基于生命周期評價的本土化水足跡影響評價模型構(gòu)建

馬逍天,洪靜蘭,翟一杰,申曉旭

1 山東大學(xué),藍(lán)綠發(fā)展研究院,威海前沿交叉科學(xué)研究院, 威海 264209

2 山東大學(xué),環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 青島 266237

當(dāng)前,全球均面臨嚴(yán)重的水資源短缺與污染問題。隨著人口膨脹與工農(nóng)業(yè)的發(fā)展,水資源供需矛盾日益突出,這不僅威脅著糧食安全與人體健康,還引發(fā)了嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境退化[1—3]。因此針對人類活動所導(dǎo)致的水資源消耗和污染情況實(shí)現(xiàn)科學(xué)的管理已經(jīng)成為一個亟待解決的問題。Hoekstra在虛擬水理論的基礎(chǔ)上提出了“水足跡”的理念,以實(shí)現(xiàn)針對不同的目標(biāo)產(chǎn)業(yè)活動在不同地理和時間維度上所消耗的水資源情況和其導(dǎo)致的水污染情況的量化評估[4—5]?；谔摂M水理論的水足跡評價方法計算簡便、操作性強(qiáng),在水環(huán)境管理中具有較好的預(yù)警作用[6]。但這種方法側(cè)重“體積”計算,未進(jìn)行環(huán)境影響評價與風(fēng)險評估,因此一些環(huán)境毒性大的污染物極易被忽略[7—8]。在國家十三五規(guī)劃綱要中,以環(huán)境質(zhì)量目標(biāo)為導(dǎo)向的全過程環(huán)境風(fēng)險管控已提升至國家戰(zhàn)略高度,因此需要一個新的方法針對水足跡的環(huán)境影響進(jìn)行系統(tǒng)科學(xué)的量化評估。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織發(fā)布了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)《ISO 14046 Environmental Management-Water Footprint-Principles, Requirements and Guidelines》,提出采用生命周期評價(Life Cycle Assessment, LCA)的方法進(jìn)行水足跡評價以實(shí)現(xiàn)全過程水足跡影響分析[9]。我國于2017年轉(zhuǎn)化了該標(biāo)準(zhǔn),鼓勵采用LCA的理念進(jìn)行水環(huán)境管理[10]。ISO 14046標(biāo)準(zhǔn)同時發(fā)布了采用LCA方法進(jìn)行水足跡影響評價的基本要求和方法框架(圖1)。但標(biāo)準(zhǔn)并未提出具體的水足跡影響評價模型,當(dāng)前符合該標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)方法性研究仍較為稀缺[11—12]。ISO 14046標(biāo)準(zhǔn)[9]和Mikosch等[13]指出水足跡影響評價主要包含水稀缺足跡(Water Scarcity Footprint, WSF)、水可利用性足跡(Water Availability Footprint, WAF)和水劣化足跡(Water Degradation Footprint, WDF)評估。但當(dāng)前研究主要集中于對WSF及WAF的評價,如Berger等[14]和Boulay等[15]基于“消耗-可利用性(Consumption-to-Availability, CTA)”系數(shù)分別提出了WAVE、AWARE模型,對水資源消耗導(dǎo)致的環(huán)境影響進(jìn)行了量化評估,即進(jìn)行了WSF量化。Bayart等[16]、Boulay等[17]以及Ridoutt和Pfister[18]則提出在WSF的基礎(chǔ)上引入水體質(zhì)量對水資源可利用性的影響完成WAF量化。目前針對WDF的評價則相對較少,如Ridoutt和Pfister[19]基于ReCiPe模型進(jìn)行了WDF量化；Lovarelli等[20]提出了包含淡水富營養(yǎng)化、海洋富營養(yǎng)化和淡水生態(tài)毒性影響的WDF量化方法,但其未考慮水環(huán)境污染對人體健康的影響。此外,Huijbregts等[21]對ReCiPe模型進(jìn)行了升級以提供全球化和區(qū)域化環(huán)境影響評價的特征化因子,同時補(bǔ)充了用水對人體健康、淡水及陸地生態(tài)系統(tǒng)的影響路徑,為水足跡影響終點(diǎn)層次(即人體健康、生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量和資源損傷[9])的分析提供了理論支撐和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。但當(dāng)前關(guān)于采用LCA方法進(jìn)行水劣化足跡評價的研究主要存在兩個問題：第一是清單構(gòu)建時忽略了經(jīng)由大氣與土壤間接影響水質(zhì)的污染物,致使評價結(jié)果偏低；第二是影響評價時,部分學(xué)者直接采用生命周期評價模型提供的參數(shù)開展水足跡影響評估,因未剔除與水介質(zhì)無關(guān)的攝入途徑以及大氣與土壤介質(zhì)中殘留污染物的環(huán)境影響導(dǎo)致過度評估[12, 22]。此外,模型構(gòu)建過程中采用的地理、水質(zhì)、環(huán)境、人口等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)具有明顯的地域差異性,直接引用國外模型并不符合我國國情的需要[23]。因此該研究構(gòu)建了一個微觀(企業(yè))、中觀(行業(yè))、宏觀(區(qū)域/國家)層次通用的本土化全過程水足跡影響量化模型,以實(shí)現(xiàn)對人類活動所導(dǎo)致的水資源消耗和水環(huán)境污染的環(huán)境風(fēng)險的量化,并可有效描繪人類產(chǎn)業(yè)活動和自然生態(tài)系統(tǒng)各要素之間的相互關(guān)系，從而鎖定關(guān)鍵污染節(jié)點(diǎn)。模型構(gòu)建及應(yīng)用過程中獲取的經(jīng)驗(yàn)也可應(yīng)用到其他國家、區(qū)域的工業(yè)及其他行業(yè)的水足跡影響評價中,為實(shí)現(xiàn)水環(huán)境污染源頭預(yù)防、全過程控制和高效治理提供理論、數(shù)據(jù)和決策支持。

圖1 水足跡評價流程和基本要求

1 本土化水足跡影響評價模型構(gòu)建

1.1 分析邊界與模型框架的確定

該研究構(gòu)建的模型的分析邊界依據(jù)ISO 14046標(biāo)準(zhǔn)建立。即在進(jìn)行清單分析時,不僅包含了目標(biāo)產(chǎn)業(yè)活動或產(chǎn)品生命周期中的水消耗數(shù)據(jù)和水體污染物排放數(shù)據(jù),還包含了排放到其他環(huán)境介質(zhì)中的污染物。因?yàn)檫@部分物質(zhì)能夠通過遷移轉(zhuǎn)化進(jìn)入到水環(huán)境中,進(jìn)而威脅人體健康和生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量。在進(jìn)行影響評價時僅考慮了與水體有關(guān)的影響,即在進(jìn)行環(huán)境宿命解析時,僅考慮穩(wěn)態(tài)時水體中的污染物。而在進(jìn)行暴露分析時,僅考慮了飲水和直接與水環(huán)境有關(guān)的飲食(如水產(chǎn)等)暴露的影響。模型包含了中間點(diǎn)和終點(diǎn)兩個層次的分析(圖2),對于人體健康損傷的評估,同時包含了因水稀缺所導(dǎo)致的糧食短缺進(jìn)而引發(fā)的營養(yǎng)不良的影響,以及污染物引發(fā)的致癌性和非致癌性疾病的影響。在評價對生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的影響時,則同時考慮了水資源短缺、生態(tài)毒性、富營養(yǎng)化和酸性化的影響。

圖2 基于生命周期的本土化水足跡影響評價模型框架

1.2 清單構(gòu)建方法

依據(jù)不同層次的清單構(gòu)建方法,該研究構(gòu)建的模型能夠?qū)崿F(xiàn)多維度應(yīng)用,即其可從微觀(企業(yè))、中觀(行業(yè))乃至宏觀(區(qū)域/國家)多個層次上在不同的地理區(qū)域或時間尺度內(nèi)針對不同情景模式開展水足跡影響評價。微觀層次的清單構(gòu)建方法采用基于過程的生命周期評價(Process-based Life Cycle Assessment, PLCA)清單構(gòu)建方法[24—25]：

(1)

式中,WFIi為水足跡清單分析中污染物i的排放量,pj為目標(biāo)產(chǎn)業(yè)活動或產(chǎn)品生產(chǎn)過程中所有排放污染物i的流程(如生產(chǎn)過程、污染物排放和廢棄物現(xiàn)場處置等),k、m為供應(yīng)鏈中的上游流程,Q為供應(yīng)鏈級數(shù)。由此可見PLCA法的數(shù)據(jù)收集過程是一個龐大的網(wǎng)絡(luò),因此研究一般只收集pj的投入產(chǎn)出數(shù)據(jù)[26],供應(yīng)鏈上的輸入輸出數(shù)據(jù)則通過基于過程的中國生命周期水足跡分析數(shù)據(jù)庫(The Chinese process-based life cycle inventory database for water footprint analysis, CPLCID-WF)獲取[22]。中觀層次的清單構(gòu)建方法采用混合生命周期評價(Hybrid Life Cycle Assessment, HLCA)清單構(gòu)建方法(圖3)[27—28]。宏觀層次的水足跡影響評價清單可基于政府頒布的環(huán)境排放數(shù)據(jù)和資源消耗數(shù)據(jù)、投入產(chǎn)出法(Input-Output method, IO)等進(jìn)行構(gòu)建[29]。

圖3 中觀層次水足跡影響評價清單構(gòu)建方法

1.3 中間點(diǎn)特征化參數(shù)計算

中間點(diǎn)層次的水足跡影響評價是在清單分析的基礎(chǔ)上,依據(jù)環(huán)境影響機(jī)理建立清單物質(zhì)與各中間點(diǎn)影響類型之間的聯(lián)系,即通過特征化參數(shù)實(shí)現(xiàn)各種環(huán)境干擾因素的當(dāng)量因子的轉(zhuǎn)換,從而方便比較[30]。該研究構(gòu)建的本土化水足跡影響評價模型包含6個中間點(diǎn)影響類型,對于水稀缺足跡的量化評估采取WAVE+模型[14, 31]提供的方法與參數(shù),如下所示：

(2)

(3)

式中,WFWS為水稀缺足跡,cfWS為其特征化參數(shù)。n、m為流域和月份。FW、WW、ER、VR、BIER、R、P、WDI分別為淡水取水量、排放到流域中的廢水量、蒸散發(fā)循環(huán)量、化學(xué)反應(yīng)匯中合成的蒸汽循環(huán)量、通過降水返回到流域的蒸散發(fā)量、長期平均徑流、總降水量和耗水指數(shù)(Water Depletion Index, WDI)。毒性影響類型(致癌性、非致癌性和淡水生態(tài)毒性足跡)在Li等[32]和Zhang等[33]研究的基礎(chǔ)上計算：

(4)

cftox,i為毒性影響類型的特征化參數(shù),FFi,water為通過Mackay三級逸度模型[34]計算的污染物i的歸宿因子,該研究只包含了穩(wěn)態(tài)時水體中污染物i的影響。XFi,water為污染物i的暴露因子,EFi為影響因子。對于XFi,water的計算,只考慮了與水環(huán)境有關(guān)的經(jīng)口攝入,皮膚、呼吸暴露等并不包含在內(nèi)：

(5)

XFi,H為污染物i的人體健康毒性足跡(致癌性和非致癌性足跡)的暴露因子。BAFi、PRODi、POP、MASSj分別為污染物i的生物蓄積系數(shù)(無量綱)、單位時間內(nèi)污染物i的攝入量[mg/(kg·days)]、暴露區(qū)域人口總體重(kg)和暴露區(qū)域內(nèi)食品j的總質(zhì)量(kg)。ci、exfi、edi、IRi分別為污染物i在水介質(zhì)或食品中的濃度(mg/L或mg/kg)及暴露頻率(d/a)、暴露持續(xù)時間(a)和攝入率(L/d或kg/d)。BW、LTh為人體平均體重(kg)和終身暴露時間(70年)。影響因子則可根據(jù)如下公式計算[35]：

(6)

(7)

(8)

(9)

1.4 人體健康和生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量損傷評價

該研究中人體健康和生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量損傷評價是在中間點(diǎn)環(huán)境影響的基礎(chǔ)上依據(jù)ReCiPe報告提供的方法進(jìn)行[30, 37]。ReCiPe模型通過建立環(huán)境污染事實(shí)和人體健康與生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量損傷之間的因果鏈,確立各中間點(diǎn)對人體健康和生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的損傷路徑。據(jù)此實(shí)現(xiàn)從各中間點(diǎn)到其對應(yīng)終點(diǎn)轉(zhuǎn)換參數(shù)的計算,最終獲得各污染物的終點(diǎn)損傷參數(shù),如表1所示。其中,本研究在中間點(diǎn)到生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量損傷的轉(zhuǎn)換參數(shù)計算過程中采用了中國的背景數(shù)據(jù)。而人體健康損傷相關(guān)的轉(zhuǎn)換參數(shù)因缺乏相關(guān)數(shù)據(jù)選取了ReCiPe模型提供的全球通用型影響因子。

表1 基于生命周期的本土化水足跡影響評價模型中間點(diǎn)至終點(diǎn)轉(zhuǎn)換參數(shù)

2 應(yīng)用示例

2.1 系統(tǒng)邊界

該研究以某鎳鐵合金生產(chǎn)企業(yè)為例,運(yùn)用構(gòu)建的本土化水足跡影響評價模型進(jìn)行了微觀層次的示例分析,以展示模型運(yùn)行結(jié)果。中觀、宏觀層次的水足跡評價可通過HLCA、IO等方法和統(tǒng)計數(shù)據(jù)構(gòu)建的污染物排放和資源使用清單,結(jié)合本文構(gòu)建的水足跡影響評價模型實(shí)施,如Ma等[22]實(shí)施的我國煤電行業(yè)水足跡影響評價等。本研究選取1 t鎳鐵合金作為功能單位,其系統(tǒng)邊界如圖4所示。該研究生產(chǎn)的鎳鐵合金以紅土鎳礦為原材,采用回轉(zhuǎn)窯-電爐(Rotary Kiln-Electric Furnace, RKEF)技術(shù)生產(chǎn),含鎳量為16%。該研究的系統(tǒng)邊界內(nèi)包含鎳礦開采、鎳鐵冶煉和廢棄物處置等流程,且上述所有流程均包含原材料的生產(chǎn)、運(yùn)輸(假設(shè)100 km通過卡車)、能源消耗、污染物直接排放(如粉塵、鎳、二氧化硫和氮氧化物等)和土地占用等流程。

圖4 系統(tǒng)邊界圖

2.2 數(shù)據(jù)來源

鎳鐵合金冶煉階段的數(shù)據(jù)來自江西某企業(yè),鎳礦開采階段數(shù)據(jù)來自云南某企業(yè),詳細(xì)的水足跡影響評價清單取自Ma等發(fā)布的鎳鐵合金生命周期評價清單[38],其他生命周期階段的投入產(chǎn)出數(shù)據(jù)由CPLCID-WF數(shù)據(jù)庫提供,水足跡影響評價的實(shí)施采用SimaPro 8.4軟件。

3 結(jié)果

3.1 水足跡影響評價結(jié)果

針對示例案例采用研究構(gòu)建的本土化水足跡影響評價模型進(jìn)行水足跡影響評價,研究同時運(yùn)用不確定性分析計算了幾何標(biāo)準(zhǔn)差的平方(Squared Geometric Standard Deviation, GSD2)用以描述評價結(jié)果在95%置信區(qū)間下的波動范圍[39—41],如表2所示。研究以水稀缺足跡這一中間點(diǎn)為例對水足跡影響評價和不確定性分析結(jié)果進(jìn)行說明,生產(chǎn)1 t鎳鐵合金的水稀缺足跡為31.87 m3。但受清單數(shù)據(jù)質(zhì)量和模型特征化參數(shù)計算過程的影響,研究結(jié)果存一定的波動范圍。其GSD2為1.32,這意味著在鎳鐵合金的生命周期中,每生產(chǎn)1 t產(chǎn)品對水稀缺造成的潛在環(huán)境影響范圍為24.10 m3至42.14 m3。

表2 水足跡影響評價結(jié)果

3.2 關(guān)鍵因子分析

研究分析了鎳鐵合金生產(chǎn)水足跡影響的關(guān)鍵影響類型、物質(zhì)和流程，以鎖定關(guān)鍵污染節(jié)點(diǎn),助力于科學(xué)的水環(huán)境管控,如圖5所示。對于人體健康損傷,致癌性足跡的貢獻(xiàn)最為突出,其貢獻(xiàn)比高達(dá)71.1%,致癌性足跡和水稀缺足跡次之。對于生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量損傷,貢獻(xiàn)最為突出的中間點(diǎn)類型為淡水生態(tài)毒性足跡,其貢獻(xiàn)比為77.2%,水體富營養(yǎng)化和酸性化的影響次之,水稀缺的貢獻(xiàn)幾乎可忽略不計。導(dǎo)致致癌性足跡的關(guān)鍵污染物為重金屬鉻和砷的排放,對于非致癌性足跡則為砷和汞的排放,對于淡水生態(tài)毒性足跡則為銅、鍶等重金屬的排放。導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化的關(guān)鍵污染物為總磷、總氮等,酸性化足跡的關(guān)鍵污染物則為二氧化硫。上述污染物主要來自于交通運(yùn)輸、焦炭生產(chǎn)、發(fā)電、壓縮空氣制備以及電極糊制備等間接過程的排放,鎳鐵合金生產(chǎn)過程中直接消耗的水資源或排放的污染物對人體健康和生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量損傷的貢獻(xiàn)僅為5.1%和2.7%。值得注意的是,直接過程中排放到空氣和土壤中的污染物貢獻(xiàn)較為突出,說明在清單構(gòu)建過程中將這部分污染物的排放數(shù)據(jù)納入分析是十分必要的。

圖5 關(guān)鍵因子分析：導(dǎo)致人體健康和生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量損傷關(guān)鍵流程和污染物

3.3 敏感性分析

依據(jù)ISO 14046標(biāo)準(zhǔn),研究針對關(guān)鍵流程進(jìn)行了敏感性分析,如表3所示。研究以發(fā)電這一流程的健康損傷為例進(jìn)行說明,若發(fā)電階段的水足跡影響增加或減少5%,鎳鐵合金生產(chǎn)階段的水足跡對人體健康和生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量損傷的影響將分別增加或減少5.4×10-6傷殘調(diào)整生命年。該研究采用的電力為煤電,但若采用核電、水電、風(fēng)電、太陽能發(fā)電等清潔能源[38],1 t鎳鐵合金生產(chǎn)的水足跡對人體健康損傷的影響將分別降低17.2%、16.0%、18.4%、17.8%,而生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量損傷則分別下降19.4%、17.8%、20.0%和19.8%。

表3 敏感性分析結(jié)果

4 結(jié)論

針對當(dāng)前符合ISO 14046國際標(biāo)準(zhǔn)的基于生命周期評價的本土化水足跡影響評價模型稀缺等問題,研究基于我國地理、環(huán)境、人口等現(xiàn)狀構(gòu)建了一個包含6個中間點(diǎn)影響類型和2個終點(diǎn)保護(hù)目標(biāo)的評價模型。模型分析了排放到大氣、土壤和水體中的3千余種物質(zhì)對水環(huán)境的影響,最終形成了囊括了35374個中間點(diǎn)參數(shù)的水足跡影響評價模型。本文同時提供了微觀、中觀到宏觀層次的清單構(gòu)建方法,使得模型具有較好的普適性,能夠作為一個有效量化不同地理范圍內(nèi)不同層次的產(chǎn)業(yè)活動的水足跡影響的通用性模型,為用水結(jié)構(gòu)調(diào)整、區(qū)域水資源配置以及其他環(huán)境介質(zhì)污染的協(xié)同治理提供參考性信息。

該研究同時以某企業(yè)鎳鐵合金生產(chǎn)的水足跡影響為例進(jìn)行了示例分析,研究發(fā)現(xiàn)在其生命周期中需重點(diǎn)關(guān)注的關(guān)鍵污染節(jié)點(diǎn)為交通運(yùn)輸、焦炭生產(chǎn)、發(fā)電、壓縮空氣制備以及電極糊制備等間接過程,直接過程影響相對降低。需重點(diǎn)控制的污染物為鉻、砷、汞、銅等重金屬的排放以及總氮、總磷、二氧化硫等物質(zhì)的排放。