The research of carbon measurement and field test during highway operation period

Architectural Engineering May 2013, Volume 1, Issue 1, PP.12-17

The Research of Carbon Measurement and Field Test during Highway Operation Period Shu Li 1#, Yongzhen Zhao2, Yanwei Liu3, Xiaolei Chen4 1,4. Ocean University of China, Qingdao 266100, China 2,3. Transit Authority of Shijiazhuang City, Shijiazhuang, Hebei 050000, China #

Email: 880520lishu@sina.com

Abstract Carbon emissions caused by social activities, related to the highway engineering construction and use of carbon known as highway carbon emissions, including prior to the construction of the highway engineering, construction period, maintenance period and dismantle period of carbon emissions, as well as the operating period of driving on the highway traffic tools of carbon, and so on.

This paper mainly aimed at the operation stage road section carbon closed part of carbon measurement model is put forward, at the same time in order to validate reliability model, the south 3rd ring road of China's Hebei province on the spot observation, the results prove that closed sections of carbon measurement model is reliable.

Keywords: Low Carbon; Highway; Carbon Emissions; Carbon Dioxide

公路运营期碳计量及现场试验研究* 李淑 1，赵永帧 2，李彦伟 3，陈晓磊 4 1,4. 中国海洋大学，山东 青岛 266100 2,3. 石家庄市交通运输局，河北 石家庄 050000 摘

要：社会活动造成的碳排放中，与公路工程的建造和使用有关的碳排放称为公路碳排放，包括公路工程建设前期，

施工期，维养期和拆除期产生的碳排放，以及运营期行驶在公路上的各种交通工具的排碳量等等。运营期排碳量计算较 为复杂，因此主要针对运营期公路碳排放封闭路段部分提出碳计量模型，同时为了验证模型可靠性，对中国河北省南三 环路进行了现场实测，结果证明，封闭路段碳计量模型可靠。 关键词：低碳；公路；碳排放；二氧化碳

引言 随着公路建设以及汽车工业的快速发展，汽车在公路上的行驶速度不断提高。在满足汽车在公路上行驶 的快速性和安全性的条件下，车辆行驶的舒适性也逐渐得到满足，在全球发展低碳经济的大背景下，公路交 通运输作为主要碳排放源之一，是国际温室气体减排、缓解气候变化的重要领域，因此如何做到节能减排， 实现经济增长与区域环境协调发展，对公路运营中碳排放量也提出了更高的要求。国外已有针对公路排碳问 题诸多研究，但是侧重于公路建设碳计量研究，不符合中国发展的国情，因此，有必要建立起符合中国国情 的碳计量模型研究，为中国低碳公路事业的发展提供方法论和数据支持。与公路有关的碳排放可包括公路工 程建设前期、施工期、维养期和拆除期产生的碳排放，以及运营期行驶在公路上的各种交通工具的排碳量等 等。运营期因为其受交通量影响较大，因此作为代表时期进行具体研究。 *

基金资助：青年教师科研专项基金项目资助（201313018） 。 - 12 http://www.ivypub.org/ae

1 运营期公路碳排量影响因素分析 影响公路碳排放的因素非常多，但是综合分析可以分为三大类：车辆因素、公路自身因素、自然状态因 素。车辆因素主要包括车型及排放系数、运行速度和交通量、车型不同，燃油经济型不同，油碳转化系数不 同，产生的碳排量不同；运行速度是最直接的影响因素，与碳排量之间呈非线性解析关系；交通量最直接反 应碳排量在数量上的积累。公路自身因素主要包括公路的几何特性、路面特性和非封闭性。几何特性主要是 指平纵横几何参数：平曲线半径、纵坡坡度及路拱横坡度等，其中纵坡坡度是最关键因素，与碳排量之间呈 阶跃线性关系；路面特性主要是指路面类型选择和路面不平整度随时间变化特性，作为影响辅助因子影响碳 排量；非封闭性是指该路段中含有交叉口：收费站、互通立交、信号灯路口、服务区等的路段，与之相反是 不含有交叉口的路段也是封闭路段，非封闭性通过改变车辆的运行状态影响碳排量。自然状态因素主要是指 气候、地形等因素，此类因素是偶然因素，且不易控制的，因此在此尚无作量化研究。 基于以上影响因素的分析，突出关键、重要、直接的因素，忽略间接、次要因素，按公路非封闭性分为 两类：封闭路段和非封闭路段，接下来对封闭路段碳计量方法进行研究。

2 运营期公路封闭路段碳计量模型 在建立碳计量模型时，速度单独影响下的碳排放量 QiV ,co2 e 和坡度的单独影响下的碳排量 Eij ,co2 e 是模型的 主要部分，其他影响因素对碳排量的影响因素作用采用影响因数来体现，路面类型影响因数 K pn 和路面不平 整度影响因数 Kie, IRIt ，其余影响因素认为影响系数较小，基本可以设为 1.0。并且本模型是计量封闭路段在 整个运营过程中的碳排放量，所以在因数和模型中都引进了时间参数 T。 综上所述，建立运营阶段交通碳排量计量模型，见公式 1： T

6

Ylf   3.65   t 1

8%

K

i 1 j  0%

pn

 Kie, IRIt  L j 

QiV ,CO2e  Eij ,CO2 e

i

（1）

其中： Ylf ——运营期封闭路段碳排放量（t）；

K pn ——路面类型影响因数； Kie, IRIt ——在第 t 年路面不平整度对第 i 种车型影响因数； L j ——坡度为 j 的路段长度（ km ）； Tie ——第 i 种车型 CO2e 排放系数； i ——速度与坡度对 CO2e 排放量的调整系数；

 i ——车型比例；  t ——交通量年增长率；

U ——设计交通量，一般是预测基年交通量；

 i ——折算系数； m pi qi ni ——第 i 种车型的 CO2e 排放坡度影响系数； ai bi ci d i ——第 i 种车型的 CO2e 排放速度影响系数； CO2e ——二氧化碳碳当量。 i

3 现场测试试验验证碳计量模型 3.1 试验原理 交通量及公路自身因素为已知，通过碳计量模型计算得到公路源强，然后经由已知扩散模型 Turner 模式 求得各被测点处出理论 CO2 浓度值，与各被测点处现场实测 CO2 浓度值进行对比，经由对比结果从而验证前 文提出的碳计量模型是否可靠。 - 13 http://www.ivypub.org/ae

3.2 试验假设与理论依据 3.2.1 试验假设 1）被测路段在被测时间内车流量是稳态，且各车型车速近似匀速； 2）所选用的二氧化碳扩散模型是可靠的； 3）所选路段所在地区各方面自然条件参数的得到误差均很小。 3.2.2 理论依据 所采用的二氧化碳扩散模型为：Turner 模式。 Turner 模型用于路基高度为零的情况，在该公式当中取测试路段的中点作为坐标原点，沿测试段公路定 位 y 轴，由于假定的主流风向与被测公路垂直，因此在此情况下定义主流风向为 x 轴的正向，垂直于 x，y 轴所构成平面轴为 z 轴方向。 当主风向与直线公路线源垂直时采用如下计算模式，

y 2 1 Q C  ( )2 erf ( o )  u z y 2

(公式 3)

其中，

erf (

yo

y 2

)

2

 

yo

y 2

0

et dt 2

(公式 4)

当主风向与直线公路线源呈任意非垂直角度时采用公式 5：

2 1 C  ( )2



y / sin  Q erf ( 0 ) sin  u z y 2

(公式 5)

该式中垂直及横向扩散系数计算公式中的 x  dp / sin  式中：  z ——横向扩散参数；

 y ——垂直扩散系数； u ——风速(m/s)；  ——主风向与被测公路角度(度)； Q ——线源源强(g/m*s)； yo ——被测公路一半的长度(m)； dp ——接收点到线源的垂直距离。

3.3 试验仪器及试验路段选择 3.3.1 试验仪器及应测变量 便携式二氧化碳浓度测试仪、风速风向仪、地质罗盘仪、指南针、皮尺、胶带、标记笔、秒表、相机、 计算器、大张白纸、铅笔、折叠尺、透明软管、直尺 在该试验中需要测量的变量为：被测时段内各车道上的交通量；各种车型的平均速度；被测路段所在地 云量；主风向与路线的夹角；平均风速；被测路段坡度、路基高度；被测点位置确定；被测点二氧化碳浓度 值。每个变量都有具体的测量方法。 3.3.2 试验路段选择 本次现场试验所选路段为中国境内河北省南三环路，即河北省原石环路。石环公路途经石家庄市 6 区 3 - 14 http://www.ivypub.org/ae

县（市） ，全长 74.9 公里。由西、南、东、北四个部分组成，所测断面为：南三环 K60+100（双向六车道， 中间 3.0m 中央分隔带） 。

3.4 试验结果分析 本被测路段基本情况见表 1： 表 1 南三环 K60+100 被测路段基本情况示意表 路面类型

沥青混凝土路面

太阳高度角 i

≦15°

被测路段长度 i （m）

760

大气稳定度

D

坡度 i

0.8%

路基高度 i （m）

0.5

主风向与被测路段夹角 i （度）

42

路面维养情况

良好（使用第 4.5 年）

云量

5

每个车道在 30 分钟内交通量调查和车速测量记录与表 2： 表 2 每个线源交通量和车速统计表 交通量/平均车速 车型 1

车型 2

车型 3

车型 4

车型 5

车型 6

线源 1

12/69.8

0/58.0

7/49.2

3/48.8

2/40.0

4/47.6

线源 2

13/69.8

0/58.0

6/49.2

2/48.8

2/40.0

3/47.6

线源 3

13/69.8

0/58.0

6/49.2

3/48.8

3/40.0

3/47.6

线源 4

13/63.8

1/59.54

5/54.8

6/46.9

7/50.7

4/50.7

线源 5

13/63.8

0/59.54

6/54.8

6/46.9

7/50.7

5/50.7

线源 6

13/63.8

0/59.54

6/54.8

5/46.9

7/50.7

4/50.7

以被测点 1 为例进行数据分析： 3.4.1 理论值确定 被测点 1 处的碳浓度是分别受 6 个线源共同影响叠加的效果，因此必须确定每个线源扩散到被测点 1 处 时的碳浓度值。首先被测点 1 距离每个线源的距离见表 3： 表 3 被测点 1 距离线源 i 的距离汇总表 线源 i

X1

X2

X3

X4

X5

X6

距离（m）

4.375

8.125

11.875

17.125

20.875

24.625

根据表 2，采用碳计量模型可以计算源强的碳浓度，然后通过气体扩散模型计算得到被测点处的碳浓度 值。每个线源扩散到被测点 1 处时的碳浓度加上自然状态下碳浓度值为被测点 1 处碳浓度理论值。自然状态 碳浓度值为现场测量所得。被测点 1 碳浓度理论值汇总表 4： 表 4 线源 i 源强计算及各源强对被测点 1CO2 浓度影响理论值汇总表 线源

源强值（g/m﹒s）

对被测点 1 理论 CO2 浓度影响值（ppm）

线源 1

0.026

38.26

线源 2

0.024

21.00

线源 3

0.026

16.58

线源 4

0.032

15.04

- 15 http://www.ivypub.org/ae

表 4 线源 i 源强计算及各源强对被测点 1CO2 浓度影响理论值汇总表(续) 线源

源强值（g/m﹒s）

对被测点 1 理论 CO2 浓度影响值（ppm）

线源 5

0.032

12.76

线源 6

0.031

10.78

总源强值合计

0.171

被测点 1 总理论 CO2 浓度影响值 （ppm） 被测点 1 总理论 CO2 浓度值（ppm）

114.42 =被测点 1 总理论 CO2 浓度影响值（114.42）+背景值（283）=397.42

3.4.2 实测值确定 30 分钟实测过程中，不断记录便携式二氧化碳检测仪上显示数据，同时记录风速。 由于被测点距离行车道较近，车辆经过产生的瞬时风速较大，对二氧化碳检测仪的测量精度产生影响， 造成数据过小，因此去掉突变值，将剩余 121 个数据采用曲线行驶表示如图 1，并将这些数据取算数平均值 为 389.29ppm。将该实测值与理论值进行比较，误差率为 2.1%，在允许的误差范围之内。 应用以上分析方法，对剩余被测点的理论值与实测值进行分别确定分析，最终得到南三环 5 个被测点二 氧化碳理论值与实测值对照比较柱状图 2。发现第 2、3 个被测点的理论值与实测值的偏差较大，是由于在试 验现场，在 2、3 被测点测量时段，自然风速较大，对实测值造成较大影响，其余各点偏差率在 5%之内。从 该路段试验数据分析得出，在较理想的自然状态下，公路碳计量模型基本可靠。 600

500 400 300

系列1

200 100

二氧化碳浓度（ppm）

二氧化碳实测值（ppm）

600

500 400 理论值（ppm） 实测值（ppm）

300 200 100 0

0 1

1

12 23 34 45 56 67 78 89 100 111 记录次数

图 1 南三环被测点 1 二氧化碳实测值

2

3 被测点

4

5

图 2 南三环 5 个被测点 CO2 理论值与实测值对照展示图

4 试验误差分析与试验结论 通过试验数据对比分析，可以发现有很多被测点的理论值与实测值基本吻合，但是也有很多被测点的理 论值与实测值偏差较大，分析产生这类情况的原因，主要有试验路段选择、瞬时风速、交通流稳定性、扩散 模型与现场状态吻合性、人为因素等。 通过现场实测试验，经过对有效数据的甄选、统计和分析处理，对各被测点的理论浓度值与实测浓度值 进行对比分析，以偏差率来衡量公路碳计量模型可靠度，最终得到，除去导致偏差率较大的偶然因素外，在 误差允许范围内，公路碳计量模型基本可靠。

5 结语 公路发展非常迅速，交通量也在逐渐增加，对公路的碳排量研究越来越重要，如何有效的对公路碳排放 进行计量是一项长远而意义重大的研究，只有更清楚公路碳计量的准确方法才能更有效的避免过多的碳排放 给环境带来不好的影响，接下来的研究将更为迫切，更为重要，这样才能为社会的可持续发展贡献微薄力量。

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Wei Xiaodan. Research on the International Roughness Index (IRI) as the Pavement Roughness Index JOURNAL OF HIGHWAY AND TRANSPORTATION RESEACH ANDK DEVELOPMENT. 1999, vol16: pp9-13.

【作者简介】 1

李淑（1988-） ，女，汉族，硕士研究生

2

赵永帧（1974-） ，男，汉族，高级工程

在读，研究方向为防灾减灾及防护工程，

师，研究方向为道路结构与材料，1998

2011 年至今于中国海洋大学攻读硕士。

年毕业于河北工业大学道路工程硕士研

Email: 880520lishu@sina.com

究生，现就业于河北省石家庄市交通运 输局。Email: gentlezyz@126.com

3

李彦伟（1969-） ，男，汉族，教授级高

4

陈晓磊（1987-） ，男，汉族，硕士研究

工，研究方向为公路工程，2005 年毕业

生在读，研究方向多龄期埋地管线抗震

于长安大学公路工程硕士研究生，现就

性能研究，2010 年至今于中国海洋大学

业于河北省石家庄市交通运输局。

攻读硕士。Email: 383283445@qq.com

Email: Liyanwei69@vip.sina.com

- 17 http://www.ivypub.org/ae