基于生命周期评价的中国西北地区混凝土行业水足迹实证探讨

论文价格:150元/篇 论文用途:硕士毕业论文 Master Thesis 编辑:vicky 点击次数:
论文字数:45655 论文编号:sb2021052223410335666 日期:2021-06-13 来源:硕博论文网
本文从生命周期视角对我国西北地区混凝土行业的水足迹进行了测算,并深入分析了影响混凝土水足迹的主要参数。以此为基础构建了混凝土生命周期综合评价模型,定量测算了我国西北地区五省市的混凝土行业生命周期水足迹,并据此对混凝土水足迹影响因素进行敏感性分析,根据各省水分胁迫指数分析了混凝土行业发展可持续性。根据上述研究内容,本文提出了多区域视角下推进我国混凝土行业节水工作的策略建议,以期为各相关部门和企业提供借鉴,为以后的进一步研究带来启示。

1 绪论

1.1 研究背景和问题的提出
1.1.1 研究背景
(1)中国建筑业发展现状
高速发展的建筑业作为国民经济的重要支柱产业,强有力的推动作用促使我国经济社会快速发展,与此同时,水资源消耗量也愈来愈高,给我国资源和生态环境保护带来的威胁和压力也随之日益陡增[1]。在新中国成立以后,我国现代建筑业得到了高歌猛进的快速发展,特别是改革开放后这 30 多年来,建筑业在国民经济发展中的地位日益显著,继农业、工业、商业后已成为第四大支柱产业[2],2018 年我国建筑业同比增长 9.9%,国内生产总值 26.1%的占比更是高居各产业前列。作为典型资源密集型产业的建筑业,消耗高、污染高、能效低等问题十分突出,这些没有实质性转变的粗放生产方式,是以消耗大量资源为代价来实现建筑业的不可控增长的。
建筑业与其产业链上游的钢材、水泥、混凝土等耗水高污染大的建筑材料加工业联系密不可分,建筑行业因此成为了潜在高耗水部门的范例。研究结果表明,建筑行业大量的用水需求和污水排放带来了超过 7%的虚拟水资源消耗,同时由于建筑业设计施工等各个环节的不合理使用水资源,也造成了建筑业大量的淡水资源消耗和建筑污水排放[6]。2017 年住建部批准编制的《建筑业发展“十三五”规划》首次提出了我国如何在十三五期间重点推动建筑业的现代化和快速可控发展,把推进建筑节能、发展现代绿色建筑与促进建筑业技术转型和升级作为主要目标和任务,并对建筑业节水、降耗和减排的目标提出了新的更高的要求,这有助于推进建筑业的稳定可控发展[5]。因此,为加强水资源和能源保护,顺利实现我国现阶段建筑业技术转型升级和节水、降耗、减排目标,为我国经济快速可控发展和生态环境持续优化保驾护航,作为用水量和污水排放量双高的部门,对建筑业的节水、减排、降耗改造显得尤为迫切和重要。
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1.2 研究目的和研究意义
1.2.1 研究目的
水资源的日益稀缺和基础设施建设的日益增加,让混凝土生产过程中耗水量大的问题成为了亟需解决的关键问题,本研究的目标是:
(1)核算混凝土生产过程中的直接用水量和虚拟用水量,进而测算出混凝土行业生产生命周期单位水足迹。
(2)分析水分胁迫指数,评估混凝土生产在本地区的可持续性,进而提出有效减少混凝土生产用水量的管理策略。
(3)将混凝土生产纳入水足迹生命周期评价研究框架下,综合考虑能耗类型、运输方式和人工餐饮的影响,构建混凝土生产水足迹的综合评价模型,实证研究混凝土生产生命周期单位水足迹,定量分析混凝土生产的实际耗水量,分析影响混凝土行业水足迹的敏感性参数,为减少水资源压力提供依据。
1.2.2 研究意义
本文立足于建筑业混凝土生产降低用水量的现实问题,以混凝土行业的水足迹为研究对象,试图在借鉴现有相关研究的基础上,对我国西北地区混凝土行业的水足迹进行测度和评价。本研究对我国西北地区 4705 家混凝土生产企业进行样本量为355的分层抽样调查,采用敏感性分析方法,评估了不同参数对水足迹模型的影响,并通过水分胁迫指数评估了混凝土生产在本地区的发展可持续性。本研究具有以下重要意义:
①在理论方面,虽然作为研究热点的环保型绿色建筑已经有许多专家学者进行了大量的研究并取得了可观的成果,但到目前为止主要集中在绿色建筑的政策制定、理念推广,建筑节能、碳足迹测评以及能源效率等方面。而对混凝土这一建筑业核心材料的研究较少且集中于混凝土的生产排放问题,针对混凝土生产实际用水量的研究更是稀少,缺乏对混凝土行业水足迹的专门研究。本文尝试以生命周期评价框架为基础来研究混凝土行业的水足迹,补充了混凝土行业水足迹研究的缺陷与不足,从行业层面拓展了绿色建筑的研究对象和内容。
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2 论文研究的理论基础

2.1 基本概念界定
2.1.1 生命周期评价
生命周期评价(Life Cycle Assessment,LCA)是一个用来评估产品整个生命周期(即从原材料采购、生产和使用阶段到废弃回收管理)能源和材料使用对环境和资源非显在影响的工具[22]。揭开生命周期评价研究序幕的是开展针对可口可乐公司饮料包装瓶环境影响评价的美国中西部资源研究所,在当时被称为资源与环境状况分析(Resource and Environmental Property Analysis, REPA)[35]。70 年代后 REPA 针对工业活动大量消耗原材料和大量产生固体废弃物展开研究,由于缺乏统一的方法和理论,进展缓慢。而首次提出“生命周期评价”概念的是“国际环境毒理学会与化学学会(SETAC)”, SETAC 在1991年首次主持召开了有关于生命周期评价的国际研讨会,该组织广泛地研究和补充了生命周期的评价理论和研究方法。1993 年国际标准化组织起草了 ISO14000 国际标准,在 LCA 的概念和理论架构上进行了内容与研究方法的丰富和补充,ISO 将改善评价修改为产品或服务的生命周期解释,正式将生命周期评价纳入该标准体系,形成了今天广泛使用的 LCA 研究框架[36]。
生命周期评价(LCA)方法由目的与范围确定、清单分析、生命周期影响评价及生命周期解释四个基本步骤共同组成。第一步主要目的是通过确定研究目的与其范围的重要性,决定为何要进行该产品的生命周期影响评价(包括对其结果的应用意图)研究,并描述所要研究的系统和数据类型;第二步清单分析是对一个产品或服务整个产品生命周期阶段的资源、能源消耗或向周围环境的排放进行数据量化分析,其核心是建立以产品的功能单位作为表达的整个产品系统的输入和输出,这是进行产品生命周期影响评价的基础;第三步主要是对各种环境交换潜在影响进行评估,说明各种环境交换的相对重要性以及各生产阶段或产品各功能部件对环境影响产生贡献的程度和大小,以此将各阶段生命周期影响评价应用于各种决策过程;第四步是根据 LCA 前几个阶段的研究或清单分析的发现,分析结果、形成结论、解释局限性、提出建议并报告该产品或服务生命周期影响解释的清单分析结果,尽可能多地提供对 LCA 或 LCI 研究分析结果易于理解的、完整的和一致的说明[25]。
表 3.1 确定混凝土企业的调研样本数量
表 3.1 确定混凝土企业的调研样本数量
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2.2 研究现状
2.2.1 水足迹研究现状
(1)国外研究现状
在虚拟水和水足迹概念形成之前,水资源的研究大多集中在提升节水技术或通过价格杠杆来提升用水效率的方式上,水足迹将水资源研究从自然环境领域拓宽到了人类经济社会领域,借助经济学方法改善水资源利用系统,通过虚拟水贸易带来全球节水。
从水足迹研究的时间范围看,2004-2008 年发文量较少,水足迹研究处于起步萌芽阶段,发展缓慢;2009-2013 年发文量开始稳步增加,水足迹研究从初步发展阶段开始走入公众视野并逐步引起全球学者的重视;2014-2017 发文量高且稳定,水足迹研究进入快速发展阶段,水足迹研究开始成为水资源研究的一个重要组成部分;2018 以后水足迹年发文量开始出现井喷式发展,水足迹研究进入高速发展阶段,各界学者已不仅仅局限于水足迹的测算与虚拟水贸易,更多的开始关注水资源短缺足迹和水资源可持续性发展等问题[43]。
从水足迹研究的空间范围看,国外专家和学者的水足迹研究不止仅仅局限于国家层面,而且同时兼顾了全球层面,成果较为丰富。目前全球层面水足迹的研究成果主要有:Mekonnen 和 Hoekstra[44]统计了 1996-2005 年全球小麦生产水足迹和动物产品(牛肉、牛奶、鸡蛋等)[45]水足迹;Chapagain[46]等人测算了全球棉花生产水足迹,评估了棉花产品的消费对棉花种植和加工国家的水资源影响;Fader[47]等人使用水文和农业生物模型LPJmL量化了11种世界主要农作物单位蓝水足迹和绿水足迹,并测算了全球所有国家 1998-2002 年的农业水足迹;Martínez-Alcalá[48]等人研究了药物化合物等新兴污染物在世界范围内造成水污染问题和处理这些污染物的灰水足迹;Vaca-Jiménez[49]等人对比了化石能源发电和水利发电的蓝水、灰水足迹。国家层面水足迹研究主要有厄瓜多尔、摩洛哥、英格兰、澳大利亚、荷兰、印度尼西亚、西班牙、新西兰、加拿大、印度、泰国、伊朗等国家作为水足迹研究对象,根据本国地缘位置、经济政治文化特点等,针对性地对本国各行业水足迹总量、水资源安全等方面进行了测算分析研究,研究发现上述国家中很多干旱半干旱地区普遍面临巨大的水资源短缺问题,而且很多国家的产品或服务虚拟水足迹由低位流向高位。各国学者为缓解这些需求不断增加与水资源存量不足的尖锐矛盾提出了具有针对性和可操作性的建议措施,这些研究极大地丰富了水足迹的研究成果,使水足迹领域研究有了巨大进步。
图 3.1 研究区域
图 3.1 研究区域
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3 构建混凝土生产生命周期水足迹综合评价模型................................20
3.1 研究区域选择与调研方案制定 ....................20
3.2 数据来源与选取 ...............................21
4 中国西北地区混凝土行业生产生命周期水足迹实证研究........................29
4.1 样本企业调研结果 ..................................................29
4.2 混凝土、水泥及骨料生产生命周期水足迹计算结果 ......................29
5 降低混凝土行业生产生命周期水足迹的对策建议..............................37
5.1 不同参数对混凝土行业生产水足迹的贡献 ..............................37
5.1.1 不同参数对混凝土生产水足迹的影响及降低水足迹的对策...........37
5.1.2 不同参数对水泥生产水足迹的影响及降低水足迹的对策.............38

5 降低混凝土行业生产生命周期水足迹的对策建议

5.1 不同参数对混凝土行业生产水足迹的贡献
已有研究较多地讨论了混凝土生产的直接用水量,对混凝土产品的虚拟水含量关注较少。但从图 4.5-4.7 中可以看出,虚拟水足迹分别占了混凝土、水泥、骨料用水量的 91.8%、48.79%、69.59%。这些数据表明,混凝土行业巨大的水资源消耗和虚拟水足迹密切相关,这是混凝土生产生命周期水足迹评估研究的重点。
5.1.1 不同参数对混凝土生产水足迹的影响及降低水足迹的对策
对于混凝土生产来说,中国西北地区混凝土生产生命周期水足迹的计算结果相比于目前一些已有研究偏低,导致这一结果的原因可能由几方面构成:一是国内外混凝土生产线、物料配比不同,研究选取的混凝土厂生产技术不同所导致;二是混凝土外加剂的使用,降低了水泥用量及混凝土拌和用水量;三是混凝土虚拟水足迹的构成中,主要贡献为水泥、骨料以及人员餐饮水足迹。由于饮食结构以及劳动力投入的差异,本研究中样本混凝土厂提供的人员餐饮水足迹高于 Hosseinian[84]、Spiess[87]的研究结果。中国火力发电、焦煤等水足迹数据与其他国家也有差别。尤其在水泥生产上,新型干法水泥技术的快速发展和应用,全国落后水泥产能正加速淘汰。低能耗、低排放、低污染的低碳经济理念已深入人心,极大降低了水泥生产的水足迹。
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6 结论与展望

6.1 研究结论
本研究运用生命周期评估方法,提出了基于能耗、直接用水和投入因素影响的混凝土生产生命周期水足迹综合评价模型,通过对混凝土、水泥、骨料生产生命周期水足迹的核算得到以下结论:
(1)中国西北地区的混凝土生产生命周期单位水足迹为 2159 L/m3,混凝土、水泥、骨料生产生命周期水足迹与伊朗等国外相关研究基本相当,略微偏低。主要原因为我国的混凝土生产工艺水平相对成熟,直接用水量稳定。经过多年来的节约用水的教育,相关企业在节水意识和节水措施等方面具有了较大提高,冲洗设备等污水回收再利用等节水措施也得到一定应用。
(2)骨料和水泥是混凝土生产的重要投入物,从敏感性因素分析以及水足迹占比来看,骨料和水泥也是混凝土生产生命周期水足迹的主要来源。因此,降低混凝土生产生命周期水足迹要考虑降低骨料和水泥的生命周期水足迹。骨料要考虑提高生产工艺降低电力能源虚拟水足迹,以及使用光伏发电、风力发电及天然气发电等可再生能源电力作为主要能源。水泥要考虑减少用来洗涤原材料和冲洗设备的用水量,提高水泥生产过程中的污水回收再利用。同时,应该考虑混凝土拆除骨料的回收再利用,这也是未来混凝土行业生命周期评估摇篮到摇篮(Cradle to Cradle)阶段的研究主题。
(3)人员餐饮和能源水足迹是影响混凝土生产生命周期水足迹的最敏感因素,混凝土生产人员餐饮水足迹以0.352的敏感性高居影响因子首位。降低人员餐饮水足迹应主要通过技术投入提高机械自动化生产水平来实现。对于能源水足迹来说,降低火电使用量,提高其他可再生能源发电的使用量。如本研究所选混凝土、水泥和骨料厂已具备使用风力发电和光伏发电作为主要电力能源的条件,能够实现通过降低电力虚拟水足迹而降低混凝土生产生命周期水足迹的目的。用天然气替代焦煤也可以大幅降低燃料能源带来的水泥生产生命周期水足迹,从而降低混凝土生产生命周期水足迹。在骨料生产中提高人员通勤可以有效降低餐饮食物水足迹,因此可以在混凝土和水泥生产企业推广提高人员通勤安排,降低餐饮食物提供来有效降低虚拟水足迹。
参考文献(略)