2020年9月22日，我国在第七十五届联合国大会上宣布了“力争2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和”的愿景目标，并提出了行动方案^[1-3]。水电作为水利水电工程的一部分，也是“碳达峰十大行动”之一的“能源绿色低碳转型行动”中所提倡的需要因地制宜开发的能源类型。水电虽然是目前被广泛认可的清洁能源，但有研究者认为，在全工程、全周期的尺度上，水电的清洁性能值得怀疑。例如，Fearnside^[4]对巴西亚马逊河上的水电站进行温室气体排放研究发现，同等发电量下水力发电对全球变暖的影响比火电高。造成上述争议的原因，部分在于水力发电工程建设期投资大、建设内容复杂，加上库区淹没范围广，造成其碳排放计算资料收集困难。实际上，为了解决以上争议，必须准确地核算出水利水电工程的真实碳排放量，以此判断水电的清洁属性，为我国后续水利水电工程的顺利开发提供支持，同时指导水利水电工程进一步减排，助推“双碳”战略发展。

目前，国内对水利水电工程全生命周期碳排放的研究还较少^[5-10]。一般通过对碳足迹的分析，基于全生命周期评价原理，形成计算方法。常用的计算方法有两类^[11]：一类是过程分析法(process analysis-life cycle analysis/assessment, PA-LCA)，通过对过程进行详尽分析，从而获得计算清单，基于清单即可计算碳排放量；另一类是投入产出分析法(environmental input-output-life cycle analysis/assessment, EIO-LCA)，通过对各行业的投入和产出建立数学模型，从而核算出参考碳排放因子，由此进行计算。两种方法各有优缺点，在水利水电工程中的适用性均有所欠缺。例如，PA-LCA法需要对过程有详尽的了解，且收集过程中会有海量的数据，这在水利水电工程的复杂边界条件下是无法实现的；而EIO-LCA法又过于粗略，计算结果脱离实际过程，无法体现出各类水利水电工程的区别。此外，也有学者提出混合生命周期评价方法^[12-13]，但是也仅限于大坝坝体的碳排放量核算。因此，需要针对现有常用计算方法说服力不够的问题探讨水利水电工程碳排放计算方法。

本文以湖南省犬木塘工程为样本，基于生命周期评价理论，探讨水利水电工程的碳排放计算方法，并针对工程建设、运行阶段的碳排放总量(以二氧化碳当量(CO₂e)表示)开展了定量计算和分析，对犬木塘工程进行了碳排放的评价和评估，最后就如何降低水电站生命周期碳排放进行了研究，提出了相应的建议。

1 水利水电工程碳排放分析和核算方法 1.1 碳排放组分分析

水利水电工程的生命周期一般可分为3个阶段：建设阶段、运行阶段、退役阶段。水库大坝设计使用年限一般较长(50~100年)，且目前国内外退役拆除的大坝较少。因此，本文在计算水利水电工程全生命周期碳排放量时以建设阶段和运行阶段为主。

1) 建设阶段碳排放项目清单分析。

依据我国现行水利水电工程造价有关规定^[14]，水利水电工程的主要投入一般由工程部分、建设征地移民、环境保护工程、水土保持工程4大项目组成。其中，工程部分投资所涉及的材耗、能耗、人员机械投入最大，基于投入与碳排放的直接关系，此部分碳排放量最集中，是重点分析对象。图 1为典型水利水电项目工程部分主要投入项，从图中可以看出，建筑安装工程费中，实际直接产生碳排放的项目只有直接费一项，而对其做进一步分解，都能分解到人工、材料、机械设备费用上。

基于上述筛选，可将人工、材料和机械使用依据碳排放的特点进行梳理，得到主要的碳排放项目：材料消耗、能源消耗、人员生活与办公、建造过程、其他项目5大类，具体细分清单如图 2所示。进一步解析可以发现，材料消耗和能源消耗一般归属于材料费范畴，人工费包含在人员生活、办公项目中，机械使用费包含在建造过程项目中，建设征地移民、环境保护工程、水土保持工程3个大项包含在其他项目中。

2) 运行阶段碳排放项目清单分析。

水利水电工程完工后，其运行成本主要包括燃料动力、材料费、修理费、管理费和薪酬等。采用与1.1.1节同样的方法，对运行阶段的碳排放项目清单进行梳理，如图 3所示。

3) 水利水电工程碳排放组分分析。

依据建设期和运行期项目清单，总体上依旧可以将水利水电工程碳排放项目归纳为材料消耗、能源消耗、人员生活与办公、建造过程、其他项目5类。材料消耗的碳排放主要来源于材料生产过程，如水泥主要在烧结过程中产生大量碳排放。能源消耗过程中会排放大量CO₂，如汽油燃烧便有CO₂不断产生。上述两项的碳排放足迹非常清晰，也容易准确分析。人员生活与办公的主要碳排放来源于用水、用电、燃气使用等环节，这些过程中的碳足迹不确定性较高，无法准确量化。工程建造包括机械设备维修改造、浇筑物的建造等一系列繁杂的工作，这期间的碳排放既无法清晰获取源头，也无法搜寻其足迹。因此，依据清单中各个项目的碳排放特点，可将这些项目分成两组：碳可溯源组(材料、能源)和碳不可溯源组(人员生活与办公、建造过程、其他项目)。

1.2 核算方法

水利水电工程投资规模大、生命周期长、碳排放来源复杂，在现有研究基础条件下，采用基于碳足迹理论的PA-LCA法进行碳排放评估工作量巨大，同时在很多环节都无法得到清晰的碳足迹，从而在实现难度上和准确性上都存在巨大的阻碍；而EIO-LCA法又过于粗略。因此，基于1.1节的两种碳排放项目组分，可综合PA-LCA法和EIO-LCA法开展水利水电工程生命周期碳排放研究。具体思路如下：

1) 采用PA-LCA法精细评估碳可溯源组的碳排放。当前国内外对材料和能源的碳排放研究较充分，可以获得较为权威的材料生产加工以及能源生产加工消耗的碳排放因子数据。

2) 将工程总投资减去主要材料和能源费用得到剩余投资后，采用EIO-LCA模型估算碳不可溯源组的碳排放。

采用PA-LCA和EIO-LCA相结合的方法，既重点考虑了具备精细评估条件的材料、能源碳排放，又通过投入产出分析方法测算了扣除材料、能源后的剩余投资的碳排放，在简化计算工作的同时保障了结果具有一定的准确度，可更好地适用于目前水利水电工程的碳排放量的评估。

2 犬木塘工程碳排放计算 2.1 工程概况

犬木塘工程是国务院确定的172项节水供水重大水利工程之一，是一座以灌溉为主，结合城乡供水，兼顾生态、航运、发电等综合效益的二等(Ⅱ)大型水利工程。工程建设主要内容包含枢纽工程与灌区工程两部分，如图 4所示。其中，枢纽工程主要建筑物包括拦河闸坝、电站厂房、船闸、渔道等，水库总库容1.4亿m³，电站装机34 MW，年发电量1.15亿kW·h，静态投资25.65亿元。灌区工程设计灌溉面积113.16万亩(1亩=666.667 m²)，能为90万城市人口供水提供保障，并能有效解决灌区范围内70.2万人饮水提质增效问题。

2.2 建设阶段碳排放量计算与分析

依据批复的初步设计概算，枢纽工程建设阶段的25.65亿元投资中，工程部分占13.64亿元，建设征地移民补偿占10.06亿元，环境保护工程占1.64亿元，水土保持工程占0.14亿元，电站送出工程占0.17亿元。

1) 碳可溯源组排放分析。

对水泥、钢材(包括钢筋、金属结构和机电设备的钢材等)、砂石骨料、粉煤灰等主材以及能源(汽油、柴油、电等)消耗的主要组分的碳排放进行过程分析。工程中混凝土外加剂、木材、水等材料由于用量较小或单位碳排放量低，计算中进行了近似处理，不作详细计算。本工程主要采用机械开挖，爆破开挖较少，因此不考虑爆破材料的消耗。

依据批复的初步设计报告，得到本工程主要材料和能源的消耗量。引入现有研究成果中有关的主要材料、能源的碳排放因子^{[5, 15-18]}，即可计算得到每项的碳排放量，计算结果如表 1所示。

从表 1得知，材料中主要的碳排放量是水泥，其次是钢材，主要原因是水利水电工程建筑物大多以混凝土结构或者钢筋混凝土结构为主，水泥和钢筋用量分别达16万t和2万多t。同时，水泥生产的煅烧环节、钢筋的炼造环节都是高碳排过程，材料单位碳排量分别是0.73和2.2 tCO₂e/t，因此在用量和单量都大的情况下，其碳排放量也巨大。能源消耗带来的碳排放量虽然不如材料的，但总体上也超过了5万tCO₂e，主要来自于用电和柴油。基于此，工程建设阶段主要材料、能源的碳排放量C₁₁为

${C_{11}} = 229\;777.3\ {\rm{tC}}{{\rm{O}}_2}{\rm{e}}.$

(1)

2) 碳不可溯源组排放分析。

上述各项材料、能源的费用如表 2所示，费用总计约39 897万元。除去上述成本费用后，还剩余投资216 603万元(2019年价格水平)，这部分投资的碳排放主要来自于人员生活、办公、金属结构制作与安装、机电设备制作与安装、材料设备场外运输、征地移民、环保措施、水保措施等。

查阅国家统计局数据，2019年中国的CPI₂₀₁₉指数为669.8(以1978年水平为100，下同)，2002年中国的CPI₂₀₀₂指数为433.5，2002年中国对美国的购买力平价指数PPP为2.68，采用EIO-LCA模型，选取非住宅制造业建筑物(nonresidential manufacturing structures)经济部门，该部门的碳排放因子为437 tCO₂e/百万美元，计算得到剩余投资的碳排放量E₂₀₀₂=228 588.86 tCO₂e (2002年价格水平)，如表 3所示。

查阅世界银行CO₂排放强度数据，2018年(由于没有2019年的数据，用2018年数据近似处理)中国的CO₂排放强度为I₂₀₁₈=0.474 kg/PPP美元GDP，美国2002年的CO₂排放强度为I₂₀₀₂=0.512 kg/PPP美元GDP，计算得到剩余216 603万元投资的2019价格水平年的碳排放量C₁₂为

${C_{12}} = {E_{2002}} \times \frac{{{I_{2018}}}}{{{I_{2002}}}} = 211\;623.3\ {\rm{tC}}{{\rm{O}}_2}{\rm{e}}{\rm{.}}$

(2)

综合得到犬木塘工程建设阶段的总碳排放量C₁为

${C_1} = {C_{11}} + {C_{12}} = 441\;400.6\ {\rm{tC}}{{\rm{O}}_2}{\rm{e}}.$

(3)

2.3 运行阶段碳排放量计算与分析

1) 碳可溯源组排放分析。

犬木塘工程投入运行后，消耗的材料和能源一般较少，年均运行成本约为421万元，根据经验测算，平均每年能源消耗及碳排放如表 4所示。

根据2.2节碳排放因子结论，犬木塘水电站运行阶段主要能源消耗的碳排放量C₂₁为

${C_{21}} = 154.7\ {\rm{tC}}{{\rm{O}}_2}{\rm{e}}.$

(4)

2) 碳不可溯源组排放分析。

剩余运行成本减去能源成本，采用EIO-LCA模型，选取非住宅保养和维修(nonresidential maintenance and repair) 经济部门，该部门的碳排放因子为624 tCO₂e/百万美元，采用2.1节的计算方法，则该部分成本的碳排放量C₂₂为

${C_{22}} = 581.98\ {\rm{tC}}{{\rm{O}}_2}{\rm{e}}.$

(5)

综合式(4)和(5)，按设计使用期限50年计算，该水利工程在50年设计使用期限内排放的CO₂总量C₂为

${C_2} = 50 \times \left( {{C_{21}} + {C_{22}}} \right) = 36\ 834\ {\rm{tC}}{{\rm{O}}_2}{\rm{e}}.$

(6)

综合式(3)和(6)，犬木塘工程全生命周期内的碳排放量C为

$C = {C_1} + {C_2} = 478\;234.6\ {\rm{tC}}{{\rm{O}}_2}{\rm{e}}.$

(7)

3 结果分析

以单位投资碳排放(tCO₂e/万元投资)为评价指标，收集整理其他类似水利水电工程的单位投资碳排放值^{[5, 10-13, 16]}，结果如表 5所示。

从表 5可以看出，国内同类项目的单位投资碳排放为1.009~6.638 tCO₂e/万元投资，犬木塘工程的单位投资碳排放为1.864 tCO₂e/万元投资，在合理区间范围内。

现有研究在对水利水电工程全生命周期进行碳排放分析时，大多采用清单分析的方式，尽可能地列举完整主要材料、能源以及其他碳排放来源。但是从2.2节及表 2数据可以看出，水泥、砂石骨料、钢材等主材以及汽油、柴油、电等能源占整个工程的投资并不大(本案例只占投资的15.4%)。在材料加工、生产、安装等过程(如将水泥、砂石骨料、水加工成混凝土，将钢材加工成水轮机)，以及前期工作、征地移民工作中，仍存在大量的碳排放，但现有的研究往往忽略了这部分投资的碳排放。因此，目前采用的计算方法较实际碳排放很大可能是偏小的。

分析碳排放项目分组情况可发现，能耗和材料这样的溯源组全生命周期碳排放量约为23.00万tCO₂e，但如果使用传统的EIO-LCA法作为唯一计算方法，核算出的材料和能源这两大项目的碳排放为4.21万tCO₂e。因此，能源和材料的碳排放量在EIO-LCA法算法中比实际偏少，将其分为可溯源组和不可溯源组进行计算后，可得到更为准确的结果。此外，通过比较建设阶段和运行阶段的碳排放总量可以知道，水利水电工程建设阶段的碳排放量占整个生命周期碳排放量的92.3%，水利水电工程投入运行后的碳排放量较少，因此主要的控碳措施应该考虑在建设阶段进行。

4 水利水电工程温室气体排放讨论 4.1 犬木塘工程温室气体排放系数

犬木塘工程是以灌溉为主的水利枢纽，发电是次要功能，该工程年发电量1.15亿kW·h，50年的设计使用年限预计发电57.5亿kW·h，电站装机容量和年发电量较同等投资规模的水电站偏小，发电效益是其次要功能。根据初步设计报告，犬木塘工程的发电功能分摊投资为3.946亿元，占枢纽工程总投资25.65亿元的15.4%。据此，得到犬木塘工程温室气体排放系数为12.80 gCO₂e/(kW·h)，即每发电1 kW·h，直接或间接产生温室气体12.80 gCO₂e。

通过统计分析20多座水电站的温室气体排放系数^[12]，可以发现，国内外水电站温室气体排放系数为3.7~28.4 kgCO₂e/(MW·h)，水电站温室气体排放系数整体上呈现出稳定分布特点(图 5)。犬木塘工程的温室气体排放系数如图 5中红星所示，处于统计分布的高频区间，可见虽然发电是犬木塘工程的次要功能，但是其碳排放的控制仍符合目前水电站碳排放的中位数区间。但从图中同样可看出，犬木塘水电工程处于峰值右侧，主要原因为水电站装机越小，单位发电量的碳排放越大。犬木塘水电站装机小，单位碳排放量一般会偏大一些，因此，此工程仍有碳排放优化的必要。

同时研究表明，我国火力发电的温室气体排放系数为1 083.7~1 341.9 kgCO₂e/(MW·h)^[17]，通过对比发现，水力发电全生命周期的碳排放系数要远低于火力发电，犬木塘水力发电的碳排放系数更是远远小于火电的取值区间。由此可见，水电仍是作为“双碳”战略中的绿色能源主力军。

4.2 犬木塘工程减碳措施讨论

水力发电虽然单位碳排放量较火力发电低，但不能就此认为水电站建设、运行可以不关注碳排放。事实上，目前一些水电开发时对节能减排的重视程度不够，理念不够先进。通过计算也发现，犬木塘项目的碳排放总量相当可观；同时，对比国内外优秀案例，其单位碳排放量仍偏大。因此，根据本研究中项目碳排放的特点以及工程实际，针对犬木塘工程的减碳措施进行分析讨论如下：

1) 在保证工程质量和安全的前提下，加快绿色建材的研发和替换。计算中发现，材料(水泥和钢材为主)所产生的碳排放量占总排放量的近40%，占比大；而目前水利工程采用的传统的钢筋、水泥、砂石单位碳排放量又很大，如水泥的单位碳排放是粉煤灰的200多倍，因此目前的材料体系对于工程的“双碳”战略而言，既是挑战，又是机遇。因此，应加快绿色建材研发工作，寻求替换这些传统建材的方法。深入分析发现，材料的主要碳排放量不是在工程现场，而主要是在材料生产环节，因此，一方面需要利用建筑垃圾再生技术降低基建投资的碳排放，另一方面也需要对传统水泥等建筑材料的生产过程进行技术革新和优化，从而在原材料生产中产生减排效应。

2) 在保证工程质量和安全的前提下，应更加注重设计优化。目前水利水电工程设计从大坝选型到材料参数、安全系数选取等过程整体偏于保守，从工程本身安全情况来看，这样的意识并无不当之处。但随着经济社会发展和矛盾的变化，这样的设计理念显然不符合时代发展的要求。因此，设计单位和人员应增强节能减排意识，在开展工程设计时，一方面加大坝型比选等力度，另一方面尽可能对设计进行优化，做到既确保安全，又能“省”和“巧”。由此可实现用材的极大减少，每节约10%的材料用量，大约能减少4%的总体碳排放量，效果显著。

3) 加快工程智慧化应用，优化管控过程。从核算中发现，除去材料，能耗和其他过程的碳排放量仍占了总量的60%。因此过程管控是节能减排的重要抓手。水利水电工程智慧化管控可实现过程的实时分析和判断，对高碳排放过程进行减排管理，对不必要的环节进行削减，对能源消耗进行减量优化，调整能源消耗结构，加大绿色电能的使用，尽量减少化石能源消耗，将这一系列工作植入到智慧化管控系统中，实现碳排放的过程可感知、可控制，进一步降低项目碳排放量。

4) 强化节能规划、设计理念。2011年，我国制定了《水利水电工程节能设计规范》(GB/T50649)，在设计该规范时，增加了节能设计章节。从该规范执行10年的情况来看，节能设计起到了一定作用，但该章节过于宽松，约束力不够，应强化该章节的硬约束力，从而从建设项目一开始就将节能减排深入到项目之中。

5 结论

本文通过对犬木塘工程的全过程要素进行详细地分析和分类，提出了分组进行碳排放计算的方法，并对犬木塘工程的碳排放过程进行了核算，以此分析了工程的碳排放特点和减碳减排的措施。主要结论如下：

1) 对水利水电工程这种量级的研究对象而言，采用PA-LCA法对具备精细评估条件的材料、能源等进行碳排放计算，采用EIO-LCA方法对扣除材料、能源后的剩余投资进行碳排放计算，是既能简化计算工作，又能有效保障结果准确度的方法。与国内外同类型研究成果对比分析可知，采用本文计算方法可信度较高。

2) 犬木塘工程碳排放量计算结果显示，单位投资碳排放量为1.864 tCO₂e/万元投资，在同类项目的合理区间内，发电部分的温室气体排放系数为12.80 gCO₂e/(kW·h)，处于水电站整体的中位数区间，远优于火力发电，因此犬木塘总体碳排放风险可控。但与同类工程的低碳要求相比仍有优化空间，可进一步进行控碳工作，打造低碳优质工程。

3) 通过对犬木塘碳排放量的分析发现，其材料的碳排放量占总量的40%左右，其他碳排放环节包括能源消耗、人员生活办公、建造过程、其他项目等。因此可通过绿色建材、设计优化、智慧化管控以及节能规划和设计理念改进等多方面进行节能减排工作，从而为水利水电工程“双碳”战略提供策略和方法。