双碳目标下，雨水系统如何“轻装上阵”？

城镇降雨从形成径流、渗透汇集、调蓄控制到处理排放的全过程中，经历了多层级联的碳排放环节。当降雨进入下垫面形成径流，依次进入绿色屋顶、透水铺装、下沉式绿地、雨水花园、雨水塘、雨水湿地、调蓄池等雨水控制设施时，初期径流中的污染物在设施中介质和微生物的作用下，会在运行期产生一定的CH ₄ 、N ₂ O和CO ₂ 直接排放，也可能利用植物和土壤的固碳能力吸收CO ₂ ，产生一定的碳汇；雨水控制设施运行过程消耗的能耗和药耗则会产生间接碳排放。类似的，在管渠、泵站等雨水管渠设施输送过程中消耗的化石燃料和电能，也会产生间接碳排放，植草沟、渗渠中的植物与土壤，同样可能带来一定的碳汇。

综合城镇雨水排水系统建设、运行和拆除的全过程分析，剖析城镇雨水排水系统运行期与全生命周期的碳排放环节（图1）可知，建设期和拆除期中城镇雨水系统的碳排放主要来自材料生产、运输过程与施工过程中消耗的原料、燃料、电能等产生的间接碳排放，而运行期中的碳排放则包含了设施运行直接产生排放的温室气体（除生源性CO ₂ 外）和消耗燃料、电能产生的间接碳排放。

通常情况下，雨水排水系统碳核算的物理边界包括了从雨水降落产生径流开始，到被排放或被利用为止所有的碳排放活动以及与之关联的物质流等活动，而时间边界则包含了建设、运维到拆除重建的所有阶段。

碳核算的常用方法有排放因子法、质量平衡法和实测法。排放因子法以其基础数据较多、核算过程方便、结果总体可靠，得到了广泛的应用。表1中给出了相关文献中获得的与雨水排水系统碳核算有关的部分排放活动的核算公式及排放因子。

图1 雨水排水系统碳排放环节

表1 碳排放因子及数据来源统计

目前关于城镇雨水排水系统碳排放特征的研究，在空间上囊括了设施、社区到城市的不同尺度，时间上覆盖了从工程设计建设、长效运维到工程拆除的整个过程，涉及的设施则涵盖了从绿色屋顶、透水铺装、下沉式绿地、雨水花园、雨水塘、雨水湿地、调蓄池等雨水控制设施，到植草沟、渗渠、管渠、泵站等雨水管渠设施的多种类型。

围绕设施尺度的碳排放，陈碧宜等的研究表明，雨水花园、绿色屋顶、透水路面三种典型雨水设施在10年的生命周期内碳排放差异显著，其中：透水路面的碳排放量为61.6kgC O ₂ -eq/m2，是雨水花园（27.6 kgCO ₂ -eq/m2）的2.23倍，更达到绿色屋顶（3.2 kgCO ₂ -eq/m2）的19.25倍。需要说明的是，该研究中并未考虑植物碳汇的影响。韦玮以南宁为例，与传统的雨水排水系统相比，按3 mm初期径流截流目标设计的透水铺装、绿色屋顶和下沉式绿地等雨水控制设施，在30年运维期内可分别实现碳排放量削减12.04%、15.58%和72.25%。马洁等对建设阶段雨水控制设施的碳排放研究则发现，按单位面积碳排放强度从大到小依次为：雨水花园（227.21 kgC O ₂ -eq/m2）＞透水铺装（150.15 kgC O ₂ -eq/m2）＞蓄水池（高3m）（83.54 kgC O ₂ -eq/m2）＞屋顶绿化（78.13 kgC O ₂ -eq/m2）。不同研究中同类雨水设施碳排放量差异较大的原因可归结于雨水设施结构、材料、碳排放因子和时间边界的差异。

郝晓地等的研究发现，以导流渠、沉淀池、蓄水池、调蓄池等为代表的灰色基础设施碳排放强度明显高于植草沟、湿塘、雨水花园、生物滞留区等为代表的绿色基础设施。以应用较为普遍的钢筋混凝土调蓄池为例，建设期碳排放强度就达513.32 kgC O ₂ -eq/m3，是同为绿色调蓄设施湿塘（碳排放强度8.696 kgCO2-eq/m3）的59.03倍。进一步追溯碳排放主要环节，可以发现材料生产是建设期碳排放的最大来源，其次为材料运输。除绿色屋顶外，其余雨水设施材料和运输碳排放之和均占建设期碳排放95%以国外的相关研究则显示，雨水罐运行阶段的碳排放强度高达314.17~335 kgC O ₂ -eq/m3，远高于渗透洼地0.05~0.1 kgC O ₂ -eq/m3的水平。与雨水罐相比，采用雨水花园、生物滞留区、绿色屋顶、下沉绿地和雨水调蓄池等雨水设施，运行期单位容积的碳排放可分别减少100%、70%、68%、45%和8%。需要指出，由于容积式的调蓄设施（如雨水罐、蓄水池等）的核心功能是储存和调节水量，其体积决定了设施所需建设材料的数量和能耗水平，因此与单位面积碳排放强度指标相比，单位体积的碳排放强度能更准确地反映调蓄设施的碳排放水平。

在社区尺度上，朱雨等人对迁安市安顺家园（总面积8 598m2）的研究发现，以生物滞留设施、透水铺装、渗水沟、植草沟等为代表的雨水海绵设施，30年建设运行期间接碳排放量（包括材料生产、运输、设备电耗）为835.91t，直接碳排放量（主要来源于运行阶段净化初雨中污染物及污泥处理）为49.28t。考虑海绵设施中绿地固碳、雨水利用等产生的碳汇后，可实现碳汇2406.9t。郑涛等人对上海浦东新区潍坊街道社区（面积91938 m2）雨水海绵设施的研究表明，按径流总量控制率≥75%的要求进行海绵化改造，30年运行期间接碳排放量为714.5t，直接碳排放量分别为152.88t，碳汇总量为2 070t，净碳排放量为-1202.6t。林晓虎等在上海某住宅社区（面积10670 m2），也证实社区海绵设施30年生命周期，可产生累积碳汇1211.42t。这些研究都表明，海绵设施的建设和使用，可在社区尺度的雨水排水系统实现碳中和或负碳。由于海绵设施运行过程碳排放监测资料十分有限，目前进行雨水系统碳汇核算时，多假定其处于理想条件下，发挥持续稳定的污染减排与植物固碳作用。但在真实的雨水海绵设施中，其污染减排效果和碳汇能力还可能随时间推移出现不同程度的波动，可能导致部分碳汇的高估，还需结合植物固碳效率的长期监测，掌握准确的规律，指导海绵设施的碳排放核算。

在城市尺度上的研究结果与社区尺度总体较为一致。李晨璐对吉林省松原市3.9km2排水区域的研究证实，传统雨水排水系统50年全生命周期下单位服务面积碳排放量为3.81 kgC O ₂ /m2，其中建设阶段碳排放占69%，运行阶段碳排放占31%。采取海绵化改造后，单位服务面积碳排放量降低为1.84 kgC O ₂ /m2，实现雨水系统碳减排51.7%。张希对北京面积为100km2的城市规划区的研究发现，建设海绵化的雨水设施可在在30年的全生命周期实现碳中和。

4.1 雨水排水系统的海绵化程度

海绵城市的建设和使用可在不同程度上减少雨水径流量，降低雨水泵站输送、排放的能耗，还能有效拦截初期径流，减少初雨径流排放水体产生的碳排放。此外，绿色屋顶、雨水花园、下沉式绿地等某些包含绿植的雨水控制设施，还能通过植物的光合作用吸收CO2，产生一定的碳汇。李俊奇等对北京的研究表明，假设研究区（面积100km2）的年径流总量控制率为80%，选用的雨水基础设施种类及相互之间比例不变，海绵城市建设中达标区面积占比每提高1%，整个研究片区建设和运行阶段的平均碳排放量可减少约0.19万tCO2。苏昕等对厦门（面积397.84 km2）的研究则显示，通过绿色屋顶、道路透水铺装以及下沉式绿地等海绵化建设和改造，1991—2019年雨水排水系统的综合碳排放减少65.23 万tCO2。邓倩倩等在枞阳县城区（研究区面积0.1298km2）海绵化改造的研究中发现，雨水花园（占总面积的19.65%）及透水铺装设施（占总面积的0.67%）增加了建设期碳排放9.9万tCO2，但削减了运行期碳排放的62.7%。

4.2 雨水排水系统的建设材料、参数与施工工艺

雨水排水系统的建设中用到的各类建材，在生产、运输阶段会产生碳排放。受使用寿命和设计建造标准影响，相关设施达到生命周期后的拆除与更换，也会造成碳排放。因此，合理确定雨水排水系统设计规模和参数，使用绿色低碳建材，也能有效减少系统的碳排放。以雨水排水系统中使用最多的钢筋混凝土雨水管为例（图2），运输环节按载重46 t的柴油货车平均运距20km，施工环节按管道平均埋深0.7m计，DN1 000的钢筋混凝土雨水管建设期总碳排放强度为126.7 kgCO2-eq/m。管径增加到DN2 000后，总碳排放强度增加到536.5 kgCO2-eq/m，是DN1 000时的4.23倍。管径越大，生产、运输和施工期材料消耗越多，碳排放也越大。进一步分析可以看出，DN1 000的钢筋混凝土雨水管生产环节碳排放强度为106.2 kgCO2-eq/m，占总排放强度的83.8%，施工环节碳排放强度为28.3 kgCO2-eq/（m·m），运输环节碳排放强度仅为0.72 kgCO2-eq/m，占比不足1%。建设期碳排放强度的主要环节和增量均来自材料的生产。因此，考虑到水泥和混凝土的生产使用这一高碳排放环节的影响（C30或C50混凝土碳排放可达295kg和385kg CO2-eq/m3），若能采用再生混凝土或通过添加混合材料、工业废弃物或粉煤灰等替代材料来降低水泥的使用比例，还将有效降低雨水管渠设施建设期的碳排放。

图2 不同管径的钢筋混凝土管道建设时期的碳排放情况

与高碳排放的钢筋混凝土材料相比，以聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯等材料为原料的塑料碳排放强度明显偏低，因此在雨水排水系统中应用，也能有效降低建设期的碳排放。对比相同规格的HDPE管和钢筋混凝土管（图3），可以看出随管径的增加，钢筋混凝土管单位长度碳排放强度与HDPE管的差距也越来越大。同样以DN1 000雨水管为例，采用HDPE管材时建设期碳排放强度为24.4tCO2-eq/km，是钢筋混凝土管材建设期总排放强度的19.3%；当管径增加到DN2 000时，HDPE管材建设期总排放强度将增加到55.1tCO2-eq/km，仅为钢筋混凝土管材建设期总排放强度的10.3%。对比长30m、DN900mm的预应力混凝土圆柱管（PCCP）、聚乙烯管（PVC）和 固化管（CIPP），可以发现PVC管全生命周期碳排放最少，为762tCO2，其次是HDPE管（827tCO2）。PCCP管的碳排放最高，达到PVC管的1.2倍。

图3 钢筋混凝土管道和HDPE管道建设阶段的总碳排放当量对比

雨水排水系统的施工工艺也会影响建设期的碳排放。与传统的大开挖施工方法相比，非开挖施工技术环境影响小、建设周期短、工程效率高，碳排放也更低。ARIARATNAM等分析了长106m的DN200mm粘土管更换为DN250的高密度聚乙烯（HDPE）管线，平均埋深2.1 m条件下雨水管道更换工程的碳排放，结果表明采用非开挖技术可减少碳排放77%。CHORAZY等在DN850~1350的混凝土管的原位修复工作中也证实，采用非开挖技术可将碳排放从大开挖技术的24.29tCO2，降低为9.91tCO2，实现减碳59.2%。

4.3 雨水排水系统的运行维护方式

雨水排水系统中管渠设施的清通维护、雨水控制设施中的植物养护，都可能用到水泵、养护机械等机电设备，从而消耗电力、柴油等能源产生间接碳排放。需通过水泵提升的压力管越长、水量越大，雨水系统的间接碳排放也越高。李俊奇等人对北京城镇区域（研究区域100km2）的研究表明，雨水排水系统间接碳排放与压力管在排水系统中的占比有关，压力管占比越高，间接碳排放量越大。此外，雨水控制设施中的绿化面积和灌溉方式也会影响碳排放。绿化面积越大，单位面积绿化养护碳排放量越小；与采用自来水灌溉相比，采用河湖水灌溉系统碳排放也明显更低。相关研究显示，采用自来水灌溉时，每平方米绿化养护的碳排放量为0.232kg/a，是采用河湖水灌溉（0.026kg/a）的8.92倍。

图4 不同压力管道比例下的碳排放

通过文献调研与综合分析，笔者认为未来城镇雨水排水系统碳排放的研究与应用工作将重点围绕以下几方面展开。

（1）完善雨水排水系统的碳排放边界与核算体系。 目前雨水排水系统碳排放核算中，考虑到雨水径流较为清洁，排放环境水体后对碳排放影响不大，因此在运行期碳排放中仅计入了雨水湿地、生物滞留池等雨水设施生化反应产生的直接排放，以及雨水设施所需燃料和电力消耗产生的间接碳排放。但实际雨水系统的监测显示，污染程度较重的初雨径流经雨水排水系统进入受纳水体后，也会引起水体水质恶化，造成环境中的碳排增加。此外，污水错接雨水管的情况，不仅会加剧雨水管网污染物沉积，增加运行期管道中的直接碳排放，还可能增加雨水泵站抽排的水量，引发间接碳排放的增长。因此，亟需分析复杂雨水排水系统的碳排放环节，进一步厘清核算物理边界，完善核算体系与方法。

（2）从全生命周期的角度系统解析雨水排水系统碳排放特征。

由于雨水排水系统核算体系不够完善，加之运行期碳排放影响因素多、结果差异大，绿色基础设施中植被面积、生长状况与碳汇关系密切，因此需要针对系统复杂的真实状况，开展多因素、长系列监测，研究运行期关键要素与碳排放的响应规律，才能综合建设、运行、拆除等不同阶段核算结果，从全生命周期的角度，系统解析雨水排水系统碳排放特征。

（3）健全绿色低碳可持续雨水排水系统规划、建设和运维的理论及技术体系。

尽管目前在海绵城市、低影响开发等雨水系统优化方面，研究者们已经积累了一定的理论基础和专项技术，但在“减污降碳协同增效”视域下，围绕降碳核心的绿色低碳可持续雨水排水系统，相关的理论及技术体系仍不够健全。因此，从系统内涵、规划方法、设计理论、优化策略等开展研究，建立绿色低碳可持续雨水排水系统规划、建设和运维的理论及技术体系，形成指南、规范、标准等系列文件，系统性指导雨水排水系统的建设与更新，也是下一阶段的重点工作。

微信对原文有修改。原文标题：城镇雨水排水系统全生命周期碳排放特征；作者：魏源源、丁超、冯骞；作者单位：上海市城市建设设计研究总院（集团）有限公司、河海大学环境学院、河海大学浅水湖泊综合治理与资源开发教育部重点实验室。刊登在《给水排水》2025年第1期。