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關于鐵路運輸生命周期評價的研究論文
鐵路運輸是我國綜合交通運輸體系的骨干，2010年鐵路貨物周轉量為2. 76 × 1012 t·km，占全國總貨物周轉量的19. 5%; 同時，鐵路運輸的生命周期過程也造成了大量的資源能源消耗和環境污染. 因此，研究鐵路運輸的生命周期環境影響和資源能源利用情況，不僅有利于鐵路行業的環境保護和節能減排，也可為工業產品的生命周期評價提供必不可少的基礎數據.
國內對鐵路運輸的環境影響問題研究很多. 宋金鵬等對我國鐵路運輸的能源消耗情況進行了研究; 曹大勇等對鐵路、公路、水運等交通方式的能耗及CO2排放進行了對比分析. 但上述研究僅包含運輸階段，并未包含能源生產、基礎設施建設等其他生命周期階段. 近年來國內外很多學者提出采用LCA( life cycle assessment，生命周期評價) 法對鐵路運輸的環境影響進行評價. Hakan 等分別以Bothnia 鐵路和California 高速鐵路為例，對鐵路運輸的基礎設施建設( 包括鐵軌鋪設、隧道、橋梁建設、車站建設) 、機車制造、燃料生產及運行階段進行了全生命周期評價. 國內廖千家驊在闡述規劃環境影響評價指標體系理論的基礎上，提出了基于LCA模式下的鐵路規劃環境影響評價指標體系; 陳淑連等論述了節能技術的生命周期評價技術框架及其在鐵路節能評估中的應用; 張宇峰對鐵路貨運的運輸階段和燃油生產階段進行了生命周期評價，得到了生命周期清單及生命周期中的資源能源利用和污染排放情況. 但國內已有的鐵路運輸LCA 研究中主要存在2 個問題: ①系統邊界不完整. 現有研究中系統邊界多僅包括運輸階段和燃料生產階段，未包括基礎設施建設階段. ②評價指標不夠全面. 現有研究中評價指標多為運輸階段的能耗及CO2排放，較少涉及SO2、NOx、顆粒物等其他污染物及其他資源消耗，尤其是沒有針對我國目前非常關注的節能減排政策目標進行評價. 此外，電力機車作為鐵路運輸近年來發展的重點，其與內燃機車的對比一直是研究的熱點，而現有研究多數僅針對二者在運輸階段的能源消耗的對比，鮮見對二者整個生命周期的環境影響的定量化研究，易導致忽視上游動力燃料生產帶來的環境影響轉移的問題.
該研究以2010 年我國鐵路運輸貨運為例，采用LCA 方法對鐵路運輸基礎設施建設、上游動力及燃料生產、機車運行等生命周期階段進行數據收集和建模，計算鐵路運輸生命周期的清單、環境影響評價指標以及節能減排指標，分析鐵路運輸的主要環境影響類型及基礎設施建設在鐵路運輸全生命周期環境影響中的所占比例; 同時，對內燃機車和電力機車的生命周期環境影響進行對比，以期為鐵路部門實現行業節能減排提供參考.
1 評價方法
1. 1 目標與范圍定義
該研究旨在分析鐵路運輸生命周期的環境影響，因此選取完成1 t·km 貨物周轉量作為LCA 功能單位. 系統邊界包括鐵路基礎設施建設、上游動力及燃料生產、機車運行. 根據國外的研究[，鐵路基礎設施中的輔助性建筑對鐵路運輸生命周期的影響比例較小，故該研究不包括信號設施、噪音隔絕墻等基礎設施建設. 此外，鑒于目前數據缺乏，該研究未包括機車生產及鐵路維護和報廢階段.
1. 2 建模與數據收集
鐵路運輸的生命周期過程,采用eBalance軟件完成LCA 建模計算與分析.
1. 2. 1 機車運行階段
內燃機車和電力機車分別以柴油和電力為動力，根據《中國統計年鑒》對鐵路客、貨運輸的統計，內燃機車柴油消耗量為2. 640 gN( t·km) ，電力機車電力消耗為0. 010 24 kW·hN( t·km) . 該研究近似將上述能耗數據作為貨運內燃機車和電力機車的數據.內燃機車在運行過程中會產生多種污染物， 污染物排放數據根據內燃機車的排放系數及耗油量計算得到. 采用我國鐵路行業實測排放系數( 每g 燃油消耗的污染物排放量) 來計算內燃機車的環境排放，其中，CO2的排放系數取3. 16 gNg;CO、NOx、SO2的排放系數則采用蔡惟謹等對3 種內燃機車測試的平均值，分別為7. 1 × 10 - 3、50. 3 ×10 - 3和2. 2 × 10 - 3 gNg; 煙塵和碳氫化合物排放系數則采用鐵道部勞動衛生研究所及鐵道機車車輛研究所的試驗數據，分別為15. 2 ×10 - 3和5. 1 ×10 - 3 gNg.電力機車在運行過程中使用電力，其運行過程本身不會直接產生污染物，因此不考慮其運行過程的污染物排放.
1. 2. 2 鐵路基礎設施建設階段
由于缺乏全國平均的鐵路基礎設施建設數據，該研究以大瑞鐵路大理—保山段的建設數據作為全國平均數據的近似，以分析鐵路基礎設施建設的環境影響. 大理—保山段全長133. 641 km，根據其建設資料得到該段鐵路的能源和材料消耗清單，包括電力、汽油、柴油、水泥、石灰、碎石及鋼管、型鋼、鋼軌等，以1 t·km貨物周轉量的消耗量進行折算和統計.
假設全國鐵路單位長度的周轉量基本接近，2010年全國年貨物周轉量為2. 76 × 1012 t·km，年營業鐵路長度為66 239 km. 根據式( 1) 計算全國平均分攤到1 t·km 貨物周轉量的鐵路建設所需的各項材料消耗量( Q) .鐵路各部分的使用年限有差異，該研究中大理—保山段鐵路主體工程( 包括路基、橋梁和隧道等) 的使用年限設為100 a，鐵軌的使用年限為20 a.由于鐵路建設階段施工程序復雜，并且其建設過程中的污染物排放數據難以獲得，故在該研究中未包含。
1. 2. 3 鐵路運輸上游原料及能源生產過程
內燃機車運輸和電力機車運輸的上游過程分別為柴油生產和電力生產，鐵路建設的上游過程包括煤炭、石灰、碎石等原料的開采與運輸，以及水泥、汽油、電力、鋼鐵、鋼筋等的生產. 這些過程的生命周期清單數據絕大部分來自于中國生命周期核心數據庫( CLCD) ，并且假設鐵路行業所使用的電力與全國電網電力相同. 另外，鋼絲、膨潤土、石屑、瀝青、木柴、玻璃纖維這6 種數據來自國外Ecoinvent數據庫，其對計算結果的貢獻均不超過1%.
2 結果與討論
2. 1 特征化指標與歸一化分析
生命周期中具有同類環境影響的物質，按照其相對于基準物質的當量因子( 即LCA 特征化因子) ，可以折算并累加在一起，稱為該影響類型的生命周期特征化指標. 如生命周期中各種溫室氣體排放可以折算為CO2當量值并累加得到溫室效應指標，而生命周期中含有N、P 元素的各種污染物排放可以折算為PO43 - 當量值并累加得到富營養化指標.選擇6 種常見的生命周期環境影響類型指標進行分析，包括非能源資源消耗( kg，以煤資源計)、一次能源消耗( kg，以標準煤計)、富營養化效應( kg，以PO43 - 計) 、酸化效應( kg，以SO2計) 、溫室效應( kg，以CO2計)及可吸入無機物( kg，以PM2. 5計). 由于基礎數據庫中能源及原材料等生產過程的有毒物質排放數據尚不完整，故未對鐵路運輸生命周期所造成的毒性影響進行分析. 同時，由于生命周期評價與傳統環境影響評價方法的側重點不同，故該研究未考慮鐵路建設對周邊生態環境的破壞.
2. 2 生命周期節能減排綜合評價
在《“十二五”國民經濟與社會發展規劃綱要》( 以下簡稱《綱要》) 中規定了7 種主要的節能減排約束性政策目標. 《綱要》指出，到“十二五”末期，單位GDP 能耗和CO2排放分別削減16% 和17%，單位工業增加值的水耗削減30%，而主要污染物SO2和CODCr年排放總量均削減8%，NOx和氨氮年排放總量均削減10%. 按照《綱要》預計的GDP 年增長率7%估算，單位GDP 的SO2和CODCr排放總量削減達34%，單位GDP 的NOx和氨氮排放削減總量達36%.各種產品的生命周期過程都將產生上述資源消耗和污染物排放，直接影響到節能減排政策目標的實現，因此評價各種產品及技術方案的生命周期節能減排效果十分重要. 但由于節能減排評價是一個多目標( 多指標) 的評價問題，在對比分析不同技術方案的生命周期節能減排指標時( 如對比內燃機車和電力機車時) ，每個方案均可能分別有優勢和劣勢指標，因而難以確定哪種技術方案更有利于節能減排目標的實現. 在這種情況下，需要將每個方案的多個指標加權求和，得出單一的生命周期綜合評價指標，才能在方案對比時得出明確的結論.生命周期節能減排綜合評價方法( energyconservation and emission reduction evaluation method，ECER 方法) 是基于我國節能減排政策目標的一種綜合加權算采用ECER 方法評價鐵路運輸的環境影響，結果表明，初級能耗、NOx、CO2、CODCr、SO2、氨氮和工業用水量分別占ECER 的30. 90%、27. 50%、21. 60%、析和敏感度分析發現，對ECER 主要的貢獻來自于電力生產過程、內燃機車運輸過程和柴油生產過程. 內燃機車和電力機車運輸過程數據敏感度最大.
2. 3 內燃機車與電力機車的對比
采用ECER 方法對內燃機車和電力機車的綜合環境影響進行對比研究，電力機車與內燃機車相比，除SO2的ECER 值明顯高于內燃機車外，其他污染物的ECER 值與內燃機車持平或小于內燃機車，其綜合節能減排影響比內燃機車低41. 91%.
2. 4 生命周期檢查
2. 4. 1 完整性檢查
完整性檢查的目的是確保影響評價及解釋所需的所有相關信息和數據已經獲得且保持完整. 該研究以內燃機車運輸過程為例進行完整性檢查，. 與Ecoinvent 數據庫中相近的數據集列表進行對比發現，除前文說明因貢獻不大而忽略和因缺乏數據而未包含的信息外，該研究所涉及的單元過程清單數據和系統邊界基本完整.
2. 4. 2 一致性檢查
一致性檢查的目的是確認假設、方法和數據是否與目的和范圍的要求相一致，主要包括技術、時間、地域的一致性檢查和數據來源. 一致性檢查發現，機車運行、柴油生產及電力生產等單元過程的數據基本代表了全國的技術平均水平，時間代表了2007—2010 年的數據，地域代表了中國，數據主要來源于統計年鑒等權威數據，基本符合目的與范圍定義的要求. 但由于缺乏全國平均的鐵路建設階段的數據，該研究中鐵路建設過程以大理—保山段建設數據代替全國平均，可能會造成結果偏差. 考慮到鐵路建設在生命周期中的重要性，下一步研究應補充更多鐵路建設數據并進行數據質量評估.
3 結論
a) 歸一化分析表明，鐵路運輸生命周期的主要環境影響類型為富營養化、酸化和可吸入無機物，分別占全國相應環境影響類型總量的0. 92%、0. 70%和0. 62%，表明鐵路運輸所造成的環境影響對全國總環境影響的貢獻相對不大.
b) 對特征化指標的貢獻分析表明，鐵路基礎設施建設及上游原料生產階段各環境影響類型在鐵路運輸生命周期環境影響中所占比例在9. 45% ( 富營養化) ～ 73. 55% ( 非能源資源消耗) 之間，表明其對鐵路運輸全生命周期環境影響貢獻明顯，不容忽視.
c) 從節能減排政策看，鐵路運輸主要的環境影響指標是初級能耗、NOx和CO2，其分別占ECER 的30. 90%、27. 50%和21. 60%.
d) 電力機車的生命周期綜合環境影響比內燃機車低41. 91%，電力機車的節能減排效果優于內燃機車.
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