基于LCIA的多目標(biāo)環(huán)境影響評價

劉志峰, 孫 博

(合肥工業(yè)大學(xué) 機械與汽車工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

基于LCIA的多目標(biāo)環(huán)境影響評價

劉志峰, 孫 博

(合肥工業(yè)大學(xué) 機械與汽車工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

文章引入多目標(biāo)評價的思想,在生命周期環(huán)境影響評價中,突破傳統(tǒng)的只注重危害性單一目標(biāo)的評價方法,綜合考慮各類環(huán)境影響的治理難易性目標(biāo)及危害性目標(biāo),在設(shè)計階段,遵循危害大且難處理的環(huán)境影響應(yīng)最優(yōu)先考慮(如溫室氣體),危害小且易處理的環(huán)境影響應(yīng)最少考慮的原則,建立了一套新的多目標(biāo)的環(huán)境影響評價方法,用以支持綠色設(shè)計方案的選擇;最后引用該方法對一款典型洗碗機產(chǎn)品進行了分析,得出該款洗碗機產(chǎn)品各環(huán)境影響綜合重要度排序及總的綜合環(huán)境影響指數(shù)。采用該方法可直觀地找出設(shè)計中最需要關(guān)注的改進點及該款洗碗機總的綠色水平,因此可有效地支持機電產(chǎn)品的綠色設(shè)計。

綠色設(shè)計;生命周期影響評價;AHP方法

幾乎所有的生命周期影響評價(life cycle impact assessment,LCIA)方法都是僅從各類環(huán)境影響的危害性角度來考慮問題,將各類環(huán)境影響歸類為環(huán)境負荷大小,如Eco-indicator 99[1,2]等方法,就是將最終的評價結(jié)果歸結(jié)為標(biāo)準(zhǔn)生態(tài)指標(biāo)值。標(biāo)準(zhǔn)生態(tài)指標(biāo)值是一組基于生命周期評估得到的數(shù)據(jù),用以表明一個產(chǎn)品或一個加工過程對環(huán)境產(chǎn)生負影響的程度。本文認(rèn)為這種單純從某項環(huán)境影響對環(huán)境造成危害的角度出發(fā)來考慮問題是較片面的,不能全面地反映出各類環(huán)境影響需要被重視的程度。例如,分析某產(chǎn)品對環(huán)境的影響主要有A、B兩類,A類環(huán)境影響的危害性較大,但后期治理較為容易;B類環(huán)境影響的危害性較小,但后期治理非常困難。因此遇到A、B類問題的時候,單目標(biāo)的LCIA方法就不能直接給出最需要關(guān)注的顯著環(huán)境影響因子。為克服上述問題,本文引入環(huán)境影響的治理難易程度目標(biāo),對各類環(huán)境影響進行多目標(biāo)的綜合評價,最終找出最需要關(guān)注的顯著環(huán)境影響因子及總的環(huán)境影響指數(shù)。

目前在LCIA中,第3步權(quán)重的計算基本都是用如下公式:EI=∑VkNk或EI=∑VkSk[3]。其中,EI是總環(huán)境影響指標(biāo);Vk是影響類型k的權(quán)重因子;Nk是歸一化的類型參數(shù)結(jié)果(終點型LCIA方法中的生態(tài)系統(tǒng)、人類健康等);Sk是特征化階段的類型參數(shù)結(jié)果(中點型LCIA方法中的溫室氣體、酸雨、富營養(yǎng)化等)[4]。

本文在LCIA第3步中引入了處理難易目標(biāo)后,給出如下公式:其中,W 1k是影響類型k的危害性目標(biāo)權(quán)重因子,∑W 1k=1;W 2k是影響類型k的治理難易性目標(biāo)權(quán)重因子,∑W2k=1;W3是危害性相對于治理難易性的相對權(quán)重,這里取W 3=(0.7,0.3)。改進前、后 LCIA方法的模型,如圖1、圖2所示。

圖1 傳統(tǒng)LCIA方法模型 圖2 改進LCIA方法模型

1 多目標(biāo)環(huán)境影響評價模型的建立

運用改進的LCIA方法模型對一款典型洗碗機產(chǎn)品進行分析。模型分為4層,如圖3所示。

第1層為待評價產(chǎn)品各環(huán)境影響因子,通過軟件中輸入洗碗機產(chǎn)品的基本信息得出,該層信息紛繁復(fù)雜,需要經(jīng)過特征化處理后才可使用;第2層為經(jīng)過特征化處理后的各環(huán)境影響類型;第3層為指標(biāo)層,用于第2層各環(huán)境影響類型的加權(quán)參考。第4層為總的目標(biāo)層,得出評價結(jié)論。

1.1 研究內(nèi)容

(1)評價產(chǎn)品各環(huán)境影響類型的綜合重要程度,通過AHP層次分析法,綜合考慮危害性指標(biāo)和處理難易指標(biāo),對各環(huán)境影響類型進行綜合評定,得出它們的綜合重要指數(shù)并排序,方便設(shè)計人員找出產(chǎn)品最需改進之處。

(2)評價產(chǎn)品總的環(huán)境影響指數(shù),對前面計算得出的各環(huán)境影響類型的綜合重要指數(shù)進行相加,可以得出產(chǎn)品總的環(huán)境影響指數(shù),方便對相似產(chǎn)品進行優(yōu)劣比較。

1.2 模型結(jié)構(gòu)

(1)第1層到第2層。相當(dāng)于對清單的數(shù)據(jù)進行特征化,將第1層各紛繁復(fù)雜的環(huán)境影響因子進行歸類計算,特征化為第2層的各環(huán)境影響類型。該步驟可通過VHK的EuP-EcoReport軟件、荷蘭 Leiden大學(xué)的SimaPro等軟件進行計算[5],最終可得各環(huán)境影響類型的當(dāng)量質(zhì)量Sk=(m1,m2,…,mn)。

(2)第2層到第3層。首先以每千克該類環(huán)境影響物質(zhì)的危害性為指標(biāo),采用專家打分法對各類環(huán)境影響相互間的重要度進行打分,然后計算得出該指標(biāo)下各類環(huán)境影響的一組權(quán)重W1k=(X1,X2,…,Xn);再以每千克該類環(huán)境影響物質(zhì)的處理難易性為指標(biāo),采用同樣方法計算得出各類環(huán)境影響的另一組權(quán)重W2k=(Y1,Y2,…,Yn);定義危害性指標(biāo)與處理難易性指標(biāo)的權(quán)重分配為W3=(Z1,Z2),最終計算得出各環(huán)境影響類型的綜合權(quán)重

(3)第3層到第4層。根據(jù)S k與W計算得出各環(huán)境影響類型的綜合重要指數(shù)Q=WSTk=(q1,q2,…,qn),對計算結(jié)果Q進行排序,可找出該款產(chǎn)品需要注意的方面,提醒設(shè)計人員此方面有待改進。

對各環(huán)境影響類型的綜合重要指數(shù)Q進行相加,可得到產(chǎn)品總的環(huán)境影響指數(shù)EI,該指數(shù)的計算可用于對不同款洗碗機進行優(yōu)劣比較。

2 多目標(biāo)環(huán)境影響評價模型的求解方法

2.1 顯著環(huán)境影響類型S k的定量化

根據(jù) ISO14000技術(shù)框架,運用 Gabi、Sima-Pro等生命周期軟件對產(chǎn)品清單數(shù)據(jù)進行生命周期分析,得出特征化后的各環(huán)境影響類型當(dāng)量值,即第2層數(shù)據(jù)Sk=(m1,m2,…,mn)。

2.2 顯著環(huán)境影響的權(quán)重分析

(1)危害性目標(biāo)下的權(quán)重分析。對于危害性這一目標(biāo),環(huán)境元素i和j哪一個更重要,重要的程度如何,通常按1～9比例標(biāo)度對重要性程度賦值,其1～9標(biāo)度的含義見文獻[6,7]。

以每千克各環(huán)境影響物質(zhì)對環(huán)境造成危害的相對大小為準(zhǔn)則,對各環(huán)境影響進行打分,具體打分見表1所列。

表1 危害性準(zhǔn)則下的打分表格

由此打分結(jié)果可得判斷矩陣為:

(2)治理難易性目標(biāo)下的權(quán)重分析。采用同樣方法,以每千克各環(huán)境影響物質(zhì)治理難易的相對大小為準(zhǔn)則,對各環(huán)境影響進行打分。筆者認(rèn)為難治理的環(huán)境影響更應(yīng)受到重視,所以這里打分時認(rèn)為越難治理的環(huán)境影響越重要,相對分值越高。同理可得出治理難易準(zhǔn)則下的各環(huán)境影響類型的權(quán)重向量為:

(3)不同環(huán)境影響類型的優(yōu)先順序及綜合重要度。對于危害性目標(biāo)和治理難易性目標(biāo),定義它們之間的權(quán)重關(guān)系W3=(0.7,0.3),并根據(jù)上述權(quán)重向量W1k,W 2k,計算得綜合權(quán)重向量W=

2.3 顯著環(huán)境影響及綜合環(huán)境影響指數(shù)計算

由上述數(shù)據(jù)Sk、W可得,各環(huán)境影響類型的綜合重要指數(shù)Q=WSTk=(q1,q2,…,qn),對向量Q內(nèi)的數(shù)據(jù)進行排序,可找出設(shè)計方案最需要的改進點。對Q進行加和可得產(chǎn)品的綜合環(huán)境影響指數(shù)E I=∑Q,最優(yōu)的設(shè)計方案=min{EI}。

3 實 例

3.1 洗碗機顯著環(huán)境影響類型Sk

以洗碗機EuP研究報告中容量為12套的典型產(chǎn)品為例,運用上述模型自下而上,層層進行求解。另外需要指出的是,本文主要研究的是在多指標(biāo)下計算洗碗機的綜合環(huán)境影響及對環(huán)境影響類型進行優(yōu)選,直接采用EuP研究報告中EuPEcoreport軟件計算出的結(jié)果,第2層的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)具體見表2所列[8]。

由此可以得出各環(huán)境影響類型的當(dāng)量質(zhì)量Sk=(m1,m2,…,m8)。

表2 容量為12套的典型洗碗機全生命周期環(huán)境影響kg

3.2 洗碗機顯著環(huán)境影響的權(quán)重分析

采用專家打分法,以每千克各環(huán)境影響物質(zhì)對環(huán)境造成危害的相對大小為準(zhǔn)則,對各環(huán)境影響進行打分。具體打分結(jié)果見表3所列。

表3 危害性準(zhǔn)則下的打分結(jié)果

由此打分結(jié)果可得判斷矩陣為:

對此判斷矩陣進行一致性檢驗,經(jīng)計算得出一致性比例 CR=CI./RI=0.006 662＜0.1,因此可認(rèn)為該判斷矩陣的一致性較好,故不需再對矩陣A進行修改。然后利用根方法,可得

計算危害性準(zhǔn)則下的各環(huán)境影響類型的權(quán)重向量W1k=(X1,X2,…,X8)=(0.024 2,0.045 709,0.052 438,0.059 945,0.130 485,0.092 448,0.239 443,0.355 331)。

采用同樣方法,以每千克各環(huán)境影響物質(zhì)治理難易的相對大小為準(zhǔn)則,對各環(huán)境影響進行打分。同時可以認(rèn)為難治理的環(huán)境影響更應(yīng)受到重視,所以這里打分時可以認(rèn)為越難治理的環(huán)境影響越重要,相對分值越高。打分結(jié)果見表4所列。

表4 治理難易準(zhǔn)則下的打分結(jié)果

同理可得出治理難易準(zhǔn)則下的各環(huán)境影響類型的權(quán)重向量,即W2k=(Y1,Y 2,…,Y8)=(0.3,0.041 015,0.075 223,0.130 087,0.100 311,0.168 702,0.084 351,0.100 311)。

對于危害性準(zhǔn)則和治理難易性準(zhǔn)則,定義它們之間的權(quán)重關(guān)系W3=(0.7,0.3),并根據(jù)上述權(quán)重向量W1k、W 2k,計算得各環(huán)境影響類型的綜合權(quán)重向量(0.106 940,0.044 301,0.059 273,0.080 988,0.121 433,0.115 325,0.192 916,0.278 825)。

最終計算各環(huán)境影響類型的綜合重要指數(shù)Q=STkW=(q1,q2,…,q8)=(1.83×103,1.11×10,4.92,3.70×10-2,3.22×10-4,6.69×10-10,4.02×10-3,4.78×10-2)T×(0.106 940,0.044 301,0.059 273,0.080 988,0.121 433,0.115 325,0.192 916,0.278 825)。

將上述計算結(jié)果按大小排序,見表5所列。

表5 各環(huán)境影響類型的綜合重要指數(shù)排序

由上述計算結(jié)果可知,溫室氣體、酸雨主要產(chǎn)生于洗碗機產(chǎn)品使用階段電能的消耗(火力發(fā)電排放的二氧化碳、氮化物、硫化物等);富營養(yǎng)化主要產(chǎn)生于洗碗機產(chǎn)品使用階段洗滌劑的使用;重金屬(水、空氣中)主要產(chǎn)生于洗碗機產(chǎn)品生產(chǎn)階段切削加工等工藝過程;揮發(fā)性有機化合物來自洗碗機產(chǎn)品使用階段機體的揮發(fā)(涂層及易揮發(fā)材料的使用);PAHs主要產(chǎn)生于洗碗機產(chǎn)品生產(chǎn)階段塑料件的加工工藝過程;持久性有機污染物主要來源于洗碗機產(chǎn)品生產(chǎn)階段工藝加工的副產(chǎn)品。了解這些之后,就可有針對性地對顯著環(huán)境影響進行改進。此外,該款產(chǎn)品總的環(huán)境影響指數(shù)大小為EI=∑Q=1.97×102,在比較同款產(chǎn)品設(shè)計方案優(yōu)劣時,該值可作為重要指標(biāo),即最優(yōu)方案=min{EI}。

4 結(jié)束語

本文在傳統(tǒng)LCIA方法的基礎(chǔ)上,引入了治理難易目標(biāo)的思想。在對產(chǎn)品的環(huán)境影響進行評價時,綜合考慮傳統(tǒng)的目標(biāo)與新引入的目標(biāo),實現(xiàn)了全方位多角度的綜合評判,同時又保留了Eco-indicator 99等傳統(tǒng)方法的優(yōu)點,不但可以對產(chǎn)品各環(huán)境影響進行綜合重要度排序,幫助設(shè)計人員找出最需要關(guān)注的改進點,還能給出總的綜合環(huán)境影響指數(shù)EI來描述產(chǎn)品的綜合環(huán)境特性,幫助決策者對不同設(shè)計方案的優(yōu)劣進行選擇。

[1] 欒忠權(quán).基于Eco-indicator 99的產(chǎn)品環(huán)境特性評估及設(shè)計應(yīng)用[J].輕工機械,2004,(2):8-12.

[2] PREConsultan ts.Eco-indicator 99:a damage oriented LCA im pact assessmentmethod:manual for designers[EB/OL].[2008-05-01].http://www.pre.nl/eco-indicator99/ei99-reports.h tm.

[3] Pennington DW,Jolliet O,Finnveden G,et al.Life cycle assessment,part 2:current impact assessmen t practice[J].Environment International,2004,30:721-739.

[4] H ertw ich E G,H amm itt J K.A decision-analytic framew ork for impact assessmen t,part 2:m idpoints,endpoin ts,and criteria formethod development[J].International Jou rnal of Life Cycle Assessment,2001,6(5):265-272.

[5] 楊建新,王如松,劉晶茹.中國產(chǎn)品生命周期影響評價方法研究[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2001,21(2):234-237.

[6] 劉新憲,朱道立.選擇與判斷:AHP(層次分析法)決策[M].上海:上?？茖W(xué)普及出版社,1990:10-100.

[7] 李 輝,劉志峰,孔祥明,等.基于模糊層次分析法的廢舊冰箱回收經(jīng)濟性評價[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2008,31(3):370-374.

[8] 張 雷,陳志軍,劉志峰,等.家電產(chǎn)品生命周期評價邊界界定研究[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2010,33(3):327-332.

M ulti-objective environmental impact assessmentbased on LCIA

LIU Zhi-feng, SUN Bo

(School of Machinery and Automobile Engineering,H efei University of Technology,H efei 230009,China)

This paper introduces the idea of mu lti-ob jective assessment in the process of life cycle impact assessment(LCIA).This method takes various targets of harm fulness and difficulty of dealing with the harm fulness into account,w hich isabreakthrough of the traditionalmethod thatonly focuses on sing le ob jective of harm fu lness.In the design phase,follow ing the p rinciple that the environmental impactsmore harm fulandmore difficult to be dealtw ith should be allocated w ith top priority and the environmental impacts less harm fuland easy to be dealtw ith be taken least consideration,the paper estab lishes a new multi-objective assessmentmethod,that can be used to support the choice of green design programs.A typical product of dishwasher isassessed via thismethod,and the overall im portance sequence and total index o f environmental impacts are acquired.The imp rovement points in the design program and the overall green level of the dishwasher can be found out by the presented method,which effectively supports the green design of electromechanical products.

green design;life cycle impact assessment(LCIA);Analytic Hierarchy Process(AHP)method

TH 12

A

1003-5060(2011)01-0001-05

10.3969/j.issn.1003-5060.2011.01.001

2010-02-26;

2010-04-07

國家自然科學(xué)基金資助項目(50775061);廣東省經(jīng)貿(mào)委資助項目(20070105-1)

劉志峰(1963-),男,陜西寶雞人,博士,合肥工業(yè)大學(xué)教授,博士生導(dǎo)師.

(責(zé)任編輯 呂 杰)