运河工程低碳建造基本技术问题及对策

肖建庄 ,  俞才华 ,  夏冰 ,  谢立全 ,  安永辉 ,  程耀飞 ,  肖绪文

中国工程科学 ›› 2024, Vol. 26 ›› Issue (4) : 210 -221.

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中国工程科学 ›› 2024, Vol. 26 ›› Issue (4) : 210 -221. DOI: 10.15302/J-SSCAE-2024.04.020
工程前沿

运河工程低碳建造基本技术问题及对策

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Fundamental Technical Problems and Countermeasures in the Low-Carbon Construction of Canal Engineering

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摘要

探讨运河工程低碳建造面临的基本技术问题并提出技术发展应对策略，有助于完善我国运河工程低碳建造的理论与技术，为未来的国际国内运河工程建设提供参考。本文概要梳理了我国古代运河工程和现代运河的建设情况，从重大基础设施低碳发展共性、运河工程低碳建造个性的角度明确了运河工程低碳建造的必要性。新时期运河工程建造的难点是在保障运河工程可靠性的基础上提升建造低碳性，因而运河工程低碳建造的基本技术问题集中在低碳性保障方面；依托平陆运河这一世纪工程的低碳技术攻关实践，着重凝练了运河建筑材料高效运用、运河新旧构件高效利用、运河多维固废循环再生、运河耐久性保障及沿线生物多样保护、运河施工与运维低能耗等基本技术问题。提出了由减量化、再利用、循环再生、韧性化、可再生能源构成的5R低碳建造技术框架，精准应对运河工程低碳建造的基本技术问题。运河工程低碳建造处于起步阶段，建议学术界和工程界持续保持对这一新兴领域的关注、思考与研究。

Abstract

Exploring the fundamental technical problems and countermeasures will help improve the theories and technologies regarding the low-carbon construction of canal engineering (LCCCE) and provide references for future canal construction. This study reviews the history of canal engineering in China and clarifies the necessity of LCCCE from the perspectives of engineering commonality and canal individuality. The difficulty of canal engineering in the new situation is to improve low-carbon construction on the basis of ensuring reliability. Therefore, the fundamental technical problems of LCCCE focus on low-carbon security. Based on the practice of low-carbon technology research in the century-long project of the Pinglu Canal, this study focuses on the following fundamental technical problems: (1) efficient application of canal building materials, (2) efficient utilization of old and new structures, (3) multi-dimensional recycling of solid wastes, (4) durability guarantee and biodiversity protection of canals, and (5) low-energy consumption in canal construction, operation, and maintenance. A low-carbon construction technology framework consisting of “reduce, reuse, recycle, resilience, and renewable energy” (5R) is proposed to accurately address the fundamental technical problems of LCCCE. The LCCCE is still in its infancy, and it is recommended that the academic and engineering communities continue to focus on this emerging field.

Graphical abstract

关键词

运河工程 / 低碳建造 / 减量化 / 再利用 / 循环再生 / 韧性化 / 可再生能源

Key words

canal engineering / low-carbon construction / reduce / reuse / recycle / resilience / renewable energy

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肖建庄,俞才华,夏冰,谢立全,安永辉,程耀飞,肖绪文. 运河工程低碳建造基本技术问题及对策[J]. 中国工程科学, 2024, 26(4): 210-221 DOI:10.15302/J-SSCAE-2024.04.020

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一 前言

运河是造福人类的千年大计。在古代，京杭大运河为当时的经济社会发展作出了重要贡献；在近代，巴拿马运河、苏伊士运河等成为支撑经济全球化的重要通道[1]。修建陆海连通的运河工程，能够提高内陆出海效率、增强出海和出港效能，是振兴区域经济、促进基础设施建设高质量发展的科学途径。作为中国世纪工程的平陆运河、位于柬埔寨的德崇富南运河正是在这样的背景下开始兴建或即将开建。同时，“双碳”目标是我国应对全球气候变化、实现经济社会可持续发展的重大部署，基础设施建造因其碳排放量巨大而亟需低碳化。

数十年来，世界范围内的大型运河工程建设稀少，导致运河工程的建造理论和工程体系疏于提炼，低碳建造的相关研究更是仅处于萌芽阶段[2]。因此，从建造全过程视角出发，剖析运河工程低碳建造的基本技术问题并探讨科学应对策略是当务之急。本文着重关注运河工程常规建造技术之外的低碳技术，立足平陆运河工程的低碳技术攻关实践，从设计、建造、运维等方面凝练基本技术问题并提出技术应对策略，以启发领域研究并促进相关技术的推广应用。

二 我国运河工程发展历程与新时期低碳建造需求

（一） 我国古代运河工程

公元前2000年前后，开山劈岭、广修沟渠已在大禹治水中得到充分应用。我国建造了世界上开凿时间最早、流程最长的中国大运河体系，其全长超过2700 km，包含浙东大运河、隋唐大运河、京杭大运河三部分，连通了黄河、淮河、长江、钱塘江、海河五大水系，具有重要的经济价值和历史地位。

中国大运河建设起源于春秋时期。公元前486年，吴国建造了全长超过170 km的邗沟，越国以山阴故水道为径建造了疏导水患的运河。以吴越运河为基础，后世多有延伸并兴修西兴运河，最终形成西起钱塘江、东至东海，全长239 km的浙东大运河，在南宋时期成为重要的漕运航道。

公元605年，隋朝建造了全长650 km的通济渠，将江南的物资高效运输至北方[3]。公元608年，隋朝建造了全长超过900 km的永济渠，用于调运黄河以北的粮草及人员。公元610年，隋朝再以长江南岸谏壁口为起点，建造了全长323.8 km、连接浙东运河的新运河，形成了隋唐大运河体系。

漕运需求随着社会和经济中心的迁移而变化，运河重新整修或建造成为必然。公元1289年，元朝建造了会通运河和通惠运河，形成了全长1794 km的京杭大运河体系。相较隋唐大运河，京杭大运河整体东移，航运里程降低，运输能力得以提升。同时，因势利导修建了淮安清口水利枢纽等大型水利工程，以拦水坝、束水堤、混江龙等水利工程技术治理了黄河泥沙泛滥问题，使京杭大运河成为航运交通“大动脉”。

（二） 我国现代运河建设

在京杭大运河之后，我国运河工程建造逐渐沉寂。近年来，在多年深入论证和审慎研究的基础上，平陆运河工程获得审批立项并开始建设[4]。2022年8月，平陆运河正式开工，起于平塘江口、终于北部湾，全长134.2 km，建成后将缓解西江黄金航道的运输压力、成为西部地区出海的新通道[5]。相较传统运河，平陆运河承接“大能力”“大智慧”“大生态”“大结合”等功能要求；以“河畅、水清、鱼翔、岸绿、景美、低碳”为建造目标，积极运用新技术、新工艺，着力构建绿色、低碳的水运物流通道，集生态走廊、景观走廊、康养走廊于一体的生态景观，将在经济、社会、生态等方面创造多重效益。

（三） 运河工程低碳建造的必要性

全球变暖导致的冰川融化、极端气候等威胁着人类的生存与发展，控制以CO2为主的温室气体排放迫在眉睫。《巴黎协定》（2016年）提出将全球气温较工业化前水平上升幅度控制在2 ℃以内并向1.5 ℃以内努力的目标[6]。在我国，自“双碳”目标提出后，低碳转型成为各行业高质量发展的机遇和挑战；建筑业是过去30年我国经济发展的重要支柱（见图1），也带来了自然资源消耗、建筑固废围城、生态环境破坏等问题。基础设施建设释放的CO2是气候变化的主要因素。国际上，建筑业碳排放约占碳排放总量的40%[7]；在我国，建筑业碳排放占总量的50.9%[8]。在此背景下，运河工程作为重大基础设施[9]，其建造过程的低碳化成为核心要求之一。

基础设施与大气环境形成了双向动态耦合系统[2]：气候变化造成的极端高温、极端降雨、热带气旋等极端气候，危害基础设施正常服役、加速基础设施更新，也造成更多与基础设施建设相关的CO2排放；额外的CO2排放又将加快气候变化，使基础设施与气候之间形成不利循环。为了减缓气候变化，需要降低基础设施建设的CO2排放。运河工程是工程量极大的基础设施类型，降低CO2排放成为其建造的基本原则与应有之义。

相对于建筑、道路等传统基础设施建设，运河工程建造具有工程量大、涉及范围广、能源消耗高的特点。平陆运河跨越了多个城市，涉及山川、平原等地貌，复杂且庞大的工程需在52个月内完成，意味着短时期内不仅消耗大量的原材料、开挖大量的土石方、拆建大量的基础设施，还集中投入大量的工程机械设备；这些因素都导致运河工程建造在短时间内集中排放大量的CO2。整体上，无论是从共性还是从个性角度来看，低碳建造都是新时期运河工程的必由之路。

三 运河工程低碳建造基本技术问题

运河工程建造的技术可行性已经得到保证，航道开挖、枢纽建造、驳岸建设等方面的施工技术较为完善。新时期运河工程建造的难点是在保障运河工程可靠性的基础上提升建造低碳性，因而运河工程低碳建造的基本技术问题集中在低碳化保障方面，贯穿运河工程的设计、施工、运维等阶段。本研究依托平陆运河这一世纪工程的低碳技术攻关实践，着重凝练运河工程低碳建造的基本技术问题。

（一） 运河建筑材料高效运用技术问题

运河工程包含枢纽、航道、边坡以及各种附属设施，对各种建筑材料的需求量极大。仅以平陆运河枢纽工程为例，青年枢纽、企石枢纽、马道枢纽主体结构的混凝土用量分别为7.6×105 m3[10]、2.49×106 m3、2.59×106 m3。根据《建筑碳排放计算标准》（GBT51366—2019），普通硅酸盐水泥的平均碳排放因子为735 kgCO2/t，则平陆运河三大枢纽主体结构混凝土水泥致碳排放量为1.13×106 tCO2。除了混凝土，运河工程建造还需要大量的钢筋、石块、木材等材料，同样蕴含了较高数量的碳排放。高效运用各类建筑材料是保障运河工程低碳性的关键，主要涉及运河工程的设计、施工阶段。

（二） 运河新旧构件高效利用技术问题

运河规划线路上通常存在大量的既有基础设施。在平陆运河工程建造过程中，沿线需改建旧桥20余座，新（改）建桥梁27座[4]。对于既有设施和结构，传统的爆破式拆除法使旧构件丧失原有的功能与形态而只能作为固体废弃物处置，造成了资源浪费与额外的碳排放[11]。对于新建设施，如果不在设计之初即考虑后续的拆除和再利用，则将陷入“建造 – 服役 – 拆除 – 废弃物”这一传统的“大量生产、大量消费、大量废弃”的基础设施建造模式（见图2），从而影响运河工程的低碳性。新旧构件的高效利用是运河工程低碳建造亟需解决的基本技术问题，主要涉及运河工程的设计、施工阶段。

（三） 运河多维固废循环再生技术问题

运河工程建造过程将产生大量的固体废弃物（运河固废）。运河固废虽然在广义上可以归于建筑固废，但具有鲜明的多维属性（固废种类多）、显著的时空特性（短时期内排量大，循环再生任务紧迫；不同区域差异明显，循环再生处置难度较高），这导致传统建筑固废的循环再生技术较难直接沿用至运河固废，需要对运河固废循环再生进行独立分析和研究。平陆运河工程高度关注运河多维固废资源化问题，设立了“无固废”尖峰专项研究项目，旨在探明应对运河固废时空特征的循环再生处置路径并提出对应技术体系，为运河工程低碳建造筑牢关键基础。

（四） 运河耐久性保障及沿线生物多样保护技术问题

气候变化导致的洪水、风暴等灾害频发，使运河服役环境明显劣化。运河通常是地区经济主干道，船只来往频繁，冲撞、阻塞等突发事件时有发生[12]，如货轮撞桥事故直接造成货物流转困难[13]。提升运河工程的可靠性与耐久性，尤其是防灾能力、灾后功能恢复能力等，成为运河工程建造的核心关切点。运河工程建造及运行将对沿线自然生态环境造成明显的破坏（如阻隔动物迁徙），因而提升运河的生态可恢复能力也引发关注[14]。运河耐久性保障及沿线生物多样保护是运河工程建造的基本技术问题之一，涉及运河的枢纽、航道、护坡等设施，贯穿运河工程的设计、施工、运维阶段。

（五） 运河施工与运维低能耗技术问题

古代运河工程的修建周期可能超过100年，巴拿马运河等现代运河工程的修建工期也达到数十年。当代运河工程建造以高效率为重要目标，修建工期很短，如柬埔寨德崇富南运河计划工期仅为4年。高效率依赖大型工程机械（见图3），短时间内大量的工程机械投入伴随着高能耗的问题（以机械运输的能耗为最高）。基础设施建设所需的能源类型主要为柴油，其碳排放因子高达74.1 kgCO2/GJ[15]，这意味着运河工程建造的高能耗必将导致超高的碳排放。探究清洁能源在运河工程建造中的使用方式和技术路径较为迫切。平陆运河工程高度关注建造能耗问题，设立了“近零碳”尖峰专项研究项目。相应基本技术问题贯穿运河工程的设计、施工、运维阶段。

四 运河工程低碳建造技术对策

为了解决运河工程低碳建造的基本技术问题，本研究提出了由减量化（Reduce）、再利用（Reuse）、循环再生（Recycle）、韧性化（Resilience）、可再生能源（Renewable energy）构成的5R低碳建造技术框架：减量化技术主要应对运河建筑材料高效运用技术问题，再利用技术主要应对运河新旧构件高效利用技术问题，循环再生技术主要应对运河多维固废循环再生技术问题，韧性化技术主要应对运河耐久性保障及沿线生物多样性保护技术问题，可再生能源技术主要应对运河施工与运维低能耗技术问题。

（一） 减量化技术

缓解运河工程建造原料消耗量大的问题，可从应用低碳混凝土、高性能混凝土、大体积混凝土等方面展开。其中，低碳混凝土用于减少高碳排放普通混凝土的用量，高性能水泥基材料和大体积混凝土用于提升运河结构的耐久性、延长结构使用寿命，进而减少原料消耗量、降低固废排量。

1 低碳混凝土

混凝土作为运河结构的主要原材料，是运河工程碳排放的主要来源之一。采用低碳混凝土替代高碳排放的普通混凝土，是降低运河工程建造碳排放的有效途径。在结构工程碳排放评价研究中，建筑材料生产碳排放通常作为结构隐含碳的一部分，纳入结构碳排放核算中（参考《建筑碳排放计算标准（GB/T 51366—2019）》）。虽然在部分研究中建筑材料生产碳排放纳入工业部门而非建筑业或交通运输业，但在运河工程建造中，采用低碳建材替代传统的高碳排放材料有助于从需求角度出发降低建材生产相关的碳排放，进而推动建材生产行业减碳。因此，运河工程采用低碳建材的必要性是明确的。混凝土是由水泥、骨料、砂子、水等制备的多相复合材料，其中水泥是建筑业高碳排放的主要因素，我国水泥行业碳排放占全国碳排放总量的13.5%[15]。可见，减少水泥用量是降低混凝土碳排放的有效途径。

采用绿色胶凝材料替代水泥是行之有效的运河工程低碳建造策略之一。矿渣、粉煤灰等绿色胶凝材料部分替代水泥时可以降低24%的碳排放量[7]，但随着低碳政策的推行，这些原材料产量已经逐步减少。相较矿渣，石灰石煅烧黏土水泥减排性能更强、来源更广泛[16]。碱激发技术也是备受关注的水泥减量化技术，利用碱溶液（混合水）激发铝硅酸化合物（如矿渣、偏高岭土、渣土）的反应活性[17]可得新型胶凝材料，相较普通水泥的碳减排比例超过60%[18]。

将废弃混凝土破碎后生产再生骨料并进一步制备再生骨料混凝土，是降低建筑业碳排放的有效方式。虽然再生骨料混凝土的力学性能、耐久性能通常弱于天然骨料混凝土，但在应用物理（如颗粒整形、调整配合比）、化学（如碳化、纳米材料、酸浸渍）、生物等再生骨料优化技术后可以得到显著改善[19]。再生骨料混凝土的热工性能、防火性能优于天然骨料混凝土，具有更加优异的功能用途。

2 高性能水泥基材料

延长工程结构的使用寿命是减量化技术发展和应用的“制高点”[20]。在使用绿色胶凝材料降低水泥用量的同时，需提升运河结构的耐久性和服役寿命，减少结构更新涉及的材料用量与固废排量。混凝土是运河工程建造的主要建筑材料，因而采用高性能混凝土是提升运河结构耐久性的有效途径。运用高性能材料可降低14%~33%的结构碳排放[21]。以超高性能混凝土（UHPC）、超高韧性水泥基复合材料（ECC）为代表的高性能水泥基材料，制备技术较为成熟。通过混凝土颗粒的最优级配分布可制备UHPC [22]。应用纤维 – 基体的界面定向设计获得水泥基材料的超高韧性，进而形成ECC[23,24]。ECC中不含纤维、粗骨料，有利于控制开裂形式、减小缺陷尺寸与断裂韧度[25]。高性能水泥基材料在运河工程建造中的应用研究还很少，未来可详细评估高性能水泥基材料在运河应用这一特殊场景下的安全性、耐久性、经济性、低碳性。

3 大体积混凝土新技术

运河工程包含枢纽、河道等细分工程，其中枢纽工程是关键点。枢纽工程建造的主要特点是大体积混凝土施工，如平陆运河马道枢纽的大体积混凝土施工量约为2.59×106 m3。水泥水化过程产生热量，若热量不能及时从混凝土中发散，则混凝土内部将产生温度裂缝；大体积混凝土体积庞大，内部热量难以及时传出，极容易出现温度裂缝[26]，将危及结构安全。需要控制枢纽工程中大体积混凝土的温度裂缝，才能保障枢纽工程的耐久性。

现有的大体积混凝土的温度控制方法较多，包括低发热胶凝材料、预冷措施、人工冷却措施、表面保温措施、引入膨胀剂等[27~29]；也有采用堆石混凝土、抛石混凝土等方法，兼顾水泥用量节省、水化热降低的目标[30,31]。然而，这些方法难以避免现场施工的高碳排放。为此，本研究建议采用再生骨料制备混凝土预制块并加入到大体积混凝土中，呈现新型多孔洞结构形式。这种新技术可以减少现浇过程中的大量碳排放，节省混凝土与天然骨料用量，降低结构水化热，抑制结构裂缝产生。预制块的采用可以加快施工进度，减小降雨等因素对施工的影响，但需要控制材料、模板、吊装、运输、安装等方面的成本，尤其不应超过大体积混凝土冷却的成本，这是预制块技术在运河工程中推广应用的关注点。

（二） 再利用技术

运河工程的再利用技术主要针对沿线已有结构（以桥梁为主）和新建结构（以船闸为主）。对已有结构进行构件级别的拆解，可以避免传统爆破拆除产生的固废问题，便于实施更低碳的已有构件重复利用。对新建构件进行可拆解设计，使其在服役结束后顺利拆解再利用，从而延长构件的服役寿命。构件重复利用能够抵消高达88%的碳排放[32]，对工程结构低碳化具有重要意义。

1 旧桥梁的拆解再利用

平陆运河钦州段的待拆桥梁较多（见图4），具有服役年限差异大、作业场地受限的特点。桥梁通常是重要的交通节点，对城市交通、经济发展具有直接影响，因而拆除工期非常紧张，需要针对每座桥梁的自身结构特征、当地交通特点来独立设计拆解方案。在确保拆解安全性的基础上，兼顾旧构件和固废的再利用，尽可能降低拆解对周边交通的影响，是运河桥梁拆解工作的应有之义。

结构拆解的安全性源自力学可靠性。需结合结构形式、服役年限等客观条件，针对性设计桥梁拆解路径（见表1）；通过有限元方法来模拟不同拆解路径下的结构受力状态变化，呈现拆解过程的安全性与鲁棒性[33]。机械拆除、分段拆除、汽车吊运、绳锯切割等技术都可以将结构拆解，在实际工程应用时需考虑经济性和便利性。拆解得到的旧构件、废混凝土等，应遵循就近再利用原则进行处置，如用于附近工程建设以避免运输成本与碳排放。

2 新建构件可拆解设计

船闸是运河枢纽的核心部位，如平陆运河马道枢纽设计了世界上最大规模的内河省水船闸[34]，但船闸的设计寿命很长（如平陆运河船闸设计寿命超100年），这表明船闸可拆解设计的需求较低。为此，运河工程新建构件的可拆解设计主要针对桥梁（如保通桥和新桥）、服务区建筑、航道结构、护坡结构等设施。在平陆运河工程中，保通桥的使用寿命一般为两年，需要采用可拆解设计以避免传统拆除方法造成的材料大量废弃以及对应的高碳排放。此外，航道结构、护坡结构是运河工程的重要组成部分，工程量大，采用可拆解设计利于后期管理运维中的构件更换以及服役寿命结束后的构件再利用与固废循环再生。

本研究建议采用装配式结构技术开展运河桥梁、服务区建筑以及其他钢／混凝土结构的可拆解设计。装配式结构满足设计性能需求，具有良好的可拆解潜力[35~37]，在建筑、桥墩等结构建造上已有成功应用。保通桥多为钢结构，常规的螺栓节点即有较优的可拆解性能。新建桥梁、服务区建筑中含有大量的混凝土柱与板，为装配式混凝土结构运用创造了良好条件。设置可拆装的混凝土或钢结构节点，不仅简化相关结构的预制装配，而且赋予可拆解功能，便于后期更换与重复利用。

（三） 循环再生技术

运河固废的主要来源包括河道开挖产生的土石方，桥梁、建筑等拆除产生的固废，运河施工过程产生的施工固废，与沿线地区相关的其他固废。平陆运河工程全线开挖土石方总量高达3.39×108 m3 [34]，仅桥梁拆除产生的废混凝土就有1.8×105 m3。目前，工程渣土的循环再生路径已基本确定，相关研究方兴未艾[38~41]。在探讨平陆运河土石方多路径利用基本技术问题[6]的基础上，本研究进一步分析施工固废、拆除固废、其他固废的循环再生途径。

1 施工固废与拆除固废的循环再生

运河施工固废成分主要有废混凝土、废渣土、塑料、钢材等，其中数量最大的是废混凝土；拆除固废的主要成分也是混凝土。施工固废与拆除固废的循环再生，本质上是废弃混凝土的循环再生。将废弃混凝土加工成再生骨料，再制备为再生骨料混凝土，是成熟的循环再生处置方式。将废混凝土经分离（如色选、磁选、风选）、破碎（如机械破碎、加热剥离）、筛分（如振动筛分、尺寸筛分）等加工工序制成再生原料，再制备为再生混凝土，是开发废混凝土资源的有效途径[42]。传统再生骨料的取代率多为30%~70%，在普通混凝土制备模式的基础上修正配合比即可制备不同强度等级的再生骨料混凝土[43]。然而，分离与分解质量不可控，将导致再生骨料表面随机分布旧砂浆，造成再生混凝土界面离散、力学性能劣化、耐久性能下降[44~46]。优化再生骨料品质（如颗粒整形、碳化）、级配、配合比调控等可有效提升再生混凝土性能，但相应的成本与工艺复杂性需作进一步研究[47~49]。当前已经进入再生混凝土“产品 – 工程”发展阶段，未来主要开展再生混凝土工程示范，形成再生混凝土工程运用关键技术及标准体系。

2 其他固废的循环再生

运河工程建造至特殊区域时，将产生某些特殊的固废。平陆运河所在地区铝工业发达，工业固废成分主要为赤泥。赤泥的循环再生路径包括建材生产、吸附剂与催化剂制备、有价元素提取等；其中，建材生产具有消纳体量大、成本低等优势，是提升赤泥资源化率的重要途径[50]。赤泥的主要化学成分为Fe2O3（含量为30%~60%)、Al2O3（含量为10%~20%)、SiO2（含量为3%~20%）[51]，在处理后可作为建筑胶凝材料，又细分为辅助胶凝材料、水泥熟料、碱激发原料[50]。作为辅助胶凝材料，赤泥可显著提升砂浆的工作性能、力学性能和活性[52]。赤泥不会对水泥熟料的力学性能、耐久性能、工作性能产生明显的不利影响。在约1300 ℃的煅烧温度条件下，赤泥生成C2S（含量为60%）、C4A3S（含量为10%）、C4AF（含量为9%）等产物[53]。作为碱激发原料，赤泥中的氧化物主要以钙霞石、方钠石的形式存在，不能直接发挥激发作用，需要掺入NaOH以提高反应活性[54]。

（四） 韧性化技术

河道防渗、边坡加固是保障运河耐久性和可靠性的常用技术。与巴拿马运河、苏伊士运河等现代运河类似，平陆运河也采用碎石铺底等方式对河道进行防渗漏和衬砌保护。平陆运河还采用数字孪生技术与预应力锚索相结合的方法进行边坡精准开挖与监测。生态可恢复、灾后功能可恢复是与运河工程低碳建造直接相关的内容。

1 生态可恢复

为了使运河具有生态可恢复功能，需要从全局出发，统筹运河工程建造全过程，将生态保护落实到立项、设计、施工等阶段（又以立项、设计阶段为重点）。在立项阶段，调研运河规划路线沿线的生态资源，评估运河工程建造对自然环境的影响（如量化对已有生态资源与生物多样性的影响），兼顾生态保护，合理开展路线规划和场地选择，尽量规避生物多样性丰富的区域。

在设计阶段，综合采取多种路径保障运河工程建造韧性化。① 尽量利用已有航道（如平陆运河沿用钦江原有的航道），直接减少新航道开挖对环境的破坏。② 关注因运河工程建造带来的动物生态阻隔问题（如鱼群洄游、动物迁移），构建专属通道（如平陆运河设置供鱼群洄游的鱼道），保障动物正常的生态繁衍需求。③ 运河跨越已有河流时，尽量利用自然水力以节约能源，如京杭大运河横穿长江时，在长江北岸修建两条水道，漕船北上时借长江水东流顺势进入东侧水道，漕船南下时由西侧水道进入长江并顺流进入运河。④ 在河道两侧规划一定范围的生态隔离带，其中不建造任何基础设施（仅作为生态涵养区），形成环境友好型的生态廊道。平陆运河两岸规划了宽度为1 km的生态廊道，以保护沿线生态环境。⑤ 恢复施工造成的生态破坏，如对于开山造成的山体大面积裸露等，及时进行加固和绿化处置。

2 灾后功能可恢复

运河灾后功能恢复分为枢纽功能可恢复、河道功能可恢复两部分。鉴于船闸更换与拆装较为容易，枢纽功能可恢复的主体内容是枢纽混凝土结构灾后可恢复，进一步分为材料灾后可恢复、构件灾后可恢复、结构灾后可恢复3个层次。在材料层次，采用高性能混凝土材料、设置抗震阻尼器等，增强枢纽尤其是船闸结构的抗震和抗洪能力。在构件和结构层次，开展灾后受损构件的迅速拆解与更换，迅速恢复运河枢纽灾后功能。

对于河道功能可恢复，地震、洪水造成边坡塌陷是堵塞河道、影响航运的主要因素。在设计之初即对运河沿线地质条件进行全面调查，统计容易发生滑坡、泥石流、崩塌等地质灾害的位点，进行针对性加固处置，提升运河沿线地质稳定性。河道路线尽量规避高危地质区域，河道施工过程中对边坡进行绿化和加固，减缓护坡坡度，最大限度地降低河道灾后停运的风险。

（五） 可再生能源技术

运河工程建造尽量采用清洁能源，减少化石能源使用，以合理降低碳排放。运河里程长、沿岸大型人工建筑较少，在部署风电、光伏发电并尽量当地消纳方面具有独特优势。

1 “风光储”清洁能源自洽

在运河工程建造中，清洁能源运用的目标是能源自洽供给，即风电、光伏发电基本满足运河施工与运维的能源需求，甚至有剩余电能供给沿线城市。可以配置适当规模的储能装置，以平抑风电、光伏发电的波动性和间歇性。“风光储”清洁能源自洽是有效应对运河工程建造能耗需求的关键技术。在清洁能源可用性量化方面，港口、航道场景下的风电、光伏发电潜力测算[55]，考虑特殊地势的能源融合场景划分方法等[56,57]已有进展，但存在能源差异性弱、量化种类单一等问题。在“风光储”清洁能源自洽匹配关系方面，交通领域是研究重点，如探讨随机型交通潮汐与能源网络的多时空尺度交互机理，明晰反映季节特性的电动汽车用能需求[58]；但运河工程建造与交通领域具有显著的用能差异性，仍需独立发展相关理论方法。可见，适用于运河施工与运维场景的“风光储”清洁能源可用性评估方法、用能计算方法、清洁能源自洽匹配关系等，仍待深化研究。

2 运河“风光储”能源自洽研究路线

开展运河“风光储”清洁能源自洽关键技术研究，着重解决运河“风光储”清洁能源自洽场景中“源”“荷”双重不确定叠加下的供需匹配量化难题。相应研究路线可描述为：开展运河分布式清洁能源高效率捕获技术研究，建立运河区域清洁能源发电预测方法、清洁能源利用方案；攻关运河清洁能源微电网与作业负荷协同优化控制技术，突破运河区域清洁能源微电网中不同容量系统匹配衔接的应用瓶颈；针对清洁能源供、需两侧的协调问题，开展自洽体系研究。

五 总结与展望

在我国，以京杭大运河为代表的古代运河工程为当时的经济社会发展作出了重要贡献；现代运河建设以平陆运河为开端，既需要保证技术可行性，又需要具有低碳性，尽可能降低工程建造对环境和生态的影响。本文以平陆运河工程建设为蓝本，深入剖析运河工程低碳建造过程，发现面临着运河建筑材料高效运用、运河新旧构件高效利用、运河多维固废循环再生、运河耐久性保障及沿线生物多样性保护、运河施工与运维低能耗等基本技术问题；针对性提出由减量化、再利用、循环再生、韧性化、可再生能源构成的5R低碳建造技术框架，为解决运河工程低碳建造的基本技术问题提供了系统性构思和关键要素。

需要指出的是，尽管得到平陆运河工程的大力牵引，有关运河工程低碳建造的研究仍处起步阶段；目前主要采用关联领域的成熟技术来解决运河工程建造面临的实际问题，而在低碳建造的理论构建、综合验证、全面应用等方面仍有诸多不足。建议学术界和工程界持续保持对这一新兴领域的关注、思考与研究，尽快完善我国运河工程低碳建造的理论与技术，更好保障未来国际国内的运河工程建设。

利益冲突声明

本文作者在此声明彼此之间不存在任何利益冲突或财务冲突。

Received date:June 13, 2024;Revised date: July. 12, 2024

Corresponding author: Xiao Jianzhuang is a professor from the College of Civil Engineering and Architecture of Guangxi University and College of Civil Engineering of Tongji University. His major research fields include recycling of construction waste and fundamental theory of recycled concrete structures. E-mail: jzx@tongji.edu.cn

Funding project: National Key R&D Program of China (2022YFC3803401); Chinese Academy of Engineering project “Research on Green Construction Development Strategy” (2022-XZ-21); Science and Technology Major Project of Guangxi (Guike AA23062054, Guike AA23062022)

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