我国政府承诺到2020年非化石能源将占一次能源消费的15%左右，单位国内生产总值CO₂排放比2005年下降40%~45%.水电作为目前最成熟的可再生能源发电技术，需承担一次能源消费的8%以上.但随着水电站在建工程数量及规模的不断扩大，其CO₂排放亦在持续增加.2005—2009年中国各电力链的碳足迹估算结果表明，水电碳足迹从18.37×10⁶ hm²增加到29.74×10⁶ hm²(王君章等，2012)，增长了62%.因此，作为大力发展的“绿色能源”，水电温室气体排放的定量研究及其节能降耗工作急需提到重要议程.

碳足迹是某一产品或服务系统在其全生命周期内的碳排放总量，或活动主体(包括个人、组织、部门等)在某一活动过程中直接和间接的碳排放总量，以CO₂等价物来表示(王微等，2010).目前，碳足迹的研究方法主要有两类(Wiedmann et al., 2008)：一是“自下而上”模型，以过程分析法(PA-LCA)为基础；二是“自上而下”模型，以投入产出分析(EIO-LCA)为基础.两者均基于生命周期评价(LCA)原理.PA-LCA以系统边界内的过程分析为基本出发点，通过生命周期清单分析得到所研究对象的输入和输出数据清单，进而计算研究对象全生命周期的碳排放，即碳足迹，但由于不可避免地省略边界外的部分过程而导致存在“截断误差”(Suh et al., 2003).EIO-LCA是研究经济系统各部门间“投入”与“产出”关系的数学模型，无截断误差，但只能得到部门平均水平的数据，无法获悉具体某产品的温室气体排放.因此，结合两种方法各自优势的混合生命周期评价方法(Hybrid LCA)开始得到重视(Finnveden et al., 2009).在水电碳足迹的定量研究方面，国内外学者对小水电工程的碳足迹研究多采用PA-LCA方法(Pascale et al., 2011; Ribeiro et al., 2010; Suwanit et al., 2011).Zhang等(2007)采用EIO-LCA方法对中国两座不同规模的水电枢纽工程进行碳足迹分析，结果表明，大规模的水电工程比小规模的水电工程的碳排放因子低.不同施工技术所产生的碳足迹也不同，Liu等(2013)采用混合生命周期评价方法研究了堆石混凝土坝(RFC)和普通混凝土坝的温室气体排放水平，发现RFC可减少64%的碳排放.但其研究范围仅限于坝体本身及混凝土材料，为了全面深入研究水电的温室气体排放，有必要将研究范围扩展到整个水电枢纽工程及最常见的堆石坝材料.心墙堆石坝和混凝土坝是最常见的两种坝型，其枢纽布置不同，所采用的材料差异较大，施工工艺也大不相同，因此，两种坝型的温室气体排放强度不得而知.目前，坝型比选时也未考虑坝型的选择对温室气体排放的影响，可能会造成环境评价的不合理.

基于碳足迹理论和大型水电枢纽工程的特征，本文提出采用混合生命周期评价方法分析其温室气体排放，并给出适合水电工程的各阶段碳足迹计算方法.同时，以糯扎渡水电工程的混凝土重力坝枢纽布置方案和心墙堆石坝枢纽布置方案为例，定量研究并对比同等规模、不同坝型水电工程对温室气体排放的影响，以期为水电工程的环境影响评价及坝型的选择提供更全面的参考.

系统边界包括大型水电枢纽工程生命周期内的全部直接和间接的生产、运输、施工、运行和维护等环节.上游上溯到原材料的开采、生产，下游下沿至水电工程的运行和维护，具体如图 1所示.退役阶段的大型水电枢纽工程极少，且相关数据匮乏，因此，大型水电枢纽工程的碳足迹评价可暂不考虑退役阶段(Zhang et al., 2007).系统中不考虑由于修建生活住宅而产生的材料和能源消耗及其温室气体排放，因为该部分能耗相对大型水电枢纽工程而言非常小，可以忽略(Ribeiro et al., 2010).另外，在LCA分析中，一般忽略施工机械的生产过程，因为该过程的影响分摊到每个功能单位上往往非常微小(如一台起重机可用于多个水电站的建设)；但应计算设备运行的资源能源投入，例如，在某一特定工程项目中起重机的柴油消耗等.其他排除在系统边界外的因素是生活物资的生产、人员的运输及劳力等.

图 1(Fig. 1)

图 1 大型水电枢纽工程生命周期系统边界 Fig. 1 System boundary of the large hydropower life cycle

大型水电枢纽工程生命周期长，涉及到的材料和过程非常多，施工工艺复杂，实景数据难以获得，采用PA-LCA必将投入大量人力、物力资源，完全采用EIO-LCA方法又过于笼统化.因此，本文拟采用结合两种方法优势的混合LCA法(Finnveden et al., 2009)来研究大型水电枢纽工程的碳足迹.基于过程分析法(PA-LCA)的碳足迹计算公式一般形式为：

投入产出分析方法则是根据EIO-LCA模型，由某经济部门的成本投入得到该部门相应的温室气体排放量即产出.对于碳排放因子数据缺乏的材料，或者上游边界较远的单元过程，另外，如金属结构、机电设备、爆破材料等这类不易再划分出更具体产品的情况，可采用投入产出分析方法.EIO-LCA方法得到的计算结果一般为单位货币的CO₂当量，类似于碳排放因子EF，因此，可结合PA-LCA与EIO-LCA分析大型水电枢纽工程的碳足迹.针对大型水电枢纽工程各阶段的能耗特征，提出相应各阶段的碳足迹计算方法.

等于各种材料和设备在生产制造阶段的碳足迹之和.碳足迹为材料或设备的数量(或成本)与其碳排放因子的乘积，公式如下：

主要来自运输车辆耗油所排放的温室气体，一般只计算由场外商家运输到工地的能耗(Liu et al., 2013).但水电枢纽工程施工阶段的工程量非常大，场内的运输能耗不可忽略.为方便计算，将施工期的场内运输能耗列入运输阶段.

对于场外运输，首先由货物运输量、运输距离、运输方式得到运输时间.再根据《水利水电施工机械台班费定额》得到运输车辆的台班耗油量，总耗油量乘以油的碳排放因子即场外运输碳足迹.场外运输假设某一种材料或设备一次运完，不需返程，具体公式如式(3)所示.对于场内运输，假设返程时均为空车，具体公式如式(4)所示.对于油料用量未知时，如铁路运输，可由杨建新等(2002)建立的公用过程环境排放清单计算CO₂排放情况.

来源主要是施工机械工作耗油或耗电所引起的温室气体排放.施工阶段使用的机械设备数量众多，型号千差万别，都增加了计算碳排放量的难度(李兵，2012).

施工阶段的能耗主要取决于施工机械的工作时间和单位时间耗能情况.单位时间耗能可通过参考《水利水电施工机械台班费定额》中的台班耗能指标，施工机械的工作时间需要根据施工工程量和生产率得到.耗能包括耗油和耗电，耗油量乘以油的碳排放因子，再加上耗电量乘以电的碳排放因子即可得到总的施工碳足迹.计算公式如下：

采用投入产出分析方法，这是因为水电枢纽工程运行阶段的能耗来源比较复杂，没有一个清晰的系统边界，且收集数10年的历史数据费时、昂贵，因此，采用PA-LCA是不可行的.工程设计时一般都会对工程进行投资预算，因此，可由经济成本通过EIO-LCA得到环境排放.

电站发电成本一般包括折旧费、修理费、职工工资及福利费、劳保统筹、材料费、库区维护费、水资源费、移民后期扶持基金、其它费用和利息支出等.在运行阶段计算温室气体排放时，仅需考虑与其相关的修理、材料和库区维护.另外，由于水库泥沙和植物等造成的温室气体排放也是运行阶段碳足迹重要的来源(Pacca，2007)，考虑到该部分研究较少，可采用项目类比方法进行估算.公式如下：

由各阶段的碳足迹叠加得到，即：

本文所采用的碳排放因子数据主要来源于CLCD数据库、ELCD数据库、中国原子能科学研究院、中国工程院、中国区域电网基准线排放因子、国内外公开文献数据及EIO-LCA模型，详见表 1.

表1(Table 1)

表1 主要材料、设备及能源的碳排放因子数据 Table 1 Emission factors of the materials，equipment and energy

表1 主要材料、设备及能源的碳排放因子数据 Table 1 Emission factors of the materials，equipment and energy 材料、设备及能源 碳排放因子取值 单位 来源 注：表中柴油、汽油的碳排放因子是指生产柴油和汽油的碳排放因子；柴油、汽油燃烧产生动力的碳排放因子分别为3.06 t · t-1和3.15 t · t-1(BP China，2010)；碳排放因子均以CO2当量计. 堆石料 0.002 t·t-1 ELCD数据库，2009 反滤料 0.013 t·t-1 ELCD数据库，2009 防渗土料 1490 t/106美元 EIO-LCA模型，2002 混凝土 0.094 t·t-1 李小冬等，2011 钢材 2.2 t·t-1 中国原子能科学研究院 柴油 0.139 t·t-1 CLCD数据库，2012 汽油 0.229 t·t-1 CLCD数据库，2012 煤炭 2.4933 t·t-1 中国工程院 木材 522 t/106美元 EIO-LCA模型，2002 爆破材料 926 t/106美元 EIO-LCA模型，2002 金属结构 640 t/106美元 EIO-LCA模型，2002 机电设备 398 t/106美元 EIO-LCA模型，2002 电 0.788 kg·kW-1·h-1 2009中国区域电网基准线排放因子(南方区域电网)

糯扎渡水电站在预可研阶段最终归纳成两种坝型，即重力坝和粘土心墙堆石坝的代表性枢纽布置方案，在两种方案环境影响评价和综合比较时，未考虑其对温室气体排放的影响.混凝土重力坝枢纽布置方案由拦河大坝、水垫塘及二道坝、下游护岸、左岸引水系统及地下厂房、导流工程组成.粘土心墙堆石坝枢纽布置方案由心墙堆石坝、开敞式溢洪道、右岸泄洪隧洞、左岸泄洪隧洞、下游护岸、左岸引水系统及地下厂房、导流工程组成.常态混凝土重力坝最大坝高265 m，心墙堆石坝坝高261.5 m.电站总装机容量为5850 MW，年均发电量239.12亿kW · h.糯扎渡水电站工程筹建期3年，建设期12年(初期运行4年)，正常生产期30年，计算期共45年.

采用混合LCA法对两方案进行碳足迹分析，得到重力坝和堆石坝在材料设备生产阶段的材料、设备、能源消耗量及温室气体排放，具体如表 2所示.重力坝方案和堆石坝方案在该阶段的温室气体排放量分别为520.05×10⁴和254.53×10⁴ t(以CO₂当量计)，重力坝比堆石坝多排放104.32%.主要是由于重力坝方案采用大量混凝土，混凝土的重要组成成分水泥是高排放产业，其在生产过程中所产生的CO₂排放量占全国CO₂排放总量的18%~22%(崔素萍等，2008).其次，钢材生产所排放的CO₂分别占重力坝方案和堆石坝方案的20.32%和29.84%，这是因为钢铁行业也是高能耗、高排放的行业，中国每年钢铁工业排放的CO₂达5亿t以上，CO₂排放量占全国CO₂总排放量的9.2%(张玥等，2013).其他材料包括堆石料、反滤料、防渗土料、柴油、煤炭、木材、爆破材料、金属结构、机电设备等由于用量少或碳排放因子低，其生产阶段的CO₂排放量较少.

表2(Table 2)

表2 材料设备生产阶段的温室气体排放量 Table 2 Greenhouse gas emissions in the production stage

表2 材料设备生产阶段的温室气体排放量 Table 2 Greenhouse gas emissions in the production stage 材料设备 用量或费用 温室气体排放量/104t 重力坝 堆石坝 重力坝 堆石坝 注：堆石料、反滤料、混凝土、钢材、柴油、煤炭的用量单位为104t；防渗土料、木材、爆破材料、金属结构、机电设备的费用单位为106美元；温室气体排放量以CO2当量计. 堆石料   5648.64   11.30 反滤料   396.68   5.16 防渗土料   57.61   2.93 混凝土 3532.83 861.64 332.09 80.99 钢材 48.04 34.52 105.69 75.94 柴油 63.58 26.06 8.84 3.62 煤炭 5.28 4.62 13.16 11.52 木材 63.83 18.38 3.33 0.96 爆破材料 54.89 71.88 5.08 6.66 金属结构 95.37 124.20 6.10 7.95 机电设备 1149.77 1193.57 45.76 47.50 总计     520.05 254.53

由于堆石坝方案采用大量当地材料，故其场外运输所造成的温室气体排放较少，但场内运输产生的温室气体排放较多.两方案运输阶段的温室气体排放如表 3所示.运输阶段，两方案温室气体排放量分别为16.04×10⁴和14.90×10⁴ t(以CO₂当量计)，重力坝比堆石坝多排放7.67%.

表3(Table 3)

表3 运输阶段的温室气体排放量 Table 3 Greenhouse gas emissions in the transportation stage

表3 运输阶段的温室气体排放量 Table 3 Greenhouse gas emissions in the transportation stage 材料 温室气体排放量/t 重力坝 堆石坝 场内运输 场外运输 场内运输 场外运输 水泥 1551.30 35416.19 571.13 13038.80 木材 66.46 624.44 19.14 179.86 钢材 225.95 8947.55 162.36 6429.42 天然掺合料 225.76 51.74 粉煤灰 225.76 8479.55 51.74 1943.23 金属结构及机电设备 61.28 4062.62 59.26 3941.27 爆破材料 15.19 649.36 19.90 850.40 煤炭 24.83 1007.25 21.73 881.34 油料 299.04 11886.76 122.57 4872.11 施工机械 5979.82 3442.84 土石方明挖出渣 42292.37 51489.15 石方洞挖出渣 6029.67 6665.89 土石方填筑 1669.68 39246.61 混凝土浇筑 17040.18 4941.76 砂石骨料加工母岩 13639.67 9994.58 总计 83367.15 77053.52 113417.56 35579.28

施工阶段考虑挡水建筑物、泄水建筑物、引水发电系统及导流工程的施工过程能耗和温室气体排放，考虑主要单项工程，如土石方明挖、石方洞挖、石方槽挖、石方井挖、堆石坝填筑、混凝土浇筑、钢筋、锚杆、喷混凝土、帷幕灌浆、固结灌浆、回填灌浆、接缝灌浆、排水孔、护坡等.经分析，在施工阶段重力坝方案和堆石坝方案分别排放38.62×10⁴和49.41×10⁴ t(以CO₂当量计)，重力坝比堆石坝少排放21.85%.主要是因为堆石坝的工程量比重力坝大得多，其施工过程耗费更多的柴油，混凝土重力坝施工主要耗较多电能，而柴油燃烧产生动力的碳排放因子为3.06 kg · kg^-1(以CO₂当量计)，电的碳排放因子仅为0.788 kg · kW^-1 · h^-1(以CO₂当量计).两个方案各单项工程的温室气体排放比例如图 2所示.堆石坝施工过程中，主要是土石方明挖和堆石坝填筑过程所产生的温室气体较多，分别占施工阶段总排放的35.77%和17.35%.重力坝在施工过程中，混凝土填筑和土石方明挖过程产生的温室气体比例最大，分别占施工阶段总排放的27.98%和25.90%.

图 2(Fig. 2)

图 2 堆石坝(a)和重力坝(b)方案各单项工程在施工阶段的温室气体排放比例 Fig. 2 Greenhouse gas emissions proportion of unit construction for rockfill dam(a) and gravity dam(b)in the construction stage

水电工程在运行维护阶段的温室气体排放分为两部分，一是因运行维护产生的材料和能源消耗而引起的温室气体排放；二是水库温室气体排放.堆石坝方案的修理费、材料费及库区维护费共12133.48×10⁶元(按2003年6月底价格水平)，根据2003年中国购买力平价转换因子PPP为3.29，将人民币转换为美元，再由2003年美国居民消费价格指数(CPI)1.84和2002年美国居民消费价格指数(CPI)1.799计算得到2002年费用为3605.8×10⁶美元.根据2002年美国EIO-LCA模型，选择Construction部门的Nonresidential Maintenance and Repair子部门，计算得到从第12~45年运行发电阶段堆石坝工程的CO₂排放量为225.00×10⁴ t，平均每年排放6.62×10⁴ t.重力坝方案的修理费、材料费及库区维护费共14793.36×10⁶元(按1998年价格水平)，根据1998年中国购买力平价转换因子PPP为3.41，将人民币转换为美元，再由1998年美国居民消费价格指数(CPI)1.63和2002年美国居民消费价格指数(CPI)1.799计算得到2002年费用为4788.0×10⁶美元.根据2002年美国EIO-LCA模型，选择Construction部门的Nonresidential Maintenance and Repair子部门，计算得到从第12~45年运行发电阶段重力坝工程的CO₂排放为298.77×10⁴ t，平均每年排放8.79×10⁴ t.

第二部分是水库库区温室气体排放，与水库面积及泥沙(Pacca，2007)、植物的特性有关.由于糯扎渡库区的气候与加拿大相似，略偏高(Zhang et al., 2007)，故采用加拿大的研究成果即250 t · km^-2(以CO₂当量计).糯扎渡库区面积为320 km²，则两方案平均每年的水库温室气体排放均为8×10⁴ t(以CO₂当量计).另外，运行阶段厂区消耗的电均为自生产的电量，向广东、云南和泰国提供的有效电量为239.12亿kW · h，因此，不考虑运行阶段厂区耗电所造成的温室气体排放.

重力坝和堆石坝方案在运行阶段温室气体分别排放570.77×10⁴和497.00×10⁴ t(以CO₂当量计)，重力坝比堆石坝多排放14.84%.运行阶段排放的温室气体较多是因为运行期长达34年，重力坝和堆石坝的平均每年排放量分别仅为16.79×10⁴和14.62×10⁴ t(以CO₂当量计).

重力坝方案和堆石坝方案在生命周期内总的温室气体排放量分别为1145.49×10⁴和815.85×10⁴ t(以CO₂当量计)，重力坝比堆石坝多排放40.4%.在计算期45年内，重力坝和堆石坝平均每年排放25.46×10⁴和18.13×10⁴ t(以CO₂当量计).由图 3可知，两种坝型在运行阶段的温室气体排放比例最大，重力坝运行期的温室气体排放占全生命周期的50%，堆石坝运行期的温室气体排放占全生命周期的61%.其次材料生产阶段所排放的温室气体较多，重力坝材料生产所排放的温室气体占全生命周期的45%，堆石坝材料生产所排放的温室气体占全生命周期的31%.而施工阶段和运输阶段的温室气体排放比例较小.虽然34年运行期的碳足迹最大，但平均每年的温室气体排放与运输阶段相近.因此，应从各阶段开展水电工程的节能降耗工作，减少水泥、钢材等高排放产品的用量，优化施工过程，降低施工能耗，同时加强运行管理，注重日常养护并及时清理库区，使得水电工程生命周期的温室气体排放降到最低水平.

图 3(Fig. 3)

图 3 重力坝(a)和堆石坝(b)各阶段的温室气体排放比例 Fig. 3 Greenhouse gas emissions proportion for gravity dam(a) and rockfill dam(b)in the life cycle stage

在45年计算期内，糯扎渡水电站运行发电34年，年发电量为239.1×10⁸ kW · h.重力坝方案和堆石坝方案平均每kW · h的碳排放因子分别为14.09和10.04 g · kW^-1 · h^-1(以CO₂当量计).在计算期外若再运行，温室气体排放仅考虑运行阶段，则重力坝和堆石坝的水电碳排放因子分别仅为7.02和6.11 g · kW^-1 · h^-1. 糯扎渡水电工程的碳排放因子介于其他水电站碳排放因子的研究范围内(2~48 g · kW^-1 · h^-1，以CO₂当量计)(USNEI，2005).而火电站的碳足迹一般为890 g · kW^-1 · h^-1(以CO₂当量计)(Pacca，2007).郭敏晓等(2012)计算得到的风电场碳排放因子为9.47 g · kW^-1 · h^-1(以CO₂当量计).因此，可再生能源发电技术的温室气体排放强度比火电大大减小，同时对温室效应的影响也小很多.

1)基于混合生命周期评价方法定量研究同规模、不同坝型的水电工程温室气体排放，研究表明，心墙堆石坝方案比混凝土重力坝方案产生的温室气体较少，同时不论哪种水电枢纽布置都较火电具有较大的环境效益.重力坝方案和堆石坝方案在生命周期内总的温室气体排放量分别为1145.49×10⁴和815.85×10⁴t(以CO₂当量计)，重力坝比堆石坝多排放40.4%.在材料设备生产阶段、运输阶段和运行阶段，重力坝方案较堆石坝方案排放较多的温室气体，分别多排放104.32%、7.67%和14.84%；但在施工阶段，重力坝方案比堆石坝方案少排放21.85%的温室气体.

2)由于运行期较长，水电工程在运行阶段的温室气体排放量最多，平均每年的排放量与运输阶段排放量相近，主要是由于建筑物、设备及库区的维护和排放造成；其次排放较多温室气体的阶段是材料生产阶段;施工阶段和运输阶段的温室气体排放量比例较小.建议减少水泥、钢材等高排放产品的用量，改进其生产技术，同时改善施工工艺，降低施工能耗，并在运行期间加强建筑物和库区管理.

3)不论重力坝还是堆石坝，其碳排放因子均明显低于火电碳排放因子.因此，大力开展水电建设，并将节能降耗工作贯穿于工程的整个生命周期，是实现我国“十二五”规划碳减排目标的有效途径.