基于ISO 14046的工業產品水足跡評價研究
——以電纜為例

白 雪,胡夢婷,朱春雁,任曉晶,鮑 威,孫 亮

1 中國標準化研究院, 北京 100191 2 輕工業環境保護研究所, 北京 100089

基于ISO 14046的工業產品水足跡評價研究
——以電纜為例

白 雪1,*,胡夢婷1,朱春雁1,任曉晶2,鮑 威1,孫 亮1

1 中國標準化研究院, 北京 100191 2 輕工業環境保護研究所, 北京 100089

水足跡國際標準(ISO 14046)于2014年發布,基于生命周期評價(LCA)的思想,水足跡被定義為量化與水相關潛在環境影響的指標。在ISO14046的原則、要求和方法學框架基礎上,介紹了工業產品水足跡的計算和評價方法,并以銅電纜和鋁合金電纜為例進行研究,分別評價了兩類電纜生命周期過程產生的與水相關環境影響。與水足跡網絡(WFN)的方法側重于計算生產產品所需要的水資源總量不同,ISO的方法更關注于產品全生命周期過程的環境影響評價。案例研究表明：銅電纜生命周期全過程耗水量與鋁合金電纜相比少24.8%,水短缺足跡相比則少97.9%。這是因為銅電纜生產地江蘇的水壓力指數(WSI)小于鋁合金電纜生產地河北的WSI。由此,在江蘇地區生產電纜使用的水資源對當地水環境壓力造成的影響遠小于在河北地區生產電纜造成的影響。采用科學合理的水足跡評價方法,量化工業產品全生命周期帶來的環境影響,能為我國實現工業布局的合理規劃和水資源的可持續利用提供科學依據。

水足跡；生命周期評價；水資源；環境影響

水是人類發展不可或缺的自然資源,也是一切生物賴以生存的基礎。然而,地球上可以直接利用的水資源十分匱乏,并且隨著人口膨脹與工農業生產規模的不斷擴大,全球水資源的使用和消耗增長迅猛,淡水供需矛盾日益突出。在水資源短缺愈發嚴重的同時,人類又在大規模污染水源,進一步導致了水質惡化。解決水資源短缺問題,不僅需要使用開源節流等傳統手段提高水資源利用效率,更要在水資源的管理方式、管理理論等方面進行創新和完善。因此,如實地衡量人類對水資源消費利用情況顯得十分必要,水足跡評價為此提供了可行的辦法。通過水足跡的計算和評價,能夠實現對水資源利用效率的總體把握,為水資源的合理利用提供決策依據,同時能夠根據不同地域、行業、產品對水環境影響的程度,實現水資源的優化配置[1]。

水足跡(Water Footprint)概念是荷蘭學者Hoekstra在虛擬水理論研究[2]的基礎上提出的,用以描述人類消費對水資源系統的影響。Hoekstra將水足跡定義為：任何己知人口(一個國家、一個地區、一個人)在一定時間內消耗或生產的所有產品和服務所需要的水資源總量(包含人類生活所必需的食品及生活用品所含虛擬水、生活用水及生態環境用水)[3]。水足跡的概念一經提出,就受到了學術界、國際機構、商界以及公眾的廣泛關注。隨著水足跡理論研究的不斷深入及其實證研究范圍的不斷擴大,水足跡的標準化也成為研究的熱點,目前國際上有兩個組織分別發布了水足跡的評估標準：一是水足跡網絡("Water Footprint Network,WFN),二是國際標準化組織(International Standard Organization,ISO)。

2011年由WFN 正式出版書籍《The Water Footprint Assessment Manual》,作為國際上第一本專門針對水足跡的評價手冊,系統闡述了水足跡評價的4個步驟：設定目標和范圍、核算水足跡、評價水足跡可持續性和制定水足跡響應方案。WFN描述的水足跡中包括藍水、綠水和灰水足跡3種,所得水足跡結果為具體的數值,此方法側重于過程、產品、消費者、企業、區域、流域和國家的水足跡核算方法[4]。

2014年8月,由國際標準化組織環境管理技術委員會正式發布了ISO 14046:2014《Environmental management-Water footprint-Principles, requirements and guidelines》。作為第一項水足跡評價國際標準,該標準基于生命周期評價核心標準“環境管理-生命周期評估-原則和框架(ISO14040 2006)”和“環境管理-生命周期評估-要求和指南(ISO14044 2006),提出了水足跡評價應包含四個步驟：目的和范圍的確定、清單分析、影響評價和結果解釋[5]。ISO14046涵蓋了不同環境影響類型的水足跡評價,所得水足跡結果為當量值,此方法側重于通過對產品、過程和組織各生命周期階段水足跡的量化結果,識別和理解與水相關的潛在環境影響的大小和重要性。ISO 14046的發布,為統一和規范水足跡評價的相關原則、要求和方法學框架提供了依據,也為進一步研究和制定具體行業或產品的水足跡標準奠定了基礎。

本文選擇電纜這種典型工業產品,基于ISO 14046開展產品水足跡評價方法和案例研究。

1 基于ISO 14046的工業產品水足跡評價方法

為便于不同產品、不同生產階段以及不同產地的產品之間的比較[6],根據ISO 14046及相關研究資料[7- 14],采用水當量(例如H2Oeq)作為評價指標。

1.1 目的和范圍的確定

開展產品水足跡的核算和評價,其首要任務是確定研究目的和范圍,主要包括確定系統邊界。產品水足跡評價通常應該包括產品生命周期的所有階段,即：原材料階段、生產階段、分銷和儲存階段、使用階段和處置回收階段的輸入和輸出。產品水足跡系統邊界如圖1所示[15]。

圖1 產品水足跡系統邊界Fig.1 system boundaries of product water footprint

1.2 清單分析

產品水足跡清單分析包括產品生命周期所有階段(原材料階段、生產階段、分銷和儲存階段、使用階段和處置回收階段)涉及的水資源使用量、能源消耗量、物料消耗量、廢水或廢物排放量等。

1.3 影響評價

產品水足跡評價可以將水足跡清單結果劃歸以下主要的影響類型：

1)水短缺足跡

水短缺足跡是用來評價產品全生命周期過程中對水資源短缺的影響,其計算公式如下[7]：

式中,WFsc,p為水短缺足跡(m3H2O當量);WSIj為位置j的水壓力指數;WSIgl為全球或全國平均水壓力指數,0.60;Cj為位置j的用水量;i為產品生命周期階段。1—4分別代表原材料階段、生產階段、使用階段和處置回收階段。

水壓力指數是特征因子,有多種計算方法和模型,本文采用[16]中的方法,基于取水量和水資源可利用性之比,可通過谷歌地圖確定。該方法提供的水壓力指數在0.01(沒有水資源壓力)和1(最高水資源壓力)之間。

2)水富營養化足跡

水富營養化足跡用來評價組織中存在的排入各種水體的氮、磷等污染物所造成水資源潛在富營養化影響。計算公式如下[17]：

3)水酸化足跡

水酸化足跡用來評價組織中存在的排入各種水體的酸性污染物所造成的潛在酸化影響。計算公式如下：

式中,WFaci,p為水酸化足跡(kgSO2當量)。αaci,j為排入水體的污染物x的特征化因子,單位為kgSO2當量/kg污染物[18- 19]。Maci,j為排入水體的污染物x的質量(kg)。i為產品生命周期階段。1—4分別代表原材料階段、生產階段、試用階段和處置回收階段。

4)水生態毒性足跡

水生態毒性足跡用來評價組織中存在的排入各種水體的金屬、有機污染物等所造成的潛在毒性影響。計算公式如下：

式中,WFeco,p為水生態毒性足跡(m3H2O)當量。αeco,j為排入水環境介質的污染物i的特征化因子(m3H2O當量/kg污染物)[18-27]。Meco,j為排入水環境介質的污染物i的質量(kg)。i為產品生命周期階段。1—4分別代表原材料階段、生產階段、試用階段和處置回收階段。

2 產品水足跡評價案例

近年我國電線電纜產業取得了令人矚目的成績,在世界范圍內,中國電線電纜總產值已超過美國、日本,成為世界上第一大電線電纜生產國[28]。目前國內外對電線電纜行業產品或工藝的生命周期評價(LCA)的研究很少,國外只有少量涉及6類線纜的生命周期評價研究,而國內僅有針對鋁合金電纜和銅電纜整個生命周期過程中的環境影響評價,主要包括中國資源消耗、能源消耗、酸化、全球變暖、富營養化和工業用水6大方方面[29]。

2.1 目的

本文選取銅電纜和鋁合金電纜分別進行水足跡計算和評價,并將結果進行比較,以期從水足跡角度衡量鋁合金與銅芯電纜的可持續性。

2.2 系統邊界

為了能更加全面的反映銅電纜和鋁合金電纜在全生命周期中的環境影響,本研究盡可能對相關產品的原材料獲取、產品制造、產品使用、運輸和廢棄階段進行全面的數據收集,并根據生命周期評價(LCA)的方法進行計算和分析。

圖2 電纜生命周期示意圖Fig.2 Cable life cycle diagram

2.3 數據來源

本次評價的數據來源主要包括企業調研數據、數據庫數據和相關文獻數據,其中數據庫采用中國標準化研究院開發的生命周期數據庫“GreenIn”。

電纜原材料階段數據采用數據庫(GreenIn)數據,制造階段數據采用企業調研數據,使用階段數據通過相關標準中關于電線電纜使用過程中線損的計算方法計算得出,運輸階段和產品廢棄(再生)階段采用數據庫(GreenIn)中的數據。

調研的銅電纜生產企業位于江蘇省,鋁合金電纜生產企業位于河北省,根據查詢谷歌地球(Google Earth)可知,兩地的WSI分別為0.0278和1。

2.4 結果分析

2.4.1 銅電纜不同影響類型水足跡分析

表1 銅電纜不同影響類型的水足跡

2.3.2 銅電纜和鋁合金電纜水短缺足跡分析

基于ISO 14046計算出的銅電纜和鋁合金電纜水短缺足跡分別如表2和表3所示。銅電纜生命周期過程中主要用水階段為使用階段,占總用水量的97%,使用階段計算的使用年限為30a,用水主要來自電力損耗所需要的水量。其次來自產品的原材料階段,占比約為2.2%,用水量最少的為廢棄再生階段,占比為0.074%。

表2 銅電纜水短缺足跡

表3 鋁合金電纜水短缺足跡

鋁合金電纜生命周期過程中主要用水階段為使用階段,占總用水量的76.32%,使用階段計算的使用年限為30a,用水主要來自電力損耗所需要的水量。其次來自產品的原材料階段,占比約為20.32%,用水量最少的為廢棄再生階段,占比為0.071%。

銅電纜生命周期全過程耗水量與鋁合金電纜相比少24.8%,水短缺足跡相比少97.9%。這是因為銅電纜生產企業在江蘇,其水壓力指數WSI為0.0278,而鋁合金電纜的生產企業在河北,其水資源壓力指數WSI為1。WSI越高,該區域的水資源匱乏越嚴重。結果表明,在江蘇地區生產電纜使用的水資源對當地水環境壓力造成的影響遠小于在河北地區生產電纜造成的影響。

3 結論

本文采用基于ISO 14046的生命周期水足跡評價方法,分別對來自不同產地的銅電纜和鋁合金電纜進行了產品水足跡評價研究,該方法具有較好的可操作性,為電纜工業產品水足跡評價提供了方法支持。主要結論如下：

(1)在銅電纜生命周期過程中,主要用水階段為使用階段,水資源潛在劣化影響(包括水富營養化、水酸化和水生態毒性等)較水資源短缺的影響更大。

(2)電纜生產企業所處地理位置的水資源短缺程度對其產品的水短缺足跡具有決定性影響。

(3)采用科學合理的水足跡方法評價產品原材料、生產、使用、運輸、廢棄再生等生命周期全過程對水資源和水環境的影響,能為我國實現工業布局的合理規劃和水資源的可持續利用提供科學依據。

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Evaluation of the water footprint of industrial products based on ISO 14046 using cables as an example

BAI Xue1,*, HU Mengting1, ZHU Chunyan1, REN Xiaojing2,BAO Wei1,SUN Liang1

1ChinaNationalInstituteofStandardization,Beijing100191,China2EnvironmentalProtectionResearchInstituteofLightIndustry,Beijing100089,China

The international standard of water footprints (ISO 14046) was published in 2014 based on life cycle assessment (LCA), which is defined as the index for quantifying potential water-related environmental influences. Based on the principle, requirements, and methodology of ISO14046, the aim of the present study was to introduce methods for calculating and evaluating water footprints, and analyze copper and aluminum alloy cables in relation to this. We evaluated the influence of water during the life cycles of the two cable types. Unlike the water footprint network (WFN), which emphasizes the calculation of the total requirement of water resources for production, the ISO method focused on the environmental influence assessment during the product life cycle. The case study indicated that the water consumption and footprint of the copper cable were lower by 24.8 and 97.9%, respectively, than that of aluminum alloy cable during their life cycles. This is because the water stress index (WSI) of Jiangsu Province, where copper cables are produced, is lower than that of Hebei Province, where aluminum alloy cables are manufactured. Therefore, the water usage for cable production in Jiangsu will influence the local water environment considerably less than in Hebei. Adopting scientific methods to evaluate the water footprint and quantify the environmental influence accompanying the full life cycle of industrial products provides a scientific basis for effective planning of the industrial distribution and sustainable utilization of water resources in our country.

water footprint; life cycle assessment; water resource; environmental influence

質檢公益性行業科研專項(201310289)

2015- 09- 09;

2016- 03- 17

10.5846/stxb201509091860

*通訊作者Corresponding author.E-mail: baixue@cnis.gov.cn

白雪,胡夢婷,朱春雁,任曉晶,鮑威,孫亮.基于ISO 14046的工業產品水足跡評價研究——以電纜為例.生態學報,2016,36(22):7260- 7266.

Bai X, Hu M T, Zhu C Y, Ren X J,Bao W,Sun L.Evaluation of the water footprint of industrial products based on ISO 14046 using cables as an example.Acta Ecologica Sinica,2016,36(22):7260- 7266.