用和填埋在运输过程中消耗的能量如表5所示。表7 回收厂消耗的能量参数数值每月工作天数25消耗的电量（KW/month）97529.96消耗的能量（KW/day）3901.6表8 废料回收利用消耗的能量参数机器回收厂C&D的量（吨/FU）36963696能量密度（TOE/吨）0.000580.00019能耗（TOE/FU）2.10.7注：全部能耗=2.1+0.7=2.8回收利用拆建废料阶段消耗的能量一些回收利用的过程如破碎、分类、筛选也产生拆建废料，回收利用阶段消耗的能量包括重型机械所需的燃料和回收厂所需的电力。前者是利用机器消耗的燃油的数据估计的，后者通过转化电力为能量单位来估计。这些数据通过对韩国的一个回收利用公司进行问卷调查得到的（表6和7）。假设每天向回收设备投入225吨废料，每天工作8小时，那么一次回收过程每天要投入1800吨拆建废料。利用机器消耗的燃油和把回收设备消耗的电力转换成石油一起来估计每回收利用1吨的拆建废料消耗的能量。作为一个结果,每回收1吨的拆建废料回收厂要消耗0.00019TOE，如表8所示。总之,假设35%的拆建废料可以回收利用，那么3696吨的废料可回收使用。回收利用3696吨废料得到施工机械和回收厂消耗的能量强度，回收过程共消耗2.8TOE能量。回收拆建废料减少消耗的能量的影响用图6所示两种生命循环系统考虑减少回收利用拆建废料过程消耗的能量的影响。在韩国，回收利用的拆建废料用于公路的基层和底基层的修复。在本文中,我们检查在公路的底基层全部由回收利用材料修建的情况下能耗降低的影响。即拆建废料被送往回收厂,经过回收过程,然后用于其它道路的底基层。为了清楚地了解能量降低效果，假定拆建废料回收的百分比是100%。这里假设科学技术在废料的回收利用方面将会有进一步的发展。图6 公路生命周期系统高速公路的底基层通常包括沙子和碾压碎石。回收阶段能量消耗可以由运输拆建废料和回收厂消耗的能量之和来估计。最后,当回收拆建废料,比如沙子、碾压碎石,用来做公路的基层时这类材料在施工阶段消耗的能量并没有包括进去。如果图6中第一类生命周期4800立方米的拆建废料被回收利用作为道路的底基层，可以节约45 TOE的能量。这里，应该考虑回收利用过程消耗的39.8TOE的能量。在循环过程包括生命周期1的情况下，生命周期2消耗的能量减少的效果如表9所示。表9 减少回收拆建废料消耗的能量的效果工序数值(a)能量消耗（寿命周期1）建筑材料的生产1525.7施工47.1养护和维修10694拆除18.7回收利用39.8总计2700.7（b）能量消耗（寿命周期2）建筑材料的生产1480.7施工47.1养护和维修1069.4拆除34.5总计2631.7注：包括双向运输消耗的能量31.6TOE。 不包括生产砂子和碾压碎石消耗的能量45（11+34）TOE。包括运输消耗的能量15.8TOE。公路生命周期中的环境荷载在每一个阶段,运用能量消耗和环境排放因子来估计环境荷载。由于各种来源的能量氧化率和其中含有的污染物以及使用的环境不同，致使环境排放因子也有所不同。可是，在韩国被并没有有关环境排放因子方面的出版物。此外,能量消耗所导致的环境问题已不是区域性的,而是全球性的。在这项研究中,因此,有关气候变化的国际性小组出版的关于环境排放因子的刊物可以客观的评价环境荷载。公路整个生命周期消耗的全部能量如表11所示,为2676.7TOE/FU。在原材料的生产阶段消耗1525.7TOE的能量。根据研究结果,发现建材生产过程中直接和间接消耗的能量是全寿命周期中最大的一部分。另一方面,公路的每个阶段遵循相同的模式，应用每单位能量的环境排放因子估计环境荷载。在原材料的生产阶段释放的Nox、SO2和CO2分别为9.8吨、35.4吨和1391.4T-C。其次是养护和维修阶段（39.9%）、施工阶段（1.9%）、，最后是拆除阶段（1.3%）。表10 每单位能量释放的环境因子能源氧化率石油转化因子NOXSO2CO2Anthracite0.9800.000547.6327.661100Bituminous coal0.9800.000667.3526.631059Naphtha0.9900.000805.7520.84829Gasoline0.9900.000835.4