通过归因分析揭示路面生命周期评估工具中的差异

《TRANSPORTATION RESEARCH PART D-TRANSPORT AND ENVIRONMENT》：Unraveling divergence in pavement LCA tools through attribution analysis

　　

摘要

专业的生命周期评估 (LCA) 工具越来越多地被用于路面可持续性评估，然而对于同一项目，它们可能会产生不同的结果。本研究比较了五个代表性工具——麻省理工学院简化路面 LCA 与 LCCA 工具、LCA Pave、HERMES CO₂、Athena 路面 LCA 以及 asPECT——使用四个协调一致的路面案例，针对一条 1 公里 × 3.5 米车道在 50 年周期内的表现进行评估。对于隐含/基础设施相关温室气体排放，项目级工具给出了可比的估计值；对于沥青高速公路案例，MIT、LCA Pave 和 Athena 的数值范围在 364 至 435 吨二氧化碳当量/车道 - 公里之间。当包含运营排放时，在 MIT 和 Athena 中，与路面 - 车辆相互作用 (PVI) 相关的运营阶段影响占整个生命周期温室气体排放的 71%-89%。归因分析表明，差异主要源于系统边界、LCIA 方法、交通燃油基准、平整度 - 燃油建模、反照率处理以及回收信用假设。因此，工具间的分歧应按生命周期阶段进行模块化解释，以指导未来的改进。

引言

交通运输部门是气候变化的主要贡献者：2019 年交通部门的直接温室气体排放达到 87 亿吨二氧化碳当量，约占全球能源相关二氧化碳排放的 23% (IPCC, 2022)。较新的追踪数据进一步显示，2022 年全球交通相关的直接二氧化碳排放反弹至接近 80 亿吨二氧化碳，接近疫情前水平 (IEA, 2025)。路面用于建设机场、停车场、桥梁和道路，是现代交通系统的必要组成部分。路面的建设、运营和维护通常会消耗大量的材料、能源和运输 (Cheng et al., 2023)。这些活动会在长时间内造成温室气体 (GHG) 排放和其他环境影响 (Santero et al., 2011a, Santero et al., 2011b)。生命周期评估 (LCA) 是衡量资产全生命周期内这些影响的标准方法。LCA 有助于工程师和决策者客观地比较设计选择、材料和维护计划 (Harvey et al., 2016)。

许多关于道路路面的研究使用通用 LCA 软件或 LCA 数据库来估算环境影响 (Li et al., 2019, Li et al., 2024c, Lopes Silva et al., 2019)。SimaPro、GaBi、Umberto 和 openLCA 等工具因提供灵活的影响方法和广泛的材料及燃料清单而常用 (Ormazabal et al., 2014, Sheng et al., 2025)。这些通用工具功能强大，但并非专门为路面而建。因此，用户必须手动或使用独立脚本组装许多特定的路面输入（例如，路面层设计、维护时间表和施工设备使用情况）。这项额外工作可能导致研究之间出现不一致 (AzariJafari et al., 2018, Mattinzioli et al., 2021)。

近年来，出现了一套新的专门路面 LCA 工具，如补充信息中的表 S1 所述 (Huang et al., 2013)。这些工具旨在捕捉特定的路面过程，如逐层施工、常规和重大维护周期、区域材料混合以及路面随时间的性能表现 (Jullien et al., 2015)。例如 eLCAP（一个使用区域特定清单的网络应用程序）(Lea et al., 2022) 和联邦公路管理局 (FHWA) 的 LCA Pave 工具（一个具有明确方法论和用户手册的基于 Excel 的工具）(Meijer et al., 2021)。这些专门工具旨在减少建立路面模型所需的工作量，并提高项目间的一致性。

尽管有了这些进展，不同的工具通常会对相同的路面案例给出不同的结果 (Reeves et al., 2020)。结果的分歧使得用户难以知道差异是源于真实的设计选择还是工具的假设。这种不确定性降低了在政策和设计决策中使用 LCA 的信心和可信度 (dos Santos et al., 2017)。

现有的比较研究表明，即使名义案例研究相同，仅 LCA 工具的选择就会改变结果 (Herrmann and Moltesen, 2015, Lopes Silva et al., 2019)。挪威早期的工作比较了三个机构的路面 LCA 工具，并证明基本参数（如沥青密度和隐含能量）上的差异会导致同一假设高速公路计算的温室气体排放和一次能源使用量出现巨大差异 (Ebrahimi et al., 2016)。在欧洲，Lo Presti 和 D'Angelo 评估了免费可用的碳足迹计算器，发现系统边界、维护处理和软件可靠性与数值排放因子本身一样重要，其中一个工具因实施错误而被判定不适合决策支持 (Presti and D'Angelo, 2017)。其他研究将比较范围扩大到包括通用 LCA 软件（例如 GaBi）和国家工具。例如，Santos 等人将几种与路面相关的工具应用于共同的改造项目，并报告了多个影响类别中的巨大变异性，这主要由不一致的背景数据库、特征化方法和非道路机械模型驱动 (dos Santos et al., 2017)。最近，Gebre 等人比较了北欧工具用于路面材料生产和施工阶段，并将其与独立的车辆能源模型结合，表明即使个别工作项的贡献差异巨大，工具间的项目级总排放可能相似，并且车辆运营主导了整体碳足迹 (Gebre et al., 2024)。

综合来看，可以从这些研究中得出两个观察结果。首先，路面 LCA 工具嵌入了关于数据来源、过程聚合和生命周期覆盖范围的不同建模选择，因此“工具选择”实际上是方法论决策的一束。其次，大多数现有比较被设计为单案例基准测试：一个共同项目通过几个工具运行，记录输出差异，并在事后提供定性解释。这种方法对于突出不一致和促使呼吁建立产品类别规则 (PCRs) 及本地化数据库很有价值，但很少超越描述性基准测试，对工具为何存在分歧进行结构化的归因分析。特别是，先前的工作仅部分解构了个别模块（如材料生产、施工设备和使用寿命终结 (EOL) 假设）在驱动工具间差异中的角色。此外，重点一直是那些研究当时可用或针对特定区域的工具和版本；尚未对新一代路面 LCA 工具进行系统评估，这些工具实现了更新的数据集、路面 - 车辆相互作用 (PVI) 模型和脱碳情景。

本研究旨在通过比较一组广泛使用、近期开发的路面 LCA 工具，在协调的方法论条件下对多个代表性路面项目进行评估，来解决这些缺口。本研究不仅记录定量差异，还明确将工具分解为功能模块，并开展受控实验，每次仅改变一个建模元素（如背景数据库、交通模型、维护策略或 EOL 情景），同时保持其他输入不变。这进一步支持了对哪些嵌入假设和建模选择最负责任于工具间变异的归因分析，以及这些差异如何影响设计或维护替代方案的排名。基于这些发现，本研究预期能为未来路面 LCA 工具开发提供见解，包括模块透明度优先级以及整合既一致又能向最终用户解释的运营阶段模型。

章节摘要

代表性路面 LCA 工具的选择

本研究专注于五个专门的路面 LCA 工具：麻省理工学院简化路面 LCA 与 LCCA 工具、FHWA 的 LCA Pave、HERMES CO₂、Athena 路面 LCA 网络应用程序以及 asPECT（沥青路面隐含碳工具）。这些工具是从补充信息中表 S1 总结的更广泛的路面 LCA 工具列表中选择的。选择这些工具并非旨在包含所有可用工具，而是为了形成一个代表性和可操作的集合，用于受控

LCA 结果对比分析

本节比较了五个选定的路面 LCA 工具为四个协调案例 (A-H, A-M, C–H, 和 C-M) 产生的温室气体排放结果。与方法论设计一致，比较从两个互补的角度呈现：1) 隐含温室气体排放（基础设施相关温室气体排放，包括所有非运营阶段排放，如初始建设、养护维修和 EOL），以及 2) 全生命周期温室气体排放（隐含/基础设施相关温室气体

结论

本研究使用四个协调的路面案例比较了五个代表性路面 LCA 工具，并将观察到的差异归因于系统边界、过程表示、LCIA 方法、运营阶段建模以及 EOL/回收假设的差异。主要结论如下。

• 1)
  当功能单位、路面结构和养护维修时间表协调一致时，项目级工具的隐含或基础设施相关温室气体排放相对一致：三个项目级

CRediT 作者贡献声明

李金 (Jin Li)：撰写 – 原稿、可视化、方法论、正式分析、数据整理、概念化。盛伟 (Wei Sheng)：撰写 – 原稿、可视化、验证、软件。王玉红 (Yuhong Wang)：撰写 – 审阅与编辑、监督、资源、项目管理、资金获取、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系，这些关系可能会影响本论文中报告的工作。

致谢

本文基于香港特别行政区政府资助的研究项目（项目编号。PolyU 15210321, 15202523）。本文还得到了香港理工大学基于自然的城市基础设施解决方案研究中心（项目编号。P0053045）的支持。

李金 | 盛伟 | 王玉红

香港理工大学土木及环境工程系，九龙红磡，香港