第1章　绪论

1.1　背景和意义

1.1.1　全球气候变化

气候变暖问题已经引起了全球的广泛关注，联合国政府间气候变化专门委员会（International Panel on Climate Change，IPCC）评估报告指出，气候变暖主要是人类活动的结果[1]，很大程度上是过度使用化石燃料导致大量温室气体排放造成的[2]，根据国际能源协会（International Energy Agency，IEA）的数据，人均二氧化碳排放量变化趋势见图1.1。

图1.1　世界各国的人均二氧化碳排放量变化趋势

US—美国；CA—加拿大；AU—澳大利亚；GB—英国；FR—法国；JP—日本；IT—意大利；ES—西班牙；KR—韩国；MX—墨西哥；CN—中国；BR—巴西；IN—印度；RU—俄罗斯；DE—德国

可以看出世界各国的人均二氧化碳排放量在近些年逐渐增加，减缓气候变暖的关键是要减少二氧化碳排放[3]。根据国际能源协会最新数据，2015年中国排放90亿t二氧化碳，占当年世界二氧化碳总排放量321.4亿t的28%，位于世界各国首位[4]。此外，2035年之前，全球二氧化碳排放量增量的一半将来自中国[5]。

1.1.2　碳排放权交易

我国正处在高速城市化发展过程中，预计到2050年发展到中等发达国家水平时，二氧化碳的年排放量可能达到156亿t[6]。因此，控制中国温室气体排放对于全球碳减排效果至关重要。我国政府高度重视温室气体减排，积极采取措施保证经济发展的同时，减少二氧化碳排放[7]。2015年6月，李克强总理宣布了中国应对气候变化2030减排计划，即二氧化碳排放2030年左右达到峰值并争取尽早达峰；单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降60%～65%，非化石能源占一次能源消费比重达到20%左右[8，9]。《“十三五”控制温室气体排放工作方案》明确要求：2020年实现我国单位国内生产总值二氧化碳排放比2015年下降18%，加快发展非化石能源，加快低碳技术研发与示范，加强温室气体排放统计与核算，强化全国碳排放权交易基础支撑能力，建立碳排放权交易制度，建设和运行全国碳排放权交易市场。

针对碳排放权交易，《联合国气候变化框架公约》及其《京都议定书》明确了发达国家和发展中国家在温室气体减排中共同而有区别的责任，赋予了实现温室气体减排目标的法律约束力[10]。欧洲碳排放交易体系（EU-ETS）是当前世界范围内最大的碳排放交易市场，通过对各企业强制规定碳排放量，为减少全球碳排放量做出了巨大贡献。目前，碳排放交易主要采用“清洁发展、联合履约与国家排放交易”3种机制，其中，清洁发展机制（clean development mechanism，CDM）是基于项目的减排机制，即碳减排额度（certified emission reductions，CER）交易，以实现发达国家和发展中国家进行项目级的减排量抵销额的转让与获得。借鉴CDM方法学，针对我国国情，国家发展和改革委员会尝试建立了全国碳交易统一市场，实行中国认证碳减排额交易（Chinese certified emistion reductions，CCER），旨在全面推进自愿减排项目市场化，促进各个领域低碳技术的研发与应用，鼓励通过方法学核算的减排量进入碳市场交易。

1.1.3　国内雾霾污染

我国作为煤炭第一消费大国，近30年经济发展高度依赖煤炭为主导的能源结构是当前严重雾霾的重要原因。我国人口不到全球20%，国土面积仅占世界7%，但每年煤炭消耗量早在2011年就已高达全球一半，且主要集中在我国东中部地区，导致污染物浓度大大超过了大气环境的承载力极限。2016年，全国338个地级及以上城市中PM2.5浓度为47μg/m3，为世界卫生组织（WHO）过渡期第1阶段目标值的1.34倍；全国范围内超过1/7的国土被雾霾笼罩。与此同时，煤炭消费与雾霾密度高度重叠。空间分布上，京津冀及周边地区是我国受雾霾侵害最重的区域，其煤炭消费量占能源消费总量的71.6%，高于全国平均水平5个百分点。2016年，京津冀区域PM2.5（细颗粒物）平均浓度为71μg/m3，超过国家二级年均浓度标准1.03倍。时间分布上，重污染天气主要发生在冬季。2016年11月15日至12月31日采暖期间，京津冀区域PM2.5平均浓度为135μg/m3，是非采暖期2.4倍，仅12月就发生了5次大范围重污染天气。2016年区域内河北省火电发电量占全省发电量的90.6%，送出电量400亿kW·h，同比增长17.3%；华北送华中（特高压）和华东188亿kW·h。火电外送更加重了京津冀区域燃煤及雾霾危害。调整以煤为主的高碳能源结构，用清洁电力代替燃煤是根治雾霾、实现美丽中国碧水蓝天目标的必然要求和选择，也是发达国家几十年前治理空气污染的共同经验。

1.1.4　水电开发碳排放管理

目前，开发利用可再生能源是已成为世界各国保障能源安全、加强环境保护、减少雾霾、应对气候变化的重要措施，也是我国应对日益严峻的能源问题和环境问题的必由之路。水电是技术成熟、运行灵活的清洁低碳可再生能源，在我国可再生能源中具有绝对优势，也是能源替代战略的优先电源方式。为了满足我国节能减排目标，《水电发展“十三五”规划》明确要求，2020年水电装机容量将达到3.8亿kW[11]。然而，CDM和CCER的基准线碳排放核算方法仅针对小水电项目。小水电项目具有建筑物体积相对较小、建设周期短的特点，工程自身建设和维护过程中的碳排放量可忽略不计。相反，大中型水电工程项目涉及的碳排放影响因素较多，项目本身发电减排效益可观，但是施工建设和维护过程中的碳排放量大且集中。同时，大中型水电工程项目中多包括大量创新技术和新型施工组织工艺，这些新技术与新工艺本身具有明显的节能减排效益。由于目前缺乏大中型水电项目碳排放量的科学核算方法，严重制约了此类项目参与中国CCER碳认证和碳交易，以及全球CDM碳交易。

根据国际大坝协会最新预测，为实现“十三五”水电装机目标，全国混凝土大坝浇筑方量将超过4亿m3[12]。已有的研究表明，当前许多混凝土大坝工程在施工过程中，由于混凝土的生产、运输和浇筑而排放大量的二氧化碳[13]。其中，水泥作为混凝土的重要组成部分，是碳排放密集的材料；施工机械是能源消耗密集的设备。随着混凝土浇筑方量的增加，水利工程建筑物本身生命周期的环境问题也值得关注[14]。此外，鉴于大中型水电项目建设周期相对较长，建设水电站等大型工程时，混凝土大坝的浇筑过程中将消耗大量建筑材料，使用许多机械设备和能源，在某一时期内的集中排放量对周边地区节能减排影响较大，开展城市温室气体清单编制工作时，多要求核算此类水利水电基础设施碳排放量[15，16]。

以汾河水电站建设过程为案例，评价结果显示项目建设过程中的碳排放量大约需要一年发电量折算的碳盈余量才可以抵消[17]，见图1.2。

图1.2　汾河水电站碳排放与碳盈余量结果对比图

因此，在积极发展水电项目、实现我国节能减排承诺的过程中，要关注混凝土大坝建筑物所产生的碳排放量，有必要基于生命周期研究混凝土大坝碳排放，在生命周期各个阶段对比各类筑坝技术的碳排放表现，推动和优化低碳筑坝技术，以减少碳排放量；而且在优化建设期的排放时，要充分考虑建设过程中两个项目管理的重要因素，即成本和进度[18]，研究成本和进度随碳排放变化的关系，才能实现碳排放的过程控制。所以基于生命周期理论，建立混凝土大坝生命周期碳排放评价计算模型，发展低碳筑坝技术，明晰碳排放要素，实现碳排放的过程管理，为大中型水电项目进入碳交易市场提供方法学提供科学支撑，为水电管理者建立低碳企业、履行社会责任提供决策依据，具有重要的理论与现实意义。