关于铁路运输生命周期评价的研究论文
铁路运输是我国综合交通运输体系的骨干，2010年铁路货物周转量为2. 76 × 1012 t·km，占全国总货物周转量的19. 5%; 同时，铁路运输的生命周期过程也造成了大量的资源能源消耗和环境污染. 因此，研究铁路运输的生命周期环境影响和资源能源利用情况，不仅有利于铁路行业的环境保护和节能减排，也可为工业产品的生命周期评价提供必不可少的基础数据.
国内对铁路运输的环境影响问题研究很多. 宋金鹏等对我国铁路运输的能源消耗情况进行了研究; 曹大勇等对铁路、公路、水运等交通方式的能耗及CO2排放进行了对比分析. 但上述研究仅包含运输阶段，并未包含能源生产、基础设施建设等其他生命周期阶段. 近年来国内外很多学者提出采用LCA( life cycle assessment，生命周期评价) 法对铁路运输的环境影响进行评价. Hakan 等分别以Bothnia 铁路和California 高速铁路为例，对铁路运输的基础设施建设( 包括铁轨铺设、隧道、桥梁建设、车站建设) 、机车制造、燃料生产及运行阶段进行了全生命周期评价. 国内廖千家骅在阐述规划环境影响评价指标体系理论的基础上，提出了基于LCA模式下的铁路规划环境影响评价指标体系; 陈淑连等论述了节能技术的生命周期评价技术框架及其在铁路节能评估中的应用; 张宇峰对铁路货运的运输阶段和燃油生产阶段进行了生命周期评价，得到了生命周期清单及生命周期中的资源能源利用和污染排放情况. 但国内已有的铁路运输LCA 研究中主要存在2 个问题: ①系统边界不完整. 现有研究中系统边界多仅包括运输阶段和燃料生产阶段，未包括基础设施建设阶段. ②评价指标不够全面. 现有研究中评价指标多为运输阶段的能耗及CO2排放，较少涉及SO2、NOx、颗粒物等其他污染物及其他资源消耗，尤其是没有针对我国目前非常关注的节能减排政策目标进行评价. 此外，电力机车作为铁路运输近年来发展的重点，其与内燃机车的对比一直是研究的热点，而现有研究多数仅针对二者在运输阶段的能源消耗的对比，鲜见对二者整个生命周期的环境影响的定量化研究，易导致忽视上游动力燃料生产带来的环境影响转移的问题.
该研究以2010 年我国铁路运输货运为例，采用LCA 方法对铁路运输基础设施建设、上游动力及燃料生产、机车运行等生命周期阶段进行数据收集和建模，计算铁路运输生命周期的清单、环境影响评价指标以及节能减排指标，分析铁路运输的主要环境影响类型及基础设施建设在铁路运输全生命周期环境影响中的所占比例; 同时，对内燃机车和电力机车的生命周期环境影响进行对比，以期为铁路部门实现行业节能减排提供参考.
1 评价方法
1. 1 目标与范围定义
该研究旨在分析铁路运输生命周期的环境影响，因此选取完成1 t·km 货物周转量作为LCA 功能单位. 系统边界包括铁路基础设施建设、上游动力及燃料生产、机车运行. 根据国外的研究[，铁路基础设施中的辅助性建筑对铁路运输生命周期的影响比例较小，故该研究不包括信号设施、噪音隔绝墙等基础设施建设. 此外，鉴于目前数据缺乏，该研究未包括机车生产及铁路维护和报废阶段.
1. 2 建模与数据收集
铁路运输的生命周期过程,采用eBalance软件完成LCA 建模计算与分析.
1. 2. 1 机车运行阶段
内燃机车和电力机车分别以柴油和电力为动力，根据《中国统计年鉴》对铁路客、货运输的统计，内燃机车柴油消耗量为2. 640 gN( t·km) ，电力机车电力消耗为0. 010 24 kW·hN( t·km) . 该研究近似将上述能耗数据作为货运内燃机车和电力机车的数据.内燃机车在运行过程中会产生多种污染物， 污染物排放数据根据内燃机车的排放系数及耗油量计算得到. 采用我国铁路行业实测排放系数( 每g 燃油消耗的污染物排放量) 来计算内燃机车的环境排放，其中，CO2的排放系数取3. 16 gNg;CO、NOx、SO2的排放系数则采用蔡惟谨等对3 种内燃机车测试的平均值，分别为7. 1 × 10 - 3、50. 3 ×10 - 3和2. 2 × 10 - 3 gNg; 烟尘和碳氢化合物排放系数则采用铁道部劳动卫生研究所及铁道机车车辆研究所的试验数据，分别为15. 2 ×10 - 3和5. 1 ×10 - 3 gNg.电力机车在运行过程中使用电力，其运行过程本身不会直接产生污染物，因此不考虑其运行过程的污染物排放.
1. 2. 2 铁路基础设施建设阶段
由于缺乏全国平均的铁路基础设施建设数据，该研究以大瑞铁路大理—保山段的建设数据作为全国平均数据的近似，以分析铁路基础设施建设的环境影响. 大理—保山段全长133. 641 km，根据其建设资料得到该段铁路的能源和材料消耗清单，包括电力、汽油、柴油、水泥、石灰、碎石及钢管、型钢、钢轨等，以1 t·km货物周转量的消耗量进行折算和统计.
假设全国铁路单位长度的`周转量基本接近，2010年全国年货物周转量为2. 76 × 1012 t·km，年营业铁路长度为66 239 km. 根据式( 1) 计算全国平均分摊到1 t·km 货物周转量的铁路建设所需的各项材料消耗量( Q) .铁路各部分的使用年限有差异，该研究中大理—保山段铁路主体工程( 包括路基、桥梁和隧道等) 的使用年限设为100 a，铁轨的使用年限为20 a.由于铁路建设阶段施工程序复杂，并且其建设过程中的污染物排放数据难以获得，故在该研究中未包含。
1. 2. 3 铁路运输上游原料及能源生产过程
内燃机车运输和电力机车运输的上游过程分别为柴油生产和电力生产，铁路建设的上游过程包括煤炭、石灰、碎石等原料的开采与运输，以及水泥、汽油、电力、钢铁、钢筋等的生产. 这些过程的生命周期清单数据绝大部分来自于中国生命周期核心数据库( CLCD) ，并且假设铁路行业所使用的电力与全国电网电力相同. 另外，钢丝、膨润土、石屑、沥青、木柴、玻璃纤维这6 种数据来自国外Ecoinvent数据库，其对计算结果的贡献均不超过1%.
2 结果与讨论
2. 1 特征化指标与归一化分析
生命周期中具有同类环境影响的物质，按照其相对于基准物质的当量因子( 即LCA 特征化因子) ，可以折算并累加在一起，称为该影响类型的生命周期特征化指标. 如生命周期中各种温室气体排放可以折算为CO2当量值并累加得到温室效应指标，而生命周期中含有N、P 元素的各种污染物排放可以折算为PO43 - 当量值并累加得到富营养化指标.选择6 种常见的生命周期环境影响类型指标进行分析，包括非能源资源消耗( kg，以煤资源计)、一次能源消耗( kg，以标准煤计)、富营养化效应( kg，以PO43 - 计) 、酸化效应( kg，以SO2计) 、温室效应( kg，以CO2计)及可吸入无机物( kg，以PM2. 5计). 由于基础数据库中能源及原材料等生产过程的有毒物质排放数据尚不完整，故未对铁路运输生命周期所造成的毒性影响进行分析. 同时，由于生命周期评价与传统环境影响评价方法的侧重点不同，故该研究未考虑铁路建设对周边生态环境的破坏.
2. 2 生命周期节能减排综合评价
在《“十二五”国民经济与社会发展规划纲要》( 以下简称《纲要》) 中规定了7 种主要的节能减排约束性政策目标. 《纲要》指出，到“十二五”末期，单位GDP 能耗和CO2排放分别削减16% 和17%，单位工业增加值的水耗削减30%，而主要污染物SO2和CODCr年排放总量均削减8%，NOx和氨氮年排放总量均削减10%. 按照《纲要》预计的GDP 年增长率7%估算，单位GDP 的SO2和CODCr排放总量削减达34%，单位GDP 的NOx和氨氮排放削减总量达36%.各种产品的生命周期过程都将产生上述资源消耗和污染物排放，直接影响到节能减排政策目标的实现，因此评价各种产品及技术方案的生命周期节能减排效果十分重要. 但由于节能减排评价是一个多目标( 多指标) 的评价问题，在对比分析不同技术方案的生命周期节能减排指标时( 如对比内燃机车和电力机车时) ，每个方案均可能分别有优势和劣势指标，因而难以确定哪种技术方案更有利于节能减排目标的实现. 在这种情况下，需要将每个方案的多个指标加权求和，得出单一的生命周期综合评价指标，才能在方案对比时得出明确的结论.生命周期节能减排综合评价方法( energyconservation and emission reduction evaluation method，ECER 方法) 是基于我国节能减排政策目标的一种综合加权算采用ECER 方法评价铁路运输的环境影响，结果表明，初级能耗、NOx、CO2、CODCr、SO2、氨氮和工业用水量分别占ECER 的30. 90%、27. 50%、21. 60%、析和敏感度分析发现，对ECER 主要的贡献来自于电力生产过程、内燃机车运输过程和柴油生产过程. 内燃机车和电力机车运输过程数据敏感度最大.
2. 3 内燃机车与电力机车的对比
采用ECER 方法对内燃机车和电力机车的综合环境影响进行对比研究，电力机车与内燃机车相比，除SO2的ECER 值明显高于内燃机车外，其他污染物的ECER 值与内燃机车持平或小于内燃机车，其综合节能减排影响比内燃机车低41. 91%.
2. 4 生命周期检查
2. 4. 1 完整性检查
完整性检查的目的是确保影响评价及解释所需的所有相关信息和数据已经获得且保持完整. 该研究以内燃机车运输过程为例进行完整性检查，. 与Ecoinvent 数据库中相近的数据集列表进行对比发现，除前文说明因贡献不大而忽略和因缺乏数据而未包含的信息外，该研究所涉及的单元过程清单数据和系统边界基本完整.
2. 4. 2 一致性检查
一致性检查的目的是确认假设、方法和数据是否与目的和范围的要求相一致，主要包括技术、时间、地域的一致性检查和数据来源. 一致性检查发现，机车运行、柴油生产及电力生产等单元过程的数据基本代表了全国的技术平均水平，时间代表了2007—2010 年的数据，地域代表了中国，数据主要来源于统计年鉴等权威数据，基本符合目的与范围定义的要求. 但由于缺乏全国平均的铁路建设阶段的数据，该研究中铁路建设过程以大理—保山段建设数据代替全国平均，可能会造成结果偏差. 考虑到铁路建设在生命周期中的重要性，下一步研究应补充更多铁路建设数据并进行数据质量评估.
3 结论
a) 归一化分析表明，铁路运输生命周期的主要环境影响类型为富营养化、酸化和可吸入无机物，分别占全国相应环境影响类型总量的0. 92%、0. 70%和0. 62%，表明铁路运输所造成的环境影响对全国总环境影响的贡献相对不大.
b) 对特征化指标的贡献分析表明，铁路基础设施建设及上游原料生产阶段各环境影响类型在铁路运输生命周期环境影响中所占比例在9. 45% ( 富营养化) ～ 73. 55% ( 非能源资源消耗) 之间，表明其对铁路运输全生命周期环境影响贡献明显，不容忽视.
c) 从节能减排政策看，铁路运输主要的环境影响指标是初级能耗、NOx和CO2，其分别占ECER 的30. 90%、27. 50%和21. 60%.
d) 电力机车的生命周期综合环境影响比内燃机车低41. 91%，电力机车的节能减排效果优于内燃机车.
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