劉志峰, 孫 博

(合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)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(píng)價(jià)

劉志峰, 孫 博

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

文章引入多目標(biāo)評(píng)價(jià)的思想,在生命周期環(huán)境影響評(píng)價(jià)中,突破傳統(tǒng)的只注重危害性單一目標(biāo)的評(píng)價(jià)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(jì)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(píng)價(jià)方法,用以支持綠色設(shè)計(jì)方案的選擇;最后引用該方法對(duì)一款典型洗碗機(jī)產(chǎn)品進(jìn)行了分析,得出該款洗碗機(jī)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(jì)中最需要關(guān)注的改進(jìn)點(diǎn)及該款洗碗機(jī)總的綠色水平,因此可有效地支持機(jī)電產(chǎn)品的綠色設(shè)計(jì)。

綠色設(shè)計(jì);生命周期影響評(píng)價(jià);AHP方法

幾乎所有的生命周期影響評(píng)價(jià)(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(fù)荷大小,如Eco-indicator 99[1,2]等方法,就是將最終的評(píng)價(jià)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(píng)估得到的數(shù)據(jù),用以表明一個(gè)產(chǎn)品或一個(gè)加工過程對(duì)環(huán)境產(chǎn)生負(fù)影響的程度。本文認(rèn)為這種單純從某項(xiàng)環(huán)境影響對(duì)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(duì)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(shí)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(duì)各類環(huán)境影響進(jìn)行多目標(biāo)的綜合評(píng)價(jià),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(jì)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(diǎn)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(diǎn)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(duì)于治理難易性的相對(duì)權(quán)重,這里取W 3=(0.7,0.3)。改進(jìn)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(jìn)LCIA方法模型

1 多目標(biāo)環(huán)境影響評(píng)價(jià)模型的建立

運(yùn)用改進(jìn)的LCIA方法模型對(duì)一款典型洗碗機(jī)產(chǎn)品進(jìn)行分析。模型分為4層,如圖3所示。

第1層為待評(píng)價(jià)產(chǎn)品各環(huán)境影響因子,通過軟件中輸入洗碗機(jī)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(píng)價(jià)結(jié)論。

1.1 研究內(nèi)容

(1)評(píng)價(jià)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(duì)各環(huán)境影響類型進(jìn)行綜合評(píng)定,得出它們的綜合重要指數(shù)并排序,方便設(shè)計(jì)人員找出產(chǎn)品最需改進(jìn)之處。

(2)評(píng)價(jià)產(chǎn)品總的環(huán)境影響指數(shù),對(duì)前面計(jì)算得出的各環(huán)境影響類型的綜合重要指數(shù)進(jìn)行相加,可以得出產(chǎn)品總的環(huán)境影響指數(shù),方便對(duì)相似產(chǎn)品進(jìn)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(duì)清單的數(shù)據(jù)進(jìn)行特征化,將第1層各紛繁復(fù)雜的環(huán)境影響因子進(jìn)行歸類計(jì)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(jìn)行計(jì)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(duì)各類環(huán)境影響相互間的重要度進(jìn)行打分,然后計(jì)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(jì)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(jì)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(jì)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(duì)計(jì)算結(jié)果Q進(jìn)行排序,可找出該款產(chǎn)品需要注意的方面,提醒設(shè)計(jì)人員此方面有待改進(jìn)。

對(duì)各環(huán)境影響類型的綜合重要指數(shù)Q進(jìn)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(jì)算可用于對(duì)不同款洗碗機(jī)進(jìn)行優(yōu)劣比較。

2 多目標(biāo)環(huán)境影響評(píng)價(jià)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(yùn)用 Gabi、Sima-Pro等生命周期軟件對(duì)產(chǎn)品清單數(shù)據(jù)進(jìn)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(duì)于危害性這一目標(biāo),環(huán)境元素i和j哪一個(gè)更重要,重要的程度如何,通常按1～9比例標(biāo)度對(duì)重要性程度賦值,其1～9標(biāo)度的含義見文獻(xiàn)[6,7]。

以每千克各環(huán)境影響物質(zhì)對(duì)環(huán)境造成危害的相對(duì)大小為準(zhǔn)則,對(duì)各環(huán)境影響進(jìn)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(duì)大小為準(zhǔn)則,對(duì)各環(huán)境影響進(jìn)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(shí)認(rèn)為越難治理的環(huán)境影響越重要,相對(duì)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(duì)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(jì)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(jì)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(duì)向量Q內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行排序,可找出設(shè)計(jì)方案最需要的改進(jìn)點(diǎn)。對(duì)Q進(jìn)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(jì)方案=min{EI}。

3 實(shí) 例

3.1 洗碗機(jī)顯著環(huán)境影響類型Sk

以洗碗機(jī)EuP研究報(bào)告中容量為12套的典型產(chǎn)品為例,運(yùn)用上述模型自下而上,層層進(jìn)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(jì)算洗碗機(jī)的綜合環(huán)境影響及對(duì)環(huán)境影響類型進(jìn)行優(yōu)選,直接采用EuP研究報(bào)告中EuPEcoreport軟件計(jì)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(jī)全生命周期環(huán)境影響kg

3.2 洗碗機(jī)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(duì)環(huán)境造成危害的相對(duì)大小為準(zhǔn)則,對(duì)各環(huán)境影響進(jìn)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(duì)此判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn),經(jīng)計(jì)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(duì)矩陣A進(jìn)行修改。然后利用根方法,可得

計(jì)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(duì)大小為準(zhǔn)則,對(duì)各環(huán)境影響進(jìn)行打分。同時(shí)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(shí)可以認(rèn)為越難治理的環(huán)境影響越重要,相對(duì)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(duì)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(jì)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(jì)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(jì)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(jì)算結(jié)果可知,溫室氣體、酸雨主要產(chǎn)生于洗碗機(jī)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(jī)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(jī)產(chǎn)品生產(chǎn)階段切削加工等工藝過程;揮發(fā)性有機(jī)化合物來自洗碗機(jī)產(chǎn)品使用階段機(jī)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(jī)產(chǎn)品生產(chǎn)階段塑料件的加工工藝過程;持久性有機(jī)污染物主要來源于洗碗機(jī)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(duì)性地對(duì)顯著環(huán)境影響進(jìn)行改進(jìn)。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(jì)方案優(yōu)劣時(shí),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(duì)產(chǎn)品的環(huán)境影響進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí),綜合考慮傳統(tǒng)的目標(biāo)與新引入的目標(biāo),實(shí)現(xiàn)了全方位多角度的綜合評(píng)判,同時(shí)又保留了Eco-indicator 99等傳統(tǒng)方法的優(yōu)點(diǎn),不但可以對(duì)產(chǎn)品各環(huán)境影響進(jìn)行綜合重要度排序,幫助設(shè)計(jì)人員找出最需要關(guān)注的改進(jìn)點(diǎn),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(duì)不同設(shè)計(jì)方案的優(yōu)劣進(jìn)行選擇。

[1] 欒忠權(quán).基于Eco-indicator 99的產(chǎn)品環(huán)境特性評(píng)估及設(shè)計(jì)應(yīng)用[J].輕工機(jī)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(píng)價(jià)方法研究[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),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(jì)性評(píng)價(jià)[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):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(píng)價(jià)邊界界定研究[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):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(xiàng)目(50775061);廣東省經(jīng)貿(mào)委資助項(xiàng)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)