一种排水设施生命周期评估方法
技术领域
本发明属于设施生命周期评估领域，具体涉及一种排水设施生命周期评估方法。
背景技术
20世纪60年代，原材料和能源资源缺乏，生命周期评价的研究由此而开展。随着全球环境污染问题的加剧，很多国家开始加强环境保护，一些关于可持续发展、资源和环境分析的研究也日益增多。20世纪80年代后期关于生命周期评价的研究迅速发展起来。荷兰国家住房、规划与环境部首次提出了从原材料开采、生产、使用到处置的产品全生命周期概念。该管理模式目前称为链式生命周期评价即CMLCA,相关的应用软件也由荷兰大学莱顿大学环境科学中心开发。关于生命周期评价的国际研讨会也于1990年由国际环境毒理学与化学学会首次主持召开。生命周期评价方法论由国际标准化组织(ISO)和国际环境毒理学与化学学位(SETAC)在1997至2000年期间发布的，从ISO14040至ISO14043，包括了原则和框架的确定，目标和范围确定、清单分析，影响评价和结果解释。我国的标准体系文件参考了国际标准，从1999年至2002年引入了生命周期评价方法的标准，对应为GB/T24040-1999、GB/T24041-2000、GB/T24042、GB/T24043。这表明我国对于生命周期评价方法也同步在进行规范和完善。
排水设施的复杂性、多样性、不可见性以及动态性等特点，传统的规划管理方法已难以满足现代城市发展对排水设施建设的要求。近年来，随着相关研究的深入以及计算机应用水平的提高，城市排水设施规划管理的手段正逐步得到改善。然而，由于有关这一领域的系统性的研究尚处于起步阶段，且受行业、专业等因素的影响，目前的排水设施在规划管理方面还存在许多不足，因而市政当局找寻对于排水设施的评估方法就显得格外重要。
给排水管网系统是现代城市的根本，只要城市存在，给排水管网系统就要工作，随着现代城市规模不断扩大，对管网的建设和改造成为政府等职能部门日益关注方面，迄今为止的许多研究只包括运行，但忽略(或部分考虑)施工和寿命终止阶段的环境负荷。但从经济成本和环境影响等评估排水设施的规划、设计、施工具有重大意义，因此，无论规划、设计，还是运行管理，都必须考虑到其生命期内的全过程。不考虑其生命期的任何工作，都会在以后的过程中，以不同的方式付出代价。
发明内容
本发明提供一种排水设施生命周期评估方法，科学的选取了建设和改造中涉及的最重要阶段、过程和相关参数，能够评估不同的管道材料、每种材料的寿命、直径、运输距离、现场特定特征和管道沉积选项等在内的多种因素带来的经济和环境影响。
本发明的技术方案如下：
一种排水设施生命周期评估方法，包括如下步骤：1)提供包含多种管道材料、直径和现场特定特性选项的清单，并嵌入到基于Excel工具中；2)从环境和经济角度确定排水设施建设和改造中涉及的最重要阶段、过程和相关参数；3)依据国家规范和定额标准，确定排水设施施工和改造所涉及的所有过程；4)结合实际施工情况计算施工和改造过程材料、费用和能源的使用总量，获得排水设施施工和改造的全生命周期清单；5)敏感性分析，以评估排水设施建设和改造过程中不同参数对环境的影响。
进一步地，所述的排水设施生命周期评估方法，所述步骤2)中，排水设施建设和改造中涉及的最重要阶段包括施工和整修两大类；施工阶段包括：工作区清理、开挖、管道铺设、回填、沥青铺筑、余土分布；整修阶段包括：沥青层破碎、开挖、拔管、新铺管、回填、新铺沥青。
进一步地，所述的排水设施生命周期评估方法，所述步骤2)中，排水设施建设和改造中涉及的过程包括：机械消耗柴油、多余材料运输至垃圾填埋场、管道的生产和运输、管道铺设消耗柴油、证明管道可靠性用水、花岗岩生产、运输和放置期间消耗的柴油和水、沥青生产和运输、寿命终止(即提取和沉积/焚烧管道)、处理(即焚烧或填埋)。
进一步地，所述的排水设施生命周期评估方法，所述步骤2)中，排水设施建设和改造中涉及的相关参数包括：工程所在地、必要清洁工作区域、上层交通、必要加固沟渠、待支撑表面(m2)、管道材质、管道直径(cm)、沟槽形状、角度、沟长(m)、土壤类型、填埋距离(km)、距托换分配器(km)、距花岗岩撒砂机距离(km)、距撒砂机距离(km)、距布管器距离(km)、沥青制造商的扣押(km)、沟槽材料沉积、水的用量是否需要考虑、经营年限、整修工程数量、到沉积处理的距离、距沥青填埋场距离(km)；具体如下表一：
表一 排水设施生命周期评估相关参数
进一步地，所述的排水设施生命周期评估方法，所述步骤3)中，国家规范和定额标准包括：《市政工程计价定额》、《辽宁省建设工程计价依据建设工程费用、机械台班费用、混凝土砂浆配合比标准》、《中华人民共和国环境保护法》、《环境空气质量标准》、《环境管理体系要求及使用指南》。
进一步地，所述的排水设施生命周期评估方法，所述步骤4)中，结合实际施工情况计算施工和改造过程材料、费用的使用总量的计算方法，包括：
(1)人工费基于定额计价模式
人工费＝Σ(概预算定额中人工工日消耗量×相应等级的日工资综合单价)；
(2)材料费基于定额计价模式
材料费＝Σ(材料消耗量×材料基价)+检验试验费
材料基价＝Σ(供应价格+运杂费)×[1+运输损耗量(％)]×[1+采购保管费率(％)]
检验试验费＝Σ(单位材料检验试验费×材料消耗量)；
(3)施工机械使用费＝Σ(施工机械台班消耗量×机械台班单价)
台班单价＝台班折旧费+台班大修费+台班经常修理费+台班安拆费及场外运费+台班人工费+台班燃料动力费+台班养路费及车船使用税。
进一步地，所述的排水设施生命周期评估方法，所述步骤4)中，结合实际施工情况计算施工和改造过程能源的使用总量的计算方法，包括如下步骤：(1)气候变化类别(以二氧化碳当量的排放量计量)评估了温室气体的排放，这些温室气体捕获了太阳反射到地球上的部分辐射，从而提高了地表的温度；(2)人类毒性(以二噁英计量)类别考虑了环境在人类食物链中的持久性和积累以及与人类活动有关的有毒物质的毒性；(3)颗粒物形成类别(以PM2.5当量计量)评估可进入人体并对人体健康产生负面影响的小颗粒物的排放；(4)化石消耗类别(以石油当量千克计量)考虑了化石燃料从碳氢化合物中的消耗。
进一步地，所述的排水设施生命周期评估方法，所述步骤5)中，敏感性分析的参数包括：管道材料类型(PVC、HDPE、预制混凝土和钢筋混凝土)、管道直径(20-160cm)、材料运输距离(0-100km)和工作区特征(位置、土壤类型和沥青铺设)；重点分析管道改造对材料寿命的影响；分析中考虑与管道寿命相关的变异性。
本发明的有益效果为：
1、利用建立的生命周期评估方法，可以对排水设施施工和改建中涉及的成本和环境风险进行细致、渗入的剖析，帮助决策者对项目投入和风险有深入的认识，提高判断准确度；
2、排水设施生命周期评估方法也为排水设施管理研究提供了参考，对探寻一种更加科学、合理、有效，且适合我国的排水设施管理和评估方法具有借鉴意义。
附图说明
图1为施工和翻修工作流程图。
具体实施方式
如图1所示，位于非城市交通区的污水管施工和翻修，施工包括：(1)工作区清理(2)开挖(3)管道铺设(4)回填(5)沥青铺筑(6)余土分布；翻新包括：(1)沥青层破碎；(2)开挖；(3)拔管；(4)新铺管；(5)回填；(6)新铺沥青。在翻新过程中，还需要包括寿命终止过程，即提取和沉积/焚烧管道，这也包括管道的运输。每一阶段包括不同的过程，如材料生产和运输、机械工作消耗的柴油和处理(焚烧或填埋)。
涉及的成本：
1.开挖阶段包括机械消耗的柴油以及将多余材料运输至垃圾填埋场。
2.管道铺设阶段包括管道的生产、运输至工作场所、管道铺设过程中消耗的柴油。
3.回填阶段包括花岗岩采砂/生产、运输至工作场所以及放置期间消耗的柴油。
4.沥青铺筑阶段包括沥青生产、运输至工作场所和铺筑。
5.土壤处理包括运输过程中消耗的柴油。
对于环境影响的评价包括：气候变化类别、人类毒性、颗粒物形成类别、化石消耗类别。
实施例
对长度为1km、直径为40cm的PVC管的假设下水道系统进行了评估，认为下水道位于非城市区域，无交通(沟渠上部无沥青铺设)，管道安装在一个无托换的矩形管沟内的压实土壤区，运输花岗岩砂和砂、沥青和管道分配器分别选择50、30和25km的距离，要清洁的表面是上部沟槽表面的两倍。
以软土层开挖为例：从管沟中抽出管道所消耗的能量被认为与铺设管道所消耗的能量相同。
(1)成本估算
根据《市政工程计价定额》《辽宁省建设工程计价依据建设工程费用、机械台班费用、混凝土砂浆配合比标准》确定基础数据，并建立成本基础数据库可以备后续使用(注：定额中数据以1000立方米为单位)该数据库是在
由基础数据带入本案例中实际情况可得成本核算如本实际案例中，所挖沟渠的体积为6336立方米，即可带入之前相应的软土层成本基础数据库，得出所挖沟渠的人工成本费用为6336/1000*211.2＝1338.16元，(其他阶段的过程算法同上)最终得出城市排水设施全生命周期的成本清单。
(3)环境影响估算
环境影响可根据考虑的材料或过程进行估算，具体过程如下：根据《中华人民共和国环境保护法》《环境空气质量标准》《环境管理体系要求及使用指南》有关规定建立基础数据库，如气候变化类别的评估(以二氧化碳当量的排放量计量)每1000立方米施工带来的气候变化为1753当量，这些温室气体捕获了太阳反射到地球上的部分辐射，从而影响环境效益，利用6336/1000*1753＝11107.01可以得到本实际案例中的气候变化影响，(其他阶段的过程算法同上)最终得出城市排水设施全生命周期的环境影响清单。
结论：污水管道建设和改造过程中的环境影响主要表现在材料类型、场地特性和材料寿命上。下水道的翻新对所有潜在的环境影响和成本都有很大的影响，因此，LCA研究中不应忽略这一点。在生命周期分析研究中，必须考虑塑料管使用寿命结束时的处理和处置过程。
环境角度看：直径为40cm的1km PVC管道的建设和改造会对环境产生影响。在施工阶段，管道铺设(也包括PVC管道生产)是气候变化、化石损耗和人体毒性主要贡献者；回填阶段分别占颗粒物质和人体毒性影响的40％左右；在翻修阶段，管沟材料的沉积对环境有显著影响(尤其是气候变化和人体毒性的影响。
在分析工艺的贡献时，PVC(建筑和改造用)产生的气候变化(建筑和改造用约50％)、化石损耗(建筑用60％、改造用74％)和人体毒性是整个系统的主要影响源。。管沟材料沉积的影响主要是由聚氯乙烯焚烧造成的。机械中燃烧的柴油是颗粒物质的主要贡献者，同时PVC的生产也是颗粒物质的主要贡献者。
无论是从各个阶段还是流程来看，不包括翻修阶段都会导致对环境影响的低估。
从成本角度看：初始污水系统的污水管改造比其施工更昂贵。成本的增加与管道铺设有关，因为在下水道的使用寿命期间，管道发生了两次变化。通过对不同阶段的分析，可以看出，对于施工、回填，包括花岗岩砂、机械、用水和劳动力的价格，是最昂贵的阶段；其次是管道铺设，包括管道、机械、用水和劳动力。此外，在翻修阶段，管道铺设是最昂贵的过程，其次是回填和挖掘，因为只有一小部分新的花岗岩砂被替换，而新的管道必须每次都获得。从全寿命周期成本的角度来看，改造成本也应包含在基础设施资产管理中，因为它们高于建设成本。因此，对环境影响贡献最大的阶段也是最昂贵的阶段。
