南开/安特卫普大学曹植团队ES&T：比利时道路基础设施物质存量高分辨率数字地图绘制：物质效率模式、材料回收潜力和温室气体减排机会

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成果简介

近日，南开大学环境科学与工程学院曹植教授（比利时安特卫普大学兼职教授）团队在环境领域著名学术期刊 Environmental Science & Technology 上发表了题为“ High-Resolution Mapping of Material Stocks in Belgian Road Infrastructure: Material Efficiency Patterns, Material Recycling Potentials, and Greenhouse Gas Emissions Reduction Opportunities ”的论文 。文中结合机器学习和道路设计原型绘制了比利时道路材料存量的高分辨率数字地图，进一步研究了物质效率模式、材料回收潜力和温室气体减排机会。分析结果表明，通过高效率的城市道路规划和回收沥青的使用，分别可以降低 53% 和 70% 的温室气体排放 。

建成环境为我们的社会经济发展提供多项基本服务，包括住房、工作场地和交通等。交通基础设施是建成环境的一个重要组成部分，它确保了人们的日常出行和货品的快速流通。然而，在修建、使用和维护交通基础设施的过程中会消耗大量的材料及能源，从而产生较大的环境影响。随着全球（特别是发展中国家和欠发达地区）道路的持续修建，道路材料（如沥青、骨料等）的需求不断增加，相应的碳排放也呈上升趋势。据估计，截至本世纪末，新建道路将导致 160 亿吨碳排放。由于道路材料具有可回收利用的特点，使其成为未来潜在的资源提供者。因此，建立高分辨率的道路材料数字地图有助于了解现有可回收道路材料的存量及空间分布 。

以往的道路材料数字地图以道路的平均材料密度（吨 / 米或吨 / 平方米）为基础建立，往往未考虑道路层厚度的不同，即道路设计相关因素（如环境、土壤、交通等条件）对道路结构的影响。本研究以比利时的公路网（全球公路密度最高的国家之一）作为典型案例，结合官方数据和 OpenStreetMap 制成底图，运用基于机器学习的方法和基于原型的方法，预测了道路各层厚度，进而建立了高空间分辨率的道路材料数字地图。在此基础上，该研究探索了道路材料的空间分布格局、存量利用效率、回收潜力和相应减排潜力 。

图文导读

机器学习与原型方法的预测结果对比

首先，本研究对比了机器学习方法和原型方法关于道路材料存量的预测。结果显示，机器学习方法的预测与原型方法的预测相似，但机器学习方法通过建立道路设计影响因素（包括环境条件、土壤条件和交通条件）与道路结构的关系，可以更好地反映道路层厚的空间差异性。这种细致的理解有助于改进跨空间的材料存量估算，促进废物管理者有效地分配物流，并能准确预测与运输相关的环境影响 。

比利时公路网材料存量的空间分布

结果表明，比利时公路网中材料存量的空间分布在总存量、沥青存量和骨料存量方面具有相似的模式：大都市地区（人口密集区）和高速公路是道路材料的聚集地。然而，这种模式在混凝土存量上并不明显，这归因于混凝土道路的特殊属性（例如，价格相对较高，易引起噪音问题，施工和修复时间较长等），从而导致此类道路在城市地区使用较少。此外，由于佛兰德斯的城市规划政策， 95% 的佛兰德斯人口居住在城市地区，因此与瓦隆地区相比，佛兰德斯的材料存量更集中在大都市地区。截至 2021 年，比利时公路网的材料总存量为 8.183 亿吨，包括 5.55 亿吨骨料、 1.846 亿吨沥青和 0.787 亿吨混凝土。其中，前 20 大城市（按人口排名）的道路存量占比利时公路网材料存量的 13.3% （ 1.088 亿吨），而它们仅占比利时国土面积的 5% （ 1646 平方 千米 ）。另外，随着道路与市中心距离越来越远，材料存量的密度也随之降低。具体来说，市中心 1 千米 半径范围内的材料存量密度为 140 千吨 / 平方千米，是城市平均水平（ 70 千吨 / 平方千米）的两倍，几乎是全国水平（ 30 千吨 / 平方千米）的五倍。这些结果反映出，道路材料往往在城市地区积聚，因为城市地区是居住、就业、娱乐和商业活动的中心。因此，应特别关注城市地区的公路网络，确保良好的路面性能。在循环经济的大背景下，城市公路网也将在材料循环利用等方面发挥主导作用，因为与城郊地区相比，城市地区的材料存量积累更多更集中，所需的运输工作更少 。

不同空间和城市的存量利用效率

材料存量效率较高的社区往往集中在人口密集区域。按人口密度进行分组，我们发现每个级别的材料存量效率都存在显著的跨组异质性；但第 3 级的异质性较小，因为第 3 级材料存量提供的服务更广泛地被周围居民共享。城市一级的结果与此类似。人口最多的前 20 个城市在三个层次上普遍呈现出强烈的右斜分布，表明少数居民区对道路基础设施的利用效率最高。这种右斜分布的普遍性符合比利时城市的历史发展。这些城市历史上被农田包围，富人居住在市中心，而较贫穷的人则生活在城市郊区。尽管汽车和铁路的出现和城市扩张的规划政策在一定程度上改变了这一格局，但如今公路网络的空间结构在很大程度上延续了历史模式。因此，人口集中的紧凑地区对道路基础设施有更高效的利用，展现出更高的材料存量效率 。

为了检验材料存量效率与人口密度的相关性，我们将材料存量效率与城市中心和城郊地区的人口密度进行了对比。结果表明，在城市中心，存量效率与人口密度呈正相关，但在城郊地区，存量效率与人口密度之间没有明显的相关性。值得注意的是，存量效率会随着人口密度的增加而增加，但当人口密度达到约 2500 人 / 平方千米时，存量效率的增长开始减缓。这一特点在第 2 级和第 3 级尤为显著，表明存量效率与人口密度之间存在普遍的非线性关系 。

跨空间和道路层的材料回收潜力

根据比利时 38 个沥青搅拌站的位置估算，比利时公路网络中约 1.39 亿吨（ 76% ）的沥青材料具有较高的回收潜力。此外，我们根据佛兰德斯高速公路的理论使用寿命（沥青和混凝土层的使用寿命为 20 年，基层和底基层的使用寿命为 60 年）和路龄评估了材料的回收潜力。结果显示，绝大多数沥青和混凝土理论上可在 10 年内回收。超过一半的骨料理论上可在 40 年内回收。值得注意的是，要实现这些材料的回收利用，需要对每一层路面的性能进行详细评估，这有助于确定同时回收利用多层路面的最佳时机。同样重要的是，材料回收必须考虑到公路网旁边或下面的其他基础设施系统（如管道和电缆）的维护时间安排，以避免计划不周的维护工作 。

通过提高材料存量效率和材料回收利用减少温室气体排放

反事实分析显示，如果前 20 个城市的公路网以更节约材料的方式建设（高效率方案），与材料生产、运输和道路施工相关的温室气体排放量将减少 53% 。这一结果凸显了更高效地使用道路材料所带来的温室气体减排。此外，如果未来产生的再生沥青可以得到充分利用，那么与材料生产、运输和施工相关的温室气体排放可减少 70% 。这主要得益于原材料消耗的减少和运输量的减少。然而，需要强调的是，运用再生沥青可能会影响路面的性能和使用寿命。此外，路面的机械性能不仅受到再生沥青含量和回收技术的影响，还受到未来天气条件和交通荷载的影响。这些因素都会影响路面的使用寿命和维护计划，在未来评估沥青循环利用的研究中应仔细考虑。

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