田亞峻，鄧業(yè)林，張?jiān)懒?，謝克昌（北京低碳清潔能源研究所，北京 009；Department of Mechanical Engineering, University of Wisconsin-Milwaukee, Milwaukee , USA；華北電力大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，北京 006；太原理工大學(xué)煤科學(xué)與技術(shù)教育部和山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 000；清華大學(xué)熱能工程系，北京 0008）

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生命周期評(píng)價(jià)的發(fā)展新方向：基于GIS的生命周期評(píng)價(jià)

田亞峻1，鄧業(yè)林2，張?jiān)懒?，謝克昌4,5
（1北京低碳清潔能源研究所，北京 102209；2Department of Mechanical Engineering, University of Wisconsin-Milwaukee, Milwaukee 53211, USA；3華北電力大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，北京 102206；4太原理工大學(xué)煤科學(xué)與技術(shù)教育部和山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030024；5清華大學(xué)熱能工程系，北京 100084）

摘要：綜述了生命周期評(píng)價(jià)（LCA）區(qū)域化研究的進(jìn)展，論述了將空間信息數(shù)據(jù)引入LCA的必要性與可行性，以及GIS（geographical information system）在LCA地域化的重要作用。綜述表明GIS能系統(tǒng)有效地組織和管理空間數(shù)據(jù)，能夠管理LCA明細(xì)的地域信息、LCA影響的地域信息，從而實(shí)現(xiàn)GIS與LCA的結(jié)合。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提出了基于地理信息的LCA的架構(gòu)，分析了基于GIS的LCA發(fā)展的機(jī)遇和挑戰(zhàn)?；诘乩硇畔⒌腖CA將突破傳統(tǒng)LCA缺乏空間信息的致命缺陷，其結(jié)果將更具準(zhǔn)確性和科學(xué)性，基于地理信息的LCA的綠色設(shè)計(jì)和管理對(duì)企業(yè)以及政府將更具可操作性，是生命周期評(píng)價(jià)方法發(fā)展的新方向。

關(guān)鍵詞：生命周期評(píng)價(jià)；地理信息；GIS；數(shù)據(jù)庫(kù)；可持續(xù)性；環(huán)境；能源

2015-11-30收到初稿，2016-02-18收到修改稿。

聯(lián)系人及第一作者：田亞峻（1972—），男，教授。

Received date: 2015-11-30.

Foundation item: supported by the China Knowledge Center for Engineering Science and Technology: Professional Knowledge Service System for Energy.

引　言

伴隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和工業(yè)化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，中國(guó)的環(huán)境負(fù)擔(dān)變得愈發(fā)嚴(yán)峻。大氣污染、土壤污染、地下水污染、氣候變化、資源枯竭等問(wèn)題越來(lái)越成為制約中國(guó)可持續(xù)發(fā)展的重要因素。由于中國(guó)能源高度依賴煤炭，中國(guó)二氧化硫、氮氧化物、煙塵以及可吸入顆粒物排放總量高居世界之首，嚴(yán)重威脅到人民的健康[1]。2002年以來(lái)中國(guó)的二氧化碳排放以年均9%的增速激增，2012年中國(guó)二氧化碳排放量占全球總排放量的26.7%，遠(yuǎn)超排名第二的美國(guó)（16.8%）[1]。為應(yīng)對(duì)不斷惡化的環(huán)境和氣候問(wèn)題，中國(guó)政府相繼推出了一系列嚴(yán)厲的環(huán)保政策和措施法規(guī)，如2013年頒布《大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃》[2]以及2015年頒布《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》[3]等。此外，2014年中國(guó)還與美國(guó)達(dá)成中美氣候變化聯(lián)合聲明，承諾2030年前停止增加二氧化碳排放，表達(dá)了中國(guó)保護(hù)環(huán)境和減緩氣候變化的決心[4]。

化工是人類活動(dòng)中最重要的過(guò)程之一。人類離不開化工，化工過(guò)程的發(fā)展促進(jìn)了人類生活水平的提高。如能源主要通過(guò)化工過(guò)程轉(zhuǎn)化得以利用，煤炭通過(guò)燃燒產(chǎn)生電力和熱力、通過(guò)熱解生產(chǎn)焦炭、通過(guò)氣化等過(guò)程生產(chǎn)化肥、電石、甲醇、烯烴等化學(xué)產(chǎn)品，而石油更是通過(guò)化工過(guò)程轉(zhuǎn)化成人類生活所必需的各種化學(xué)品。然而，化工過(guò)程必然會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生影響。中國(guó)對(duì)化工過(guò)程的環(huán)境影響評(píng)價(jià)方法存在明顯缺陷，造成所有的項(xiàng)目環(huán)境評(píng)價(jià)合格但環(huán)境卻越來(lái)越差的尷尬現(xiàn)象。其原因在于中國(guó)的評(píng)價(jià)方法僅以工廠所形成的廠界為邊界，沒(méi)有采用全生命周期的方法，問(wèn)題常常被轉(zhuǎn)移，各種政策也因此失效。

為了使以上的種種政策較好地達(dá)到目的，必須首先發(fā)展能夠科學(xué)和合理評(píng)估產(chǎn)品環(huán)境性能的方法和數(shù)據(jù)庫(kù)。對(duì)于一個(gè)產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，其所涉及原材料的開采、生產(chǎn)、使用和廢棄過(guò)程伴隨著資源、能源的消耗和各種污染物的排放，要完整地反映這一系列過(guò)程對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響，需要對(duì)產(chǎn)品的全生命周期過(guò)程進(jìn)行評(píng)價(jià)，才能得到客觀和全面的結(jié)果，防止問(wèn)題發(fā)生轉(zhuǎn)移。

1　生命周期評(píng)價(jià)方法的發(fā)展

1.1生命周期評(píng)價(jià)方法

生命周期評(píng)價(jià)（life cycle assessment, LCA）是被當(dāng)前科學(xué)界廣泛接受的定量評(píng)估產(chǎn)品全生命周期的環(huán)境影響的工具。根據(jù)ISO14040-44標(biāo)準(zhǔn)（圖1）[5]，LCA分析開始于目標(biāo)和范圍定義，需要明確LCA的目的、對(duì)象、時(shí)間、地理和技術(shù)范圍等[6]。LCA覆蓋某產(chǎn)品包括原材料獲取、加工、制造、使用以及最后報(bào)廢處理的全部生命周期。LCA總結(jié)和歸納產(chǎn)品各個(gè)生命周期階段的材料/能量的消耗以及排放，并編制該產(chǎn)品對(duì)應(yīng)的生命周期清單（life cycle inventory, LCI），最后從產(chǎn)品的生命周期清單數(shù)據(jù)出發(fā)，依據(jù)環(huán)境影響特征因子（characterization factors）計(jì)算不同類型的環(huán)境影響（life cycle impact assessment, LCIA）[7]。產(chǎn)品生命周期內(nèi)對(duì)環(huán)境的影響越小，則產(chǎn)品的環(huán)境性能越好。產(chǎn)品生命周期內(nèi)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生影響的類別眾多，常用的環(huán)境影響類別有全球氣候變暖、平流層臭氧損耗、光化學(xué)煙霧形成、大氣酸化、人類致癌性、水生生物毒性、陸地生物毒性、棲息地破壞、不可再生資源損耗和富營(yíng)養(yǎng)化等。

圖1　生命周期評(píng)價(jià)的執(zhí)行框架Fig.1　Framework of life cycle assessment

LCA作為一種科學(xué)的產(chǎn)品環(huán)境影響評(píng)價(jià)方法，在歐美已經(jīng)有廣泛應(yīng)用。美國(guó)的建筑標(biāo)準(zhǔn)LEED v4里面明確把建筑產(chǎn)品、材料是否進(jìn)行過(guò)LCA作為一項(xiàng)重要的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)[8]。在更大范圍上，美國(guó)政府要求（executive orders 13514）所有的聯(lián)邦機(jī)構(gòu)評(píng)估自身的碳排放水平并且要求為政府采購(gòu)制定相應(yīng)的碳排放政策[9]。預(yù)計(jì)未來(lái)美國(guó)LCA相關(guān)的就業(yè)崗位將高達(dá)67000人，包含LCA學(xué)者、公司雇員、咨詢?nèi)藛T、軟件開發(fā)人員等。歐盟在LCA及相關(guān)領(lǐng)域活動(dòng)更為活躍，法國(guó)2007年通過(guò)Grenelle環(huán)境法令要求所有的大眾消費(fèi)品提供產(chǎn)品環(huán)境影響聲明（EPD）[10]。歐盟從2011年開始研發(fā)基于LCA的Product Environmental Footprint（PEF）規(guī)范，目前已經(jīng)進(jìn)入第2階段。PEF旨在促進(jìn)全歐盟范圍內(nèi)實(shí)行統(tǒng)一的產(chǎn)品環(huán)境影響評(píng)價(jià)方法，以便有效提高產(chǎn)品環(huán)境影響計(jì)算的可靠性和不同產(chǎn)品之間環(huán)境影響數(shù)據(jù)的可比較性[11]。這些舉措都極大地促進(jìn)了LCA在全球的應(yīng)用和發(fā)展。

1.2生命周期評(píng)價(jià)方法的缺陷

2）政府適當(dāng)放寬政策，靈活處理異地醫(yī)保報(bào)銷，為在鄉(xiāng)村旅游的大量老年游客提供就近療養(yǎng)和醫(yī)治的條件。設(shè)置多個(gè)醫(yī)療機(jī)構(gòu)，保證老年人能充分及時(shí)治療。獨(dú)立設(shè)置康復(fù)醫(yī)院、護(hù)理院、社區(qū)衛(wèi)生服務(wù)中心等醫(yī)療機(jī)構(gòu)，為老年人提供常見疾病的診斷治療、常見慢性病的非治療性醫(yī)療護(hù)理及一般的衛(wèi)生保健服務(wù)。

2.2基于地理信息的LCA架構(gòu)

現(xiàn)有的著名的生命周期清單數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)大多數(shù)都是針對(duì)某個(gè)區(qū)域的平均數(shù)據(jù)，如Ecoinvent主要針對(duì)歐洲[19]。目前主流的環(huán)境影響評(píng)價(jià)方法包含CML2001[20]、ReCiPe[21]和IMPACT2002+[22]，僅考慮了歐洲和全球的大致區(qū)分。

表1　不同環(huán)境影響類別的時(shí)間和空間尺度[7]Table 1　Different environmental impact categories and their corresponding spatial scale[7]

1.3區(qū)域化生命周期評(píng)價(jià)的進(jìn)展

意境和意象雖然概念上不同但是兩者是相通的，據(jù)史料記載“意境”和禪宗學(xué)說(shuō)有著密切聯(lián)系。唐代詩(shī)僧皎然云：“了空如藏史，始肯會(huì)禪家”；王昌齡說(shuō)：搜求于象，心人于境，神會(huì)于物因心而得（《詩(shī)格》）[3]；唐代僧人神秀：“身是菩提樹，心如明鏡臺(tái)；時(shí)時(shí)勤拂拭，勿使惹塵?！北砻魉褏⑼溉松?，不入紅塵。他們作詩(shī)風(fēng)格都是深受禪宗的影響，作詩(shī)時(shí)將佛境引入詩(shī)境。詩(shī)人將有形變化成無(wú)形，無(wú)感變化為有感，實(shí)境幻化成虛境，這使得詩(shī)中的意境深遠(yuǎn)且韻味無(wú)窮，將普通的生活境界升華到了藝術(shù)境界。

絕熱加速量熱儀實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,要求樣品熱電偶能夠?qū)崟r(shí)地、無(wú)失真地反映溫度變化過(guò)程。然而,熱電偶的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性受工藝限制,響應(yīng)緩慢,存在動(dòng)態(tài)測(cè)量誤差[14],需要研究其動(dòng)態(tài)特性,使其輸入量隨時(shí)間變化的曲線與被測(cè)量隨同一時(shí)間變化的曲線一致或近似。

有研究指出使用通用的LCA數(shù)據(jù)會(huì)造成數(shù)據(jù)的嚴(yán)重失真，得到的結(jié)果與區(qū)域LCA得到的結(jié)果有顯著的差異[27]。區(qū)域LCA雖然在一定程度上提高了結(jié)果的精確度，但本質(zhì)上還是采用了平均化的方法，得到的結(jié)果仍然無(wú)法得到企業(yè)的認(rèn)可。隨著全球環(huán)境的不斷惡化，包括中國(guó)在內(nèi)的主要工業(yè)大國(guó)對(duì)于環(huán)境保護(hù)和氣候變化的問(wèn)題越加重視，正在研究包括市場(chǎng)機(jī)制在內(nèi)的各種應(yīng)對(duì)策略。希望發(fā)揮市場(chǎng)作用，讓更多的企業(yè)、團(tuán)體甚至個(gè)人自覺(jué)參與環(huán)境改善，然而這需要能基于具體地點(diǎn)、路徑來(lái)進(jìn)行EPD或者PEF等“精算”的方法論和數(shù)據(jù)庫(kù)，這樣的結(jié)果對(duì)于企業(yè)或者政府開展核算、設(shè)計(jì)或者優(yōu)化才具有現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)和商業(yè)價(jià)值，這就要求必須將LCA和具體的地理信息（geographic information，GI）結(jié)合起來(lái)。

1.4基于GIS系統(tǒng)的生命周期評(píng)價(jià)

地理信息系統(tǒng)（geographic information system, GIS）是計(jì)算機(jī)技術(shù)與地理信息數(shù)據(jù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是在計(jì)算機(jī)硬件、軟件及網(wǎng)絡(luò)支持下，對(duì)有關(guān)空間數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化處理、輸入、存儲(chǔ)、查詢檢索、運(yùn)算、分析、顯示、更新并提供應(yīng)用的技術(shù)體系[27]。隨著地理信息系統(tǒng)的發(fā)展，GIS能夠通過(guò)強(qiáng)大的可視化技術(shù)、有效的地圖系統(tǒng)將復(fù)雜的空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)以地圖的形式進(jìn)行描述，從而實(shí)現(xiàn)了文本、圖形和圖像信息的結(jié)合?？茖W(xué)準(zhǔn)確的LCA必須與其發(fā)生所在的地理位置緊密關(guān)聯(lián)才可能更具實(shí)際意義，而GIS為L(zhǎng)CA的精細(xì)化提供了可能性。

中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司(以下簡(jiǎn)稱長(zhǎng)客股份公司)研制的世界首輛全碳纖維復(fù)合材料地鐵車輛車體(見圖4)，采用CFRP夾芯結(jié)構(gòu)，通過(guò)模塊化設(shè)計(jì)、一體成型技術(shù)設(shè)計(jì)而成，最高運(yùn)行速度為100 km/h，較同類B型鋁合金地鐵車體減重35%。該車體滿足極限惡劣環(huán)境的使用要求，具有優(yōu)良的力學(xué)性能、環(huán)保性能和防火性能。

有研究嘗試?yán)肎IS收集和管理特定區(qū)域數(shù)據(jù)，并結(jié)合通用生命周期清單數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行LCA研究。Keisuke等[28]首先利用GIS為環(huán)境影響評(píng)估提供空間支持。Saad等[29]為加拿大不同生態(tài)區(qū)的土壤生態(tài)系統(tǒng)建立了區(qū)域化的環(huán)境影響特征因子。Civit 等[30]為阿根廷的大氣酸化影響劃分了16個(gè)區(qū)域，并分別計(jì)算了特征因子。Impact2002+環(huán)境影響評(píng)估模型把歐洲的大氣和水域劃分為網(wǎng)格，并把每個(gè)網(wǎng)格細(xì)胞的環(huán)境背景信息輸入GIS系統(tǒng)建立影響因子特征數(shù)據(jù)庫(kù)[22,31]。類似的模型目前也被加拿大和美國(guó)用于環(huán)境影響評(píng)估[32]。Mutel等[27]基于GIS工具計(jì)算了美國(guó)不同位置的發(fā)電廠所產(chǎn)生的生態(tài)毒性影響的不同。此外，GIS已被用于在全球范圍內(nèi)創(chuàng)建基于不同空間尺度的環(huán)境影響評(píng)估方法，Pfister等[33]在流域基礎(chǔ)上建立了淡水資源消耗的環(huán)境影響特征因子的地圖。Pfister等[34]還分別計(jì)算了10類氣候特征下的土地使用對(duì)土壤有機(jī)碳含量的影響。

2　基于GIS的LCA系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1基于GIS的LCA的必要性

LCA區(qū)域化是一項(xiàng)非常重要的工作，對(duì)于像中國(guó)這樣人口、地理環(huán)境和經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平相差巨大的國(guó)家來(lái)說(shuō)，以整個(gè)國(guó)家為空間尺度所得到的結(jié)果不具有現(xiàn)實(shí)意義。以水消耗的環(huán)境影響評(píng)價(jià)指標(biāo)來(lái)說(shuō)，由于中國(guó)各地的人口、經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)還有水資源儲(chǔ)量分布差距較大，不同的區(qū)域水消耗的環(huán)境影響指標(biāo)（DALY, disable adjusted life year, 傷殘調(diào)整壽命年）可以有高達(dá)2個(gè)數(shù)量級(jí)的差異[35]。為了客觀判斷產(chǎn)品的環(huán)境性能，在中國(guó)發(fā)展基于GIS的LCA顯得尤其必要。然而基于GIS的LCA在架構(gòu)和方法論上還沒(méi)有完善，在GIS化的生命周期清單數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)、GIS化的影響類別特征因子建設(shè)等方面還少有報(bào)道。

雖然傳統(tǒng)LCA在目標(biāo)與范圍的定義中要求明確地理范圍，在相應(yīng)的清單數(shù)據(jù)收集也需要使用代表與指定范圍吻合的數(shù)據(jù)，但是由于沒(méi)有明確的方法論指導(dǎo)和數(shù)據(jù)庫(kù)做支撐，大量的LCA計(jì)算實(shí)際往往采用某個(gè)國(guó)家或者地區(qū)的平均數(shù)據(jù)[12]。平均數(shù)據(jù)雖極大地簡(jiǎn)化了計(jì)算和數(shù)據(jù)收集工作，但其缺陷之一是抹平了地理空間上的差異，導(dǎo)致結(jié)果不能有效地反映實(shí)際情況[13]。以發(fā)電為例，同樣生產(chǎn)1 kW·h的電能，不同的地區(qū)由于不同的一次能源發(fā)電比例導(dǎo)致所排放的溫室氣體截然不同，這在中國(guó)的南方和北方表現(xiàn)尤其明顯[14]。其次，傳統(tǒng)的LCA方法論中環(huán)境影響評(píng)價(jià)過(guò)程對(duì)地理范圍的定義更加模糊，實(shí)際中的LCA環(huán)境影響評(píng)價(jià)過(guò)程中一般僅附帶地理位置，然而環(huán)境評(píng)價(jià)必須與地理信息包含人口密度、經(jīng)濟(jì)水平、地質(zhì)、地貌等結(jié)合起來(lái)，對(duì)LCA的影響評(píng)價(jià)結(jié)果的詮釋才有現(xiàn)實(shí)意義。舉例來(lái)說(shuō)，排放同樣數(shù)量的顆粒物或者消耗相同數(shù)量的水資源，在人口稠密的地區(qū)或者是水資源匱乏的地區(qū)造成的環(huán)境影響大不相同[15]。而酸雨化的環(huán)境影響對(duì)堿性地區(qū)和酸性地區(qū)的影響卻是相反的[16]。以上情景說(shuō)明LCA結(jié)果與其發(fā)生的區(qū)域有密切的關(guān)系，這種區(qū)域化的影響包含兩大類：第1類是生命周期清單數(shù)據(jù)的區(qū)域化，相同的工業(yè)過(guò)程在不同的地區(qū)生命周期的清單數(shù)據(jù)可能差異很大，計(jì)算結(jié)果差別也很大[17]；第2類是環(huán)境影響的區(qū)域化，由于LCA的核心目的之一是將計(jì)算的數(shù)據(jù)反映到實(shí)際的地理環(huán)境上，因此相同的計(jì)算數(shù)據(jù)在不同的地域上影響結(jié)果可能也完全不同。表1所列的環(huán)境影響類別中，很多終端影響（endpoints）是局部性的，這就要求LCA必須與特定地理信息結(jié)合，否則評(píng)價(jià)結(jié)果將失去實(shí)際意義，而這正是傳統(tǒng)LCA所缺乏的[18]。

LCA的區(qū)域化包含生命周期清單數(shù)據(jù)的區(qū)域化和環(huán)境評(píng)估影響因子的區(qū)域化兩個(gè)方面?；诘乩硇畔⒌募軜?gòu)可以通過(guò)如圖2所示的典型產(chǎn)品生命周期的階段來(lái)說(shuō)明。從原材料的獲取，到產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造，最后到終端用戶的使用和報(bào)廢都可能發(fā)生在不同的地域，而不同地域?qū)?yīng)不同的地理環(huán)境、人口密度、資源分布和經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平等，因此不同地域?qū)?yīng)不同的生命周期清單數(shù)據(jù)的同時(shí)也對(duì)應(yīng)不同的環(huán)境影響特征因子。所以對(duì)于經(jīng)歷區(qū)域差異較大的產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，LCA的計(jì)算必須反映其生命周期內(nèi)的地理進(jìn)程，結(jié)果才能夠更加準(zhǔn)確反映產(chǎn)品在生命周期內(nèi)對(duì)環(huán)境的影響，而且對(duì)環(huán)境影響的地理足跡亦一目了然。

圖2　基于區(qū)域的產(chǎn)品生命周期Fig. 2　Illustration of regionalized product life cycle assessment

可見，將空間信息與LCA相結(jié)合可以突破傳統(tǒng)LCA方法中地理信息缺失的問(wèn)題。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，本文提出在LCA方法中引入空間數(shù)據(jù)，并構(gòu)建圖3所示基于空間信息的LCA的方法執(zhí)行框架。

圖3　基于空間信息的LCA執(zhí)行框架Fig.3 Framework of LCA based on spatial information

可以分為以下幾個(gè)步驟：

（1）定義對(duì)象生命周期評(píng)價(jià)的目的、功能單位、范圍以及對(duì)象的全生命周期內(nèi)供應(yīng)鏈對(duì)應(yīng)的地理區(qū)域；

[3]國(guó)務(wù)院. 水污染防治行動(dòng)計(jì)劃[OL]. [2015/08/22]. http: //zfs.mep. gov.cn/fg/gwyw/201504/t20150416_299146.htm. State Council. Action plan for prevention and control of water pollution[OL]. [2015/08/22]. http: //zfs.mep.gov.cn/fg/gwyw/201504/ t20150416_299146.htm.

（3）將計(jì)算結(jié)果和對(duì)應(yīng)區(qū)域內(nèi)的環(huán)境影響特征因子相結(jié)合進(jìn)行影響評(píng)價(jià)；

（4）結(jié)合地理信息的結(jié)果詮釋。

基于圖3的框架，基于空間信息的LCA可細(xì)分為兩個(gè)部分：第1個(gè)部分為區(qū)域化的生命周期清單數(shù)據(jù)，也就是為生命清單數(shù)據(jù)中的材料的損耗、能量的使用及排放指定相應(yīng)的區(qū)域；第2個(gè)部分是環(huán)境影響評(píng)價(jià)的區(qū)域化。這個(gè)部分可以包含以下步驟：第1步是確定影響范圍，這一步往往針對(duì)的是生命周期清單數(shù)據(jù)中的排放數(shù)據(jù)，對(duì)于某個(gè)區(qū)域記錄的排放（例如SO2、NOx、顆粒物、重金屬離子），計(jì)算其擴(kuò)散的范圍和路徑，從而確定其潛在的影響范圍；第2步是根據(jù)暴露影響模型計(jì)算環(huán)境影響，這一步結(jié)合大量的空間信息收集如排放影響區(qū)域中河流、土壤、物種、人口、飲食習(xí)慣等相關(guān)信息，從而確認(rèn)這些生態(tài)物種或者是人體針對(duì)該排放的暴露度是多少；最后一步根據(jù)暴露健康模型計(jì)算最終造成的健康損害（圖4）。

圖4　基于GIS的LCA系統(tǒng)工作原理Fig. 4　Flowchart of GIS based LCA system

基于空間信息的LCA就是這一連串信息的乘積，最后以空間分布的形式把環(huán)境影響信息反映出來(lái)。

可見，在基于空間信息的LCA系統(tǒng)架構(gòu)中，地理信息不再僅僅是目標(biāo)和范圍定義中關(guān)于地理位置的信息，而是一個(gè)基于空間位置的信息數(shù)據(jù)庫(kù)。GIS可把地理空間信息庫(kù)與LCA的生命周期清單的數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)合起來(lái)，形成基于GIS架構(gòu)的LCA系統(tǒng)。該系統(tǒng)將基于地域定義的生命周期過(guò)程的生命周期清單數(shù)據(jù)和環(huán)境影響特征因子抽取出來(lái)，轉(zhuǎn)化成一個(gè)普通的LCA問(wèn)題進(jìn)行計(jì)算，然后將計(jì)算得到的區(qū)域化的影響結(jié)果再次與GIS結(jié)合進(jìn)行分析，即可以得到可視化的、反映生命周期鏈的、反映地理位置變化的環(huán)境影響足跡，這對(duì)于國(guó)家產(chǎn)業(yè)布局、企業(yè)的綠色供應(yīng)鏈優(yōu)化設(shè)計(jì)等是十分有價(jià)值的?；贕IS的LCA的使用原理見圖5。

海拔高度的差異是造成煙葉化學(xué)成分和感官評(píng)吸質(zhì)量差異的重要因素之一。本研究取樣點(diǎn)少，且僅涉及1年樣品，而影響煙葉化學(xué)成分和評(píng)吸質(zhì)量的因素很多，不同年份不同海拔的土壤、栽培措施、氣候條件之間也存在差異，因此恩施煙區(qū)煙葉化學(xué)成分和感官評(píng)吸質(zhì)量與海拔高度之間的相互關(guān)系還需要進(jìn)一步研究。

目前，我國(guó)科技館建設(shè)還處于發(fā)展階段，屬于一個(gè)發(fā)展壯大且沒(méi)有前人可以借鑒的行業(yè)，建立科技館行業(yè)自有的職稱評(píng)聘體系，對(duì)科技館行業(yè)是一大幸事，有利于科技館從業(yè)者的職業(yè)規(guī)劃和未來(lái)發(fā)展，同時(shí)也能有效刺激科技館專業(yè)技術(shù)人才的素質(zhì)發(fā)展和能力提升。目前科技館的職稱評(píng)定工作還在探索嘗試中，存在許多現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，需要提升和改善的地方還有很多，如何盡快設(shè)立合法、合理、科學(xué)自有職稱序列，我們科技館人任重道遠(yuǎn)。

“真的??？那你可是我女兒的學(xué)長(zhǎng)咯，她年底就要來(lái)悉尼大學(xué)報(bào)到了?！碧岬剿畠簳r(shí)，她的眼里如同能放出光芒般神采飛揚(yáng)?！八龑W(xué)習(xí)成績(jī)可好了，省重點(diǎn)熊貓班前三……”

2.3基于GIS的LCA的機(jī)遇與挑戰(zhàn)

[11]FINKBEINER M. Product environmental footprint—breakthrough or breakdown for policy implementation of life cycle assessment? [J]. Int. J. LCA, 2013, 19(2): 266-271.

然而，中國(guó)行業(yè)體量巨大，各地發(fā)展不平衡，各行業(yè)發(fā)展也不平衡，收集數(shù)據(jù)的任務(wù)量巨大。加之中國(guó)的數(shù)字化整體比較落后，中國(guó)的企業(yè)缺乏數(shù)據(jù)共享的意愿，因此建設(shè)GIS系統(tǒng)和LCA系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)巨大。

圖5　基于GIS的LCA系統(tǒng)工作原理Fig. 5　Flowchart of GIS based LCA system

3　結(jié)　論

文獻(xiàn)綜述表明環(huán)境影響評(píng)估清單數(shù)據(jù)和特征因子在不同的區(qū)域有較大差異。LCA的區(qū)域化是LCA未來(lái)發(fā)展的重要方向，而GIS是對(duì)LCA做區(qū)域化的核心工具。本文總結(jié)了LCA區(qū)域化的進(jìn)展以及GIS技術(shù)用于LCA計(jì)算的研究，最后提出了基于地理信息的LCA的架構(gòu)和基于GIS的LCA系統(tǒng)的工作原理。GIS與LCA結(jié)合可以有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)LCA區(qū)域信息缺失的缺陷，能提供更加全面、準(zhǔn)確和基于地理信息的LCA結(jié)果，這無(wú)論對(duì)于企業(yè)還是政府將更具有應(yīng)用價(jià)值。未來(lái)LCA可以和一切可以用GIS表達(dá)的數(shù)據(jù)（如人口、經(jīng)濟(jì)等）相融合，LCA所發(fā)揮作用的領(lǐng)域?qū)⒏訌V闊。

References

[1]環(huán)境保護(hù)部環(huán)境規(guī)劃院. 區(qū)域煤炭消費(fèi)總量控制技術(shù)、方法與政策體系研究[R]. 北京: 環(huán)境保護(hù)部, 2012. Chinese Academy for Environmental Planning. Study on technical methods and policy system for regional coal consumption cap[R]. Beijing: Ministry of Environmental Protection, 2012.

[2]國(guó)務(wù)院. 大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃[OL]. [2015/08/22]. http: //www. gov.cn/zwgk/2013-09/12/content_2486773.htm. State Council. Air pollution prevention and control action plan [OL]. [2015/08/22]. http: //www.gov.cn/zwgk/2013-09/12/ content_2486773.htm.

（2）整理編制對(duì)應(yīng)于區(qū)域的對(duì)象的生命周期清單和數(shù)據(jù)；

[4]外交部. 中美氣候變化聯(lián)合聲明[OL]. [2015/08/22]. http: //www.

mfa.gov.cn/chn//pds/ziliao/1179/t1030848.htm. Ministry of Foreign Affairs. China-US joint announcement on climate change[OL]. [2015/08/22]. http: //www.mfa.gov.cn/chn//pds/ziliao/ 1179/t1030848.htm.

高速鐵路運(yùn)輸是一種新型的交通運(yùn)輸方式，對(duì)我國(guó)交通運(yùn)輸結(jié)構(gòu)有著重大影響，促進(jìn)交通業(yè)轉(zhuǎn)型。目前高鐵的客流運(yùn)輸極大地改善了我國(guó)的交通運(yùn)輸情況，促進(jìn)我國(guó)向高速運(yùn)輸時(shí)代邁進(jìn)。京滬線高鐵的運(yùn)營(yíng)對(duì)民航業(yè)帶來(lái)了一定程度的影響，目前要根據(jù)旅客出行方式具體情況進(jìn)行分析研究，協(xié)調(diào)二者的發(fā)展。

[5]International Organization for Standardization. Environmental management-life cycle assessment-requirements and guidelines: ISO 14044—2006 [S]. Geneva, 2006.

1.5.1 藥物治療有效率 本研究以骨折發(fā)生率作為評(píng)估治療效果的指標(biāo)。原發(fā)性骨質(zhì)疏松癥防治的終點(diǎn)目標(biāo)是降低骨折發(fā)生率，因而主要探討治療藥物在防治骨質(zhì)疏松性骨折的優(yōu)勢(shì)。芪骨膠囊方案組和仙靈骨葆膠囊方案組的骨折發(fā)生率來(lái)自于《密骨膠囊治療原發(fā)性骨質(zhì)疏松癥Ⅲ期臨床試驗(yàn)》［6］。有效率為未發(fā)生骨折患者人數(shù)占總治療人數(shù)的比例。

[6]GUINéE J. Handbook on life cycle assessment operational guide to the ISO standards [J]. Int. J. LCA, 2002, 7(5): 311-313.

[7]韓明漢, 金涌. 綠色工程原理與應(yīng)用[M]. 北京：清華大學(xué)出版社, 2005: 1-281. HAN M H, JIN Y. Principle and Application of Green Engineering [M]. Beijing: Tsinghua University Press, 2005: 1-281.

[8]USGB Council. LEED V4 for building design and construction[S]. Washington DC: US Green Building Council, 2014.

[17]ROSS S, EVANS D. Excluding site-specific data from the LCA inventory: how this affects life cycle impact assessment [J]. Int. J. LCA, 2002, 7(3): 141-150.

[10]BOY D, BRUGIDOU M, HALPERN C, et al. Le Grenelle de l'environnement: Acteurs, Discours, Effets[M]. Paris: Armand Colin, 2012.

基于GIS的LCA能有效地把地理信息與環(huán)境影響信息整合在一起，能顯著提高LCA結(jié)果的精確度、可靠度以及應(yīng)用價(jià)值。中國(guó)地大物博，地區(qū)發(fā)展極不平衡，在中國(guó)開展基于GIS的LCA對(duì)于中國(guó)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、產(chǎn)業(yè)升級(jí)以及產(chǎn)業(yè)布局而言具有非常主要的意義。近年來(lái)中國(guó)環(huán)境問(wèn)題日益突出，中國(guó)對(duì)環(huán)境問(wèn)題亦日益重視，而基于GIS的LCA能夠?yàn)槠髽I(yè)提供非常具體的指導(dǎo)和優(yōu)化，因此潛在需求巨大?？上驳氖?，中國(guó)工程院作為政府權(quán)威的咨詢機(jī)構(gòu)已經(jīng)意識(shí)到該重要性，由工程院領(lǐng)導(dǎo)的中國(guó)工程科技知識(shí)中心正在開展能源領(lǐng)域的基于GIS的LCA數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)，這為中國(guó)在LCA領(lǐng)域趕超發(fā)達(dá)國(guó)家，并引領(lǐng)全球LCA的發(fā)展方向提供了可能。

本文通過(guò)對(duì)現(xiàn)階段自動(dòng)氣象站在農(nóng)業(yè)發(fā)展中所起到的作用入手，結(jié)合相關(guān)防雷措施，對(duì)自動(dòng)氣象站的防雷技術(shù)進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，只有通過(guò)采取合適的措施，提高自動(dòng)氣象站的防雷效果，才能實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。

[12]TILLMAN A, EKVALL T, BAUMANN H, et al. Choice of system boundaries in life cycle assessment [J]. J. Clean Prod., 1994, 2(1): 21-29.

Potting等[23]在1997年對(duì)LCA的區(qū)域化做了深入的論述，由于早期計(jì)算機(jī)的計(jì)算性能和數(shù)據(jù)儲(chǔ)備能力非常有限，他們僅將區(qū)域化LCA的尺度簡(jiǎn)化為3類：第1類是通用LCA （generic LCA），這類LCA使用從典型區(qū)域獲得的數(shù)據(jù)作為通用數(shù)據(jù)，對(duì)不同地點(diǎn)可能存在的差異不做考慮；第2類是定點(diǎn)LCA（site-specific LCA），定點(diǎn)LCA類似于項(xiàng)目的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，數(shù)據(jù)完全來(lái)自采集點(diǎn)，結(jié)果完全反映其特定條件下的工業(yè)活動(dòng)對(duì)當(dāng)?shù)氐挠绊?；?類是區(qū)域LCA（site dependent LCA），區(qū)域LCA介于通用LCA和定點(diǎn)LCA之間，它把地理環(huán)境劃分為多個(gè)類別，每個(gè)區(qū)域類別的空間尺度可能有數(shù)千公里。Potting 等[24]建立了RAINS（regional air pollution information and simulation）模型，可計(jì)算不同歐洲國(guó)家區(qū)域大氣酸化環(huán)境影響特征因子，計(jì)算表明不同國(guó)家大氣酸化環(huán)境影響特征因子差異巨大，最大的特征因子比最小的特征因子高約1000倍。EDIP（environment-dependent interatomic potential）是第一個(gè)用于估算不同環(huán)境影響類別地域特征因子的系統(tǒng)化方法[25]。除了EDIP方法以外，其他環(huán)境影響類別也有各自在不同區(qū)域的環(huán)境影響特征因子的計(jì)算模型，但絕大多數(shù)的方法僅適用于歐洲國(guó)家的地理情況[26]。

[13]REAP J, ROMAN F, DUNCAN S, et al. A survey of unresolved problems in life cycle assessment [J]. Int. J. LCA, 2008, 13(5): 374-388.

[14]HUO H, ZHANG Q, WANG M Q, et al. Environmental implication of electric vehicles in China [J]. Environ. Sci. Technol., 2010, 44(13): 4856-4861.

[15]BOULAY A, MOTOSHITA M, PFISTER S, et al. Analysis of wateruse impact assessment methods (part A): Evaluation of modeling choices based on a quantitative comparison of scarcity and human health indicators [J]. Int. J. LCA, 2015, 20(13): 139-160.

[16]ROY P, AZEVEDO L, MARGNI M, et al. Characterization factors for terrestrial acidification at the global scale: a systematic analysis of spatial variability and uncertainty [J]. Science of the Total Environment, 2014, 500: 270-276.

[9]OBAMA B. Federal leadership in environmental, energy, and economic performance[Z]. Executive Order (13514) of October, 2009.

[18]BJ?RKLUND A. Survey of approaches to improve reliability in LCA [J]. Int. J. LCA, 2002, 7(2): 64-72.

[19]WEIDEMA B, BAUER C, HISCHIER R, et al. Overview and methodology: data quality guideline for the ecoinvent database version 3[R]. St. Gallen: Swiss Centre for Life Cycle Inventories, 2013.

[20]DREYER L C, NIEMANN A L, HAUSCHILD M. Comparison of three different LCIA methods: EDIP97, CML2001 and Eco-indicator 99 [J]. Int. J. LCA, 2003, 8(4): 191-200.

(1)新授課的內(nèi)容對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)不全是新的，教師要正視這一點(diǎn)，教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)不要在結(jié)論、結(jié)果上做表面文章，要在概念中蘊(yùn)含的數(shù)學(xué)思想方法上、定理和性質(zhì)證明的思考過(guò)程中設(shè)置問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生深入思考，學(xué)會(huì)思考．教學(xué)設(shè)計(jì)應(yīng)簡(jiǎn)單真實(shí)．

[21]GOEDKOOP M, HEIJUNGS R, HUIJBREGTS M, et al. ReCiPe 2008—a life cycle assessment method which comprises harmonised category indicators at the midpoint and the endpoint level[R]. Nederland: Ministry of Housing, Spatial Planning and the Environment, 2008.

輸入量引入的不確定度主要來(lái)源于標(biāo)準(zhǔn)器自身的分辨力、標(biāo)準(zhǔn)器所在位置與表面溫源自身傳感器位置的不一致、表面溫源中心區(qū)域的溫場(chǎng)不均勻等方面。

[22]JOLLIET O, MARGNI M, CHARLES R, et al. IMPACT 2002+: a new life cycle impact assessment methodology [J]. Int. J. LCA, 2003, 8(6): 324-330.

[23]POTTING J, HAUSCHILD M. Predicted environmental impact and expected occurrence [J]. Int. J. LCA, 1997, 2(3): 171-177.

[24]POTTING J, SCH?PP W, BLOK K, et al. Comparison of the acidifying impact from emissions with different regional origin in life-cycle assessment [J]. Journal of Hazardous Materials, 1998, 61(1): 155-162.

[25]HAUSCHILD M, POTTING J. Spatial differentiation in life cycle impact assessment-the EDIP2003 methodology[R]. Guidelines from the Danish EPA, Milj?styrelsen, 2004.

[26]HAUSCHILD M. Spatial differentiation in life cycle impact assessment: a decade of method development to increase the environmental realism of LCIA [J]. Int. J. LCA, 2006, 11: 11-13.

[27]MUTEL L, PFISTER S, HELLWEG S. GIS-based regionalized life cycle assessment: how big is small enough? Methodology and case study of electricity generation [J]. Environ. Sci. Technol., 2011, 46(2): 1096-1103.

[28]KEISUKE N, YUICHI M A, SUZUKI N. Site-dependent life-cycle analysis by the SAME approach:its concept, usefulness, and application to the calculation of embodied impact intensity by means of an input-output analysis [J]. Environ. Sci. Technol., 2005, 39(18): 7318-7328.

[29]SAAD R, MARGNI M, KOELLNER T, et al. Assessment of land use impacts on soil ecological functions: development of spatially differentiated characterization factors within a Canadian context [J]. Int. J. LCA, 2011, 16(3): 198-211.

[30]CIVIT B, ARENA A P, ALLENDE D. Determination of regional acidification factors for Argentina [J]. Int. J. LCA, 2014, 19(9): 1632-1642.

往日美麗的年輕的小伙子，和死蛇一般爬回來(lái)。五姑姑出來(lái)看見自己的男人，她想到往日受傷的馬，五姑姑問(wèn)他：“義勇軍全散了嗎？”

[31]PENNINGTON D, MARGNI M, AMMANN A C, et al. Multimedia fate and human intake modeling: spatial versus nonspatial insights for chemical emissions in Western Europe [J]. Environ. Sci. Technol., 2005, 39(4): 1119-1128.

[32]HUMBERT S, MANNEH R, SHAKED S, et al. Assessing regional intake fractions in North America [J]. Science of the Total Environment, 2009, 407(17): 4812-4820.

[33]PFISTER S, KOEHLER A, HELLWEG S. Assessing the environmental impacts of freshwater consumption in LCA [J]. Environ. Sci. Technol., 2009, 43(11): 4098-4104.

[34]PFISTER S, BAYER P, KOEHLER A, et al. Environmental impacts of water use in global crop production: hotspots and trade-offs with land use [J]. Environ. Sci. Technol., 2011, 45(13): 5761-5768.

[35]KAHRL F, LI Y, SU Y, et al. Greenhouse gas emissions from nitrogen fertilizer use in China [J]. Environmental Science & Policy, 2010, 13(8): 688-694.

研究論文

New direction of life cycle assessment: GIS-based life cycle assessment

TIAN Yajun1, DENG Yelin2, ZHANG Yueling3, XIE Kechang4,5
(1National Institute of Clean-and-Low-Carbon Energy, Beijing 102209, China;2Department of Mechanical Engineering, University of Wisconsin-Milwaukee, Milwaukee 53211, USA;3School of Environment and Chemical Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206, China;4Laboratory of Coal Science and Technology, Ministry of Education and Shanxi Province, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, Shanxi, China;5Department of Thermal Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

Abstract：The study presents an overview on the development of regionalization of life cycle assessment （LCA）. The results of the paper indicate that incorporating spatial information into the process of the life cycle assessment is both necessary and feasible. The GIS (geographical information system), on the other hand, is an important platform to serve the purpose. The paper shows that GIS can effectively align and manage the spatial data in a flexible way, and thus promote the application of regionalized LCA study. The paper proposes a framework for the design of GIS based LCA. By integration GIS and LCA, the accuracy and representativeness of LCA results can be upgraded, which lays a solid foundation for policy making process.

Key words：life cycle assessment; geographic information; GIS; database; sustainability; environment; energy

中圖分類號(hào)：X 823

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：0438—1157（2016）06—2195—07

DOI：10.11949/j.issn.0438-1157.20151795

基金項(xiàng)目：中國(guó)工程院工程科技知識(shí)中心能源專業(yè)知識(shí)服務(wù)系統(tǒng)建設(shè)項(xiàng)目。

Corresponding author:Prof. TIAN Yajun, tianyajun@nicenergy.com